Brevet FR2615948A1 — publié le 19881202

CLE DYNAMOMETRIQUE ELECTRONIQUE La présente invention se rapporte à une clé dynamométrique électronique équipée de jauges de contrainte disposées sur une pièce formant capteur et fournissant une tension électrique de sortie qui, dépen- dant du couple exercé sur la clé, réagit sur des moyens électroniques indicateurs de ce couple. Sur la figure I jointe, qui représente partiellement et très schéma- tiquement une clé dynamométrique électronique de ce type, sont réfé- rences en 1 la pièce formant capteur, en 2 la poignée creuse fermée par un bouchon amovible 3, et en 4 le circuit électronique de mesure et d'affichage qui est associé aux jauges de contrainte 5,6 placées sur la pièce de captage I de part et d'autre du plan transversal 7. Une telle clé est par exemple structurellement telle que décrite dans le document FR-A-2.568.009. Sur le dessin, la tête d'entraînement amovible, qui s'adap- te sur la pièce I pour exercer le couple de rotation au point A, n'a pas- été représentée. Dans les conditions normales d'utilisation de cette clé, l'opéra- teur, pour appliquer en A un couple de rotation C, exerce une force F en un point déterminé B de la clé. Le couple effectivement mesuré par les jauges de contrainte 5 et 6 est alors le couple de flexion C' au point D qui est situé à une distance axiale L du point d'application de la force F. Le couple C se déduit du couple mesuré C' par la relation L C = C'. LI Dans le cas ou l'opérateur applique la force F en un point B' de la poignée 2 qui est par exemple plus rapproché du point A d'une distance axiale x, le couple affiché par la clé sera égal au couple mesuré L en D, multiplié par le facteur précedent L, puisque les circuits électro- niques de mesure et d'affichage contenus dans 4 sont réglés en conse- quence. Cette mesure est inexacte puisqu'en réalité, le couple que l'on devrait afficher serait égal au couple effectivement mesuré par les jauges et 6, multiplié par le facteur L- x et non pas par le facteur, On a représenté, sur la figure 2 jointe, un autre cas de mauvaise utilisation de la clé. Dans ce cas, l'opérateur applique, outre la force F orientée de haut en bas et appliquée au point B avec les quatre doigts de la main sauf le pouce, une force parasite F' égale à F mais orientée de bas en haut et localisee en un point E plus proche de A. Dans ce cas, le couple C appliqué en A est nul et il s'exerce sur ce point une force de déplacement tangentielle f, appliquée de bas en haut. Le point A étant fixe par définition, l'équilibre de la clé se traduit par une force de réaction R en A, cette force étant égale et opposée à la force f. Au point de mesure D précédemment défini, les jauges de con- trainte 5 et 6 mesurent néanmoins une flexion non nulle, de sorte que la valeur du couple affichée par la clé n'est pas nulle, ce qui devrait pourtant être le cas puisque le couple effectif C à mesurer est bien nul. Dans le cas o F est supérieur à F', il y aura bien apparition d'un couple en A, mais la mesure de ce couple sera entachée d'une erreur systématique due à la flexion parasite engendrée par l'application de la force "parasite" F'. L'invention vise à supprimer ces erreurs de mesure dues à des mauvaises positions de main. Elle s'applique à une clé dynamométrique du type cidessus mentionné, cette clé étant équipée de premiers moyens électroniques pour déterminer et mémoriser, au cours d'une mesure d'éta- lonnage pour laquelle le couple C appliqué au point d'actionnement A est rendu nul par une force parasite F' appliquée en sens inverse et en un autre point F de la clé que le point B d'application de la force d'action- nement F, un facteur constant qui est ensuite utilisé à chaque fois par le circuit électronique de la clé, pour déterminer, par application de la formule C = C1 + k (C1 - C2), la valeur du couple C appliqué au point d'actionnement en fonction des couples C1 et C2 effectivement mesurés respectivement par la ou les jauges qui se trouvent respectivement de part et d'autre du plan o s'effectue réellement la mesure de couple par ces jauges. Le circuit électronique de la clé est équipé de seconds moyens électroniques pour calculer ensuite à chaque fois par la formule précédente la valeur du couple C en fonction de ce facteur k et des couples C1 et C2 mesurés par ces jauges. Dans le cas de moyens de calcul analogique, il s'agit d'un seul et même