Brevet FR2649786A1 — publié le 19910118

DISPOSITIF DE MESURE Obiet de l'invention La présente invention est relative à un dispositif de mesure, notamment un dispositif permettant de mesurer un déplacement dû à un effort ou à une déformation ou autre. Un tel dispositif de mesure qui fournit un signal à traiter pour être utilisable est destiné à être monté dans un capteur, par exemple, ou dans d'autres dispositifs de contrôle. La présente invention concerne donc accessoirement aussi des capteurs équipés du dispositif de mesure. Etat de la technique Dans le cadre de la mesure de contraintes notamment, qui correspond à la mesure d'une déformation et donc d'une variation de longueur, on fait souvent appel à l'utilisation d'une jauge de contrainte. Toutefois si l'utilisation de celle-ci est favorisée par l'encombrement réduit et la précision acceptable, elle entraine bon nombre de difficultés. Notamment le montage correct des jauges de contrainte exige une colle spéciale et un travail soigné. En outre, le signal produit est relativement faible. De plus, le point de rupture est facilement atteint, vu la déformabilité faible de ces jauges. I1 faut encore noter que la dégradation de la jauge entraîne généralement la dégradation totale du capteur et, de ce fait, des frais d'exploitation élevés et que les domaines d'application sont assez limités. Par le document EP-86 840 084.0 (0 207 923), on connaît un appareil pour détecter un écart physique, comportant quatre électro-aimants montés en pont de Wheatstone, dont l'un au moins a son circuit magnétique fermé, une arma ture mobile disposée à une certaine distance des extrémités du circuit magnétique ouvert étant liée à la pièce à contrôler de manière à se rapprocher dudit circuit magnétique ouvert en fonction de la valeur dudit écart physique. Ce dispositif présente bon nombre d'avantages sur les appareillages connus par l'état de la technique. Toutefois, la variation du signal obtenu n'est pas linéaire, ce qui complique l'utilisation du capteur connu dans des applications faisant appel à plusieurs capteurs mis en parallèle en vue de ltaddition des signaux obtenus. En outre, la variation ne peut se faire que dans un sens et il en résulte qu'on ne peut soustraire deux signaux obtenus par deux dispositifs différents. Buts de l'invention Le but de la présente invention consiste à fournir un dispositif de mesure d'un type nouveau. Un autre but de la présente invention consiste à fournir un dispositif de mesure du type susmentionné qui ne présente pas les inconvénients de l'état de la technique; re dispositif de mesure conforme å l'invention doit fournir un signal utile substantiellement linéaire qui présente un signe positif ou négatif selon le sens du déplacement mesuré. Selon un autre aspect, la présente invention vise à fournir des capteurs équipés du dispositif de mesure. Eléments essentiels de l'invention Conformément à la présente invention, le dispositif de mesure comporte au moins deux bobines fixes, un noyau mobile en un matériau conducteur qui peut se déplacer longitudinalement dans lesdites bobines, un multivibrateur astable comportant lesdites bobines dans une branche reliant entre eux les collecteurs des deux transistors dudit multivibrateur astable. Selon une forme d'exécution préférée, un condensateur de découplage est relié aux émetteurs des transistors du multivibrateur astable. Avantageusement, le dispositif de mesure de la présente invention comporte deux bobines fixes identiques, montées l'une a la suite de l'autre sur un même axe central. On comprendra aisément qu'un déplacement du noyau mobile par rapport à la position médiane de celui-ci dans les bobines modifie la perméabilité magnétique et, les coefficients d'induction mutuelle des deux bobines sont différents. Il en résulte un déséquilibre entre les impédances du multivibrateur astable, qui se manifeste par une tension continue apparaissant entre les émetteurs des deux transistors dudit multivibrateur astable. On peut montrer que sur une plage de déplacement déterminée, la tension continue mesurée entre les émetteurs des transistors du multivibrateur astable est une fonction linéaire du déplacement du noyau. Il est bien évident que l'amplitude du déplacement autorisé du noyau pour obtenir un signe de tension linéaire et proportionnel entre les deux émetteurs de transistor dépend des caractéristiques des bobines et du