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La présente invention concerne un procédé pour la mesure de forces et de moments et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Les procédés connus utilisent pour la mesure de forces et de moments soit'des systèmes de leviers soit des ressorts. Dans les systèmes de leviers, l'état d'équilibre est.déterminé en vertu du principe des moments. Des dynamomètres à ressort mesu- rent la compression ou l'extension d'un ressort produites sous l'action d'une force à mesurer ; force et la course du ressort sont converties l'une en l'autre au moyen de facteurs de propor- tionnalité.
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La figure 2 représente une installation de mesure de forces verticales.
La figure 3 représente une installation de mesure de moments
Les. figures 4 à 7 représentent des installations de mesure comportant des organes d'appui et de maintien.
Une force à mesurer 2 agit par une tige 3 d'un appareil de mesure 1,- par l'intermédiaire d'un plateau (non représenté) .
Cette grandeur de mesure 2 est transmise par la tige 3 à un diaphragme circulaire 4 qui divise une boîte cylindrique 5, perpendiculairement à son axe de rotation, en deux chambres 6 et 7 approximativement égales. Les compartiments ainsi formés reçoivent un gaz, rationnellement de l'air, par un conduit 8 se bifurquant et des obturateurs d'étranglement 16. La tige 3 porte à ses points de traversée de la boîte des plateaux de sou- pape qui déterminent avec la boîte des intervalles réglables 9.
Chaque chambre a une ouverture commandée par ces plateaux de soupape, qui la relie à l'atmosphère. Des canalisations de transmission 10 relient l'appareil de mesure 1 à un récepteur 11 également à deux chambres, ces canalisations réunissant les deux chambres correspondantes coopérant entre elles. Le récepteur 11 est constitué par un soufflet 12 à deux chambres, fixé par son dessus et par son dessous. Un .déplacement de la cloison provoqué par des différences de pression dans les deux chambres est trans- mis a un.système de leviers 13 à l'extrémité duquel se trouve un dispositif 14- indiquant la valeur de la. grandeur ? à mesurer.
Pour de très grandes différences de pression, il faut, pour des raisons de solidité, utiliser à la place du récepteur à soufflet à membrane. un piston dont le cylindre exécute constamment un mouvement d'oscillation ou de rotation pour diminuer le frottement.
Lorsque la force 2 pousse la tige 3 vers le bas, celle-ci modifie l'intervalle réglable 9 de la chambre supérieure 7 dans le sens de l'ouverture et celui de la chambre inférieure 6 dans le sens de la fermeture.
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Il s'établit ainsi dans la chambre 6 une pression plus élevée, la pression baissant au contraire dans la chambre 7.
Pour un mouvement opposé de la tige 3, les différences de pres- sion s'établissent de façon inverse dans les deux chambres 6 et 7.
Les pressions régnant dans ces deux chambres sont transmises au récepteur 11, leur différence déplaçant la cloison et avec elle le soufflet jusqu'à ce que l'équilibre avec les poids oscillants du dispositif indicateur 14 s'établisse.
Le soufflet 12 du récepteur 11 a une dimension telle qu'il exécute des déviations facilement mesurables, tandis que l'élément de mesure ne subit qu'un déplacement très faible de la tige 3.
Les déviations sont transmises par la barre 13, qui les amplifie- encore au besoin, à un dispositif indicateur 14, sur lequel on peut lire la grandeur de la force à mesurer.
Un très petit déplacement de la tige 3, de l'ordre de gran- deur de quelques centièmes de mm, peut se traduire sur la gradua- tion de lecture par une déviation de quelques décimètres.
Le dispositif représenté à la fig. 2 permet de mesurer des forces verticales, c'est-à-dire situées dans des plans normaux à l'axe de la tige 3. Un plateau 25 est supporté de façon articulée et relié horizontalement à un organe de maintien :la tige 3, le dispositif de-support formant avec le plan perpendicu- laire à l'axe de la tige un angle # dont la grandeur est une donnée cohstructive. La force G à déterminer est reçue suivant ses composantes par les barres d'appui 26 et la-tige -3. - Les barres d'appui 26 décomposent la force G en les composantes G . tg y et G/cos qui ne sont pas parallèles, La grandeur de la force totale G est mesurée au moyen de la composante G .
tg # dans le cas présent. Niant donné que le dispositif de mesure est construit de façon à travailler avec de très faibles déplacements (des fractions de mm) lors de la mesure, l'angle # ne change pratiquement pas lorsque le plateau est chargé;
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# est dans un invariant du système et l'élément de mesure 14 présente une échelle linéaire proportionnelle aux forces G à mesu rer.
Avec le dispositif représenté à la fig. 3, il est possible de mesurer directement des moments au moyen d'une boîte de mesure.
Dans ce dispositif, le vecteur moment doit être dans un plan ho- . rizontal.. Les deux supports verticaux 22 transmettent les deux vecteurs force qui définissent le moment, par l'intermédiaire d'un plateau 31, à des supports 32 montés articulés et inclinés l'un par rapport à l'autre de l'angle 2 Ó. Le couple Pl, P2 est décomposé par les supports 32 en les composantes P1/cos Ó, , Pl . tg Ó et P2/cos Ó, P2 tg Ó et les composantes hori- zontales de même direction P1 tg Ó et P2 tg Ó sont transmises à la boîte d'impulsion.
