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OSCILLOGRAPHE ELECTROMAGNETIQUE ENREGISTREUR.
La présente invention, ,système Roger, Pierre DUBUSC, est relative à un oscillographe électromagnétique enregistreur de courants électriques rapidement variables, dans lequel une palette de fer doux mobile montée sur une suspension appropriée,est soumise, d'une part, à une aimantation fixe pro- duite par un aimant permanent et s'exerçant dans la direction de l'un des plans de symétrie de ladite palette et, d'autre part, à une aimantation pro- portionnelle au courant électrique parcourant un enroulement d'excitation et s'exerçant dans une direction perpendiculaire à la direction précédente.
La présente invention a pour but d'améliorer considérablement les conditions de fonctionnement d'un tel appareil, en obtenant une fréquence pro- pre de l'équipage mobile très élevée, un excellent amortissement, une consom- mation de puissance dans l'ènroulement d'excitation aussi réduite que possible,, une excellente stabilité d'indication et des possibilités nouvelles de moyens d'inscription.
L'oscillographe électroma'gnétique enregistreur suivant l'invention est caractérisé en ce que, d'une part, l'équipage mobile est constitué par une palette de fer doux en forme de parallélépipède dont les bases sont des lo- sanges perpendiculaires aux côtés, ceux-ci étant en outre parallèles aux faces terminales de deux masses polaires fixes, et que, d'autre part, le couple anta- goniste est fourni par un barreau de torsion, encastré à l'une de ses extrémi- tés dans la palette mobile et dont la partie travaillante est contenue pour plus de la moitié à l'intérieur de ladite palette.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la des- cription qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d9exemple npn limitatif, dans lequel :
La fig. 1 représente une vue schématique en perspective de l'os- cillographe suivant l'invention,
La fig. 2 représente une vue schématique en plan de l'appareil,
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La fige 3 représente une vue en coupe de-la partie principale de l'oscillographe,
La fig. 4 représente une vue en perspective de l'équipage mobile,
Les figs. 5 et 6 représentent respectivement en élévation et en coupe une forme d'exécution préférée du barreau de torsion.
La fig. 7 est un diagramme représentant les déviations de l'é- quipage mobile en fonction d'une grandeur proportionnelle au couple moteur.
La palette mobile 10 est constituée,comme cela a été indiqué, par une pièce de fer en forme de parallélépipède, dont les bases sont des losan- ges perpendiculaires aux cotés. Ceux-ci sont parallèles aux faces terminales de deux masses polaires fixes 15 et 15'. Le barreau de torsion 11 qui consti- tue la suspension de la palette mobile 10 et qui est destiné à fournir le couple antagoniste, est place dans l'axe de symétrie de ladite palette.
Les deux masses polaires 15 et 15' sont constituées par des tôles de fer doux laminées, en forme d'U et munies de quatre enroulements 16, 17, 16', 17'. Ces enroulements servent à aimanter la palette mobile 10, propor- tionnellement au courant qui les traverse. Les flux magnétiques produits par ces enroulements sont dirigés, pour une polarité donnée du courant d'excita- tion dans le sens des flèches 18' (fig. 2) de sorte que l'aimantation se pro- duit dans le plan de la plus grande diagonale de la palette mobile. 13 est un aimant permanent, dont le flux, à travers les culasses de fer doux 14 et 14' traverse la palette mobile dans une direction indiquée par les flèches 18, (fig. 2) parallèle à la plus petite diagonale de la palette mobile.
La palette mobile 10 est percée suivant son axe de symétrie, d'un trou lisse 19. Le barreau de torsion 11 est terminé à ses deux extrémités par deux parties cylindriques 20 et 20' rectifiées avec précision. L'extré- mité 20 est emmanchée à force dans le trou 19 de la palette mobile de façon qu'une fraction importante de la partie travaillante dudit barreau peut être à l'intérieur de la palette. L'extrémité 20' est également emmanchée à force dans un trou lisse percé dans une pièce-support 12 sur laquelle sont fixées les masses polaires 15 et 15'.
