Brevet FR2802299A1 — publié le 20010615

La présente invention concerne un capteur à fil vibrant notamment utilisé pour mesurer les déformations dans toutes sortes de structures. Le principe de base de ce type de capteur repose sur le fait que la fréquence de résonance en vibrations d'un fil tendu dépend de la tension du fil. Ainsi, en tendant un fil en fonction d'une force à mesurer, en faisant vibrer à sa fréquence de résonance ou fondamentale et en produisant un signal de mesure correspondant à cette fréquence, la force de tension du fil peut être mesurée. Toutefois, pour que la mesure de la force de tension du fil soit précise, il est impératif de mesurer la fréquence en vibration du fil dans son mode fondamental. En effet, toute distorsion harmonique oscillations harmoniques d'ordre supérieur complique la mesure tout en dégradant sa précision. On connaît notamment de la demande de brevet français no. 483 613, un capteur à fil vibrant qui comprend un fil en acier amagnétique qui est maintenu tendu entre deux bornes dont l'une isolée électriquement par rapport à l'autre. Les deux bornes sont reliées à deux têtes d'ancrage qui sont fixées à une structure et qui tendent S'écarter l'une de l'autre dans l'alignement du fil lorsque la structure soumise à des variations de force. Par ailleurs, un aimant permanent est disposé à proximité du fil et à équidistance entre les deux têtes de telle maniere que le champ magnétique qu'il développe soit perpendiculaire à l'axe du fil. On entend par structure dans la suite de la description, toutes constructions en métal, en pierres ou en béton ainsi que tous les appareillages conçus pour que la grandeur physique à mesurer produise un déplacement relatif de deux parties des appareillages sur lesquels les têtes d'ancrage du capteur sont fixées. Afin de mesurer les forces qui tendent le fil, le capteur coopère, d'une part, avec des moyens d'excitation électrique qui permettent de faire circuler un courant électrique dans ledit fil qui réagit alors avec le champ magnétique de l'aimant permanent pour produire des vibrations du fil et, d'autre part, avec des moyens de mesure pour mesurer la fréquence d'un signal de tension électrique induite dans le fil. Ainsi, avec un tel capteur, on comprend que lorsque le fil parcouru par courant électrique continu, la force exercée par champ magnétique de l'aimant situé au voisinage du milieu du fil, sera elle-même localisée au milieu du fil et donc à équidistance des têtes d'ancrage. Ainsi la mise en excitation ou en vibration du fil revient à déplacer localement le milieu du fil par l'application d'une force avant de procéder à lâcher par annulation brutale du courant circulant dans le fil. Dès lors, la force exercée par le champ magnétique sur le fil lui confère une forme en 'V' qui après lâcher, génère des oscillations harmoniques d'ordre supérieur qui compliquent de manière importante la mesure de la force de tension du fil. Ces oscillations harmoniques d'ordre supérieur sont dues au fait que le fil ne se présente pas, avant le lâcher, sous une forme sinusoïdale permettant après lâcher sa vibration en mode fondamental. Ainsi, pour des capteurs pourvus d'un fil de faible dimension de l'ordre de 10 cm de long pour un diamètre de 0,25 mm, les oscillations harmoniques d'ordre supérieur perturberont la mesure, bien que le fil ait une faible inertie, une petite amplitude de déformation et un fort amortissement pour les fréquences supérieures. A fortiori, on comprend donc que cette technique de mise en excitation ou en vibration n'est pas adaptée pour des fils de plusieurs mètres de long. En effet dès que la longueur du fil croît, sa mise en oscillation devient plus difficile à cause de l'augmentation de son amplitude de mouvement, de son inertie plus grande, d'une plus grande susceptibilité aux oscillations harmoniques d'ordre supérieur et surtout d'un faible amortissement pour ces dernières. La présente invention a pour but de résoudre de manière satisfaisante les problèmes techniques mentionnés ci-dessus, permettant la mise en vibration d'un fil dans son mode fondamental ce quelle que soit la longueur du fil, en imposant une déformation celui-ci suivant mode fondamental. Ce est atteint, conformément à l'invention, au moyen d'un capteur à fil vibrant notamment destiné à produire un signal de mesure en fonction des déformations d'une structure, comprenant un fil réalisé dans alliage métallique amagnétique conducteur de l'électricité maintenu tendu entre deux bornes dont l'une est isolée 'lectriquement par rapport à l'autre, les deux bornes étant reliées à des têtes