Brevet FR2588379A1 — publié le 19870410

La présente invention est du domaine des rhéomètres. Elle vise plus particulièrement un rhéomètre destiné à la mesure dans le temps de la déformation d'échantillons de produits soumis à des contraintes diverses, notamment les produits conformés en corps non linéaires. Des phénomènes courants comme la gélification, la solidification et la thixotropie de nombreux produits, notamment de produits alimentaires, sont encore mal connus, et nécessitent un grand nombre d'essais dans des conditions de mesure très diverses et souvent très délicates. Dans certains cas il peut être en effet nécessaire d'étudier un corps soumis à des forces relativement faibles ou qui varient dans le temps suivant des plages étendues. I1 peut être également nécessaire de suivre l'évolution complète dans le temps d'un corps soumis à des contraintes, pour déterminer en particulier les régimes transitoires. On peut aussi vouloir soumettre ce corps à des contraintes diverses, telles que le poinçonnage, le cisaille- ment, la compression, l'extrusion ou l'étirement. Dans les rhéomètres de la technique antérieure, le mécanisme permettant d'exercer lesdites contraintes est souvent soumis à des jeux, à des frottements et autres actions extérieures qui rendent les mesures peu précises et peu rapides. En outre, un réglage manuel de tels mécanismes demande du temps et ne permet pas de faire certaines mesures en dynamique, comme il est souhaitable pour des corps non linéaires. Ces mécanismes de la technique antérieure ne permettent pas non olus de tenir-compte de façon précise des forces parasites, telles que l'inertie et les frottements. Un objet de la présente invention est de réaliser un rhéomètre permettant de soumettre un échantillon de produits à tester à des sollicitations ou contraintes mécaniques de forme et d'amplitude diverses, tout en permettant de suivre de façon fiable l'évolution complète d'un corps soumis à des contraintes déterminées, et d'effectuer des mesures rapides, précises et simples dans des conditions quasi-statiques, avec de grandes dynamiques en force et en déplacement ainsi que dans des conditions dynamiques rapides, et ce à partir de contraintes "riches" en informations, particulièrement applicables à des corps dits "non newtoniens". Un autre objet de l'invention est de fournir un rhéomètre dont on peut, à l'aide de moyens électro-informatiques, programmer les paramètres de fonctionnement, par exemple l'amplitude, la fréquence, la variation de vitesse en fonction du temps, paramètres qui peuvent varier selon une loi mathématique définie par les utilisateurs, et qui permet d'exercer sur un échantillon des déformations selon un programme enregistré correspondant par exemple à des variations de type aléatoire, ou représentant un phénomène particulier, par exemple des mouvements de mastication ou tout autre phénomène où la déformation obéit à un signal complexe. Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un rhéomètre qui permet à l'utilisateur de traiter intégralement un problème rhéologique depuis la forme de la contrainte appliquée à l'échantillon jusqu'à la saisie et au traitement des données. On notera également que, dans les rhéomètres de la technique antérieure, la force ou la contrainte exercée par le mobile en mouvement qui imprime une déformation à l'échantillon de produit à étudier est mesurée par un dispositif spécial de détection ou capteur de force. Pour des raisons de commodité, ce capteur pourra être placé non sur le mécanisme de déformation, mais sur le plateau supportant l'échantillon. En effet, en plaçant le capteur sur le mécanisme de déformation, il se pose un certain nombre de problèmes délicats à résoudre. Etant donné que le capteur se déplace avec le mécanisme, son volume et sa masse doivent être faibles, ses raccordements électriques et mécaniques aisés, sa tenue aux vibrations importante. Toutefois, si l'on place le capteur de force sur le plateau, on n'obtiendra qu'une valeur approximative de la force.On sait en effet que lorsqu'un corps se défor- me sous l'effet d'une force, les caractéristiques de cette derniere ne sont pas transmises intégralement par le- corps (seule la quantité de mouvement est conservée) d'où la nécessité de mesurer la force à l'endroit où elle est appliquée. Encore un autre objet de l'invention est de réaliser un rhéomètre permettant de mesurer la force exercée sur un échantillon à l'endroit même où elle est exercée sans avoir recours à un capteur spécifique, et ce grâce à une dis position qui limite les jeux, les inerties, les