noyau. Un noyau en ferrite augmente considérablement la tension par unité de déplacement. Par ailleurs, on utilisera de préférence des bobines enroulées sur un mandrin amagnétique. Le dispositif de mesure de la présente invention est d'une très grande sensibilité et permet de détecter de très faibles déplacements, même sans amplification. Une bobine double en une seule couche sur un mandrin creux et isolant d'un diamètre intérieur de par exemple 8 mm et un noyau en ferrite permet d'obtenir, entre les émetteurs des deux transistors, une tension qui varie entre +5V et -5V pour un déplacement de l'ordre de 6 mm du noyau, de part et d'autre de la position médiane. Un déplacement de I pm produit une variation de tension d'environ 0,8 mV, sans amplification. Le nombre de spires est choisi en fonction de l'application recherchée et du déplacement à mesurer. On notera que des déplacements de 1 mm de part et d'autre de la position médiane sont en général suffisants. Il y a encore lieu de remarquer que le dispositif de mesure de la présente invention est insensible aux déplacements latéraux du noyau dans les bobines; seul le déplacement longitudinal est à prendre en compte. En outre, le dispositif de mesure de l'invention est peu sensible à l'usure étant donné que le noyau se déplace sans frottement sur l'axe des bobines. Enfin, on peut encore prévoir une résistance de regulation de température, telle que par exemple une résistance à coefficient de température positif, branchée entre les émetteurs des transistors du multivibrateur. Cette résistance permet d'équilibrer les variations de mesure qui seraient dues a des variations de température. Un circuit de traitement peut être prévu a la sortie du dispositif de mesure. Un tel traitement peut par exemple consister en une amplification, en un codage-décodage destiné à un affichage et/ou une commande d'organes agencés en aval. Le signal fourni par le dispositif de mesure étant proportionnel au déplacement et éventuellement à la force exercée, ledit dispositif de mesure peut avantageusement être utilisé dans différentes applications nécessitant la comparaison ou la sommation de plusieurs signaux provenant de dispositifs de mesure différents. Il peut notamment être utilisé pour: a) mesurer une pression dans un réservoir b) mesurer une pression dans un circuit hydraulique c) mesurer une dilatation ou déformation d) mesurer une dimension physique e) mesurer une torsion f) mesurer une charge suspendue au crochet d'un pont roulant ou simplement être installé dans la cabine d'un ascenseur ou d'un monte-charge g) installé sur une grue, combiner plusieurs éléments diffé rents tels que la charge au crochet et le moment de charge provoqué par l'inclinaison du mât h) mesurer la charge dans un silo de stockage i) alimenté directement au départ de la batterie d'un véhi cule (12 VDC) et par exemple installé sur un camion, fournir au chauffeur la valeur des indications précises sur le poids déposé dans la benne. Le dispositif de mesure de la présente invention peut avantageusement être monté dans un boîtier, éventuelle ment métallique, noyé de manière classique dans une résine, par exemple une résine époxy, ledit boîtier comportant une ouverture pour la commande du déplacement du noyau et une ouverture de passage des conduits électriques. Conformément à un autre aspect de la présente invention, le dispositif de mesure susmentionné peut être associé à un élément de déformation mécanique qui permet de transformer une force en un déplacement, notamment un déplacement linéaire et proportionnel à la force exercée. Un tel élément de déformation mécanique permet égaleme: de limiter le déplacement à une valeur déterminée qui rend le dispositif de mesure insensible aux surcharges. Brève descrirtion des fi mires L'invention sera décrite plus en détail ci-dessous à l'appui de formes d'exécution particulières données à titre d'exemple non limitatif et représentées dans les dessins dans lesquels: - la figure 1 est une représentation du dispositif de mesure conforme à l'invention; - la figure 2 représente la tension de sortie obtenue en fonction du déplacement du noyau - les figures 3 et 4 sont des schéma blocs des circuits de traitement du signal du dispositif de mesure; - la figure 5 est un exemple d'un capteur comportant le dispositif de mesure et un élément de déforma tion mécanique; et - les figures 6 et 7 sont des représentations