Brevet FR2544075A1 — publié le 19841012

APPAREIL ELECTROMECANIQUE POUR LA CONVERSION DE FORCES EN SIGNAUX ELECTRIQUES L'invention a pour objet un appareil électromécanique pour la conversion de forces en signaux électriques comprenant une partie de réception de la force à mesurer, un élément de mesure et une partie de transfert de la force de réaction. Il est connu que les mécanismes de la technique courante sont basés sur l'équilibre des effets des forces de structure La mesure des effets de ces forces est une tâche fréquente dans la technique On associe de telles tâches au fait que, en plus des forces à mesurer, il est également nécessaire d'éliminer les forces dynamiques (par exemple les forces de vibrations) créées par les effets de l'environnement et ceci pendant le processus de mesure. On effectue fréquemment les tâches de mesure par des méthodes de mesure électrique La mesure des forces par la méthode électrique est apparue et a été d'usage général dans les techniques de mesure indus- trielle depuis quelques décades La conversion des forces et des signaux électriques est essentiellement réalisée par ce qui est appelé la piézo- résistivité Dans de tels convertisseurs de mesure, le capteur de mesure piézo-résistif est généralement disposé sur l'élément de mesure qui subit une déformation entre deux poles mécaniques c'est-à-dire la force d'action et la force de réaction En conséquence l'équilibre des forces est sensiblement réalisé par le champ de contraintes mécaniques qui se développe dans l'élément de mesure Les résistances formant capteurs de mesure sur la surface de l'élément de mesure sont modifiées du fait de la déformation qui se produit sous l'influence des contraintes mécani- ques qui généralement déséquilibrent un pont de mesure électrique. Les caractéristiques des cellules dynamométriques utilisées comme convertisseurs de mesure peuvent être généralement décrites comme dépen- dant de la constitution du capteur de mesure de l'élément de mesure et du pont de mesure De tels convertisseurs de mesuré sont fréquemment utilisés par exemple dans les installations à échelle industrielle ou dans les appareils de mesure de machines électroniques d'essai de matériaux. Pour un fonctionnement correct, il est cependant nécessaire d'in- troduire de façon adéquate des convertisseurs de mesure dans les sys- tèmes mécaniques La condition fondamentale en est que seule la force à mesurer doit participer à la conversion des forces en signaux électri- ques Pour cette raison, il est essentiel que la direction de mesure du convertisseur de mesure et la ligne de force influante à mesurer puissent coïncider c'est-à-dire que leurs positions relatives ne soient pas altérées pendant le processus de mesure Il est de même important que le point d'application des forces étant correctement défini, le déplacement de ce point d'application pendant la déformation qui a lieu sous l'influence des forces se produise sans que se développent des forces supplémentaires ou des champs de contraintes additionnelles. Différentes constructions ont été réalisées de façon à remplir simultanément les conditions ci-dessus décrites pour un fonctionnement correct Il est par exemple connu une solution selon laquelle les forces sont transférées à l'aide d'éléments intermédiaires Dans ce cas, le point d'application des forces est sur l'élément intermédiaire Un tel élément intermédiaire peut être par exemple une bille dans un emboite- ment ou un montage à coin dans une cuvette ou une fente On peut égale- ment utiliser un montage à rondelle lenticulaire à l'extrémité d'un axe. Le point d'application d'une force peut être situé directement sur l'élément de mesure lui même Dans ce cas, une solution fréquente consiste en ce que les surfaces de l'élément de mesure portant le point d'application de la force ou de la force de réaction sont des surfaces sphériques. On connaît également des constructions dans lesquelles la force de réaction est créée dans une zone constituée par des billes. Cependant, aucune de ces solutions ne remplit complètement les conditions mentionnées plus haut. La présente invention a pour objet une construction perfectionnée dans laquelle les conditions de fonctionnement correctes des convertis- seurs de mesure peuvent être simultanément et totalement remplies. Selon la présente invention, le convertisseur présente des sur- faces d'assemblage entre la partie recevant les forces à mesurer et le capteur de mesure permettant un mouvement axial et/ou une rotation spa- tiale autour d'un point tandis que la partie couche de transfert absorbant l'énergie cinétique est également disposée entre la partie recevant la force à mesurer et le capteur de mesure. Les surfaces d'assemblage permettant le déplacement axial sont constituées par les surfaces extérieures d'un axe ou d'une broche et par les