frottements et les usures de la partie mécanique de l'appareil. La présente invention a donc pour objet un rhéomètre notamment destiné à la mesure dans le temps de la déformation d'échantillons de produits, en particulier ceux conformés en corps non linéaires, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de détection du type capteur associés à - des moyens d'application d'une force aux contraintes déterminées à l'échantillon à tester; - des premiers moyens d'amplification du signal émis par le capteur; - des seconds moyens d'amplification du type à gain programmable associé un comparateur; - des moyens de traitement de l'information sélectionnée par le comparateur et destinés à transmettre les données à - l'unité de traitement coopérant avec - une unité de contrôle qui commande elle-même une unité de commande desdits moyens d'application de la force ou contrainte appliquée à l'échantillon. La présente invention est en outre remarquable par les points suivants: - les moyens de détection sont avantageusement constitués par une jauge de contraintes associée à une lame élastique, par exemple une lame en acier. - les moyens d'application de la force ou de la contrainte sont constitués par un élément mobile conformé pour application de la force ou de la contrainte et associé à un moteur pas-à-pas imprimant audit élément mobile un mouvement axial par rapport à l'échantillon à tester. -les moyens de traitement est constituée par un adaptateur d'interfaces. - L'unité de contrôle est constituée par un ordinateur connecté à l'unité de traitement par l'interm.édiai- re d'un système d'interfaçage. - Les moyens de traitement de l'information sont constitués par un convertisseur analogique-numérique. - L'unité de corirancie des moyens d'applica- tion de la force ou de la contrainte 5 constituée par une carte électrique de commande. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description non limitative suivante d'une forme de réalisation de rhéomètres selon l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique des moyens électro-informatiques de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 2 est une vue de face avec zone partiellement arrachée des moyens électromécaniques constitutifs de la présente invention; - la figure 3 est une vue latérale, à plus grande échelle, d'un détail de la figure 2; - la figure 4 est une vue de dessus de la figure 3; - les figures 5 à 8 sont des diagrammes représentant le cycle de compression et de relaxation obtenus en fonction des forces appliquées à des échantillons; en mettant en oeuvre le rhéomètre de l'invention. Si on se réfère plus particulièrement au schéma synoptique de la figure 1, on peut distinguer plus par ticulièrement deux circuits, à savoir un circuit électronique analogique et un circuit électronique numériquealimentés respectivement par deux générateurs ALIMIet ALIM II,délivrant chacune 5 volts et + 15 volts sous 3 ampères, la première alimentation ALIM I servant à alimenter le circuit électronique numérique, tandis que la deuxième ALIM II sert à alimenter le circuit électronique analogique ou circuit de conditionnement du capteur de force C. Ce capteur de force C est associé à un moteur M et transmet son information à un étage d'amplification A au circuit de conditionnement permettant d'amplifier 2000 fois le signal provenant du capteur de force C, le signal ainsi amplifié étant injecté sur l'amplificateur à gain programmable G. Ce circuit de conditionnement du signal qui constitue un premier étage d'amplification est avantageusement:cons- titué par une carte de conditionnement. Le circuit électronique numérique est constitué d'un circuit d'amplification à gains programmables G, ou second étage d'amplification du rhéomètre, ce circuit permettant d'amplifier le signal provenant du premier étage d'amplification A du circuit électronique analogique. Ce signal amplifié est avantageusement injecté sur un convertisseur analogique numérique B (8 bits). Ce circuit de conversion analogique/numérique permet de transformer le signal analogique injecté en une série de nombres binaires.Cette nouvelle forme du signal peut etre inter prétée par une unité de contrôle E, avantageusement constituée par un ordinateur via une unité de traitement D constituée par un adaptateur d'interfaces périphérique coopérant avec un circuit d'interfaçage permettant l'interprétation par un ordinateur de ladite série de nombres binaires. On utilise avantageusement un ordinateur à 16 lignes d'entrée/sortie programmable. L'unité de contrôle E par l'intermédiaire de l'unité de