d'exemples d'application du dispositif de mesure de l'in vention. Dans les figures, des repères de référence identiques représentent des éléments identiques ou analogues. Description détaillée de quelques formes d'exécution Le dispositif de mesure 1 conforme à la présente invention représenté à la figure 1 comporte deux bobines 3 et 5 fixes dans lesquelles peut se déplacer un noyau mobile 7; les deux bobines sont reliées entre elles sur un même axe et sont montées dans une branche 9 d'un multivibrateur astable 11, qui relie les collecteurs des deux transistors 13, 15 dudit multivibrateur astable. Les résistances d'émetteur 17 et 19 sont mises en parallèle sur des condensateurs de découplage 21, 23 et la tension à mesurer, fonction du déplacement du noyau mobile 7 est contrôlée entre les émetteurs des deux transistors.De manière classique, ledit multivibrateur comporte les capacités 25 et 27 disposées dans chacune des branches reliant la base d'un premier transistor au collecteur de l'autre transistor et les résistances de collecteur 29 et 31. Un moyen d'équilibrage 33 des deux éléments semiconducteurs peut également être prévu. Un déplacement du noyau mobile 7 déséquilibre le multivibrateur astable et la tension entre les émetteurs des transistors 17 et 19 évolue comme représenté à la figure 2. On constate que la courbe présente un tronçon linéaire pour un déplacement compris entre des limites qui dépendent des paramètres des bobines. De préférence, le noyau mobile est en ferrite et comporte une tige amagnétique, notamment en alumine; les bobines consistent en des spires enroulées en une seule couche sur un mandrin creux en matiere amagnétique. Notons encore que le dispositif de mesure peut être équipé d'une résistance 35 variable en fonction de la température. Le signal recueilli entre les émetteurs des deux transistors 13, 15 peut bien entendu être traité essentiellement par amplification et codage/décodage en vue d'un affichage ou d'une commande d'organes agencés en aval. En référence aux figures 3 et 4 relatives au cas d'application ê un limiteur de charge, le dispositif de traitement électronique comporte une alimentation 301 du dispositif de mesure 1, suivie d'un détecteur de rupture de cable 303. Le signal fourni par le dispositif de mesure 1 est envoyé dans un amplificateur différentiel 305 qui permet d'ajuster le gain du signal fourni. Par ailleurs, un amplificateur différentiel 307 est prévu pour corriger la dérive thermique du capteur comportant le dispositif de mesure.Les signaux obtenus sont comparés dans un nouvel étage amplificateur 309 qui tient également compte d'un réglage du gain 311 et d'un tarage de zéro 313. Le signal obtenu å l'amplificateur 309 est envoyé dans un amplificateur suiveur 315 qui permet d'adapter la valeur du signal i la force exercée sur le capteur équipé du dispositif de mesure, par exemple 10V de sortie pour un effort de 10 tonnes, à savoir lmV par kg. Le signal obtenu est alors transmis a un bloc de sortie 401 (figure 4) destiné i alimenter un afficheur numérique et comportant, en outre, quatre étages comparateurs 403, 405, 407 et 409 qui permettent d'enclencher des relais, respectivement 411, 413, 415 et 417 lorsque les valeurs limites préréglées sont atteintes. Le comparateur du seuil bas 409 consiste en un comparateur simple provoquant l'arrêt du mouvement de descente lors de la détection d'un mou de câble". Le comparateur du seuil intermédiaire 407 a été conditionné de façon à obliger la dépose de la charge lors d'une surcharge. C'est ce seuil qui permettra le déverrouillage de la montée lors d'un dépassement de capacité de charge. Le comparateur du premier seuil haut 405 est équipé d'une temporisation de quelques centièmes de secondes nécessaires afin de combattre les effets de charges dynamiques dans les câbles et les battements qui en résultent lors d'une prise en charge se rapprochant de la charge maximale. Enfin, le comparateur du seuil haut instantané 403 coupe immédiatement la montée en cas de surcharge dépassant la charge maximale autorisée. Le relais 413 consiste avantageusement en une temporisation qui tient compte des effets dynamiques. Ce dispositif est indispensable dans le cas d'une utilisation comme limiteur de charges sur les ponts roulants, grues, ascenseurs, ... etc. Les relais actionnent évidemment des organes de commande de la montée de la charge 419 (relais 411 