Dispositif de mesure des forces
L'invention a pour objet un dispositif de mesure des forceps, caractérisé en oe qu'il comprend un bâti, un ressort monté en porte à faux sur ce bâti, un organe rigide disposé au voisinage de l'extrémité libre dudit ressort et dans un plan s'étendant transversalement par rapport à l'axe longitudinal du ressort, et des moyens élastiques permettant un déplacement dudit organe seulement dans une direction transversale par rapport à cet axe, ce déplacement étant transmis par l'intermédiaire de moyens reliant le ressort audit organe rigide lors d'une déformation ou déviation du ressort en porte à faux sous l'action d'une force à mesurer.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du dispositif faisant l'objet de la présente invention.
La fig. 1 est une vue en plan partielle du dispositif.
La fig. 2 est une coupe à plus grande échelle suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la fig. 2.
La fig. 4 est une coupe partielle à plus grande échelle suivant la ligne 4-4 de la fig. 3.
La fig. 5 est une vue en perspective d'un détail.
La fig. 6 est une vue en perspective partielle d'un autre détail.
La fig. 7 est une élévation partielle à plus grande échelle indiquant des limites du déplacement d'un organe du dispositif.
La fig. 8 est un graphique indiquant le déplacement d'un organe de pesage du dispositif.
La fig. 9 est une vue en perspective partielle d'un transducteur électromagnétique utilisé dans le dispositif.
La fig. 10 est une vue en plan partielle de ce transducteur.
Le dispositif de mesure des forces représenté constitue une balance comportant un plateau horizontal 10, qui s'abaisse sous le poids d'une pièce posée sur lui. Le plateau est monté sur l'extrémité libre d'un bras 11 qui s'étend horizontalement à partir d'un boîtier 12 et est accouplé à un ressort en porte à faux 13, fig. 2, qui équilibre le poids du plateau. Les pièces à peser peuvent arriver d'une manière continue sur une courroie sans fin 14, dont un brin passe sur le plateau 10. Le boîtier 12 renferme les éléments de la balance et consiste en une pièce moulée creuse 15 et un couvercle 16 en forme de calotte qui s'ajuste sur la paroi antérieure 17 de la pièce moulée et forme un joint étanche par une garniture 18.
La flexion du ressort 13 est une mesure du poids de la pièce posée sur le plateau 10 et sert à engendrer un signal dont la valeur varie en fonction de ce poids. Ce e résultat est obtenu dans la forme d'exé- cution repréSentée par un transducteur électromagnétique 19 qui transforme la flexion du ressort en un signal électrique dont la valeur varie en fonction de l'amplitude de la flexion du ressort. Le transducteur comporte une armature 20, fig. 3 et 6, fixée sur le ressort 13 et se prolongeant latéralement entre deux pièces polaires opposées 21. Le mouvement de l'armature par rapport aux pièces polaires fait varier d'une manière connue la valeur du signal.
Le dispositif est construit de façon à fonctionner rapidement et avec précision sous l'action du poids d'une pièce déposée sur le plateau 10, quelles que soient les variations de la température ambiante et la position de la pièce sur le plateau. A cet effet, le plateau est accouplé au ressort par des éléments qui possèdent une fréquence naturelle élevée et qui sont supportés dans le boîtier 12 de façon à résister aux torsions et aux flexions. De plus, les éléments sont construits et disposés de façon à compenser les variations de température en supprimant ainsi à peu près complètement les défauts de précision dus par ailleurs à la dilatation et à la contraction.
Le plateau 10 est accouplé au ressort 13 par l'intermédiaire d'un cadre rectangulaire 23. Le cadre comporte au centre une portion conique faisant saillie extérieurement et qui se loge dans un trou correspondant 25 de l'extrémité intérieure du bras 11 du plateau et qui est retenue par une vis 26. Le cadre 23, fig. 2 et 3, est disposé au voisinage de la partie antérieure du couvercle 16 dans un plan vertical perpendiculaire au ressort 13 et la portion en saillie 24 se prolonge en dehors en passant par un trou 27 du couvercle 16.