surfaces intérieures d'un manchon ou d'une coulisse. Les surfaces d'assemblage permettant la rotation spatiale autour d'un point sont constituées de façon adéquate par un joint à rotule. La couche absorbant l'énergie cinétique est en matériau élastique de préférence une pièce rapportée en caoutchouc. Selon l'invention, non seulement les exigences mentionnées sont simultanément et totalement respectées mais l'invention permet d'obtenir les déformations des convertisseurs de mesure indépendamment les uns des autres en des endroits des supports (ou des suspensions) dans les sys- tèmes présentant deux, trois ou plusieurs supports (ou suspensions). Ainsi, la déformation de la construction supportant des charges n'in- fluencera pas les convertisseurs de mesure Ceci est vrai non seulement pour toutes les déformations créées par les effets des forces à mesurer mais également pour les déformations se produisant du fait des dilata- tions thermiques, de la pression du vent, etc, indépendamment des défor- mations précédentes. La construction selon l'invention est applicable essentiellement dans le cas de convertisseurs de mesure du type support constituée avec une broche soumise à des contraintes de flexion, de torsion, de cisail- lement ou de contraintes complexes Cependant, dans certains cas, on peut avoir avantage à utiliser des convertisseurs de mesure tradition- nels. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la cou- che élastique utilisée élimine une partie appréciable des effets pertur- bant le processus de mesure Cette élimination se produit par friction interne dans la couche élastique (comme cela est largement connu par ailleurs dans d'autres domaines pour l'absorption de vibrations) et ainsi est absorbée l'énergie cinétique créée par les vibrations, le transfert vers l'environnement étant effectué sous forme de chaleur. Le convertisseur de force selon la présente invention en tant qu'unité de machine à l'emplacement de la détermination des forces fait partie du système mécanique L'élément de mesure du convertisseur de force est situé entre la force d'action et la force de réaction et four- nit un support de réaction au système de force. D'autres détails de l'invention sont décrits dans les exemples qui suivent à l'aide des dessins suivants: la figure 1 illustre l'utilisation du convertisseur de mesure selon l'invention dans le cas du support d'un réser- voir; la figure 2 est une vue en coupe partielle montrant l'installation d'un convertisseur de mesure; la figure 3 représente un diagramme montrant le fonctionnement cinématique d'un mode de réalisation selon l'invention; la figure 4 représente un diagramme montrant le fonctionnement cinématique d'un convertisseur de mesure en variante; la figure 5 représente un diagramme montant la constitution et la disposition d'un convertisseur de mesure utilisé dans l'exemple représenté à la figure 1; la figure 6 représente un diagramme montrant un autre système de convertisseur de mesure; la figure 7 représente une vue en coupe d'un capteur de mesure intégré selon l'invention; _ la figure 8 représente une vue en coupe d'une variante de capteur de mesure selon l'invention; la figure 9 représente une vue en coupe d'une nouvelle variante de capteur de mesure selon l'invention. Dans la période récente, les éléments de mesure du type à monture ou à axe ont été de plus en plus utilisés comme convertisseurs de mesure de force L'élément de mesure peut être une monture fixée à une extré- mité ou supportée aux deux extrémités ou fixée ou deux extrémités Eventuel- lement, il peut s'agir d'une monture à support multiple. Généralement, la force F produit son effet sur l'élément de me- sure en un point d'application D (figures 3 et 4) L'élément de mesure et la force peuvent être disposés selon un système de coordonnées (x, y, z) Le géométrie de l'élément de mesure, la direction de la ligne d'in- fluence, la position du point d'application et l'importance de la force F définissent les contraintes de l'élément de mesure Ces con- traintes se décomposent en contraintes élémentaires dépendant des dimen- sions géométriques, il s'agit par exemple de la compression, de la trac- tion, du cisaillement, de la flexion, de la torsion Ces contraintes se traduisent par un champ de contrainte vectoriel T/v dans l'élément de mesure grâce auquel le flux de force est équilibré avec la force de réaction R (ou plusieurs forces de réaction) dans le ou les serrages ou le ou les supports. L'utilisation d'un capteur de mesure du type à broche, donné à titre d'exemple, est illustrée par la figure 1 Le réservoir 1 est fixé sur sa base par des jambes 2 Les capteurs de mesure 3 sont disposés entre le réservoir 1 et les jambes 2 Les capteurs de mesure 3 sont disposés dans des dispositifs de serrage tels qu'ils assurent une rela- tion solide entre le réservoir 