Brevet FR2800453A1 — publié le 20010504

Extensomètre multidirectionnel d'insertion Les contraintes de rentabilité imposent de plus en plus des constructions dimensionnées avec de faibles c#fficients de sécurité et demandent une maîtrise continue des sollicitations afin d'éviter un dépassement des valeurs tolérées. La maîtrise des sollicitations passe par une mesure objective de celles-ci. Les structures portantes sont toujours dimensionnées pour rester dans le domaine élastique dans tous les cas de charge. Ce qui implicitement conduit pour les structures à des contraintes faibles même si certains composants sont dimensionnés en limite de résistance ou d'usure. Il y a donc une relation plus ou moins linéaire mais reproductible entre leurs déformations et les charge ments. Il eet rarement possible de mesurer les charges avec des capteurs de force ou couple surtout dans le cas de grandes ou très grandes structures soit à cause des coûts très élevés soit à cause des limites d'étalonnage. Il est néanmoins presque toujours possible de mesurer les déformations locales à certains endroits- bien déterminés au préalable grâce à des calculs adé quats et de déduire de leurs valeurs celles des charges ainsi que leurs positions. Le plus souvent on mesure les microdéformations des jauges de déformation ( communément appelées jauges de contraintes bien qu'elle quantifient une déformation ) collées à la surface des pièces ou structures observées. Souvent les signaux obtenus sont faibles à cause des niveaux de déforma tion réduits et souffrent dans des milieux pollués en inductions électromagnétiques à cause d'un niveau de bruit de fond relativement élevé. Cette approche, bien que souvent utilisée, présente également des risques si l'environnement est humide, pollué, sale, etc. et si l'utilisation est de grande durée (plusieurs mois ou années). En effet, d'une part un collage à froid peut être moins fiable que celui fait à chaud car la polymérisation de la colle et son détensionnement sont moins bons et d'autre part les protections sont difficiles à réaliser car l'eau a une très faible viscosité et s'infiltre par capillarité dans les plus petites irrégularités de la surface de séparation entre support et protection. Les moindres traces d'eau perturbent par leur conductibilité les me sures. Pour palier ces inconvénients des appareils de mesure nommés extensomètres ont été conçus. La plupart se fixent sur la surface et sont uniquement capables de mesures mono directionnel les. Dans certaines applications des montages en surfaces sont périclités par l'environnement et il est donc impossible des les utiliser. Les mesures en surface peuvent également être polluées par des flexions locales parasites. Pour mesurer dans l'épaisseur de la paroi, on a réalisé des appa reils réagissant à l'ovalisation d'un trou perpendiculaire à la surface et dans lequel l'appareil sont introduits. Un tel appareil développé par une société américaine utilise la variation de déformation radiale d'une membrane profilée se trouvant au milieu d'un cylindre creux, perpendiculaire à l'axe de celui-ci, et sur laquelle un pont de jauges est collé. Les zones sensibles forment une croix qui est déformée au montage en force dans le trou. Toute ovalisation du trou crée un déséquilibre du pont et donc donne un signal proportionnel à la déformation différentielle, en sens radial, des bras de la croix. Les inconvénients de cet appareil résident dans la difficulté de réaliser un montage correct car non seulement la dimension du trou mais aussi la rugosité de la paroi jouent un rôle dans la stabilité à long terme. Si les charges sont importantes, les variations locales de pression de contact produisent un tassement qui modifie la précontrainte et réduit la fiabilité des résultats. Une autre limitation est la suite du fait que la membrane étant sollicitée en compression ra diale, sa déformation est limitée par sa raideur ne permet son utilisation que dans des structures faiblement sollicitées. Dans la pratique on a constaté que ces appareils présentent également l'inconvénient d'une excessive sensibilité en température à cause des niveaux de signal réduits et des effe ' Is des dilatations différentielles du corps du dispositif et de la structure dans laquelle i l est introduit.. L'appareil, objet de cet invention, essaie d'éliminer tous les inconvénients et donne à l'utilisateur la possibilité de mesurer des déformations selon quatre axes perpendiculaires 2 à 2 à 45 entre les paires - dans le cas des 8 bras - ou au moins selon deux axes perpendiculaires si l'appareil est équipé de 4 bras seulement. Dans le premier cas, on détermine, grâce à des étalonnages, toutes les contraintes en un point et on peut donc déterminer les