et 413 pour le blocage de la montée de charge et relais 415 pour le déblocage de la montée de charge) et de la descente de charge 421 (relais 417) ainsi que des alarmes tels qu'une alarme sonore 423, éventuellement via une temporisation 425, ou une lampe & éclats 427 (relais 413 et 417). A la figure 5, on a représenté en coupe, un capteur équipé d'un élément de déformation mécanique et d'un dispositif de mesure conforme a l'invention. Le capteur représenté comporte un boîtier extérieur 521 dans lequel est disposé l'élément de déformation mécanique 501 et le dispositif de mesure de la présente invention. L'élément de déformation mécanique 501 consiste essentiellement en un élément tubulaire 503 muni de fentes 505 pratiquées dans la paroi, deux fentes étant chaque fois opposées l'une à l'autre dans un même plan transversal et au moins deux, de préférence quatre plans transversaux munis de fentes étant prévus sur la longueur de l'élément tubulaire, les fentes de deux plans successifs étant décalées de 90 l'une par rapport à l'autre. L'une des extrémités 507 de l'élément de déformation est équipée dlune bague ou bride de fixation. L'autre extrémité 509 est équipée d'un alésage fileté 511 destiné à la fixation d'un des éléments du dispositif de mesure, mobile par rapport à un autre élément rendu solidaire de l'extrémite opposée 507. L'élément de déformation est le logement d'un dispositif de mesure 527 qui se compose d'une bobine double 529 dans laquelle se déplace un noyau de ferrite 530 par exemple. Ce dernier est rendu solidaire de l'élément de déformation via le filet 511. I1 peut encore comporter, au droit de sa fixation å l'élément de déformation, un moyen de réglage mécanique 531 de la profondeur de pénétration. Le circuit électronique du dispositif de l'invention peut être disposé autour de ladite bobine 529 et être noyé dans une résine synthétique 533, le tout étant enveloppé d'un boîtier 535. Lorsqu'une force est exercée sur l'appui 537, celui-ci transmet l'effort à l'élément de déformation 501 via éventuellement un blocage mécanique 539 isolé du boîtier 521 par un joint d'étanchéité 541. Sous l'effet dudit effort, l'élément de déformation se déforme et le noyau de ferrite 530 se déplace de manière correspondante dans la bobine double 529. Le circuit électronique permet d'obtenir un signal utilisable sur un afficheur ou autre (non représenté). La figure 6 est une vue latérale et la figure 7 une vue en plan d'un limiteur de charge 601 équipé d'un dispositif de mesure conforme & la présente invention. Ledit limiteur de charge comporte une plaque de base 603 munie d'une languette libre 605 par exemple obtenue par deux entailles pratiquées dans ladite plaque de base 603, de part et d'autre de l'axe de symétrie longitudinal. Les deux extrémités 607 et 609 de ladite plaque de base 603 sont équipées d'un appui guideur 611 , 613 solidarisé à l'extrémité correspondante. En position substantiellement médiane entre les deux appuis guideurs est prévue une clame de fixation 615 du câble sur la plaque de base dont le passage 617 du câble est situé dans une position décalée par rapport aux passages 619, 621 de câble des deux appuis guideurs extrêmes 611, 613, dans un plan essentiellement perpendiculaire au plan de la plaque de base 603. Du côté de l'extrémité libre de la languette 605 et sur une face de la plaque de base 603, opposée à l'appui guideur 611, est agencé un dispositif de mesure conforme l'invention. Lorsqu'on applique une tension sur le câble, on provoque une flexion de la plaque de base 603, la languette 605 restant essentiellement linéaire.Si l'on relie une partie du dispositif de mesure par exemple les bobines fixes, i l'extrémité de la plaque de base 603 qui correspond à l'extérieur libre de la languette 605, et l'autre partie, par exemple le noyau mobile à la languette libre 605, le dispositif de mesure fournit une indication de la flexion de la plaque de base 603 et donc aussi de la traction exercée sur le câble. La force de réaction dans le câble est proportionnelle à deux fois la tangente de l'angle formé par le câble lors du passage des appuis guideurs 611, 613 a la clame de fixation 615. On en déduit qu'une diminution de cet angle, par exemple par modification de la hauteur des appuis guideurs permet de diminuer la force de réaction dans le câble. I1 est bien entendu que le dispositif de mesure et le capteur de mesure le contenant de la présente invention ne sont pas limités aux formes d'exécution décrites mais qu'il y a lieu de considérer toutes les variantes couvertes par les revendications ainsi que les équivalences de celles-ci comme étant couvertes par la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'un déplacement comportant au. moins deux bobines fixes (3, 5), un noyau mobile (7) en un matériau conducteur qui peut se déplacer longitudinalement dans lesdites bobines (3, 5), un multivibrateur astable comportant lesdites bobines (3, 5) dans une branche (9) reliant entre eux les collecteurs des deux transistors (13, 15) dudit multivibrateur astable. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un condensateur de découplage (21, 23) est relié aux émetteurs des transistors (13, 15) du multivibrateur astable. 3. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux bobines fixes (3, 5) identiques, montées l'une à la suite de l'autre sur un même axe central. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le noyau mobile (7) est en ferrite. 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le noyau (7) est commandé par une tige en alumine. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les bobines sont enroulées en sens opposés, en une seule couche, sur un mandrin creux isolant. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est équipé d'une résistance de régulation de température (35), par exemple une résistance à coefficient de température positif, branchée entre les émetteurs des deux transistors (13, 15) du multivibrateur astable. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est associé à un circuit de traitement remplissant au moins les fonctions d'amplification, de codage/décodage en vue d'un affichage et/ou de commande d'organes agencés en aval. 9. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est monté dans un boîtier, éventuellement métallique, noyé de manière classique dans une résine, par exemple une résine époxy, ledit boîtier comportant une ouverture pour la commande du déplacement du noyau et une ouverture de passage des conduits électriques. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est asso cié a un élément de déformation mécanique. 11. Capteur comportant un dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 a 9 et un élément de déformation mécanique. 12. Capteur selon la revendication 11 caractérisé en ce que l'élément de déformation mécanique consiste essentiellement en un élément tubulaire (503) muni de fentes (505) pratiquées dans la paroi, deux fentes étant chaque fois opposées l'une à l'autre dans un même plan transversal et au moins deux, de preference quatre plans transversaux munis de fentes (505) étant prévus sur la longueur de l'élément tubulaire, les fentes de deux plans successifs étant décalées de 90 l'une par rapport à l'autre. 13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12 caractérisé en ce que le dispositif de mesure est logé dans ledit élément de déformation mécanique dont l'une des extrémités (507) est équipée d'une bague ou bride de fixation et l'autre extrémité (509) est équipée d'un alésage fileté (511) pour la fixation d'une des parties du dispositif de mesure, mobile par rapport à l'autre partie (3, 5) rendue solidaire de l'extrémité opposée (507), la partie électronique dudit dispositif de mesure étant, de préférence, disposée autour des bobines (3, 5), éventuellement noyé dans une résine synthétique (533). 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte au droit de la fixation å l'élément de déformation mécanique, un moyen de réglage mécanique 531 de la profondeur de pénétration du noyau mobile (7). 15. Capteur selon la revendication 11 comportant une plaque de base (603) munie d'une languette libre (605), et équipée aux deux extrémités (607, 609) d'appuis guideurs (611, 613) ainsi que d'une clame de fixation (615) agencée en position médiane entre les deux appuis guideurs extrêmes (611, 6813), le passage de câble ( 617) de ladite clame de fixation étant décalé par rapport aux passages de câble (619, 621) des deux appuis guideurs dans un plan essentiellement perpendiculaire i la plaque de base (603), une partie dudit dispositif de mesure, par exemple les bobines fixes avec le circuit électronique étant fixée & la plaque de base (603) et l'autre partie, par exemple le noyau mobile étant relié å l'extrémité libre de la languette (605).