Brevet FR2619912A1 — publié le 19890303

La présente invention concerne un disDositif à inductance variable utilise comme capteur de temperature, de pression et d'inclinaison et dont l'inductance dépend de ces grandeurs physiq h connatt des dispositifs à inductance variable basAs en Darticulier sur l'insertion mécanique d'un noyau magnétique qui se visse dans un solénoide Cependant ces dispositifs ne sont directement sensibles ni à la température ni à la pression et de plus ils necessitent une action mécanique ertérieure pour ajuster leur inductance à la valeur désirée L'objet de l'invention est de disposer d'une inductance variable, tel qu'exposé au début qui soit de construction simple et bon marché. Le but recherché est atteint, suivant l'invention, en ce que le mn- drin de l'inductance est un tube cylindrique en borosilicate ou en céra- mique ou en tout autre matériau réfractaire @ermétiquement fermé par 1' une de ses bases et dont l'autre base est soudée à l'ouverture d'un ré bâtonnet de fereite lest. servoir fait de la m;me matière que ledit tube et dans lequel flotte ure Ledit réservoir est rempli jusqu'à sa gorge par un liquide thernomé- trique de densité suffisante, comme par exemple du mercure, à la surface duquel flotte un bâtonnet de ferrite lesté par une sphérule de plomb de dimension adéquate de telle façon que lorsque la température ou la pression s'élève dans le réservoir, le liquide thermométrique monte dans le tube soulevant dans son ascension le bâtonnet de ferrite. L'espace contenu entre la surface libre du liquide thermométrique et le reste du tube est constitué par du vide; la section du tube est suffi- samment petite et le volume du réservoir suffisamment grand pour que la moindre variation de température ou de pression puisse entratner une variation notable de la hauteur de la colonne de liquide thermométrique dans le tube Les avantages apportés par l'invention consistent plus particulibre- ment en une construction simple d'une inductance variable, dans laquelle il n'existe pas de pièce mécanique qui se visse et dans laquelle le déplacement du bâtonnet de ferrite est assuré par un liquide thermométrique comme le mercure Ainsi l'usure mécanique et les frottement3 solides sont évités et l'on dispose d'une inductance sensible à la température, à la pression et à l'inclinaison L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante d' une fore de réalisation préférée du dispositif à inductance variable selon l'invention, faite en se référant aux dessins joints sur lesquels La figure I représente un schéma du dispositif selon l'invention La figure 2 représente une coupe du dispositif selon l'invention La figure 3 représente la variation de l'inductance du dispositif selon l'invention en fonction de la hauteur de la colonne de liquide thermométrique dans le tube dans le cas où la longueur du bâtonnet de ferrite est égale à celle de 13 bobine. La figure 4 reprasente schématiquement une coupe du dispositif selon l'invention particulièrement adapt6e à la mesure d'inclinaison. La figure 5 représente un schéma électronique dans lequel le disoosi- tif, selon l'invention est exploité comme capteur de température, de pression ou d'inclinaison. En se référant aux figures I et 2, le réservoir I, servant de suroort à l'ensemble du dispositif, est rempli par un liquide thermométrique homogène 2, par exemple du mercure pur, jusqu'à sa gorge 3 l'redit liquide thermométrique 2 est choisi pour qu'il puisse permettre par sa grande densité à un bâtonnet de ferrite 4 lesté par une sphérule de plomb de dimension adéquate 5 de flotter verticalement à la surface libre dudit liquide thermométrique 2. Lorsque la empérature ou la pression s'élève dans le réservoir r contenant le liquide thermométrique 2, ledit liquide thermométrique 2 monte dans le tube 6 soulevant, dans son ascension dans le tube 6, le btton- net de ferrite lesté 4,5 et comblant dans le même temps une partie de 1' espace vide 7 compris dans le tube 6 entre les réservoirs I et 8. En par ticulier, une façon de faire varier la pression à l'intérieur du réser- voir I consiste à le plonger dans un récipient oontentnt un liquide ou à l'introduire dans une atmosphère gazeuse servant de pneumostat. Le tube 6 sert de mandrin à une bobine d'induction 9 collée à par tir d'une certaine hauteur de référence audit tube 6 La valeur de