valeurs des contraintes principales et leur direction ou par int égration des mesures en plusieurs points de la structure les charges axiales, transversales et les couples de torsion agissant sur celle-ci. En fait grâce à plusieurs extensomètres de ce type la structure elle-même est transformée en un capteur de force et couple multi composantes. Dans le second cas, on ne peut déterminer correctement qu'une ou deux charges (en général on se limite à la charge axiale) ou un effort coupant si le dispositif est placé avec ses axes à 45 par rapport à celle de l'effort. L'appareil consiste, selon la fig. 1, en deux plaques cylindriques radialement rigides (1.1. et 1.2.) et qui portent des joints (2) étanchant sur la paroi du trou. Ces deux plaques sont reliées par au moins 4 et de préférence 8 barres (3) parallèles à l'axe du trou. Pour des raisons de fabrica tion et montage les barres sont obtenues par découpe en partant d'une pièce cylindrique et restent liées entre elles par deux bagues qui seront soudées aux plaques. En leur milieu, ces barres sont plus épaisses vers l'extérieur présentant des bossages (4) de telle manière que hors du trou le diamètre du cercle circonscrit (do) est plus grand que celui du trou (dIVI). La différence entre les diamètres do et dM est plus grande que la plus importante ovalisation possible du trou et tient compte de toutes les tolérances de fabrication afin d'assurer un contact permanent entre les bossages 4 et la paroi du trou dans tous les cas de charge et de surcharges. Les barres sus mentionnées sont donc toutes, au montage, repoussées par la paroi du trou vers l'axe de celui-ci et se déforment de la même façon ainsi que l'indique la fig. 2. On remarque que la déformation conduit sur une même barre à 2 zones de contraintes de trac tion (5) et à deux de compression (6). Ceci permet de réaliser des ponts de jauges ayant la plus grande sensibilité car toutes les jauges sont sollicitées, dans ce type de structure, avec la même variation de déformation locale mais en sens contraires. La structure étant flottante dans le trou et uniquement centrée par les joints et la raideur en flexion des barres dans le trou où elle est montée, deux barres à 180 vont se déformer de la même manière dans les limites des tolérances de fabrication. Si les jauges collées sur une barre et ayant la même polarité de variation sont reliées en série dans un bras du pont tout effet du à une rotation de la paroi du trou et transmis au bossage par lequel on a le contact est éliminé car cette rotation aura des effets égaux et de sens opposés sur les jauges d'un même bras(fig. 3 et 4). Ce montage annule également les effets d'un gradient de température dans la paroi car par rapport à la température moyenne les effets seront d'un côté en plus et de l'autre en moins. On voit l'importance d'une zone de contact entre les bossages (4) et la paroi bien définie et qui permet de suivre toujours les mouvements de celle-ci. Afin d'assurer cette stabilité, les bossages (4) présentent en leur milieu un dégagement (7) de telle façon que le contact est défini par deux zones d'extrémité éliminant toute variation possible dans un contact long. L'intérieur de l'appareil (8) est libre ce qui permet d'y introduire des conditionneurs assurant une transmission de l'information dont la qualité est maintenue haute même dans des environne ments pollués par des champs électromagnétiques importants. La sortie des signaux ainsi que "alimentation des ponts de jauges et des conditionneurs se font par un câble et un connecteur étanche (1 2) ou un presse-étoupe situé sur la plaque (1. 1). Dans cette même plaque, il y a des orifices d'accès aux conditionneurs (13) pour ajuster le zéro des ensembles pont-conditionneur après montage dans la structure. Ces orifices sont rendus étanches par des bouchons (14) et des joints (15). Les gains des conditionneurs sont fixes, ajustés en fonction des déformations maximales attendues. Pour éviter une sortie accidentelle du dispositif après montage à cause d'un phénomène de rampage peu probable mais néanmoins possible, l'extrémité (1.2) qui est introduite dans le trou porte un circlip (9) en une matériau élastique mais de faible résistance. Au montage, le circlip est poussé par le chanfrein du trou dans une gorge (10) prévue à cet égard et reprend sa forma initiale en sortant du trou. En cas de remplacement de l'appareil, il est facile de l'extraire en cisaillant le circlip par une traction exercée grâce à un dispositif fixé sur l'appareil par les filetages (11). La solution présente entre autres également l'avantage d'une grande élasticité et par conséquent d'un montage aisé car les forces d'introduction sont plus faibles même si géométriquement la déformation