Le métal constituant le barreau de torsion 11 étant très dur (par exemple de l'acier au carbone trempé), ses parties terminales rectifiées s'encastrent facilement dans les métaux plus tendres constituant la palette mobile 10 et la pièce-support 12, le diamètre des trous de la palette mobi- le et de la pièce-support étant un peu plus faible que celui des parties ter- minales du barreau.
La palette peut être constituée par exemple en acier au nickel recuit, à basse hystérésis magnétique, et le pont, en laiton ou en bronzePourvu que la section du barreau de torsion, dans sa partie travail- lante, soit suffisamment inférieure à sa section dans ses extrémités encas- trées, on est assuré que la contrainte mécanique à la torsion reste modérée à l'encastrement, d'où il s'ensuit qu'il ne se produit aucune déformation permanente, et que le zéro de l'équipage reste parfaitement stable. Le bar- reau de torsion 11 doit avoir un couple de torsion relativement faible, mais une grande rigidité de la flexion, de façon que la palette mobile 10 reste bien centrée par rapport aux masses polaires fixes 15 et 15' malgré les at- tractions magnétiques considérables qui s'exercent sur ladite palette.
A cet effet on donne de préférence au barreau de torsion 11, une section en forme de croix, ainsi qu'il est indiqué sur les figures 5 et 6, les parties termi- nales 20 et 20' restant cylindriques, pour faciliter leur encastrement dans la palette 10, d'une part, et dans la pièce-support 12, d'autre part.
L'équipage mobile de l'oscillographe suivant l'invention est com- plété par un style (figo 3 et 4) grâce auquel le mouvement de cet équipage mo- bile peut être inscrit sur un film noirci qui se déplace d'un mouvement conti- nu, et qui est rayé par le style. Celui-ci est constitué par une aiguille de métal léger 21, en forme de triangle. Cette forme de triangle donne le minimum de moment d'inertie pour le maximum de rigidité dans le sens du mouvement. L' aiguille est assemblée à l'extrémité de l'équipage mobile d'une manière aussi
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rigide que possiblee par exemple au moyen de deux vis 22 et 22', la pa.lette étant, à cet effet prolongée vers le haut, de façon que l'aiguille soit dégagée par rapport aux bobines.
L'aiguille porte à son extrémité une pointe très aiguë 23 qui sera appliquée sur le film noirci, avec une force d'appui définie par l'élas- ticité de l'aiguille et par sa flèche. Afin que la pointe ne s'use pas en frottant sur la bande, elle est réalisée dans un matériau ultra-dur, comme le diamant, le saphir, ou un carbure métallique. La pointe 23 trace sur le fond noir du film un trait transparent extrêmement fin, dont la largeur est de l'ordre du centième de millimètre.Il est donc possible d'enregistrer,. avec une finesse relative très satisfaisante, des diagrammes d'une amplitu- de inférieure ou égale à un millimètre. Le film peut être ensuite observé avec un dispositif d'agrandissement analogue à ceux utilisés pour la lec-' ture des microfilms documentaires.
La faible largeur des traces, ainsi que la faible dimension des amplitudes, permettent de disposer côte à côte un grand nombre de styles sur un film de dimensions courantes. Cette disposition, jointe au fait que la vi- tesse de déplacement du film peut être à l'échelle des amplitudes, permet de réaliser une sérieuse économie sur le film d'enregistrement,et d'obtenir un nombre important de diagrammes parfaitement synchronisés et qui,ne se chevau- chant pas, sont facilement lisibles.
Lorsque la palette mobile 10 est dans sa position médiane les qua- tre entrefers sont égaux. L'aimant 13 crée dans les masses polaires 15 et 15' une induction constante, dite induction nominale Bn, à laquelle s'ajoute al- gébriquement une induction Bi, produite par les quatre enroulements 16, 17, 16', 17' et proportionnelle au courant qui les traverse (fig. 2). L'induction résultante est donc égale à En + Bi, pour les pôles 15a et 15'b et à Bn - Bi, pour les pôles 15 b et 15'a. L'attraction exercée par la face de chaque pôle sur la face en regard de la palette mobile étant proportionnelle au carré de l'induction, le couple magnétique est proportionnel à (Bn + Bi)2 - (Bn - Bi)2 = 2 Bn Bi.
