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Transducteur électromécanique.
La présente invention concerne un transducteur électro- mécanique perfectionné,, ainsi que des circuits et des appareils as- sociés à celui-ci. Plus particulièrement, la présente invention con- cerne un transducteur, comprenant un élément déplaçable mécaniquement capable de produire un phénomène électrique variable, en rapport di- rect avec son déplacement, de sorte que le transducteur peut alors être utilise dans des installations spéciales basées sur ce phéno- mène.
L'électronique offre de nombreux cas, où il est parti- culièrement avantageux de transformer un mouvement mécanique en un signal électrique. On a proposé jusqu'à présent un grand nombre de transducteurs qui répondent à cette demande de différentes façons et avec plus ou moins de succès.
Parmi les appareils susceptibles de
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déplacements statiques, les plue typiques se présentent sous la . ' terme d'éléments tournants, comme par exemple les potentiomètres et les transformateurs variables, d'appareils linéaires comme les fils ' glissants, les sections accordées de guides d'ondes ou de lignes parallèles, et d'appareils sensibles aux déformations comme les ex- tensomètres et les appareils analogues. Pour des applications dyna- ; . miques, comme par exemple pour l'analyse des vibrations et l'étude du phénomène de la résonance, les lames, les contacts et les indi- cateurs visuels vibrants sont les plus couramment utilisés.
Chacun de ces appareils a néanmoins présenté certaines insuffisances ren- dant impossible son emploi universel, ces insuffisances tenant en particulier à des prix relativement élevés, à leur complexité, à des besoins importants en courant, à la nécessité de prévoir des amplifi- cateurs et des équipements auxiliaires, à un manque de précision, etc
La technique de la mesure d'un mouvement et d'un dépla- cement s'est largement développée ces dernières années, en même temps qu'évoluait l'analyse par des calculatrices électroniques et que se précisait le besoin de disposer de mesuresprécises susceptibles de s'adapter facilement aux entrées des calculatrices.
Il est en effet particulièrement intéressant que les dispositifs mesurant des accé- j lérations, des vitesses ou des déplacements fournissent un analogue électrique, destiné à être immédiatement utilisé dans un autre équi- pement de traitement.
Un besoin tout particulier s'est manifesté dans la tech- nique pour un dispositif oscillant peu coûteux, mais néanmoins pré- cis, qui puisse être accordé sur une fréquence périodique particuliè- re et sur des circuits de commande précis correspondants, ou bien qui puisse fournir une indication très nette de la présence d'un signal de la fréquence prédéterminée. Des dispositifs de ce genre sont par- ticulièrement utiles dans les oscillateurs, les contacteurs sensibles de la fréquence, les décodeurs servant à détecter un code de fréquen-. ce variable, les standards de fréquence, les filtres à bande passante
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étroite, et les dispositifs de toutes sortes sensibles à la fréquence ou la période, dans lesquels la variable est transformée en un signal électrique périodique.
La présente invention se propose de fournir une installa- tion et un appareil perfectionnés destinés à satisfaire tous les be- soins ci-dessus. A cet effet, l'invention a pour but de fournir un transducteur perfectionné dans lequel le déplacement mécanique d'une de ses parties modifie un signal électrique, qui est directement en rapport avec le déplacement.
Les autres buts de l'invention sont de fournir : un transducteur électromécanique perfectionné dont la construction est simple, qui ne nécessite aucun équipement compliqué, et qui est capable de produire un courant électrique variable direc- tement en rapport avec le déplacement mécanique d'un de ses éléments, - un appareil résonnant per@@ctionné susceptible de don- ner une indication électrique de l'existence d'un phénomène mécanique! ou électrique périodique prédéterminé.
- une installation résonnante perfectionnée capable de sélectionner avec précision un signal périodique présentant une seule fréquence voulue et de produire un signal de commande en réponse à ce signal périodique, tout en éliminant les autres signaux présentant des périodicités ne différant même que très légèrement.
- un circuit oscillant perfectionné présentant une apti- tude nettement supérieure à produire des .signaux, tout en fournissant une forme d'onde excellente et en ne nécessitant que des entrées mi- nimales de courant.
- un système oscillateur stable ne comprenant pas d'élé- ments actifs, comme par exemple des tubes à vide, des transistors, etc.
- un appareil résonnant perfectionné' utilisant un élément résonnant qui peut être accordé sur une gamme limitée.
- un dispositifd'excitation d'un élément résonnant, en
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utilisant des ensembles à électrostriction en association mécanique avec l'élément résonnant.
- un procédé perfectionné de réglage des caractéristiques vibratoires d'un transducteur électromécanique.
- un procédé permettant d'accorder les électrodes d'un transducteur rempli d'un gaz, en faisant passer dans le transducteur une surintensité de courant.
La présente invention a également pour but d'utiliser une caractéristique jusqu'à présent non appréciée à sa juste valeur que présente un dispositif, comportant une enveloppe remplit d'un gaz ainsi que des électrodes disposées à une certaine distance l'une de l'autre à l'intérieur de l'enveloppe, pour produire une sortie dépen- dant en partie de l'emplacement occupé par les électrodes à l'inté- rieur de l'enveloppe.
Dans une première forme de réalisation de la présente in- vention, une enveloppe cylindrique non conductrice de petites dimen- sions est obturée d'une manière étanche, et comporte deux électrodes s'étendant dans la cavité déterminée par l'enveloppe, les électrodes étant suspendues en porte-à-faux depuis l'une des extrémités de l'en- veloppe, et l'enveloppe étant chargée d'un gaz ionisable, par exemple de néon. Il est préférable.que l'une au moins des électrodes soit es- pacée de l'axe longitudinal de l'enveloppe de façon à obtenir une sortie de valeur optimale, bien que le dispositif puisse être mis en fonctionnement, avec un rendement toutefois inférieur, lorsque les électrodes sont disposées sensiblement sur l'axe longitudinal de l'en- veloppe.
Il est également préférable que les électrodes soient con- çues, disposées à l'intérieur de l'enveloppe, et retenues de telle sorte qu'une seule des électrodes soit normalement en mouvement, ou bien que les deux électrodes soient fixées l'une à l'autre afin de . les empêcher de se déplacer l'une par rapport à l'autre. Si les deux électrodes sont l'une et 'autre excitées et si elles sont libres de ss déplacer indépendamment l'une de l'autre, elles peuvent alors être
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utilisées à des fréquences indépendantes ou, selon la présente inven- tion, être accordées sur la même fréquence.
Bien que dans une première forme préférée de l'invention, dont la description détaillée est donnée ci-après, un appareil élec- j tromagnétique soit utilisé pour produire le déplacement mécanique des! électrodes par rapport à l'enveloppe, il est évident que l'on pourrait . utiliser d'autres techniques, qui pourraient comporter des transmis- sions mécaniques, des joints supplémentaires, etc. Le mouvement rela-. tif entre l'électrode et l'enveloppe peut être produit soit en dépla- çant l'électrode, soit en déplaçant l'enveloppe.
Dans la description qui suit, on décrit également deux systèmes particuliers utilisant le transducteur spécial de l'invention, ces systèmes se caractérisant par des avantages inattendus qu'ils présentent, tenant à leur gain élevé,' à leur simplicité et à la sélectivité élevée de la fréquence qu'ils permettent. Toutefois, de nombreuses applications supplémen- taires viendront immédiatement à l'esprit des spécialistes, applica- tions pour lesquelles les caractéristiques du transducteur de la pré- sente invention pourront être utilisées au mieux.
Selon le procédé constituant une partie importante de la présente invention, il est possible de modifier la masse de l'élec- trode de façon à changer les caractéristiques vibratoires du trans- ducteur. La'modification envisagée peut être une augmentation ou une diminution de la masse totale, ou consister simplement en une répar- tition des masses ou un procédé analogue. La caractéristique vibra- toire présentant le plus d'intérêt est la fréquence de résonance, bien que d'autres caractéristiques, telles.que la production d'har- moniques, puissent être également modifiées.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente in- ,vention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention.
