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Elément de mesure électremagnétique.
Qualification proposée : BREVET D'INVENTION
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L'invention concerne les éléments de mesure électromagnétiques destinés principalement à être utilisés dans les voltmètres, les ampèremètres, les appareils indi- cateurs nt dans d'autres appareils de mesure, ainsi que pour les relais électromagnétiques à armature rotative.
On connaît des éléments de mesure électromagné- tiques dotés d'éléments ferromagnétiques mobiles et fixes dans lesquels l'élément ferromagnétique fixe est muni d'une bobine de mesure dont le flux magnétique, engendré par le courant qui la traverse,se ferme en passant consécutive- ment à travers les éléments ferromagnétiques mobiles et fixes et les entrefers qui les séparent, et crée un couple proportionnel au courant de l'enroulement de mesure, tandisque l'élément ferromagnétique fixe est relié à l'aiguille et est disposé de manière à pouvoir pivoter.
Dans un des éléments de mesure électromagnétiques connus, on enploie, en qualité de bobine de mesure, une bobine cylindrique à l'intérieur de laquelle un noyau fer-
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1'ozagnétique nobile est noté symétriquement par rapport à l'axe de la bobine (Voir le brevet RFA N 1.083.421, 972.524, classe 21e, 302). Un noyau fixe est disposé au côté intérieur de la bobine.
L'axe de rotation de l'équipage mobile coïncide avec l'axe de la bobine et l'équipage mobile effectue, pendant le déplacement, un mouvement circulaire.
On connaît également un élément de mesure élec- tromagnétique dont l'axe de rotation de l'équipage mobile s'étend perpendiculairement à l'axe de la bobine de mesure et l'élément fixe est construit de façon à pouvoir pénétrer dans l'enceinte intérieure de la bobine de mesure (Voir
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brevet RFA.N 1.092.562 classe 21e, 302).
On connaît également divers éléments de mesure électromagnétiques, par exemple ceux dans lesquelles la bobine est disposée sur l'élément ferromagnétique fixe et l'élément ferromagnétique mobile est à l'extérieur de la bobine et est en interaction avec l'élément ferromagné- tique fixe (Voir brevet RFA.N . 1.006.062, classe 21e,302).
Les éléments de mesure électromagnétiques connus énumérés présentent essentiellement les inconvénients suivants : utilisation insuffisante du flux magnétique qui, pour une part importante, est dispersé et n'est pas utilisé efficacement ; sensibilité relativement limitée, ainsi qu'action sur la suspension de l'équipage mobile des charges dirigées perpendiculairement ou parallèlement par rapport à l'axe de rotation de l'élément mobile.
La présente invention vise à éliminer les incon- vénients mentionnés et a pour objet un élément de mesure électromagnétique possédant une sensibilité élevée, de con- struotion simple et permettant un réglage et un ajustage aisés.
Un autre but de l'invention est la création d'un élément de mesure électromagnétique pour les appareils de haute précision possédant une protecion contre l'action des champs magnétiques et la caractéristique approximative- ment linéaire de l'échelle.
En outre, l'invention a pour objet un appareil à équipage mobile buté ou un appareil avec l'échelle compor- tant un secteur pour la mesure des surcharges ou encore un appareil à cadran portant une échelle étendue, l'angle de déviation de l'aiguille étant plus do 270 .
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Un autre but de l'invention est la création d'un élément de mesure électromagnétique suffisamment universel pour pouvoir être utilisé pour des appareils de différents encombrements et de différentes classes de précision.
Pour l'obtention des buts ci-dessus énumérés on s'est assigné la tâche d'utiliser au maximum la sur- face de l'élément mobile,afin d'accroître l'inductance de la bobine de mesure.
Ce problème est résolu au moyen d'un élément dé mesure électromagnétique doté d'éléments ferromagnétiques mobile et fixe, dans lequel l'élément fixe est muni de pièces polaires, possédant des fentes pour recevoir l'élé- ment mobile et d'un enroulement de mesure dont le flux magnétique se renferme en série à travers les éléments fixé et mobile et les entrefers entre eux et crée un couple qui cause le déplacement de l'élément mobile dont la forme est asymétrique par rapport à son axe de rotation ; les pièces polaires de l'élément fixe sont de formes différentes et sont asymétriques entre elles par rapport à l'axe de rotation de l'élément mobile.
