Dispositif pour régler et stabiliser un organe mobile
en équilibre autour d'une position d'équilibre
La présente invention a pour objet un dispositif pour régler et stabiliser un organe mobile en équilibre autour d'une position d'équilibre, comprenant un organe détecteur, un organe régulateur et un organe enregistreur de ladite position, ledit organe régulateur étant asservi aux indications de l'organe détent teur.
Ces dispositifs permettent la mesure de la grandeur du phénomène cause des déséquilibres ainsi que la correction automatique de ceux-ci ; en particulier, les balances à compensation électromagnétique mesurent les petites variations de poids survenues sur l'un de leurs plateaux et sont utilisées généralement pour effectuer des pesées continues en atmosphère contrôlée, c'est-à-dire dans des conditions telles que le rétablissement de l'équilibre n'est pratiquement pas possible de l'extérieur de la balance.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé par un élément solidaire de l'organe mobile et réfléchissant sur une cellule photoélectrique fixe une portion du flux lumineux émis par une source également fixe, un amplificateur à courant continu monté dans le circuit de l'organe régulateur et ayant une fonction de transfert de la forme 1 + axe, et un filtre dans le circuit de l'organe enregistreur ayant une fonction de transfert de la forme, la constante d'amor-
e tissement étant choisie telle que--soit voisin de la fréquence propre d'oscillation de l'organe mobile.
Un mode de réalisation de l'objet de l'invention donné à titre d'exemple est représenté au dessin ciannexé.
Les fig. 1,2 représentent le schéma général d'une balance à compensation électromagnétique de type connu, auquel peut tre adapté un dispositif pour régler et stabiliser l'organe mobile.
La fig. 3 est un schéma de principe d'une balance à compensation électromagnétique munie d'un tel dispositif.
La fig. 4 montre le détail de l'appareillage optique utilisé dans cette mme balance, et
la fig. 5 est une vue d'ensemble du schéma électronique de l'amplificateur.
Une telle balance à compensation électromagnéti- que est généralement constituée par un fléau 1 pivotant autour de couteaux 2. A l'une des extrémités du fléau 1 est suspendue la tige 4 supportant le plateau 5 dans lequel se trouve le poids dont on veut suivre les variations dans le temps ; la chambre 6 fermée réalise l'enceinte étanche dans laquelle a lieu la pesée ; à l'autre extrémité 3 du fléau 1 sont suspendus respectivement la tige 7, le noyau magnétique 8 la tige 9 et le cache 10. Un solénoïde 11 est destiné à produire un champ magnétique dirigé selon l'axe de la tige 7. Ce champ magnétique exerce sur le noyau magnétique 8 une force variable dans le temps en fonction du courant parcourant le solénoïde 11 et équilibre à chaque instant les variations de poids du plateau 5.
La connaissance de la valeur instantanée du courant parcourant le solénoïde 11 permet de suivre les variations de poids dans le plateau 5.
Pour rendre automatique l'équilibrage de la balance une chaîne d'asservissement a été prévue qui comporte notamment : la source de lumière 12, la cellule photoélectrique 13 et l'amplificateur 14 muni de son circuit amortisseur 15. L'amplificateur 14 débite dans le solénoïde lia travers la résistance 16.
Dans ces conditions le fonctionnement est le suivant : lors d'une variation pondérale survenant dans le plateau 5, le déséquilibre du fléau 1 modifie la position verticale du cache 10 qui, formant écran, modifie le flux lumineux reçu par la cellule 13 en provenance de la source 12. Cette variation de flux lumineux se traduit par un courant débité par l'am- plificateur 14 dans le solénoïde 11. Le sens de ce courant est tel que l'action du champ magnétique correspondant créé par cette bobine 11 sur le noyau magnétique 8 rétablit l'équilibre. La tension mesurée aux bornes de la résistance 16 est alors caractéristi- que de la variation du poids placé dans le plateau 5 et son enregistrement continu permet de suivre à distance les variations de ce mme poids dans le temps.
Ce type connu de balance à compensation élec tromagnétique présente toutefois un certain nombre d'inconvénients dont les principaux proviennent de ce que : 1-Il est nécessaire pour obtenir un fonctionnement
correct de l'appareil, qu'à une mme variation
de poids dans le plateau 5 corresponde bien la
mme valeur de variation du courant dans la
bobine 11. Ceci suppose que le champ axial créé
par le solénoïde 11 parallèlement à la tige 7 ait
un gradient attractif ou répulsif sensiblement
linéaire. Il en résulte que ce champ doit lui-mme
varier non linéairement selon l'axe, ce qui néces
site pour la bobine 11 un enroulement d'épais"
seur variable.
