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Dispositif de mesure ou de signalisation.
La présente invention concerne un dispositif permet- tant la mesure de la vitesse de variation d'une grandeur (ou des dérivées de cette grandeur par rapport au temps). Elle est ca- ractérisée par l'emploi, en combinaison avec un appareil de mesure de la grandeur, qui donne une déviation fonction de celle-ci, d'un enroulement entraîné par l'équipage mobile de l'appareil de mesure et se déplaçant dans l'entrefer d'un aimant ou d'un électro-aimant, et d'un deuxième appareil de mesure dont la déviation est fonction de la force électromotrice induite dans l'enroulement lors de son déplacement.
La force électromotrice dans l'enroulement dépendant de sa vitesse de déplacement dans les entrefers de l'aimant ou de
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1'électro-aimant, les indications du dernier appareil de mesure dépendront de cette vitesse, donc aussi de la vitesse de varia- tion de la grandeur à mesurer.
Suivant la présente invention, le dernier appareil de mesure peut être remplacé par un relais dont le fonctionnement dépendra de la vitesse de variation de la grandeur mesurée par le premier appareil.
Le fonctionnement du dispositif peut dépendre de la vitesse de variation, soit de la valeur instantanée d'une grandeur, soit de la valeur moyenne ou efficace de celle-ci.
Une autre caractéristique de l'invention est que l'enroulement dans lequel se produit la force électromotrice n'est pas destiné à tourner d'une façon continue, sa déviation dans un sens ou dans l'autre n'ayant pas à dépasser certaines limites. Comme application particulière, on prévoit un ou deux contacts sur le premier appareil de mesure, permettant de faire fonctionner un signal ou un disjoncteur lorsque la grandeur mesurée atteint une certaine limite dans un sens ou dans l'autre, ou dans les deux sens.
L'invention consiste aussi dans un choix approprié des divers éléments du dispositif, de façon à permettre la mesure de la dérivée première de la grandeur à mesurer, ou d'une dérivée d'ordre supérieur ou de certaines combinaisons de la grandeur et de ses dérivées.
Il est prévu que, dans chaque cas, le dernier appareil de mesure pourra être remplacé par un relais.
On comprendra mieux les caractéristiques et les avanta- ges de l'invention en se référant à la description suivante et aux dessins qui l'accompagnent, donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels :
La fig. 1 est une vue schématique d'un ensemble selon l'invention, appliqué à la mesure de la vitesse de variation
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d'une grandeur électrique telle qu'une puissance; le cadre qui alimente le deuxième appareil de mesure étant supposé placé dans les entrefers d'un aimant.
La fig. 2 représente le même dispositif, prévu pour la fréquence d'une tension alternative, combiné avec un relaïs destiné à actionner un signal ou à effectuer une manoeuvre si la vitesse de variation de cette fréquence est supérieure à une valeur déterminée, tant que la fréquence reste elle-même compri- se entre deux limites, le signal étant également actionné, ou la manoeuvre effectuée lorsque ces limites sont atteintes.
La fig. 3 représente une variante de l'invention, dans le cas où la grandeur physique dont on veut mesurer la vitesse de variation peut être elle-même mesurée au moyen d'un instru- ment à aimant et à cadre mobile.
La fig. 4 indique le montage employé pour mesurer la somme (ou la différence) des vitesses de variation de deux gran- deurs électriques.
La fig. 5 indique le procédé utilisé pour mesurer la dérivée seconde, par rapport au temps, d'une grandeur électrique.
Dans la fig. 1, 10 est l'axe de l'équipage mobile du premier appareil de mesure, qui est, pour fixer les idées, un wattmètre comportant une bobine mobile 11, montée sur l'arbre 10 et une bobine fixe 12, excitant un circuit magnétique 13 com- plèté par un noyau 14 intérieur à la bobine 11. Deux amenées de courant 15 et 15' servent à relier la bobine mobile au circuit extérieur et peuvent être ou non confondues avec des ressorts tels que 16 servant à opposer un couple antagoniste au couple moteur provenant de l'action du champ magnétique produit par la bobine 12 sur le courant qui circule dans la bobine 11.
