Transducteur électromécanique
L'invention concerne un transducteur électromécanique, c'est-à-dire un dispositif convertissant un déplacement en une quantité électrique équivalente et inversement.
On connaît déjà des appareils de mesure de dimension longitudinale basés sur l'utilisation d'un transducteur électromécanique incorporant une capacité variable. Un appareil connu utilise une capacité différentielle comportant un conducteur prélevant un signal qui est transmis à un appareil de mesure si bien que la lecture directe du cadran de l'appareil de mesure donne la position du conducteur de prélèvement. On a proposé de constituer cette capacité différentielle au moyen d'un certain nombre de segments successifs mis bout à bout et isolés les uns des autres de façon à réaliser une barre de longueur notable et d'un conducteur de prélèvement ayant une longueur largement supérieure à celle de chacun des segments de la barre si bien que le conducteur de prélèvement fait toujours face simultanément à un nombre notable de segments de la barre.
Pendant les déplacements du conducteur de prélèvement lors d'une mesure, une extrémité du conducteur est amenée à dépasser une zone d'isolement entre deux tronçons successifs de la barre. Ceci entraîne des erreurs de lecture provoquées par des effets de bord qui causent des variations de capacité aléatoires. Des corrections doivent être introduites telles que des modifications de la longueur réelle du conducteur de prélèvement ou l'insertion de tensions additionnelles sur certains tron çons de la barre ce qui ne contribue pas à assurer l'exactitude finale des mesures.
Un autre appareil connu comporte une capacité différentielle qui comprend : deux éléments semblables de forme allongée, placés bout à bout mais isolés l'un de l'autre et un conducteur de prélèvement ayant une longueur plus petite que celle de chacun des deux éléments allongés, disposé concentriquement et à une certaine distance radiale de ces éléments de façon à ménager un matelas d'air, les deux éléments allongés étant connectés aux bornes respectives d'une source de courant alternatif.
L'invention concerne un nouveau transducteur électromécanique s'inspirant des deux conceptions rappelées ci-dessus tout en évitant les inconvénients signalés à propos du premier appareil ainsi que la rigidité du second.
Suivant l'invention, le transducteur électromécanique comprend une capacité différentielle dans laquelle: les deux éléments formant capacité sont déplaçables l'un par rapport à l'autre; un des éléments est constitué d'un certain nombre de segments successifs mis bout à bout et isolés les uns des autres de façon à constituer une barre rigide et le second élément, constituant le conducteur de prélèvement, a une longueur supérieure à celle des segments formant le premier élément; un certain nombre de connexions électriques permet d'appliquer des tensions électriques aux différents segments et une connexion électrique sur le conducteur de prélèvement permet de prélever un signal; il est remarquable en ce qu'il comporte:
des moyens pour grouper électriquement les segments en une paire d'unités électriques fonctionnelles séparées par une ligne d'isolement électrique; des moyens pour mettre au même potentiel électrique les segments d'une même unité; des moyens pour commuter la position de cette ligne de séparation vers d'autres positions comprises entre des segments adjacents dans les limites de la surface couverte par élément de prélèvement et dans les limites du mouvement relatif entre les deux éléments formant capacité et un générateur de tension électrique équilibrant le signal prélevé grâce à l'élément de prélèvement.
La description qui va suivre expose, à titre d'exemple, une forme d'exécution particulière du transducteur objet de l'invention en regard du dessin annexé, dans lequel
la fig. 1 est une vue de côté en élévation de ladite forme d'exécution;
la fig. 2 est une vue partielle en section suivant le plan de trace 2-2 de la partie centrale de la fig. 1 ;
la fig. 3 est une vue en section transversale de la fig. 1 suivant le plan de trace 3-3
la fig. 4 représente le transducteur de la fig. 1 en section longitudinale en circuit avec ses éléments électriques associés, et
la fig. 5 est un diagramme schématique d'un autre circuit électrique suivant l'invention appliqué à des systèmes comportant des modes de fonctionnement automatique et manuel.
L'invention s'applique non seulement à la détermination des positions relatives d'éléments déplaçables en vue de déterminer par exemple la dimension d'un élément contacté par une sonde, mais aussi au positionnement précis d'éléments mobiles dans des positions prédéterminées.
