Dispositif de mesure et d'enregistrement d'une grandeur de faible valeur
dont les variations sont relativement lentes
L'invention est relative à un dispositif de mesure et d'enregistrement d'une grandeur de faible valeur dont les variations sont relativement lentes par rapport à la période d'oscillation propre de l'appareil de mesure que comprend ce dispositif.
En prenant l'exemple de la mesure d'un courant électrique de faible intensité variant relativement lente ment, au moyen d'un galvanomètre à cadre mobile, il est connu de réaliser un montage tel qu'une fraction donnée du courant à mesurer traverse le cadre du galvanomètre, et de mesurer sur une échelle graduée la déviation permanente correspondante du spot lumineux. Pour des intensités de courant faibles, et, même en faisant circuler dans le cadre du galvanomètre la totalité du courant à mesurer, la déviation permanente du spot peut être très faible et difficile à mettre en évidence.
On sait d'autre part que le mouvement du cadre mobile d'un galvanomètre satisfait à une équation différentielle du second ordre à coefficients constants.
Le dispositif selon l'invention comprend un appareil de mesure comportant un équipage mobile satisfaisant à une équation du même genre.
On connaît enfin des dispositifs enregistreurs, appelés suiveur de spot, donnant un tracé immédiatement utilisable pour repérer à chaque instant l'élongation de l'équipage mobile d'un tel appareil de mesure.
L'invention a notamment pour but de permettre et de faciliter la mesure et l'enregistrement d'une grandeur lentement variable et concerne à cet effet un dispositif de mesure et d'enregistrement comportant un appareil de mesure dont les déplacements de l'équipage mobile satisfont à une équation différentielle du second ordre, ledit équipage mobile étant solidaire d'un miroir, caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, inséré entre le générateur de la grandeur à mesurer et l'appareil de mesure sensible à cette grandeur, un organe de coupure commandé de façon périodique par l'équipage mobile dudit appareil de mesure, et, d'autre part, un suiveur de spot enregistrant, comme résultat de la mesure, l'amplitude du mouvement quasi périodique de l'équipage mobile.
Des formes d'exécution du dispositif de mesure et d'enregistrement suivant l'invention sont représentées, à titre d'exemple, sur les dessins ci-joints, dans lesquels
La fig. 1 est un schéma de principe d'un premier dispositif.
La fig. 2 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la fig. 1.
La fig. 3 est un schéma de principe d'un deuxième dispositif,
La fig. 4 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la fig. 3.
La fig. 5 est un schéma de principe d'un troisième dispositif.
La fig. 6 est un diagramme illustrant le fonctionnement du dispositif de la fig. 5.
La fig. 7 est un diagramme illustrant le fonctionnement d'un quatrième dispositif (non représenté), et
la fig. 8 est une vue d'ensemble en perspective des différentes parties d'un tel dispositif.
Afin de préciser le fonctionnement des dispositifs qui vont etre décrits, il sera tout d'abord question de la mesure de l'intensité d'un courant au moyen d'un galvanomètre à équipage mobile. En fait, il apparaîtra par la suite que les dispositifs décrits peuvent comprendre d'autres appareils de mesure que des galvanomètres.
On sait que la loi du mouvement de l'équipage mobile d'un galvanomètre à cadre mobile est de la forme:
d2# d#
I + A + C# = T (1)
dt dt
Dans cette équation, I représente le moment d'inertie de l'équipage mobile, A un coefficient d'amortissement, C le couple de torsion de la suspension, r le couple moteur proportionnel à la quantité à mesurer, e l'élongation du cadre mobile et t le temps.
Pour un couple moteur constant appliqué en permanence, l'équation (1) permet de calculer la déviation permanente de l'équipage mobile après amortissement du régime transitoire.
ce = r (2)
Dans les dispositifs décrits ci-après, au lieu d'appliquer en permanence à l'équipage mobile de mesure la grandeur à mesurer et au lieu de s'intéresser à la position d'équilibre atteinte, on introduit le couple moteur du signal de façon discontinue et périodique, la période étant égale ou très voisine de celle que présenterait l'équipage mobile de mesure isolé.
Celui-ci prend alors un mouvement quasi sinusoïdal d'amplitude croissante, jusqu'à une limite d'autant plus élevée que le terme A de l'équation 1 est réduit, ce qui peut s'obtenir par construction. La mesure consiste dans l'enregistrement des amplitudes successives atteintes par l'équipage mobile.
Dans le cas d'un galvanomètre à cadre mobile, le signal de mesure est appliqué par exemple sous formes d'ondes rectangulaires périodiquement injectées dans le cadre mobile, toujours avec la même polarité et pendant la moitié au plus de la période de l'équipage, ou bien au contraire, en polarités successives alternées.
Il est également possible de prévoir que le signal de mesure est constitué par exemple par la charge électrique accumulée, pendant un intervalle de temps défini, dans un ou plusieurs condensateurs et périodiquement déchargée dans le cadre mobile, éventuellement, avec alternances des polarités.