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Sur ces dessins .la figure 1 est une vue de dessus en coupe longitudinale, d'une première forme de réalisation de l'invention. la figure 2 est une vue en coupe transversale de la forme de l'invention représentée sur la figure 1. la figure) est une vue eh coupe longitudinale d'une va- riante de l'invention, semblable sous de nombreux aspects à la forme .de réalisation de la figure 1. la figure 4 est une courbe typique de réponse de fréquence des transducteurs représentés sur les figures 1 à 4. la figure 5 est-le schéma d'un circuit représentant deux systèmes utilisant les transducteurs électromécaniques des figures 1 à 4. la figure 6 est le schéma d'un circuit représentant l'une des techniques automatiques et d'un circuit destiné à mettre en oeuvre le procédé de la présente invention.
Si l'on examine maintenant les dessins, et plus particu- lièrement 'es figures 1 et 2, celles-ci représentent un transducteur électromécanique 10, comprenant une enveloppe cylindrique 12 en verre à extrémité ouverte, remplie d'un milieu gazeux ionisable 14 et fermée à cette extrémité par un obturateur approprié 16, qui peut être égale- ment en verre ou en une matière imperméable aux gaz, susceptible de former un joint étanche avec la matière dont est faite l'enveloppe.
Deux électrodes 18 et 20 sont fixées dans l'obturateur 16 et s'éten- dent longitudinalement dans l'enveloppe 12. Comme on peut le voir nettement sur les figures 1 et 2, au moins l'électrode 20 est fortement décalée de l'axe longitudinal de l'enveloppe 12, et est disposée de préférence très près d'une partie 22 de la paroi de l'enveloppe. Bien que, dans la forme' de réalisation représentée, les électrodes s'éten- dent sensiblement sur toute la longueur de l'enveloppe 12 jusqu'à un endroit voisin de l'extrémité scellée 24, la longueur précise des électrodes 18 et 20 n'est pas critique, leur longueur étant déterminée
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par leurs caractéristiques mécaniques et de résonance voulues, la longueur de l'enveloppe étant au moins suffisante pour enfermer les électrodes.
Au cas où les électrodes 18 et 20 sont toutes deux pla- cées près de la partie 22 de la parole il convient de tenir compte alors des caractéristiques de résonance de chacune d'elles, ou bien les électrodes doivent être obligées de se déplacer du bloc comme dé- crit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 193.520 du 9 Mai 1962 et intitulée : "Electromechanical transducer and sys- tems relating thereto".
Dans la forme de réalisation particulière décrite, les électrodes 18 et 20 traversent l'obturateur d'extrémité 16, afin de ' former deux bornes 26 et 28. Les bornes sont relativement courtes et rigides, de façon à ce que des conducteurs souples 30 et 32 puissent y être fixés par n'importe quelle technique classique, comme par sou- dage, par enroulement, etc. Les conducteurs souples 30 et 32 peuvent être connectés à un très grand nombre de circuits, dont plusieurs se- ront décrits en détails ci-après.
Il est possible d'obtenir un grand nombre d'avantages de ' la présente invention en utilisant une seule électrode mobile 20 fi- xée en porte-à-faux sur l'obturateur d'extrémité 16. Puisqu'un second conducteur, sous quelle forme que ce soit, est essentiel, ce dernier peut être fixé le long de la surface de l'enveloppe 12, de préférence en l'espaçant de la partie 22 de la paroi, ou bien ce conducteur peut être un revêtement en "Aquadag" ou un revêtement conducteur semblable,; déposé sur la paroi non conductrice de l'enveloppe 12.
Dans tous les cas, il est extrêmement important, pour obtenir des caractéristiques : de sortie optimales, que l'électrode fixe soit écartée de l'électrode ; mobile, et soit également espacée de la partie voisine 22 de la paroi de l'enveloppe 12 pour obtenir des caractéristiques optimales de sor- j
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tie. 1$on n$utilïse qu'une seule électrode, une élec-*i Si l'on n'utilise qu'une seule électrode, ou si une élec-
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trode seulement est mise en mouvement d'une manière significative, la sortie périodique est fonction des caractéristiques vibratoires de l'électrode principale. Une seule pointe de résonance, semblable à celle que montre la figure 4 est ainsi produite.
De même, si les deux électrodes sont excitées et sont accordées selon la présente in- vention, il en résulte une courbe de réponse à une seule pointe, et, d'une manière générale, la pointe sera quelque peu plus raide que dans le cas d'une seule électrode en mouvement. Par contre, si les deux électrodes sont excitées, mais ne sont pas exactement accordées, il peut en résulter une courbe de réponse élargie ou bien deux pointes distinctes dans la courbe de réponse.
Les électrodes 18 et 20 peuvent être mises en mouvement au moyen de différentes techniques. Da@s la forme de réalisation des figures 1 et 2, un électro-aimant, comportant un bobinage 36 et un noyau 38 fixe, est disposé près de la partie 22 de la paroi de l'en- veloppe 12, et le noyau est orienté de telle sorte qu'un champ de flux magnétique est produit et comprerd dans son trajet au moins l'é- lectrode 20. Dans ces conditions, en vertu des lois du magnétisme, l'excitation de la bobine 36 produit un champ, qui amène les deux électrodes à être attirées en direction des pôles du noyau 38.
Comme il est préférable que l'électrode 18 soit disposée à l'extérieur du champ effectif de l'électro-aimant 36, le mouvement relatif de l'électrode 18 est insignifiant, et à peu près tout le déplacement de l'électrode 20 est perpendiculaire à la paroi 22 de l'enveloppe.
Pour que la forme de réalisation décrite puisse fonction- ner, il est évident que l'électrode 20 doit être en une matière pou- vant être attirée magnétiquement. Dans une première forme de réalisa- tion de l'invention, on utilise deux tiges en acier ayant approxima- tivement 50 mm de longueur et un diamètre de 0,4 mm. Dans une deuxiè- me forme de réalisation, deux fils métalliques, chacun de 13 mm envi- ron de longueur et formés à partir de "Vibralloy" comme matière pre- mière de 0,25 mm de diamètre, ont donné d'excellents résultats.
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fitealley5 Qat wi l1l11ge de nieîsel et de ter; avec 9 % environ de mol;rbcl8l10; t'tu! possède un Module de Young extrêmement stable aux vas'ia'ëiona de c,taaA Les électrodes peuvent être déplacées en u.
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t11isi deaeüeoo toch-niques, bien qu'une deflection magnétique soit ' la p1uo simple ois ealle qui est préférée. On pourrait employer une .j 'Eew,2 leGtG3t8t,1uf ou bien, avec des joints d'étanohéité ap- 11t;51'j21.AdGD il ooffîio 1îÎiJ8ib:':.o d '?,'J.ti2.1,se' .".nr: liaison mécanique pour l!-w.n11;'/l1@;, los dIoets'Qdos h j)c,!''t:1.l' de \* extérieur. On peut également, .
#f3 10 een do phûn!'nnèno8 sC';,:l tp,t0ires utiliser des électrodes de sassc hili?e;1-"Gr..n:GG et déplace? physiquement lenveloppe, en produisant ù1w. dos Emi70H!cmtG ?ûlaif.f3 entre l'enveloppe et les électrodes par aé,Q do lBitmv'ê&o âo ee32.eG ci Cette dernière façon de faire sera .'1('10""1':,,c') cm f1A,,;'\'1<G rj "1'f,"''' io 1.a figure 3..
Dans 1 fono 0:;:cj:';'tk; de réalisation de l'invention, le ?Me Q été fai-fe daas la<3n?âloppe 12. après quoi cette dernière a été !
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s'empile .c Sas 1\lOn" -Dr* a constaté que le dispositif fonctionnait ë.lops sur vno large gaiame de 7>?ësslons du gaz, et que la pression op- tissai du gas seL1blit. dépendra 'les autre:: caractéristiques physiques du roo6!.c.1G' y (;omprt 1"'éc<?.:r:3i!!,('.!1' des électrodes par rapport à la pa-
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s'oi voisine 22 de lfJen7elo::.1PG" i #>;-5. t?o d'<3;;:emp1e, on obtient des sor-
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fies relativement importantes5 lorsqu'on emploie pour le gaz néon des !