Suivant le mode de réalisation des fig. 1 à 3, une capacité différentielle 14, 21, 16, 17 est disposée sur un support 10 muni de bras transversaux 11, 12, 13, un cylindre métallique 14 formant écran reposant sur les bras 13 formant berceau.
A l'intérieur de cet écran cylindrique 14 et supporté par lui, se trouve un conducteur capacitif de prélèvement 16 disposé coaxialement avec lui. Un grand nombre, c'est-à-dire plus de deux dans cet exemple, de barres tubulaires 17a-171 formant des segments cylindriques capacitifs allongés sont supportés pour pouvoir être déplacés à l'intérieur de l'écran cylindrique 14. Les segments 17a-171 sont de construction identique, isolés électriquement les uns des autres au moyen d'une couche de verre mince appliquée à une extrémité des segments et disposés de façon à séparer les segments adjacents. Suivant le mode de réalisation, les segments 17a-171 sont des cylindres tubulaires d'égale longueur et le conducteur de prélèvement 16 est un cylindre tubulaire de longueur supérieure à la longueur efficace des segments.
Dans un exemple précis de réalisation la longueur du cylindre 16 était deux fois et demie celle des segments.
Une barre droite rigide et creuse 19 est enfilée dans les segments cylindriques 17a-171 et leur est rigidement fixée de façon à maintenir les segments cylindriques 17a171 d'une manière définitive les uns par rapport aux autres et à constituer une structure unique. Des conducteurs électriques sont reliés à chacun des segments cylindriques. Ces conducteurs électriques passent à l'intérieur de la barre 19 selon son axe et sont enfermés à leur sortie à l'extrémité de la barre 19 dans un fourreau 20.
Un transformateur 52 formant source d'alimentation en courant alternatif a son secondaire relié par ses extrémités à deux conducteurs 50 et 51 constituant deux sources de tension électrique de valeurs différentes. Ces sources sont utilisées pour relier au travers de commutateurs que l'on décrira ci-après, et au moyen des conducteurs contenus dans le fourreau 20, respectivement ceux des segments qui ont été groupés pour constituer une paire fonctionnelle désignée d'une manière générale par les références 18a et 18b sur la fig. 3, d'unités électriques placées respectivement sous les tensions de ces deux sources de part et d'autre d'une ligne d'isolement électrique. Grâce à cette disposition tous les segments cylindriques 17 disposés d'un même côté de cette ligne de séparation sont mis à la même tension.
Dans la position des commutateurs telle qu'illustrée à la fig. 4, la paire fonctionnelle 1 8a et 1 8b comprend respectivement les segments cylindriques 17a-17f et 17g-171.
Les unités électriques 18a et 18b étant placées sous les tensions alternatives suivant le processus qui vient d'être expliqué, le couplage capacitif qui existe entre ces unités et le conducteur de prélèvement 16 est tel qu'un signal de position est obtenu à partir du conducteur de prélèvement qui dépend de la position axiale relative du conducteur de prélèvement par rapport aux unités électriques. Dans toute l'étendue du déplacement relatif entre la structure unique formée par les segments cylindriques 17 et le conducteur de prélèvement 16, une extrémité du conducteur de prélèvement 16 n'atteindra jamais ni a fortiori ne franchira la ligne de séparation électrique existant entre les groupes de segments 18a, 18b.
Les erreurs dans les signaux dues aux effets capacitifs de bord sont évitées en s'assurant que la ligne de séparation électrique est toujours comprise à l'intérieur de la surface délimitée par le cylindre de prélèvement 16.
Le processus inventif consiste donc à réaliser à partir d'un grand nombre d'éléments tubulaires identiques 17 isolés les uns des autres une seule paire d'unités électriques 1 8a et 1 8b fonctionnant en association avec le cylindre de prélèvement 16, chaque unité étant réalisée par la mise en série d'un certain nombre d'éléments tubulaires sous la même tension électrique et avec la possibilité de modifier le nombre d'éléments entrant dans chaque unité.