L'intervention, dans la mesu- re, d'autres foires (par exemple le poids dans la mesure du moment de rotation d'un moteur) n'est pas possible, car les composantes à mesurer ne subissent pratiquement pas d'autre action que celle du moment à mesurer. Même une poussée agissant sur le plateau 21 ne modifierait pas la mesure du moment. Le dispositif indicateur 14 est de nouveau étalonné en conséquence, tous les facteurs intervenant dans la mesure pouvant être consi dérés comme des invariants du système de mesure.
Des .dispositifs de mesure comportant des organes d'appui et de maintien sont représentés aux figures 4 à 7.
Le poids propre d'un plateau 40 est supporté par des orga- nes d'appui 41,' et un organe de maintien 42, par. exemple un ressort, tandis que des organes de maintien 43 empêchent des mouvements du plateau 40 dans des plans horizontaux perpendi... culaires à la tige d'une boîte de mesure à diaphragme 44.
Les organes d'appui 41 peuvent être montés articulés (figures 4 et 5), élastiques (fixés suivant les figures 6 et 7),
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suspendus par ressorts ou sur des couteaux. Les organes de main- tien 42 peuvent,être combinés avec les organes d'appui (fig. 6 et 7)', de manière que les forces internes de l'organe d'appui fas- sent équilibre aux composantes de forces agissant dans des plans horizontaux du poids propre du plateau. Dans ces conditions, la botte à diaphragme 44 n'est pas sollicitée par le poids propre du dispos itif. A la place de l'organe de maintien 42 (fig. 5 et 4), la tige 45 du dispositif de mesure, qui relie l'un à l'autre le pla- teau 40 et le dispositif de mesure 44 peut également servir d'or- gane de maintien.
Dans ce cas, la boîte de mesure 44 est chargée par le' poids propre du plateau et doit être tarée en conséquence..
Deux organes de maintien, s'ils sont constitués par des barres de traction-compression, suffisent à la place des quatre organes de maintien 43.
On peut utiliser également des systèmes à contrepoids à la place des organes de maintien 42 à ressorts.
Si on utilise des organes d'appui 46 élastiques montés fixes, tels qu'ils sont représentés aux figs. 6 et 7, l'organe de maintien 42 peut être supprimé.
Si deux organes d'appui 47 sont réalisés suivant la fig. 7, de façon à ne permettre aucun déplacement transversal du plateau, il est superflu de monter des organes de maintien 43.
Eléments d'appui et éléments de maintien doivent toujours autoriser un mouvement de déformation mesurable dans le sens de la force et des composantes à mesurer.
En combinant les formes de réalisation décrites, il est possible de créer un dispositif de mesure de forces permettant de déterminer'tout vecteur force ou moment par mesure de ses composais tes.
Le mode de décomposition des forces en leurs composantes et de mise en évidence de ces dernières n'est naturellement pas lié à la présence d'un support élastique dans le sens décrit. Des liaisons à articulation sphérique ou des balanciers montés sur des
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couteaux peuvent aussi être utilisés à cet effet. Seule est déterminante la position de la tige d'action de la grandeur à mesurer par rapport à la direction suivant laquelle la suspension reçoit la force.
A la place de boîtes ou capsules de mesure pneumatiques, on peut utiliser également d'autres dispositifs ayant une courbe de charge très raide (charge en fonction de la déviation), tels que quartz piézoélectriques, condensateurs, bobines d'inductance et autre s.
Diverses modifications peuvent d'ailleurs être apportées aux formes de réalisation représentées et décrites en détail sans sortir du cadre de l'invention.
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The present invention relates to a method for measuring forces and moments and to a device for implementing this method.
The known methods use for the measurement of forces and moments either systems of levers or springs. In lever systems, the state of equilibrium is determined by virtue of the principle of moments. Spring dynamometers measure the compression or extension of a spring produced under the action of a force to be measured; spring force and stroke are converted to each other by means of proportionality factors.
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FIG. 2 represents an installation for measuring vertical forces.
Figure 3 shows an installation for measuring moments
The. FIGS. 4 to 7 show measuring installations comprising support and holding members.
A force to be measured 2 acts by a rod 3 of a measuring device 1, - via a plate (not shown).
This measurement quantity 2 is transmitted by the rod 3 to a circular diaphragm 4 which divides a cylindrical box 5, perpendicular to its axis of rotation, into two approximately equal chambers 6 and 7. The compartments thus formed receive a gas, rationally air, through a branching duct 8 and throttle valves 16. The rod 3 carries at its crossing points of the box valve plates which determine with the pressure. adjustable intervals box 9.
Each chamber has an opening controlled by these valve plates, which connects it to the atmosphere. Transmission pipes 10 connect the measuring device 1 to a receiver 11 also with two chambers, these pipes bringing together the two corresponding chambers cooperating with each other. The receiver 11 is formed by a bellows 12 with two chambers, fixed from its top and from its bottom. A displacement of the partition caused by pressure differences in the two chambers is transmitted to a system of levers 13 at the end of which is a device 14 indicating the value of the. greatness? to measure.
