Brevet FR2602589A1 — publié le 19880212

Procédé et dlsPosltlf de mesure de masse en aPesanteur L'invention concerne la mesure de masse en apesantèur, ce dernier terme étant utilisé pour désigner des conditions de gravité nulle ou très réduite, telles qu'on les rencontre notamment sur les véhicules spatiaux. Il n'est pas possible d'utiliser les méthodes classiques de mesure de masse en l'absence de pesanteur, ou même lorsque la gravité est très faible et présente une orientation qui n'est pas exactement connue. L'invention vise à permettre cette mesure, en utilisant le phénomène de modification de la fréquence de résonance d'une lame vibrante en fonction de la masse d'une charge concentrée que l'on place en un point déterminé de cette lame. L'invention propose en conséquence un procédé de mesure de masse en apesanteur, caractérisé en ce qu'on détermine la loi de variation de la fréquence de résonance en flexion d'une lame encastrée, ayant des caractéristiques mécaniques choisies pour que la fréquence soit dans la plage audible, en fonction de la masse d'une charge localisée appliquée en un point déterminé de la lame à distance de l'encastrement ; et on détermine la variation de fréquence de résonance de la lame provoquée par la mise en place de la masse inconnue audit point déterminé, la lame étant choisie de façon que la mise en place de la charge provoque une variation de fréquence de résonance d'au moins 208 par rapport à la lame démunie de charge. La précision de la mesure est d'autant plus élevée que la variation de fréquence de la lame, pour une charge de masse donnée, est plus importante. Mais, dans les conditions de pesanteur normales, il n'est pas possible d'utiliser pleinement cette propriété sans se heurter a un problème : si on affaiblit la lame pour augmenter le coefficient de proportionnalité entre fréquence et masse, on est limité par le risque de dépassement de la limite élastique du matériau constituant la lame, à cause du poids de la charge. Pour apprecier l'intérêt du procédé pour la mesure en apesanteur, il a fallu constater que le problème qui s'oppose normalement à l'obtention d'une précision élevée disparait en apesanteur, du fait de l'absence de charge statique provoquée par le poids de la charge.On peut en conséquence utiliser une lame de caractéristiques mécaniques telles que le poids de ladite charge, lors d'une mesure en gravité normale, provoquerait la déformation de la lame hors du domaine élastique, au moins lors de l'oscillation à la résonance. Dans la pratique, la fréquence de la lame est avantageusement mesurée par comptage du nombre d'oscillations pendant une durée déterminée (ou de la durée pour un nombre donné d'oscillations), la lame étant mise en oscillation par percussion. Pratiquement, on sera en général amené à compter un nombre d'oscillations compris entre 100 et 10 000 et à adopter une lame dont la fréquence d'oscillation est dans la plage de fréquences audibles, généralement entre 102 et 104 Hz. L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant un bâti, un jeu de lames ayant des caractéristiques mécaniques différentes et ayant chacune une longueur comprise entre 10 et 50 cm, encastrables de façon rigide dans le bâti, des moyens de fixation de la masse à mesurer sur la lame à distance maximale du ou des encastrements de la lame, et des moyens de comptage du nombre d'oscillations de la lame en une durée déterminée ou de la durée nécessaire à un nombre d'oscillations détermine. En cas de mise en oeuvre de l'invention dans l'espace, le bati pourra souvent être constitué par un élément de la structure du véhicule spatial, ce qui conduit à un dispositif très comptact et de faible encombrement. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif - la Figure 2 est un schéma correspondant à la Figure 1 et faisant apparaître les paramètres qui interviennent pour fixer la fréquence de résonance de la lame - la Figure 3, similaire à la Figure 2, montre une variante - la Figure 4 est une vue en coupe de la lame de la Figure 3 - la Figure 5 montre une constitution possible du dispositif avec une lame encastrée aux deux bouts. Le dispositif montré schématiquement sur la Figure 1 comprend un bâti 10, dans lequel peuvent être placés les composants électroniques du dispositif, et une lame vibrante 12. Dans le mode de réalisation illustré en Figures 1 et 2, cette lame est encastrée à une extrémité et libre à l'autre extrémité, est prévue pour recevoir la charge concentrée 14, de dimension très faible par rapport à la longueur i de la lame 12 et dont le poids est à mesurer. L'encastrement de la lame 12 peut être réalisé de façon simple, par exemple par engagement de la partie terminale de la lame dans une fente de dimension appropriée d'une partie massive du bâti 10. Ce dernier peut être fixé sur un socle 16 qui, dans un véhicule spatial, pourrait être un élément de la structure de ce dernier. L'extrémité libre de la lame est prévue pour recevoir la charge 14 à un emplacement bien déterminée et la retenir. Dans le mode de réalisation illustré, la partie terminale de la lame est recourbée en U et munie d'une vis 18 de serrage. D'autres solutions sont évidemment possibles. La pulsation d'une lame encastrée de longueur libre l. à une extrémité et portant une charge 14 de masse ffi à l'autre extrémité est donnée par la formule w = [3 EI/13 (m + 0,23m,)1/2 Dans cette formule mb est la masse de la lame I est le moment d'inertie de la section droite de la lame, E est le module de Young du matériau constituant la lame. Dans la pratique, plutôt que d'utiliser cette formule, on effectuera un étalonnage préalable, permettant de déterminer exactement la loi de variation de la fréquence ou de la pulsation w de résonance en fonction de la masse m Cette formule fait toutefois apparaître que l'on obtient une loi de variation optimale de la fréquence en fonction de la masse de la charge i si cette dernière a une valeur du même ordre de grandeur que la masse de la lame. Cette condition peut être remplie sans difficulté en apesanteur. Lorsque l'on recherche une grande dynamique de fonctionnement, on peut prévoir un jeu de plusieurs lames adaptées chacune à une plage de mesures déterminée. Dans ce cas, il est avantageux de prévoir des moyens de fixation amovible des lames 12 sur le bâti 10. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, le bâti est destiné à recevoir des lames ayant toutes la même épaisseur et les moyens de fixation amovible sont constitués par une ou des vis de pression 20. Souvent, il est avantageux de prévoir un jeu de lames qui ont toutes la même longueur, de façon que leur partie terminale libre soit au même emplacement et puisse coopérer avec les mêmes organes d'excitation des oscillations et de mesure de la fréquence. Cela conduira en général à utiliser un jeu de lames en des matériaux différents, par exemple en bronze ou en aluminium pour les faibles masses, en acier dur pour les masses importantes. On peut ainsi sans difficultés obtenir une dynamique de mesure de 103 ou davantage. La mise en vibration de la lame 12 est avantageusement effectuée par percussion, bien que l'on puisse également utiliser un régime d'oscillations entretenu. Dans le cas où la lame 12 est en matériau ferromagnétique, la percussion de mise en oscillation peut être exercée à l'aide d'un électroaimant 22 auquel un circuit 24 applique une impulsion de courant lors de la fermeture d'un interrupteur 25. Divers modes de mesure de la fréquence sont également utilisables. Une solution simple consiste à mesurer soit la durée d'un nombre déterminé de passages de la lame par sa position d'équilibre, soit le temps nécessaire à un nombre de passages déterminé. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, un capteur 27, sensible à la position de la lame, est associé à un circuit 26 de détection de passage à zéro. Le capteur peut être l'un quelconque de nombreux types : sonde de Hall, bobine détectant le passage d'un aimant fixé à la lame, capteur à variation de capacité, ou même capteur optique. A chaque passage de la lame par sa position d'équilibre, le circuit 26 fournit une impulsion à un compteur 30 programmable.Lorsque ce compteur a reçu un nombre d'impulsions prédéterminé (100 par exemple), il fournit un signal de blocage à un second compteur 32 qui accumule, jusqu'à réception de ce signal, les coups d'une horloge 34 à fréquence fixe. Les éléments 30 et 32 sont munis d'entrées de remise à zéro (non représentées) excitées lors de l'émission d'une impulsion par le circuit 24. A la fin de la mesure, le contenu du compteur 32 est proportionnel à la fréquence de résonance. Le circuit peut comporter encore un afficheur 35 visualisant cette fréquence et/ou une matrice de transcodage 36 mémorisant une courbe d'étalonnage donnant la masse en fonction du contenu du compteur 32. Au lieu d'être encastrée à une seule extrémité, la lame 12 peut être encastrée à ses deux extémités et porter a masse 14 en son milieu, comme indiqué sur la Figure 3. Dans ce cas, la pulsation de résonance w est donnée par la formule w = 14[EI/13 (m + O,375mb))1/2 Le moment d'inertie I de la section droite est, dans le cas d'une lame rectangulaire telle que celle montrée en Figure 4, I = bh3/12 Dans le cas où on utilise une telle lame, le dispositif dans son ensemble peut avoir la constitution montrée en Figure 5 où les organes correspondant à ceux déjà montrés en Figure 1 sont désignés par le même numéro de référence.Le capteur d'oscillations et l'élément destiné à exciter les oscillations peuvent être regroupés sur un même support en porte à faux 38 fixé au socle 16 qui contient également le bloc électronique. La mise en oeuvre du dispositif ressort immédiatement de la description qui précède. Au cours d'une première étape, on mesure, pour la lame ou pour chaque lame, la fréquence de résonance pour toute une série de charges ayant chacune une masse déterminée et on stocke la loi de variation, sous forme d'échantillons, dans la matrice de transcodage 36. Pour chaque mesure d'une charge inconnue ni, la matrice fournit, éventuellement par interpolation, la valeur de la masse. D'autres variantes encore de réalisation sont possibles. il est notamment possible d'utiliser des lames de section différente, par exemple tubulaire. Mais, en général, il y aura intérêt à adopter des lames ayant une longueur d'au moins 10 cm (pour faciliter la mesure) et ne dépassant pas 50 cm (pour des raisons d'encombrement). REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de masse en apesanteur, caractérisé en ce qu'on détermine la loi de variation de la fréquence de résonance en flexion d'une lame encastrée (12), ayant des caractéristiques mécaniques choisies pour que la fréquence soit dans la plage audible, en fonction de la masse d'une charge (14) localisée appliquée en un point déterminé de la lame à distance de l'encastrement ; et on détermine la variation de fréquence de résonance de la lame provoquée par la mise en place de la masse inconnue audit point déterminé, la lame (12) étant choisie de façon que la mise en place de la charge provoque une variation de fréquence de résonance d'au moins 20% par rapport à la lame démunie de charge. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une lame (12) de caractéristiques mécaniques telles que le poids de ladite charge, lors d'une mesure en gravité normale, provoquerait la déformation de la lame hors du domaine élastique, au moins lors de l'oscillation à la résonance. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la lame (12)-est choisie de façon que la fréquence de la lame à vide et lors de la résonance sous charge soit comprise entre 102 et 104 Hz. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on mesure la fréquence par comptage du nombre d'oscillations de la lame pendant une durée déterminée ou par comptage du temps nécessaire à un nombre d'oscillations déterminé, à partir de l'excitation de la lame par percussion. 5. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un bâti (10), un jeu de lames (12) ayant des caractéristiques mécaniques différentes et ayant chacune une longueur comprise entre 10 et 50 cm, encastrables de façon rigide dans le bâti, des moyens (18) de fixation de la masse à mesurer sur la lame (12) à distance maximale du ou des encastrements de la lame, et des moyens (26-36) de comptage du nombre d'oscillations de la lame en une durée déterminée ou de la durée nécessaire à un nombre d'oscillations déterminé.