Brevet FR2621760A1 — publié le 19890414

Dispositif pour déterminer les paramètres d'oscilla- tion d'une bande oscillant longitudinalement". L'invention concerne un dispositif pour dé- terminer les paramètres d'oscillation d'une bande os- cillant longitudinalement, cette bande étant excitée par un oscillateur piézo-électrique et ses oscilla- tions étant reçues et exploitées. Dans le cadre de travaux d'études (BMFT-FB- T84-228 (10/84)) des recherches ont été entreprises pour savoir dans quelle mesure varient les fréquences propres d'une bande oscillant longitudinalement lors- que la masse inerte de cette bande varie. Dans le cas du dispositif de recherches utilisé à cet effet, l'é- metteur et le récepteur étaient constitués d'oscilla- teurs piézo-électriques disposés à une distance déter- minée l'un en face de l'autre. La bande entre les os- cillateurs était maintenue par des pinces de serrage, montées chacune avec un épaississement en forme de disque entre les oscillateurs piézoélectriques. Les oscillations de l'émetteur se transmettent par l'in- termédiaire de la bande et de la deuxième pince à l'oscillateur piézo-électrique placé en face, fonc- tionnant comme récepteur, o elles engendrent un si- gnal. Dans le cas de ce dispositif de recherches, la fréquence de l'émetteur était commandée de façon à avoir un décalage de phases de 90' entre l'inter- action excitée et l'inter-action reçue, de sorte qu'il se formait une onde stationnaire avec des noeuds dans les serrages. Ces recherches avaient montré que, par exemple, une augmentation de la masse dans la zone médiane de la bande, se traduit par une décroissance de l'amplitude et que l'on pouvait faire appel à cette modification de l'amplitude pour jouer le rôle de va- leur de mesure. Mais, il s'est avéré aussi, qu'égale- ment la fréquence était influencée et que cette varia- tion de fréquence pouvait aussi constituer une gran- deur de mesure. Cette "construction chambre-poussoir" ainsi proposée comporte toutefois des inconvénients impor- tants. C'est ainsi, par exemple, que l'effort qui agit sur le poussoir au moyen de l'oscillateur piézo- électrique (PIEZO) doit être apporté sous forme d'ef- fort antagoniste en provenance de la chambre entouran- te (plaques de pression avant/arrière). Le synchronis- me du PIEZO (conversion d'énergie électrique en éner- gie mécanique) n'est pas garanti. Il se produit ainsi le cas o ce n'est pas seulement, comme on le suppose dans le cas idéal, le poussoir qui oscille, mais l'en- semble du système chambre-poussoir-PIEZO, c'est-à-dire que, finalement, ce n'est qu'une partie de l'énergie mécanique produite qui est couplée dans la bande ou bien détectée côté réception en tant que signal de bande. Cela a pour conséquence que des bandes avec un amortissement de matériau élevé, ou bien une très grande longueur, ne peuvent plus délivrer un signal exploitable. Le système complexe comporte, du fait de sa construction mécanique, une pluralité de couplage "ressort-masse" pour chacun desquels une résonance mé- canique (non souhaitable) est suscitée. Conditionnés 262 1760 par les dimensionnements extérieurs et les constantes des matériaux, ces points de résonance se situent tous dans la gamme de fréquence utile prévue pour les mesu- res. Mais, pour pouvoir procéder à une exploitation nette des mesures, aucune résonance propre ne doit se produire côté émetteur ou côté récepteur au-dessous de la fréquence la plus élevée de mesure. Le système con- nu présente ce phénomène de résonance secondaire, à partir de 7 KHz, c'est-à-dire que la longueur de la bande (fibre de verre) est limitée à environ 12 cm. Une forme de réalisation pratique de l'appa- reil avec des dimensions modifiées (augmentation des dimensions du poussoir, de la chambre, du PIEZO) pré- sente des résonances au-dessus de la zone de fréquence totale (1 KHz à 40 KHz), de sorte qu'une mesure cor- recte