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pressions comprises entra lj5 et. 10 Millimètres de mercure.
Toutefois,: avee un enveloppe prexAÂ un diamètre de 10 millimètres, la sortie semble être optimale à le. foin on arolitude et en linéarité lorsqu'on emplaiQ des pressions de gaz ompr1z entre 15 et 5 mm de. Hg envi- ron!) et len obtient un Bieilleuy rendement et une meilleure linéarité ,n,,7ec des pressions eosiprises entre 2 et 3*5 mm de Hg. Des enveloppes de diamètre plus faible avse des pressions légèrement supérieures se sent également révélées h2l';,-:.me;;'l:t satisfaisantes.
Par exemple, des dispositifs absentant des diamètres da enveloppe de quelques milli- aëtpes seulement ¯1 l'ampoule au néon type NE 2. ont donné toute satisfaction ave@ des pressions do gas s'tageant dans un intervalle
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compris entre 15 et 30 mm de Hg. Toutefois* les techniques d'accord, qui seront décrites dans ce qui suit, s'appliquent mieux d'une maniè- re géniale aux appareils utilisant des pressions de gaz plus fai- bles. Bien que le néon semble être le milieu gazeux le plus avanta- geux du fait qu'on peut se le procurer facilement et du fait que son prix est relativement bas, il est possible d'employer un milieu ioni- sable quelconque, y compris le krypton, l'argon, le xénon, etc.,
ou des mélanges de divers gaz. Il est évident que le fabricant doit éta- blir un rapport entre les dimensions physiques des différents consti- tuants et les caractéristiques du gaz employé, afin de rendre optima- les la sortis et la linéarité du dispositif.
Une variante de l'invention est représentée sur la figure
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3. Son fonctionnement et sa construction ,#Sm.r:tâdr'S:s les 1n8mes que cour déjà décrits à. propos de la forme do réalisation des figures
1 et 2. L'enveloppe 12 comporte une extrémité fermée 24, l'autre ex- trémité étant fermée par un obturateur d'étanchéité 16 approprié. La cavité est chargée d'un gaz ionisable approprié, par exemple de néon.
Toutefois,dans la forme de réalisation de la figure 3, l'électro- aimant 36, 38 est remplacé par un dispositif ?'. électrostriction 40, fixé à l'enveloppe 12 en verre au moyen d'un ciment 42 convenant à cet usage. Pour ce faire, un ciment d'époxy, ou un ciment semblable, conviennent tout particulièrement. Le dispositif à électrostriction 40 peut être d'un type quelconque bien connu, ou être remplacé par un autre type de dispositif apte à faire vibrer l'enveloppe 12. Le dis- positif préféré est un transducteur au titanate de baryum en couches multiples. Un de ces dispositifs connu sous l'appellation de "Multi- morph" est bien approprié à cet usage.
Des dispositifs de ce type gé- aéral sont comme décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N
2.478.223 du 9 août 1949. Le dispositif à électrostriction fait vi- brer l'enveloppe transversalement par rapport à l'axe de l'électrode et fait appel ainsi à l'inertie de l'électrode pour produire le mou- vement relatif.
Le dispositif 40 peut être excité par l'intermédiaire
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', .Q paipe do G2,??.É$'ô:L9Wâ 4 -et 46 Le ochdma du icuit de la figure 5 représente deux uti- lisatieas lag0X>feaaiîc et. spéciales des transducteurs décrits ci-dès- j sSo @1@t imiepo est destiné à être utilisé comme oscillateur stobie et eosao t1 oncIDb sensible à la fréquence ou agissant en 2'opôaso à 0 VÓTI8liCeÓ Lv aode de fonctionnement est déterminé par la position do Dit@upt#t 4g Comme le montre la figure ;, un GOmmTIt0n bipolsis'e à detts directions 4 est mis à la position sup#ieTIsp pot eennester le cipeuit comme oscillateur.
Lorsque 1 i,z-. erupte le osfe placé à la position inférieure, le circuit est des... ' tiné &. êtes utilisé Gomme dispositif sensible à la fréquence,, comme filt?<3 01a eeBNRe da49,a Le bras mobile de l'interrupteur 48 est eemieetë bzz :lh1Z10 des boïnos du bobinage 36 de 1'électro-ainian' et 19p; bos?nô (11 'bob2,na,S3 36 est, connectée 'à un circuit commun ou sable de sise Q la masse a te bobinage 36 est excité, par l'inter- 9dae du ôüclü0iBTI 56a w3" ' premier enroulement 52 d'un trans- f'6&'llie/()0TI:>..'" 54 1P2.t'!-GS'o bos-ïio 4e l9eaoiïlemeat 52 du transformateur - étant {;5at10G'Gêo an eâblo f'P 4-; "ie0 à la niasse L'autre enroulement 58 du -r ef' ' a;
rwd 1:, ai ±#?##>-? le 33'NS ir' mode de fonctionnement pe2,' f3ti:re ,v.'.'' Qomnio 5t3iA 1' 0:<;1j,'(.ulcm;?1.1t primaire, comporte une do ses bernes COTll1#Ct80 Û ,a9a-a: des électrodes du transducteur 10. uir él@et5?ode dn 'b?EiisdTiot'Bur 10 est connectée à la masse 50. 1
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aimantp lequel atti2'e les 01trodes se trouvant à l'intérieur du ;
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transducteur 10.
Le mouvement des électrodes à l'intérieur du trans- , ducteur provoque une variation du courant traversant le transducteur, et par conséquent une variation du courant dans l'enroulement primai-, re 58 du transformateur. Cette variation engendre un courant supplé- mentaire dans l'enroulement 52 du transformateur, qui à son tour ren- force l'excitation du bobinage 36 de 1' électro-aimante Dans ces condi- tions, conformément aux principes bien connus des circuits oscillants, .les électrodes se déplacent dans une direction donnée jusqu'aux limi- tes possibles de leur mouvement,
à l'issue de quoi le courant traver- sant les électrodes tend à se stabiliser et, dans ces conditions, le courant passant dans l'enroulement 52 du transformateur diminue en produisant alors une diminution du' flux dans le bobinage 36 de l'élec- tro-aimant et le rappel des électrodes vers leurs positions de repos
Ce phénomène se répète avec une périodicité qui est fonction avant tout de caractéristiques de résonance des électrodes.
On a constaté que le circuit oscillant ci-dessus était très stable et d'un fonctionnement extrêmement sûr. Pendant toute la période de son fonctionnement normal, il produit une excellente forme d'onde et reste stable aux variations sur de grandes gammes des va- leurs de la température,, des tensions de fonctionnement et des autres caractéristiquesdu circuit.
Lorsque l'interrupteur 48 do la figure 5 est placé à la position inférieure, un signal contenant des fréquences quelconques ou des fréquences codées peut alors être appliqué aux bornes d'entrée
74 et 76.
La borne 76 est connectée à la masse 50, et la borne 74. est connectée par l'intermédiaire de l'interrupteur 48 au bobinage 36 de 1' électro-aimant. Le bobinage 36 se trouve ainsi excité par n'importe quel signal qui lui est appliqué mais, en raison de la nature de la résonance mécanique de l'électrode, cette dernière reste peu près insensible à toutes les fréquences, sauf à selle sur laquelle le bobi- nage et l'électrode sont accordés.
A la fréquence de résonance de la lame ou électrode, le mouvement est relativement important, et produit
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alors des variations très importantes du courant qui passe dans le circuit comprenant los électrodes, l'enroulement 58 du transformateur, la résistance 64 et la combinaison du potentiomètre 60 et de la pile .
62.
Une borne de sortie 68 est connectée à l'enroulement 52 du transformateur au moyen du second pôle 70 de l'interrupteur 48 et, dans cet arrangement, l'enroulement 52 devient alors un enroulement secondaire ou de sortie. La sortie à la borne 68 varie avec la fré- quence conformément à la courbe 78 de la ligure 4, et cette dernière constitue ainsi une courbe de qualité ou "Q" du circuit. Ainsi qu'il ressort de la courbe., le circuit présente un Q équivalent relative- ment élevé, et est donc extrêmement sélectif aux fréquences.