Dans tous les cas, l'équipage mobile est soumis à des impulsions de période égale à sa période propre, et il prend progressivement une amplitude d'oscillation beaucoup plus importante que celle qu'atteindrait le même équipage de mesure connecté en permanence au signal proprement dit,
Afin d'augmenter l'amplitude enregistrée, il peut être intéressant de réduire le terme A de l'équation (1). Les moyens pour obtenir ce résultat selon les équipages mobiles utilisés sont du domaine de l'homme du métier dans la technique des appareils de mesure.
Ainsi dans le cas d'un galvanomètre à cadre mobile, on élimine par construction la plus grande part des termes de frottements solides en choisissant une suspension par fils ou par rubans on réalise la bobine du cadre mobile sur un support isolant afin d'éviter les courants de Foucault; on réalise le circuit comportant le cadre mobile de telle sorte que sa résistance soit très grande. Enfin on crée un vide partiel dans l'enceinte contenant le cadre.
En se référant à la fig. 1, on va décrire la mesure de la force électromotrice très lentement évolutive d'un générateur 1 au moyen d'un galvanomètre 2.
On suppose que le phénomène est lentement évolutif quand les variations de la grandeur à mesurer sont relativement faibles par rapport à cette grandeur dans un intervalle de temps de l'ordre de quelques dizaines de fois la période propre du galvanomètre en circuit ouvert. Dans les dispositifs représentés, dans la liaison électrique entre la source 1 et le galvanomètre 2, on insère un organe de coupure 3 qui est, sur la fig. 1, un interrupteur actionné périodiquement. Dans le cas où le circuit présente une résistance élevée, il peut être intéressant de prévoir une période de fermeture de l'organe 3 approximativement égale à la moitié de la période propre en circuit ouvert du galvanomètre 2. La commande de l'organe 3 est réalisée à partir d'un signal de déclenchement fourni par l'équipage mobile lui-même, lorsqu'il passe dans une position déterminée.
Le régime permanent d'oscillation étant atteint, on peut admettre que les oscillations de l'équipage mobile sont sinusoïdales et décalées de a12 radians en avance par rapport à la composante fondamentale de la force électromotrice agissant sur le cadre.
A la fig. 2, on a représenté en fonction du temps, le diagramme des variations de la force électromotrice appliquée au cadre (onde A) et l'oscillation correspondante (onde B) du cadre.
Dans le cas où l'organe de coupure, au lieu d'être un interrupteur comme représenté à la fig. 1, est un inverseur, on obtient le schéma de montage de la fig. 3 au moyen duquel la force électromotrice appliquée au cadre du galvanomètre est périodiquement inversée. Le schéma de la fig. 4 représente les variations en fonction du temps de la force électromotrice appliquée au galvanomètre (onde A), et de l'élongation supposée sinusoïdale du galvanomètre, le régime permanent d'oscillations ayant été atteint (onde B).
A la fig. 5, on a représenté le schéma du montage qui peut être utilisé pour mesurer la force électromotrice d'un thermocouple. Sur cette figure, le générateur 1 est un thermocouple, L'organe de coupure 3 est un inverseur unipolaire permettant, pour une position, la charge d'un condensateur 4, et, pour l'autre position, la décharge du condensateur 4 dans le galvanomètre 2. Sur le diagramme de la fig. 6, on a représenté par la courbe A les variations, en fonction du temps, de l'intensité dans le cadre du galvanomètre dont le mouvement est illustré par la courbe B.
Sur la fig. 5, on a représenté un seul condensateur 4 se déchargeant périodiquement dans le galvanomètre 2 après avoir été chargé à la tension de la force électromotrice à mesurer. La charge et la décharge sont réalisées par l'intermédiaire d'un inverseur unipolaire 3. Il est particulièrement favorable d'utiliser dans certains cas un groupement de plusieurs condensateurs, associé à un inverseur multipolaire, les connexions étant réalisées de sorte que tous les condensateurs sont chargés en parallèle et déchargés périodiquement dans le galvanomètre alors qu'ils sont connectés en série. On accroît ainsi la capacité chargée à la tension à mesurer. Cette tension est elle-même multipliée lors de la décharge.
Accessoirement, il est à noter que pendant le temps nécessaire à la décharge, le cadre du galvanomètre est fermé, de par le groupement en série des condensateurs, sur une capacité relativement réduite. Ce montage réalise un convertisseur d'impédances entre la source fournissant la tension à mesurer et l'équipage de mesure.
Sur le diagramme de la fig. 7, il est supposé que la décharge du condensateur 4 est réalisée, avec une polarité périodiquement alternée, dans le galvanomètre 2. On a représenté les courbes A et B correspondantes illustrant les décharges successives du condensateur et les élongations sinusoïdales du galvanomètre. Le montage correspondant peut être une combinaison des montages représentés à la fig. 5, pour la charge du condensateur et à la fig. 3 pour la décharge alternée.
Une vue d'ensemble d'un dispositif de mesure et d'enregistrement est donnée à la fig. 8. L'équipage mobile de mesure d'axe 1 1 porte un miroir 12.