Le cadre 23 est supporté dans le boîtier 12, dans lequel il est susceptible de se déplacer suivant un mouvement vertical, par des éléments de flexion 28 qui relient ses angles au boîtier à la façon de charnières et l'empêchent de se tordre, de tourner ou de se déverser. Chaque élément de flexion est formé par une plaque mince, plane, en métal élastique. Une portion de l'extrémité de chaque bande supérieure s'applique contre la surface supérieure 29 du cadre, tandis que les portions des autres extrémités s'appliquent contre les surfaces. supérieures 30 de pattes 31 (fig. 4) en une seule pièce avec la paroi 17 de la pièce moulée. De même, les bandes inférieures sont à plat contre la surface inférieure 32 du cadre et la surface inférieure 33 des pattes 34 de la paroi 17.
Les surfaces 29 et 32 sont usinées avec précision pour être parallèles entre elles et les surfaces 30 et 33 sont également usinées de façon à être parallèles et horizontales. Des plaques 35 sont boulonnées sur le cadre et les pattes 31 et 34 et passent sur les portions des extrémités des bandes 28 de façon à les bloquer en place. Des plaques rectangulaires 36, fig. 4 et 5, passent sur les bandes supérieures 28, l'une au-dessus et l'autre au-dessous et en recouvrent les portions centrales. Les extrémités des plaques sont serrées sur les bandes par des boulons 37 qui laissent libre une courte longueur de chaque bande de chaque côté. Les plaques 38 sont serrées de la même manière sur les bandes inférieures.
On obtient ainsi une articulation à charnière sans frottement entre le cadre 23 et le boîtier 12 et, par suite, le cadre ne peut être animé que d'un mouvement général vertical, tandis qu'il possède une fréquence naturelle élevée.
Le cadre 23 est accouplé au ressort 13 par un fil métallique de courte longueur 39 et de section circulaire. L'extrémité supérieure du fil est soudée, brasée ou fixée de toute autre manière sur un boulon 40, fig. 6, qui traverse le ressort au voisinage de son extrémité extérieure libre et se - visse dans un écrou 41. L'extrémité inférieure passe dans un trou 42 d'un bloc 43 boulonné sur le côté intérieur du cadre et est fixée de la même manière sur un boulon 44, fig. 2, qui est retenu sur le bloc par un écrou 45.
Le cadre est ainsi suspendu sur le ressort par le fil 39.
Le ressort 13 est supporté dans le boîtier 12 par un tube 46 qui passe dans un trou 47 d'une portion en saillie 48 de la paroi 17 du boîtier, et se dirige en arrière à partir de cette portion. Des boulons 49 passent dans une bride 50 de l'extrémité antérieure du tube et se vissent dans la saillie 48 de façon à fixer le tube sur la paroi 17. La portion de l'extrémité postérieure 51 du ressort est élargie et est introduite à la presse dans le tube 46 au voisinage de son extrémité postérieure, tandis que l'extrémité antérieure du ressort se prolonge au-delà du tube. Les éléments fixes du transducteur 19 sont fixés sur la bride 50 par des vis 52.
Les mouvements du ressort 13 sont amortis par un amortisseur 53, fig. 2, qui contient un piston 54 disposé dans un cylindre 55 et monté sur l'extrémité inférieure d'une tige 56 dirigée vers le bas à partir du cadre 23. Le cylindre est fixé sur un support 57 en une seule pièce avec la paroi 17 et peut contenir un liquide 58, si on le désire. Le mouvement vertical du cadre 23 et, par suite, de flexion du ressort 13 est limité par des butées réglables 59 et 60. Les butées 59 ont la forme de vis qui se vissent dans des saillies 61 de la paroi 17 en face de la surface supérieure 29 du cadre et les butées 60 sont aussi des vis qui se vissent dans le support 57 en face de la surface inférieure 32 du cadre.
La fig. 7 montre le réglage des butées pour permettre un déplacement libre du cadre 23 de l'ordre de 0,76 mm, un faible jeu étant prévu entre les butées et le cadre lorsque celui-ci est dans l'une ou l'autre de ses positions limites. La pesée au moyen du dispositif décrit peut s'effectuer en ne faisant prendre au ressort 13 qu'une flexion relativement faible.
On remarquera que les éléments mobiles du dispositif posséderont une fréquence naturelle d'oscillation suffisamment élevée pour le but poursuivi si, parmi divers facteurs, on donne au ressort 13 une flexion suffisamment faible, au cadre 23 une masse suffisamment grande et aux portions actives des bandes 28 une longueur suffisamment faible. I1 devra résulter de ces facteurs, dont l'action se combine avec celle de l'amortisseur 53, que le ressort 13 soit suffisamment stabilisé pour engendrer un signal précis correspondant au poids en un temps extrêmement court.