Il est rationnel que les rapports des distances à partir de l'axe de rotation de l'élément ferromagnétique mobile jusqu'au point le plus rapproché de cet axe se trouvant sur l'arête de l'élément mobile qui se déplace dans la fente de la pièce polaire la plus éloignée de l'axe mentionné et celle à partir de l'axe de rotation de l'élément mobile jusqu'au point le plus éloigné de cet axp de l'arête de l'élément mobile soient, compris dans la gamme de 0,1 à 1 et que la distance entre les pointa située sur les arêtes se trouvant l'une en regard
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de l'autre des pièces polaires de l'élément mobile soit comprise dans la gamme de 0,1 à 3 unités relatives, l'unité relative étant la distance maximale de l'arête de l'élément mobile à son axe de rotation.
Pour la variante d'exécution prévoyant un angle de déviation élevé de l'aiguille, la pièce polaire la plus éloignée de l'axe de rotation de l'élément mobile peut être exécutée de façon à envelopper l'autre pièce polaire sur un angle allant jusqu'à 320 .
Il est aussi rationnel que, lors de la dé- viation complète de l'élément ferromagnétique mobile, le rapport de l'aire de l'entrefer compris entre l'élé- ment ferromagnétique mobile et la pièce polaire la moins éloignée de l'axe de rotation de l'élément mobile, à l'aire de l'entrefer entre l'élément mobile et la pièce polaire la plus éloignée de l'axe mentionné, soit comprisdans la gamme de-0,5 + 10.
Pour employer le mécanisme de mesure, par exemple en qualité de voltmètre, il est utile d'exécuter l'enroulement de mesure avec aes fils dont la résistivité est supérieure à 0,03 ohm mm2.
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Les autres buts et avantages de l'invention sont mis en évidence dans la description et les dessins dans lesquels: - les figures 1 et 2 représentent respectivement de coté et de l'avant un élément de mesure, conformément à l'in- vention, par exemple pour un ampèremètre ou un volt- mètre, avec l'échelle aproximativement linéaire.
- les figures 3, 4, 5, 6, 7, 8 montrent des formes pos- sibles d'éxécution de l'él ément ferromagnétique mobile;
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- la fig. 9 représente un élément de mesure, suivant l'invention, pour un ampèremètre ou un voltmètre, avec une portion de l'échelle pour la mesure des surcharges, et - la fig. 10 montre l'élément de mesure électromagnétique, pour un appareil avec un angle de déviation de l'aiguille de 320 .
On utilise pour la description des formes de réalisation de l'invention représentées aux dessins, une terminologie concrète limitée pour la clarté de l'exposé.
Cependant l'invention n'est pas limitée par le termino- logie adoptée et il est indispensable de considérer que chaque terme englobe tous les éléments, équivalents, fonctionnant de façon analogue et employés pour résoudre les mêmes tâches.
L'élément ferromagnétique fixe (circuit magné- tique) est constitué par une tige principale 1 (fig. 1,2) sur laquelle sont montées une bobine 2 et des pièces po- laires 5 et 6 qui y sont fixées par des vis 3 et 4.
Les pièces polaires 5 et 6 sont exécutées avec une fente 7 et un élément ferromagnétique mobile 8 est disposé entre elles. L'axe 9 de l'élément ferro- magnétique mobile 8 portant une aiguille 10 (les autres éléments de l'appareil, par exemple l'élément élastique de rappel, etc ne sont pas représentés au dessin), est disposé dans la sphère de la pièce polaire 5 com- portant une fente 11 terminée par un orifice 12 permet- tant le passage de l'axe 9 et pratiquée pour la commodité de l'assemblage du mécanisme.
La pièce polaire 6 la plus éloignée de l'axe de rotation de l'élément mobile mentionné appelée plus loin la " pièce polaire extérieure" et l'élément mobile
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8 forment entre eux un entrefer 13; la pièce polaire 5 la moins éloignée de cet axe de rotation, par la suite appelée la "pièce polaire intérieure" et l'élément mobile 8 forment un entrefer 14.
Afin d'atteindre un haut degré de sensibilité avec une déviation importante, l'élément mobile 8 est asymétrique par rapport à son axe de rotation 9.
L'élément ferromagnétique mobile 8, en tour- nant sur son axe 9, se déplace dans les fentes 7 des pièces polaires 5 et 6, en changeant la perméance des entrefers 13 et 14, par suite du changement de l'aire des entrefers.
La variation de la perméance des entrefere 13 et 14 en fonction de l'angle de rotation de l'élément mobile 8 peut s'effectuer différemment.