d'ancrage destinées à être fixées à la structure tout en étant susceptibles de se déplacer l'une par rapport à l'autre dans l'alignement du fil, le capteur étant destiné à coopérer, d'une part, avec des moyens d'excitation électrique du fil permettant de faire circuler un courant électrique dans le fil réagit avec un champ magnétique pour produire des vibrations du fil et, d'autre part, avec des moyens de mesure pour mesurer la fréquence d'un signal de tension électrique induite dans le fil, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de paires d'aimants permanents identiques disposées longitudinalement sur des moyens de support situés au voisinage du fil, de telle manière que chaque paire d'aimants permanents fournisse un champ magnétique perpendiculaire au fil, la distribution en position des paires d'aimants le long du fil étant donnée par la relation où L représente la longueur du fil entre les deux bornes n représente le nombre de paires d'aimants identiques placées à l'abscisse Xn ; Xn E [0, LI n N 2 représente le nombre total de paires d'aimants disposées sur les moyens de support, N étant strictement supérieur à Selon une autre caractéristique de l'invention, moyens de support sont constitués par un tube amagnétique qui entoure coaxialement le fil et qui relie les deux têtes d'ancrage et les paires d'aimants permanents sont disposées longitudinalement sur la paroi interne dudit tube. Selon encore une autre caractéristique avantageuse de l'invention, la paroi interne du tube est pourvue d'une pluralité d'évidements destinés à loger une ou plusieurs paires d'aimants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique d'un capteur à fil vibrant conforme à l'invention, utilisé avec des moyens d'excitation et de mesure, et - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale tronquée du capteur. La figure 1 montre sous une forme schématique un capteur à fil vibrant 1 qui comprend essentiellement un fil 2 réalisé dans un alliage métallique inoxydable amagnétique et conducteur de l'électricité qui est maintenu tendu entre deux bornes 6 et 7. Les bornes 6 et 7 sont respectivement reliées à deux têtes d'ancrage 4 et 5 qui sont elles- mêmes destinées à être fixées à une structure dont on cherche à déterminer localement les déformations externes et/ou internes. La mesure d'une telle déformation revient donc à mesurer le déplacement relatif des deux têtes d'ancrage l'une par rapport à l'autre dans l'alignement du fil. Ce déplacement relatif des deux têtes d'ancrage 4 et 5 a donc pour effet de modifier la tension du fil, cette variation de la tension du fil .1. pouvant être représentée par force F qui serait par exemple appliquée sur la tête d'ancrage 4. Ainsi, sans revenir sur la théorie capteurs à fil vibrant et la loi qui régit leur fonctionnement, le principe de détermination des déformations de structure consiste en la mesure de la fréquence de vibration d'un fil dans son mode fondamental sachant que cette fréquence de vibration du fil dépend directement la tension même du fil. Pour ce faire, il est nécessaire de mettre le fil en vibration. Le capteur 1 est donc destiné à coopérer avec moyens d'excitation électrique 8 permettant de faire circuler un courant électrique dans le fil qui réagit avec un champ magnétique pour produire des vibrations du fil. Dès lors, comme on peut le voir sur la figure 1, les deux bornes 6 et 7, disposées aux extrémités du fil 2, sont reliées aux moyens d'excitation 8 qui envoient un courant électrique continu dans le fil. Afin que le courant continu d'excitation fournit par les moyens 8 passe correctement dans le fil, les bornes 6 et 7 sont isolées électriquement l'une par rapport à l'autre. L'invention se propose de créer un champ magnétique non uniforme perpendiculaire au fil, au moyen d'une pluralité de paires d'aimants permanents identiques que l'on distribue judicieusement le long du fil de manière à lui imposer une déformation sinusoïdale avec des noeuds à ses'extrémités, cette déformation sinusoïdale permettant, après l'annulation du courant d'excitation, une vibration dudit fil 2 dans son mode fondamental. Le signal de tension électrique induite résultant dans le fil qui est dû au mouvement de celui dans le champ magnétique non uniforme permanent, se trouve alors expurgé de ses harmoniques. Partant de ce constat, l'équation générale du mouvement d'un fil en vibration lorsqu'il est soumis à une déformation imposée, suivie d'un lâcher et lorsque son amplitude de vibration est faible, s'écrit : où - f (X, t) est la force normale ou perpendiculaire appliquée en un point du fil