Ce couple est donc proportionnel à Bi, donc au courant qui traver- se les enroulements 16, 17, 16', 17'.
Mais lorsque la palette mobile dévie de sa position médiane, elle modifie dans chaque masse polaire l'induction due à 1-'aimant, de sorte que le couple varie avec l'angle de déviation.
Dans les oscillographes électromagnétiques établis jusqu'à pré- sent, on s'est toujours arrangé de façon que la déviation de la palette mo- bile soit négligeable par rapport à l'entrefer, afin que le couple magnétique ne varie pas avec l'angle de déviation.
Or, il a été trouvé que, dans 1.'oscillographe ci-dessus décrit, il était possible de faire dévier la palette mobile d'une quantité beaucoup plus importante, par exemple 20 à 25% de l'entrefer, sans que la déviation cesse pour cela d'être proportionnelle au courant des enroulements.
Les conséquences de ce fait nouveau sont d'une importance capi- tale;
1 ) Tout d'abord les entrefers peuvent être extrêmement courts, et, comme les ampères-tours nécessaires pour obtenir un couple donné sont pro- portionnels à la longueur de l'entrefer., ils peuvent être réduits considéra- blement, ce qui diminue dans des proportions encore plus grandes la puissan- ce nécessaire à l'excitation des bobines, laquelle varie comme le carré des ampères-tours.
2 ) La variation de flux magnétique, produite dans les masses po- laires par l'oscillation libre de la palette mobile, est beaucoup plus impor- tante, donc aussi la tension induite dans les enroulements, ce qui permet d' amortir l'équipage mobile par un shunt extérieur monté en parallèle sur les- dits enroulements, comme dans les appareils de mesure ordinaires du type à ai- mant et à cadre mobile, alors que tous les oscillographes établis jusqu'à pré- sent nécessitent comme amortisseur un fluide visqueux tel que l'huile. Or 1'
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amortissement par courants induits est d'une qualité supérieure à l'amortisse- ment par huile, en ce qu'il ne nécessite pas de récipient étanche et qu'il varie très peu avec la température.
3 ) Du fait que les entrefers sont très courts, il est facile de dimensionner l'aimant pour que l'induction nominale Bn soit élevée, malgré de très faibles dimensions de 1-*aimant. Or le couple exercé sur la palette mo- bile est,pour un nombre d'ampères-tours donné, proportionnel à Bn. D'où une cause supplémentaire de réduction des ampères-tours.
Ces résultats sont obtenus dans l'oscillographe conforme à l'in- vention. En effet, dans cet appareil :
1 ) La suspension de l'équipage mobile offre une rigidité extrême- ment grande dans le sens de la flexion par suite de l'utilisation d'un barreau comme ressort de torsion, et de l'enfoncement d'une fraction importante de la partie travaillànte dudit barreau à l'intérieur de la palette,de sorte que l'axe de la palette mobile ne subit aucun déplacement,malgré les attractions magnétiques latérales, qui sont considérables.
2 ) La palette mobile avec une section en forme de losange, pos- sède un moment d'inertie relativement faible. En outre,par suite de la forme de cette section, la saturation est évitée dans la palette malgré le flux magnétique important qui la traverse quand elle est écartée de sa position médiane; l'induction est pratiquement égale en tous points de la palette, puisque le flux qui traversela palette dans une section donnée est d'autant plus grand que cette section est plus rapprochée du centre.
Si l'on fait l'analyse complète du fonctionnement d'un dscillogra- phe électromagnétique on peut calculer le couple produit sur la palette mobile par les attractions magnétiques des masses polaires, en fonction de la dévia- tion de la palette mobile, d'une part, et en fonction du courant qui passe dans les bobines, d'autre part. Les courbes correspondantes sont représen- tées sur la figure 7.
En abscisses sont portées les déviations de la palette mobile, en pour cent de la déviation pour laquelle l'extrémité de ladite palette vient toucher l'extrémité des masses polaires fixes.
