Brevet FR2541455A1 — publié le 19840824

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer une force, notamment un circuit de mesure pour un tel dispositif, du type à vibration. Il existe de nombreux types de dispositifs de mesure de force ou de dispositifs de pesée du type à vibrations, qui sont appliqués en mettant en oeuvre la propriété selon laquelle un corps vibratoire change sa fréquence de vibration inhérente en réponse à une force qui lui est appliquée On pourra, à cet effet, se reporter à l'article de Yuzuru Nishiguchi, intitulé: "Balances Electroniques à vibrations", publié dans la revue japonaise KEIRYO KANRI, volume 32, N O 4 ( 1983), pages 10 à 16 Dans un tel dispositif, la fréquence de vibrations du corps vibratoire est mesurée de façon typique en dérivant un signal électrique oscillant de la vibration dudit corps, en faisant passer le si- gnal électrique ainsi obtenu au travers d'une grille de transmission, qui s'ouvre pendant une période de temps prédéterminée, et en comptant le nombre de cycles du signal de sortie de la grille à l'aide d'un compteur La grille de transmission étant commandée par un signal de rythme, engendré séparément, les erreurs de temps des bords antérieur et postérieur du signal de rythme peuvent entraîner une erreur dans le compte du nombre de cycles, qui tend à affecter la précision d'un tel dispositif de mesure La précision de la mesure du nombre de cycles augmente naturellement avec l'augmentation de la fré- quence du signal, et il n'existe pratiquement pas de problème avec ces dispo- sitifs lorsqu'ils utilisent des matériels piézoélectriques Par contre, on se heurte à des problèmes très sérieux avec les dispositifs à fréquence relative- ment faible, utilisant des fils ou cables vibratoires. On a déjà proposé des dispositifs de mesure de forces utilisant un fil ou un câble vibratoire On pourra se reporter, en effet, à la demande de bre- vet allemand OS N O 33 36 250 5, déposée le 5 octobre 1983 par la présente titulaire, qui décrit un tel dispositif de mesure, utilisant un fil vibratoire dont la fréquence de vibration, pour la charge maximale, est de plusieurs milliers d'Hertz Par exemple, lorsque la fréquence est de 5000 Hz, même si la pé- riode de comptage est de 0, 1 seconde, la valeur du compte est 500, et la précision de la mesure est seulement de 1/500 Bien que la précision de la mesure puisse être améliorée en augmentant la période de comptage, ceci n'est pas préférable, étant donné qu'il en résulte une réduction de la vitesse de réponse du dispositif Bien que la précision désirée de la mesure soit de l'ordre de 1/10 000, par exemple, la période de comptage doit être de deux secondes pour la fréquence de 5000 Hz, afin d'obtenir cette précision Par conséquent, une telle disposition ne peut pas être utilisée dans les balances digitales, dans lesquelles trois à six mesures doivent être exécutées, géné- ralement en une seconde. La présente invention se propose,en conséquence, d'apporter un dispositif pour mesurer une force qui utilise un corps vibratoire, vibrant, comme indiqué ci-dessus, à une fréquence relativement faible, ce dispositif compor- tant un circuit de mesure perfectionné pouvant compter le nombre de cycles de la vibration avec une précision élevée, qu'il n'était pas possible d'atteindre à l'aide des dispositifs antérieurement connus. L'invention a donc pour objet un dispositif pour mesurer une force, qui comprend un oscillateur,agissant en réponse à une force pour engendrer un premier signal électrique dont la fréquence varie en fonction de la force qui lui est appliquée, des moyens pour mesurer la fréquence dudit premier signal électrique, et des moyens pour calculer l'amplitude de la force appliquée en utilisant la valeur mesurée de ladite fréquence, ce dispositif étant caracté- risé en ce que les moyens de mesure de la fréquence comprennent un second oscillateur,pour engendrer un second signal électrique, ayant une fréquence fixe qui est plus élevée que la fréquence dudit premier signal électrique, des moyens de comptage, pour compter le nombre de cycles dudit second signal électrique pendant une période de temps qui correspond à un nombre prédé- terminé de cycles dudit premier signal électrique, et des moyens arithmé- tiques pour calculer la fréquence dudit premier signal électrique à partir de la valeur du compte provenant des moyens de comptage dudit nombre prédé- Z 5 terminé de cycles et de la fréquence du second signal électrique. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence au dessin annexé, qui en il- lustre un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur le dessin la Figure 1 est un schéma par blocs représentant un dispositif de mesure d'une force selon la technique antérieure; la Figure 2 est un schéma par blocs illustrant un mode de réalisa- tion de I'oscillateur du dispositif selon la Figure 1 la Figure 3 est un schéma par blocs représentant un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure de force selon l'invention; et, la Figure 4 est un schéma illustrant les formes d'ondes utilisées dans le dispositif selon l'invention. La Figure 1 représente le dispositif de mesure de forces selon la technique antérieure, objet de la demande de brevet citée ci-dessus Dans ce dispositif, la référence 2 désigne un oscillateur qui produit un signal électrique A, présentant une fréquence qui est fonction d'une force F, lorsque celle-ci est appliquée à l'oscillateur La sortie de cet oscillateur 2 est un signal élec- trique ayant une forme d'onde sinusoïdale, par exemple, comme montré en A sur la Figure 4, qui est appliqué à une grille 4 La grille 4 est ouverte, pendant un temps prédéterminé T, par un signal de commande provenant d'un circuit de rythme 6, pré-réglé avec ce temps T, pour transmettre le signal A Un compteur 8 compte le nombre de cycles de la partie du signal A qui a traversé la grille 4, et il délivre la valeur du compte N à une unité arithmétique 10. Cette unité 10 est conçue de façon à calculer la fréquence f = N, et calculer T ensuite la force appliquée à partir de cette fréquence, un indicateur 12 mon- trant la force résultante F. L'oscillateur 2 présente une structure telle que représentée sur la Figure 2, par exemple Plus spécifiquement, lorsqu'un fil ou un câble métal- lique 14 est étiré entre deux pièces polaires magnétiques, un courant oscillant est induit dans le fil 14 sous l'effet de la vibration naturelle de ce fil 14 dans le sens de la fléche, verticalement par rapport au champ magnétique Ce cou- rant est amplifié par un amplificateur 16, et il est délivré, sous la forme d'un courant de réaction, au conducteur 14, ce dernier étant donc soumis à un effet d'entraînement du courant de réaction qui est synchrone à la vibration inhérente du fil 14 On augmente ainsi l'amplitude de vibration du fil 14, et on entretient cette vibration Comme cela est bien connu dans cette technique, la fréquence f de cette vibration est proportionnelle à la racine carrée de la tension F du fil 14, et la vibration mécanique en dérive sous la forme d'une oscillation électrique de même fréquence, comme représenté en A sur la Figure 4, à partir d'une borne de sortie 18 Etant donné que la structure et le fonctionne- ment de l'oscillateur 2 sont décrits en détail dans la demande de brevet men- tionnée ci-dessus, et que cet oscillateur ne fait pas l'objet de cette invention, il ne sera pas décrit. Les inconvénients mentionnés ci-dessus du dispositif antérieur de la Figure 1 doivent être attribués à la grille 4, rythmée par le rythmeur 6 De façon plus spécifique, le compteur 8 compte des points spécifiques sur la forme d'onde du signal d'entrée, par exemple les points d'interaction Pl, P 2 des transitions négatif positif (A, Figure 4) Si les points correspondant aux instants pour lesquels la grille 4 est ouverte ou fermée se déplacent, par suite d'une erreur de rythme, due au circuit de rythme 6, au moins l'un des points spécifiques peut être négligé, et il en résulte l'erreur de compte Plus le compte est important, c'est-à-dire plus la fréquence est élevée, plus le pourcentage d'erreur est faible. Le dispositif de mesure des for ces de vibration selon cette invention est basé sur le princi pe exposé ci-dessus Le dispositif représenté sur la Figure 3 comporte un oscillateur 20 correspondant à l'oscillateur 2 de la Fi- gure 1, qui agit en réponse à une charge F L'oscillateur 20 produit un signal de sortie A (Figure 4) de fréquence j, fonction de la charge F, et il transmet ce signal à un compteur 22 Ce compteur 22, -qui est libéré et mis en action par un signal de commande B, mentionné ci-après, à partir d'une unité arith- métique 30, est coinçu et disposé de manière à compter des points spécifiques de la forme d'onde d'entrée, par exemple les interactions Pi, PZ, aux transitions négatif positif (A, Figure 4), jusqu'à un compte N prédéterminé, et pour produire un signal de rythme C dont les bords antérieur et postérieur sont situés aux points de temps qui correspon dent respectivement aux chiffres O et N du compte Dans l'exemple de la Figure 4, N= 4, et les points de temps Pl et P 4 correspondent respectivement aux bords antérieur et postérieur du si gnal'de r ythme C Il en r ésulte que la dur ée du signal de rythme C e st égale à la durée du cycle (N-1) du signal de sortie de l'oscillateur 20. Le dispositif objet de cette invention comporte en outre un générateur