Brevet FR2534021A1 — publié le 19840406

253402-1 La présente invention concerne un dispositif pour mesurer une force ou une charge, et elle vise plus particulièrement un dispositif de ce type dans lequel la force ou la charge est transformée en un signal électrique, ce dispo- sitif s'appliquant plus particulièrement à un système de pesée. Un exemple typique d'un dispositif du type mentionné ci-dessus est constitué par une cellule de charge Dans une cellule de charge typique, une jauge de contrainte résistive est fixée sur une surface d'un élément élastique qui se déforme lorsqu'il est soumis à une force, et on mesure les variations de résistance de la jauge de contrainte, afin d'obtenir l'amplitude de la force. Un exemple de réalisation d'un dispositif à cellule de charge utilisé comme système de pesée est décrit dans le modèle d'utilité japonais publié sous le n' 54-30863 Ce type de dispositif peut mesurer des forces sur un domaine. étendu, en choisissant convenablement la configuration géométrique de l'élément élastique Cependant, ce type de dispositif présente l'inconvénient d'entrarner des erreurs importantes, qui résultent des changements thermiques de pro- priétés physiques, notamment des coefficients élastiques et de dilatation de l'élément élastique et des pertes d'adhérence de la Sauge de contrainte, dues à l'humidité, qui sont très difficiles et coûteuses à compenser Le brevet japo- nais publié sous le N O 43-18665 décrit un dispositif de mesure de force mettant en oeuvre une relation théorique qui existe entre la tension et la fréquence de vibration d'une corde Bien qu'un tel dispositif présente une précision élevée de mesure, sa structure est compliquée, et il présente en outre l'inconvénient d'avoir un domaine relativement étroit de mesure, L'invention se propose, en conséquence, d'apporter un dispositif de mesure de force et de charge qui ne présente pas les inconvénients des solutions antérieures, et qui, en outre, permet de mesurer des forces avec une grande précision et sur un vaste domaine. En conséquence, cette invention concerne un dispositif pour mesurer une force ou une charge qui comprend des premier et second éléments élastiques du type en porte-à-faux, fixés à une extrémité, respectivement, et espacés l'un de l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de force, disposé entre le premier élément élastique et le second élément élastique, afin de détecter la force appliquée au détecteur lorsque la force à mesurer est appliquée à l'un desdits éléments élastiques. Selon un exemple de réalisation de cette invention, appliqué plus parti- 2 2534021 culièrement à un système de pesée, l'un des élémxents élastiues est réalic;é sous la forme dun parallélogramme, situé dans un plan sensiblement vertical, et dont l'fln des côtés verticaux est fixé et l'autre peut se déplacer verticale- ment, l'autre élément élastique est situé dans ledit plan vertical et possède une extrémité fixe par rapport audit côté vertical, le détecteur de force est disposé entre ledit autre élément élastique et un point fixe par rapport audit autre côté vertical, le plateau de la balance étant fixé à l'autre côté vertical. Selon une caractéristique de cette invention, le système détecteur de force comprend des moyens pour transformer la force appliquée au détecteur en un signal électrique, dont la fréquence constitue une indication de cette force, des moyens pour mesurer ladite fréquence, et des moyens pour calculer ladite force à mesurer à partir de la fréquence mesurée,selon un programme prédéterminé. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence aux dessins annexés, qui en il- lustrent divers exemples de réalisation, dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins la Figure 1 est une vue en élévation latérale et en coupe verticale, illustrant un exemple de réalisation de l'invention; la Figure 2 est un schéma donné à l'appui des explications théoriques de l'exemple de réalisation de la Figure 1; la Figure 3 est une représentation schématique d'un circuit permet- tant de transformer les vibrations du fil de l'exemple de réalisation des Figures 1 et 2 en un signal électrique; la Figure 4 est un schéma par blocs représentant un circuit typique de traitement du signal provenant du circuit de la