Par exemple, comme l'indique le graphique de la fig. 8, le ressort peut être suffisamment stabilisé en moins de 0,2 seconde. I1 est important de noter à ce propos qu'il n'est pas nécessaire que le ressort soit complètement immobilisé puisque des dispositifs ordinaires peuvent servir à interpréter un signal variable pourvu que ses variations soient comprises entre les limites étroites correspondant à la précision nécessaire.
Du fait que le cadre 23 est réuni au boîtier 12 par les bandes à ressort 28, la position de la pièce à peser sur le plateau 10 n'exerce pas d'influence appréciable sur la précision de la pesée. En effet, les composantes verticales des forces de tension et de compression dans les bandes 28 sont égales, quelle que soit la position de la pièce le long de l'axe du ressort 13 qui, par suite, subit une flexion dont l'amplitude ne correspond qu'au poids de la pièce. De plus, les bandes 28 exercent un couple qui s'oppose au mouvement de rotation du cadre autour de l'axe du ressort, de sorte que la position de la pièce d'un côté ou de l'autre de l'axe du ressort n'exerce aucune influence sur la précision de la pesée. Il en résulte que la pièce peut être pesée à un moment quelconque pendant qu'elle passe sur le plateau 10.
Les efforts exercés par les éléments de flexion 28 et le fil 39 sont faibles par rapport à celui du ressort 13 qui par suite est le seul élément important de support de la charge. I1 en résulte qu'il suffit de compenser les variations de température dans le ressort et dans ses éléments de support pour que le dispositif conserve sa précision. On réalise cette compensation en constituant les éléments qui s'allongent dans le sens longitudinal du ressort par des matériaux dont le coefficient de dilatation thermique est sensiblement le même, de même que les éléments qui s'allongent dans le sens transversal du ressort sont en matières dont les coefficients de dilatation sont à peu près les mêmes.
Par exemple, le coefficient de dilatation du tube 46, du ressort 13 et des bandes de flexion 28 est celui de l'acier, tandis que le socle 15, le cadre 23 et les bandes de serrage 36, 38 sont en aluminium. Dans ces conditions, les positions relatives des éléments restent sensiblement sans changement même s'ils se dilatent et se contractent sous l'effet des variations de la température ambiante.
On peut encore atténuer les effets de la température par la forme de construction spéciale du transducteur et de son montage dans le dispositif de mesure. En effet, le bâti 63 du transducteur est en une matière amagnétique, mais dont le coefficient de dilatation thermique est encore sensiblement le même que celui du noyau 64. Par exemple, le noyau peut être en un alliage de nickel et de fer et le bâti en molybdène pratiquement pur. De même, le bâti a la forme de deux séries de barres espacées 65, qui serrent entre elles le noyau et les enroulements 67 au moyen de boulons 66. Etant donné que l'air longement dû à la température est fonction de la longueur, l'emploi des barres fait diminuer la longueur verticale efficace du bâti du transducteur et, par suite, la valeur de l'allongement.
De plus, on réduit au minimum l'effet produit par le faible allongement qui a lieu en disposant le bâti symétriquement par rapport au ressort 13 dans un plan vertical.
Un autre moyen de faire diminuer l'effet produit par les variations de température consiste à monter le ressort 13 dans le tube 46. On voit que ce tube se prolonge en arrière à partir de la portion en saillie 48, tandis que le ressort se prolonge en avant à partir de la portion élargie 51. La dilatation du ressort est donc compensée par celle du tube et, par suite, le fil 39 ne se déplace guère, sinon pas du tout. Le ressort étant ainsi réuni par le fil au cadre, le léger mouvement de déplacement éventuel du fil dans certaines conditions n'exerce aucune influence sur la précision de la transmission du mouvement d'abaissement du plateau 10 au ressort 13.
On peut encore atténuer l'effet produit par les variations de température en faisant arriver d'une manière continue à l'intérieur du boîtier un gaz tel que l'air sous pression en provenance d'une source appropriée non représentée par un raccord 62 de la partie postérieure de la pièce moulée 15. L'air s'échappe par le trou 27 du couvercle 16 et a tendance à empêcher les grandes variations de température des éléments. Cet air comprimé empêche aussi les matières étrangères de pénétrer dans le boîtier 12.