Brevet FR2722565A1 — publié le 19960119

"Dispositif de mesure des variations de longueur d'éprouvettes sous chargement mécanique ou thermomécanique" DESCRIPTION Domaine technique La présente invention conceme un dispositif de mesure des variations de longueur d'éprouvettes sous chargement mécanique ou thermomécanique. Etat de la technique antérieure Dans un laboratoire de mécanique, de nombreux types d'essais sont réalisés. Pour chaque essai, il s'agit d'imposer une sollicitation mécanique spécifique à des échantillons à une température déterminée. Les réponses que l'on mesure sont soit des efforts, soit des changements de géométrie de ces éprouvettes. Pour le problème que se propose de résoudre l'invention, c'est le second type de réponse qui doit être déterminé. Par exemple, pour des essais de traction, il faut déterminer l'allongement suivant l'axe de sollicitation mais aussi les variations géométriques de la section perpendiculaire à cet axe. Dans le commerce, il est possible d'acheter des extensomètres pour mesurer les variations géométriques des éprouvettes. Cependant, ces extensomètres sont difficilement adaptables à plusieurs types de géométrie d'éprouvettes tant en longueur initiale et en course de mesure qu'en encombrement disponible autour de l'éprouvette. En effet, la fonction de mesure et de maintien de l'extensomètre sur l'éprouvette sont déconnectées ce qui, du point de vue de l'encombrement, est très pénalisant. II existe également des jauges d'extensométrie qui sont des résistances collées rendues solidaires de la surface de l'éprouvette par collage. Ainsi, lorsqu'elles se déforment (de la même manière que l'éprouvette), leur impédance varie ce qui permet de mesurer la déformation à cet endroit de l'éprouvette. Néanmoins leur mise en oeuvre s'avère assez difficile. En effet, il faut équiper chaque éprouvette de ces jauges qui sont détruites après essai. En outre, elles ne permettent de mesurer que des faibles déformations (inférieures à 20 %). L'invention a pour objet un appareil de mesure, simple d'utilisation et très modulaire, de façon qu'il soit possible de l'adapter facilement à différents types d'éprouvette pour pouvoir en mesurer les variations géométriques au cours de l'essai mécanique. ExPosé de l'invention La présente invention propose un dispositif de mesure des variations de longueur d'une éprouvette sous chargement mécanique ou thermomécanique, caractérisé en ce qu'il comporte un anneau ouvert déformable élastiquement, équipé d'un pont de jauges d'extensométrie fixées, au moins en partie, sur l'anneau et connectées de manière à engendrer un signal fonction linéaire de la distance entre les extrémités de l'ouverture de l'anneau. Avantageusement ce dispositif comporte également deux couteaux solidaires des extrémités de l'anneau ouvert et s'appuyant sur les points de l'éprouvette dont on cherche à mesurer le déplacement relatif L'anneau est équipé, au milieu de sa partie courbe, de quatre jauges d'extensométrie disposées longitudinalement par rapport à sa développée, deux jauges étant fixées sur l'extrados et les deux autres jauges sur l'intrados, ces quatre jauges étant montées en pont de Wheatstone et soumises à la flexion. Ces jauges sont fixées sur l'anneau par exemple par collage assuré par une colle de type Epoxy. Dans un mode de réalisation avantageux, la fixation de ces couteaux sur l'anneau est assurée par un système vis écrou qui est placé dans un trou oblong de chaque couteau afin de pouvoir régler l'écartement entre les couteaux suivant la longueur initiale de la partie à mesurer de l'éprouvette. Dans un premier exemple de réalisation, pour une éprouvette plate, on a un couteau qui présente une portion de plan et un autre couteau qui présente une pointe. Dans un second exemple de réalisation, pour une éprouvette cylindrique, on a deux couteaux ayant une forme biseautée sur une portion concave d'arc de cercle. Avantageusement deux vis de réglage sont disposées sur la partie de chaque couteau en contact avec l'anneau de maniére à rattraper l'angle dû à la déformation de l'anneau en position initiale. Dans un mode de réalisation avantageux le dispositif de l'invention comporte deux tiges d'amplification permettant d'obtenir une course plus grande ; ces tiges d'amplification pouvant être des rallonges en céramique. Au lieu de couteaux, le dispositif de l'invention peut utiliser un fil métallique destiné à être enroulé sur une éprouvette pour mesurer son périmètre. Dans un autre exemple de réalisation, le contact entre une éprouvette, dont on veut mesurer l'ouverture, et les couteaux est assuré par deux rallonges en céramique afin de maintenir l'isolation électrique de l'éprouvette vis-à-vis de l'extérieur. Avantageusement l'anneau est composé par un acier à hautes caractéristiques mécaniques. Brève description des dessins - La figure 1 illustre le dispositif de l'invention; - la figure 2 représente une courbe d'étalonnage du dispositif de