Procédé pour indiquer la position d'un corps et dispositif pour sa mise en oeuvre
La présente invention a pour objet un procédé pour indiquer la position d'un corps et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Le procédé objet de l'invention est caractérisé en ce qu'on fait passer une came solidaire dudit corps à travers le champ magnétique produit par un enroulement et on mesure la variation d'inductance dudit enroulement. Le dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé, que comprend l'invention, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un enroulement, des moyens pour produire dans ledit enroulement un courant alternatif qui engendre un champ magnétique alternatif s'étendant à l'extérieur de cet enroulement, et une came comprenant une masse d'une matière ferro-magnétique et agencée de manière à se déplacer dans ledit champ magnétique et hors de ce dernier perpendiculairement à l'axe de l'enroulement, ladite came s'étendant à proximité d'une extrémité de l'enroulement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention.
La fig. la est une vue en plan schématique d'une première forme d'exécution, pouvant indiquer la position d'un corps mobile le long d'une trajectoire linéaire.
La fig. lb est une coupe selon lb-lb de la fig. la.
La fig. lc est un graphique illustrant qualitativement le fonctionnement de cette première forme d'exécution.
La fig. 2a est une vue en plan schématique d'une deuxième forme d'exécution, pouvant indiquer la position d'un corps mobile autour d'un axe.
La fig. 2b est une coupe selon 2b-2b de la fig. 2a.
La fig. 2c est un graphique illustrant qualitativement le fonctionnement de la deuxième forme d'exécution.
La fig. 3a est une vue en plan d'une troisième forme d'exécution, pouvant indiquer le mouvement d'un corps qui est angulairement mobile dans l'une ou l'autre de deux directions par rapport à une position de référence.
La fig. 3b est une coupe selon 3b-3b de la fig. 3a.
La fig. 3c est une représentation graphique de trois différents types de fonctionnement de cette troisième forme d'exécution.
La fig. 4 est une vue schématique, partiellement en coupe, d'une quatrième forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue en plan, à plus grande échelle, d'un organe représenté à la fig. 4.
Les fig. 6, 7 et 8 sont des schémas de circuits électriques d'autres formes d'exécution.
La forme d'exécution représentée à la fig. la comprend un enroulement 10 et, mobile par rapport à celui-ci, une came 11 en matière ferro-magnétique.
Un noyau ferro-magnétique 12 est disposé coaxialement avec l'enroulement 10. Si un courant alternatif passe dans l'enroulement 10, un champ magnétique externe est produit. Un tel champ est indiqué schématiquement par les lignes de force 13 et 14 à la fig. lb. Cette figure montre que la ligne de force 14 s'étend vers le haut au-delà du plan de la came 11. La ligne de force 13 traverse la partie de la came 1 1 qui recouvre la surface supérieure de l'enroulement 10.
La disposition des lignes de force de la fig. lb. illustre donc le fait que la trajectoire du flux externe qui se trouve sur le côté gauche de l'enroulement 10, en regardant la fig. lb, est plus courte que la trajectoire du flux sur le côté droit de l'enroulement, ou en d'autres termes, que le champ est intensifié au voisinage de l'enroulement par la présence de la came 11.
Si la came 1 1 est abaissée à partir de la position représentée à la fig. la, une plus grande partie de sa masse recouvre l'enroulement 10 de sorte qu'une plus forte proportion du champ de l'enroulement 10 traverse la matière ferro-magnétique de la came 11.
Par conséquent, l'intensité du champ autour de l'enroulement est accrue. Si l'inductance de l'enroulement 10 est mesurée par un circuit connecté à des bornes 15 et 16, un changement mesurable de l'inductance est observé lors d'un mouvement relatif de l'enroulement 10 et de la came 11, et le changement d'inductance ainsi mesuré est proportionnel à la fois au degré de déplacement de la came 1 1 et au taux d'accroissement de la section transversale de la came défini par la forme de la surface 17 de la came 11.
La came 1 1 peut présenter un amincissement constant, ou la surface 17 peut tre incurvée, soit tre concave comme représenté, soit convexe, la surface 17 pouvant tre conformée plus généralement suivant n'importe quelle fonction déterminée, simple ou complexe.
