Procédé de mesure des caractéristiques de frottement interne d'un échantillon
et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé de mesure des caractéristiques de frottement interne d'un échantillon, suivant lequel on soumet ledit échantillon à une déformation périodique par torsion, et on mesure l'énergie nécessaire pour maintenir l'amplitude de la déformation à une valeur constante. Elle a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Parmi les procédés connus, il en est qui consistent à soumettre ledit échantillon à une déformation périodique par torsion, à détecter l'amplitude de la déformation, à comparer cette amplitude à une amplitude de référence, à utiliser le signal résultant de cette comparaison pour corriger l'amplitude de la déformation de manière à la rendre égale à l'amplitude de référence et à déterminer les caractéristiques dudit signal, lesquelles sont fonction des caractéristiques de frottement interne de l'échantillon.
La présente invention vise à améliorer la sensibilité et la fidélité des mesures effectuées conformément aux procédés de ce genre.
A cette fin, le procédé de mesure selon l'invention est caractérisé en ce qu'on réalise une modulation de fréquence avec une excursion de fréquence proportionnelle à l'amplitude de la déformation, on détecte la modulation pour obtenir une tension proportionnelle à l'excursion de fréquence, on mesure cette tension et sa différence avec une tension de référence et on utilise cette différence pour maintenir l'amplitude de la déformation à ladite valeur constante.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'il comprend un pendule de torsion dont le fil de torsion est constitué par l'échantillon, un oscillateur dont le circuit accordé comporte un organe couplé au pendule pour moduler sa fréquence avec une excursion proportionnelle à l'amplitude des oscillations du pendule, un fréquencemètre fournissant une tension proportionnelle à l'excursion de fréquence de l'oscillateur, des moyens pour mesurer cette tension et sa différence avec une tension de référence et des moyens pour corriger l'amplitude des oscillations du pendule de torsion afin d'annuler ladite différence.
On décrit ci-après, à titre d'exemple, un mode de mise en oeuvre du procédé objet de l'invention et une forme d'exécution du dispositif. Cette description se réfère aux fig. 1 et 2 ci-jointes.
La fig. 1 représente une vue schématique en élévation d'un pendule de torsion électronique,
la fig. 2 représente une vue de dessus schématique de ce pendule de torsion électronique avec les appareils d'entretien des oscillations et de mesure des caractéristiques de frottement interne.
Tel qu'il est représenté sur les fig. 1 et 2 le pendule de torsion comporte un volant d'inertie 1 constitué par un axe de rotation vertical 2 et des bras 3, 4, 5 et 6 horizontaux disposés en croix. A l'extrémité inférieure de l'axe de rotation 2 est fixé rigidement un fil de torsion 7 vertical. Celui-ci est constitué par le matériau dont on désire étudier la structure interne; ses dimensions sont déterminées en fonction de la fréquence et de l'amplitude des oscillations et de la limite élastique du matériau.
Ce fil de torsion 7 se trouve entièrement contenu dans la chambre calorifugée 8 au fond de laquelle est fixée son autre extrémité. La chambre 8 possède une double-paroi 9 9a permettant à volonté de la chauffer ou de la réfrigérer. Elle comporte aussi des moyens d'indication de la température interne du fil de torsion. Ces moyens ne sont pas représentés sur le dessin.
A l'extrémité supérieure de l'axe de rotation 2 est fixé un fil de suspension 10 guidé sur des poulies 1 1 et 12. Le fil de suspension et le fil de torsion sont soumis aux mêmes déformations afin de ne pas perturber les mesures effectuées. Le fil de suspension doit être sans torsion, ou posséder des caractéristiques de frottement interne parfaitement connues, ou encore avoir une longueur telle qu'il n'exerce pas d'influence notable sur les mesures compte tenu de la précision recherchée. A l'extrémité de ce fil est acroché un contrepoids 13 permettant d'équilibrer le poids du volant d'inertie 1 et d'exercer une légère traction longitudinale sur le fil de torsion 1.
Toute autre disposition du fil de torsion 7 et du volant d'inertie 1 peut être réalisée, mais celle qui est décrite ci-dessus présente plusieurs avantages: en particulier, elle facilite l'accès à la chambre calorifugée 8 et elle permet de faire varier l'effort de traction supporté par le fil de torsion 7 sans que le poids du volant impose une limite.