Figure 3 la Figure 5 est un schéma par blocs représentant un circuit perfec- tionné, selon l'invention, par rapport au circuit de la Figure 4; et, les Figures 6 à 10 sont des vues en élévation latérale représentant quelques exemples de réalisation du système de pesée mettant en oeuvre l'in- vention. Sur toutes les Figures des dessins, on a utilisé les mêmes références pour désigner des éléments identiques ou correspondants. En se référant à la Figure 1, on voit que le dispositif selon l'invention comprend un élément élastique principal 2 et un élément élastique auxiliaire 4, 3 2534021 qui sont parallèles l'un à l'autre, et dont l'une des extrémités est fixée à une embase fixe 8 par des boulons 10, par l'intermédiaire d'un bloc d'interposition 6, de façon que les deux éléments élastiques 2 et 4 soient supportés en porte-à- faux (montage encore appelé "cantilever') L'élément auxiliaire 4 est électrique- ment isolé des autres constituants du dispositif par des matériaux isolants 12. Les deux éléments élastiques 2 et 4 comportent des parties amincies 3 et 5, res- pectivement, qui seront appelées ci-après "parties déformables", et dans les- quelles des contraintes sont induites concentriquement lorsqu'une force est ap- pliquée aux extrémités libres des éléments élastiques Un fil métallique élas- tique 14, de longueur effective d, sensiblement égale à l'épaisseur du bloc d'in- terposition 6, est tendu entre les extrémités libres des deux éléments 2 et 4 Le fil 14 est fixé aux extrémités libres des éléments 2 et 4 à l'aide de vis 16 Un aimant permanent 18 est supporté à l'extrémité de l'élément élastique principal 2, cet aimant permanent 18 étant dispçsé au milieu du fil 14, de la façon repré- sentée sur la Figure 1, de manière qu'il soit placé entre les deux p 8 les magné- /orthogonal. tiques de l'aimant, ce qui soumet le fil 14 à un champ magnétique qui lui est/ Lorsqu'une charge W est appliquée vers le bas, vers l'extrémité de l'élément élastique principal 2, en un point 20, comme représenté par la flèche sur les Figures 1 et 2, elle produit une déviation Ad de l'élément principal 2, qui est proportionnelle à la charge W, cette déviation se traduisant par une trac- tion vers le bas, sur l'extrémité inférieure du fil 14 Il en résulte une tension T du fil 14, qui produit une déviation A d 2 de l'élément auxiliaire 4. Si ces constantes élastiques des éléments élastiques 2 et 4 sont, respectivement, K et K 2, et si l'on néglige l'allongement du fil 14, on peut écrire 1 2 Adi =,Ad 2 = Ad W Ad (K 1 +K 2) et, T =S d K 2 ( 2 T (K 1 + 2 Par conséquent, W + K 2 (l) K 2 Cette relation signifie que la charge W et la tension T sont propor- tionnelles, et donc que la valeur de la charge W peut être déterminée en mesurant la tension T. Comme on peut le voir sur la Figure 3, l'extrémité inférieure du fil 4 2534021 14 est reliée aux première et seconde entrées d'un am 1 plificateur différentiel 22, par l'intermédiaire de résistances 24 et 26, respectivement, et à un point de potentiel de référence 28 L'extrémité supérieure du fil 14 est reliée à la première entrée de l'amplificateur 22, par l'intermédiaire d'un condensateur 30, et la sortie de cet amplificateur 22 est reliée à l'extrémité supérieure du fil 14 par l'intermédiaire d'une résistance 32. Dans cet exemple de réalisation non limitatif, si le fil 14 subit une légère déviation, dans une direction transversale au champ magnétique de l'ai- mant permanent 18, un faible courant est induit dans une direction, dans un circuit fermé constitué par les éléments 14, 24 et 30, afin de produire une ten- sion aux bornes de la résistance 24 Cette tension est amplifiée par l'amplifi- cateur 22, et la sortie amplifiée est appliquée au fil 14 par l'intermédiaire de la résistance 32, dans une direction qui-tend à augmenter encore la déviation du fil Lorsqu'un équilibre est obtenu entre les énergies mécaniques et élec- triques appliquées au fil 14, la déviation du fil 14 cesse d'augmenter, et le fil commence à dévier dans la direction opposée, ce qui inverse le débit de courant. On répète ensuite ces actions, de manière à provoquer une vibration forcée du fil 14, à une fréquence f Comme le montre l'ouvrage japonais "Kogyo Denshi Kisoku" (Mesure Electronique Industrielle), de O Nishino, p 51, publié