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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION Dispositif servant-à déterminer les torsions de pièces tournantes de machines .
L'invention a pour objet un dispositif servant à déterminer les torsions de pièces tournantes de machines et elle a pour but de rendre visible sur un instrument de mesure ou un indicateur, par des moyens simples, la torsion, respecti- vement les oscillations de torsion, Suivant l'invention on at- teint ce but par lavoie électrique, en agissant de sorte que la torsion cause une variation de capacité, cette variation influençant un circuit de mesure ou circuit sensible.
Le dispositif conforme à l'invention comprend deux condensateurs variables. Une des armatures de chaque condensa- teur est commandée, sans glissement, par la pièce tournante à examiner. Les condensateurs sont tous deux reliés à un circuit
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de mesure ou circuit sensible comprenant une source de cou- rant. Tant que la disposition mutuelle des lames mobiles des condensateurs reste la morne, ce qui est le cas quand la pièce, par exemple un arbre, est en repos ou tourne sans torsion, la capacité du système composée des deux condensateurs variables peut bien dépendre de la position instantanée de l'arbre, mais elle ne peut, au plus, varier que selon une fonction périodi- que bien déterminée.
Une-torsion se manifeste par une dévia- tion de la variation normale de la capacité-pendant la rota- tion de l'arbre.
De préférence on utilise un oscillographe pour ren- dre visible cette déviation. Il est possible, au moyen de cet oscillographe, de représenter la capacité variant périodique- ment au cours de la rotation de l'arbre, au moyen d'une cour- be qui permet de déterminer facilement les déviations causées par la torsion.
La meilleure méthode est d'utiliser un oscillogra- phe à rayons cathodiques, afin de profiter de la sensibilité élevée de ce dernier et de la facilité avec laquelle il per- met une représentation graphique.
Pour mesurer l'angle de torsion d'une manière commo- de il convient d'utiliser des condensateurs tournants, dont la capacité varie linéairement avec l'angle de rotation. La va- riation de capacité mesurée, dans ce cas, est proportionnelle à l'angle de torsion à déterminer. On y parvient le plus sim- plement, en composant au moins une des armatures du condensa- teur de mesure, d'une ou de plusieurs lames semi-circulaires tournant autour du centre du cercle, ces lames ayant une dis- tance axiale constante par rapport à l'autre armature.
Suivant une autre particularité de l'invention la détermination du diagramme de torsion est considérablement facilitée en connectant en parallèle les condensateurs de mesure, en les disposant et en les dimensionnant de telle
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manière que leur capacité totale soit constante tant que la rotation de la pièce à examiner s'effectue sans torsion. A cette fin la réduction de la capacité de l'un des condensa- teurs de mesure doit correspondre à l'augmentation de la capacité de l'autre.
Dans le cas où les condensateurs sont égaux, et ont aes plaques semi-circulaires à distance axiale mutuelle constante, cet objectif est réalisé d'une manière très simple, en ajustant l'un des condensateurs à sa valeur zéro, exactement dans la position où l'autre condensateur est à sa capacité maximum. Pourtant, aussitôt que la pièce de la machine se trouvant entre les condensateurs subit une torsion, de sorte que l'un des condensateurs reste un peu en arrière par rapport à l'autre, cet état de choses se manifeste dans le diagramme mesuré, par une variation de capacité.
Afin de pouvoir travailler avec des.capacités rédui- tes, on peut se servir, comme source de courant, d'un généra- teur à haute fréquence. La tension HF qui est appliquée par 1'intermédiaire d'une impédance de réglage, aux condensateurs de mesure, peut être transmise, par l'intermédiaire d'un dis- positif détenteur, à l'oscillographe ou à un circuit de mesure ou circuit sensible d'une autre pièce.
S'il est désirable de connaître les oscillations de torsion se produisant dans une pièce de machine, la méthode à lames de condensateurs fixes est moins utilisable parce que, déjà pour une torsion constante, il se produit une variation périodique de la capacité. Dans ce cas on peut utiliser une pièce auxiliaire tournant, sans oscillation, à une vitesse de rotation qui est la même que celle de la pièce à examiner par exemple un volant, et on peut faire commander une des armatures du condensateur, sans glissement, par cette pièce auxiliaire* Dans le cas où la pièce tournante à examiner, ne présente pas de torsion, la capacité de chacun des condensateurs reste cons-
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tante pendant la rotation.
On peut mesurer la variation de capacité des deux condensateurs, et de cette manière, on peut déterminer l'angle de torsion de chacune des armatures mobiles des condensateurs. La torsion à déterminer est dérivée de la différence de' ces)deux angles de torsion.
Dans ce cas on peut aussi monter en parallèle les deux condensateurs et les disposer de telle façon qu'à une rotation sans torsion, par rapport à la partie auxiliaire, de la pièce à examiner, la capacité de l'un des condensateurs augmente d'autant que celle de l'autre condensateur est dimi- nuée. La somme de ces deux capacités ne varie que dans le cas où une torsion se produit à l'intérieur de la pièce à exa- miner. A une torsion par trop grande les petits retardements ou les accélérations de la pièce à examiner en totalité et par rapport à la pièce auxiliaire tournante, n'influencent pas la capacité, celle-ci ne dépendant que de la torsion de la pièce à examiner, de sorte que les oscillations de torsion peuvent être directement reproduites.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non-limitatif, fera bien comprendre comment l'inven- tion est réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant bien entendu partie de celle-ci.
