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Appareil pour la mesure des impédances électriques.
Selon des,méthodes connues les impédances électriques sont généralement mesurées.dans un pont de mesure ou autre circuit pareil, par exemple un compensateur. Le pont (2, fige 1) est alimenté d'une tension V1 de fréquence f, livrée par un générateur de tension alternative (1) entre deux coins opposés 3 et 4 du pont. La tension V2, dite la ten- sion d'indicateur entre les deux autres coins 5 et 6 est indiquée par un instrument 2. Une ou plusieurs des impé- dances Z1, Z, Z3 et Z4 sont variables. On compense le pont avec ses éléments variables jusqu'à ce que la tension V2 soit devenue zéro.
L'impédance inconnue Z1 peut alors se calculer de la formule:
EMI1.1
Z2Z Zl = -z2z Z4
Quand il s'agit de mesurer ou contrôler un grand nom- bre d'impédances similaires, il est souvent considéré su- perflu ou trop compliqué de compenser le pont de mesure @ pour chaque spécimen.
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Dans ce cas, on ne compense le pont que pour une des impédances, dite normale, et pour les autres on lit l'indi- cation de l'instrument 2. Si les différences entre les spe- cimens sont faibles, c.a.d. que, V2 est beaucoup plus petit que Vl, l'indication de l'instrument 2 est presque propor- tionelle à la différence entre l'impédance mesurée et l'im- pédance normale.
La différence entre les impédances est un vecteur, ayant magnitude et angle de phase. L'indication d'un instrument ne peut donc le déterminer complètement. Ordinairement, l'instrument indique la magnitude de la tension, ce qui laisse déterminer la magnitude de la différence d'impédance, pendant que la phase reste indéterminée. Pour connaître aussi la phase il faut compenser le pont ou déterminer la différence de phase, les tensions V2 et V1, par exemple avec un° oscillographe.
Souvent les différences d'impédance à mesurer sont très petites et la sensibilité de l'appareil doit être grande.La limite de sensibilité n'est pas fixée par la sensibilité de l'instrument 2, laquelle est facilement augmentée, si la tension V2 est d'abord amplifiée d'un amplificateur, mais par les tensions de bruit amplifiées en même temps. La ma- gnitude de ces tensions est la limite de l'exactitude at- teignable en mesurant la tension V2. Les tensions de bruit comprennent les harmoniques de la fréquence f du mesurage, des tensions de la fréquence du courant alternatif, provenant des machines et appareils électriques, situées à proximité ou de la tension continue incomplètement filtrée des tubes électroniques, et des tensions apériodiques provenant du bruit des circuits des tubes.
Pour diminuer la magnitude de ces tensions de bruit il faut prendre des mesures, qui com- pliquent l'appareil et le rendent assez coûteux. Le généra- teur doit donc donner une tension sinusoïdale pure et d'une
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fréquence stable, les éléments de l'appareil doivent être bien protégés contre les tensions parasites rayonnantes et l'appareil construit de manière que le bruit apériodique devienne aussi faible que possible. Souvent l'amplificateur de l'instrument 2 est rendu sélectif pour la fréquence f, ce qui diminue la sensibilité aux tensions parasites.
La présente invention se réfère à une construction sim- ple et insensible aux bruits parasites pour mesurer des im- pédances et surtout des changements d'impédance avec grande sensibilité: L'invention consiste en un pont de mesure ou autre circuit à mesurer dès impédances, qui contient des éléments d'impédances variables avec lesquels le pont ou le circuit peut être oompensé, c'est-à-dire le réglage à zéro d'une tension d'indicateur, mesurée entre deux bornes de sortie quand le pont etc. est alimenté d'une tension d'un générateur entre deux autres bornes d'entrée, et d'un ampli- ficateur et est caractérisée en ce que les bornes d'entrée de l'amplificateur sont raccordées aux bornes de sortie du pont etc.
et que les bornes de sortie de l'amplificateur sont raccordées aux bornes d'entrée du pont, de manière que des oscillations se produisent dont l'amplitude et/ou la fréquence sont mesurées en un point convenable de l'appareil, par exemple aux bornes de sortie de l'amplificateur*
L'invention sera décrite plus en détails ci-dessous, avec référence aux figures.
Les figures 1 et 2 montrent des diagrammes de circuits schématiques du principe de l'invention.
La figure 3 est une figure, montrant la magnitude des oscillations en fonction du déséquilibre Ó.
La figure 4 est un diagramme de vecteur des tensions du pont.
La figure 5 montre une application de l'invention à un appareil pour contrôler des tubes, eto.
