Brevet FR2796144A1 — publié le 20010112

L'invention proposée est un appareil, qui par un procédé statique, c'est-à-dire sans recourir à des systèmes optiques ou des repères visuels, mesure des angles, affichés numériquement, et compris théoriquement entre - 90 et +90'. Cet appareil électronique est un goniomètre statique présenté sous la forme d'un prototype expérimental à vocation pédagogique. la Figure 1 représente cet appareil dans un 1 montage, désigné sous l'appellation de Prototype PR 1. Le dispositif est constitué d'un pendule dont l'équipage mobile est équivalent à une masse cylindrique m placée sur un plan incliné (P1) d'un angle a par rapport à l'horizontale. En réalité, la masse m est répartie en 2 masses, celle des roulements m, et celle du la masse m2 qui suspendue sous le plan incliné, apporte une meilleure stabilité à l'équipage mobile. Le plan (PI), libre autour de l'axe horizontal x'x , est bloqué, par une molette non représentée, sur le montant vertical (V) du support. Le socle (S) et les éléments (P 1) et (V) sont des profilés en aluminium de 40x40 mm. Le cadran (A) gradué en degrés, sert sur ce dispositif expérimental à contrôler, avec le fil à plomb (f) la verticalité, et à vérifier la valeur de l'angle a calculé. Le pendule est relié à une jauge de contrainte ou capteur (C) , lui-même fixé sur le plan incliné (Pl). La jauge de contrainte, connectée à un système d'acquisition de mesures, placé dans le boîtier électronique (B), relève la composante T du poids P du pendule selon la direction a du plan incliné. Cette force T a pour expression : T = P sin a La détermination de l'angle a repose sur la mémorisation de la valeur de P. Cette valeur est relevée expérimentalement, lorsque le plan incliné est en position verticale , soit pour a = 0 . Il suffit ensuite, pour un angle a quelconque, de saisir la valeur de T mesurée par le capteur. On obtient alors, par le calculateur Le sinus : sin a = T / P L'angle: a = arc (sin (x) La pente p = tan a La réaction du plan : R = P cos # Ces résultats s'affichent sur l'écran digital (E) placé sur le boîtier (B) sur lequel sont également fixés les boutons de commande. La précision des mesures est ici, de l'ordre de 0,5 , et pour la plage d'angle correspondant à la meilleur sensibilité de l'appareil. Le système utilisé, mécaniquement peu performant, est susceptible d'améliorations importantes, en particulier au niveau des frottements qui peuvent d'ailleurs, être pris en compte, et faire l'objet de correction des mesures dans les instructions de programme. En conclusion, cet appareil permet par conséquent, de relever un angle mesuré dans un plan vertical, soit par rapport à une direction horizontale (ou verticale), soit par rapport à une direction donnée quelconque. Ce prototype constitue, de par ses caractéristiques, un matériel pédagogique spécifique, et ceci aussi bien dans le domaine de la mécanique physique qu'en mathématique. Le 1 projet d'application industrielle de ce système de mesureur d'angle, concerne le domaine du bâtiment et des travaux publiques. Il s'agit d'un appareil qualifié de Niveau à Pente, par sa capacité à relever un angle quelconque, et ceci par rapport à une direction donnée et qui, en particulier, donne directement la pente d'une droite. Cet appareil sera désigné sous l'appellation de : Niveau à Pente NP1 La Figure 3 en donne une vue d'ensemble. . L'appareil utilise non pas un capteur unique comme le Prototype PRI, mais 2 capteurs C 1 et C2 montés en opposition. Le tarage du système d'acquisition de données, pour une valeur choisie ao de l'angle, apporte à l'appareil 2 spécificités. D'une part, la capacité à évaluer un angle a par rapport à une direction quelconque oco , par calcul de la variation angulaire ( oc, - oco ) , correspondante aux 2 positions relevées. D'autre part, La faculté de garder à l'appareil la même sensibilité, sur toute l'étendue de l'échelle de mesure, en particulièrement au voisinage de 0 ou de 90 . En effet, il suffit comme l'indique la figure 3, de décaler le dispositif par rapport à l'horizontale d'un angle de 15 par exemple, les mesures étant réellement effectuées sur la plage optimale, soit entre 15 et 50 environ. Grâce aux instructions de calculs intégrées dans le programme de tarage, les