Le dessin montre, schématiquement, des modes d'exé- cution de dispositifs suivant l'invention, et des courbes se rapportant à la variation de la capacité des condensateurs de mesure.
La figure 1 montre un schéma de montage d'un exemple d'application du dispositif suivant l'invention. Sur les fi- gures 2 et 3 la disposition des condensateurs, sur un arbre à examiner, est schématiquement représentée. Les figures 4 et 5 montrent des exemples de la forme des lames des condensateurs.
Sur les figures 6 et 7 est représentée la variation périodique de capacité occasionnée par la torsion, pour des lames de con-
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densateurs fixes, et la figure 8 se rapporte à la variation de capacité pour des lames de condensateurs fixées à une pièce auxiliaire tournante. une tension, par exemple, de 160 V 100 kEz, est produite dans un générateur d'oscillation 1 représenté sur la figure 1, La tension à haute fréquence est transmise, par l'intermédiaire d'une impédance de réglage, par exemple, d'un condensateur variable, au système composé de deux condensa- teurs 3 et 4 et de la pièce de machine à examiner.
Un dispositif détecteur, composé par exemple d'un tube redresseur 5, d'un condensateur 6, d'une résistance 7 et d'une résistance parallèle 8, est. Intercalé entre les condensateurs de mesure 3, 4 et l'une des paires de plaques, de déflection d'un oscillographe à rayons cathodiques 9, de sorte qu'il se produit, à ces plaques de déflection une ten- sion continue à grandeur variable ou, si un condensateur est prévu, une tension alternative à basse fréquence.
On peut appliquer., de la manière connué en soi, une tension de déflection linéaire et de la même fréquence que celle de rotation de la pièce de machine à examiner, à :la se- conde paire de plaques de l'oscillographe 9, ou bien on peut appliquer, à cette¯seconde paire de plaques, une tension va- riant sinusoidalenent en fonction du temps,, la fréquence de cette Variation correspondant au nombre de révolutions de la pièce de machine.
Suivant l'exemple d'application représenté sur la figure 2, deux lames de,condensateur 11 et 12 peuvent être dis- posées sur la pièce de machine à examiner,par exemple sur un arbre 10. Deux lames fixes 13 et 14 constituent l'armature op- posée des condensateurs variables 3 et 4. La disposition est telle que le condensateur 11, 13 soit au maximum de sa capacité dans la position de zéro du condensateur 12, 14 parce que les plaques 12 et 14 se trouvent à des c8tés opposés de l'arbre 10,
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les lames 11 et 13 étant dirigées l'une vers l'autre. Tant que l'arbre 10 tourne, la capacité totale des condensateurs reste la même, parce que l'une augmente d'autant que l'autre diminue.
Les lames 11 et 12 ont une forme semi-circulaire et elles sont disposées concentriquement sur l'arbre 10, comme il est montré sur la figure 4. L'armature opposée s'étend, de la manière représentée sur la figure 5, d'un côté de l'arbre
10 seulement, jusqu'à un plan traversant l'axe de l'arbre, de sorte que la capacité du condensateur est pratiquement zéro, la lame 11 respectivement 12 étant tournée en sens contraire de la lame 13 respectivement 14. La plaque 13 respectivement
14 présente à son bord une échancrure semi-circulaire 15, dans laquelle l'arbre 10 tourne, mais sans venir en contact avec la lame. Des trous 16 servent à fier les lames 13 et 14. La forme des lames de condensateurs montrée sur la figure 4 per- met d'obtenir une capacité à variation linéaire en fonction de /croit l'angle de rotation.
La capacité depuis la valeur zéro, liné- airement par rapport à l'angle de rotation, jusqu'à la valeur de 1800 de ce dernier. Ensuite, la rotation étant continuée, la capacité diminue de nouveau, linéairement, de manière à redevenir zéro à un angle de rotation de 360 . Par conséquent la courbe par laquelle la capacité est représentée en fonction de l'angle de rotation, consiste en une ligne à dents de scie, composée de parties droites ayant la même pente.
Sur la figure 6 la capacité des condensateurs 11, 13 respectivement 12, 14 est représentée, en fonction de l'angle de rotation, par les lignes à dents de scie 17 et 18. La ca- pacité totale, en l'absence de torsion, est représentée par la ligne droite 19.
Aussitôt que les lames 11 et 12 se déplacent l'une par rapport à l'autre, la capacité totale varie. Elle oseille
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entre deux valeurs dont la distance est d'autant plus grande, que l'angle de torsion est plus grand. La somme de ces deux valeurs reste.constante. La ligne à dents de scie 20 donne l'oscillation la plus forte de la capacité. Cette oscillation se produit à une torsion de 180 . Entre l'angle de torsion zéro et celui de 180 on obtient une courbe constituée par des parties trapézoïdales. Les côtés verticaux de ces parties trapézoïdales se trouvent toujours sur la ligne 20. Par con- séquent, les parties du triangle a, b, c, et du triangle b, d, e, qui sont enlevées en haut respectivement en bas, sont d'au- tant plus petites, que l'angle de torsion se rapproche de 180 .