Dans un cas
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où G13 est la perméance de l'entrefer 13,
G14 est la perméance de l'entrefer 14, a est l'angle de rotation de l'élément mobile 8.
Dans ce cas le couple M est déterminé par la rotation:
EMI7.2
qù JW sont les ampères-tours de la bobine 2.
Dans ce cas il est rationnel au cas de la dé- viation complote de l'élément mobile (ce - [alpha]max.) d'adopter pour rapport de perméances des entrefers la valeur
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G13max = 1
G14max où G13max et G14max sont respectivement les perméances maximales des entrefers 13 et 14 en cas de déviation complète.
Dans un autre cas,, si:,
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le couple est obtenu par la relatiop:
EMI8.2
Dans ce cas il est rationnel d'adopter pour le rapport entre les perméances des entrefers, dans le cas où [alpha] = [alpha]max la valeur
EMI8.3
Un autre cas se présente si:
dG13 < dG14 > 0 (7) d[alpha] d[alpha] Le couple aura alors pour valeur
EMI8.4
Dans ce cas il est rationnel d'adopter pour rapport des perméances des entrefers, pour [alpha] - [alpha]max' la va- leur
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Une autre caractéristique importante dans chacun des cas examines est l'utilisation de presque toute la surface de l'élément mobile (80-95%) à a - amax'
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pour l'obtention d'entrefers 13 et 14, ce qui permet d'augmenter sensiblement la perméance des entrefers mentionnés à un poids de l'élément mobile déterminé et ainsi la sensibilité du mécanisme est accrue.
Comme on le sait, la perméance de l'entrefer dépend aussi bien de sa longueur que de son aire. Etant donné que la. longueur déterminée par la distance entre l'élément mobile et les pièces polaires fixes est générale- ment la plus petite possible, compte tenu des possibilités technologiques et de construction, toutes les relations ci-dessus peuvent être considérées comme les rapports des aires des entrefers formés par l'élément mobile en 'combinaison avec les pièces polaires intérieure -et extérieure et ainsi comme le rapport des dimensions dé- terminant la forme de l'élément mobile et des pièces po- laires.
En raison des condidérations émises ci-dessus, il est rationnel que le rapport des distances à partir du centre de rotation de l'élément ferromagnétique mobile jusqu'au point le plus rapproché à ce centre disposé sur l'arête de 1-* élément mobile qui se déplace dans la fente de la pièce polaire extérieure et à partir du centre de rotation de l'élément mobile jusqu'au point le plus éloigné du centre mentionné sur l'arête de l'élément mobile, soit compris dans la gamme 0,1 à 1 et que la distance à partir des points des arêtes en regard des pièces polaires intérieure et extérieure jusqu'à l'axe de rotation de l'élément mobile soit com- prise dans la gamme de 0,1 à 3 unités relatives,
l'unité relative étant la distance maximale entre l'arête de
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l'élément ferromagnétique mobile jusqu'à son axe de rotation.
Comme indiqué plus haut, le changement de la perméance de l'entrefer peut être obtenu dans la construc- tion proposée par le changement de la longueur de l'entre- fer. Cela peut être obtenu grâce au fait que les pièces polaires 5 et 6 ne sont pas disposées dans les plans parallèles à l'élément mobile mais sous un certain angle.
Les entrefers 13 et 14 entre chacune des deux parties des pièces polaires fendues 5 et 6 et l'élément ferromagnétique mobile 8 (fig. 1) sont symétriques par rapport au plan engendré par la rotation de l'élément ferromagnétique mobile 8. Il en résulte que les forces engendrées par l'interaction des pièces polaires et de l'élément mobile 8 sont dirigées le long de l'axe et s'équilibrent mutuellement.
Comme indiqué plus haut, les pièces polaires 5 et 6 recouvrent presque toute la surface de l'élément mo- bile et servent ainsi d'écran contre l'action des champs magnétiques extérieurs.
L'ajustement et le réglage du mécanisme de mesure peuvent être réalisés, par exemple, par la rota- tion des pièces polaires par rapport à leurs points de fixation à la tige principale 1, en dévissant les vis de fixation 3 et 4.
Les lignes formant les contours de la figure de l'élément ferromagnétique mobile et des pièces polaires, .en respectant les rapports ci-dessus mentionnés, peuvent être courbes ou se rapprocher de certaines figures géo- métriques, comme par exemple la circonférence, la spirale d'Archimède, etc.
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Ainsi pour l'obtention de tel ou tel carac- tère de l'échelle, on choisit une forme ou une autre de la ligne déterminant le contour de la figure.