moyen. De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante de quelques exemples non limitatifs de réalisation par voie analogique, en référence aux dessins schématiques annexes dans lesquels Figure 3 est un graphique explicatif de la mesure du couple exercé par la clé, la force étant appliquée en un premier point puis en un deuxième point de la clé; Figure 4 est un graphique similaire au précédent, mais montrant l'opération test de détermination du facteur k; Figure 5 est une vue de dessus d'un capteur à deux jauges de contrainte; Figure 6 est une vue de dessus d'un capteur à deux couples de jauges de contrainte Figure 7 est un schéma électrique d'un premier exemple de I0 circuit électronique de mesure et de calcul du couple qui forme le circuit d'entrée du circuit électronique de cette clé; Figure 8 est un schéma d'une portion de circuit qui peut être ajouté au circuit de la figure 7; Figure 9 est une variante du circuit de la figure 7; Figure 10 est un schéma électrique d'un autre exemple de ce circuit d'entrée; Figure 11 est une vue latérale du capteur dans une forme parti- culière de réalisation de celui-ci; Figure 12 est une vue de dessus du capteur dans une autre forme particulière de réalisation de celui-ci Figure 13 est une première variante de réalisation du circuit de la figure 10; Figure 14 est une autre variante très simplifiée de réalisation d'un circuit d'entrée réalisant la même fonction que celui de la figure 10; Figure 15 est une vue latérale du capteur dans encore une autre forme de réalisation. Sur le graphique de la figure 3 sont portées, à partir du point A o l'on exerce le couple de rotation, en abscisses les différents points de l'axe longitudinal de la clé dynamométrique, et en ordonnées les diffé- rentes valeurs de couples en ces points. La clé est supposée équipée d'un capteur comportant les deux jauges 5 et 6 des figures 1 et 2 précé- demment décrites, et le graphique de la figure 3 n'est autre qu'un dia- gramme des moments fléchissants. Si une force F est exercée de bas en haut au point B situé à l'extrémité de la clé, elle engendre en A un couple de valeur C. Les jauges de contrainte 5 et 6 mesurent quant à elles des couples de flexion C1 et C2 respectivement. Si l'on considère, sur la figure 3, les segments a = C - C1 sur la verticale C et b = C1 - C2 sur la verticale C1, l'application du théorème de Thalès donne a =k.b soit: C = C1+ k(C1 - C2), cette relation étant vérifiée pour toujours la même valeur du facteur k, quelle que soit la position de la force F. Par exemple, pour une force F" appliquée en B" en vue de créer en A le même couple C, on aura une relation de la forme C = C'1 + k (C'1 - C'2). L'invention est basée sur la constatation que la détermination du facteur k permet finalement de calculer la valeur de C en fonction des valeurs mesurées C1 et C2, quel que soit le point d'application de la forme F. Le diagramme de la figure 4 a pour objet de faire comprendre le principe de la détermination, une fois pour toutes pour la clé consi- dérée, de ce facteur k. Pour effectuer cette opération d'étalonnage, on se place exac- tement dans les conditions de la figure 2 précédemment décrite: une force active F est appliquée en B, tandis qu'une force parasite F' est appliquée en B' de manière à créer en A un couple nul. Les jauges 5 et 6 mesurent néanmoins des couples de flexion C"I1 et C"2. La relation précédente: C = C1 + k (C1 - C2) donne, dans ce cas de figure o le couple C est nul 0 = C"1 + k (C"1 - C"2) C" C"1 d'o: k = 1 C"2 - C'i1 Conformément à l'invention, on calcule et mémorise, par des moyens analogiques et/ou numériques, cette valeur de k à partir de la mesure de C"'1 et C"2 lors de cette opération d'étalonnage, ensuite de quoi toutes les mesures qui suivront du couple C appliqué par la clé au point A s'effectueront par un calcul, analogique et/ou numérique, de ce couple par application de la formule C = C1 + k (C1 - C2) ou d'une formule dérivée de celle-ci par exemple par une mise en facteur d'un ou plusieurs éléments. Les figures 5 à 8, auxquelles on se reportera maintenant, donnent un premier exemple pratique de réalisation de cette clé. Les figures et 6 montrent que cette clé peut être. par exemple équipée d'un capteur de flexion I comportant deux jauges de contrainte 5 et 6 situées de part et d'autre du plan transversal médian 7, ou comportant, pour obtenir une plus grande sensibilité, deux paires, respectivement 