@
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La fig. 6 montre une application de l'invention à un appareil de mesure de la hauteur d'un avion.
La présente invention, dont le principe est montré en fig. 2, consiste en un amplificateur 12, avec les bornes d'entrée 11 et de sortie 10 et en un pont de mesure compen- sateur ou autre circuit de mesure pareil, 9, avec deux bor- nes d'entrée 7 et deux bornes de sortie 3. Les bornes 11 de l'amplificateur sont connectées aux bornes 8 du pont et les bornes 10 de l'amplificateur aux bornes 7 du pont. Au cir- cuit de sortie de l'amplificateur est aussi raccordé un ins- trument, par exemple un voltmètre 13.
Le circuit de mesure est ainsi connecté à l'amplifica- teur en circuit de réaction. Par "déséquilibre" Ó du pont, il faut comprendre le rapport entre la tension V2 aux bornes de sortie du circuit et V1 aux bornes d'entrée. Si le pont est compensé, le déséquilibre est zéro. L'appareil peut fonctionner en oscillateur si la réaction est positive et la tension régénérée assez grande. Si l'amplificateur re- tarde la phase de l'angle et le pont de l'angle Ó, la condition de réaction positive, la "condition de phase" peut être rendue par la formule:
EMI4.1
= n.27((1l.== O,! 1, 2,.....) Orinairement Ó et Ó dépendent de la fréquence. La rela- tion est donc une équation de la fréquence et les solutions de l'équation sont les fréquences des oscillations produites, si la tension régénérée est assez grande.
Cette deuxième condition, la "condition d'amplitde" peut être rendue par:
F.Ó = 1 où F est l'amplification de l'amplificateur et Ó le rapport entre V1 et V2. c'est-à-dire le déséquilibre.
Tous les amplificateurs sont affectés de distorsion non linéaire, c'est-à-dire que.F dépend de l'amplitude des oscillations. Ordinairement F est maximum pour des oscilla-
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tions très faibles et décroît, quand la tension accroît. La fréquence fixée de la,condition de phase, la condition d'am- plitude est une équation de l'amplitude des oscillations.
Soit Fo la valeur maximum de l'amplification. Si le pont a été compensé la tension régénérée est zéro, des os- cillations sont donc impossibles. On fait varier alors les éléments variables du pont d'une manière déterminée et on introduit ainsi une tension régénérée. La variation est faite telle que la différence de phase entre les tensions V2 et V1 est constante, tandis que la magnitude de la ten- sïon régénérée V augmente graduellement. La tension régé- nérée n'est pas assez grande pour exciter des oscillations tant que Ó .Fo# 1. Pour la valeur critique C = 1/fo, des oscillations de petite amplitude peuvent se produire.
Une augmentation additionnelle de 0( augmente la tension V2, qui est amplifiée et portée aux bornes 7 du pont, ce qui aug- mente encore la tension V2./
Le procédé continue jusqu'à un état d'équilibre. A cau- se de l'action régénératrice du pont, un appareil sèlon la présente invention devient beaucoup plus sensible qu'un circuit conventionel à mesurer des impédances, qui utilise le même amplificateur. L'état d'équilibre mentionné est dé- terminé par le fait que l'amplitude des oscillations augmen- te et l'amplification diminue jusqu'à ce que la condition d'amplitude soit satisfaite à nouveau.
La relation entre l'amplitude et la valeur 0( est démon- trée de la fig. 3, courbe 19. De la limite d'oscillations Ó = 1/Fo l'amplitude monte d'abord rapidement, puis plus lentement avec Ó et atteint finalement une limite, déter- minée par la tension maximum que les tubes électroniques de l'appareil peuvent donner. La forme de la courbe 19 dé- pend principalement des propriétés non linéaires des tubes
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électroniques. Dans un appareil ordinaire à mesurer des impédances électriques, courbe 20, la tension mesurée monte linéairement avec ± , commençant avec la valeur Ó = 0.
Une comparaison des deux courbes démontre la plus grande sensibilité d'un appareil selon la présente invention.
Il est avantageux d'utiliser un amplificateur sélectif pour la fréquence de mesure. Le retardement Ó de phase causé par le pont, doit être choisi q. tel que la condition de phase est satisfaite pour cette fréquence. A cause du changement de phase causé par l'amplificateur sélectif le pont excite une forte réaction négative pour toutes les fréquences excepté les fréquences immédiates de la fréquence de mesure. L'appareil devient ainsi insensible aux tensions parasites, discutées à la page 2.