For very large pressure differences, for reasons of strength, use the diaphragm bellows receiver instead. a piston whose cylinder constantly performs an oscillating or rotating movement to reduce friction.
When the force 2 pushes the rod 3 downwards, the latter changes the adjustable interval 9 of the upper chamber 7 in the direction of opening and that of the lower chamber 6 in the direction of closing.
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A higher pressure is thus established in chamber 6, the pressure falling on the contrary in chamber 7.
For an opposite movement of the rod 3, the pressure differences are established inversely in the two chambers 6 and 7.
The pressures prevailing in these two chambers are transmitted to the receiver 11, their difference moving the partition and with it the bellows until equilibrium with the oscillating weights of the indicating device 14 is established.
The bellows 12 of the receiver 11 has a dimension such that it performs easily measurable deviations, while the measuring element undergoes only a very small displacement of the rod 3.
The deviations are transmitted by bar 13, which amplifies them further if necessary, to an indicator device 14, on which the magnitude of the force to be measured can be read.
A very small displacement of the rod 3, of the order of magnitude of a few hundredths of a mm, may result in the reading graduation as a deviation of a few decimeters.
The device shown in FIG. 2 makes it possible to measure vertical forces, that is to say located in planes normal to the axis of the rod 3. A plate 25 is supported in an articulated manner and connected horizontally to a holding member: the rod 3, the support device forming with the plane perpendicular to the axis of the rod an angle # whose magnitude is a cohstructive datum. The force G to be determined is received according to its components by the support bars 26 and the rod -3. - The support bars 26 break down the force G into the components G. tg y and G / cos which are not parallel, The magnitude of the total force G is measured by means of the component G.
tg # in this case. Since the measuring device is constructed in such a way that it works with very small displacements (fractions of mm) when measuring, the angle # hardly changes when the plate is loaded;
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# is in an invariant of the system and the measuring element 14 has a linear scale proportional to the forces G to be measured.
With the device shown in FIG. 3, it is possible to directly measure moments by means of a measuring box.
In this device, the moment vector must be in a ho- plane. rizontal .. The two vertical supports 22 transmit the two force vectors which define the moment, by means of a plate 31, to supports 32 mounted articulated and inclined with respect to each other by angle 2 Ó. The pair P1, P2 is decomposed by the supports 32 into the components P1 / cos Ó,, Pl. tg Ó and P2 / cos Ó, P2 tg Ó and the horizontal components of the same direction P1 tg Ó and P2 tg Ó are transmitted to the pulse box.
Intervention in the measurement of other fairs (for example the weight in the measurement of the torque of an engine) is not possible, since the components to be measured undergo hardly any other action. than that of the moment to be measured. Even a push acting on the plate 21 would not modify the measurement of the moment. The indicating device 14 is consequently again calibrated, all the factors involved in the measurement being able to be considered as invariants of the measurement system.
Measuring devices comprising support and holding members are shown in Figures 4 to 7.
The own weight of a plate 40 is supported by support members 41, 'and a retaining member 42, par. example a spring, while the retaining members 43 prevent movements of the plate 40 in horizontal planes perpendicular to the rod of a diaphragm measuring box 44.
The support members 41 can be mounted articulated (Figures 4 and 5), elastic (fixed according to Figures 6 and 7),
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suspended by springs or on knives. The support members 42 can be combined with the support members (Figs. 6 and 7) ', so that the internal forces of the support member are balanced with the force components acting in horizontal planes of the self-weight of the platform. Under these conditions, the diaphragm boot 44 is not stressed by the own weight of the device. Instead of the retaining member 42 (fig. 5 and 4), the rod 45 of the measuring device, which connects the plate 40 and the measuring device 44 to one another, can also serve as a 'retaining organ.
In this case, the measuring box 44 is loaded by the own weight of the pan and must be tared accordingly.
Two retaining members, if they consist of traction-compression bars, are sufficient instead of the four retaining members 43.
Counterweight systems can also be used in place of the spring retaining members 42.
If one uses fixedly mounted elastic support members 46, as shown in FIGS. 6 and 7, the retaining member 42 can be omitted.
If two support members 47 are produced according to FIG. 7, so as not to allow any transverse movement of the plate, it is superfluous to mount retaining members 43.
Support elements and retaining elements must always allow a measurable deformation movement in the direction of the force and of the components to be measured.
By combining the embodiments described, it is possible to create a force measuring device making it possible to determine any force or moment vector by measuring its components.
The mode of decomposition of the forces into their components and of highlighting of the latter is naturally not linked to the presence of an elastic support in the sense described. Ball joint connections or balances mounted on
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knives can also be used for this purpose. The only determining factor is the position of the action rod of the quantity to be measured in relation to the direction in which the suspension receives the force.
Instead of pneumatic measuring boxes or capsules, it is also possible to use other devices with a very steep load curve (load versus deflection), such as piezoelectric crystals, capacitors, inductance coils and the like.
Various modifications can moreover be made to the embodiments shown and described in detail without departing from the scope of the invention.