ne peut pas être garantie. Les fréquences de ré- sonance (résonance secondaire) des couplages "ressort- masse) ne sont pas stables en fréquences. Elles sont, dans une grande mesure, soumises aux influences exté- rieures, telles que par exemple les couples de serrage des vis de serrage, la température environnante, les sollicitations mécaniques par des chocs pendant le transport, ou autres. Un "équilibrage" de ces systèmes s'avère extrêmement difficile car il y a une influence réciproque. Une intervention par modification d'un des paramètres ne peut, en conséquence, être évaluée que par observation de l'ensemble du spectre de fréquen- ces, par exemple par analyse de Fourier, ce qui n'est possible que dans des cas très rares. L'aptitude pra- tique (notamment lors de la mise en oeuvre dans des usines génératrices, et dans des conditions rudes d'environnement) n'est également pas possible pour les raisons précitées. Le problème posé à l'invention consiste, en conséquence, à réaliser le dispositif précité, de fa- çon à permettre, avec une utilisation optimale de l'é- nergie d'oscillation et avec une amélioration du rap- port signal/bruit, la production d'oscillations longi- tudinales d'amplitude constantes sur une large bande de fréquence, leur transmission mécanique sur une ban- de oscillante, et la détection certaine des oscilla- tions longitudinales transmises au moyen de la bande pour réaliser des ondes stationnaires en vue de l'ex- ploitation des paramètres de bande. La solution de ce problème est caractérisée, conformément à l'invention, en ce que les oscillateurs excitateurs et/ou les oscillateurs récepteurs sont des oscillateurs sandwich avec des masses terminales mé- talliques. Des compléments avantageux et des formes de réalisation avantageuses de l'invention, sont caracté- risés en ce que: Les oscillateurs sandwich sont des transduc- teurs piézo-céramiques à haut rendement, et la bande est fixée à la face frontale de respectivement une des masses terminales métalliques; La bande est couplée à la masse terminale de façon que l'effort à transmettre à la bande agisse dans la direction d'oscillation principale; L'introduction de l'effort dans la bande s'effectue linéairement et à angle droit, et la trans- mission de l'effort et/ou la précontrainte de la ban- de, est susceptible d'être modifiée, Le couplage de la bande s'effectue au moyen d'une combinaison cylindre-gorge susceptible d'être soumise à l'action d'un ressort, la gorge étant dispo- sée dans la face frontale de la masse terminale. On connaît certes des transducteurs piézo- céramiques à haut rendement ("Technologie und Anwen- dungen von Ferroelektrika", VAG Leipzig 1976, pages 360 et suivantes), toutefois, ces transducteurs sont utilisés pour produire les puissances acoustiques de sortie de transducteurs ultra-sonores qui sont par exemple utilisés dans des buts de nettoyage (en prin- cipe dans l'eau) ou bien pour la transmission de si- gnaux sous l'eau (page 360, deuxième alinéa, lignes 4 et 5). Leur utilisation, en tant qu'éléments de trans- mission d'un effort sur des bandes ou des organes ana- logues devant être couplés mécaniquement avec eux, par exemple dans des conditions d'environnement ou dans des cheminées de gaz de fumée, n'est ni mentionnée ni envisagée. Les avantages particuliers de la solution proposée, conformément à l'invention, résident en ce que les résonances parasites dans la gamme de fréquen- ces utile, sont évitées, et qu'ainsi on arrive à une association univoque du signal et des paramètres de la bande, grâce à quoi, la dépense électronique et méca- nique est considérablement diminuée par rapport au dispositif utilisé jusqu'alors. On a, en outre, une augmentation du spectre de fréquence utile et donc, une augmentation de la sensibilité (Af/Am; m = Masse), ainsi qu'un décalage de la fréquence utile hors de la gamme audio. Grâce à la suppression