5'5" et 6'6", de jauges de contraintes, respectivement en série (5' est en série avec ", et 6' est en série avec 6"). Le dispositif qui met en oeuvre l'invention est le circuit d'entrée de la carte électronique qui est placée dans le manche de la clé. Ce circuit d'entrée est représenté à la figure 7, et il s'agit là d'une mise en oeuvre analogique de l'invention. Les jauges de contraintes 5 et 6 sont représentées par leurs résistances ohmiques R5 et R6, et sont placées, de manière très classique, dans deux branches adjacentes d'un pont de Wheatstone 8. Le pont 8 est, de manière en soi connue, alimenté par une tension stabilisée réglable v, qui est telle qu'elle permet de définir, en un point milieu 9,.ne masse analogique 10 qui est à un potentiel identique à celui de chacun des points 11 et 12 du pont 8 à l'équilibre de celui-ci. Dans cet exemple, l'alimentation est réalisée au moyen de deux diodes Zener réglables 13,14 qui sont branchées en série entre la borne positive d'alimentation V et la masse, par l'intermédiaire de deux résistances de polarisation 15 et 16. L'équilibrage du pont 8 est réalisé au moyen des résistances 17 et 18 qui sont égales respectivement à R5 et R6 à vide, c'est-à-dire en l'absence de flexion. A l'équilibre du pont, en l'absence de toute contrainte de flexion sur les jauges 5 et 6, les potentiels en 11 et 12 sont égaux, et les diodes Zener 13 et 14 sont réglées pour que ces potentiels soient tous deux égaux au potentiel au point 9 qui définit la masse analogique 10 du circuit. Lorsque les jauges 5 et 6 sont soumises à une contrainte de flexion, leurs résistances R5 et R6 varient, de sorte que le pont 8 est déséquilibré et qu'il apparaît en Il et 12 des tensions respectivement représentatives des couples C2 et C1 précédemment définis. Ces deux tensions sont respectivement appliquées, au travers des résistances 19 et 20, aux bornes d'entrée (-) et (+) d'un amplificateur différentiel analo- gique 21 agencé pour fonctionner en sous tracteur analogique. Le gain de l'amplificateur 21 est égal à 1 et est réglé par la résistance de contre- réaction 22, branchée entre sa borne de sortie 23 et sa borne d'entrée (-) , tandis que sa borne d'entrée (+) est reliée à la masse analogique par une résistance d'équilibrage 24. Sur la sortie 23 de ce soustracteur analogique apparaît donc une tension représentative de C1- C2. Cette tension est appliquée, à travers une résistance d'entrée manuellement réglable 25 (constituée par un potentiomètre>, à la borne d'entrée (-) d'un autre amplificateur différentiel 26. Cet amplificateur différentiel 26, qui est monté en addi- tionneur, est lui aussi équipé d'une résistance de contre-réaction 27, branchée entre sa sortie 28 et sa borne d'entrée (-). La résistance 27 est dans cet exemple réglée pour donner à cet étage un gain égal à 1. Bien évidemment, elle pourrait être réglée pour lui conférer un gain supérieur à I dans un but annexe d'amplification du signal. La borne d'entrée (-) de l'amplificateur différentiel 26 reçoit en outre, à travers une résistance d'entrée 29 de valeur fixe, la tension représentative de C1 qui apparaît en 11. La borne (+) de l'amplificateur différentiel 26 étant reliée direc- tement à la masse analogique, la tension analogique qui apparaît en 28 est égale à - [C1 + k (C1- C2), soit l'inverse de C, o k est égal au rapport des valeurs des résistances 25 et 29 (la résistance de 25 est égale à k fois la résistance de 29). On obtient donc en 28 une tension représentative, au signe près, du couple C. Le facteur constant k est déterminé par réglage du potentiomètre au cours de l'opération d'étalonnage qui a été définie précédemment en référence à la figure 4. Dans le but de pouvoir procéder à ce réglage, ce potentiomètre 25 est monté sur la carte électronique 4 de façon à être accessible par un tournevis de réglage, par exemple après avoir retiré le bouchon d'extrémité 3 de la clé. Bien entendu, le circuit de la figure 7 ne constitue qu'un circuit d'entrée, et il est suivi des circuits d'amplification et d'adaptation nécessaires à permettre l'affichage du couple C sur l'écran de l'afficheur numérique de la clé. Les signaux en sortie du pont de Wheatstone 8 sont très faibles, de sorte qu'outre le fait précédemment mentionné, que le dernier étage 26 puisse aussi fonctionner en amplificateur, il est possible d'introduire, entre les sorties 11,12 du pont 8 et les résistances