l'invention entre la variation de longueur et la variation de tension; - les figures 3 à 4 illustrent différents types de couteaux pouvant être utilisés dans le dispositif de l'invention; - les figures 5 à 7 illustrent différents exemples d'application du dispositif de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation Comme représenté sur la figure 1, le dispositif de mesure de l'invention comprend un anneau ouvert 10 déformable élastiquement. Le principe de fonctionnement de ce type de dispositif repose sur une mesure de variation de longueur. Cet anneau est composé par exemple par un acier à hautes caractéristiques mécaniques et ce, même à hautes températures. Comme le montre la figure 1, au milieu de sa partie courbe, cet anneau est équipé de quatre jauges d'extensométrie 11, 12, 13, 14 disposées longitudinalement par rapport à sa développée. Deux jauges 11 et 12 sont, par exemple, collées sur l'intrados et les deux autres jauges 13 et 14 sur l'extrados. Ces quatre jauges sont collées en pont de Wheatstone soumises à la flexion. Le collage de ces jauges est assuré par exemple par une colle de type Epoxy qui tient de -270 à +260"C. Grâce à cet anneau, il est possible de mesurer, avec une grande précision, des variations importantes de distance entre deux points A et B extrémités de l'ouverture de l'anneau. En effet, cet anneau, en se déformant élastiquement, transforme de manière linéaire des variations importantes de distance entre les deux points A et B en de faibles déformations aux niveaux où sont collées les jauges. Ces jauges d'extensométrie sont couramment utilisés pour déterminer, avec une grande précision, des déformations géométriques de composants: Le signal sortant de ces jauges est envoyé dans un conditionneur de l'art connu (par exemple celui fabriqué par les Sociétés HBM ou WICHAY MICROMESURE) qui donne directement les valeurs en microdéformation. Néanmoins, comme on l'a remarqué précédemment, elles ne permettent de mesurer que des faibles déformations (inférieures à 20 9/0). Les jauges sont étalonnées afin de connaître le gain d'amplificateur pour lequel un écartement relatif entre les points A et B de X mm correspond à un signal de sortie de U volt et de vérifier si la réponse est linéaire. Un exemple de courbe d'étalonnage est donné par la figure 2. Pour un millimètre de déplacement, on a une vanation de la tension V de 5 V. Comme la précision de la lecture du signal est de 0.01 V, on peut estimer que la précision sur la mesure du déplacement aL est de 2cil. En outre, la course de l'extensomètre est importante: de l'ordre de +3 mm. Si on désire une course encore plus grande, il suffit de rajouter des tiges d'amplification. Disposant de ce pnncipe de mesure, il suffit alors de reporter les variations géométnques des éprouvettes que l'on veut déterminer au niveau des deux points A et B. Afin de faire l'interfaçage entre l'éprouvette et l'anneau, on a développé des couteaux 17, 18. Bien que ces couteaux soient spécifiques à chaque type d'éprouvette, on peut néanmoins en dégager les fonctions essentielles. La fixation de ces couteaux sur l'anneau peut être assurée par un système vis écrou qui est placé dans le trou oblong 19, 20 de chaque couteau comme représenté sur la figure 1, et ce afin de pouvoir régler I'écartement entre les couteaux suivant la longueur initiale de la partie à mesurer de l'éprouvette. Le contact entre le couteau et l'éprouvette est fonction de la nature géométrique de la surface de contact de l'éprouvette. Sur les figures 3 et 4, on peut voir deux exemples de réalisation - pour une éprouvette plate 21, on a un couteau 25 avec une portion de plan et un couteau 26 avec une pointe; - pour une éprouvette cylindrique 22, les deux couteaux 27 et 28 ont une forme biseautée sur une portion concave d'arc de cercle. En outre, sur la partie en contact avec l'anneau, on peut disposer deux vis de réglage 30 et 31 dont le rôle est de rattraper l'angle a, comme cela apparaît sur la figure 5, cet angle a étant dû à la déformation de l'anneau en position initiale de l'essai et ce, afin que la mesure se fasse effectivement dans la direction du déplacement. On va, à présent, considérer quelques applications possibles de ce système de mesure. Ces exemples ont tous été utilisés et donc ont parfaitement opérationnels. La figure 4 montre une configuration pour laquelle le système permet de mesurer les déformations radiales d'une éprouvette cylindrique 22. Avec cet extensométre et des jauges adéquates, il a été possible d'équiper des éprouvettes pour des essais réalisés à la température de -196 C. Comme représenté sur la figure 3, pour mesurer les deux variations diamétrales d'une éprouvette de section carrée, la fixation de cet extensomètre sur l'éprouvette est assurée par deux couteaux, un couteau plat et une pointe, dont la position sur l'anneau est réglable. Le couteau plat permet un bon maintien de l'extensomètre sur l'éprouvette et la pointe assure un