En ordonnées sont portés les couples, ou plus exactement les rap- ports des couples au carré de l'induction nominale.
Les différentes courbes sont tracées pour différentes valeurs du courant dans'les bobines, ces valeurs étant définies par le rapport Bi k = ----- , entre l'induction produite par le courant et l'induction nomina- le. Bn
On a ainsi un système d'unités normalisé.
La courbe k = 0 est la courbe des couples magnétiques lorsque les bobines ne sont pas excitées.
La droite représente le couple mécanique produit par la suspen- sion.
Le couple directeur est la différence entre ces deux couples, puisqu'ils agissent en sens contraire, le couple mécanique ayant tendance a ramener l'équipage mobile dans la position médiane, et le couple magnétique ayant tendance au contraire, à l'en écarter.
Lorsque les bobines sont parcourues par des courants de valeurs différentes, la position d'équilibre de la palette mobile est définie par l'in- tersection de la droite du couple mécanique avec les courbes des couples mag- nétiques pour les valeurs correspondantes de k. Pour que la déviation de l'é- quipage mobile soit proportionnelle au courant, il faut que les points d'in- tersection de la droite¯avec les courbes, pour des valeurs de k en progression arithmétique, soient équidistants. Cela est pratiquement réalisé jusqu'à une déviation égale à 25% de l'entrefer nominal en.
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Dans ces conditions :
1 ) Le couple magnétique en labsence de courant peut dépasser la moitié du couple mécanique.
Bi
2 ) Le rapport k = ---- peut atteindre 0,15 pour la déviation Bn correspondant au maximum de l'échelle. Ce maximum est indiqué par la droite verticale de la figure 7.
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ELECTROMAGNETIC OSCILLOGRAPH RECORDER.
The present invention, Roger system, Pierre DUBUSC, relates to an electromagnetic oscillograph recording rapidly varying electric currents, in which a movable soft iron pallet mounted on a suitable suspension is subjected, on the one hand, to a fixed magnetization produced by a permanent magnet and acting in the direction of one of the planes of symmetry of said pallet and, on the other hand, by a magnetization proportional to the electric current flowing through an excitation winding and s' exercising in a direction perpendicular to the previous direction.
The object of the present invention is to considerably improve the operating conditions of such an apparatus, by obtaining a very high inherent frequency of the moving equipment, excellent damping, and power consumption in the winding of. Excitation as low as possible, excellent stability of indication and new possibilities of recording means.
The electromagnetic recording oscillograph according to the invention is characterized in that, on the one hand, the mobile unit consists of a soft iron pallet in the form of a parallelepiped, the bases of which are lozenges perpendicular to the sides, these being furthermore parallel to the end faces of two fixed pole masses, and that, on the other hand, the antagonistic couple is provided by a torsion bar, embedded at one of its ends in the pallet mobile and the working part of which is contained for more than half inside said pallet.
Other characteristics of the invention will emerge from the description which will follow with reference to the appended drawing, given by way of limiting example, in which:
Fig. 1 represents a schematic perspective view of the oscillograph according to the invention,
Fig. 2 is a schematic plan view of the device,
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Figure 3 shows a sectional view of the main part of the oscillograph,
Fig. 4 represents a perspective view of the mobile unit,
Figs. 5 and 6 respectively show in elevation and in section a preferred embodiment of the torsion bar.
Fig. 7 is a diagram representing the deviations of the moving equipment as a function of a quantity proportional to the engine torque.
The movable pallet 10 is constituted, as has been indicated, by a piece of iron in the form of a parallelepiped, the bases of which are rhombuses perpendicular to the sides. These are parallel to the end faces of two fixed pole masses 15 and 15 '. The torsion bar 11 which constitutes the suspension of the mobile pallet 10 and which is intended to provide the opposing torque, is placed in the axis of symmetry of said pallet.
