Brevet FR2515343A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne un dispositif de pesée comportant une cellule de charge (ou cellule de contraintes) ainsi qu'un plateau ou ber- ceau de pesée. On sait qu'un dispositif de pesée moderne (ou balance) comporte un plateau de pesée qui est généralement pourvu d'un mécanisme à parallé- logramme dont l'un des éléments verticaux est fixe par rapport à un support fixe, l'autre élément vertical étant accouplé au plateau de pesée les quatre éléments de liaison sont réalisés sous la forme d'éléments élastiquement déformables et des jauges de contraintes sont fixées à ces éléments afin de détecter la déformation qui correspond au poids de l'objet à peser positionné sur le plateau Ce mécanisme à parallélogramme déformable, ou mécanisme de Roberval, possède une caractéristique particulière qui est telle que la déformation, c'est-à-dire la valeur mesurée du poids, n'est pas affectée par la position de l'objet à peser sur le plateau de la balance Cet effet est connu de l'homme de l'art Par ailleurs, un tel dispositif de pesée comportant une cellule de charge est avantageux en raison de sa structure simple, de sa fa- cilité de fabrication, de sa sensibilité relativement élevée et de son faible cot It de fabrication Cependant, ce type de dispositif de pesée présente l'iin- convénient de donner lieu à des erreurs de mesure irrégulières (c'est-à- dire aléatoires) en raison des déformations anormales subies par les élé- ments du parallélogramme Ce type d'inconvénient a été souligné dans la demande de brevet japonais publiée sous le N O 56-36030, dans laquell e on a proposé des perfectionnements en vue de pallier cet inconvénient. Par ailleurs, ce type de dispositif de pesée présente l'inconvé- nient d'être facilement affecté par les conditions de l'environnement telles que notamment l'humidité et les gaz corrosifs Pour résoudre les problèmes ainsi posés on a envisagé de munir le dispositif de pesée d'un couvercle étanche à l'air protégeant la cellule de charge, ainsi que le mécanisme à pa- rallélogramme, ce qui a donné lieu à un dispositif présentant des dimensions beaucoup trop importantes et d'une manipulation peu pratique. On a donc proposé, pour cette application particulière, un autre type de cellule de charge, dont la partie qui assure la détection est totale- ment rendue étanche par rapport à l'environnement Cependant ce type de cellule de charge ne présente pas la caractéristique particulière, mentionnée 2- ci-dessus, des autres types de cellules de charge Daièe ces conditions, on a été amené à proposer une combinaison de ce dernier type de cellule de charge et d'un mécanisme à parallélogramme déformable Un exemple d'une telle structure est décrit dans le modèle d'utilité japonais publié sous le n' 54-30863 Cependant, un tel dispositif ne donne pas satisfaction pour des raisons qui seront expliquées ci-après. En conséquence, la présente invention se propose d'apporter une structure perfectionnée de dispositif de pesée mettant en oeuvre la combi- naison mentionnée ci-dessus, mais surmontant totalement les différents problèmes évoqués ci-dessus. Par conséquent cette invention vise un dispositif de pesée du type à cellule de charge, comportant un mécanisme à parallélogramme déformable présentant une paire d'éléments verticaux et une paire d'éléments horizon- taux L'un des éléments verticaux est monté, de façon fixe, sur unsupport fixe du dispositif et l'autre élément vertical est couplé au plateau ou au ber- ceau de pesée Les quatre éléments de liaison du mécanisme à parallélo- gramme sont réalises sous la forme d'éléments élastiquement déformables. Le dispositif comporte également une cellule de charge présentant des élé- ments de détection qui sont totalement isolés vis-à-vis de l'environnement, c'est-à-dire qu'ils sont rendus étanches par rapport à l'atmosphère ambiante. La cellule de charge est également fixée sur le support fixe, au-dessus ou au-dessous du mécanisme à parallélogramme déformable Selon une carac- téristique de cette invention, l'autre élément vertical du mécanisme à paral- lélogramme déformable et l'extrémité libre de la cellule de charge sont couplés, par l'intermédiaire d'une tige de liaison comportant une première partie plate qui est parallèle au plan du parallélogramme et une seconde partie plate qui est perpendiculaire à ce plan. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins anne- xés qui en illustrent divers exemplaires de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif Sur les dessins: la figure 1 est une vue en élévation latérale et coupe verticale, représen- tant un dispositif de pesée selon la technique antérieure, comportant un mécanisme à parallélogramme déformable et une cellule de charge; -3 - la figure 2 est une vue en élévation latérale représentant une cellule de charge scellée, selon la technique antérieure; la figure 3 est une vue en élévation latérale représentant un dispositif de pesée selon la technique antérieure, comprenant un mécanisme à parallé- logramme déformable et une cellule de charge étanche ou scellée, ces deux éléments étant couplés par l'intermédiaire d'une broche; la figure 4 est une vue en élévation latérale, représentant un exemple de réalisation d'un dispositif de pesée selon la technique antérieure, compor- tant une cellule de charge combinée à un mécanisme à parallélogramme élastiquement déformable; la figure 5 est une vue en élévation latérale illustrant un premier exemple de réalisation d'un dispositif de pesée selon la présente invention; la figure 6 est une vue partielle, en élévation frontale, de l'exemple de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 5, cette figure étant destinée à l'explication du fonctionnement; la figure 7 est une vue partielle, en coupe selon VII- VII de la figure 5, permettant d'expliquer le fonctionnement de ce dispositif; la figure 8 est une vue en élévation latérale permettant de bien faire com- prendre le fonctionnement du dispositif selon la présente invention et, la figure 9 est une vue en élévation latérale, et en coupe partielle, d'un second exemple de réalisation d'un dispositif de pesée selon l'invention. Sur toutes les figures et dessins les éléments similaires ont été affectés des mêmes références. On se réfère en premier lieu à la figure 1 qui représente un dis- positif de pesée classique du type comportant un parallélogramme déforma- ble et des cellules de charge La cellule de charge comporte quatre parties élastiquement déformables 1, 2, 3, 4, qui constituent les quatre côtés du parallélogramme et qui servent donc d'éléments de liaison d'un mécanisme de Roberval et, également, de sections de détection d'efforts ou de con- traintes Les éléments de détection de contraintes 6 et 7 d'une jauge de con- traintes sont fixés aux parties 1, 2, 3 et 4 de la cellule de charge et ils sont recouverts d'un matériau de revêtement 8 et 9, par exemple d'un caoutchouc de silicone ou d'une résine synthétique Ainsi qu'on peut le voir sur le dessin, l'un des éléments verticaux du mécanisme de Roberval est fixé sur un support -4 - fixe et l'autre élément vertical de ce mécanisme est couplé à un plateau ou berceau de pesée 5 En raison de la caractéristique particulière, mention- née ci-dessus, du mécanisme de Roberval, tout poids W 1, W 2 et W dont l'action s'exerce sur le plateau de pesée 5,entralke une déformation simi- laire de la cellule de charge, par conséquent une même valeur mesurée du poids, lorsque W, = W 2 = W 3 Cependant, les revêtements 8 Dt 9 des éléments de la jauge de contraintes ne sont pas suffisants pour s'opposer à la pénétration de l'hu- midité dans cette cellule et,; lorsque l'élément de détection se présente sous la forme d'un conducteur de faible section, des erreurs peuvent provenir des dommages provoqués par l'humidité, à l'isolant électrique Par ailleurs, les parties de détection de contraintes 1, 2, 3 et 4 peuvent être corrodées ou oxydées par les gaz actifs environnants et ceci peut entraîier des modi- fications des constantes élastiques et une erreur correspondante de mesure. Cet inconvénient peut être surmonté en munissant la cellule de charge d'un- couvercle étanche Cependant, la présence d'un tel couvercle augmente l'en- combrement du dispositif et, également, son prix de revient. Sur la figure 2 on a représenté un autre exemple de réalisation con- nu d'une cellule de charge 10, dont la section de détection de contraintes est totalement isolée et rendue étanche vis-à-vis de l'atmosphère ambiante par un couvercle métallique à soufflets Bien que ce type de cellule de charge pallie les inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux problèmes posés par l'environnement, il ne présente pas la caractéristique avantageuse d'un mécanisme de Roberval et il donne lieu à des mesures de poids diffé- rentes, pour des valeurs W 4 et W 5 égales, en raison de la différence de lon- gueurs de la partie en porte à faux. La figure 3 représente un dispositif de pesée perfectionné, selon la technique antérieure, qui comporte la cellule de charge 10 telle que repré- sentée sur la figure 2, en combinaison avec un mécanisme de Roberval. Dans ce dispositif connu, les inconvénients mentionnés ci-dessus de la cel- lule de charge 10 peuvent ê-tre surmontés Cependant, il est connu que ce type de dispositif de pesée peut présenter des régions insensibles