Le cylindre de prélèvement 16 est convenablement scellé à un écran 21 en utilisant par exemple un ciment qui en même temps les isole électriquement l'un de l'autre. L'écran 21 est scellé d'une manière analogue à un boîtier 14 servant de support et d'isolant électrique. Suivant l'illustration l'écran 21 comprend un cylindre droit 22 de base circulaire auquel sont attachées des joues 23 et 24 à chaque extrémité pour étendre efficacement l'effet d'écran de part et d'autre de l'écran 16.
Une connexion électrique 33 attachée par une de ses extrémités au cylindre de prélèvement 16 et par sa seconde extrémité à un amplificateur 34 qui, comme on l'a représenté à la fig. 2 est avantageusement placé à l'intérieur du boîtier 14, permet de prélever un signal qui est fonction de la position du cylindre de prélèvement 16 par rapport aux éléments 17a-171. Le boîtier 14 est porté par le berceau 13 et il supporte l'écran 21 lequel supporte le cylindre de prélèvement 16 disposé à proximité immédiate des unités électriques 18a et 18b.
Le cylindre de prélèvement 16 a son axe sensiblement en coïncidence avec celui des unités électriques 18a et 18b tout en étant radialement éloigné d'elles de façon à ménager un matelas d'air annulaire entre ces unités et le cylindre de prélèvement tout en formant un écran efficace pour le cylindre de prélèvement 16 contre les effets extérieurs.
L'écran 21 réduit les effets capacitifs de bord, parce que comme on le voit à la fig. 4, la sortie de l'amplificateur 34 est connectée à l'écran 21 qui est mis de cette manière à un potentiel qui suit celui du cylindre de prélèvement 16. Cette disposition physique et électrique étend l'effet d'écran au-delà du cylindre 16 jusqu'à une distance repérée sur la figure par la référence 25 et qui est avantageusement de l'ordre de plusieurs fois l'épaisseur du matelas d'air 26 obligeant les lignes de force du champ électrique entre le cylindre 16 et les unités électriques 1 8a et 1 8b à être sensiblement radiales ce qui réduit l'effet de bord capacitif et les pertes capacitives entre le cylindre 16 et l'écran 21.
Suivant la représentation le tube rigide 19 a une
extrémité 36 qui s'étend au-delà des segments 17. Il possède une ouverture radiale 27 par laquelle passent les conducteurs électriques attachés aux segments 17a-171.
Le tube rigide 19 est prolongé par une barre 36 qui glisse dans une ouverture ménagée dans le bras transversal de
support 11 et se termine par une extrémité de travail partiellement sphérique 28 venant au contact d'une pièce représentée schématiquement en 41 dont il s'agit par exemple de déterminer la position. A son extrémité
opposée le tube rigide 19 est prolongé par une barre 43
qui glisse dans une ouverture ménagée dans le bras trans
versal de support 12. La barre 43 peut être déplacée en agissant sur son extrémité extérieure soit manuellement
à l'aide d'une manivelle 29 soit à l'aide d'un moteur 45
après basculement d'un interrupteur 30. L'un ou l'autre de ces moyens de commande de déplacement entraîne en
rotation un engrenage 46-47 supporté par un bâti 48.
La
paroi intérieure de la roue d'engrenage 47 est munie d'un
filetage qui coopère avec un filetage 49 porté par la barre 43. On pourrait imaginer d'autres modes d'entraînement.
Le déplacement de la barre 43 suivant son axe entraîne celui des unités électriques 18a et 1 8b par rapport au
cylindre 16 et comme la longueur effective de ces unités peut être comprise entre quelques centimètres et plu
sieurs mètres, l'appareil de Invention comporte une très large marge d'ajustage. Puisque le matelas d'air qui
sépare le cylindre 16 des unités électriques 18a et 18b est uniformément efficace, des erreurs ne risquent pas d'être introduites résultant de la variation de la nature diélectrique de l'air due par exemple à des variations de tempé
rature, de pression ou d'humidité.
Comme on Fa déjà dit, suivant Invention la ligne d'isolement électrique entre les deux unités électriques
1 8a et 1 8b peut être commutée pour se trouver à l'inté
rieur du cylindre 16. Suivant le mode de réalisation de la
fig. 4 on utilise dans ce but des commutateurs tournants 31a et 31b comportant des plaques conductrices frotteu
ses 32a et 32b respectivement qui sont reliées l'une à l'autre de façon à subir des déplacements angulaires identiques, par exemple au moyen d'un bouton moleté 31c. Les réferences a a > à a 1 > portées sur les plots de contact des commutateurs 31a et 31b correspondent aux références des segments 17a à 171.