Dans la forme de réalisation décrite, où la fréquence de résonance est d'en-' viron 266 périodes par seconde, ce nombre étant indiqué par le trait plein 72, los points de demi-puissance, indiqués par les traits poin- tillés 80 et 82, se voruvent environ à 264. et 268 périodes par secon- de, respectivement. On estime pouvoir obtenir une sélectivité encore meilleure par un choix soigneux des composants et en recherchant la précision par le mode de la fabrication de l'électrode et des éléments associés.
On a fabriqué des transducteurs selon la présente inven-. tions qui présentent des fréquences de résonance comprises entre 200 ' i et 3.000 périodes par seconde. Toutefois, ces valeurs ne constituent pas une limitation, de la gamma des fréquences, car à volonté, on peut obtenir des fréquences plus élevées et plus basses. En choisissant avec soin les composants du transducteur et en portant une attention normale à sa fabrications on est en mesure de-concevoir un transduc- teur présentant une valeur prédéterminée de résonance.
Néanmoins, pour tenir compte des tolérances de fabrication et des caractéristi- ques Q élevées des transducteurs, il est extrêmement avantageux d'ac- corder chaque transducteur en considérant cette opération comme étant la phase finale de sa fabrication. De cette façon, on évitera la
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nécessité de choisir des paires ou groupes adaptés.
Selon la présente invention, chaque transducteur peut être accordé, ou bien ses caractéristiques de résonance et vibra- toires peuvent être modifiées, d'une manière spéciale. On a trouvé qu'il était possible de faire passer entre les deux électrodes ou, conducteurs un courant d'une intensité suffisante pour qu'un dépôt métallique se produise. La valeur du courant est néanmoins au-dessous . de celle à laquelle des effets destructeurs permanents sont occasion- nés à l'enveloppe en verre, au gaz ou aux autres éléments du trans- ducteur. D'une manière générale, le courant, de préférence unilatéral,' qui permet le mieux le transfert métallique, est d'environ dix fois le courant normal de fonctionnement du transducteur.
C'est ainsi que, dans une forme typique de réalisation, le courant normal est de 300 microampères, tandis que le transfert souhaitable da métal se produit entre 2,5 et 3,5 milliampères.
On a remarqué que, pour des valeurs relativement faibles du courant de transfert du métal, l'action semblait se concentrer près de l'extrémité libre des électrodes et que, lorsque la valeur du cou- rant augmentait, le transfert intéressait une partie plus importante du corps des électrodes. On a également noté que la cathode présentait une perte de masse, tandis que l'anode montrait une augmentation de sa masse légèrement inférieure à celle attendue. La différence entre les variations de ces deux masses a pour origine un certain dépôt du métal sur la paroi intérieure en verre et sur les autres corps enfermés dans l'enveloppe.
Il apparaît que le transfert de métal est avant tout le résultat du bombardement de la cathode par des ions positifs, lesquels, à leur tour déplacent des petites particules du métal de la cathode, qui sont amenées à se déposer sur l'anode et sur les parois intérieu- res de l'enveloppe.
Dans une forme typique de réalisation de l'invention uti- lisant des électrodes en fer-nickel-molydbène, on a constaté qu'un courant de transfert de métal d'une intensité de 3,5 milliampères
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produisait une variation de fréquence à la cathode de 10 périodes par seconde, par heure de transfert. Un circuit automatique permet- tant d'effectuer le réglage de la fréquence en modifiant les carac- téristiques de masse de la cathode est représenté sur la figure 6.
Dans ce circuit, un transducteur 10a est accordé à une valeur pré- déterminée de la fréquence en excitant l'une de ses électrodes 20a à partir d'un étalon de fréquence 84. La sortie de l'étalon de fré- j quence 84 est appliquée à un électro-aimant comprenant une pièce po- laire 38a et une bobine 36a. En pratique, la bobine et la pièce po- laire sont de préférence fixées à l'enveloppe en verre 12a, de ma- nière à former un ensemble d'une seule pièce.
Par ailleurs, pour monter le transducteur à la fois pour son étalonnage et pour son emploie.il est préférable de monter ensemble à l'abri des chocs l'en- veloppe en verre et l'appareil moteur de manière à ce qu'ils soient isolés mécaniquement de leur milieu environnant. On a trouvé, en pra- tique, qu'en ne montant l'ensemble complet qu'à ses fils de connexion choisis alors avec le degré voulu d'élasticité, on obtenait un excel- lent montage anti-choc et un isolement mécanique très satisfaisant de l'ensemble.
L'étalon de fréquence peut être un appareil d'un type quelconque bien connu, pourvu qu'il fournisse une sortie stable d'une fréquence bien déterminée et, de préférence, avec une forme d'onde sinusoïdale. Il existe divers générateurs à basse fréquence, dont l'étalonnage et la stabilité correspondent à ceux qui sont nécessaire)
Les électrodes 18a et 20a sont excitées à partir d'une alimentation 86 en courant continu, représentée sur la figure 6 sous la forme d'une pile uniquement pour la commodité de la description.
La borne négative d'alimentation est connectée à l'électrode 20a, qui. est celle la plus proche de l'excitateur et, également, de l'envelop- pe en verre 12a. La borne positive d'alimentation 86 est connectée, par l'intermédiaire d'un ampèremètre 88, d'un commutateur 90 normale-1 ment fermé en parallèle avec une résistance 122, et d'une résistance
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variable 92 de commande de l'intensité du courant, à l'électrode 18a disposée le plus vers le centre du .transducteur. On règle la résis- tance 92 de manière à faire passer dans le transducteur le courant . d'intensité nécessaire au transfert du métal et, par conséquent, à la modification des masses des électrodes.
Comme on l'a dit ci-dessus, dans une forme de réalisation de l'invention, on utilise à cet effet un courant de 3,5 milliampères.
Lorsque l'étalon de fréquence 84 excite l'électrode 18a le courant traversant le transducteur 10a comprend une composante de courant alternatif selon les enseignements de la présente invention.
Cette composante de courant.alternatif est couplée sur la grille d'une triode d'amplification 94 par l'intermédiaire d'un condensateur 96 et d'une résistance 98. La grille de l'amplificateur 94 est renvoyée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de grille 100. La pola- risation de la cathode de l'amplificateur 94- est assurée par le ré- seau de la cathode, comprenant la résistance 102 et le condensateur 104.
La sortie de l'amplificateur 94 est prise à l'anode et elle est appliquée à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur
110, d'une résistance de calibrage 106 et d'une bobine de relais 108.
Le retour du courant continu de l'amplificateur 94 à la masse s'ef- fectue par l'intermédiaire d'une résistance 112 et de l'alimentation . 114. Comme on l'a déjà fait remarquer plus -haut, l'alimentation 114 est représentée sous la forme d'une pile ; toutefois, une alimenta- tion d'un type quelconque bien réglée donne également satisfaction.
La bobine de relais 108 est munie d'un condensateur shunt
116 et est mécaniquement agencée de façon à ouvrir le contact 90 nor- malement fermé et à fermer le contact 118 normalement ouvert. En s'ouvrant, le contact 90 met la résistance 122 en série avec la ré- sistance variable 92 et, dans ces conditions, fait diminuer l'inten- sité du courant traversant le transducteur 10a.. La résistance 122 est choisie de manière à faire passer dans le transducteur un courant dont
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l'intensité est inférieure à celle qui est nécessaire pour provoquer le transfert du métal et, de ce fait, l'appareil fonctionne suivant son mode de fonctionnement normal.
Dans la forme typique de réalisa- tion de l'invention, décrite plus haut, la valeur de ce courant nor- male est de 350 microampères environ. En outre, l'excitation de la bobine de relais 108 provoque la fermeture du contact 118, lequel est en série avec une lampe témoin 120 mise sous tension par l'alimenta. tion 114.