non dési- rées et donner lieu à des phénomènes d'hysteresis résultant des frottements sur les quatre paliers 13, 14, 15 et 16. -5 ^ Le modèle d'utilité japonais publié sous le N O 54-30863 décrit un dispositif de pesée représenté sur la figure 4 Dans un tel dispositif, on met en oeuvre une combinaison des dispositifs illustrés par les figures 1 et 2 On réalise ainsi une structure qui comporte quatre parties élastiquernent déformables 17, 18, 19 et 20 au lieu des paliers ou pivots 13, 14, 15 et 16 du dispositif représenté sur la figure 3 La cellule de charge et le mécanis- me à parallélogramme déformable sont couplés par l'intermédiaire d'une tige de compression 21 qui est au contact des pivots Za et 21 b Une telle structure pallie les inconvénients de la structure décrite ci-dessus en réfé- rence à la figure 3 mais elle présente un autre inconvénient résultant de la position d'équilibre des pivots 2 Na et 21 b, qui diminue la reproductibilité de la mesure Afin d'éviter l'inconvénient mentionné cidessus on applique à la cellule de charge, une charge préliminaire par l'intermédiaire de la tige de compression 21 Cependant, cette charge préliminaire entrafne une réduc- tion indésirable du domaine de mesures du dispositif de pesée, étant donné que ce domaine est constitué par la différence qui existe entre la charge tarée de la cellule de charge et la charge préliminaire En outre, ce typede structure se caractérise par un inconvénient essentiel selon lequel aucune charge négative ne peut être mesurée, en raison de la séparation des pivots Za et 21 b, comme on le comprend aisément. Par conséquent, la présente invention apporte un dispositif de pe- sée ne présentant pas les inconvénients ci-dessus Sur la figure 5 on a re- présenté, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'inven- tion qui comporte un mécanisme à parallélogramme 22, du type illustré par la figure 1, et une cellule de charge à enveloppe métallique 23, du type re- présenté sur la figure 2, ces deux éléments étant cout Iés rigidement par l'intermédiaire d'une tige de liaison 24. Le mécanisme à parallélogramme 22 comporte une paire d'élé- ments verticaux 25 et 26 et une paire d'éléments horizontaux 27 et 28, qui sont couplés par l'intermédiaire de parties élastiquement déformables 29, 30, 31 et 32 L'élément vertical 25 est couplé rigidement à un plateau de pesée 34 par l'intermédiaire d'une tige de support 35, et l'élément vertical 26 est fixé à un support fixe 33 du dispositif, de manière que l'élément vertical 25 puisse se déplacer verticalement avec le plateau 34 Un support 36 s'étend -6- à partir de la face interne de l'élément vertical 25, et un alésage vertical est foré au travers de ce support 36 pour recevoir la tige de liaison 24 Afin de permettre le passage de la tige de liaison 24, des alésages 37 et 38 sont pratiqués respectivement dans les éléments horizontaux 27 et 28. La cellule de charge 23 rendue étanche par une enveloppe métal- lique à soufflets, est fixée par son extrémité de base à un bras 39 qui s'é- tend vers le haut, à partir de l'élément vertical 26, l'autre extrémité de cette cellule s'étendant juste au-dessus de l'alésage 27 afin de former une structure en porte à faux du type "cantilever"' Dans l'extrémité libre 40 de la cellule de charge 23 est foré un alésage vertical, aligné avec les alésages 27 et 28 et également avec l'alésage du support 36 Etant donné que les struc- tures internes et d'étanchéité de la cellule de charge 23 sont bien connues, elles ne seront pas décrites ici. Les deux parties d'extrémité de la tige de liaison 24 sont pourvues d'écrous m 9 les, respectivement, et la partie intermédiaire de cette tige est munie d'une paire de premières portions plates 41 et 42 et d'une seconde portion plate unique 43, entre les deux premières L'extrémité supérieure de la tige de liaison 24 traverse l'alésage ménagé dans l'extrémité libre 40 de la cellule de charge 23 et elle est rigidement maintenue par des écrous 44 et 45 De la même manière, l'extrémité intérieure de cette tige de liai- son 24 traverse l'alésage du support 36 et elle est rigidement fixée à l'aide des écrous 46 et 47 Dans cet état de fixation, les surfaces plates des pre- mières portions 41 et 42 sont orientées parallèlement au plan du prallélo- gramme, c'est-à-dire au plan de la figure 5, et la surface plane de la se- conde portion 43 est orientée perpendiculairement à ce même plan, c'est-à- dire qu'elle est pe rpendiculaire à l'axe Y-Y' de la figure 5, qui est l'axe de torsion du mécanisme à parallélogramme déformable Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 6, la structure subit une torsion autour de l'axe Y-Y', comme on l'a