au temps t, et à l'abscisse X; - v (X, t) est la fonction décrivant le déplacement du meme point d'abscisse X en fonction du temps t; - p est la masse linéique du fil; et - T est la tension du fil. Dès lors, dans le cas d'une déformation sinusoïdale fil imposée avant lâcher, l'équation (1) devient indépendante du temps et se réduit à l'expression - Sachant qu'alors la fonction v (X) qui représente la déformation est sinusoïdale et qu'elle est assimilable à la position d'élongation maximale que peut atteindre le fil 2 en vibration; clest ' dire la position pour laquelle la vitesse du fil 2 de longueur L est nulle, la résolution de l'expression (2) conduit à une fonction v (X) de forme : où L représente la longueur du fil entre les deux bornes 6 et 7# valeurs de X pouvant varier de 0 à L. Ainsi, si le fil est parcouru par un courant électrique continu, la force exercée en tout point du fil par la présence d'un champ magnétique résulte de la loi de Laplace. Il s'ensuit donc que pour obtenir une déformation sinusoïdale du fil avec des noeuds à ses extrémités, le champ magnétique devra être fonction de X et de la forme : avec une valeur maximale Bo du champ magnétique à appliquer au point du fil, ce qui correspond au milieu du fil. Dès lors si l'on dispose une pluralité de paires d'aimants permanents identiques, au nombre de N2, au voisinage du fil, de telle manière que chaque paire d'aimant permanent fournisse un champ magnétique perpendiculaire au fil, la distribution en position des paires d'aimants le long du fil est donnée par la relation : où - L représente la longueur du fil entre les deux bornes 6 et 7 - n représente le nombre de paires d'aimants identiques placées à l'abscisse Xn; Xn pouvant prendre toutes les valeurs entre 0 et L n 2,..., N- 1, N N2 représente le nombre total de paires d'aimants disposes le long du fil 2; N étant strictement supérieure à 1. Avantageusement, les paires d'aimants permanents identiques 2 AI qui seront toujours au nombre de N # sont disposées, comme on peut le voir sur la figure 1, sur la paroi interne d'un tube amagnétique 3 qui relie les deux têtes d'ancrage 4 et 5. Le tube 3 entoure coaxialement le fil 2 et les liaisons entre ce tube et les têtes d'ancrage 4 et 5 sont étanches. Les différents éléments du capteur à fil vibrant 1 seront décrits plus en détail dans la suite de la description en se référant à la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure 1, le tube 3 est pourvu sur sa paroi interne de quatre paires d'aimants permanents identiques Ap A,, A3et A 4 4* Ces quatre paires d'aimants permanents sont disposées de telle manière que les aimants élémentaires respectifs AIA, A,]B; ... ; A4A, A,,3 qui forment chaque paire d'aimants AI; ... ; A, développent un champ magnétique perpendiculaire au fil '.) afin que ce dernier puisse se déformer suivant un plan passant par le fil 2 tout en étant perpendiculaire au champ magnétique. Ainsi, si l'on dispose d'un fil 2 de un mètre de longueur et de quatre paires d'aimants permanents AI, A2, A3, A4, la distribution en position des paires d'aimants le long du fil pour que ce dernier soit déformé dans son mode fondamental, est donnée par la relation : Il suffit donc de rechercher les valeurs de X qui correspondent aux groupements de n et n 2 paires d'aimants, lesquelles valeurs de X sont données par les équations suivantes : Ainsi, pour un fil de un mètre de long nous obtenons, la distribution en position suivante : pour n paire d'aimants XI 0,166 m et XI 0,834 m pour n 2 paires d'aimants X2 M M Suivant un autre exemple, si l'on dispose d'un fil de quatre mètres de long que l'on souhaite disposer 16 paires d'aimants permanents identiques sur la paroi interne du tube 3, la distribution en position des paires d'aimants identiques le long du fil est donnée par la relation suivante : Il suffit alors de rechercher les valeurs de X qui correspondent aux groupements de n 4, 3, .1, et 1 paire d'aimants, ce quidonne: pour paire d'aimant XI 0,31-1 m et XI m n 2 paires d'aimants X2 m et X2 3,334 m n paires d'aimants X3 m et X3 m et n 4 paires d'aimants X4 2 m. Ainsi, si les moyens d'excitation électrique 8, reliés aux bornes 6 et 7, fournissent une impulsion de courant continu suffisamment longue pour permettre au fil d'atteindre position d'élongation maximale correspondant à ce courant et donc dépasser la partie transitoire qui l'accompagne, on obtient une déformation du fil dans mode fondamental. Dès lors, après l'annulation brutale du courant continu, le fil vibre dans son mode fondamental dans le champ magnétique non uniforme développé par les paires