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Dans les procédés de mesure de forces mécaniques normalement employés jusqu'ici;, le point d'action de la force à mesurer est déplacé d'une certaine distance, la mesure étant basée sur ce déplacement C'est pour cette raison que la mesure de forces mécaniques de constructions mécaniquement rigides dans lesquelles les forces actives ne déterminent aucune déformation qui vaille d'être mentionnée, à jusquici entraîné de grandes difficultés. Un exemple en est la mesure de la pression entre les cylindres de la cage d'un laminoir. Il est évident que le passage de poids lourdségalement par exemple de 'berlines, offrirait de grands avan- tages s'il pouvait être effectué au moyen d'une structure sans parties mobiles.
Dans le premier cas mentionné, on a été amené, en raison du dé- placement particulièrement petit du point de mesure, à utiliser des or- ganes de mesure extrêmement sensibles pour mesurer le déplacement presque microscopique du point d'action de la force. Cet organe est celui que l'on appelle strain gauge", qui est basé sur la variation de la résistivité d'un fil mince quand il est soumis à des efforts mécaniques de tension ou de compression. La mesure est donc effectuée par voie électrique, ce qui était également le cas de la plupart des autres procédés de mesure proposés antérieurement.
Tous ces procédés ont toutefois pour inconvénient qu'ils f@@@@issent de très faibles effets comme résultats de mesure, si ien que l'on a souvent dâ recourir, à une amplification avant que ces résultats puissent être lus et enregistrés par un instrument. Parfois, il es+ également désiré d'influencer un dispositif de contrôle par les valeurs de mesure obtenues, auquel il est également nécessaire d'amener un effet suffisamment grand au dispositif de contrôle.
La présente invention est relative à des moyens permettant de résoudre le problème de mesure susmentionné et d'obtenir des résultats de mesure ayant des effets suffisamment grands pour être mesurés ou enregistrés au moyen d'instruments électriques ou pour influencer un dispositifde contrôle, sans aucune amplification. L'invention s'appuie sur la propriété de la matière magnétique habituellement appelée magnétostriction, ce qui signifie que si une matière magnétique est soumise à un effort mécanique, sa perméabilité est modifiée dans le sens de l'effort,Sous ce rapport, on peut établir la distinction entre deux espèces différentes de magné- tostrictions la magnétostriction positive et la magnétostriction négative.
La magnétostriction positive, qui se produit dans les alliages permanents par exemple;, signifie que la perméabilité augmente à la traction, tandis que la magnétostriction négative, qui se produit dans le nickel par exemple, signifie que la perméabilité diminue à la traction. Le fer ordinaire a, suivant son degré d'aimantation, une magnétostriction positive ou une magnétostriction négative.
L'invention se caractérise essentiellement par la prévision d'un élément de mesure entièrement ou partiellement entouré par deux bobines dont les plans d'enroulement sont prévus de telle façon que 19inductance réciproque des bobines soit de zéro, quand l'élément de mesure n'est pas chargé, L'une des bobines, connectée à une source de courant électrique, détermine une magnétisation de la matière qui produit une tension dans l'autre bobine en raison de la modification de la perméabilité déterminée par les forces mécaniques, dans différentes directions de la matière. La tension aux bornes de la deuxième bobine donnera une mesure de l'effort mécanique à l'intérieur de l'élément de mesure et, par conséquent, une mesure de la force mécanique agissant sur lui.
La présente invention sera décrite ci-dessous avec référence aux dessins ci-annexés, où @
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les figures 1 et 2 représentent un élément de mesure, à l'état non chargé et à l'état chargé respectivement; la figure 3 représente une variante de l'agoncement du système de bobines de l'élément de mesure; la figure 4 représente une forme de réalisation de l'élément de mesure, et les figures 5 et 6 en donnent des variantes.
Le principe du mode de fonctionnement du dispositif conforme à l'invention apparaîtra à l'examen de la figure 1, qui représente un élément de mesure 1, en matière magnétique, présentant quatre fentes 2, 3, 4.,et 5.
Dans deux de ces fentes (3 et 4), il est prévu une bobine d'excitation 6, connectée à une source de courant électrique, et dans les deux autres fentes (2 et 5) se trouve une bobine de mesure 7, connectée à un organe sensible à la tension. A la figure, des bobines sont représentées comme ne comportant chacune qu'un tour, pour raison de simplicité, mais il est évident qu'elles peuvent être constituées de plusieurs tours. Lorsque la bobine d'excitation 6 est traversée par un courant électrique dans le sens indiqué à la figure, il se produit un flux magnétique 8 dans l'élément de mesure.