de toutes opéra- tions d'équilibrage et d'exclusion des influences per- turbatrices de l'environnement, l'aptitude pratique est susceptible d'être garantie, même dans de dures conditions d'environnement. L'invention va être ci-après exposée plus en détail en se référant à un exemple de réalisation au moyen des figures 1 à 5: - la figure 1 montre schématiquement, la constitution électro-mécanique du dispositif, - les figures 2 et 3 représentent un émet- teur/récepteur, - la figure 4 est une vue latérale de l'ac- couplement d'une bande sur l'émetteur/récepteur, - la figure 5 est une vue avant correspon- dant à la figure 4. Sur la figure 1, la bande 1 est tendue entre l'émetteur 2 et le récepteur 3. Une tension alternati- ve sinusoïdale modifie l'épaisseur des oscillateurs piézo-électriques 13, 14 dans l'émetteur 2. Les masses terminales 15, 16 subissent une accélération dans la direction d'oscillation principale 20, c'est-à-dire que l'on a une oscillation longitudinale. La bande 1 couplée sur la face frontale 22 (voir figure 4) de la masse terminale 16, transmet cette oscillation. En fa- ce, c'est-à-dire sur le récepteur 3, les oscillateurs piézo-électriques 13, 14, correspondants, transforment l'excitation mécanique, transmise par la bande 1 sur la masse terminale 16, en charge électrique. Ce signal 4 est amplifié dans l'amplifica- teur 10, appliqué à un discriminateur de phases 11 et comparé avec le signal de référence (signal d'émet- teur) 8 affaibli par la résistance 9. La condition de résonance se présente entre autres, lorsque ces deux signaux 4, 8, sont décalés en phases de 900. Le discriminateur de phases 11 délivre une tension continue proportionnelle à l'angle de phase différent de 90', et qui, appliqué à un VCO (oscilla- teur contrôlé en tension) 5, modifie celui-ci dans d'étroites limites, c'est-à-dire qu'il modifie la fré- quence jusqu'à ce que la sortie du discriminateur 11 soit de zéro Volt, ou bien jusqu'à ce que l'angle de phases soit de 90 Le réglage approximatif de la fréquence f, s'effectue par l'intermédiaire d'une deuxième liaison de commande du VCO 5. Un convertisseur numérique- analogique 26 commandé par un calculateur 27, engendre une tension en dents de scie qui est convertie par le VCO en une bande de fréquences. La gamme utile est ainsi vobulée en 28, et la fréquence de résonance est recherchée. Après que les conditions de phases souhai- tées aient été obtenues, le vobulateur 28 est mis hors circuit, et la régulation de fréquences intervient. Un amplificateur de puissance 6 amplifie la tension al- ternative U délivrée par le VCO 5. Cette tension, éle- vée par transformation en 7, est appliquée à l'émet- teur 2. La détermination des paramètres de bandes s'effectue d'après la formule: f.51 E fa 2 1 P fo = fréquence de résonance 1 = longueur de la bande E= module d'élasticité de la bande p = épaisseur de la bande Du fait de la construction simple, restant à exposer, de l'émetteur 2 et du récepteur 3, une fré- quence unique du système (par exemple 41 KHz) peut être obtenue. Toutes les fréquences de résonance qui sont inférieures à cette fréquence du système, corres- pondent à des fréquences de signal qui peuvent être associées de façon univoque à des paramètres de la bande 1. Le système est ainsi susceptible d'être pré- déterminé, même du point de vue des modifications de température. Sur les figures 2 et 3, est représenté un émetteur 2 ou un récepteur 3. I1 s'agit d'un transduc- teur à haut rendement, d'un type de construction connu en soi. Il est constitué de deux éléments céramique piézo-électriques 13 et 14 entre deux masses termina- les 15 et 16 en métal. Entre les oscillateurs piézo- électriques 13, 14, qui sont de polarités inverses, se trouve une prise de potentiel 25 pour le couplage de la tension (émetteur 2) ou bien pour le prélèvement de la tension (récepteur 3). Toutes ces parties sont