La fig. lc illustre qualitativement la relation entre l'inductance mesurée de l'enroulement 10 et le déplacement relatif de l'enroulement et de la came 1 1 lorsque la surface 17 est conformée de manière à susciter un accroissement progressif de l'inductance avec le changement de position relative des deux organes.
La forme d'exécution représentée aux fig. 2a et 2b convient pour l'indication de la position d'un corps qui est susceptible d'un mouvement de rotation. Dans cette forme d'exécution, l'enroulement 10 et le noyau I2 sont semblables aux organes correspondants de la forme d'exécution des fig. la et lb, mais la came 1 la est montée à rotation autour d'un axe c-c, de sorte que la masse de matière ferromagnétique constituant la came 1 la décrit une rotation qui l'amène devant l'extrémité de l'enroulement 10, suivant une direction transversale à son axe.
Là également, la surface de la came, ou au moins de sa partie 17a, peut tre conformée de manière à donner n'importe quelle relation déterminée entre l'induit tance mesurée entre les bornes 15 et 16 et la grandeur du déplacement angulaire de la came 1 la.
Le graphique de la fig. 2c représente le fonctionnement de la forme d'exécution représentée aux fig. 2a et 2b et illustre qualitativement le fait que la caractéristique de transfert du dispositif à inductance variable, c'est-à-dire la relation entre un signal de sortie électrique et un signal d'entrée mécanique, peut prendre des formes variées.
Les formes d'exécution représentées aux fig. la, lb et 2a, 2b sont insensibles à la phase du courant et leurs signaux de sortie ne peuvent indiquer la variation de la position de la came que par des changements de grandeur de l'inductance, ou d'une autre propriété qui lui est reliée, de l'enroulement.
Les dispositifs des fig. la, lb et 2a, 2b peuvent tre employés dans divers circuits conçus de manière à obvier à cet inconvénient. Par exemple, l'enroulement de la fig. lb peut tre connecté dans un circuit avec un enroulement semblable aux bornes duquel est développée une tension égale en grandeur à la tension aux bornes de l'enroulement 10 en un point donné de sa caractéristique de transfert, mais dont la phase est opposée à celle de l'enroulement 10. Un circuit de mesure peut alors tre connecté aux deux enroulements de manière à indiquer la différence entre les tensions apparaissant aux bornes des deux enroulements. Lorsque la came est déplacée dans une direction entraînant un accroissement de la tension aux bornes de l'enroulement 10, le signal de différence prend la phase de l'enroulement 10 et a une grandeur proportionnelle au déplacement de la came 11.
Si la came 1 1 est déplacée en direction opposée par rapport au point de référence, la phase de l'enroulement compensateur prédomine.
La forme d'exécution représentée aux fig. 3a et 3b est capable de produire un signal de sortie qui est significatif tant en phase qu'en grandeur. Cette forme d'exécution utilise les éléments d'un transformateur différentiel variable classique, comprenant un enroulement primaire 20, un premier enroulement secondaire 21a, un second enroulement secondaire 21b et un noyau ferro-magnétique 22 dont la position peut tre réglée au moyen d'une vis 23.
Le transformateur différentiel des fig. 3a et 3b peut tre connecté extérieurement dans n'importe lequel des circuits utilisés couramment avec les transformateurs différentiels. Par exemple, comme illustré dans la fig. 3b, les deux enroulements secondaires 21a et 21b sont connectés en série et en opposition, et dans ce cas le signal de sortie apparaissant entre des bornes 24 et 25 est égal à la somme algébrique des tensions induites dans les deux enroulements.
L'enroulement primaire 20 peut tre excité au moyen de n'importe quelle source de courant alternatif connectée à des bornes 26 et 27.
Le noyau 22 est monté de manière à pouvoir se déplacer le long de son propre axe en faisant varier différentiellement le flux reliant les enroulements secondaires 21 a et 21b à l'enroulement primaire 20.
Comme il est bien connu, lorsque le noyau 22 est placé symétriquement par rapport aux enroulements 21a et 21b, des tensions sensiblement égales sont induites dans les deux enroulements secondaires. Si ces derniers sont disposés dans un circuit dans lequel les deux tensions sont opposées l'une à l'autre, la somme algébrique des deux tensions est très voisine de zéro. Si le noyau 22 est déplacé dans l'une ou l'autre direction à partir de la position centrale, par exemple dans la direction de l'enroulement 21a, la tension induite dans ce dernier augmente, la tension induite dans l'enroulement 21b diminue et la somme algébrique des deux tensions augmente.