Dans l'installation décrite, le transducteur 10a présente initialement une fréquence de résonance inférieure de la fréquence' prédéterminée telle qu'elle.est établie par l'excitateur 84. Comme l'électrode 20a est la cathode, sa masse est amenée à diminuer et sa fréquence de résonance à s'élever, comme déjà indiqué. La tension de sortie apparaissant aux bornes de la résistance 100 suit ainsi la courbe de la figure 4. A mesure que la masse de la cathode se trouve modifiée et que la fréquence de résonance de l'électrode 20a approche de la fréquence de l'excitateur, la tension du courant alternatif s'élève rapidement usqu'à un niveau où la bobine de relais 108 ac- tionne les commutateurs 90 et 118.
A ce moment, la modification de la masse de la cathode est achevée.
Compte tenu de ce que le transducteur se trouve sensible- ment surexcité par l'alimentation 86, la diminution du courant unila- téral n'engendre pas une réduction proportionnelle du signal en cou- rant alternatif. Par ailleurs, l'hystérésis présentée, par la bobine de relais 108 doit être suffisante pour maintenir l'ensemble en action après la suppression de la composante relativement importante en cou- rant continu. Si le circuit présente une certaine instabilité ou s'il se produit des oscillations, ces difficultés peuvent être facilement supprimées en utilisant, en ce qui concerne la bobine 108, des con- tacts de maintien.
Ainsi, les transducteurs 10 peuvent être accordés automa- tiquement de façon à former des appareils à Q élevé, comportant une
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réponse de fréquence très étroite à une fréquence réglée automatique- ment à quelques périodes près.
Bien qu'on ait décrit avec certains détails un certain nombre de modes de réalisation de là présente invention, d'autres ins- tallations utilisant le traducteur spécial et des variantes de celui- ci n'auront pas manqué de venir à l'esprit des spécialistes. Il semble que les caractéristiques inhabituelles de.la présente invention ont pour origine la circulation d'un courant variable entre les électrodes en raison de la proximité d'une électrode et d'une paroi, telle que celle de l'enveloppe 12. Au moment où les électrodes sont déplacées en direction de la partie 22 de la paroi en verre, le courant change ou varie. Bien que l'on préfère utiliser une paroi non conductrice, il semble que cet effet se manifeste également lorsque la paroi est con- ductrice.
Il est probable que ce phénomène est le résultat de la va- riation et de la reconstruction progressive du plasma, charge d'espace ou champ ionique qui entoure les électrodes pendant la conduction.
Cet effet peut être obtenu en plaçant l'électrode mobile, ou les é@@trodes mobiles, tout près de l'enveloppe comme décrit ci- dessus ou d'une autre façon, une paroi équivalente peut être réalisée en utilisant des dispositifs auxiliaires. Parmi les dispositifs auxi- liaires répondant à ce but, on peut citer des dispositifs mécaniques, tels que par exemple, une paroi ou barrière non conductrice montée à l'intérieur de l'enveloppe, et des dispositifs électriques, tels que par exemple une électrode polarisée montée rigidement afin de former en fait une paroi électrique.
On a constaté que, pour obtenir les meilleurs résultats, il est nécessaire que le gaz contenu dans l'enveloppe soit ionisé d'une manière continue et, par conséquent, que l'on doit appliquer entre les électrodes une tension suffisante pour assurer cette ionisa- tion, mais n'utiliser qu'une intensité limitée pour éviter une déchar- ge en arc au cours du fonctionnement normal du dispositif. Dans la forme de réalisation décrite, on a trouvé qu'une tension de 400 volts
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de l'alimentation 62, et un potentiomètre 60 d'un Mégohm connecté aux .bornes de l'alimentation, donnaient des résultats très satisfaisants.
Il semble qu'avec ces paramètres et avec les paramètres du gaz et du circuit donnés dans ce qui précède, l'espace de charge autour des é- lectrodes soit réellement modifié par leur mouvement en direction.de l'enveloppe, d'une façon telle que le courant se trouve alors diminué d'une manière sensiblement linéaire. La sortie est à peu près sinusoï- dale, quelle que soit la nature de l'entréepériodique.
Les variations sont très importantes et permettent de réa- liser des circuits simples avec des besoins en courant faibles ou né- gligeables, comme ceux indiqués ci-dessus. Néanmoins, les circuits sont capables de fournir des sorties très importantes. Les variations du courant sont produites par le mouvement physique des électrodes, lequel est si faible qu'il est parfois @mperceptible à l'oeil nu.
L'appareil est ainsi en mesure de fonctionner avec des fréquences beaucoup plus élevées que celles associées jusqu'à présent aux ré- sonnateurs mécaniques plus coûteux.
Il va de soi que la présente invention n'a été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que l'on pourra y apporter toutes variantes sans sortir de son cadre.
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Electromechanical transducer.
The present invention relates to an improved electromechanical transducer, as well as circuits and apparatus associated therewith. More particularly, the present invention relates to a transducer, comprising a mechanically displaceable element capable of producing a variable electrical phenomenon, directly related to its displacement, so that the transducer can then be used in special installations based on this. phenomenon.
Electronics offer many cases where it is particularly advantageous to transform a mechanical movement into an electrical signal. Up to now, a large number of transducers have been proposed which meet this demand in different ways and with varying degrees of success.
Among the devices likely to
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static displacements, the most typical are presented under the. 'term of rotating elements, such as for example potentiometers and variable transformers, linear devices such as sliding wires, tuned sections of waveguides or parallel lines, and devices sensitive to deformation such as ex - tensometers and similar devices. For dynamic applications; . As for example for the analysis of vibrations and the study of the phenomenon of resonance, plates, contacts and vibrating visual indicators are the most commonly used.
Each of these devices nevertheless presented certain shortcomings which made it impossible to use them universally, these shortcomings in particular due to the relatively high prices, their complexity, the high current requirements, the need to provide amplifiers and devices. auxiliary equipment, lack of precision, etc.
The technique of measuring movement and displacement has developed considerably in recent years, at the same time as analysis by electronic calculators has evolved and the need for precise measurements which can be easily adapt to calculator inputs.
It is in fact particularly advantageous that the devices measuring acceleration, velocity or displacement provide an electrical analogue, intended to be immediately used in other treatment equipment.
A very particular need has arisen in the art for an inexpensive, but nonetheless precise oscillating device which can be tuned to a particular periodic frequency and to corresponding precise control circuits, or which can be tuned to a particular periodic frequency. provide a very clear indication of the presence of a signal of the predetermined frequency. Devices of this kind are particularly useful in oscillators, frequency sensitive contactors, decoders for detecting a frequency code. this variable, frequency standards, passband filters
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narrow, and devices of all kinds sensitive to frequency or period, in which the variable is transformed into a periodic electrical signal.
The present invention sets out to provide an improved plant and apparatus for meeting all of the above needs. To this end, the invention aims to provide an improved transducer in which the mechanical displacement of one of its parts modifies an electrical signal, which is directly related to the displacement.
The other objects of the invention are to provide: an improved electromechanical transducer whose construction is simple, which does not require any complicated equipment, and which is capable of producing an electric current which varies directly in relation to the mechanical displacement of a device. of its components, - a perceptible resonant device capable of giving an electrical indication of the existence of a mechanical phenomenon! or predetermined periodic electric.
- an improved resonant installation capable of accurately selecting a periodic signal having a single desired frequency and producing a control signal in response to that periodic signal, while eliminating other signals with periodicity that differ even only slightly.
- an improved oscillating circuit exhibiting a markedly superior ability to produce signals, while providing an excellent waveform and requiring only minimal current inputs.
- a stable oscillator system not comprising active elements, such as for example vacuum tubes, transistors, etc .;
- an improved resonant apparatus using a resonant element which can be tuned over a limited range.
- an excitation device of a resonant element,
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using electrostriction assemblies in mechanical association with the resonant element.
- an improved method of adjusting the vibratory characteristics of an electromechanical transducer.
- A method for tuning the electrodes of a transducer filled with a gas, by passing an overcurrent through the transducer.
