Brevet FR2647901A1 — publié le 19901207

DISPOSITIF DE PESAGE A JAUGES DE CONTRAINTE La présente invention concerne les cellules de charge, utilisa- bles notamment dans la réalisation de balances de pesée telles qu'un pèse-personne, pèse-aliments ou tout autre appareil de pesage à plateau. Les appareils de pesage à plateau sont généralement constitués d'un socle destiné à reposer sur le sol, et d'un plateau sensiblement parallèle à ce socle. Le plateau est destiné à recevoir la charge à peser. Entre le socle et le plateau est disposée une cellule de charge comportant des jauges de contrainte connectées électriquement suivant un pont de Wheatstone et délivrant un signal électrique proportionnel à la charge appliquée sur le plateau. La cellule de charge comprend une barre de flexion, élastiquement déformable, disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de l'effort à mesurer, c'est- à-dire sensiblement parallèle au plateau. Un montant mobile relie le plateau à une première extrémité de la barre de flexion, le montant mobile étant généralement parallèle à la direction de l'effort à mesurer. Un montant fixe, également généralement parallèle à la direction de l'effort à mesurer, relie le socle et la seconde extrémité de la barre de flexion. Les jauges de contrainte sont fixées sur la surface de la barre de flexion, et sont sensibles aux allongements et racourcissements de ladite surface engendrés par la flexion de ladite barre. Une telle structure est par exemple décrite dans le document FR- A-2 177 923. La difficulté de ces cellules de charges réside dans le fait que le signal électrique que l'on obtient est sensible à la position de la charge sur le plateau. On constate en effet que les caractéristiques de flexion de la barre de flexion varient d'une part en fonction de l'excentration longitudinale de la charge sur le plateau ou position dans le sens de la longueur de la barre de flexion, et d'autre part en fonction de l'excentration transversale de la charge sur le plateau ou position dans le sens perpendiculaire à la longueur de la barre de flexion. Le déplacement longitudinal de la charge introduit une variation du couple de torsion appliqué à la première extrémité de la barre de flexion par le montant mobile selon un axe transversal. Le déplacement de la charge transversalement sur le plateau introduit une variation du couple de torsion appliqué sur la première extrémité de la barre de flexion par le montant mobile selon un axe longitudinal. Ces contraintes de torsion déforment la barre de flexion et perturbent la mesure de sa flexion par les jauges de contrainte. Dans le document FR-A-2 177 923, on compense les effets de déplacement longitudinal de la charge sur le plateau en disposant plusieurs jauges de contrainte selon au moins deux zones décalées longitudinalement sur la barre de flexion. Le dispositif reste cependant sensible au déplacement de la charge selon une direction transversale. On connait des cellules de charge réalisées en un seul bloc et usinées de façon à les rendre insensibles aux excentrations transversa- les de charge. De telles cellules de charge sont toutefois très onereuses du fait des usinages précis qu'elles nécessitent. Ces usinages doivent être assurés par approximations successives, et dépendent d'un grand nombre de paramètres rendant illusoire une fabrication en série sans reprise. Le document WO-A-8 402 186 enseigne de rendre une telle cellule de charge insensible aux excentrations transversales de charge en utilisant des jauges de contrainte supplémentaires sensibles à la torsion de la barre de flexion. Cette solution implique d'utiliser des jauges supplémentaires, qui doivent être disposées de manière très précise sur la barre de flexion, et nécessite l'ajustage ultérieur des signaux électriques. L'expérience montre que cet ajustage est le plus souvent insuffisant, et nécessite un usinage précis de la barre de flexion. On est en outre conduit à multiplier les jauges de contrainte, ce qui multiplie les connexions à-réaliser lors du montage, multiplie les risques de pannes, et augmente sensiblement le coût. Ainsi, toutes les solutions connues nécessitent des ajustements lors de la fabrication des