Comme le plan d'enroulement de la bobine de mesure 7 se trouve à .angle droit par rapport à celui de la bobine d'excitation 6, il sera parallèle aux lignes de flux, si bien qu'aucune tension sera induite dans la bobine de mesure. Si dès lors une force mécanique P peut agir sur l'élement de mesure l, comme il est indiqué par les flèches à la figure 2, et si l'élément de mesure 1 est supposé en une matière ayant une magnétostriction positive, la perméabilité de la matière diminuera dans le sens vertical, effet qui s'est avéré d'une puissance maximum au centre de l'élément de mesure, puisque la densité du flux est maximum là où la perméabilité augmente quelque peu en direction horizontale.
Par suite de ceci, le flux magnétique 8 apparaîtra comme il est représenté à la figure 2, où la bobine de mesure 7 entoure une partie du flux, si bien qu'il est induit dans celle-ci une tension dont la grandeur dépend du flux entouré par la bobine, c'est-à-dire que la tension sera une mesure de l'angle dont le champ magnétique aura tourné. Comme la tension induite dans la bobine de mesure 7 est proportionnelle à la dérivée de temps du flux magnétique, il est nécessaire, pour mesurer la grandeur de la force mécanique P, que le courant d'excitation dans la bobine 6 soit un courant alternatif. Si le courant d'excitation devait être un courant continu,la tension induite dans la bobine de mesure 7 serait une mesure de la dérivée de temps de force mécanique P.
La construction pratique de l'élément de mesure ne doit naturellement pas être exactement conforme aux modes de réalisation représentés schématiquement aux figures 1 et 2, mais elle peut se présenter de différentes façons : ainsi, l'élément peut se présenter sous la forme d'un octogone, comme il est montré à la figure 3. Les bobines ne doivent pas être nécessairement placées dans des fentes de la partie interne de l'élément de mesure mais ellesMeuvent l'entourer, comme on peut le voir à la figure 3. De cette manière, l'élément de mesure a une bonne résistance mécanique et est facile à fabriquer mais le flux magnétique, dans ce cas, doit se fermer lui-même sur des espaces d'air plutôt grands, si bien qu'il faut un fort courant pour la bobine d'excitation et que l'on obtient une sensibilité plutôt faible.
De plus, il n'est pas nécessaire que les plans d'enroulement des bobines se trouvent à angle droit l'un par rapport à l'autre mais il est essentiel que l'inductance réciproque des bobines soit de zéro lorsque l'élément de mesure n'est pas chargé.
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Si l'excita'.ion est produite par courant alternatif, il convient naturellement que l'élément de mesure soit composé de plusieurs feuilles ou lames fines superposées de matière magnétique. L'élément de mesure peut faire l'objet d'un assemblage au moyen de boulons introduits dans des trous poinçonnés dans les lameso Ces trous et boulons troublent cependant le diagramme de champ magnétique de l'élément de mesure, si bien qu'il est préférable de placer une plaque de matière forte de chaque côté de l'élément de mesure;, les feuilles ou lames de l'élément de mesure étant pressées ensemble entre les deux plaques ainsi prévues, au moyen de bou- lons prévus à l'extérieur de l'élément de mesure lui-même.
La figure 4 représente une telle construction; 1 désigne l'élément de mesure, maintenu entre deux plaques 9 au moyen de plusieurs boulons 10, Cette construction a toutefois pour inconvénient qu'il se produit un certain effet mécanique d'hystérésis en raison des forces de friction se présentant entre les plaques et l'élément de mesure. Cette hystérésis peut cependant être élimi- née au moyen d'un agglutinant convenable, par exemple au moyen d'araldite.
La possibilité d'application de l'invention ne se limite évi- demment pas aux forces de compression, ce qui est illustré à la figure 2, mais des forces de tension ont, comme on le verra dans la seconde partie de la description, une influence semblable sur la matière magnétique.
L'élément de mesure doit naturellement être conformé de telle façon que la force de tension puisse être appliquée. Il est également possible d'appliquer la force mécanique parallèlement au plan des bobines, c'est-à-dire à angle droit par rapport au plan des feuilles ou lames, de telle façon qu'il se produise des résistances la flexion dans l'élément de mesure.
Dans la mesure de forces de compression, l'application de la force uniformément répartie sur la totalité de la section transversale de l'élément de mesure, comme il est montré à la figure 2, présente divers inconvénients. Les résultats de la mesure dépendent fortement de la répartition uniforme réelle de la force sur la surface, ce qui nécessite des surfaces très lisses, parallèles et absolument rigides pour l'élément de mesure et les surfaces qui le compriment, le risque pouvant être que les résultats de la mesure puissent pas être reproduits.On remarquera aussi, à l'examen de la figure 2;, que la résistance à la compression obtenue dans les parties de l'élément de mesure qui se trouvent à l'extérieur des bobines a une action apposée à l'action désirée.