Suivant la représentation, les conducteurs reliés aux segments 17a et 17b sont connectés à demeure au commutateur 31a tandis que les conducteurs 17k et 171 sont connectés à demeure au commutateur 31b. Les conducteurs reliés aux segments 17c et 17j sont diplexés sur les plots portant les lettres correspondantes des deux commutateurs 31 a et 31b ou suivant la représentation de la fig. 4, les plots c-j du commutateur 31a sont connectés aux plots correspondants du commutateur 31b ce qui revient au même. Si l'on suppose que l'on fait tourner le commutateur 31a et sa plaque frotteuse 32a de quatre plots dans le sens des aiguilles d'une montre, la même rotation est imposée au commutateur 31b et à sa plaque 32b.
La ligne d'isolement électrique se trouve déplacée de façon que les segments 17a-17j forment une unité électrique et les segments 17k-171 forment la seconde unité électrique. Un nombre quelconque de segments peut être sélectionné pour constituer une unité électrique de la paire en faisant tourner les commutateurs 31a et 31b d'une quantité angulaire appropriée soit dans le sens des aiguilles d'une montre soit en sens inverse.
Il est par conséquent facile de -placer la ligne d'isolement électrique de façon qu'elle tombe à l'intérieur du cylindre 16 sans qu'une extrémité du cylindre 16 vienne à franchir l'interstice isolant qui sépare les unités électriques 18a et 18b, si bien que le signal recueilli à la sortie de l'amplificateur 34 est uniformément et directement proportionnel aux déplacements des structures constituant les unités électriques 1 8a et 1 8b par rapport au cylindre 16.
Les deux unités électriques 1 8a et 1 8b sont reliées par des conducteurs 50 et 51 au secondaire d'un transformateur 52 constituant une source d'alimentation en courant alternatif, par exemple de 1 kilocycle/seconde sous 125 volts. Le signal fourni par l'amplificateur 34 est transmis par un fil 53 à un amplificateur 55 recevant un second signal par un fil 56. Le signal sortant de l'amplificateur 55 parvient à un détecteur de phase 57 relié à un indicateur 58 d'une part, à un amplificateur 60 par un fil 59 de l'autre. Le signal amplifié en 60 est communiqué au moteur 45 pour en commander la vitesse et le sens de fonctionnement, si bien que le moteur fonctionne comme élément de déplacement du condensateur différentiel.
Un diviseur de tension réglable et de précision est relié entre les conducteurs d'alimentation 50 et 51. I1 comporte un autotransformateur 63 muni d'un nombre approprié de prises 64 disposées de façon que les prises successives puissent être reliées au moyen d'un dispositif de commutation 65 à la disposition de l'opérateur. Ce dispositif de commutation est relié à un second autotransformateur 66 muni également de prises. D'une manière analogue une série d'autotransformateurs à prises sont reliées les uns aux autres de la manière indiquée si bien que le signal recueilli sur la sortie 69 peut être déterminé d'une façon extrêmement précise au moyen de ce diviseur de tension réglable.
L'opérateur a des moyens à sa disposition lui permettant de déterminer la dimension de l'ajustement à opérer, si bien que par exemple s'il lui faut obtenir un déplacement de 1,95 cm par rapport au cylindre de prélèvement, l'opérateur commute la ligne de séparation entre les deux unités électriques d'une manière appropriée et règle le diviseur de tension à une valeur convenable ce qui donne une quantité de signal déterminée avec précision sur le fil 56, et si cette valeur correspond exactement au signal produit par le cylindre de prélèvement 16, 1'indicateur 58 affiche un résultat nul.