The two pole masses 15 and 15 'are formed by rolled soft iron sheets, U-shaped and provided with four windings 16, 17, 16', 17 '. These windings serve to magnetize the movable pallet 10 in proportion to the current which passes through them. The magnetic fluxes produced by these windings are directed, for a given polarity of the excitation current in the direction of arrows 18 '(fig. 2) so that the magnetization occurs in the plane of the greater diagonal of the movable pallet. 13 is a permanent magnet, the flux of which through the soft iron yokes 14 and 14 'passes through the movable pallet in a direction indicated by arrows 18, (Fig. 2) parallel to the smallest diagonal of the movable pallet.
The movable pallet 10 is pierced along its axis of symmetry with a smooth hole 19. The torsion bar 11 is terminated at its two ends by two cylindrical parts 20 and 20 'which are precision ground. The end 20 is force-fitted into the hole 19 of the movable pallet so that a significant fraction of the working part of said bar can be inside the pallet. The end 20 'is also force-fitted into a smooth hole drilled in a support part 12 on which the pole masses 15 and 15' are fixed.
The metal constituting the torsion bar 11 being very hard (for example hardened carbon steel), its ground end parts fit easily into the softer metals constituting the movable pallet 10 and the support part 12, the diameter the holes in the movable pallet and in the support piece being a little smaller than that in the end parts of the bar.
The pallet can be made, for example, of annealed nickel steel, with low magnetic hysteresis, and the bridge, of brass or bronze Provided that the section of the torsion bar, in its working part, is sufficiently smaller than its section in its embedded ends, it is ensured that the mechanical torsional stress remains moderate during the embedding, from which it follows that no permanent deformation occurs, and that the zero of the crew remains perfectly stable . The torsion bar 11 must have a relatively low torque, but a high bending stiffness, so that the movable pallet 10 remains well centered with respect to the fixed pole masses 15 and 15 'despite the magnetic attractions. considerable exerted on said pallet.
To this end, the torsion bar 11 is preferably given a cross-shaped section, as indicated in FIGS. 5 and 6, the end parts 20 and 20 'remaining cylindrical, to facilitate their fitting in. the pallet 10, on the one hand, and in the support part 12, on the other hand.
The mobile device of the oscillograph according to the invention is completed by a style (fig. 3 and 4) thanks to which the movement of this mobile device can be inscribed on a blackened film which moves in a continuous movement. - naked, and which is striped by the style. This consists of a light metal needle 21, in the shape of a triangle. This triangle shape gives the minimum moment of inertia for the maximum stiffness in the direction of motion. The needle is assembled at the end of the moving assembly in such a way
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rigid as possible for example by means of two screws 22 and 22 ', the pa.lette being, for this purpose extended upwards, so that the needle is released from the coils.
The needle carries at its end a very sharp point 23 which will be applied to the blackened film, with a pressing force defined by the elasticity of the needle and by its arrow. So that the point does not wear out by rubbing on the strip, it is made of an ultra-hard material, such as diamond, sapphire, or a metallic carbide. Point 23 traces an extremely fine transparent line on the black background of the film, the width of which is of the order of a hundredth of a millimeter. It is therefore possible to record. with very satisfactory relative finesse, diagrams with an amplitude of less than or equal to one millimeter. The film can then be viewed with an enlarging device similar to those used for reading documentary microfilms.
The small width of the traces, as well as the small size of the amplitudes, allow a large number of styles to be placed side by side on a film of common dimensions. This arrangement, together with the fact that the speed of movement of the film can be on the scale of the amplitudes, makes it possible to achieve a serious economy on the recording film, and to obtain a large number of perfectly synchronized diagrams which , do not overlap, are easily readable.
When the movable pallet 10 is in its middle position, the four air gaps are equal. The magnet 13 creates in the pole masses 15 and 15 'a constant induction, called nominal induction Bn, to which is added algebraically an induction Bi, produced by the four windings 16, 17, 16', 17 'and proportional current flowing through them (fig. 2). The resulting induction is therefore equal to En + Bi, for poles 15a and 15'b and to Bn - Bi, for poles 15b and 15'a. The attraction exerted by the face of each pole on the face opposite the mobile pallet being proportional to the square of the induction, the magnetic torque is proportional to (Bn + Bi) 2 - (Bn - Bi) 2 = 2 Bn Bi.