l'inductance de la bobine 9 vue entre les points de contact électrique VA et VB, extrémités de la bobine 9 dépourvus de verni, est égale à Lo tant que le bStonnet de ferrite 4 est totalenent à l'exté- rieur de la bobine 9r Ceci correspond respectivement soit à pression constante, à des température inférieures à une certaine valeur de seuil Ts ou à température constante , à des pressions du fond du resevoir I inférieures à une certaine valeur de seuil Ps, soit respectivement à pression constante , à des températures supérieures à une certsine valeur critique Tc, To strictement supérieure à T5, ou à température constante, à des pressions du fond du réservoir I supérieures à une certaine valeur critique Pc, Pc strictement supérieure à Ps. Par contre pour des températures de valeurs comprises entre Ts et Tc ou pour des pressions du fond du réservoir I de valeurs comprises entre Ps et Pc, la valeur de l'inductance de la bobine 8 vue entre VA et VB prend une valeur L, L strictement supérieure à Lo En effet, dans ces conditions, le bâtonnet de ferrite lesté 4,5 pénètre progressivement dans la bobine 9 Pour une bobine 9 constituée par N spires jointives formant un zolé- norde de longueur 1 et de section S, l'inductance L est donnée par la formule, valable dans l'approximation du solénoïde infiniment longs L Lo Ureff avec où Uo est la perméabilité du vide et Ur la perméabilité relative de la ferrite 4 La figure 3 représente la variation de l'inductance L en fonction de la hauteur h, par rapport à la gorge 3 du réservoir I, de la colonne de liquide thermométrique 2 dans le tube 6, dans le cas où la bobine 9 et le bâtonnet de ferrite 4 sont de longueur égale. En effet, Ureff est exprimée par une formule analitique du type: Ureff = I + (Ur = I) F (h) où F F (h) représente une fenêtre triangulaire de largeur 1, longueur de la bobine 9, centrée en hs + -/2 et de hauteur unité. hs désignant la hauteur de la colonne de liquide thermométrique 2 dans le tube 6 correspondant soit à la température de seuil Ts à oression constante, soit à la pression de seuil Ps à température constante 3ans ces conditions la hauteur de la colonne de liquide thermométrique 2 dans le tube 6 correspondant respectivement à pression constante à la température To et à température constante à la pression Po est alors égale à ho n hs + 1. Il est à noter que si le batonnet de ferrite 4 est plus long que la bobine 9, alors F (h) représente une fenêtre en forme de trapèze. La figure 4 représente schématiquement une coupe du dispositif selon l'invention particulièrement destiné à la mesure d'inclinaison. Ce disoositif selon l'invention représenté à à la figure 4,ne diffère de celui représenté à la figure 2 que par les détails suivants: Les réservoirs I et 8 sont de forme identique, de dimensions éga- afin de maintenir la ferrite lestée (4, 5a, 5b) dens le tube 6. les et présentent à leurs gorges des goulots d'étranglement 3a et 3b\ La ferrite 4 est lestée 9 ses deux extrémités par des sphérules de plomb identiques 5a et 5b, et l'espace vide 7 est réduit à un très petit volume juste suffisant pour tenir compte de la dilatation du liquide thermométrique 2 à température et pression ordinaires. Ainsi on se référant à la figure 4, si l'on méglige le volume de 1' espace vide 7 qui tient compte de la dilatation volumique, isotherme ou isobare, du liquide thermométrique 2, les réservoirs I et 8 et le tube 6 apparais sent alors comme totalement rempli. par le liquide thermométrique 2 dans lequel bsigne une ferrite 4 lestée à ses deux extrémitén par des sphérules de plomb identiques 5a et 5b. De oette façon, le bâtonnet de ferrite 4 est centré au milieu du tube 6 lorsque les réservoirs I et 8 reoosent ensemble sur un même plan horizontal. Et de ce fait, la bobine 9 est collée sur le tube 6 de telle façon que son centre coïncide avec celui dudit tube 6 La figure 5 reprsente le schéma d'un dispositif électronique de mesure d'inductance, dans lequel est inséré la bobine 9 du disoositif selon l'invention, dispositif électronique de mesure d'inductance oarticulibrement adapté à la mesure de l'inductance L de la bobine 9 en fonction de de la ferrite 4 la position\dans le tube 6 du dispositif à inductance variable selon 1' invention Un oscillateur 10 commandé oar une tension continue (VCO) pouvant prendre respectivement l'une des valeurs 0 ou Wselon que le