d'entrée 19,20 de l'étage 21, un étage d'amplification 30, représenté en détails sur la figure 8 et connu en soi dans le domaine de l'instrumentation. Cet étage 30 comporte classiquement deux amplificateurs diffé- rentiels 31 et 32, un par voie, avec résistances de contre-réaction 33 et 34 respectivement, et un potentiomètre de réglage de gain 35. Dans le montage selon la figure 9, les jauges de résistances R5 et R6 sont placées respectivement dans deux branches opposées du pont 8. Aux bornes de sorties 11 et 12 du pont 8 apparaissent alors des tensions respectivement représentatives de C1 et de -C2. L'étage addi- tionneur 26 est placé dans ce cas avant l'étage soustracteur 21 mais, en ce qui concerne l'étage 26, le potentiomètre 25 est remplacé par une résistance fixe 36 égale à la résistance 29 et la résistance fixe de contre-réaction 27 est remplacée par un potentiomètre 37 dont la valeur définit pour cet étage un gain égal à k. Dans ces conditions, la tension analogique en sortie de l'étage 26est égale à -k (C1 - C2) et la tension sur la sortie 28 est égale à C1 + k(Cl - C2)= C. Là encore, conformément à l'invention, l'étalonnage se fera 26 1 5948 en réglant, dans les conditions de la figure 4, la valeur du potentiomètre 37 pour que le couple C affiché soit égal à O. Dans ce qui précède, on a décrit plusieurs circuits d'entrée qui calculent, de manière analogique, le couple C directement par la formule C = C1 + k (C1 - C2) Il est possible, conformément à un autre aspect de l'invention, de calculer ce couple C par la formule C = C1 (1 + k)-k C2 qui est une autre manière d'écrire la formule précédente. Cette dernière formule peut aussi s'écrire: C C1 _ k C2 l+k l+k de sorte que, en réalisant, selon l'invention, l'opération d'étalonnage de la figure 4 pour laquelle le couple C est nul, c'est-à-dire que k c --C C2=0 11 + k2 il est possible de ne régler ou déterminer qu'une seule constante égale à: k l+k 1 + k Cette dernière constante étant définie par l'opération d'étalonnage de la figure 4, la valeur effectivement calculée par la suite sera à chaque fois égale à C l+k 1 + k c'est-à-dire que la valeur calculée sera égale à C à une autre constante près, égale à 1 + k l+k ce qui en fait ne présente pas d'inconvénient en ce qui concerne l'affi- chage par la clé du couple appliqué C. La figure 10 montre un premier exemple de réalisation de cette variante de l'invention. Le pont 8 de ce circuit d'entrée est identique, électriquement parlant à celui de la figure 7, de sorte qu'il porte les mêmes références. Aux bornes de sorties 12 et 11 du pont 8 est connecté un ampli- ficateur 38 qui est pratiquement identique à celui de la figure 8, la résis- tance 33 de ce dernier étant toutefois remplacée par une résistance manuellement variable 39, constituée par un potentiomètre, et de valeur que l'on règlera, par l'étalonnage selon la figure 4, à k 1 + k Sur les deux bornes de sorties 40 et 41 de cet étage 38 apparaissent, au gain près de l'étage que l'on supposera pour simplifier égal à 1, les tensions respectives suivantes k k en 40: C 1+k 2 en 41: C1 Ces deux tensions sont appliquées aux deux entrées d'un étage soustracteur 42, par exemple identique à celui de la figure 7 (comportant l'amplifi- cateur différentiel 21). Sur la sortie 43 de ce soustracteur apparaît donc une tension égaleà: k Cî - k C2 Cl -1 + k C2 C c'est-à-dire à 1 + k Bien évidemment, cette solution nécessite une amplification du signal pour aboutir à C. Dans toutes ces solutions, et surtout dans la dernière, on aura avantage à avoir pour C1 une mesure sensiblement plus élevée que celle obtenue pour C2. Ceci peut être obtenu soit en écartant suffisamment les jauges 5 et 6, soit en réalisant le capteur I avec un moment d'inertie inférieur au niveau de la jauge 5 (mesure C1) à celui au niveau de la jauge 6 (mesure C2) par exemple sur la figure 11, ceci est réalisé par une dissymétrie longitudinale du capteur I dans le plan de section longitu- dinale vertical, et sur la figure 12, ceci est réalisé par une dissymétrie longitudinale de ce capteur dans le plan de section longitudinale horizontal. La figure 13 montre une forme de réalisation qui donne le même résultat analogique que le circuit de la figure 10, mais avec les résistances R5 et R6 dans des branches opposées du pont 8: la réalisation de cette figure est, par rapport à celle de la figure 10, ce qu'est la réalisation de la figure 9 par rapport