représenté en traits interrompus, lorsque des charges W 9 W 10 et W 1 sont partiellement appliquées. Le dispositif de pesée, réalisé de la manière décrite ci-dessus, permet d'effectuer des mesures de poids d'une grande précision quel que soit l'emplacement o la charge est appliquée sur le plateau de pesée 34. -7- Cette propriété résulte des faits suivants Lorsqu'une charge est appliquée sur le plateau de pesée 34, elle agit sur la cellule de charge 23 par l'intermédiaire de l'élément vertical 25 et de la tige de liaison 24 La cellule de charge 23 et le mécanisme à paral- lélogramme déformable 22 subissent une déviation verticale avec l'accroissement de la charge et le mécanisme 22 peut également subir une torsion en fonction de l'emplacement de la charge En supposant maintenant que seule la charge W 9 est appliquée sur le plateau de pesée, comme représenté sur la figure 6, la structure subit une torsion par rapport à un point C, selon le sens des aiguilles d'une montre, comme on l'a représenté d'une façon exa- gérée par le contour en traits interrompus Cette torsion est également transmise à la tige de liaison 24 Si la torsion était transmise telle quelle à la cellule de charge, cette dernière serait soumise à une application simultanée d'une torsion et d'une flexion, ce qui se traduirait par une inter- férence des forces dans une direction autre que celle correspondant à la di- rection principale et il en résulterait une très faible précision de la mesure. Cependant, la résistance de la tige de liaison 24, à l'encontre de la flexion résultant de la torsion est très faible en raison de la présence des premières portions plates 41 et 42 Sous l'effet de la torsion ainsi appliquée, la tige de li aison 24 se déforme de la façon représentée sur la figure 7 afin d'éviter l'interférence de la torsion ce qui se traduit par un transfert de la force ou de l'effort uniquement selon la direction principale, vers la cellule de charge 23. On se réfère maintenant à la figure 8, cette description se réfé- rant au cas oh la position d'application de la charge se déplace comme re- présenté par les flèches W 6 y W 7 et W 8 Lorsqu'une charge est appliquée sur le plateau de pesée 34, à l'emplacement W 6, le plateau 34 est repoussé vers le bas Lorsque la charge est appliquée à l'emplacement W 7 ou W, le plateau 34 est repoussé vers le bas, en s'inclinant On suppose mainte- nant que le déplacement vers le bas est S Il en résulte un déplacement i vers le bas égal à CI du support 36 et un déplacement identique vers le bas S' de la partie d'extrémité 40 de la cellule de charge 23, par l'intermé- diaire de la tige de liaison 24 Cependant, par suite de la différence de lon- -8 - gueurs des éléments parallèles 27 et 28 du mécanisme à parallélogramme déformable 22 et de la longueur de la partie de flexion de la cellule de char- ge 23, il se produit le phénomène suivant Comme on l'a représenté de façon exagérée sur la figure 8, le support 36 du mécanisme à parallélogram- me 22 présente un déplacement horizontal el en plus de son déplacement vertical S Par ailleurs, l'extrémité libre 40 de la cellule de charge 23 présente un déplacement horizontal y 2 outre son déplacement vertical S 27 1 Ces déplacements horizontaux ed et -e 2 diffèrent l'un de l'autre et cette différence se traduit par une flexion de la tige de liaison 24, le long du plan du mécanisme à parallélogramme 22, cèst-à-dire le plan de la figure 8 Si la flexion devait être transmise telle que à la cellule de charge 23, cette dernière serait soumise à une interférence de forces autres que la force principale ce qui se traduirait par une réduction de la précision de la me- sure Cependant, la tige de liaison 24 possède une seconde partie plate 43 présentant une résistance extrêmement faible à la flexion et elle se déforme comme on l'a représenté sur la figure 8-afin d'éviter l'interférence due à la flexion, ce qui fait que seule la force s'exerçant dans la direction principale est transmise à la cellule de charge 23 Par conséquent, même si la charge est partiellement appliquée sur le plateau 34, les premières portions plates 41, 42 et/ou la seconde portion plate 43 de la tige de liaison 24 se déforment afin d'éviter toute interférence de torsion et de flexion provoquée par la charge partielle, ce qui permet des mesures de très grande précision. On a effectué des essais afin d'étudier l'effet d'élimination de l'interférence d'un dispositif de pesée (domaine de poids de 5 kg) selon l'exem- ple de réalisation décrit ci-dessus Un poids identique a été déposé sur le plateau 34, de forme carrée (côté de 450 mm) aux emplacements W et W. séparés du centre d'une distance de 150 mm