dispositifs de pesée, et ces ajustements effectués en reprise augmentent sensiblement le coût de production. La présente invention a pour but de réaliser une cellule de charge à jauges de contrainte, de conception et de structure simples pour être à faible prix de revient, et qui, par construction, soit pratiquement insensible aux excentrations de charge, tant longitudinales que transversales. Selon l'invention, ces avantages sont obtenus sans multiplier le nombre de jauges de contrainte. En outre, selon une variante avantageuse de l'invention, on cherche à obtenir cette insensibilité aux excentrations'de charge tout en évitant de disperser les jauges de contrainte selon toute la longueur de la barre de flexion. Une telle dispersion complique en effet les opérations de connexion électrique lors du montage. Ainsi, l'invention permet de rassembler toutes les jauges de contrainte dans une seule zone de la barre de flexion. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la cellule de charge selon l'invention comprend: - une barre de flexion élastiquement déformable disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction de l'effort à mesurer, - un montant mobile solidaire d'une première extrémité de la barre de flexion et sensiblement parallèle à la direction de l'effort à mesurer, destiné à être solidaire d'un plateau recevant la charge à mesurer, - un montant fixe solidaire de la seconde extrémité de la barre de flexion et sensiblement parallèle à la direction de l'effort à mesurer, destiné à être solidaire d'un socle, - des jauges de contrainte, fixees sur la surface de la barre de flexion, et destinées a être raccordées électriquement à un circuit électrique de mesure pour fournir un signal électrique fonction de la déformation de flexion de la barre de flexion sous l'action de l'effort mécanique appliqué entre les montants fixe et mobile, - une lame secondaire plate et large, élastiquement déformable, disposée à l'écart de la barre de flexion selon un plan sensiblement perpendicu- laire à la direction de l'effort à mesurer, fixée respectivement selon sa première extrémité au montant mobile et selon sa seconde extrémité au montant fixe, de sorte que la lame secondaire absorbe les efforts de torsion dus à l'excentration de l'effort à mesurer. Dans les applications à un dispositif de pesage à plateau récepteur, le montant mobile est solidaire d'un plateau récepteur de charge se développant selon une longueur L1 parallèlement à la barre de flexion et selon une largeur L2 perpendiculairement à la barre de flexion; la lame secondaire présente avantageusement une largeur sensiblement constante et voisine de la largeur L2 du plateau récepteur de charge. Selon un mode de réalisation avantageux, les jauges de contrainte sont disposées en une zone unique de la barre de flexion, à l'écart de la zone centrale. Dans ce cas, les premières extrémités respectives de la barre de flexion et de la lame secondaire sont écartées l'une de l'autre d'une distance D1 supérieure à la distance D2 séparant leurs secondes extrémités respectives. De cette manière, la barre de flexion fait avec la lame secondaire un angle A dont la valeur est ajustée par construction de manière à compenser les effets de décentration longitudinale de l'effort. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisa- tion particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective d'une cellule de charge selon l'invention associée à un plateau récepteur de charge et à un socle; - la figure 2 représente schématiquement en vue de côté une cellule de charge selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 représente la cellule de charge de la figure 2 en vue de dessus, montant mobile partiellement coupé; - les figures 4 et 5 illustrent, à plus grande échelle, la constitution des jauges de contrainte de la figure 3; - la figure 6 représente schématiquement, en vue de côté, une cellule de charge selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 7 représente en vue de dessus la cellule de charge de la figure 6, montant mobile partiellement coupé; - les figures 8 et 9 illustrent, à plus grande échelle, une disposition possible des jauges de contrainte de la figure 7; - les figures 10 et 11 illustrent, à plus grande échelle, une autre disposition possible des jauges de contrainte de la figure 7; - la figure 12 illustre schématiquement, en vue de côté, une cellule de charge selon un troisième mode de réalisation de l'invention; - la figure 13 représente la cellule de charge de la figure 12 en vue de dessus, montant mobile partiellement coupé; - la figure 14 représente, à plus grande échelle,.la disposition des jauges de contrainte de la figure 13; et - la figure 15 illustre le schéma électrique de connexion des jauges de contrainte. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le dispositif de l'invention comprend une cellule de charge 1, un plateau 2647901- récepteur de charge 2 et un socle 3. La cellule de charge 1 comprend une barre de flexion 4, élastiquement déformable par flexion, disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction 5 de l'effort à mesurer. Un montant mobile 6 est solidaire d'une première extrémité 7 de la barre de flexion 4, et est sensiblement parallèle à la direction 5 de l'effort à mesurer. Le montant mobile 6 est solidaire du plateau récepteur de charge 2 destiné à recevoir la charge 8 à mesurer. Un montant fixe 9 est solidaire de la seconde extrémité 10 de la barre de flexion 4, et est sensiblement parallèle à la direction 5 de l'effort à mesurer. Le montant fixe 9 est solidaire du socle 3. Des jauges de contrainte sont fixées sur la surface de la barre de flexion 4, et sont raccordées électriquement à un circuit électrique de mesure, non représenté sur la figure, pour fournir un signal électrique fonction de la déformation de flexion de la barre de flexion 4 sous l'action de l'effort mécanique produit par le poids de la charge 8 posée sur le plateau 2. Dans la réalisation représentée sur la figure 1, les jauges de contrainte sont disposées selon deux zones distinctes 11 et 12, respectivement au voisinage de la première extrémité 7 et de la seconde extrémité 10 de la barre de flexion 4, à égales distances du milieu de la barre. Les zones 11 et 12 sont situées sur l'une des faces de barre de flexion 4 qui sont parallèles au plateau 2. Une lame secondaire 13, de forme plate et large comme le représente la figure, est disposée à l'écart de la barre de flexion 4 selon un plan sensiblement perpendiculaire à la direction 5 de l'effort à mesurer. La lame secondaire 13 est élastiquement déformable par flexion, et est fixée respectivement selon sa première extrémité 14 au montant mobile 6 et selon sa seconde extrémité 15 au montant fixe 9. La lame secondaire 13 se trouve sensiblement parallèle i la barre de flexion 4, de laquelle elle est séparée d'une distance D dans la direction 5 de l'effort à mesurer. Lorsqu'on déplace la charge 8 depuis sa position centrale, représentée en traits pleins sur la figure 1, vers ses positions décentrées latéralement 16 et 17, la charge 8 produit un couple de torsion d'axe longitudinal sur la cellule de charge 1. La présence de la lame secondaire 13 réduit très sensiblement l'angle de torsion de la cellule de charge 1 produit par le couple de torsion de la charge 8 selon l'axe longitudinal. Il en résulte que la présence de la lame secondaire 13 rend pratiquement négligeable l'effet des décentrations transversales de la charge 8 sur le plateau 2. Pour assurer une bonne reprise des efforts de torsion, on a intér&t à utiliser une lame secondaire 13 dont la largeur L est la plus grande possible. En pratique, pour une application à une balance comportant un plateau 2 de longueur L1 et de largeur L2, la longueur L' étant la dimension parallèle à la longueur de la barre de flexion 4, on utilise avantageusement une lame secondaire 13 dont la largeur L est sensible- ment constante et voisine de la largeur L2 du plateau récepteur de charge 2. Par ailleurs, pour obtenir une bonne sensibilité de la mesure de l'effort, on peut avantageusement utiliser une barre de flexion 4 dont la largeur est relativement réduite et dont l'épaisseur est relativement grande. Dans ces conditions, les variations de longueur ou de largeur superficielles subies par les jauges de contrainte placées sur la surface supérieure ou la surface inférieure de la barre de flexion