à celle de la figure 7. Ce circuit utilise un additionneur à amplificateur différentiel 26 identique à celui de la figure 1, mais son potentiomètre 25 est ici k réglé, par l'étalonnage selon la figure 4, à la valeur-, de sorte que sur la sortie 43 apparaît au signe près la valeur k C C1 k + 1 C2 = k+ I comme c'est le cas pour le circuit de la figure 10. La figure 14 montre un dispositif simplifié qui réalise directement dans le pont 8 l'équation précédente. Dans ce pont, deux branches adjacentes comportent les diodes Zener 13 et 14, une troisième branche comporte la résistance R5, tandis que la quatrième branche comporte la résistance R6, en série avec une résistance potentiomètrique 44 dont la valeur doit correspondre, après étalonnage selon la figure 4, à la valeur k 1 +k Le point 12 du pont est relié à la masse analogique 10, tandis que le point 11 est la borne de sortie du circuit, o apparaît bien un signal égal à Il k C C1 C2 +k - l+k L'invention n'est bien entendu pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits. Il est par exemple possible de remplacer les résistances 17 et 18 du pont 8 par des jauges 5"' et 6"' de résistances R"'5 et R"6, de façon à doubler le signal et travailler en pont complet. La figure 5 montre dans ce cas de figure une disposition possible des jauges sur le capteur 1. Par ailleurs, rien n'oblige à procéder de manière analogique, comme c'est le cas dans tous les exemples qui précèdent, et l'on peut très bien réaliser l'invention avec des moyens numériques. Dans ce cas, la carte électronique 4 comporte au moins un micropro- cesseur et une mémoire, et la clé est équipée d'une prise d'entrée d'ordre. L'étalonnage s'effectue, dans les conditions de la figure 4, en entrant au cours de cette opération d'étalonnage o le couple C est nul, un ordre k de calcul et mémorisation du facteur constant k ou k + 1. Par la suite, le microprocesseur calcule à chaque mesure la valeur du couple C en utilisant cette valeur de k, mémorisée pour cette clé une fois pour toutes. 26 1 5948 REVENDICATIONS I - Clé dynamométrique électronique équipée d'au moins deux jauges de contrainte (5,6) disposées, de part et d'autre d'un plan transver- sal (7), sur une pièce (1) formant capteur et fournissant chacune une tension électrique de sortie (respectivement C1 et C2) qui, dépendant du couple (C) appliqué par l'intermédiaire de la clé au point d'actionne- ment (A), réagit sur des moyens électroniques (4) indicateurs de ce couple, caractérisée en ce qu'elle est équipée de premiers moyens électroniques (10 à 28) pour déterminer et mémoriser, au cours d'une mesure d'étalon- nage pour laquelle le couple (C) appliqué au point d'actionnement (A) est rendu nul par une force parasite (F') appliquée en sens inverse de la force d'actionnement (F) et en un autre point (E) de la clé que le point (B) d'application de cette dernière force (E), un facteur constant (k,,... ) qui-est ensuife utilisé à chaque fois par le circuit électronique de la clé pour déterminer, à l'aide de seconds moyens (10 à 28) et par application de la formule C=CI +k(C1 -C2), la valeur du couple (C) appliqué au point d'actionnement (A) en fonction des couples (C1 et C2) effectivement mesurés respectivement par ces jauges (5 et 6). 2 - Clé dynamométrique électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers et seconds moyens électroniques sont constitués par un seul et même moyen (10 à 28) de calcul analogique du couple (C) par application de la formule C = C1 + k (C1 - C2). 3 - Clé dynamométrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de calcul analogique est un circuit équipé d'une résis- tance potentiométrique (25) de réglage à 0 de l'indication fournie par la clé lorsque son couple (C) est rendu nul par l'application de la force parasite (F'). 4 - Clé dynamométrique selon' la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers et seconds moyens sont des moyens de calcul et d'emmagasinage numériques, et en ce. que cette clé est équipée d'une prise d'entrée d'ordre de calcul et de mémorisation du facteur constant k (k'k±..)i cet ordre étant appliqué lors de l'opération d'étalonnage. - Clé dynamométrique selon l'une des revendications i à 4, caractérisée en ce que le capteur (1) et/ou les jauges (5,6) sont agencés pour fournir des tensions qui sofit sensiblement plus élevées pour celle représentative du couple (C1) que pour celle représentative du couple (C2) .