1 et les jambes 2. Le dispositif de serrage est représenté à la figure 2 Une plaque de base 4 est fixée sur les jambes 2 par un dispositif de fixation dé- montable dans le cas de la présente solution Des blocs 5 dans lesquels est serré le capteur de mesure 3 sont vissés sur la plaque de base 4. Ainsi une relation rigide existe entre le capteur de mesure 3 et la plaque de base 4; le capteur de mesure 3 fonctionne comme un support serré à ses deux extrémités base de montage intermédiaire 6 est dis- posée dans la partie médiane et reliée de façon rigide avec la plaque de support supérieure 7 Cette plaque de support 7 assure la relation avec la console 8 fixée au réservoir 1 Le capteur de mesure 3 est relié à l'unité de mesure par le câble 9. En charge, le réservoir 1 et les jambes 2 subissent des déforma- tions La déformation des'capteurs de mesure 3 vient s'ajouter à ces déformations Celles-ci interagissent entre elles grâce à la relation rigide. En ce qui concerne les déformations théoriques possibles des capteurs de mesure, on a obtenu ce qui suit avec des supports serrés: La disposition spatiale et la position relative de la force à mesurer et de la force de réaction en relation avec l'élément de mesure correspondent à un nombre infini de convertisseurs de mesure qui peuvent être réalisés selon les formes géométriques possibles de l'élément de mesure. Cette déformation apparait comme une élongation relative (ou un raccourcissement relatif) et/ou comme un déplacement angulaire relatif correspondant aux modules d'élasticité et aux modules de cisaillement à la torsion caractéristiques du matériau de l'élément de mesure et du champ de contraintes développé par ces forces dans l'élément de mesure. De même, divers types de déformations se produisent sous l'influence des contraintes dans tous les éléments structurels en relation avec les capteurs de mesure 3 Ces déformations donnent finalement lieu à une traduction sous forme de composants en déplacement ou en rotation. Une direction ou un axe peut être toujours défini dans l'élément de mesure, par exemple l'axe neutre à la flexion ou l'axe de torsion. D'un point de vue similaire, une ligne centrale dans un plan définie par les lignes d'influence des forces mentionnées ci-dessus et dont la di- rection est définie par la direction choisie du système de coordonnées donné peut être également définie dans le convertisseur de mesure. Cette ligne d'influence est la direction principale Lorsque l'on utilise le convertisseur de mesure, il est nécessaire d'assurer l'inva- riabilité de la position mutuelle de la ligne d'influence de la force à mesurer et la direction de mesure En conséquence, une mesure correcte nécessite une telle construction de convertisseur de mesure qui est susceptible de répondre à ces exigences Chaque convertisseur de mesure n'est susceptible de remplir cette condition qu'approximativement car le déplacement ou l'inclinaison et la rotation existent toujours. Ce qui suit est aisément visible dans le cas du support repré- senté à la figure 3 La force r à mesurer est perpendiculaire à la fibre neutre et sa ligne d'influence peut être déplacée parallèlement à elle- même dans le cas de la masse 6 suspendue au support La force F est définie par la masse 6 et l'accélération de la pesanteur g qui agit sur elle La masse 6 est fixée au point de suspension D du support de telle façon que la ligne droite déterminée par le centre de gravité S de la masse 6 et par le point de suspension D du support coïncident constam- ment avec la direction de l'accélération de la pesanteur,c'est-à-dire avec la direction de la ligne d'influence de la force F La longueur du bras fléchi du support est 10 en l'absence de charge Sous charge, la flèche du support est représentée par v, mais la longueur 10 ne varie pas Cependant, la distance 1 r du point de suspension D au point de fixation varie, c'est-à-dire qu'elle devient plus courte. La courbe caractéristique linéaire originelle change en une courbe non linéaire en raison du raccourcissement et l'étendue de cette variation dépasse la marge acceptable d'erreur. Le raccourcissement doit être éliminé en maintenant la suspen- sion Ceci peut être résolu avec le mécanisme de double articulation à rotule (voir figure 4) L'articulation à rotule ou à bille assure la rotation et ainsi la ligne droite DS est toujours parallèle à l'accélé- ration de la pesanteur (ou à toute autre direction choisie) Le mécanisme d'articulation 11 assure la constance de la distance 1 T et le mécanisme de coulissement 1 U assure le déplacement correspondant au raccourcissement créé par l'inclinaison. Les principes ci-dessus exposés sont appliqués dans le présent exemple Le réservoir 1 est supporté par des capteurs de mesure 3 A, 3 B, 3 C comme représenté à la figure 2 La figure 5 montre un diagramme ciné- matique de