sont maximisées. Simultanément, il faut éviter de diminuer la flexion de la barre pour une charge donnée, afin de conserver une bonne sensibilité. On doit donc avantageusement utiliser une lame secondaire 13 dont la raideur est faible en comparaison de la raideur de la barre de flexion 4, de sorte que la lame secondaire 13 ne diminue pas sensiblement la flexion de la barre de flexion 4 pour une charge donnée. Pour cela, dans le sens des flexions produites par l'effort à mesurer tel que l'effort de la charge 8, la raideur de la barre de flexion 4 est choisie très supérieure à la raideur de la lame secondaire 13. Cette différence est obtenue par exemple en utilisant une barre de flexion 4 dont la section présente une épaisseur relativement importante par rapport à aa largeur, alors que la lame secondaire 13 est plate et large. On peut accentuer la différence en réalisant la barre de flexion 4 et la lame secondaire 13 en des matériaux différents choisis de manière appropriée. La réduction ou la compensation des perturbations introduites par la décentration de la charge 8 dans le sens longitudinal peut être assurée de différentes manières. Lorsque la charge 8 est déplacée longitudinalement, par exemple, -r prendre sa position 18 ou sa position 19, la présence de la lame secondaire 13 réduit très sensiblement les déformations induites sur la barre de flexion 4, par rapport à une cellule de charge 1 qui ne comporterait qu'une seule barre de flexion. La décentration longitudinale introduit toutefois des efforts de compression ou de traction axiales de la barre de flexion 4 et de la lame secondaire 13, et l'on peut constater une légère déformation de la barre de flexion 4, déformation induisant une variation du signal électrique mesuré. Pour compenser de telles variations dues à la décentration longitudinale, on peut utiliser une technique connue consistant à disposer les jauges de contrainte selon au moins deux zones 11 et 12 décalées longitudinalement le long de la barre de flexion 4 et à égales distances du milieu de ladite barre. De cette manière, les jauges correspondantes des zones différentes sont soumises à des contraintes distinctes lors de la flexion de la barre 4, mais la combinaison des jauges permet de produire un signal électrique sensiblement indépendant de l'excentration longitudinale de l'effort. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2 à 5, la barre de flexion 4 porte quatre jauges de contrainte disposées de la manière suivante: une première jauge 20 sensible aux variations de longueur de surface de la barre de flexion est fixée sur la face supérieure 21 au voisinage de la première extrémité 7 de ladite barre de flexion 4. Une seconde jauge 22 est fixée dans la même zone sur la face inférieure 23 de la barre de flexion 4. Une troisième jauge 24 est fixée sur la face supérieure 21 de la barre de flexion au voisinage de sa seconde extrémité 10, et une quatrième jauge 25 est fixée dans la même zone sur la face inférieure 23 de la barre de flexion. Les jauges 20, 22, 24 et 25 sont sensibles aux variations de longueur de la surface de la barre de flexion 4. De telles cellules sensibles aux variations de longueur sont bien connues dans la technique, et sont représentées schématiquement sur les figures 4 et 5. Elles comportent une série de filaments résistifs disposés longitudinalement et connectés en série entre deux bornes de connexion. Les jauges de contrainte 20, 22, 24 et sont connectées électriquement pour former un pont de Wheatstone, comme le représente la figure 15, entre deux bornes d'alimentation 26 et 27 destinées à être connectées à une source d'alimentation électrique E, et entre deux bornes de mesure 28 et 29 connectées à un organe de mesure e du signal électrique. La variante représentée sur les figures 6 à 11 facilite le câblage des jauges. Dans cette variante, les jauges de contrainte sont réparties selon deux zones 11 et 12, sur la même face supérieure de la barre de flexion 4. Chaque zone 11 ou 12 comprend deux jauges de contrainte. Dans le premier mode de réalisation représenté sur les figures 8 et 9, les jauges de contrainte 20 et 24 sont sensibles aux variations de longueur superficielle de la barre de