This torque is therefore proportional to Bi, therefore to the current which passes through the windings 16, 17, 16 ', 17'.
But when the movable vane deviates from its middle position, it modifies in each pole mass the induction due to the magnet, so that the torque varies with the angle of deviation.
In the electromagnetic oscillographs established until now, it has always been arranged so that the deviation of the movable vane is negligible with respect to the air gap, so that the magnetic torque does not vary with the angle. deviation.
However, it has been found that, in the oscillograph described above, it was possible to deflect the movable pallet by a much larger quantity, for example 20 to 25% of the air gap, without the deflection therefore ceases to be proportional to the current of the windings.
The consequences of this new fact are of paramount importance;
1) First of all, the airgap can be extremely short, and, as the ampere-turns required to obtain a given torque are proportional to the length of the airgap, they can be reduced considerably, which decreases in still greater proportions the power necessary for the excitation of the coils, which varies as the square of the ampere-turns.
2) The variation in magnetic flux, produced in the polar masses by the free oscillation of the mobile pallet, is much greater, so also the voltage induced in the windings, which allows the crew to be damped. movable by an external shunt mounted in parallel on said windings, as in ordinary measuring devices of the magnet and movable frame type, whereas all the oscillographs established up to now require a viscous fluid as damper such as oil. Gold 1 '
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Damping by induced currents is of a higher quality than damping by oil, in that it does not require a sealed container and that it varies very little with temperature.
3) Due to the fact that the air gaps are very short, it is easy to dimension the magnet so that the nominal induction Bn is high, despite very small dimensions of 1- * magnet. Now, the torque exerted on the mobile pallet is, for a given number of ampere-turns, proportional to Bn. Hence an additional cause of reduction in ampere-turns.
These results are obtained in the oscillograph according to the invention. In fact, in this device:
1) The suspension of the moving assembly offers an extremely high rigidity in the direction of the bending due to the use of a bar as a torsion spring, and the sinking of a large fraction of the part. working of said bar inside the pallet, so that the axis of the movable pallet does not undergo any displacement, despite the lateral magnetic attractions, which are considerable.
2) The movable pallet with a diamond-shaped section has a relatively low moment of inertia. In addition, due to the shape of this section, saturation is avoided in the pallet despite the large magnetic flux which passes through it when it is moved away from its middle position; induction is practically equal at all points of the pallet, since the flow which passes through the pallet in a given section is all the greater the closer this section is to the center.
If we make the complete analysis of the operation of an electromagnetic dscillogra- phe we can calculate the torque produced on the moving vane by the magnetic attractions of the pole masses, as a function of the deflection of the moving vane, of on the one hand, and as a function of the current flowing through the coils, on the other hand. The corresponding curves are shown in figure 7.
On the abscissa are plotted the deviations of the movable pallet, in percent of the deviation for which the end of said pallet touches the end of the fixed pole masses.
On the ordinate are plotted the torques, or more exactly the ratios of the torques to the square of the nominal induction.
The different curves are plotted for different values of the current in the coils, these values being defined by the ratio Bi k = -----, between the induction produced by the current and the nominal induction. Bn
We thus have a standardized system of units.
The curve k = 0 is the curve of the magnetic torques when the coils are not excited.
The line represents the mechanical torque produced by the suspension.
The steering torque is the difference between these two pairs, since they act in the opposite direction, the mechanical torque tending to bring the moving element back to the middle position, and the magnetic torque tending, on the contrary, to move away from it.
When the coils are traversed by currents of different values, the equilibrium position of the mobile pallet is defined by the intersection of the line of the mechanical torque with the curves of the magnetic torques for the corresponding values of k. In order for the deflection of the moving equipment to be proportional to the current, the points of intersection of the line with the curves, for values of k in arithmetic progression, must be equidistant. This is practically achieved up to a deviation equal to 25% of the nominal air gap at.
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In these conditions :
1) The magnetic torque in the absence of current can exceed half of the mechanical torque.
Bi
2) The ratio k = ---- can reach 0.15 for the deviation Bn corresponding to the maximum of the scale. This maximum is indicated by the vertical line in figure 7.