par Corona, Inc, Tokyo, 1965, cette fréquence f est donnée par la relation: f ( 2)S ( 2) dans laquelle N est 1 ' ordre de l'harmonique la plus élevée, d est la longueur effective du fil 14, g est l'accélération de la pesanteur, et m est la masse par unité de longueur du fil 14 Par conséquent, la tension T peut être obtenue en mesurant la fréquence f - La Figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un circuit de détec- tion de la fréquence et de calcul de la charge appliquée au dispositif de la Figure 1 Le circuit comprend un oscillateur 34, qui englobe le circuit de la Figure 3, et qui délivre un signal d'oscillation de fréquence f Le signal d'os- cillation est appliqué à un compteur 40, par l'intermédiaire d'une grille 36, commandée par un compte-temps 38, ce compteur 40 comptant le nombre de cycles du signal d'oscillation appliqué pendant un temps prédéterminé, consigné dans le compte-temps 38 Le compteur 40 délivre sa sortie de comptage à une unité arithmétique 42, qui peut être un micro-calculateur ou micro-ordinateur, 2534021 et qui calcule la fréquence f à partir du compte d'entrée et de la valeur du temps de consigne, et ensuite la tension T ainsi que la charge W, selon les équations ( 2) et ( 1) données ci-dessus Un indicateur 44 affiche ou délivre, sous une forme quelconque, le résultat de ces calculs, Pour améliorer la précision ou le pouvoir de résolution de la charge mesurée W, dans un tel mode de réalisation, il est nécessaire d'augmenter le compte de sortie du compteur 40 Dans ce but, la fréquence de sortie de l'oscil- lateur 34 ou la durée de contrôle de la grille 36 peuvent être augmentées Ce- pendant, l'augmentation de la fréquence f est limitée par la réduction de la longueur d du fil 14, et il est indésirable d'augmenter la durée de la mesure par augmentation de la durée de contrôle de la grille. Le circuit représenté sur la Figure 5 constitue une variante du circuit illustré par la Figure 4, qui permet d'obtenir le résultat mentionné cidessus sans modification du fil ni de la durée de contrôle de la grille Sur cette Figure 5, un multiplicateur de fréquence 46, à boucle verrouillée en phase, est inséré entre un oscillateur 34 et la grille 36 ou le circuit de la Figure 4 Comme on l'a représenté, le multiplicateur de fréquence 46 comprend un détecteur de phase 48, un filtre passe-bas 50, et un oscillateur commandé en tension 52, couplés en série entre l'oscillateur 34 et la grille 36, et un diviseur de fréquence 54, couplé entre la sortie de l'oscillateur 52 et la seconde entrée du détecteur de phase 48. Dans cet exemple de réalisation, l'oscillateur 34 produit un signal de fréquence f, l'oscillateur 52 commandé en tension est préréglé de façon à pro- duire un signal de fréquence Nf, et le diviseur de fréquence 54 présente un fac- teur de division N Par conséquent, la fréquence de sortie du diviseur de fré- quence 54 est initialement proche de la valeur f Le détecteur de phase 48 compare, en phase, les signaux de sortie de l'oscillateur 34 et du diviseur de fréquence 54, et il produit une tension qui est fonction de cette différence de phase Cette tension est filtrée par le filtre passebas 50, pour éliminer les composants en courant alternatif, et elle est appliquée à l'oscillateur contrôlé en tension 52 L'oscillateur 52 est conçu et disposé de manière que sa fréquence de sortie soit commandée et contrôlée dans le sens d'une diminution de sa ten- sion d'entrée, et, par conséquent, il tend à produire une fréquence dont la va- leur est exactement celle de Nf Ceci signifie qu'il est possible d'obtenir une résolution d'un facteur N du circuit de la Figure 4 avec la même durée de 6; 2534 02 ^ mesure, ou de réduire cette durée de mesure d'un facteur N en conservant la même résolution. Bien que le dispositif selon la présente invention rie soit pas affecté par l'humidité et ne nécessite pas de structure coûteuse pour réaliser une étan- chéité, à la différence des dispositifs selon la technique antérieure qui mettent en oeuvre des jauges de contrainte fixées sur les parties déformables, il est probable qu'il soit affecté par les variations de température L'un des effets possibles, résultant de cette sensibilité aux variations de température, consiste en une dilatation thermique du fil 14, qui