flexion 4, tandis que les jauges de contrainte 22 et 25 sont sensibles aux variations de largeur superficielle de la barre de flexion 4. Les jauges 20 et 22 sont groupées dans la zone 11 de surface, et les jauges 24 et 25 sont groupées dans la zone 12 de surface. Dans le mode de réalisation des figures 10 et 11, les quatre jauges de contrainte 20, 22, 24 et 25 sont sensibles aux variations de longueur superficielle de la barre de flexion 4. On groupe alors les jauges 20 et 25 dans la zone 11 de surface, et on groupe les jauges 22 et 24 dans la zone 12 de surface. Dans les deux modes de réalisation, les jauges de contrainte sont connectées conme le représente la figure 15, de sorte que chaque branche de pont, telle que la branche formée par les jauges 20 et 22 en série, comprend une jauge à variation positive de résistance et une jauge à variation négative de résistance. Dans le mode de réalisation des figures 12 à 14, la barre de flexion 4 comprend quatre jauges de contrainte réparties dans une seule zone, de surface réduite, disposée au voisinage de l'une ou l'autre des extrémités 7 et 10. Par exemple, les quatre jauges de contrainte sont disposées dans la zone 12 proche de la seconde extrémité 10 de la barre de flexion 4. Dans ce cas, la compensation des excentrations longitudi- nales de charge s'effectue en prévoyant un angle A entre la barre de flexion 4 et la lame secondaire 13, qui ne sont alors plus parallèles. Pour cela, les premières extrémités respectives 7 et 14 de la barre de flexion 4 et de la lame secondaire 13 sont écartées l'une de l'autre d'une distance D1 supérieure à la distance D2 séparant leurs secondes extrémités respectives 10 et 15. La valeur de l'angle A peut être déterminée expérimentalement, et dépend des caractéristiques géométri- ques et dimensionnelles des éléments formant la cellule de charge, et en particulier de la position choisie de la zone des jauges de contrainte. Cette valeur est généralement faible, par exemple inférieure au degré. On peut expliquer l'effet de compensation introduit par l'angle A par le fait qu'il introduit dans la zone des jauges de contrainte, lors des efforts de compression ou de traction longitudinales de la barre de flexion 4, une déformation de flexion en sens inverse de la déformation due au flambage. Dans ce mode de réalisation des figures 12 à 14, on peut par exemple disposer les jauges de contrainte comme le représente la figure 14, avec deux jauges de contrainte 22 et 24 sensibles aux variations de longueur superficielle de la barre de flexion 4, et deux jauges de contrainte 20 et 25 sensibles aux variations de largeur superficielle de la barre de flexion 4. Un mode de réalisation similaire peut être prévu en disposant les quatre jauges de contrainte dans la zone 11 proche de la première extrémité 7 de la barre de flexion 4. On comprend que les modes de réalisation des figures 12 à 14 dans lesquels les quatre jauges de contrainte sont groupées dans une seule zone sont avantageux, car les connexions électriques sont grandement facilitées. Dans les modes de réalisation qui ont été décrits, on utilise avantageusement quatre jauges de contrainte fixées sur la barre de flexion 4 et connectées en pont. La disposition des 4 jauges sur la barre réduit les inconvénients dûs aux dérives thermiques. On peut toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser seulement deux jauges de contrainte fixées sur une même face de la barre de flexion et formant une première branche du pont de Wheatstone, par exemple les jauges 20 et 22, les deux autres jauges telles que les jauges 24 et 25 formant la deuxième branche du pont étant alors remplacées par des résistances électriques de mêmes valeurs fixes. Cette structure à deux jauges de contrainte et deux résistances est applicable à chacun des modes de disposition de jauges décrits précédemment et représentés sur les figures. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendica- tions ci-après. REVENDICATIONS 1 - Cellule de charge à barre de flexion et jauges de contrainte pour mesure d'effort dans un appareil de pesage, comprenant - une barre de flexion (4) élastiquement déformable disposée selon une direction sensiblement perpendiculaire à la direction (5) de l'effort à mesurer, un montant mobile (6) solidaire d'une première extrémité (7) de la barre de flexion (4) et généralement parallèle à la direction (5) de l'effort à mesurer, destiné à être solidaire d'un plateau (2) recevant la charge à mesurer (8), - un montant fixe (9) solidaire de la seconde extrémité (10) de la barre de flexion (4) et généralement parallèle à la direction (5) de l'effort à mesurer, destiné à être solidaire d'un socle (3), - des jauges de contrainte (20, 22, 24, 25), fixées sur la surface de la barre de flexion (4), et destinées à être raccordées électriquement à un circuit électrique de mesure pour fournir un signal électrique fonction de la déformation de flexion de la barre de flexion (4) sous l'action de l'effort mécanique appliqué entre les montants fixe (9) et mobile (6), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une lame secondaire (13) plate et large, élastiquement déformable, disposée à l'écart de la barre de flexion (4) selon un plan sensiblement perpendiculaire à la direction de l'effort à mesurer (5), fixée respectivement selon sa premiere extrémité (14) au montant mobile (6) et selon sa seconde extrémité (15) au montant fixe (9), de sorte que la lame secondaire absorbe les efforts de torsion dus à l'excentration de l'effort à mesurer. 2 - Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que - le montant mobile (6) est solidaire d'un plateau récepteur de charge (2) se développant selon une longueur L1 parallèlement à la barre de flexion (4) et selon une largeur L2 perpendiculairement à la barre de flexion (4), la lame secondaire (13) présente une largeur L sensiblement constante et voisine de la largeur L2 du plateau récepteur de.charge (2). 3 - Cellule selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que, dans le sens des flexions produites par l'effort à mesurer, la raideur de la barre de flexion (4) est très supérieure à la raideur de la lame secondaire (13). 4 - Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, l caractérisée en ce que les jauges de contrainte (20, 22, 24, 25) sont réparties en au moins deux zones (11, 12) longitudinalement écartées l'une de l'autre sur la barre de flexion (4), à égales distances du milieu de la barre, de sorte que les jauges sont soumises à des contraintes distinctes lors de la flexion de la barre, et que la combinaison des jauges permet de produire un signal électrique sensible- ment indépendant de l'excentration longitudinale de l'effort. - Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que - - les jauges de contrainte (20, 22, 24, 25) sont disposées en une zone unique (12) de la barre de flexion (4), à l'écart de la zone centrale, les premières extrémités respectives (7, 14) de la barre de flexion (4) et de la lame secondaire (13) sont écartées l'une de l'autre d'une distance D1 supérieure à la distance D2 séparant leurs secondes extrémités respectives (10, 15), de sorte que la barre de flexion (4) fait avec la lame secondaire (13) un angle A dont la valeur est ajustée de manière à compenser les effets de décentration longitudinale de l'effort. 6 - Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend quatre jauges de contrainte (20, 22, 24, 25) fixées sur la barre de flexion (4). 7 - Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend deux jauges de contrainte (20, 22) fixées sur la barre de flexion (4) et associées à deux résistances électriques (24, 25) de mêmes valeurs fixes. 8 - Balance, caractérisée en ce qu'elle comprend - une cellule de charge (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, - un plateau récepteur de charge (2) solidaire du montant mobile (6) et disposé selon un plan sensiblement parallèle à la barre de flexion (4) et à la lame secondaire (13), - un socle (3) solidaire du montant fixe (9) et disposé selon un plan sensiblement parallèle au plateau récepteur (2), - un circuit électrique connectant les jauges de contrainte selon un pont de Wheatstone (20, 22, 24, 25) entre deux bornes d'alimentation (26, 27) destinées à être connectées à une source d'alimentation électrique (E) et entre deux bornes de mesure (28, 29) connectées à un organe de mesure (e) de signal électrique. e