Les bras 3 et 4 du volant d'inertie 1 situés dans le prolongement l'un de l'autre portent des aimants 14 et 15 respectivement soumis à l'action de bobines de self-induction à air 16, 17, 18, 19. L'aimant 14 est situé sur l'axe commun aux bobines 16 et 17, placées de part et d'autre de lui à faible distance, et l'aimant 15 occupe la même position vis-à-vis des bobines 18 et 19. Ainsi, chaque aimant 14 ou 15 oscille, en entraînant le bras qui le porte (3 ou 4), à l'intérieur de l'espace compris entre les deux bobines qui l'encadrent (16 et 17 ou 18 et 19).
En outre, chacune des bobines 16 et 17 est connectée électriquement à l'une des bobines 18 et 19 de telle manière que les deux bobines connectées ensemble tendent à chaque instant à provoquer le même mouvement du volant d'inertie 1.
Aux extrémités des bras 3,4,5 et 6 sont placées des plaques en arc de cercle formant les armatures mobiles de condensateurs 20, 21, 22 et 23. Les armatures fixes de ces condensateurs sont solidaires d'une couronne circulaire horizontale 24 qui entoure le volant 1. Cette couronne 24 est fixe pendant les mesures ; elle est seulement susceptible de se déplacer sur elle-même pour permettre de positionner l'ensemble.
Les condensateurs diamétralement opposés 20 et 21 d'une part, 22 et 23 de l'autre, sont connectés ensemble par l'intermédiaire de leurs armatures mobiles et de leurs armatures fixes. Ainsi, les groupes de condensateurs variables 20 et 21 d'une part, et 22 et 23 d'autre part, se comportent comme des condensateurs variables dont les capacités sont égales à la somme de celles des deux condensateurs qui les composent. Ces capasités sont à peu près insensibles aux mouvements parasites transversaux. En effet, un déplacement horizontal du volant 1 provoque une diminution de la distance entre les armatures d'un condensateur et une augmentation simultanée, d'une quantité égale, de la distance entre les armatures du condensateur diamétralement opposé ; ces deux condensateurs étant montés en parallèle, les variations de capacité sont opposées et se compensent.
D'autre part les armatures fixes des condensateurs sont plus étendues dans le sens vertical que les armatures mobiles afin de conserver constante la surface des armatures en regard lors d'un mouvement du volant autour d'un axe horizontal et de diminuer ainsi l'influence qu'aurait le déplacement vertical des armatures mobiles sur la valeur des capacités.
Les armatures fixes des condensateurs sont placées de telle sorte sur la couronne 24 que, lors de l'oscillation du volant 1 autour de l'axe de rotation 2, les variations de capacité des deux groupes de condensateurs sont opposées. Ces deux groupes de condensateurs variables forment, dans l'exemple décrit, les éléments de commande de deux oscillateurs 25 et 26. Une variation de la capacité d'un groupe de condensateurs, lors d'une oscillation du pendule de torsion, se traduit par une variation de la fréquence de l'oscillateur correspondant proportionnelle à la variation de capacité, c'est-à-dire à l'amplitude de l'oscillation du pendule de torsion. Les variations de capacité de deux groupes étant opposées, les variations de fréquence des oscillateurs correspondants le sont également.
Ce dispositif permet d'observer de très petites oscillations du pendule. En effet, un seul oscillateur n'a pas une stabilité absolue suffisante pour permettre la reproductibilité de la mesure, tandis que deux oscillateurs identiques et thermostatés permettent une compensation des glissements toujours possibles.
Les oscillateurs 25 et 26 sont connectés, par leurs bornes de sortie 27 et 28 respectivement, à un fréquencemètre 29 d'un type connu, qui a fait l'objet du brevet français No 1303504. Ce fréquencemètre 29 comprend principalement un changeur de fréquence 30 recevant les deux signaux de sortie émis par les oscillateurs, un appareil 31 donnant la fréquence de référence et connecté au changeur de fréquence 30, et un appareil de mise en forme et de détection 32 relié aux bornes de sortie de ce même changeur de fréquence 30.
Le fréquencemètre 29 permet de transformer les variations de fréquence des oscillateurs 25 et 26 en une tension proportionnelle à l'excursion de fréquence avec la précision désirée. Les bornes de sortie 33 et 34 du fréquencemètre 29 sont connectées respectivement aux bornes d'entrée 35 et 36 d'un amplificateur 37. Un montage différentiel permet d'amplifier la tension de sortie du fréquencemètre.