modifie la valeur de sa tension T, en introduisant une erreur relativement importante dans la mesure Cet inconvé- nient peut être éliminé en choisissant une épaisseur du bloc d'interposition 6 sensiblement égale à la longueur effective d du fil 14, comme représenté sur les Figures 1 et 2, et également en réalisant le bloc 6 et le fil 14 à l'aide de matériaux qui présentent sensiblement le même coefficient de dilatation ther- mique linéaire. Un autre effet thermique consiste en une variation des constantes élas- tiques K et K 2 des deux éléments 2 et 4, qui peut provoquer une modifica- tion de la constante de proportionnalité ( 1 + 2) de l'équation ( 1) On a K 2 découvert, cependant, que la valeur de cette constante de proportionnalité pou- vait demeurer apparemment inchangée en réalisant les deux éléments élastiques 2 et 4 en un même matériau (ou en mêmes matériaux) présentant le même coefficient thermique de module élastique, et en compensant la modification thermique de géométrie par une correction du point zéro. Même en l'absence de changement de température, il peut se produire quelques erreurs, provoquées par des contraintes résiduelles et/ou par un al- longement graduel et permanent des éléments 2 et 4 avec la charge, le temps et la température On peut cependant éviter ces erreurs en concevant les par- ties déformables des éléments 2 et 4 de manière que les efforts maximaux aux- quels ils sont soumis présentent sensiblement la même amplitude, et en réali- sant ces deux éléments 2 et 4 à partir d'un même matériau, étant donné que les contraintes résiduelles et les allongements graduels et permanents sont fonction des efforts subis qui sont spécifiques au matériau utilisé. L'équation ( 1) montre que la tension T peut être maintenue, indé- pendamment de la valeur de W, en choisissant convenablement la constante -7 2534021 éLastique K 1 de l'élément élastique principal 2 seulement Ceci signifie que le domaine de mesure du dispositif selon l'invention peut être établi de façon ar- bitraire en changeant uniquement la configuration géométrique de la partie dé- formable 3 de l'élément principal 2, et sans modifier les autres composants, tels que l'élément auxiliaire 4 et le fil 14. Dans l'exemple décrit ici, le fil vibrant coopère avec un aimant per- manent, utilisé comme un transducteur mécano-électrique Il ne s'agit naturel- lement que d'un exemple non limitatif, tout type de transducteur) qui peut trans- former une force mécanique en un oscillateur électrique dont la fréquence est fonction de la force appliquée, pouvant être utilisé à la place de la structure du fil mentionnée ci-dessus Comme exemples de telles solutions équivalentes, on peut citer les transducteurs à cristal décrits dans l'article de Y Nishiguchi, intitulé: "Vibratory Electronic Balances", paru dans la publication japonaise KEIRYO KANRI (Contrôle de mesure de poids), volume 32, N O 4 ( 1983), pages 10-13, et les transducteurs à fourchette d'accord décrits dans ce même ar- ticle, pages 15-16. On se réfère maintenant à la Figure 6, qui représente une balance dans laquelle on utilise une variante du dispositif illustré par les Figures 1 et 2, pour mesurer les poids La balance comprend un mécanisme à parallélogramme 56, généralement connu sous le nom de "mécanisme Roberval", qui joue le rôle de l'élément élastique principal 2 du dispositif des Figures 1 et 2 Le mé- canisme à parallélogramme 56 comprend une paire d'éléments verticaux 58 et , et une paire d'éléments horizontaux 62 et 64, dont le couplage est assuré par quatre parties élastiquement déformables 66, 68, 70 et 72 L'élément vertical 58 est fixé sur un socle ou support fixe 8 de la balance, et l'élément vertical 60 est couplé rigidement à un plateau de pesée 74, par l'intermédiaire d'une tige de support 75, de manière que le plateau 74 puisse se déplacer ver- ticalement avec l'élément vertical 60 Un bras rigide 76 s'étend horizontale- ment à partir de la face interne de l'élément vertical 58, et un élément élas- tique auxiliaire 4, qui est similaire à celui des Figures 1 et 2, est fixé au bras 76 par l'intermédiaire d'un bloc d'interposition 6, de façon à être situé dans le plan du mécanisme à parallélogramme 56, Un autre bras rigide 78 s'étend horizontalement à partir de la face interne