d'aimants permanents identiques. Cette mise en vibration du fil dans son mode fondamental génère alors dans celui-ci un signal de tension électrique induite correspondant au mode fondamental de vibration expurge de toute oscillation harmonique d'ordre supérieur. Afin de traiter le signal de tension électrique induite générée dans fil, les bornes 6 et 7 sont reliées à des moyens de mesure 9 qui peuvent être notamment constitués par un fréquencemètre. Ces moyens de mesure 9 ainsi que les moyens d'excitation électrique 8 ne faisant pas l'objet de cette invention, ils ne sont pas décrits plus en détail dans la suite de la description. La figure 2 représente une vue en coupe longitudinale tronquée du capteur 1 à fil vibrant conforme à l'invention. Les têtes d'ancrage 4 et 5 dans lesquelles sont disposées les bornes et 7, sont pourvues sur leur surface externe d'orifices 41 et 51 susceptibles de recevoir, par exemple, des boulons afin de les fixer sur la surface externe d'une structure. Toutefois, les têtes d'ancrage 4 et 5 peuvent également être directement noyées dans la structure dans le cas où l'on souhaite procéder à des mesures de déformations internes de la structure. Comme on peut le voir sur la figure 2, les extrémités du tube 3 sont disposées dans des logements 42 et 51. réalisés sur les faces en regard , têtes d'ancrage 4 et 5. Les portions d'extrémités du tube 3 sont montées coulissantes de façon étanche dans ces logements 42 et 52 afin d'éviter toute infiltration de liquide qui serait susceptible de fausser les mesures. Par ailleurs, des moyens d'étanchéité 14 se présentant par exemple sous la forme de joints, sont disposés entre les extrémités du tube 3 et fond des logements 42 et 52 des têtes d'ancrage et 5. Conformément à l'invention, la paroi interne 31 tube 3 est pourvue d'une pluralité d'évidements 33 destinés à loger une ou plusieurs paires d'aimants. Dans l'exemple donné sur la figure 2, ces évidements 33 sont réalisés pour recevoir soit une paire d'aimants AI dont les deux aimants élémentaire AlA et A,13 développent un champ magnétique perpendiculaire au fil, soit deux paires d'aimants A2 A3 qui développent un champ magnétique dont les effets seront deux fois plus importants que ceux du champ magnétique de la paire d'aimant AI tout en étant également perpendiculaire au fil 21. Bien entendu, on comprend que suivant le nombre totale N2 de paires d'aimants à disposer sur la paroi interne 31 du tube 3, un évidement pourra contenir jusqu'à N paires d'aimants. borne 6, réalisée en acier inoxydable, comprend une surface externe 61 de forme conique qui est destinée à venir en contact avec une surface interne de forme complémentaire de la tête d'ancrage 4. Cette borne 6 comprend en outre un conduit interne 62 qui s'étend depuis sa face latérale disposée en regard du tube 3 jusqu'à un alésage 64 qui débouche à son tour sur l'autre face latérale la plus éloignée du tube 3. tête d'ancrage 4 comprend quant à elle un alésage taraudé qui coopère avec le filetage externe d'une molette 10B. De manière similaire, la borne 7, réalisée en acier inoxydable, comprend une surface externe 71 de forme conique et un conduit interne 72 qui s'étend depuis sa face latérale disposée en regard du tube 3 jusqu'à un alésage 74 qui débouche à son tour sur l'autre face latérale la plus éloignée du tube. I-a tête d'ancrage 5 comprend en outre un manchon 12 dont la paroi interne a une forme conique complémentaire à la surface externe 71 conique de la borne 7 et des moyens d'isolation électrique 13 permettant d'isoler électriquement la borne 7 de la tête d'ancrage 5 et donc du tube 3. La tête d'ancrage 5 comprend également un alésage taraudé qui coopère avec le filetage externe d'une molette 10A. Afin que la borne 7 soit isolée électriquement de la molette IOA, cette dernière est réalisée dans un matériau non conducteur de l'électricité, par exemple, du polytétrafluoroéthylène (PTFE). Us bornes 6 et 7 ainsi que têtes d'ancrage 4 et 5 étant réalisées en acier inoxydable, on prévoit également de réaliser quatre fentes perpendiculaires entre elles sur chacune des portions d'extrémité en regard des bornes 6 et 7, ces fentes s'étendant radialement de la surface externe conique des bornes jusqu leur conduit interne afin de faciliter leur compression et d'assurer ainsi un pincement parfait des portions d'extrémité du fil 2. Ainsi, lorsque l'on introduit portion d'extrémité du fil 2 dans le conduit interne 62 de la borne il suffit alors de visser la molette 10B afin de créer un serrage cône cône entre les surfaces de forme complémentaire de la borne 6 et la