col- lées entre elles. Le diamètre des éléments 13 et 14 doit être supérieur à la largeur de la bande 1 à cou- pler. Comme dimensions, il convient de prévoir pour des éléments céramiques de 5 mm d'épaisseur, par exem- ple, une longueur de 12 ou 22 mm pour la masse termi- nale 15 en laiton et respectivement, 5 mm pour la mas- se terminale 16 en aluminium avec un diamètre de 25 mm et une largeur de la bande de 18 mm. Ces combinaisons par exemple, donnent des fréquences du système de 41 ou 27 KHz. La fixation mécanique de l'émetteur 2 ou du récepteur 3 résulte de la figure 3. Il s'agit d'une suspension en trois points avec trois supports en caoutchouc 17 à 19, grâce auxquels la structure cylin- drique 2 ou bien 3, peut être fixée sur une plaque de base en son centre de gravité autant que possible exempt de vibrations. La transmission d'effort pour obtenir l'os- cillation longitudinale qui prend naissance sur la masse terminale 16, doit s'effectuer sur la bande li- néairement et à angle droit. En outre, l'effort grâce auquel la bande 1 est couplée sur la masse terminale correspondante 16, doit être réglable de façon corres- pondante aux propriétés de la bande. Ceci est égale- ment valable pour la précontrainte de la bande 1. Un point de vue essentiel est que la bande 1 doit être remplacée, tout au moins de façon discontinue, c'est- à-dire qu'elle doit pouvoir défiler entre l'émetteur 2 et le récepteur 3. Comme solution possible, il est en cons- équence prévu que la bande soit maintenue élastique- ment, aussi bien contre l'émetteur 2 que contre le ré- cepteur 3. On utilise à cet effet, conformément aux figures 4 et 5, un cylindre 21 qui vient s'appliquer, avec interposition de la bande 1, dans une gorge 23 fraisée dans la surface antérieure (face frontale 22) de la masse inerte 16. Comme éléments d'application sous pression pour le cylindre 21, on peut utiliser des ressorts 24 ou des organes analogues. La bande 1 elle-même est amenée au cylindre 21, pratiquement pa- rallèlement à la face frontale 22, elle est déviée de 90' dans la gorge 23 pour quitter ensuite la face frontale 22 à angle droit (donc perpendiculairement) dans la direction d'oscillation principale 20 de l'é- metteur 2 ou bien pour être couplée dans les mêmes conditions, sur le récepteur 3. On obtient ainsi un couplage optimale de l'énergie de l'émetteur 2 sur la bande 1 ou bien un découplage optimal de l'énergie de la bande 1 sur le récepteur 3. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Dispositif pour déterminer les paramè- tres d'oscillation d'une bande oscillant longitudina- lement, cette bande étant excitée par un oscillateur piézo-électrique et ses oscillations étant reçues et exploitées, dispositif caractérisé en ce que l'oscil- lateur excitateur et/ou l'oscillateur récepteur (2, 3) sont des oscillateurs sandwich (13, 14) avec des mas- ses terminales métalliques (15, 16). 2.- Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les oscillateurs sandwich (13, 14) sont des transducteurs piézo-céramiques à haut rende- ment, et la bande (1) est fixée à la face frontale (22) de respectivement une (16) des masses terminales métalliques. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la bande (1) est couplée à la masse terminale (16) de façon que l'effort à transmettre à la bande (1) agisse dans la direction d'oscillation principale (20). 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'intro- duction de l'effort dans la bande (1) s'effectue li- néairement et à angle droit, et que la transmission de l'effort et/ou la précontrainte de la bande (1) est susceptible d'être modifiée. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le coupla- ge de la bande s'effectue au moyen d'une combinaison cylindre-gorge (2123) susceptible d'être soumise à l'action d'un ressort, la gorge (23) étant disposée dans la face frontale (22) de la masse terminale (16).