Dispositif pour mesurer la vitesse de variation d'une grandeur physique.
La présente invention concerne un dispositif pour mesurer la vitesse de variation d'une grandeur physique, soit par mesurage direct, soit par commande d'un signal ou d'un disjoncteur lorsque cette vitesse dépasse certaines limites prédéterminées. Ce dispositif est caractérisé par la combinaison d'un appareil de mesure de la grandeur physique, qui donne une déviation fonction de celle-ci, avec un enroulement entraîné par l'équipage mobile de l'appareil de mesure et se déplaçant dans l'entrefer d'un aimant, et avec un deuxième appareil de mesure dont la déviation est fonction de la force électromotrice induite dans ledit enroulement lors de son dé- placement.
La force électromotrice dans l'enroulement dépendant de sa vitesse de déplacement dans l'entrefer de l'aimant, les indications du dernier appareil de mesure dépendront de cette vitesse, donc aussi de la vitesse de variation de la grandeur à mesurer.
Le dernier appareil de mesure peut être remplacé par un relais dont le fonctionnement dépendra de la vitesse de variation de la grandeur mesurée par le premier appareil.
Le fonctionnement du dispositif peut dé- pendre de la vitesse de variation, soit de la valeur instantanée d'une grandeur, soit de la valeur moyenne ou efficace de celle-ci.
L'enroulement dans lequel se produit la force électromotrice n'est pas destiné à tour- ner d'une façon continue, sa déviation dans un sens ou dans l'autre n'ayant pas à dépas- ser certaines limites.
Dans une application particulière, on peut prévoir un ou deux contacts sur le premier appareil de mesure permettant de faire fonctionner un signal ou un disjoncteur lorsque la grandeur mesurée atteint une certaine limite dans un sens ou dans l'autre ou dans les deux sens.
Le dessin annexé, donné à titre d'exem- ple, représente plusieurs formes d'exécution du dispositif objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique d'une de ces formes d'exécution, appliquée à la mesure de la vitesse de variation d'une grandeur électrique telle qu'une puissance ; l'enroulement en cadre qui alimente le deuxième appareil de mesure étant supposé placé dans les entrefers d'un aimant permanent.
La fig. 2 représente le même dispositif, prévu pour la fréquence d'une tension alternative, combiné avec un relais destiné à actionner un signal ou à effectuer une manoeu- vre si la vitesse de variation de cette frequence est supérieure à une valeur prédéter- minée, tant que la fréquence reste elle-même comprise entre deux limites, le signal étant également actionné, ou la manceuvre effee- tuée lorsque ces limites sont atteintes.
La fig. 3 représente une autre forme d'exécution, dans le cas où la grandeur physique dont on veut mesurer la vitesse de variation peut être elle-même mesurée au moyen d'un instrument à aimant et à cadre mobile.
La fig. 4 indique le montage employé pour mesurer la somme (ou la différence) des vitesses de variation de deux grandeurs électriques.
La fig. 5 indique un procédé utilisé pour mesurer la dérivée seconde, par rapport au temps, d'une grandeur électrique.
Dans la fig. 1 du dessin, 10 est l'axe de l'équipage mobile d'un premier appareil de mesure, qui est, pour fixer les idées, un wattmètre comportant une bobine mobile 11, montée sur d'axe 10, et une bobine fixe 12, disposée pour exciter un circuit magnétique 13 complété par un noyau 14 intérieur à la bobine 11.
Deux amenées de courant 15 et 15' servent à relier la bobine mobile aux circuits extérieur et peuvent être ou non confondues avec un ressort tel que 16 servant à opposer un couple antagoniste au couple moteur provenant de l'action du champ magnétique produit par la bobine 12 sur le courant qui cir- cule dans la bobine 11. Cet élément, d'un modèle connu quelconque, s'il est convenablement dimensionné, déviera, par rapport à une position d'origine, d'un angle a proportionnel à la puissance électrique P (valeur ins tantanée dans le cas du courant continu, valeur moyenne en courant alternatif) dans le circuit qui alimente le wattmètre.