Un autre inconvénient réside dans le fait que la matière, autour des fentes 2, 3 4 et 5 dans lesquelles sont introduites les bobines, reçoit les résistances mécaniques les plus forteso Par conséquent, si l'élément de mesure devait être surchargé, la matière;, autour de ces fentes, s'écoulerait, avec pour résultat qu'il se produirait des résistances permanentes qui modifieraient les propriétés magnétiques de l'élément de mesure de même que les résultats de la mesure. On peut éviter ces inconvénients en prévoyant deux surfaces de l'élément de mesure qui soient soumises à la force mécanique, avec des saillies sur lesquelles cette force puisse agir. La figure 5 représente, dans son principe, un tel élément de mesure, 1 désignant l'élément luimême et 11, ses deux saillies.
Celles-ci fournissent des distances d'égalisation, si bien que la force est uniformément répartie à leur base, indépendamment de la façon dont la force est appliquée à leurs extrémités libres. En même temps, la force, grâce à cette construction, est concentrée au centre de l'élément de mesure, d'où l'on obtient une plus grande sensibilité. Les saillies ont des dimensions convenablement choisies, si bien que lorsqu'il se produit une surcharge, l'écoulement se fait en elles plut8t qu'aux bords des trous;d'où elles servent de moyen de sécurité mécanique. Il convient aussi, pour cette raison, que la transition entre l'élément de mesure et les saillies soit réalisée par des moulagesccar,
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autrement, des efforts mécaniques indéfinis se produiraient dans les parties à action magnétique de l'élément de mesure.
Cette construction convient également pour la mesure de forces de tension, si les saillies sont conformées de telle façon qu'une force de tension puisse être ali- quée.
Il est évidemment également possible de choisir, sous le rapport mécanique, les dimensions de l'élément de mesure en proportion de la gran- deur de la force à mesurer. Comme l'élément de mesure doit cependant avoir une section transversale sensiblement symétrique, à angle droit par rapport aux fentes, ceci implique une construction trop haute dans le cas de grandes forces. C'est pourquoi il est plus avantageux de prévoir plusieurs petits éléments de mesure disposés côté à côté, de façon que chacun d'eux prenne une partie de la force mécanique, et de connecter leurs bobines de mesure en série, pour obtenir une mesure correspondant à la somme des différentes forces partielles.
Pour donner une construction forte et stable au point de vue mécanique, plusieurs éléments de mesure placés côté à côté peuvent être découpés dans les mêmes feuilles, si bien que, s'ils sont assemblés, on obtient plusieurs éléments de mesure formant un groupe mécanique commun. Les bobines d'excitation doivent cependant être accouplées de telle façon que les diférents éléments de mesure ne se troublent pas l'un l'autre magnétiquement.
La f,igure 6 représente schématiquement une telle construction, dans laquelle,les bobines d'excitation et les bobines de mesure connectées en série de ;telle manière que les champs magnétiques ne se troublent pas l'un l'autre et que les résultats de la mesure provenant des différents éléments de mesure s'additionnent de façon convenable.
Si plusieurs éléments de mesure sont connectés en série comme décrit plus haut, il est nécessaire, pour obtenir une addition convenable, que tous les éléments de mesure soient influencés par des forces mécaniques égales, ce qui est difficdle à réaliser, ou qu'un rapport constant existe entre la tension induite dans la;bobine de mesure et la force mécanique appliquée. Cette relation rectiligne entre la force et la tension de mesure peut être obtenue avec une précision assez bonne si une valeur convenable est choisie pour le courant d'excitation et surtour si l'onde fondamentale seulement de la tension induite dans la bobine de mesure est mesurée. Le courant d'excitation 'est avantageusement choisi fort au point que la saturation se produise dans les parties de l'élément de mesure qui sont entourées par les bobines.
Du fait de la conformation de l'élément de mesure avec les saillies précitées, il y a une asymétrie magnétique, avec pour conséquence, qu'une certaine tension est induite dans la bobine de mesure, même si l'élément de mesure n'est pas chargé mécaniquement,..Cette tension zéro peut également dépendre d'autres facteurs; elle peut par exemple dépendre de l'asymétrie des fentes des bobines qui se produit toujours à la fabrication ou bien elle peut dépendre du fait que les feuilles sont fabriquées à partir de matières laminées, qui souffrent toujours d'une certaine anisotropie magnétique. On peut cependant éviter cette tension zéro en modifiant l'angle entre les plans' d'enroulement des bobines et, de ce fait, leur inductance réciproque.
Cependant, il est également assez facile de compenser électriquement la tension zéro par une tension additionnelle qui, naturellement, doit être variable par rapport à l'amplitude et à l'angle de phase puisque la valeur de la tension zéro et de l'angle de phase varie, entre autres, avec le courant d'excitation. La tension additionnelle peut naturellement être obtenue à partir d'une source de tension externe mais elle peut également provenir d'un enroulement additionnel placé dans les mêmes fentes
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que la, bobine d'excitation.