tête d'ancrage 4 ce qui a pour effet d'écraser le conduit interne 62 la portion d'extrémité du fil 2 et d'assurer ainsi sa fixation par rapport à tête d'ancrage 4. Une portion d'extrémité du fil 2 étant déjà fixée sur la borne 6, il suffit alors de tendre le fil à la tension voulue par son autre extrémité, et de venir ensuite visser la molette 10A afin d'écraser le conduit interne 72 sur le fil 2 et d'assurer ainsi sa fixation par rapport à la tête d'ancrage 5. Bien entendu, la portion d'extrémité du fil 2 qui débouche de l'alésage 74 pourra être coupée par tout moyen approprié. A cet effet, la molette 10A est pourvue d'une ouverture centrale autorisant l'accès à l'alésage 74 de la borne 7. Les extrémités des têtes d'ancrage 4 et 5 les plus éloignées du tube 3 sont également pourvues de capuchons d'étanchéité 11B et IIA afin d'éviter toute infiltration de liquide pouvant entraver la précision des mesures et exposer les différents composants du capteur à la corrosion. Le capuchon d'étanchéité 1 1A de la tête d'ancrage 5 est également pourvu d'une ouverture centrale afin de connecter l'extrémité du fil 2 aux moyens d'excitation électrique 8. Cette ouverture centrale sera, bien entendu, rendue étanche, et le courant d'excitation pourra alors convenablement passer par le fil 2, par la borne 6, par la tête d'ancrage 4 puis revenir vers la tête d'ancrage 5 par l'intermédiaire du tube 3. On comprend également que le fil 2 qui peut être réalisé dans un alliage cuivre-béryllium doit posséder grande résistance à la traction et ses coefficients de dilatation et contraction doivent être étroitement adaptés à ceux de la structure à laquelle le capteur est appelé à être fixé, sinon il faudra que les moyens de mesure connus qui calculent la variation de longueur de la corde en fonction de la variation de sa fréquence propre, introduisent une correction en fonction du coefficient de dilatation/contraction différentiel entre la structure et la corde, et de la température de la corde au moment de la mesure. REVENDICATIONS 1. Capteur à fil vibrant notamment destiné à produire un signal de mesure en fonction des déformations d'une structure, comprenant fil (2) réalisé dans un alliage métallique magnétique conducteur l'électricité maintenu tendu entre deux bornes (6, 7) dont l'une est isolée électriquement par rapport à l'autre, les deux bornes (6, 7) étant reliées à des têtes d'ancrage (4, 5) destinées à être fixées à la structure tout en étant susceptibles de se déplacer l'une par rapport à l'autre dans l'alignement du fil (2), le capteur (1) étant destiné à coopérer, d'une part, avec des moyens d'excitation électrique (8) du fil (2) permettant de faire circuler un courant électrique dans le fil qui réagit avec champ magnétique pour produire des vibrations du fil et, d'autre part, avec des moyens de mesure (9) pour mesurer la fréquence d'un signal de tension électrique induite dans le fil, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de paires d'aimants permanents identiques (Ai) disposées longitudinalement sur des moyens support situés au voisinage du fil (2), telle manière que chaque paire d'aimants permanents fournisse un champ magnétique perpendiculaire au fil, la distribution en position des paires d'aimants le long du fil étant donnée par la relation où L représente la longueur du fil entre les deux bornes (6, 7) n représente le nombre de paires d'aimants identiques placées à l'abscisse ; Xn P- [0, L] n N2 représente le nombre total de paires d'aimants disposées sur les moyens de support, N étant strictement supérieur , 1. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérise en ce que les moyens de support sont constitués par un tube amagnétique (3) qui entoure coaxialement le fil (2) et qui relie les deux têtes d'ancrage (4, 5) et en ce que les paires d'aimants permanents sont disposées longitudinalement sur la paroi interne (31) dudit tube (3). 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi interne ( ) du tube (3) est pourvue d'une pluralité d'évidements (33) destinés à loger une ou plusieurs paires d'aimants. 4. Capteur selon l'une ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisé en que les portions d'extrémités du tube sont montées coulissantes façon étanche dans des logements (42, 52) réalisés sur les têtes d'ancrage (4, 5). 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend outre des moyens d'étanchéité (14) disposés entre les extrémités tube (3) et le fond des logements (42, 52) têtes d'ancrage (4, 5). 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fil (2) est réalisé dans alliage cuivre-béryllium.