2-Le fléau, de la position duquel dépend le courant
compensateur doit tre astatique, c'est-à-dire que
son équilibre doit tre pratiquement indifférent.
C'est en effet dans ces conditions seulement que
l'on peut affirmer que la seule force qui agit sur
le noyau 8 est bien la force magnétique qui
dépend elle-mme du courant que l'on enregistre
et ne dépend pas du gain de l'électronique.
3-Le courant de compensation est commandé par
la position du noyau 8 ce qui a pour consé
quence de le rendre dépendant non seulement de
la position du fléau 1 mais aussi des oscillations
parasites des tiges 7 et 9 qui viennent ainsi ajou
ter deux nouveaux degrés de liberté à la partie
mécanique de l'ensemble compensateur ; ces oscil
lations parasites se trouvent alors amplifiées et
entretenues par la chaîne d'asservissement. Ceci
a pour conséquence une mauvaise définition du
courant de compensation et des oscillations para
sites apparaissent sur la courbe d'enregistrement
de la tension prélevée aux bornes de la résis
tance 16 et la grandeur à mesurer et à stabiliser
échappe au véritable contrôle.
4-Le filtre amortisseur 15 n'est pas sélectif vis-à-vis
de la fréquence propre du fléauletilenrésulteun
mauvais amortissement des mouvements de ce
fléau. D'ailleurs, le filtre 15 ne peut pas tre
sélectif car, outre le fléau 1, les tiges 7 et 9
oscillent également et leur fréquence propre est
très différente de celle du fléau.
En fig. 3 on reconnaît le noyau magnétique 8 plongeant dans le solénoïde 11 de forme classique puisque le gradient linéaire n'est plus nécessaire ici ; une source lumineuse 12 envoie un faisceau 17 qui,
après réflexion sur un miroir 18 solidaire du fléau 1 excite la cellule photoélectrique 13 ; le miroir 18 est fixé de préférence sur le mme axe que le couteau central 2 de la balance. Le courant issu de la cellule
13 est d'abord amplifié par un préamplificateur 19 destiné à adapter l'impédance de cette cellule à l'im- pédance d'entrée de l'amplificateur à gain élevé 14.
Une réaction négative est adjointe à cet amplificateur 14 sous la forme d'un filtre sélectif 20 destiné à amortir les oscillations de la balance. Conformément à l'invention, la fonction de transfert de l'amplificateur muni de son circuit de réaction négative est de la forme 1 + axe, formule dans laquelle a représente la constante d'amortissement. Pratiquement, la constante d'amortissement a peut tre réglée à volonté et on s'arrange pour obtenir une réponse qui augmente avec la fréquence à raison de 20 décibels
par décade depuis une certaine fréquence--varia- 2 : r ble et jusqu'à une fréquence plus élevée éloignée de la première de 8 octaves.
Dans ces conditions on
choisit--peu différent de la fréquence propre d'os- cillation du fléau, l'amortissement obtenu est excellent et le fléau atteint très rapidement sa position d'équi- libre.
A la sortie de l'amplificateur 14 le courant traverse le solénoïde 11 et retourne à la masse à travers la résistance étalon 16. La valeur de l'intensité de ce courant est mesurée en prenant la tension aux bornes de cette dernière résistance 16 par l'inter- médiaire du filtre de lecture 21 et de l'enregistreur 22. Le filtre de lecture 21 est un circuit à retard de phase de 20 décibels par décade, dont la fonction de transfert est égale à c'est-à-dire l'inverse
1 +au de celle de l'ensemble amplificateur 14 et filtre ; la fréquence de coupure 1 de ce filtre est la mme que celle de l'ensemble 14-20 et est contrôlée par le mme mécanisme que celui qui commande la fré- quence 1 du filtre d'amortissement 20.
De cette façon l'appareil enregistreur 22 à impédance d'entrée très élevée indique et enregistre avec précision les variations de courant dans le solénoïde 11 dé- pouillés de la composante de correction destinée à stabiliser le fléau.