commutateur II, dont l'une des extrémités est reliée à l'entrée p@us d'un amplificateur opérationnel I2 monté en amplificateur suiveur dont la sortie est reliée à l'entrée de commande V de l'oscillateur 10, a son autre extrémité reliée à la masse ou au point de contact électrique W auquel sont reliés par une de leurs extrémités les résistances I3 et 14 L'autre extrémité de la résistance 13 est maintenue à une tension négative E et 1' autre extrémité de la résistance ajustable I4 est reliée à une extrémité d'un potentiomètre I5 dont l'autre extrémité est maintenue à la masse La sortie VS de l'oscillateur 10 est reliée à une extrémité d'une bobine ajustable I6 à noyau magnétique de perméabilité relative UrI très élevée; de résistance série r, de nombre de spires et de longueur 1, égaux à ceux de la bobine 9 dans le cas particulier de l'invention. L'autre extrémité de la bobine ajustable I6 est reliée à une extrémi- té d'un condensateur I7 dont l'autre extrémité est reliée à une extrémité d'un commutzteur 18; l'autre ertrémité du commutateur 18 est agenoée telle qu'elle puisse établir un contact électrique franc avec l'une ou l'autre des extrémités VA ou VB de la bobine variable selon l'invention 9 De plus une résistance 19 dont une extrémité est maintenue à la masse est connectée par l'autre de ses extrémités à l'extrémité VB de la bobine variable selon l'invention 9, et la bobine ajustable I6 est enfermée dans un blindage/pour éviter tout couplage magnétique avec la bobine 9. Lorsque le commutateur II a son extrémité non reliée à l'entrée plus de l'amplificateur opérationnel I2 portée à la masse et le commutateur 18 a son extrémité non reliée au condensateur I7 portée à l'extrémité VB de la bobine 9, l'osoillateur 10 dibite, dans le circout de la figure 5, un signal sinusoïdal de fr6quence #I (oscillation libre du VCO) reglée telle qu'elle correspnde à la fréquence de résonnance du circuit LCR composé par la bobine ajustable I6, d'inductance DI et de résistance série r, le condensateur I7 de capacité C et la résistance I9 de valeur R. La condition de résonnance s'éorit alors :: et implique pour r très petit devant R Lorsque le commutateur II a son extrémité non reliée à l'entrée plus de l'amplificateur opérationnel I2 portée au point de contact électrique a et le commutateur I8 a son extrémité non reliée au condensateur 17 por- tée à l'extrémité VA de la bobine 9, l'osoillateur 10 débite un signal sinusoïdal de fréquence V - VI + kv, où k est le gain de conversion tension- fréquence de l'oscillateur commandé en tension 10. On loue alors sur le potentiomètre 15 pour se recaler à la resonnance dont la condition s'écrit cette fois: et implique pour r très petit devant R/2 D'autre part, la bobine I6 étant choisie telle qu'elle ne diffère de la bobine 9 que par son noyau magn4tique de perm6abilité magnétique relative UrI très grande devant la perméabilité magnétique relative Ur de la ferrite 4 du dispositif à inductance variable selon l'invention, soit: LI # Lo UrI avec UrI très grand devant Ur, On a dono comme L-Lo Ureff et I#Ureff#Ur, Par conséquent: Or compte tenu de la grande impédance d'entrée de l'amplificateur suiveur (I2) et V - W du fait de l'amplifica- teur zuiveur (12); par conséquent pour RI4 très petit devant RI3 et Reff très petit devant RI3 Où RI3 désigne la valeur de la résistance 13, RI4 désigne la valeur de ia résistance ajustable I4, Et Retf la valeur prise à la résonnance par la résistance du potentiomètre 15. La résistance I4 tant ajuste telle que l'on ait et le potentiomètre I5 présentant une résistance Reff t O ohm lorsque la ferrite 4 est à l'extérieur de la bobine 9, la relation entre Ureff et ileff s'écrit donc plus simplement:: D'où compte tenu de ce que Ureff est de la forme Ureff = I + (Ur - I)F Où F = F(h), avec F = O si la ferrite 4 est à l'extérieur de la bobine 9. et F = I si la ferrite 4 est à l'intérieur de la bobine 9, il s'en suit que D'autre part, dans le cas particulier où on se borne à la seule mesu- re d'inclinaison, on préfère alors le dispositif selon l'invention sous la forme présentée à la figure 4 et on choisit une ferrite lestée 4, 5a, 5b de longueur égale à la longueur 1 de la bobine 9. Dans ces conditions, on établit par les lois de l'hydrostatique la relation suivante reliant la fonction F à l'angle A que fait l'axe du dispositif selon