capteurs de mesure incorporés 3 A, 3 B et 3 M Les extrémités des axes des capteurs de mesure 3 A, 3 B, 3 C sont serrées dans les blocs 5 disposés sur les jambes 2 du réservoir 1 Des logements sphériques 12 sont formés dans le support 6 disposé sur la plaque de support supé- rieur 7 fixée au réservoir 1 et des surfaces sphériques identiques sont formées sur la surface externe des capteurs de mesure 3 A, 3 B et 3 C et coopèrent avec les logements sphériques 12. La surface sphérique est directement formée sur le capteur de mesure 3 A et qui n'est ainsi susceptible que d'une rotation dans l'es- pace dans le logement sphérique 12 Les éléments insérés 13 à surface sphérique sont enfilés sur la surface externe des capteurs de mesure 3 B et 3 C de sorte qu'en plus de la rotation spatiale, un déplacement axial est rendu possible en ces points de support. Lorsque l'ensemble est monté, les capteurs de mesure 3 A, 3 B, 3 C, sont disposés sur un cercle de rayon R et leurs lignes axiales longi- tudinales se recoupent les unes et les autres au point K 1. Sous l'influence des charges et de la température, la structure de support (les jambes 2) et le réservoir contenant le produit à mesurer subissent des déformations différentes car aucun de ces divers consti- tuants ne peut être absolument rigide Ces différences créent des forces supplémentaires par rapport aux forces de charge agissant sur les cap- teurs de mesure, forces supplémentaires qui doivent être éliminées pour obtenir un fonctionnement correct. Comme le réservoir 1 ne peut se mouvoir en direction radiale au niveau du capteur-de mesure 3 A, il ne peut que tourner selon un cercle de rayon R autour du centre de la surface externe sphérique du capteur de mesure 3 A Du fait de la constitution des capteurs de mesure 3 B et 3 C permettant un déplacement radial, il résulte des diverses déformations que le centre K 1 du réservoir 1 sera à une distance R 2 + à R 2 et R 3 A R 3 le long de l'arc de rayon R à partir de la position originelle et ceci en relation avec les capteurs de mesure 3 B et 3 C Naturellement, la disposition des capteurs de mesure 3 A, 3 B et 3 C reste invariable par rapport au réservoir. L'ensemble étant considére, le centre du capteur de mesure 3 A est le point stationnaire en position spatiale du réservoir et le réser- voir 1 se déplace autour de ce point par rapport aux jambes 2, tandis que la déformation des capteurs 3 A, 3 B et 3 C est créée par les seules forces de charge. La figure 6 montre un tel arrangement selon lequel le réservoir est maintenu sur ces jambes en direction fixe Ceci est assuré par les coussinets de glissement du capteur de mesure 3 C dans le manchon 14 Le manchon 14 est monté dans le support 6 de la même façon que la pièce insérée 13 et ceci de façon adéquate par l'intermédiaire d'une couche élastique. Les capteurs de mesure 3 A et 3 B sont identiques au capteur de mesure 3 B représenté à la figure 5. Comme le capteur de mesure 3 C n'autorise qu'un déplacement axial, la variation de déformation causée par les variations de charge et de température est compensée par la rotation et le déplacement axial des capteurs de mesure 3 A et 3 B ainsi que par le déplacement axial du cap- teur de mesure 3 C, de sorte que seule la force créée par la charge est transférée aux capteurs de mesure 3 A, 3 B et 3 C De la sorte, la possi- bilité de voir se développer des forces additionnelles est éliminée. Dans ces exemples, les lignes centrales longitudinales des cap- teurs de mesure se recoupent les unes les autres en un point, c'est-à- dire qu'elles sont disposées en "étoile" Cependant, les capteurs de mesure peuvent être disposés de telle sorte que les lignes centrales de chaque paire se recoupent l'une l'autre Dans ce cas, le fonctionnement correct des capteurs de mesure peut être assuré par un serrage externe par rapport au point d'intersection Quelques modes de réalisation de capteurs de mesure sont représentés sur les schémas cinématiques sui- vants: La figure 7 représente un capteur de mesure en montage intégré qui correspond à celui représenté à la figure 6 Ce type de montage intégré permet le déplacement axial et la rotation spatiale Le conver- tisseur de mesure 3 b est serré dans le bloc 5 de l'appareillage fixe Le convertisseur de mesure 3 b est serré en position désirée à l'aide de surfaces de positionnement 15. Le convertisseur de mesure 3 B est constitué comme une broche cylindrique et un manchon 14 est disposé sur sa partie s'étendant vers l'extérieur du bloc 5 L'élément inséré 13 à surface sphérique est dis- posé sur le manchon 14 par l'intermédiaire d'une couche élastique 16. Cet élément inséré 13 est logé dans le support 6 de la construction recevant la force de charge. Sous l'influence de la force de charge F, le convertisseur de mesure 3 b subit une déformation car bien que le manchon 