Si le noyau 22 est déplacé de la mme distance en direction opposée par rapport à la position centrale, la valeur absolue de la tension de sortie du circuit est la mme que précédemment, mais la phase de la tension de sortie est opposée à la phase dans le premier cas.
Dans un transformateur différentiel variable classique, la grandeur de la tension de sortie est censée tre linéairement proportionnelle au mouvement du noyau axial 22 dans les limites prévues par la construction.
Le transformateur comporte, en plus des organes décrits ci-dessus, une came ferro-magnétique 28 disposée de manière à pouvoir tre déplacée dans le champ magnétique externe du transformateur différentiel. La came peut tourner autour d'un axe c-c et sur une trajectoire se trouvant dans un plan transversal à l'axe du transformateur et adjacent à une extrémité de celui-ci.
Le fonctionnement de la forme d'exécution des fig. 3a et 3b est décrit ci-après.
La came 28 étant d'abord placée dans sa position la plus éloignée du transformateur (fig. 3a et 3b), le noyau 22 est réglé dans la position dans laquelle une tenslion minimum apparaît aux bornes 24 et 25, puis il est éloigné de cette position zéro en direction de l'enroulement secondaire 21 b, de sorte que la tension de sortie prend une grandeur qui est notablement supérieure à sa grandeur au point zéro avec une phase correspondant à la direction de déplacement du noyau, du fait que le flux reliant le primaire 20 au secondaire 21b est plus intense que le flux reliant le primaire 20 au secondaire 21a. Si maintenant la came 28 est amenée dans le champ magnétique à l'extrémité opposée du transformateur,
le flux reliant le primaire 20 au secondaire 21a augmente et par conséquent la tension induite dans ce dernier augmente également, et lorsque la came est déplacée encore plus loin dans le champ magnétique, cette tension se rapproche de plus en plus en valeur absolue de la tension induite dans le secondaire 21b, ce qui fait que la somme algébrique des deux tensions secondaires tend vers zéro.
Si le mouvement de la came 28 est continué, le flux reliant le secondaire 21a au primaire 20 est finalement égal à celui reliant le secondaire 21b au primaire 20, avec pour conséquence que la tension de sortie atteint un minimum ou la valeur zéro.
Lorsque le déplacement de la came se poursuit encore plus loin, le flux reliant l'enroulement secondaire 21a au primaire 20 devient plus grand que celui reliant le secondaire 21b au primaire 20, ce qui fait que le signal de sortie commence de nouveau à augmenter, mais désormais avec une phase opposée à celle du début.
Pratiquement, on effectue le réglage initial du dispositif d'une manière un peu différente. On déplace la came 28 jusque dans la position que l'on désire représenter par zéro, puis on place le noyau 22 dans une position dans laquelle la tension apparaissant aux bornes 24 et 25 est minimum. Ensuite, le mouvement de la came dans l'un ou l'autre sens à partir de sa position zéro provoque une augmentation de la tension de sortie, et la phase de la tension de sortie dépend de la direction dans laquelle la came est déplacée.
Si la came est conformée symétriquement par rapport au point zéro, la tension de sortie augmente symétriquement à partir de sa valeur minimum ou nulle, quel que soit le sens du mouvement de la came. Le fonctionnement d'un tel arrangement est illustré par la courbe a de la fig. 3c.
Si l'on désire que la tension de sortie varie linéairement avec le déplacement de la came à partir de sa position zéro, la surface de la came doit tre conformée de manière à donner une telle relation.
Une tension de sortie de cette nature est illustrée par la courbe b de la fig. 3c.
Finalement, la came peut tre conformée de manière à donner une tension de sortie non linéaire et dissymétrique, comme illustré par la courbe c de la fig. 3c.
La forme d'exécution décrite ci-dessus présente plusieurs avantages importants par rapport au transformateur différentiel variable classique. En premier lieu, il est possible de modifier la sensibilité du dispositif dans de très grandes limites simplement en conformant la surface de la came d'après le taux d'accroissement désiré. Lorsque le taux d'accroissement est faible et la surface active de la came est longue, il est possible de mesurer la position d'un corps dont l'amplitude de déplacement, linéaire ou angulaire, excède de loin les dimensions du transformateur proprement dit. En fait, dans cette forme d'exécution de l'invention, les mmes enroulements du transformateur peuvent tre utilisés pour détecter la position de corps se déplaçant sur des distances de plusieurs mètres ou sur des distances mesurant de petites fractions de centimètre.