Un changement de l'impédance à mesurer entraine une modification des conditions d'oscillations. Le changement d'impédance peut être divisé en deux composantes, dont l'une entraine une modification de la valeur Ó et l'autre une modification de la valeur Ó. La première peut être indi- quée par un instrument qui mesure l'amplitude des oscil- lations, par exemple un voltmètre connecté aux bornes de sortie de l'amplificateur, tandis que l'autre influence la fréquence des oscillations. Le changement de fréquence peut être mesuré, par exemple avec un discrimina leur de fréquence qui transforme le changement de fréquence en une modification d'un courant aisément mesurable.
Contrairement au pont de mesure ordinaire, l'invention est sensible à la phase du changement vectoriel de l'im- pédance, et chacun des deux instruments mentionnésplus haut indique la composante dans une certaine direction.
Le principe de l'invention décrite peut être appliqué au problème relatif à l'indication, par les méthodes élec- tro-inductives, des défauts, par exemple des fentes, dans des objets de matériaux conducteurs ou magnétiques. Le pont
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de mesure peut contenir pour àette application deux bobines 14 et 18 et un potehtiomètre 15 (fig. 5) pour la compensa- tion du pont. La phase des bobines peut être compensée avec le potentiomètre 16, qui cependant n'est pas indispensable.
Pour contrôler des barres ou tubes en métal, les deux bobines sont mises concentriquement l'une à côté de l'autre et le tube ou la barre est poussé à travers les bobines.Le contrôle est donc une comparaison des deux parties de la barre qui se trouve dans chaque bobine. Tant que la barre est homogène, c'est-à-dire que les deux parties comparées sont identiques, l'indication de l'instrument reste cons- tante. Si une partie de la barre, qui contient par exemple une fente, entre dans le champ magnétique d'une des bobines, l'équilibre des bobines est modifié et l'indication change dans une direction. L'équilibre est rétabli quand le défaut se trouve entre les deux bobines. Quand le défaut passe par le champ magnétique de l'autre bobine l'indication est chan- gée dans l'autre direction.
Pour assortir des barres ou d'autres objets eu égard à leurs propriétés électriques ou magnétiques, qui dépendent des dimensions, de l'analyse, de la structure et de la pré- sence de défauts de matériaux, les bobines sont misés à une certaine distance l'une de l'autre. Un objet ayant des propriétés normales est mis dans une des'bobines, et les autres objets sont contrôlés l'un après l'autre dans l'autre bobine.
Si les objets sont trop grands pour être mis dans une bobine, on peut les contrôler avec une bobine à noyau de fer, qui concentre le champ magnétique en une partie de l'objet en question et est raccordée à l'appareil par une conduite flexible. Le dispositif peut être utilisé pour déterminer les propriétés électriques ou magnétiques des matériaux et e les grandeurs qui en dépendent, des différentes parties de l'objet. On peut ainsi localiser des défauts de l'objet.Le
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dispositif est utile également pour la mesure d'une couche, par exemple métallique sur une base ayant des propriétés électromagnétiques différentes de celles du matériau de la couche.
Le principe de l'invention pourra aussi être appliqué à la construction d'un altimètre pour avions. Dans ce cas l'impédance à mesurer peut être l'impédance entre deux pla- ques ou antennes (23 et 24 de fig. 6), situées par exemple sous les ailes de l'avion. Une de ces plaques ou antennes peut être la masse de l'avion même. L'impédance est ordi- nairement mesurée à des fréquences élevées de radio. Pour des fréquences très élevées les deux ailes de l'avion constituent une antenne de.dipole effective, et l'impédance mesurée peut alors être l'impédance d'antenne de l'avion même. Quand l'avion s'approche de'une surface conductrice, par exemple la surface de la terre, l'impédance mesurée est changée et l'instrument peut indiquer la distance au sol.
L'impédance mesurée, principalement une capacitance, est compensée par un condensateur variable 5,¯@ fig. 6.Les deux autres impédances du pont Z1 et Z2. peuvent être les deux moitiés d'une bobine qui en même temps peut être l'en- roulement secondaire du transformateur, qui connecte le pont à l'amplificateur 12.
Dans d'autres applications de l'invention, les impé- dances du pont comprennent des éléments, par exemple des résistances, bobines et condensateurs, dont' l'impédanoe dé- pend de la distance entre deux points de l'élément. Si cet élément est appliqué à un objet et des forces mécaniques sont appliquées, la déformation de l'objet peut être mesurée.
La présente invention n'est naturellement pas limitée aux applications et formes de construction décrites, et d'autres peuvent être conçues.