Les fig. 3, 4, 5, 6, 7, 8 représentent cer- tains exemples d'exécution de l'élément ferromagnétique mobile, dans le cas où l'élément ferromagnétique mobile 8 est fixé à l'axe 9.
L'élément ferromagnétique mobile de forme représentée à la fig. 3 peut être recommandé comme le plus simple pour les appareils à échelle quadratique.
L'élément mobile, représenté à la fig. 4, permet d'accroître l'angle de déviation de l'aiguille avec l'élément mobile représenté à la fig. 3.
La forme de l'élément mobile, représenté à la fig. 5, peut être recommandée pour les appareilsà échelle linéaire.
La forme de l'élément mobile, représenté à la fig. 6, peut être recommandée pour les appareils à poids relativement élevé de 1.'aiguille, qui dans ce cas peut être équilibrée par le poids de la partie de l'élément mobile la plus éloignée de l'axe.
La forme de l'élément mobile, représenté à la fig. 7, peut être recommandée pour les appareils à échelle permettant la mesure des surcharges ayant la portion finale serrée.
Il est rationnel d'adopter de tels contours des figures, pour que, à la déviation complète de l'élément mobile, soit assuré un rapport d'aires des entrefers formés par l'élément ferromagnétique mobile et la pièce polaire extérieure, compris dans la gamme de 0,5 à 10.
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Il est aussi rationnel que le poids de la partie active de l'équipage mobile de l'élément de mesure soit de 30-60% du poids des éléments de construction (ne partici- pant pas à la création du couple) de l'équipage mobile en question.
La fixation de l'équipage mobile du mécanisme de mesure, exécutée suivant l'invention, peut être réalisée à un axe rigide avec des pivots, ainsi qu'avec des sus- pensiqns à ruban ; peut employer dans l'appareil tout genre d'amortisseur (par coussin d'air, par courants induits ou liquide). Tous ces céments ne sont pas représentés au dessin, car ils n'influent pas sur la conception de l'invention et sont inclus dans la descrip- tion en tant qu'éléments constructifs a titre de généra- lisation.
La fig. 9 représente un exemple d'exécution de pièces polaires intérieure et extérieure de l'élément ferro- magnétique fixe pour le cas où il-serait indispensable d'obtenir une échelle avec un secteur pour la mesure des surcharges. Les désignations des parties du mécanisme sont analogues à celles de la f ig. 1. La différence entre cette réalisation et le mécanisme représenté à la fig. 1, conditionnée par l'exigence susmentionnée, réside dans le changement de la forme de la pièce polaire extérieure 6 comportant une encoche 15 à son coté extérieur.
Il van de soi qu'une telle encoche ou saillie peut être exécutée aussi bien sur la pièce polaire exté- rieure que sur la pièce polaire intérieure, ainsi que sur l'élément mobile, pourvu que soient observés les rapports nécessaires des surfaces et des poids dans les limites requises.
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La fig. 10 représente un exemple de réa- lisation de la présente invention pour l'obtention d'une échelle avec angle de déviation de l'aiguille jusqu'à 320 . Dans le dessin,,toutes les dénominations correspondent à celles des ensembles représentés à la fig, 1. La différence dans l'exécution des pièces polaires réside dans le fait que, pour l'accroissement de l'angle de déviation de l'aiguille, la pièce polaire extérieure est réalisée de manière à recouvrir la pièce polaire intérieure de 5 à 320 .
Si, conformément aux prescriptions, l'élément de mesure exécuté selon l'invention doit comporter un circuit de mesure à grande résistance, comme cela a lieu, par exemple, pour les voltmètres, il est rationnel d'en- rouler la bobine de mesure avec un fil de résistivité supérieure à 0,03 ohm mm2/M, par exemple en manganine. Une telle exécution permet de se débarrasser de la résistance additionnelle, généralement employée pour certains méca- nismes et de supprimer l'erreur de température de l'appa- reil due au coefficient detempérature du cuivre.
Les formes de réalisation de l'invention représentées sur les dessins et dans les descriptions constituent seulement les versions possibles les plus favorables de sa réalisation. Différentes variantes peuvent être employées, en ce qui concerne la forme , les dimensions et les dispositifsde différents éléments.
Par exemple on peut remplacer les pièces représentées dans les dessins et indiquées plus haut dans les des- criptions, par des pièces équivalentes, changer la die- position de certaines pièces, utiliser des éléments de l'invention indépendamment d'autres, tout cela sans s'écarter de la portée de l'invention.