L'amplificateur 37 est connecté par des bornes 38 et 39 à un régulateur d'amplitude 40, comportant un contracteur 41. Il possède des moyens de compa raison d'une amplitude quelconque à la précédente par l'intermédiaire d'une tension de référence et des moyens de correction automatique du gain de l'amplificateur 37, afin que ce dernier ne transmette aux groupes de bobines d'entretien 16 à 19, par l'intermédiaire des bornes de sortie 42 et 43 de l'amplificateur, que l'énergie nécessaire à la conservation de l'amplitude choisie des oscillations. Un dispositif à mémoire permet de conserver l'image de l'amplitude pendant tout le temps nécessaire à la comparaison. Deux fortes résistances, par exemple de 250000 ohms, sont placées aux bornes de sortie 42 et 43 de l'amplificateur, afin d'éviter toute rétroaction des bobines sur l'amplificateur.
Un inverseur, non représenté sur le dessin, permet de bloquer le pendule ou de le lancer.
Les bornes 44 et 45 de l'amplificateur 37 sont reliées à l'appareil de mesure proprement dit 46. Cet appareil comporte un potentiomètre diviseur 47 permettant d'ajuster la sensibilité de la mesure, et un cadran 48 sur lequel apparaît la valeur de la caractéristique de frottement interne recherchée.
Ainsi, le coefficient de frottement interne est obtenu en effectuant le rapport de l'énergie fournie aux bobines d'entretien à l'amplitude des oscillations du pendule. Ces grandeurs sont mesurées sur l'amplificateur 37 et transmises à l'appareil 46 qui en fait le rapport.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant:
L'oscillation du volant d'inertie 1 autour de l'axe 2 fait varier les valeurs des deux groupes de capacités 20 et 21 d'une part, 22 et 23 de l'autre, reliés aux oscillateurs 25 et 26. Ces oscillateurs transforment ces variations de capacité en des variations de fréquence qui sont proportionnelles à ces variations de capacité et, par suite, à l'amplitude des oscillations du pendule.
Ces variations de fréquence sont transmises au fréquencemètre 29, délivrant à la sortie une tension proportionnelle à ces variations, et donc à l'amplitude des oscillations du pendule. Cette tension est envoyée sur l'amplificateur 37 qui la compare avec une tension de référence donnée par le régulateur d'amplitude 40. Le réglage automatique du gain de l'amplificateur ajuste la régulation de l'amplitude de manière à ne fournir aux bobines d'entretien 17 à 19 que l'énergie nécessaire à la conservation de l'amplitude. Cette énergie est envoyée par l'amplificateur 37 sous la forme d'un courant proportionnel à la différence entre la tension de référence et la tension de sortie amplifiée du fréquencemètre 29.
La caractéristique recherchée est lue sur le cadran 48. Le bouton de réglage 47 offre la possibilité de choisir une sensibilité compatible avec les mesures.
Le contacteur 41 permet de faire varier la grandeur de l'amplitude des oscillations et, par suite, d'effectuer des mesures pour diverses déformations de l'échantillon.
La chambre calorifugée 8, que l'on peut chauffer ou réfrigérer à volonté, offre la possibilité d'effectuer les mesures des caractéristiques de frottement interne du matériau constituant le fil de torsion 7 à toutes températures. Ainsi le tracé point par point d'une courbe classique représentant les variations du coefficient de frottement interne d'un matériau quelconque en fonction de la température peut être effectué par exemple au cours de la montée en température du matériau.
Bien entendu, l'appareil peut aussi être utilisé pour la détermination du module d'élasticité du ma tériau en fonction de la température, le module d'élasticité étant alors déduit de la fréquence des oscillations du pendule.
REYENDIêATIONS
I. Procédé de mesure des caractéristiques de frottement interne d'un échantillon, suivant lequel on soumet ledit échantillon à une déformation périodique par torsion, et on mesure l'énergie nécessaire pour maintenir l'amplitude de la déformation à une valeur constante, caractérisé en ce qu'on réalise une modulation de fréquence avec une excursion de fréquence proportionnelle à l'amplitude de la déformation, on détecte la modulation pour obtenir une tension proportionnelle à l'excursion de fréquence, on mesure cette tension et sa différence avec une tension de référence et on utilise cette différence pour maintenir l'amplitude de la déformation à ladite valeur constante.