respectivement, vers l'avant et l'arrière et, en des emplacements W et W l, également -distants de mm du centre, respectivement vers la droite et vers la gauche, indivi- duellement On a obtenu et mesuré les différences dans les différents plans. La différence des valeurs de poids entre les emplacements W 7 et W 8 était de 1/1000 avant réglage, et elle était de 1/10000 à 1/15000 après réglage. Par contraste, la valeur correspondante était de 1/200 à 1/400, avant et après réglage, dans la m 8 me expérience, sauf que la tige de liaison 24 avait été remplacée par une tige dépourvue de portion plate. Il ressort de la description ci-dessus que le dispositif de pesée, selon la présente invention, peut effectuer des mesures stables, et de grandes précisions, de charges partielles sur le plateau de pesée Par ailleurs, il est possible de mesurer à la fois les forces ou charges positives et négatives étant donné que les deux extrémités de la tige de liaison 24 sont fixées rigidement. La figure 9 illustre une variante du dispositif de pesée représenté par la figure 5 Dans cette variante, le mécanisme à parallélogramme et à cellule de charge est retourné par rapport à la disposition précédente et, il en résulte que la compression est appliquée à la tige de liaison 24 On obtient un fonctionnement de la tige 24 qui est identique à celui décrit ci- dessus. On sait que le point zéro ou point neutre d'un système de pesée peut varier par suite des modifications de températures lorsque les compo- sants structurels de ce dispositif présentent des coefficients de dilatation linéaire différents Par exemple, si la distance séparant le support 36 de la partie terminale 40 varie, et si la longueur de la tige de liaison 24 varie elle-même, le point zéro change Par conséquent, pour tenir compte des modifications de températures, il est préférable que le corps principal de la cellule de charge, le mécanisme à parallélogramme déformable, le bras de support 39 de la cellule de charge et la tige de liaison 24, soient réalisés à l'aide de matériaux présentant le même coefficient de dilatation linéaire. Bien que dans les exemples de réalisation décrits ci-dessus, la tige de liaison 24 comporte deux premières portions plates et une seconde portion plate, la première et la seconde portion plates peuvent être au nom- bre de un ou deux respectivement L'enveloppe à soufflets métallique de la cellule de charge 23 peut être remplacée par un couvercle en caoutchouc de butyle ou d'uréthane présentant une bonne étanchéité aux gaz et à l'humidité. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est nullement limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. -10- REVENDICATIONS 1 Dispositif de pesée qui comprend un mécanisme à parallélogramme comportant une paire d'éléments verticaux et une paire d'éléments hori- zontaux couplés de manière à former un parallélogramme, lesdits élé - ments horizontaux comportant chacun, à leurs deux extrémités, une paire de portions élastiquement déformables, l'un desdits éléments verticaux étant fixé sur un support fixe de ce dispositif, cependant que l'autre élé- ment vertical est couplé à un plateau de pesée du dispositif, une cellule de charge du type en porte à faux dont l'une des extrémités est fixée par rapport audit support fixe et dont l'autre extrémité reste libre, une tige de liaison couplée d'une part, à l'extrémité libre de la cellule de charge et, d'autre part, à l'élément vertical du mécanisme à parallélogramme couplé au plateau de pesée, ce dispositif étant caractérisé en ce que la tige de liaison ( 24) est couplée de façon rigide à ladite extrémité libre ( 40) de la cellule de charge ( 23), par l'une de ses extrémités, et audit élément vertical ( 26), par son autre extrémité, et en ce que cette tige de liaison comporte au moins une première portion plate ( 41) ou ( 42) et au moins une seconde portion plate ( 43), la surface plane de ladite première portion plate étant parallèle au plan dudit parallélogramme, et la surface plane de la seconde portion plate étant perpendiculaire à ce plan. 2 Dispositif de pesée selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cellule de charge ( 23) comporte un élément de détection de contraintes qui est protégé de manière étanche à l'air par une enveloppe 3 Dispositif de pesée selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments ( 25, 26) ( 27, 28) dudit mécanisme à parallélogramme ( 22), le corps principal de la cellule de charge ( 23), l'élément fixe ( 33), couplant l'élément vertical fixe( 26) du mécanisme à parallélogramme et, ladite tige de liaison ( 24), sont réalisés à l'aide de matériaux présentant le même coefficient de dilatation linéaire.