The object of the present invention is also to use a characteristic which has hitherto not been fully appreciated, presented by a device, comprising a casing filled with a gas as well as electrodes arranged at a certain distance from one of the further within the envelope, to produce an output dependent in part on the location occupied by the electrodes within the envelope.
In a first embodiment of the present invention, a non-conductive cylindrical shell of small dimensions is sealed, and has two electrodes extending into the cavity determined by the shell, the electrodes being. suspended in a cantilever manner from one end of the casing, and the casing being charged with an ionizable gas, for example neon. It is preferable that at least one of the electrodes is spaced from the longitudinal axis of the casing so as to obtain an output of optimum value, although the device can be put into operation, however with a lower efficiency. , when the electrodes are arranged substantially on the longitudinal axis of the envelope.
It is also preferable that the electrodes are designed, disposed within the casing, and retained such that only one of the electrodes is normally in motion, or that the two electrodes are attached to each other. the other in order to. prevent them from moving relative to each other. If the two electrodes are both excited and if they are free to move independently of each other, then they can be
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used at independent frequencies or, according to the present invention, be tuned to the same frequency.
Although in a first preferred form of the invention, the detailed description of which is given hereinafter, an electromagnetic apparatus is used to produce the mechanical displacement of the! electrodes relative to the casing, it is obvious that one could. use other techniques, which could involve mechanical transmissions, additional seals, etc. The rela- movement. The effect between the electrode and the shell can be produced either by moving the electrode or by moving the shell.
In the following description, two particular systems are also described using the special transducer of the invention, these systems being characterized by the unexpected advantages which they present, due to their high gain, to their simplicity and to the high selectivity of the device. the frequency they allow. However, many additional applications will immediately occur to those skilled in the art, in which the characteristics of the transducer of the present invention can be best utilized.
According to the method constituting an important part of the present invention, it is possible to modify the mass of the electrode so as to change the vibratory characteristics of the transducer. The contemplated modification may be an increase or decrease in the total mass, or simply consist of a distribution of masses or the like. The vibrational characteristic of most interest is the resonant frequency, although other characteristics, such as the production of harmonics, can be altered as well.
Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the description which will follow, given with reference to the appended drawings, and giving, by way of explanation, but in no way limiting, several embodiments in accordance with the invention.
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In these drawings. Figure 1 is a top view in longitudinal section, of a first embodiment of the invention. Figure 2 is a cross-sectional view of the form of the invention shown in Fig. 1. Figure) is a longitudinal sectional view of a variant of the invention, similar in many respects to the form . of embodiment of Figure 1. Figure 4 is a typical frequency response curve of the transducers shown in Figures 1 to 4. Figure 5 is a circuit diagram showing two systems using the electromechanical transducers of Figures 1 to 4. FIG. 6 is a diagram of a circuit representing one of the automatic techniques and of a circuit for implementing the method of the present invention.
Turning now to the drawings, and more particularly to Figures 1 and 2, these show an electromechanical transducer 10, comprising an open ended, cylindrical glass shell 12 filled with an ionizable gas medium 14 and closed at this end by a suitable shutter 16, which may also be made of glass or of a material impermeable to gases, capable of forming a tight seal with the material of which the envelope is made.
Two electrodes 18 and 20 are fixed in the shutter 16 and extend longitudinally into the casing 12. As can be clearly seen in Figures 1 and 2, at least the electrode 20 is strongly offset from the shell. longitudinal axis of the envelope 12, and is preferably disposed very close to a portion 22 of the wall of the envelope. Although in the embodiment shown the electrodes extend substantially the full length of the shell 12 to a location adjacent to the sealed end 24, the precise length of the electrodes 18 and 20 is 'is not critical, their length being determined
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by their desired mechanical and resonance characteristics, the length of the envelope being at least sufficient to enclose the electrodes.
In case the electrodes 18 and 20 are both placed close to the part 22 of the speech then the resonance characteristics of each of them must be taken into account, or the electrodes must be forced to move from the block. as described in US Patent Application No. 193,520 of May 9, 1962 and entitled: "Electromechanical transducer and systems relating thereto".
In the particular embodiment described, the electrodes 18 and 20 pass through the end shutter 16, to form two terminals 26 and 28. The terminals are relatively short and rigid, so that flexible conductors 30 and 32 can be attached to it by any conventional technique, such as by welding, by winding, etc. The flexible conductors 30 and 32 can be connected to a very large number of circuits, several of which will be described in detail below.
A large number of advantages of the present invention can be achieved by using a single movable electrode 20 cantilevered over the end plug 16. Since a second conductor, under which whatever form is essential, the latter can be fixed along the surface of the casing 12, preferably by spacing it from the part 22 of the wall, or else this conductor can be an "Aquadag" coating. or a similar conductive coating; deposited on the non-conductive wall of the casing 12.
In any case, it is extremely important, in order to obtain optimum output characteristics: that the fixed electrode is separated from the electrode; movable, and is also spaced from the neighboring part 22 of the wall of the casing 12 in order to obtain optimum outflow characteristics.
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tie. 1 $ only one electrode is used, an electec- * i If only one electrode is used, or if an electec-
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Only the trode is set in motion in a significant way, the periodic output is a function of the vibratory characteristics of the main electrode. A single resonance peak, similar to that shown in Figure 4 is thus produced.
Likewise, if both electrodes are energized and are tuned according to the present invention, a single-tip response curve results, and in general, the tip will be somewhat steeper than in the case of of a single moving electrode. On the other hand, if the two electrodes are excited, but are not exactly tuned, this may result in a widened response curve or else two distinct peaks in the response curve.
The electrodes 18 and 20 can be set in motion by means of various techniques. In the embodiment of Figures 1 and 2, an electromagnet, comprising a coil 36 and a fixed core 38, is disposed near the portion 22 of the wall of the casing 12, and the core is oriented so that a field of magnetic flux is produced and compressed in its path at least the electrode 20. Under these conditions, by virtue of the laws of magnetism, the excitation of the coil 36 produces a field, which causes the two electrodes to be attracted towards the poles of the core 38.
Since it is preferable that the electrode 18 is disposed outside the effective field of the electromagnet 36, the relative movement of the electrode 18 is insignificant, and nearly all of the movement of the electrode 20 is. perpendicular to the wall 22 of the envelope.
In order for the described embodiment to function, it is evident that the electrode 20 must be of a material capable of being magnetically attracted. In a first embodiment of the invention, two steel rods are used approximately 50mm in length and 0.4mm in diameter. In a second embodiment, two metal wires, each about 13 mm in length and formed from "Vibralloy" as raw material 0.25 mm in diameter, gave excellent results.
The
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fitealley5 Qat wi l1l11ge de nieîsel and de ter; with about 9 mol%; rbcl8l10; you! has an extremely stable Young's modulus to vas'ia'ëiona of c, taaA The electrodes can be moved in u.
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t11isi deaeüeoo toch-niques, although a magnetic deflection is the preferred single-site p1uo. One could use a .j 'Eew, 2 leGtG3t8t, 1uf or else, with etanoheity seals ap- 11t; 51'j21.AdGD il ooffîio 1îÎiJ8ib:' :. od '?,' J.ti2.1, se '. ". nr: mechanical link for l! -w.n11;' / l1 @ ;, los dIoets'Qdos hj) c,! '' t: 1.l 'from outside. We can also,.
# f3 10 een do phûn! 'nnèno8 sC';,: l tp, t0ires use sassc hili? e electrodes; 1- "Gr..n: GG and physically move the envelope, producing ù1w. back Emi70H! cmtG ? ûlaif.f3 between the envelope and the electrodes by aé, Q do lBitmv'ê & o âo ee32.eG ci This last way of doing things will be .'1 ('10 "" 1 ': ,, c') cm f1A ,, ; '\' 1 <G rj "1'f," '' 'io 1.a figure 3 ..
In 1 fono 0:;: cj: ';' tk; embodiment of the invention, the? me Q was made in the <3n? âloppe 12. after which the latter was!