Tant que l'indication en 58 n'est pas zéro, le signal sortant du détecteur de phase 57 provoque par l'entremise de l'amplificateur 60 le fonctionnement du moteur 45 qui déplace les unités électriques 18a et 1 8b dans un sens tendant à annuler le signal. De cette manière la barre 41 commandée par le condensateur différentiel se trouve ajustée à la distance convenable. Inversement le condensateur différentiel peut être réglé à la main sur une position précise et l'on détermine ensuite l'amplitude du déplacement en agissant sur les connexions du diviseur de tension ainsi que sur le bouton 31c de façon à produire une tension qui annule exactement le signal produit par le condensateur.
La lecture des divisions du diviseur de tension ainsi que celle de la position du bouton 31c donne alors la valeur du déplacement. C'est de cette manière que l'on peut utiliser l'appareil de l'invention comme jauge de mesure.
La détermination précise de la position relative du cylindre de prélèvement 16 et de la ligne de séparation des unités électriques 1 8a et 1 8b en se référant aussi à la position des commutateurs s'applique également lorsque la détermination en question comporte le positionnement préalable de la ligne de séparation par rapport au cylindre de prélèvement 16 puis la fixation de la quantité électrique équivalente ainsi qu'au cas où l'on a fixé à
I'avance la quantité électrique équivalente et que l'on agit seulement en déplaçant le cylindre de prélèvement 16 pour trouver une nouvelle position dans laquelle le signal apparaissant sur l'indicateur 58 est zéro.
Dans le mode de réalisation de la fig. 5, on utilise un condensateur différentiel 70 du type décrit à l'aide des fig. 1 à 4. Le transducteur 70 fournit un signal qui dépend de la position du cylindre de prélèvement 16 par rapport à la ligne de séparation des unités électriques. Ce signal de position est amplifié dans un amplificateur 71 et transmis à un dispositif de détection et de commande 72 qui reçoit simultanément un signal d'une source alternative de référence 73. Les moyens destinés à régler les tensions électriques appliquées respectivement aux unités électri ques 1 8a et 18b comportent un transformateur de rapport 74 comprenant une paire de bras réglables 75 et 76.
Grâce au déplacement de ces bras réglables, on peut modifier les tensions appliquées respectivement aux unités 1 8a et 1 8b de façon à permettre une modification appropriée du signal de position à la sortie du transducteur 70.
L'utilisation de cette paire de bras réglables 75 et 76 permet d'étendre l'utilisation du transducteur de l'invention à des valeurs de rapport inhabituelles. Avec ce dispositif le point central ainsi que la portée réelle du cylindre de prélèvement 16 peuvent être modifiés artificiellement ce qui accroît encore la souplesse de fonctionnement du dispositif de l'invention.
D'une façon connue le dispositif 72 détecte la déviation en grandeur et sens du signal de position par rapport à Lin signal désiré correspondant à une position de référence et désignée en général comme la position zéro.
Une telle position peut être affichée sur un indicateur 77 portant des graduations 78 indiquant sous une forme analogique la grandeur de la déviation par rapport à zéro.
Le signal de déviation est fourni en outre à un générateur 81 qui transforme le signal analogique de déviation en un signal de sortie numérique qui peut être utilisé de différentes manières. On décrira à présent quatre modes de fonctionnement que l'on appellera modes W, X, Y et
Z. Pour que le dispositif fonctionne dans le mode désiré, le circuit est d'abord complété pour le mode considéré en commutant les flèches représentées sur le dessin sur la borne correspondante.
Dans le mode W. la valeur correspondant à un déplacement désiré pour les éléments relativement déplaçables du condensateur différentiel est introduite manuellement dans le système par l'entremise de la commande 82 sous la forme d'un signal électrique connu tout en plaçant simultanément la ligne d'isolement électrique à l'intérieur de la surface couverte par le cylindre de prélèvement 16.
Il en résulte le déplacement du bras réglable 84 d'un transformateur de rapport 85 jusqu'à une position correspondant à la valeur du signal électrique introduit. La valeur électrique ou une dimension équivalente est affichée sur une console de lecture 86 donnant l'assurance que le bras 84 a été placé dans la position convenable.