En second lieu, il est possible de calculer la surface de la came de manière que le signal électrique de sortie varie de façon connue en fonction des variations du signal d'entrée mécanique. Par exemple, si le corps dont la position doit tre détectée se déplace suivant une loi linéaire constante et s'il s'agit d'indiquer sa position sur une échelle logarithmique, la surface de la came peut tre découpée de manière à produire une tension de sortie qui est une fonction logarithmique du signal d'entrée mécanique.
Au contraire, si le corps dont la position doit tre détectée est une partie d'un instrument dont la position de l'organe indicateur ou le signal de sortie change non linéairement en fonction des variations d'une quantité physique à mesurer, la came peut tre conformée de manière à introduire une nonlinéarité compensatrice qui fait que la position de l'organe indicateur ou le signal de sortie varie linéairement avec la quantité réelle à mesurer. Un tel problème se présente couramment dans le domaine des instruments de mesure. Une forme d'exécution convenant à ce cas est illustrée à la fig. 4.
La fig. 4 représente schématiquement une partie
d'un dispositif comprenant une base 30, un flotteur
31, un prolongement de flotteur 32 portant un ai
mant 33, le prolongement de flotteur et l'aimant 33 étant susceptibles de monter et descendre à l'intérieur d'un tube fermé 34 en fonction des variations du débit d'un fluide dans lequel le flotteur 31 est immergé. A côté du tube 34, est montée à rotation une bande de fer magnétique 35, tordue hélicoïdalement et montée sur deux pivots 36, 36. L'aimant 33 et la bande 35 servent ensemble à convertir le mouvement linéaire du flotteur 31 en un mouvement angulaire de la bande 35 autour de l'axe défini par les pivots 36, 36. Ce mouvement est indiqué localement par un index 37 coopérant avec une échelle 38.
Une indication à distance est fournie par une came 39 juxtaposée à un transformateur différentiel variable désigné de manière générale par la référence 40, la construction du transformateur 40 et la relation entre lui et la came 39 étant semblables aux éléments correspondants de la forme d'exécution des fig. 3a et 3b.
Cependant, la came 39 (vue en plan à la fig. 5) est conformée de manière à compenser la non-linéarité bien connue entre le débit réel et le mouvement du flotteur 31.
La forme de la came 39 est déterminée en construisant la courbe de calibrage du dispositif en coordonnées polaires,, puis en conformant le profil de la surface de la came à la forme de la courbe. Ceci fait, la tension de sortie du transformateur varie exactement linéairement en fonction du débit, sans tre influencée par un manque de linéarité entre la position du flotteur et le débit. Mme s'il existe une non-linéarité marquée entre la position du flotteur et le débit - comme dans le cas de la mesure de débits extrmement faibles ou lorsque les effets de la viscosité sont significatifs - la came peut tre conformée de manière à produire un signal de sortie linéaire.
Une forme d'exécution employant deux dispositifs à inductance variable est représentée à la fig.
6. Elle comprend un dispositif détecteur 41 et un dispositif suiveur 42. L'enroulement primaire 43 du dispositif détecteur et l'enroulement primaire 44 du dispositif suiveur sont connectés en série et excités par une source de courant alternatif 45. Les enroulements secondaires 46 et 47 du dispositif détecteur sont connectés en opposition, comme le sont les enroulements secondaires 48 et 49 du dispositif suiveur, et les deux groupes sont connectés en série et en opposition à l'entrée d'un amplificateur 50. La tension de sortie de l'amplificateur 50 alimente un moteur 51 et une came 52 du dispositif suiveur est entraînée par ce moteur 51.
Lorsque la came 53 du dispositif détecteur est déplacée par rapport aux enroulements, une tension apparaît à l'entrée de l'amplificateur 50, ce qui a pour effet que le moteur 51 est excité et tourne dans une direction propre à introduire un déséquilibre compensateur dans le dispositif suiveur 42. Lorsque le circuit est à nouveau compensé, le moteur 51 s'arrte. De cette façon, on peut asservir de toute manière désirée la position de l'arbre du moteur 51 à la position d'un quelconque corps angulairement mobile connecté à la came 53 du dispositif détecteur 41.