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Stacks up. C Airlock 1 \ lOn "-Dr * found that the device was operating ë.lops on a wide range of 7> ësslons of gas, and that the optimum gas pressure was set. will depend on the others: : physical characteristics of roo6! .c.1G 'y (; omprt 1 "' ec <?.: r: 3i !!, ('.! 1' of the electrodes with respect to the pa-
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s'oi neighbor 22 of lfJen7elo ::. 1PG "i #>; - 5. t? o of <3 ;;: emp1e, we get sor-
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relatively high costs5 when neon gas is used!
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pressures included between lj5 and. 10 Millimeters of mercury.
However: with a prexAÂ envelope with a diameter of 10 millimeters, the output seems to be optimal at the. hay one arolitude and linearity when employing gas pressures ompr1z between 15 and 5 mm. Hg approx!) And len obtains a Bieilleuy efficiency and a better linearity, n ,, 7ec of pressures taken between 2 and 3 * 5 mm of Hg. Smaller diameter envelopes with slightly higher pressures are also felt to be h2l ';, - :. me ;;' l: t satisfactory.
For example, devices missing shell diameters of only a few milli-heads ¯1 the type NE 2 neon bulb. Have given complete satisfaction with gas pressures varying over a range.
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between 15 and 30 mm Hg. However, the tuning techniques, which will be described in the following, are geniusly better applicable to apparatus using lower gas pressures. Although neon appears to be the most advantageous gaseous medium due to its easy availability and relatively low price, any ionizable medium can be employed, including krypton, argon, xenon, etc.,
or mixtures of various gases. It is obvious that the manufacturer must establish a relation between the physical dimensions of the different constituents and the characteristics of the gas employed, in order to optimize the output and the linearity of the device.
A variant of the invention is shown in figure
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3. Its operation and construction, # Sm.r: talr'S: s the 1n8mes that court already described in. About the embodiment of the figures
1 and 2. The casing 12 has a closed end 24, the other end being closed by a suitable sealing plug 16. The cavity is charged with a suitable ionizable gas, for example neon.
However, in the embodiment of Figure 3, the electromagnet 36, 38 is replaced by a device. electrostriction 40, fixed to the glass casing 12 by means of a cement 42 suitable for this use. For this, an epoxy cement, or a similar cement, is particularly suitable. The electrostriction device 40 may be of any well known type, or be replaced by another type of device capable of vibrating the envelope 12. The preferred device is a multi-layered barium titanate transducer. One of these devices known under the name of "Multimorph" is well suited for this use.
Devices of this general type are as described in U.S. Patent No.
2.478.223 of August 9, 1949. The electrostriction device causes the envelope to vibrate transversely with respect to the axis of the electrode and thus uses the inertia of the electrode to produce the relative movement.
The device 40 can be energized via
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', .Q paipe do G2, ??. É $' ô: L9Wâ 4 -et 46 The ochdma of the icuit of figure 5 represents two uses lag0X> feaaiîc and. special transducers described below sSo @ 1 @ t imiepo is intended to be used as a frequency-sensitive stobia and eosao t1 oncIDb oscillator or acting in 2'opôaso at 0 VÓTI8liCeÓ The operating aode is determined by the position of Said @ upt # t 4g As shown in figure;, a bipolsized GOmmTIt0n with detts directions 4 is set to the upper position to make the cipeuit an oscillator.
When 1 i, z-. erupte the osfe placed in the lower position, the circuit is ... 'tiné &. The movable arm of switch 48 is used as a frequency sensitive device, such as filt? <301a eeBNRe da49, a The movable arm of the switch 48 is removed from the boïnos of the coil 36 of the electro-ainian 'and 19p; bos? nô (11 'bob2, na, S3 36 is, connected' to a common circuit or sise sand Q the ground at the winding 36 is excited, through the inter- 9dae of the ôüclü0iBTI 56a w3 "'first winding 52 d 'un trans- f'6 &' llie / () 0TI:> .. '"54 1P2.t'! - GS'o bos-ïio 4e l9eaoiïlemeat 52 of the transformer - being {; 5at10G'Gêo an eâblo f'P 4 -; "ie0 to the mass The other winding 58 of -r ef '' a;
rwd 1 :, ai ± #? ##> -? the 33'NS ir 'operating mode pe2,' f3ti: re, v. '.' 'Qomnio 5t3iA 1' 0: <; 1j, '(. ulcm;? 1.1t primary, has one of its bernes COTll1 # Ct80 Û, a9a-a: electrodes of transducer 10. uir el @ et5? Ode dn 'b? EiisdTiot'Bur 10 is connected to ground 50. 1
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A xn s :. . '50 is connected to a potential source 'p @ ppsentêc by 10. battery 62 iine its common connection of the battery and the # pOtP, sd> t' 't' is eonneetés au. ûâbla -the Mass 50.
The cursor of the poten-l 'b't3C) 60 is C'a'ua. ! 9Cr3 by. ' 3'A'f: û! C''s'. of a resistance 64, to. er, u- primary 5S dn tyans? 9?! aa '.', 9U? o A capacitor 66 is j
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eemeete to the correct '9'q't'. '2Q.ß => ss', "..? of the windings 52 and 58 for the filtering and filtering. with the above arrangement of the broadcast QÍ; Hrî; itum" itt1 The closing of the switch 48 produces a current re: 'r; .rer6; p'3t \ imoostaat in the coil 36 of the electro-
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magnet which atti2'e the 01trodes located inside the;
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transducer 10.
The movement of the electrodes within the transducer causes a variation in the current through the transducer, and therefore a variation of the current in the primary winding 58 of the transformer. This variation generates an additional current in the winding 52 of the transformer, which in turn strengthens the excitation of the winding 36 of the electromagnet. Under these conditions, in accordance with well known principles of oscillating circuits, .the electrodes move in a given direction up to the possible limits of their movement,
at the end of which the current flowing through the electrodes tends to stabilize and, under these conditions, the current flowing in the winding 52 of the transformer decreases, thus producing a decrease in the flux in the winding 36 of the electric - tro-magnet and the return of the electrodes to their rest positions
This phenomenon is repeated with a periodicity which depends above all on the resonance characteristics of the electrodes.
The above oscillating circuit has been found to be very stable and extremely safe in operation. During the entire period of its normal operation, it produces an excellent waveform and remains stable to variations over wide ranges of the values of temperature, operating voltages and other characteristics of the circuit.
When switch 48 of Figure 5 is set to the lower position, a signal containing any frequencies or coded frequencies can then be applied to the input terminals.
74 and 76.
Terminal 76 is connected to ground 50, and terminal 74 is connected through switch 48 to coil 36 of the electromagnet. The coil 36 is thus excited by any signal applied to it but, due to the nature of the mechanical resonance of the electrode, the latter remains more or less insensitive to all frequencies, except at the saddle on which the electrode. coil and electrode are matched.
At the resonant frequency of the blade or electrode, the movement is relatively large, and produces
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then very significant variations in the current which passes through the circuit comprising the electrodes, the winding 58 of the transformer, the resistor 64 and the combination of the potentiometer 60 and the battery.
62.
An output terminal 68 is connected to the transformer winding 52 by means of the second pole 70 of the switch 48 and, in this arrangement, the winding 52 then becomes a secondary or output winding. The output at terminal 68 varies with frequency according to curve 78 of Figure 4, and the latter thus constitutes a quality or "Q" curve of the circuit. As can be seen from the curve, the circuit has a relatively high equivalent Q, and is therefore extremely selective at frequencies.
In the embodiment described, where the resonant frequency is about 266 periods per second, this number being indicated by the solid line 72, the half-power points, indicated by the dotted lines 80 and 82, devoured approximately to 264 and 268 periods per second, respectively. It is believed that an even better selectivity can be obtained by careful selection of the components and by seeking precision by the mode of manufacture of the electrode and associated elements.
Transducers have been manufactured according to the present invention. tions which have resonant frequencies between 200 'i and 3,000 periods per second. However, these values do not constitute a limitation, of the gamma of the frequencies, because at will, higher and lower frequencies can be obtained. By carefully choosing the components of the transducer and paying normal attention to its manufacture one is able to design a transducer having a predetermined value of resonance.