Le signal électrique introduit manuellement est combiné et comparé au signal en provenance du transducteur 70 dans le dispositif de détection et de commande 72. Le signal de sortie est converti en signal numérique dans le générateur 81 et transmis par un conducteur 87 à un servo-amplificateur 88. Ce dernier excite un servo-moteur 91 qui déplace automatiquement les éléments mobiles du transducteur 70 jusqu'à ce que ce dernier fournisse un signal électrique qui annule le signal fourni par le transformateur 85. Si on le désire, après manceuvre d'un commutateur 92 associé au servo-moteur 91, le transducteur peut être manceuvré à la main jusqu'à ce qu'on obtienne un signal résultant nul.
Pour fonctionner dans le mode X les éléments mobiles de la capacité différentielle 70 sont déplacés comme on le désire et ceci peut comporter par exemple un dispositif fournissant un déplacement variable commandé par une came, tandis que ia ligne de séparation électrique des deux unités est commutée simultanément pour fournir un signal de position. Un tel signal de position est transmis par l'amplificateur 71 au dispositif de détection et de commande 72 où il est comparé avec le signal en provenance du transformateur 85. Le signal numérique résultant à la sortie du générateur 81 est transmis par un conducteur 93 à un circuit de commutation automatique 94. Ce dernier déplace automatiquement le bras mobile 84 du transformateur de rapport 85 jusqu'à ce que le signal en provenance du transformateur 85 égale le signal en provenance du transformateur 70.
La position finale du bras mobile 84 est affichée sur la console 86.
Dans le mode de fonctionnement Y un signal programmé tel qu'un déplacement désiré des éléments mobiles du transducteur est introduit dans la machine en 95 au moyen d'une bande perforée, d'une carte perforée, d'une bande magnétique ou de tout autre moyen équivalent. Le bras mobile 84 du transformateur de rapport 85 est placé automatiquement à la position désirée tandis que la ligne de séparation électrique des deux unités du transducteur se trouve commutée simultanément. La console 86 affiche la position du bras mobile 84. Le signal programmé est comparé dans le dispositif de détection et de commande 72 avec le signal en provenance du transducteur. La suite du fonctionnement est la même que dans le mode W exposé ci-dessus.
Le mode de fonctionnement Z est semblable au mode
X à la réserve près qu'un dispositif de commande 96 de servo-moteur, qui peut être alimenté avec un signal programmé, est utilisé pour commander le servo-moteur 91 jusqu'à ce que les éléments mobiles du transducteur 70 aient été suffisamment déplacés pour être venus occuper la position désirée tout en commutant simultanément la ligne de séparation électrique des deux unités. Le signal de position fourni par le cylindre de prélèvement 16 est équilibré grâce au transformateur de rapport 85 et affiché sur la console 86.
Dans chacun des quatre modes de fonctionnement le signal en provenance du dispositif de détection et de commande 72 peut être enregistré automatiquement par exemple dans un enregistreur 97 pour constituer un enregistrement définitif. En outre, dans les modes de fonctionnement W et Y, le servo-moteur 91 peut être mis hors circuit en agissant sur le commutateur 92 et la position du transducteur 70 par rapport à la position préalablement communiquée aux dispositifs 82 ou 95 sera indiquée par l'indicateur 77. Les éléments du circuit électrique de la fig. 5 fonctionnent d'une manière très rapide si bien que dès qu'un signal de commande de position pour le transducteur 70 ou pour le transformateur de rapport 85 a été introduit dans l'appareil, le signal de sortie définitif est obtenu d'une manière pratiquement instantanée.
Le transducteur électromécanique décrit fournit des résultats de mesure avec une grande précision dans les limites allant de quelques centimètres à plusieurs mètres avec fonctionnement automatique ou manuel. Grâce à l'utilisation d'une paire d'unités électriques constituées chacune d'un grand nombre de composants et disposées de part et d'autre d'une ligne de séparation électrique, les éléments composants de chaque unité étant placés à un même potentiel, le circuit résultant est simplifié et les problèmes de calibrage sont réduits.
A l'aide d'une commutation automatique ou manuelle de cette ligne de séparation électrique cette dernière peut être maintenue à l'intérieur de la surface couverte par le cylindre de prélèvement ce qui permet d'obtenir un positionnement avec une précision de l'ordre de quelques millionièmes de centimètre en annulant les effets de capacité de bord, en évitant les erreurs dues à la traversée de l'interstice d'isolement électrique et à la discontinuité des signaux électriques.