de l'élément vertical 60, -et un fil métallique 14 est tendu verticalement entre les extrémités libres de l'élément élastique 4 et du bras 78 Un aimant permanent 18 est fixé à l'élément verti- cal 60 afin que le fil 14 soit disposé entre les deux pales magr-tlques de l'aimant Bien que cela ne soit pas représenté sur les dessins, un circuit de détection de fréquence et de calcul de poids, similaire à celui de la Figure 4 ou de la Figure 5, est couplé aux deux extrémités du fil 14 Le fonctionnement de cette balance ressort clairement de la description, faite ci-dessus, du dis- positif illustré par les Figures 1 et 2 o Les Figures 7 à 10 illustrent quelques variantes de la structure illus- trée par la Figure 6 Bien que toutes ces variantes possèdent des structures similaires et que leur fonctionnement se comprenne facilement en examninant le dessin, la variante de la Figure 10 diffère quelque peu des autres, en ce que la tension initiale du fil 14 est réduite par le poids sur le plateau 74, et en ce qu'on détecte une réduction de fréquence proportionnelle au poids Ces modifi- cations répondent à des exigences de conception,découlant des desiderata des clients, notamment des domaines de mesure, de la compacité et de l'aspect du produit, et elles ne sortent pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour-mesurer une force ou une charge, qui comprend des premier et second éléments élastiques du type en porte-à-faux fixés à une extrémité, respectivement, et espacés l'un de l'autre, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur de force ( 14), disposé entre le premier élément élastique ( 2) et le second élément élastique ( 4), afin de détecter la force appliquée au dé- tecteur lorsque la force à mesurer est appliquée à l'un desdits éléments élas- tique s. 2 Dispositif selon la revendication 1, appliqué notamment à une ba- lance, caractérisé en ce que l'un des éléments élastiques est réalisé sous la forme d'un parallélogramme ( 56), situé dans un plan sensiblement vertical, et dont l'un des côtés verticaux ( 58) est fixé et l'autre ( 60) peut se déplacer ver- ticalement, l'autre élément élastique ( 4) est situé dans ledit plan vertical et possède une extrémité fixe par rapport audit côté vertical, le détecteur de force ( 14) est disposé entre ledit autre élément élastique et un point fixe par rapport audit autre côté vertical, le plateau ( 74) de la balance étant fixé à l'autre côté vertical. 3, Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et second éléments élastiques sont constitués de matériaux qui présentent des coefficients de température de module élastique sensiblement égaux. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits premier et second éléments élastiques présentent des parties ( 3-5) qui sont soumises à des contraintes concentrées, et en ce que la configuration géométrique desdites parties est choisie de manière que s'y produisent des contraintes maximales égales. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le détecteur de force ( 14) est muni de moyens ( 22-32) pour transformer la force appliquée au détecteur en un signal électrique dont la fréquence (f) constitue une indication de cette force, de moyens ( 34-40) pour mesurer la- dite fréquence, et de moyens ( 42) pour calculer ladite force à mesurer à partir de la fréquence mesurée, selon un programme prédéterminé. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour transformer la force appliquée au détecteur en un signal élec- trique comprennent un fil métallique ( 14) tendu entre les premier et second ú V 253 '402 élé 1 ments élastiques, au moins une paire de pôles -rnagn'tiques -i Ln aimant per- manent ( 18) faisant face aux deux côtés du fil, et les tnoyen: i{ 2-3 z J pour d&- livrer un courant induit dans le fil par des vibrations 7 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure de fréquence comprennent une grille ( 36) pour laisser passer le si- gnal de sortie des moyens de transformation pendant un temps prédéterminé, un multiplicateur de fréquence ( 46), pour multiplier la fréquence du signal de sortie de ladite grille, des moyens ( 40) pour compter le nombre de cycles du signal de sortie dudit multiplicateur, et des moyens ( 42) pour calculer ladite fréquence (f) à partir du compte résultant.