Nevertheless, in order to take into account the manufacturing tolerances and the high Q characteristics of the transducers, it is extremely advantageous to tune each transducer by considering this operation to be the final phase of its manufacture. In this way, we will avoid the
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need to choose suitable pairs or groups.
According to the present invention, each transducer can be tuned, or its resonance and vibration characteristics can be changed, in a special way. It has been found that it is possible to pass between the two electrodes or conductors a current of sufficient intensity for a metallic deposition to occur. The value of the current is nevertheless below. that to which permanent destructive effects are caused to the glass casing, to the gas or to other elements of the transducer. In general, the current, preferably one-sided, which best allows the metal transfer, is about ten times the normal operating current of the transducer.
Thus, in a typical embodiment, the normal current is 300 microamps, while the desirable metal transfer occurs between 2.5 and 3.5 milliamps.
It has been noticed that, for relatively low values of the metal transfer current, the action seemed to concentrate near the free end of the electrodes and that as the value of the current increased, the transfer involved a larger part. of the body of the electrodes. It was also noted that the cathode exhibited a loss in mass, while the anode showed an increase in its mass slightly less than expected. The difference between the variations of these two masses is due to a certain deposit of the metal on the interior glass wall and on the other bodies enclosed in the envelope.
It appears that the transfer of metal is primarily the result of the bombardment of the cathode with positive ions, which in turn displace small particles of the metal from the cathode, which are caused to deposit on the anode and on them. inner walls of the envelope.
In a typical embodiment of the invention using iron-nickel-molydbene electrodes, it has been found that a metal transfer current of an intensity of 3.5 milliamps
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produced a change in frequency at the cathode of 10 periods per second, per transfer hour. An automatic circuit allowing the frequency to be adjusted by modifying the mass characteristics of the cathode is shown in figure 6.
In this circuit, a transducer 10a is tuned to a predetermined value of frequency by energizing one of its electrodes 20a from a frequency standard 84. The output of frequency standard 84 is applied to an electromagnet comprising a polar part 38a and a coil 36a. In practice, the coil and the pole piece are preferably attached to the glass casing 12a, so as to form a single piece assembly.
Moreover, in order to mount the transducer both for its calibration and for its use, it is preferable to mount together, sheltered from shocks, the glass casing and the driving apparatus so that they are mechanically isolated from their surrounding environment. It has been found, in practice, that by mounting the complete assembly only to its connecting wires then chosen with the desired degree of elasticity, an excellent shock-proof assembly and a very good mechanical insulation are obtained. satisfactory overall.
The frequency standard can be any well-known type of device, provided that it provides a stable output of a well-defined frequency and, preferably, with a sinusoidal waveform. There are various low frequency generators, the calibration and stability of which are as needed)
Electrodes 18a and 20a are energized from a DC power supply 86, shown in Figure 6 as a battery only for convenience of description.
The negative supply terminal is connected to the electrode 20a, which. is the one closest to the exciter and also to the glass casing 12a. The positive supply terminal 86 is connected, through an ammeter 88, a switch 90 normally closed in parallel with a resistor 122, and a resistor
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variable 92 for controlling the intensity of the current, with the electrode 18a placed most towards the center of the .transducteur. Resistor 92 is adjusted to pass current through the transducer. of intensity necessary for the transfer of the metal and, consequently, for the modification of the masses of the electrodes.
As stated above, in one embodiment of the invention, a current of 3.5 milliamps is used for this purpose.
When the frequency standard 84 energizes the electrode 18a the current flowing through the transducer 10a comprises an AC component according to the teachings of the present invention.
This alternating current component is coupled to the gate of an amplifying triode 94 via a capacitor 96 and a resistor 98. The gate of the amplifier 94 is returned to ground by the. through a gate resistor 100. The polarization of the cathode of amplifier 94- is provided by the cathode network, comprising resistor 102 and capacitor 104.
The output of amplifier 94 is taken at the anode and is applied to ground through a capacitor
110, a calibration resistor 106 and a relay coil 108.
The return of the direct current from amplifier 94 to ground is effected through a resistor 112 and the power supply. 114. As noted above, power supply 114 is shown as a battery; however, any kind of well-regulated power supply is also satisfactory.
Relay coil 108 is provided with a shunt capacitor
116 and is mechanically arranged to open the normally closed contact 90 and to close the normally open contact 118. On opening, contact 90 places resistor 122 in series with variable resistor 92 and, under these conditions, decreases the intensity of the current flowing through transducer 10a. Resistor 122 is chosen so as to pass a current through the transducer whose
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the current is less than that necessary to cause the transfer of the metal and, therefore, the apparatus operates in its normal mode of operation.
In the typical embodiment of the invention, described above, the value of this normal current is about 350 microamperes. Furthermore, the energization of the relay coil 108 causes the closing of the contact 118, which is in series with a pilot lamp 120 energized by the power supply. tion 114.
In the installation described, the transducer 10a initially exhibits a resonant frequency lower than the predetermined frequency as established by the exciter 84. As the electrode 20a is the cathode, its mass is caused to decrease and its resonant frequency to rise, as already indicated. The output voltage appearing at the terminals of resistor 100 thus follows the curve of FIG. 4. As the mass of the cathode is modified and the resonant frequency of the electrode 20a approaches the frequency of the exciter , the AC voltage quickly rises to a level where relay coil 108 operates switches 90 and 118.
At this time, the modification of the mass of the cathode is complete.
Since the transducer is substantially overexcited by the power supply 86, the decrease in the one-sided current does not cause a proportional reduction of the signal in the alternating current. Furthermore, the hysteresis presented by the relay coil 108 must be sufficient to keep the assembly in action after the removal of the relatively large component in direct current. If the circuit exhibits some instability or if oscillations occur, these difficulties can be easily overcome by using, with respect to coil 108, holding contacts.
Thus, the transducers 10 can be automatically tuned to form high Q devices with
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very narrow frequency response at a frequency set automatically within a few periods.
Although a number of embodiments of the present invention have been described in some detail, other installations using the special translator and variations thereof will not fail to come to mind. specialists. It appears that the unusual features of the present invention originate from the flow of a variable current between the electrodes due to the proximity of an electrode and a wall, such as that of the shell 12. At the time. where the electrodes are moved towards the portion 22 of the glass wall, the current changes or varies. Although it is preferred to use a non-conductive wall, it appears that this effect also manifests itself when the wall is conductive.
It is probable that this phenomenon is the result of the variation and the progressive reconstruction of the plasma, space charge or ionic field which surrounds the electrodes during conduction.
This effect can be achieved by placing the movable electrode, or movable electrodes, close to the casing as described above or alternatively, an equivalent wall can be made using auxiliary devices. Among the auxiliary devices meeting this aim, mention may be made of mechanical devices, such as, for example, a non-conductive wall or barrier mounted inside the casing, and electrical devices, such as, for example, an electrode. polarized rigidly mounted to effectively form an electrical wall.
It has been found that, in order to obtain the best results, it is necessary for the gas contained in the envelope to be ionized in a continuous manner and, consequently, that a sufficient voltage must be applied between the electrodes to ensure this ionization. - tion, but only use a limited current to avoid an arc discharge during normal operation of the device. In the described embodiment, it was found that a voltage of 400 volts
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power supply 62, and a potentiometer 60 of a Megohm connected to the power supply terminals, gave very satisfactory results.
It seems that with these parameters and with the gas and circuit parameters given in the above, the charge space around the electrodes is actually modified by their movement towards the envelope, in a way such that the current is then reduced in a substantially linear manner. The output is roughly sinusoidal, regardless of the nature of the periodic input.
The variations are very large and allow simple circuits to be made with low or negligible current requirements, such as those indicated above. However, the circuits are capable of providing very large outputs. The variations in current are produced by the physical movement of the electrodes, which is so small that it is sometimes visible to the naked eye.
The apparatus is thus able to operate with much higher frequencies than those associated hitherto with more expensive mechanical resonators.
It goes without saying that the present invention has been described above for explanatory purposes only, but in no way limiting, and that any variants can be made without going beyond its scope.