radiale au montage est importante. Ceci permet de réduire les tassements des zones de contact et par conséquent réduire la dérive du zéro en fonctionnemen Un autre avantage réside dans le fait que la structure de mesure travaillant en flexion on peut optimiser par la géométrie des sections des barres ainsi que par la longueur de travail leur sen- sibilité aux niveaux de déformation et obtenir en même temps une sensibilité élevée et une déformabilité adaptée aux ovalisations maximales attendues en cas de surcharges. appareils étant destinés à une utilisation de longue durée qui ne permet pas de vérifier par enlevement des charges le comportement des zones de mesure il faut néanmoins donner à l'utilisateur un moyen de faire une vérification de la chaîne afin de pouvoir valider analyses de plausibilité. En ce sens on prévoit dans chaque appareil et pour chaque pont résistance d'une telle que sont enclenchement en parallèle à un des bras du pont provoque déséquili- de celui-ci correspondant à 75 - 90 % du signal maximal attendu. Ces résistances sont en clenchées grâce à des relais commandés par un signal émis par l'unité d'acquisition centrale. bras auquel les résistances sont reliées est choisi tel que le signal et l'effet résistances sont de sens contraires afin de pouvoir faire des vérifications même sous charge sans pour au tant satureç les conditionneurs. Revendications 1 . Appareil de mesure de l'ovaiisation d'un trou cylindrique perpendiculaire à la surface d'une pla que ou coque sous les efforts exercés sur celle-ci grâce à la flexion double de barres parallèles à l'axe du trou ayant un contact avec la paroi du trou en son milieu et uniformément réparties sur la circonférence de celui-ci. 2. Appareil de mesure selon la revendication 1 consistant en deux plaques cylindriques radialement rigides (1. 1 et 1 .2 )et reliées au moins par 4 et de préférence par 8 barres (3) de même longueur et sec tion réparties uniformément sur leur contour. Les barres ont en leur milieu des bossages (4) dont l'extérieur, à l'état libre, est inscrit dans un cercle dont le diamètre (do) est plus grand que celui de la sec tion du trou (dM). 3. Appareil de mesure selon la revendications 2 caractérisée par le fait que les deux plaques d'extrémité portent des joints (2) assurant l'étanchéité de l'intérieur du dispositif par leur contact avec la paroi du trou. 4. Appareil de mesure selon les revendications 2 et 3 caractérisée par le fait que les bossages (4) situés au milieu des barres présentent un dégagement (7) en leur milieu pour assurer une assise bien définie sur la paroi du trou. 5. Appareil de mesure selon les revendications 2 à 4 caractérisée par le fait que la plaque (1.2) d'extrémité, qui passe au montage à travers le trou, est pourvue d'une gorge dans laquelle un circlip (9) réalisé en un matériau élastique mais de faible résistance au cisaillement est monté. La profondeur ra diale de la gorge étant telle que le circlip peut y entrer au montage. L'autre plaque d'extrémité (1.1) est plus large que le trou afin qu'une fois monté l'appareil soit fixé axia- lement sans pouvoir en sortir en absence d'un effort externe d'arrachement. 6. Appareil de mesure selon les revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que sur la surface inté rieure de chaque barre, on a collé 4 jauges de déformation (JI, J2,J3 et J4) dans une position telle que leur résistance soit influencée le plus possible (en théorie) par les contraintes de flexion des barres. Les jauges collées sur une barre et dans des zones subissant une déformation de même polarité sont reliées en série et constituent le bras d'un pont. Les jauges collées sur une barre vont donc donner 2 bras de pont. Les 2 autres bras du pont étant constitués par les jauges se trouvant sur la barre située à 1800 par rapport à la première. 7. Appareil de mesure selon les revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que dans le volume inté rieur on place des conditionneurs de signal (17) amplifiant les signaux des ponts et les transmettant à l'unité d'acquisition dans une forme telle que des champs magnétiques ne puissent les perturber. Cette mise en forme dépend du degré de pollution électromagnétique de l'environnement et peut être la modu lation d'un courant, celle d'une fréquence ou un protocole de transmission série. 8. Appareil de mesure selon les revendications 1 à caractérisé par le fait que dans le volume inté rieur on place, en dehors des conditionneurs, des crans calibrage contrôlés par des relais commandés à partir de l'unité centrale d'acquisition et qui permettent leur enclenchement en parallèle à une des branches du pont, même sous charge, de vérifier la continuité et la qualité de la chaîne d'acquisition.