traitement D commande un circuit de commande des moyens d'application de la force ou contrainte M, constitué d'un moteur pas-à-pas associé à un élément mobile, et coopérant avec le capteur C. Sur la figure 2, on a représenté de façon schématique l'ensemble du bâti 1 sur lequel un porte-échantillon 12 supporte l'échantillon 11 à étudier. Un mobile 10 dont la forme est adaptée à l'étude déterminée qui doit être faite sur ~ l'échantillon 11 et au type de contrainte que l'on désire faire subir à celui-ci, par exemple poinçonnage, cisaillement, comme pression et analogue. Le porte-échantillon 12 est relié au bâti 1 par des colonnes de guidage lia destinées à guider un bâti mobile 7 auquel est solidarisée une pièce-support 8 se prolongeant vers le haut par un écrou à billes 6 solidaire d'une vis sans fin 5 couplée par l'intermédiaire d'un accouplement à soufflet 4 à un réducteur 3 actionné par un moteur pas-à-pas 2. Cette pièce-support 8 se prolonge vers le bas par une zone ré trécie 8a présentant centralement une bague de guidage 8b pour la tige 17a-d'un mandrin 17 destiné à recevoir l'élément mobile d'application de contrainte et de force 10. Dans la partie 8a, est également insérée une lame déformable 13, avantageusement en acier spécial et solidaire de la partie supérieure 17a de la tige de guidage du mandrin 17, cette lame 13 étant associée à une jauge de contrainte 15 et coopérant avec une butée 14 à l'intérieur d'un logement prévu dans la partie 8a, comme cela est plus particulièrement représenté sur la figure 3. Comme illustré sur la figure 4, la jauge de contrainte 15 présente un certain nombre de connexions 16, 18, 19 avec le premier étage d'amplification A et d'alimentation ALIM II. La vis sans fin 5, par exemple en acier rectifié au pas de 5 mm et l'écrou à billes 6 assurent le déplacement axial du bâti mobile 7. Cet agencement mécanique garan- tie une grande précision de déplacement du bâti mobile 7. En fonctionnement la vis sans fin 5 est animée par un mouvement de rotation généré par le moteur pas-à-pas 2 associé à son réducteur 3, ce mouvement rotatif étant transmis à la vis 5 par l'intermédiaire de l'accouplement à soufflet 4. Le choix d'un moteur pas-à-pas permet de réunir en un seul organe deux fonctions distinctes, à savoir la mise en mouvement de l'ensemble mobile 7, 8 et le contrôle précis du déplacement dudit ensemble mobile. En effet, un moteur pas-à-pas est un excellent capteur de déplacement, étant donné que son fonctionnement incrémental lui permet de décrire en rotation un angle connu lorsqu'une impulsion électrique lui est envoyée. On peut concevoir aisément que si l'on modifie la fréquence des impulsions, on puisse obtenir une variation de la vitesse du moteur. Cette fréquence pouvant aller jusqu'à 200 Hz, on peut donc obtenir une réponse dynamique importante. Par exemple, si on considère qu'une impulsion génère un déplacement de 5.10 6 M à 200 Hz, le bâti mobile se déplacera alors à une vitesse de 1 mm/s. Si l'on fixe par exemple une course de 1 mm d'amplitude, le rhéomètre est en mesure d'effectuer un essai en régime harmonique avec une bande passante de 0,5 Hz. La jauge de contrainte 16 qui est solidarisée la lame d'acier déformable 13, elle-même solidaire de la tige 17a supportant le mobile 10 par l'intermédiaire du mandrin 17, est connectée à un circuit de conditionnement A destiné à amplifier le signal électrique 2000 fois. En fonctionnement, ce signal électrique est injecté à son tour dans un amplificateur à gain programmable G piloté par l'adaptateur d'interfa ceskériphérique de l'unité de traitement D. Ce gain peut aller de 1 à 1024 selon la composition des lignes de commande issues de l'unité de traitement. Selon l'invention, un signal électronique de faible niveau provenant du capteur C peut être amplifié à l'aide du circuit G de 1 à 2,048.106, c'est-à-dire passer de 1,10-6 volt à 2,048 volts. C'est donc un signal électrique conditionné et amplifié qui est-injecté au niveau du convertisseur analogique/numérique B. Ce dernier relié à l'unité de traitement D restitue le signal sous forme binaire. Cette nouvelle mise en forme du signal permet son interprétation par l'unité de contrôle, par exemple un ordinateur E. Toutes les corrections et linéarisations en fonction de la température par exemple sont effectuées par le programme de pilotage du rhéomètre. Dans la réalisation du rhéomètre selon la présente invention, on a également prévu de visualiser l'état de commande du rhéomètre à l'aide de quatre témoins lumineux. Par ailleurs, la force de réponse de l'échantillon sollicitée