d'horloge 24 pour engendrer un train d'impulsions d'horloge D (Figure 4) de fréquence fixée f 1 qui est très supérieure à la fréquence f devant être mesu- rée (par exemple, 103 à 10 supérieure à cette fréquence) Le train d'im- pulsions d'horloge D est appliqué à une grille de transmission 26 qui est comn- mandée et contrôlée par le signal de -rythme de sortie C' du compteur 22 La, grille 26 est ouverte pendant la durée du signal de rythme C, et elle laisse passer les impulsions d'horloge D u niquement pendant la période de temps E (Figure 4) Les impulsions d'horloge E, qui ont traversé la grille 26, sont délivrées à un compteur 28, qui est libéré par le signal de commande B pro- venant de l'unité arithmétique 30, et ce compteur 28 compte leur nombre total Ni Le compte de sortie Ni du compteur 28 est appliqué à l'unité arith- métique 30 La fréquence f est calculée selon la relation f = ( 1) et ensuite, la charge F est calculée selon la relation connue, et elle est affi- chée sur l'indicateur 32 A la différence du compteur 8 d'un dispositif selon la technique antérieure, le compteur 2 Z de cette invention ne compte pas le nombre de cycles durant une période de temps prédéterminée, mais il compte un nombre prédéterminé de cycles, et il définit la période de temps correspondante Par conséquent, il ne se produit pas d'erreur, même si la fréquence du signal mesuré est sensi- blement faible Au contraire, le compteur 28 compte le nombre de cycles pen- dant une période de temps prédéterminée, de la même façon que le compteur 8. Par conséquent, ce compteur 28 compte le signal qui a été produit séparément et en option et qui possède une fréquence très élevée Il en résulte que son erreur de comptage est très faible Pour cette raison, le dispositif de mesure de force selon la présente invention se caractérise par une erreur de mesure, due à l'erreur de mesure de fréquence, remarquablement faible, et il présente donc une précision de mesure et un pouvoir de résolution très élevés par rap- port aux dispositifs selon la technique antérieure. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté, mais qu'elle en englobe toutes les variantes Par exemple, le nombre prédéterminé de cycles du compteur 22 et la fréquence des impulsions d'horloge D peuvent être choisis, en variante, en fonction de la structure et de l'utilisation du dispositif Enfin, l'oscillateur 20, agissant en réponse à une charge, n'est pas nécessairement limité au type d'oscillation à fil vibrant représenté sur la Figure 2. REVENDICAT IONS 1 Dispositif pour mesurer une force, qui comprend un oscillateur ( 20), agissant en réponse à une force pour engendrer un premier signal électrique (A) dont la fréquence (f) varie en fonction de la force qui lui est appliquée, des moyens ( 22) pour mesurer la fréquence dudit premier signal électrique, et des moyens pour calculer l'amplitude de la force appliquée en utilisant la valeur mesurée de ladite fréquence, ce dispositif étant caractérisé en ce que les moyens de mesure de la fréquence comprennent un second oscillateur ( 24) pour engendrer un second signal électrique (D), ayant une fréquence fixe (f) qui est -10 plus élevée que la fréquence (f) dudit premier signal électrique (A), des moyens de comptage ( 28) pour compter le nombre de cycles dudit second signal élec- trique, pendant une période de temps qui correspond à un nombre prédéterminé de cycles dudit premier signal électrique, et des moyens arithmétiques ( 30) pour calculer la fréquence dudit premier signal électrique à partir 'de la valeur du compte provenant des moyens de comptage, dudit nombre prédéterminé de cycles et de la fréquence du second signal électrique. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de comptage comprennent un premier compteur ( 22), pour compter les cycles prédéterminés dudit premier signal électrique et pour engendrer un signal de commande définissant les points de départ et de fin d'une période de temps correspondant aux cycles prédéterminés, une grille de transmission ( 26), couplée à la sortie du second oscillateur ( 24) et ouverte seulement pendant la- dite période de temps en réponse au signal de commande, et un second comp- teur ( 28), couplé à la sortie de ladite grille, pour compter le nombre de cycles du second signal électrique délivré à partir de ladite grille. 3 Dispositif pour mesurer une force selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'oscillateur agissant en réponse à une force com- prend un fil métallique ( 14), soumis à une tension qui est proportionnelle à la force appliquée, et un convertisseur mécanoélectrique pour transformer les vibrations inhérentes dudit fil métallique en une oscillation électrique.