On a :
a = lo X P
Si, au lieu d'utiliser les éléments d'un wattmètre, on utilisait ceux d'un voltmètre, ainsi qu'il est indiqué, en variante, dans les fig. 4 et 5, on aurait : a = 7 : X U lT étant la tension (valeur instantanée en courant continu, valeur efficace en courant alternatif) du circuit auquel est relié le voltmètre, ceci dans le cas où l'échelle du voltmètre est linéaire dans la partie utile. Si l'échelle du voltmètre est une échelle quadratique, dans la partie utile, on aura : a = 7s X U2
D'une façon générale, si G est une gran- deur électrique quelconque, on aura :
a = f (G).
Sur le même axe 10 que l'appareil de mesure est monté un enroulement 17 dont les ex trémités sont reliées à deux amenées de courant 18 et 18', qui peuvent être également des ressorts.
L'enroulement 17 se déplace dans les entrefers d'un circuit magnétique comportant un aimant permanent 19, deux masses polaires 20 et. 30'en acier doux et un noyau 9 l également en acier doux.
Si le champ dans lequel se meut la bobine 17 est uniforme, la tension induite E entre les deux extrÚmitÚs de cette bobine est proportionnelle Ó la vitesse de rotation d α/@@
dut de l'équipage mobile et on a : c :
dt
Il s'ensuit qu'elle aura pour valeur, en se reportant aux exemples cités :
E= k X 1c'X d t
. E-lcXk'X U
-2lcXk'XUX U
E= k X k'X d f (G).
Il suffira donc de brancher, aux extrémi- tés de la bobine 17, un appareil de mesure (par exemple à aimant et à cadre mobile) 22, convenablement dimensionné, pour que l'aiguille 23 de cet appareil indique, en regard d'un cadran 24 les valeurs de l'une des fonc- tions ci-dessus.
Pour que cette indication soit exacte, il faut notamment que le couple provenant de l'action de l'aimant sur l'enroulement 17 soit négligeable devant le couple actif de l'enrou- lement 11 et que l'appareil 22 soit à l'amor- tissement critique.
De son côté, l'équipage de mesure principal doit suivre fidèlement les variations de la grandeur électrique considérée.
La fig. 2 représente un dispositif analogue dans lequel l'équipage qui entraîne la bobine 17 dans le champ de l'aimant 19 est un fréquencemètre réalisé selon un principe connu de quotientmétre à fer mobile. Cet équipage comprend une pièce de fer doux 25, en forme d'anneau incomplet, engagée dans deux bobines 26 et 26', ces bobines étant montées l'une en série avec une self-inductance 27, l'autre en série avec une capacité 28.
L'équipage mobile n'a pas de couple antago- niste mécanique et sa position d'équilibre n'est définie que par l'égalité des attractions exercées par les deux bobines 26 et 26'sur le fer 25, cette position d'équilibre dépen- dant de la fréquence du courant alternatif qui traverse les bobines, le courant dans la bobine 26 diminuant quand la fréquence augmente et celui dans la bobine 26'augmentant, en raison respectivement de la self-inductance 27 et du condensateur 28.
Sur le prolongement 10'de l'axe commun 10 aux deux équipages précédents est fixé un contact mobile 29', muni d'une amenée de courant 30. Deux contacts fixes 31 et 31'sont placés dans des positions telles que le contact mobile 29 puisse venir toucher l'un ou l'autre desdits contacts pour des valeurs définies de la fréquence. La bobine 17 est reliée à la bobine mobile 32 d'un relais à aimant et à cadre mobile dont l'axe 33 porte un contact mobile 34, qui peut venir toucher l'un ou l'autre de deux contacts fixes 35 et 35'.
Il est facile de comprendre que le relais fermera ses contacts 34-35 ou 31 35'lors- que la vitesse de variation de la fréquence dé- passera une certaine valeur, soit en augmentant, soit en diminuant, et cela tant que le mouvement de la bobine 17 sera libre, c'est-à-dire tant que le contact mobile 29 n'aura pas touché l'un des deux contacts fixes 31 et 31'.
Si l'un des derniers contacts 31 ou 31'est atteint, la bobine 17 est arrêtée et le contact mobile 34 prend sa position d'équilibre. Si on monte en parallèle les quatre contacts 34-35, 34-35', 31-29 et 3} 1'29 dans le circuit d'un signal ou d'une bobine de déclenchement d'un disjoncteur, le signal ou le disjoncteur fonctionnera soit lorsque la fréquence atteint une des deux limites prévues, soit lorsque la vitesse de sa variation atteint une des limites prévues pour cette vitesse.