par le mobile ainsi que le déplacement peuvent être visualisés en graphisme haute résolution sur l'écran d'une console connectée à l'ordinateur. On également prévu des sorties analogiques pour relier le rhéomètre à une table traçante. Sur les figures 5 à 8, sont représentés des exemples d'enregistrement graphiques d'essais réalisés avec le rhéomètre de l'invention. Les figures montrent bien les possibilités de l'appareil dans le cas de contraintes riches imposees à un échantillon. Le rhéomètre de l'invention permettant une caractérisation rapide et globale du produit en essai soumis à des contraintes riches, il est essentiellement destiné à l'étude des corps non newtoniens. En particulier, la figure 5 représeente une courbe obtenue par compression/relaxation sur un élastomère, la durée de l'essai en compression étant de 400 s pour une pénétration de 2 mm, tandis que la duree de relaxation s'établit sur 4000 s. La figure 6 représente également un exemple d'essais de compression/relaxation sur l'élastomètre, la du rée de compression étant de 400 s pour 2 mm de pénétration, tandis que la durée de relaxation était également de 400 s. La figure 7 représente un essai de compression sur un fromage, le cycle de compression étant de 400 s, tandis que le cycle de relaxation est de 800 s. La figure 8 représente également un essai de compression sur un fromage, le cycle de compression étant de 400 s et la durée de relaxation de 800 s, pour une force maximale de 1 1 netcs. A titre d'exemple, les performances du rhéomètre selon la présente invention sont, en mode d'asservissement de position ou de force, les suivantes: - valeur de course 5 mm - finesse de positionnement 5.10 6 m - bande passante 0,1 Hz - course utilisable 150 mm - force maximale 8.102 N pour une sensibilité de 104 N. On notera qu'aucun reglage ou étalonnage n'est nécessaire. Toutes les compensations ou linéarisations sont faites par programme (en langage machine du microprocesseur utilisé par l'ordinateur). Ce rhéomètre permet d'obtenir des dynamiques de déformation ou de contrainte assez élevées en une seule gamme, par exemple de quelques microns à plusieurs centimètres et de 10-4 N N à 10-2 N. REVENDICATIONS 1. Rhéomètre notamment destiné à la mesure dans le temps de la déformation d'échantillons de produits, en particulier ceux formant des corps non linéaires, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de détection du type capteur (C) associés à - des moyens d'application (M) d'une force ou contrainte déterminée à l'échantillon à tester; - des premiers moyens d'amplification (A) du signal émis par le capteur (C); - des seconds moyens d'amplirication (G) du type à gain programmable / associés à un comparateur; - des moyens de traitement de l'information (B) issue du comparateur,et destinés à transmettre des données à - une unité de traitement (D) coopérant avec - une unité de contrôle (E), notamment destinée à commander - une unité de commande (F) desdits moyens d'application (M) de la force ou contrainte appliquée à l'échantillon. 2. Rhéomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection (C) de la force ou contrainte appliquée à l'échantillon à tester sont constitués parune jauge de contrainte (15) associée a une lame élastique (13). 3. Rhéomètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lame élastique (13) est en acier. 4. Rhéomètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé ence que les moyens d'application de la force ou de la contrainte (M) sont constitués par un élément mobile (10) conformé pour l'application de ladite force ou contrainte, et associé à un moteur pas-à-pas (2) imprimant audit élément mobile un mouvement axial par- rapport à l'échantillon. 5. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'unité de traitement (D) est constituéepar un adaptateur d'interfaces périphérique. 6. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'unité de contrôle (E) est constituée par un ordinateur connecté à l'unité de traitement (D) par un système d'interfaçage. 7. Rhéomètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de traitement de l'information (G) sont constitués par un convertisseur analogique-numérique. 8. Rhéomètre selon l'une quelconque des--reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce que l'unité de commande (F) des moyens d'application de la force de contrainte (M) sont constitués par une carte électrique de commande. 9. Rhéomètre selon i'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les premiers moyens d'amplification (A) sont constitués par une carte de conditionnemerit.