14 soit suscep- tible de se déplacer parallèlement par rapport à la ligne centrale du convertisseur de mesure 3 b tandis que le support 6 est susceptible de tourner sur les surfaces sphériques de l'élément inséré 13 dans une direction choisie, la ligne d'influence de la force de charge F demeure invariable De plus, la couche élastique 16 assure l'absorption des différentes vibrations dynamiques. On choisit de façon adéquate les montages utilisés dans la cons- truction afin d'éliminer les perturbations dans la conversion des forces en signaux électriques pouvant être créées par les forces de friction se produisant à la surface extérieure du convertisseur de mesure 3 b et à la surface extérieure de la pièce insérée 13 ou bien pour compenser mécani- quement et/ou électriquement les effets de telles forces. Si l'unité sur laquelle la force de charge F agit, doit être maintenue en position orientée et si un déplacement est possible seule- ment le long de la ligne d'influence tandis que le convertisseur de mesure peut tourner (convertisseur de mesure 3 B, figure 5), on peut recourir à la construction représentée à la figure 8 Sur ce schéma, le convertisseur de mesure 3 A est serré dans le bloc 5 en position orientée de façon similaire La couche élastique 16 est disposée-à la surface externe et ceci directement sans l'intermédiaire d'un manchon, tandis que la pièce insérée 13 reposant par sa surface externe sphérique est disposée sur la couche élastique Ainsi le support 6 est susceptible de tourner seulement sur la surface externe sphérique de la pièce insé- rée 13 sans déplacement en direction axiale. La figure 9 représente une construction correspondant au conver- tisseur de mesure 3 C représenté à la figure 6 Le convertisseur de mesure 3 C est orienté dans ce cas grâce à la surface de mise en place 15 dans le bloc 5 La couche élastique 16 est montée directement sur la surface externe du convertisseur de mesure 3 C tandis que le manchon 14 est disposé par dessus Pendant la déformation se produisant sous l'influence de la force externe F, le support 6 est susceptible de se mouvoir seulement en direction axiale par rapport au convertisseur de mesure 3 C, c'est-à-dire qu'il maintient sa position orientée. Bien entendu, les constructions représentées aux figures 7 à 9 ne sont que des exemples de modes de réalisation des capteurs de mesure selon l'invention Nombre d'autres constructions peuvent être réalisées cependant en pratique Par exemples, la surface sphérique peut être for- mée directement sur le convertisseur de mesure (convertisseur de mesu- re 3 A, figure 5), dans ce cas cependant, il est souhaitable de disposer la couche élastique dans le support Une telle construction intégrée peut être également utilisée quand le convertisseur de mesure est cons- titué sous la forme d'un support serré des deux côtés, c'est-à-dire en tant que support multiple (figure 5: convertisseurs de mesure 3 B, 3 C; figure 6: convertisseurs de mesure 3 A, 3 B). Un avantage commun à toutes ces réalisations réside dans le ré- sultat des dispositions conforme à la présente invention, à savoir que les capteurs de mesure sont chargés seulement par la force à mesurer et que le développement d'autres effets de forces dus à différentes défor- mations de la construction et des capteurs de mesure peut être évité. i 1 REVENDICATIONS 1. Appareil électromécanique pour la conversion de forces en signaux électriques comprenant une partie recevant la force à mesurer, un capteur de mesure et une partie transférant la force de réaction, caractérisé par le fait que des surfaces d'assemblage sont disposées entre la partie recevant la force (F) à mesurer et les capteurs de mesure ( 3 A, 3 B, 3 C) permettant un déplacement axial et/ou une rotation spatiale autour d'un point, et que la partie transférant la force de réaction est serrée rigidement. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de montage permettant le déplacement axial sont constituées par les surfaces extérieures d'un axe et les surfaces intérieures d'un man- chon ( 14) et d'une pièce insérée ( 13) formant les capteurs de mesure ( 3 A, 3 B, 3 C). 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces d'assemblage permettant la rotation spatiale autour d'un point sont des surfaces sphériques formées à la surface externe de l'axe constituant les capteurs de mesure ( 3 A, 3 B, 3 C) ou de la pièce insérée ( 13) montées sur ces derniers. 4 Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une couche élastique ( 16) absorbant l'énergie cinétique est dispo- sée entre les capteurs de mesure ( 3 A, 3 B, 3 C) et la partie recevant la force (F) à mesurer. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche élastique ( 16) absorbant l'énergie cinétique est en matériau élastique, de préférence en une pièce insérée en un matériau élastomère.