On peut naturellement se servir de chaque contact pour un signal ou une fonction différente, ou grouper les contacts deux à deux en parallèle ou en série suivant le résultat à obtenir.
Lorsque le cadre 17 de la fig. 1 se dé- place dans les entrefers d'un aimant et que la grandeur électrique dont on se propose de mesurer la vitesse de variation peut être mesurée elle-même au moyen d'un appareil à aimant et à cadre mobile, on peut utiliser le dispositif simplifié de la fig.
3, dans lequel 19 est un aimant permanent, 20 et 20'deux masses polaires en fer doux, 21 un noyau de fer doux, 36 un enroulement qui peut se dé- placer dans les entrefers du circuit magnéti- que ainsi constitué, en tournant autour de son axe 10 et 17 un enroulement induit qui est mécaniquement solidaire de l'enroulement 36. Des amenées de courant 18-18 et 37-37'relient respectivement les bobines 17 et 36 6 aux circuits extérieurs, une ou plusieurs de ces amenées de courant pouvant être utilisées pour fournir à l'équipage mobile un couple mécanique antagoniste.
L'enroulement induit 17 est relié à un appareil de mesure 22, constitué comme l'appa- reil correspondant de la fig. 1. Le fonctionnement du dispositif est le même que dans le cas de cette figure, sauf que l'enroulement 36 est parcouru par le courant continu qui sert à mesurer la grandeur physique considérée ou par un courant qui lui est proportionnel (montage sur shunt, par exemple).
L'enroulement 36 prendra donc une position d'équilibre pour chaque valeur de la grandeur physique (du moins dans l'étendue de mesure de l'appareil) et l'enroulement 17, qui en est solidaire, sera le siège d'une force électromotrice induite proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'enroulement 36 donc à la vitesse de variation de la grandeur physique.
On a vu que le dispositif de la fig. 1 pou- vait mesurer, avec une loi d'échelle appro- priée pour l'appareil de mesure de la grandeur physique (loi quadratique), le produit de la grandeur par sa dérivée première.
On peut se proposer également de mesurer la somme ou la différence de deux vitesses de variation. Il suffit pour cela de réaliser le montage de la fig. 4 où 38 et 39 sont deux dispositifs analogues à celui de la fig. 1, avec cette différence qu'ils représentent des voltmètres, les enroulements induits de ces deux dispositifs étant montés en série l'un par rapport à l'autre, et avec le cadre mobile d'un appareil de mesure 22. Selon la polarité relative des deux enroulements induits, l'ap- pareil 22 mesurera la somme ou la différence des vitesses de variation des deux grandeurs.
La présente invention permet également de mesurer la dérivée seconde par rapport au temps d'une grandeur physique. On peut uti- liser pour cela le montage de la fig. 5 où 38 est un dispositif analogue à celui de la fig. 1, avec cette différence qu'il représente un voltmètre, 40 un dispositif analogue à celui de la fig. 3, et 32 un appareil de mesure à aimant et à cadre mobile.
Si les trois parties 3, 8, 40 et 22 sont convenablement dimensionnées les unes par rapport aux autres, l'appareil 40 déviera en fonction de la dérivée première, par rapport au temps, de la grandeur physique mesurés par le dispositif 38, et l'appareil 22 mesurera la dérivée seconde, par rapport au temps, de la même grandeur physique.
Dès l'instant qu'on dispose de forces électromotrices respectivement proportionnelles à une grandeur physique, à sa dérivée première et à sa dérivée seconde, il existe des moyens connus de faire la somme ou la dif férence de deux ou plusieurs de ces termes, comme dans la fig. 4. Si l'on désire faire le produit ou le quotient de deux de ces termes, on pourra également utiliser des moyens connus, comme d'exciter les deux enroulements d'un électrodynamomètre proportionnellement à ces deux termes si on désire en faire le produit, ou d'appliquer des courants proportionnels à ces deux termes aux deux cadres croisés d'un logométre ou quotientmètre, si l'on désire en faire le quotient.
Enfin, il n'est, bien entendu, pas néces- saire que la grandeur physique dont on désire mesurer la vitesse de variation soit mesurée elle-même par un instrument électrique. Il suffira de monter l'enroulement 17 de la fig. 1 sur le même arhre que l'instrtxment quelcon- que de mesure de la grandeur physique, par exemple un ta chy métré à force centrifuge, un thermomètre à dilatation, un baromètre anéroïde, etc.