La fig. 4 montre le détail de réalisation du système optique. La source lumineuse 12 de la fig. 3 est constituée en réalité par une lampe de projection 23 3 et son condenseur 24, un filtre 25 destiné à arrter les radiations caloriques, un diaphragme 26, une len tille abjective 27. L'optique du système est conçue pour donner un faisceau de préférence triangulaire.
La cellule photoélectrique 13 est munie d'un cache 28 percé d'une fente de réception 29 ; un écran protecteur 30, arrte, en outre, les rayonnements parasites. Le fléau 1 dont une moitié seule est visible sur la fig. 4 porte en son centre le miroir 18 fixé au niveau du couteau central 2.
La fig. 5 représente le schéma électronique de principe de l'amplificateur 14 de la fig. 3 équipé de son filtre à réaction négative 20. La cellule photoélectrique 13 crée par sa variation de débit une différence de potentiel aux bornes de la résistance 31 dont la valeur est de l'ordre de 1MQ ; cette différence de potentiel est appliquée sur la grille 32 d'une lampe penthode 33 à grande pente du type E F 80. Le gain moyen en tension de l'étage ainsi connecté est d'en- viron 80 ; on peut en outre le faire varier à l'aide du potentiomètre 34 et ce réglage permet de compenser les variations de luminosité et éventuellement un vieillissement de la cellule 13.
Cet étage de préampli- fication, qui correspond à la référence 19 de la fig. 3, est suivi de l'amplificateur proprement dit qui doit présenter une fonction de transfert de la forme 1 + axe, le signal de sortie de la penthode 33 est appliqué alors de façon classique à travers une résis, tance 35 de 1MQ sur l'une des grilles 36 d'une dou- ble triode 37 du type ECC 81 qui constitue le pre- mier étage de l'amplificateur proprement dit. Le second étage encore constitué d'une double triode 38 du type ECC 81 est attaqué à son tour à travers la résistance 39 d'une valeur de 100 KQ. Le gain ainsi obtenu au moyen des deux étages précédents est de l'ordre de 400 dans l'exemple décrit.
Les deux triodes apparemment non utilisées des tubes 37 et 38 servent de lampes guides p, c'est-à-dire qu'elles empchent le recul de cathode de ces mmes lampes et annulent pratiquement l'effet de contreréaction du aux résistances 40 et 41 d'une valeur de 7800 Q.
L'étage final de l'amplificateur est constitué des deux penthodes de puissance à grand débit 42 et 43 du type E L 84 pouvant fournir 60 milliampères sans échauffement anormal. Le rôle de ces penthodes 42 et 43 est de transformer les variations de tension de la cellule 13, préalablement amplifiées par les tubes 37 et 38, en variation de courant dans la bobine 11.
Le filtre d'amortissement 20 constitue la boucle de réaction négative et ramène une partie du signal de sortie des lampes 42 et 43 sur la grille 36 de la pre mière lampe 37 de l'amplificateur 14 ; il est constitué pratiquement d'une cellule en T dont l'une des branches est une capacité 44 de 20 ffi F reliée à la masse et d'un potentiomètre à plots 45 composé de treize résistances en série dont la somme vaut 1 MQ. Ce potentiomètre 45 permet de faire varier la constante a d'amortissement de l'amplificateur 14.
L'étage final comprend en série dans son circuit de cathode la bobine 11 et un ensemble 46 de résistances à haute précision et à très faible coefficient de température qui permet par l'intermédiaire du commutateur à plots 47 de choisir la sensibilité convenable pour 1'enregistreur 48.
Le circuit d'enregistrement fait suite au commutateur 47 et comprend un filtre de lecture 49 de conception identique au filtre d'amortissement 45 et l'en- registreur proprement dit 48 dont l'impédance d'entrée est très élevée. La commande mécanique des filtres 45 et 49 est commune dans le but d'obtenir une correspondance entre les fonctions de transfert qui résultent de ces deux filtres.
A titre d'exemple, une telle balance pouvant supporter sur le plateau 5 une charge de cent grammes, peut déceler une variation de poids de l'ordre de 3.10-5 grammes.
Une telle balance a permis de mettre en évidence les variations de la perméabilité du mumétal plongé dans un bain d'azote liquide et soumis à, un réchauffement progressif. Le noyau 8 en mumétal était plongé dans l'azote liquide, un dispositif protégeant le solénoïde 11 et non représenté sur la fig. 3 étant prévu ; 1'enregistreur 48 indiquait les variations de la perméabilité du mumétal, la charge pondérale sur le plateau 5 restant constante.