contact unique entre les couteaux et l'échantillon pour la précision de la mesure. La géométrie des couteaux permet d'emboîter deux extensomètres pour permettre la mesure des déformations dans les deux sens diamétraux sur une même section de l'éprouvette, comme cela apparaît sur la figure 5. La figure 6 montre un extensomètre équipé, non pas de couteaux, mais de tiges 30 et 31 sur lesquelles est fixé un fil de tungstène 32 qui est enroulé autour de la section de l'éprouvette. Ainsi, durant l'essai, les valeurs mesurées correspondent aux variations du périmètre de la section utile de I'éprouvette. Il est à noter que les tiges 30 et 31 fixées sur l'anneau permettent d'augmenter la plage de mesure de l'extensomètre: on peut également augmenter la taille de l'anneau. L'extensomètre de la figure 7 permet de mesurer l'ouverture d'une éprouvette type CT (compact tension) 35. Il est à noter que le contact entre l'éprouvette et les couteaux est assuré par deux rallonges 36 et 37 en céramique afin de maintenir l'isolation électrique de l'éprouvette vis-a-vis de l'extérieur. A partir de la description du fonctionnement et des exemples d'application, il apparait que cet extensomètre présente les points forts suivants: - sa mise en oeuvre est très simple et donc rapide puisque c'est un système rustique qui ne nécessite pas de précautions particulières; - ce système peut s'adapter très facilement aux conditions géométriques requises pour un essai donné - il est à noter que l'anneau assure à la fois la fonction de mesure et celle de maintien de l'extensomètre sur l'éprouvette sauf dans le cas où on utilise un fil; - cet extensomètre permet de mesurer des courses importantes avec une grande précision - on peut faire des mesures à la température de -196 C très facilement puisque l'ensemble du dispositif peut être plongé dans la cuve remplie d'azote liquide; - le prix de fabncation de cet extensomètre est faible étant donné les éléments qui le composent. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure des variations de longueur d'une éprouvette sous chargement mécanique ou thermomécanique, caractérisé en ce qu'il comporte un anneau ouvert (10) déformable élastiquement, équipé d'un pont de jauges d'extensométrie (11, 12, 13, 14) fixées, au moins en partie, sur l'anneau et connectées de manière à engendrer un signal fonction linéaire de la distance entre les extrémités (A, B) de l'ouverture de l'anneau. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également deux couteaux (17, 18) solidaires des extrémités de l'anneau ouvert et s'appuyant sur les points de l'éprouvette dont on cherche à mesurer le déplacement relatif. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau est équipé au milieu de sa partie courbe, de quatre jauges d'extensométrie (11, 12, 13, 14) disposées longitudinalement par rapport à sa développée, deux jauges (13, 14) étant fixées sur I 'extrados et les deux autres jauges (11, 12) sur l'intrados, ces quatre jauges étant montées en pont de Wheatstone et soumises à la flexion. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces jauges sont fixées sur l'anneau par collage. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce collage est assuré par une colle de type Epoxy. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fixation de ces couteaux sur l'anneau est assurée par un système vis écrou qui est placé dans un trou oblong (19, 20) de chaque couteau (17, 18) afin de pouvoir régler l'écartement entre les couteaux suivant la longueur initiale de la partie à mesurer de l'éprouvette. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour une éprouvette plate (21) on a un couteau (25) qui présente une portion de plan et un autre couteau (26) qui présente une pointe. 8. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour une éprouvette cylindrique (22), on a deux couteaux (27, 28) ayant une forme biseautée sur une portion concave d'arc de cercie. 9. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux vis de réglage (30, 31) sont disposées sur la partie de chaque couteau en contact avec l'anneau de manière à rattraper l'angle (a) dû à la déformation de l'anneau en position initiale. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux tiges d'amplification (30, 31) permettant d'obtenir une course plus grande. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ces tiges d'amplification sont des rallonges en céramique. 12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un fil métallique (32) destiné à être enroulé sur une éprouvette pour mesurer son périmètre. 13. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le contact entre l'éprouvette (35), dont on veut mesurer l'ouverture, et les couteaux est assuré par deux rallonges (36, 37) en céramique afin de maintenir l'isolation électrique de l'éprouvette vis-à-vis de l'extérieur. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau est composé par un acier à hautes caractéristiques mécaniques.