résultats affichent le décalage angulaire par rapport à l'horizontale ou la verticale, selon le cas. Par ailleurs, la procédure d'étalonnage de l'appareil , consiste à contrôler les 2 valeurs limites de T, soit En position horizontale : T = 0 Newton et oc = 0 En position verticale : T = P Newton et a. = 90 En l'absence de repère horizontal, une procédure d'étalonnage (électronique) permettra par itération, le repérage de l'horizontale en effectuant une série de mesure au voisinage de 0 , afin de trouver la valeur minimale de T (T=0). Le contrôle de la position verticale s'effectue par des essais similaires, au voisinage de cette position qui correspondant à la valeur maximale de T. En conclusion, le niveau NPl développé sur ce principe, constitue un instrument de mesure apte à relever dans un plan vertical, un angle cc , compris entre - 90 et + 90 , et ceci par rapport à une direction initiale et une position de l'appareil quelconques. Le boîtier électronique intégrant les boutons de commande et l'écran de lecture, pourra être indépendant ou monté sur le corps de l'appareil. Cet appareil, portable, entièrement autonome , facilement mise en oeuvre, se devra d'être à la fois précis, fiable, et fidèle. Doté d'équipements classiques : niveaux de contrôle à bulle, lunette optique, systèmes de visée de type laser, il pourra ainsi répondre à d'autres domaines d'utilisation qui restent à prospecter. Une 2 dispositif expérimental de ce principe de mesure est représenté sur la Figure 2, sous le nom de Prototype PR2 Le système est formé de 2 éléments (P l) et (P2) articulés selon 2 axes de rotation orthogonaux x'x et y'y _ Leurs positions donnent les 2 angles de rotation a et P par rapport à x'x et y'y respectivement, angles qui définissent le déplacement du repère initial ou déterminent une direction. Ce montage expérimental utilise 2 capteurs, disposés selon 2 directions perpendiculaires ou faisant entre eux un angle connu. Ces capteurs sont situés dans le plan incliné (P') dans sa position finale après les 2 rotations. La masse unique m, retenue par et les 2 capteurs, est en contact avec le plan (P'), par l'intermédiaire de roulements, théoriquement sans frottement. L'analyse mathématique montre que la donnée des 3 vecteurs forces que sont le poids P et les 2 tensions partielles relevées T1 et T2 , permet de connaître les 2 angles a et P . L'appareil industriel qui dérive de ce prototype PR2 , est désigné sous le nom de Niveau à Pente NP2. la Figure 4 en donne le schéma de principe vue de dessus. Le dispositif utilise 2 couples de capteurs montés en opposition ( Ci et C2 ) et ( C3 et C4) placés à 90 dans le même plan, et reliés à une masse commune m. Ce système est théoriquement équivalent à 2 niveaux du type NP 1 qui, indépendants, seraient assemblés à 90 . Dans les 2 cas, un seul essai donne la position du plan ou la direction cherchée. On notera qu'en faisant varier l'angle y que forment entre eux les éléments (CI C2) et (C3C4) , angle qui sur la figure 4 est fixé à 90 , l'appareil peut relever un angle de rotation selon un axe quelconque. Le choix retenu du type d'appareils, dépendra des domaines d'applications qui restent à cibler, et du prix de ces matériels . REVENDICATIONS 1 - La démarche intellectuelle utilisée dans le du système d'acquisition de données, caractérisée par la prise en compte du poids P de la masse, mis en mémoire dans le programme. Notons qu'exception faite de la saisie du poids P des masses suspendues, les programmes utilisent seulement des relations mathématiques entre les différentes forces et les angles de rotations. 2 - Le prototype expérimental, dans ses versions PRl et PR2, en tant que matériel pédagogique, dispositif caractérisé par une masse pendulaire en appui sur une surface inclinable plane (ou éventuellement courbe), et suspendue à des capteurs de force ou jauges de contrainte, embarqués sur le ou les éléments mobiles autour des axes, horizontaux et orthogbnaux. Fig. 1 et 2 3 - Le décalage d'un angle donné, ici de 15 par rapport à l'horizontale du module de mesure, dans les 2 types de niveaux NP 1 et NP2 qui assure, par le tarage, des mesures optimales. Fig. 3 et 4 4 - Les positions caractérisées des capteurs en opposition, ou faisant entre eux un angle donné. Fig. 2, 3 et 4