Celui-ci donne deux faisceaux lumineux réfléchis 13 et 14 à partir de deux lampes 15 et 16 fixées en des positions déterminées. Le rayon réfléchi 14 positionne à chaque instant un élément ou un groupe d'éléments photoélectriques d'un ensemble suiveur de spot scripteur 17 entraîné par un servo-moteur lequel est commandé, selon l'une des techniques classiques dans la réalisation d'éléments suiveurs de spots, par les signaux émis par le ou les éléments photoélectriques. Un style scripteur 18 inscrit un tracé 19 sur une bande de papier 20 qui se déplace régulièrement en fonction du temps.
Un autre élément photoélectrique 21 est fixé sur le dispositif en position telle qu'un signal électrique soit émis à chaque passage du rayon réfléchi 13 dans la zone correspondant au zéro de l'équipage mobile de mesure. Au cours d'une période complète d'oscillation de l'équipage mobile, on obtient ainsi deux impulsions définissant dans le temps chaque passage au zéro de l'équipage mobile de mesure.
Le même résultat peut également être atteint au moyen d'un dispositif électrique ou électromécanique tel que chaque passage de l'ensemble suiveur-scripteur 17 dans la zone correspondant au zéro de l'équipage mobile provoque l'émission d'un signal caractéristique de ce passage, par exemple par le jeu de contacts d'interrupteurs ou d'inverseurs actionnés mécaniquement par le passage de l'ensemble mobile dans la zone définie.
Ces impulsions de synchronisme, après une mise en forme et une amplification éventuelles pouvant être précédées ou suivies d'une discrimination au moyen d'un dispositif classique, par exemple par un montage flip-flop ou basculeur, commandent, par des interrupteurs ou inverseurs (non représentés sur la fig. 8) - soit l'application immédiate de la force de mesure, lorsque celle-ci doit s'exercer pendant un temps relativement très bref, comme dans les exemples illustrés par les fig. 6 et soit le déclenchement d'une temporisation réglée pour retarder convenablement l'application de la force de mesure comme dans les exemples illustrés par la fig. 2 ou la fig. 4. La temporisation peut être obtenue par exemple avec une ou plusieurs minuteries synchrones réglables et, de préférence, à retour automatique au zéro.
Selon la fig. 8, chaque signal de synchronisme est obtenu en plaçant l'élément 21 de telle sorte que la position de zéro de l'équipage mobile corresponde sensiblement au milieu de la largeur totale du diagramme, afin que le tracé donné par le scripteur 18 matérialise par ses deux limites extrêmes 22 et 23 les élongations atteintes dans chaque sens par l'équipage mobile.
Il est également possible de régler l'appareil de sorte que la position de zéro de l'équipage mobile corresponde à une autre région du diagramme, et par exemple à l'un de ses bords ; dans ce cas, l'ensemble suiveur-scripteur 17 doit être réglé pour rester dans cette position latérale lorsque le faisceau réfléchi 14 dépasse les limites du diagramme, c'està-dire pendant la moitié du temps, et pour suivre fidèlement ce faisceau dans la zone utile d'enregistrement; dans ce cas, le tracé 19 matérialise par une seule limite extrême les amplitudes atteintes dans un sens par l'équipage mobile.
Dans tous les cas, la mesure du phénomène étudié est faite sur la limite des amplitudes successives tracées. I1 est préférable de choisir la vitesse d'avance de la bande de papier 20 en fonction de la période de l'équipage mobile de mesure de sorte que les tracés successifs soient jointifs sans recouvrements.
Même lorsqu'on utilise un équipage mobile de mesure présentant une période d'oscillation relativement très grande, l'évaluation de la grandeur étudiée peut être faite à n'importe quel instant par simple observation de l'élongation maximale enregistrée antérieurement.
L'équipage mobile de mesure peut être de nature quelconque pourvu que sa loi de déplacement soit identique à la relation (1), par exemple être analogue à une micro-balance de torsion destinée à la mesure de flux ou de pressions de radiations. Dans ce dernier cas, la micro-balance portant un miroir peut comporter une ou plusieurs surfaces périodiquement soumises à la pression de radiation, le dispositif d'application et d'interruption de la force de mesure étant ici un secteur tournant constituant un obturateur donnant des occultations périodiques synchronisées par les oscillations de la balance elle même. De même, au lieu d'être un interrupteur ou un inverseur mécanique ou électrique, L'organe de coupure peut avantageusement être réalisé en utilisant des tubes électroniques ou des semi-conducteurs.
Il est toutefois rappelé que, dans tous les cas, c'est l'équipage mobile lui-même qui définit les instants d'application et d'inversion de la force de mesure.
Enfin étant donné le bruit de fond introduit par l'organe de coupure dans le circuit du dispositif de mesure, il a été trouvé avantageux, dans une réalisation particulière de l'invention, d'utiliser comme appareil de mesure un électro-dynamomètre et de placer l'organe de coupure sur le circuit d'alimentation dudit électro-dynamomètre. L'alimentation de l'électro-dynamomètre étant réalisée à partir d'une tension relativement importante, le bruit de fond devient pratiquement négligeable.