Si, par exemple, le corps dont la position doit tre détectée se déplace sur un intervalle angulaire de 50 et que l'instrument asservi est capable d'un déplacement de 1000, les cames 53 et 52 sont construites de manière à produire le mme écart de tension de sortie en fonction du mouvement angulaire, respectivement pour 50 et 1000.
Dans un autre cas, il peut tre désirable d'indiquer, par la position angulaire d'un index, la position d'un corps se déplaçant sur une distance rectiligne de plusieurs mètres. Dans ce cas, une came telle que la came 1 1 de la fig. la est substituée à la came 53 de la fig. 6 et construite de manière à changer la tension de sortie du transformateur 41 d'un bout à l'autre de son domaine pour toute la longueur de la came rectiligne.
De mme, la came 52 peut tre construite de manière à produire une variation maximum de la tension de sortie du transformateur 42 pour le mouvement angulaire complet de la came 52.
Il est t entendu que les enroulements du trans- formateur différentiel variable peuvent tre différents des enroulements représentés aux fig. 3a et 3b,
I'enroulement primaire pouvant tre divisé notamment en sections dont chacune est bobinée avec l'un de deux enroulements secondaires.
Une forme d'exécution de ce type est illustrée à la fig. 7, mais ici le dispositif suiveur comprend un potentiomètre à fil 54 à contact glissant monté dans un circuit en pont comprenant une réactance 55 et des résistances 56, 57 et 58. Dans ce montage, le moteur 51 entraîne le contact du potentiomètre 54 pour ramener l'équilibre comme dans le cas de la forme d'exécution de la fig. 6. Ici toutefois, le potentiomètre 54 présente un pouvoir de résolution fini, de sorte que la précision dans la position de l'arbre du moteur 51 est inévitablement limitée par la résolution réalisable par la construction du potentiomètre 54.
La fig. 8 illustre une forme d'exécution permettant d'obtenir un signal de sortie continu dont la grandeur absolue indique la grandeur du déplacement de la came 53 et dont la polarité indique le sens du déplacement.
Le montage de la fig. 8 comprend une source 59 de courant alternatif régularisé, une résistance 60 pour le réglage du courant d'excitation, deux redresseurs 61, 62, deux résistances de charge 63, 64, un potentiomètre 65 de mise à zéro et un condensateur de filtrage 66.
Bien que les fig. 6 et 8 illustrent l'emploi de cames montées pour un mouvement angulaire, il est évident que les mmes circuits pourraient tre employés avec des cames dont le mouvement par rapport à l'enroulement détecteur est une translation.
La sensibilité réglable du transformateur variable peut tre exploitée dans un dispositif suiveur dans lequel le dispositif détecteur est plus sensible que le dispositif suiveur.
Dans un tel dispositif, le signal d'entrée mécanique peut provenir d'un corps qui se déplace sur une très courte distance, par exemple 0,025 mm, et, l'organe asservi peut se déplacer sur une échelle de plusieurs centimètres.
I1 est donc avantageux d'utiliser un transformateur différentiel variable pour l'élément détecteur primaire, mais une difficulté est rencontrée pour le suiveur, car il est désirable d'employer pour ce dernier un transformateur dont les caractéristiques électriques sont identiques à celles du transformateur détecteur. Si un second transformateur sensible est employé comme suiveur et si l'organe à entraîner doti tre déplacé de plusieurs centimètres, il devient nécessaire d'utiliser une liaison mécanique compliquée pour entraîner l'organe de sortie par la came du transformateur suiveur, cette liaison devant tre capable d'amplifier le mouvement de la came de manière que l'organe de sortie se déplace de plusieurs centimètres.
On peut employer comme dispositif suiveur un transformateur différentiel variable dont les enroulements et le noyau axial sont identiques à ceux du transformateur détecteur. On emploie alors pour ce transformateur une came mobile montée de manière à se déplacer avec l'organe de sortie et conformée de manière qu'un mouvement de la came du transformateur suiveur entre ses limites extrmes corresponde également à un mouvement de la came du transformateur détecteur entre ses limites extrmes.