La figure 7 montre la variation de la capacité pour une tor- sion de 2#= 45 .
La torsion de l'arbre peut être déterminée au moyen de la différence de la valeur maximum C2 et de la valeur mini- mum C1 de la capacité, ces valeurs étant lues sur l'oscillo- graphe.
Le dispositif décrit ci-dessus, à lames de condensa- teur fixes, ne se prête pas aussi bien à la reproduction d'es- cillations de torsion parce qu'il fournit, comme il est montré sur les figures 6 et 7, une capacité oscillante, aussi pour une valeur constante de la torsion, cette capacité oscillante, par conséquent, étant aussi appliquée au circuit de mesure ou circuit sensible. Pour la détermination d'oscillations de torsion il est préférable que les lames opposées des condensa- teurs variables soient commandées, sans glissement, au moyen d'une pièce auxiliaire tournant à la même vitesse de rotation que l'arbre,
Ce principe est indiqué sur la figure 3. Les lames 21 et 22, de la même manière que les lames 11 et 12 sur la fig.
2, sont fixées sur les extrémités de l'arbre 10 à examiner.
Les lames opposées 23 et 24 sont disposées sur un volant, 25 respectivement 26. Les volants 25 et 26 peuvent être reliés à
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l'arbre au moyen de couplages élastiques, représentés schéma- tiquement par 27 et 28 ; pourtantils doivent être d'une telle nature qu'ils ne puissent pas suivre les oscillations de tor- sion à mesurer.
Dans ce cas aussi il convient de disposer les con- densateurs de telle manière que, tant que la rotation de l'ar- bre par rapport aux volants s'opère sans torsion la somme des deux capacités reste constante. En outre, comme il sera encore expliqué d'une manière plus détaillée, il convient d'ajuster les deux condensateurs à la moitié de leur capacité. Tant que l'arbre 10 tourne, en totalité, sur un angle petit par rapport aux volants, la capacité ne change pas du tout. Aussitôt qu'il se produit une torsion de l'arbre 10, la capacité totale des deux condensateurs varie, mais les variations n'oscillent pas entre deux valeurs, elles restent les mêmes pour un angle de torsion constant.
Cette relation est montrée sur la figure 8. La ca- pacité du condensateur 21, 23, en fonction de la rotation re- lative, est représentée par la ligne 27, la capacité du conden- sateur 22, 24, en fonction de la rotation relative dans la mê- me direction, est représentée par la ligne 28. Il est supposé que les deux condensateurs sont.= ' égaux l'un à l'autre, qu'ils ont une capacité qui varie en fonction de l'angle de rotation, qu'ils sont.- ajustés, dans la position de zéro, à la moitié de leur capacité, et que la rotation dans une des directions exerce une influence contraire sur les capacités, de sorte que l'une des capacités augmente d'autant que l'autre diminue.
Pour une torsion sur un angle de 2#, la vitesse de rotation au milieu de l'arbre restant égale à celle des volants, la capacité, auparavant de la valeur de C3, prend celle de C4.
Les nouvelles capacités partielles sont indiquées par les)lignes 29 et 30 en traits interrompus.
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La figure montre que pour un angle de torsion de 2# une rotation de la totalité de l'arbre, (du milieu de l'ar- bre) relativement aux volants, n'exerce aucune influence sur la capacité totale, et, par conséquent, sur l'indication de l'instrument-de mesure, tant que cette rotation reste en des- sous de la valeur 90 -# par rapport à la position centrale.
Pourtant, si les condensateurs ne sont pas ajustés, dans leur position de repos, à la moitié de leur capacité, l'angle libre précité devient plus petit, d'une manière correspondante, et une rotation du milieu de l'arbre relativement aux volants causera plus facilement une variation de capacité pouvant en- trainer une erreur dans la lecture.
On a trouvé qu'à une capacité de 10 F des conden- sateurs 3 et 4, comme valeurs maximum, de bons résultats peu- vent être obtenus. Dans ce cas une torsion de 1 occasionne une variation de capacité de 0,05 F. En tenant compte des capacités des conducteurs, par exemple de 40 F, on peut calculer qu'à une tension à haute fréquence de 80V et de 100 kHz aux condensateurs de mesure, une variation de tension d'en- viron 40 mV par degré de torsion peut être,obtenue au circuit de mesure ou circuit sensible..
Dans cet exemple, les condensateurs peuvent être constitués, par deux lampas d'un rayon de la surface active se- mi-circulaire d'environ 3 cm à une distance mutuelle entre la-, mes de 0,2 cm.
Pour pouvoir travailler à une tension réduite des condensateurs de mesure, on peut les intercaler dans les bran- ches d'un montage à pont à haute fréquence. De préférence, on ne l'ajuste pas à zéro, mais on lui donne un petit déplacement par rapport au point d'équilibre, afin de pouvoir distinguer une torsion positive d'une torsion négative. n