l'invention, axe qui relie les centres de gravité respectifs des réservoirs I et 8, avec le plan horizontal: F - I - sin A, A pouvant prendre ses valeurs entre l'angle nul et l'angle plat inclus. Dans le cas de faibles variations d'inclinaison autour du plan horisontal, on a donc: F-I-A ce qui donne une relation affine directe entre l'angle d'inclinaison par rapport à l'horizontal A et la valeur Reff de la résistance du potentio mètre 15 à la résonnance. Ainsi la forme particulière de l'invention, telle qu'elle apparaît à la figure 4, combinée avec le dispositif de mesure d'inductance tel que présenté à la figure 5, peut-être exploitée pour la mesure d'inclinaison par rapport à un plan horizontal et par analogie avec les niveaux à eau et à bulle des maçons peut Xtro utilisé pour la détermination pratique de l'alignement des centres de gravité des réservoirs I et 8 dans un plan horizontal L'avantage apporté par le traitement électronique de la mesure des inclinaisons se fait sentir lorsqu'il est demandé, oar exemple, d'effectuer des asservissements qui corrigent les écarts de position, d'un système solidaire au dispositif à inductance variable selon l'invention, par rapport à un pan horizontal. REVENDICATIONS I - Dispositif à inductance variable en fonction de la température, de la pression et de l'inclinaison caractérizé par le fait qu'il comprend / des moyens de mesure d'inductance, un réservoir (I) contenant un liquide thermométrique homogène de densité suffisante (2) dans lequel est maintenu en équilibre un bâtonnet de ferrite (4), ledit liquide thermométrique (2) pouvant occuper tout ou partie d'un tube (6) servant de trian- drin à une bobine d'auto-induction (9) et d'un réservoir (8) de dimensions inférieures ou égales à celles du réservoir (I). 2 - Dispositif selon la revendication I, dans lequel la dilatation du liquide thermométrique (2) contenu dans le réservoir (I), lorsque le réservoir (8) est vide et de dimensions inférieures à celles du réservoir (I), entraîne la montée d'une colonne de liquide thermométrique dans le tube (6) soulevant de ce fait le bâtonnet de ferrite lesté (4,5) 3- - Dispositif selon la revendication I, dans lequel l'inclinaison de l'ensemble du dispositif par rapport à un plan horizontal entraîne, le déplacement du batonnet de ferrite lesté à ses deux extrémités (4, 5a, 5b), d'un coté ou de l'autre du centre du tube (6), lorsque le réservoir (8) est rempli par le liquide thermométrique (2) et de dimensions égales à celles du réservoir (I). 4 - Dispositif selon l'une des revendications I à 3, dans lequel 1' insertion de la ferrite (4) dans la bobine (9) collée an tube (6), entraî- ne la variation de l'inductance (L) de la bobine (9) en fonction de la température, de la pression ou de l'inclinaison de ltensemble du dispositif par rapport à un plan horizontal 5 - Dispositif selon l'une des revendications I à 4, dans lequel lesdits moyens pour mesurer l'inductance (L) vue entre les points de oontact électrique (VA) et (VB) comprennent un oscillateur contrôlé en tension (I) une bobine étalon ajustable (16) protégée par un blindage (20), un circuit LCR (9, 17, I9) et un commutateur (I8) agencé tel qu'il paisse mettre la bobine (9) hors circuit ou connectée en série avec le condensateur (17) et la résistance (I9). 6 - Dispositif selon la revendicatien 5, dans lequel la fréquence d' oscillation libre de l'oscillateur contrôlé en tenzion (10) est choisie égale à la fréquence de résonnance du oirouit réduit à la bobine étalon (16), au condensateur (17) et à la résistance (19). 7 - Dispositif selon l'une des revendioations 5 et 6, dans lequel lesdits moyens pour appliquer une tensien contimue de commande (V) à l' cscillateur commandé en tension (10) comprenuent un commutateur (II) agenoé tel qu'il puisse permettre à l'osoillateur (10) soit d'osoiller librement soit d'être commandé en tensien, un amplificateur suiveur (12) et, un diviseur de tension composé par une résistance fixe (13), une résistance ajustable (14), un potentiomètre (15), auquel est appliquée une tension continue négative. 8 - Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les réservoirs (I) et (8) sont de forme identique, de dimensions égales et présentent à leurz gorges des goulots d'étranglement (3a) et (3b) qui empêchent la ferrite lestée (4, Sa, 5b) de pénétrer dans lesdits réservoirz (I) et (8).