Cet élé- ment, d'un modèle connu quelconque, s'il est convenablement di- mensionné, déviera, par rapport à une position d'origine, d'un angle proportionnel à la puissance électrique P (valeur ins- tantanée dans le cas du courant continu, valeur moyenne en courant
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alternatif) dans le circuit qui alimente le wattmètre.
On a : [alpha] = k x P
Si, au lieu d'utiliser les éléments d'un wattmètre, on utilisait ceux d'un voltmètre, ainsi qu'il est indiqué, en variante, dans les figs. 4 et 5, on aurait: [alpha] = k x U U, étant la tension (valeur instantanée en courant continu, va- leur efficace en courant alternatif) du circuit auquel est relié le voltmètre, ceci dans le cas où l'échelle du voltmètre est linéaire dans la partie utile. Si l'échelle du voltmètre est une échelle quadratique, dans la partie utile, on aura: [alpha] = k x U2 D'une façon générale, si G est une grandeur électrique quelcon- que, on aura : [alpha] = f (G) .
Sur le même axe 10 que l'appareil de mesure, est monté un enroulement 17 dont les extrémités sont reliées à deux ame- nées de courant 18 et 18', qui peuvent être également des res- sorts.
L'enroulement 17 se déplace dans les entrefers d'un circuit magnétique comportant un aimant permanent 19, deux masses polaires 20 et 20' en acier doux et un noyau 21 également en acier doux.
Si le champ dans lequel se meut la bobine 17 est uni- forme, la tension induite E entre les deux extrémités de cette bobine est proportionnelle à la vitesse de rotation d[alpha]/dt de l'équi- page mobile et on a :
EMI4.1
Il s'ensuit qu'elle aura pour valeur, en se reportant aux exemples cités :
EMI4.2
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E = k x k' x d U/d t d t E = 2 k x k' x U x d U/d t d t E = k x k' x d/d t f (G) d t
Il suffira donc de brancher, aux extrémités de la bobine 17 un appareil de mesure, (par exemple à aimant et à cadre mobile) 22, convenablement dimensionné, pour que l'aiguil- le 23 de cet appareil indique, en regard d'un cadran 24 les va- leurs de l'une des fonctions ci-dessus.
Pour que cette indication soit exacte, il faut notam- ment que le couple provenant de l'action de l'aimant sur l'en- roulement 17 soit négligeable devant le couple actif de l'en- roulement 11 et que l'appareil 22 soit à l'amortissement critique.
De son côté, l'équipage de mesure principal doit suivre fidèlement les variations de la grandeur électrique considérée.
La fig. 2 représente un dispositif analogue dans le- quel l'équipage qui entraîne la bobine 17 dans le champ de l'aimant 19 est un fréquencemètre réalisé selon un principe connu de quotientmétre à fer mobile. Cet équipage se compose d'une pièce de fer doux 25, en forme d'anneau incomplet, engagée dans deux bobines 26 et 26', ces bobines étant montées l'une en série avec une self-inductance 27, l'autre en série avec une capacité 28.
L'équipage mobile n'a pas de couple antagoniste mécanique et sa position d'équilibre n'est définie que par l'égalité des attractions exercées par les deux bobines 26 et 26' sur le fer 25, cette position d'équilibre dépendant de la fréquence du courant alternatif qui traverse les bobines, le courant dans la bobine 26 diminue quand la fréquence augmente et celui dans la bobine 26' augmentant, en raison respectivement de la self-induc- tance 27 et du condensateur 28.
Sur le prolongement 10' de l'axe commun 10 aux deux équipages précédents, est fixé un contact mobile 29, muni d'une amenée de courant 30. Deux contacts fixes 31 et 31' sont placés
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dans des positions telles que le contact mobile 29 vienne les tou- cher pour des valeurs définies de la fréquence. La bobine 17 est reliée à la bobine mobile 32 d'un relais à aimant et à cadre mobile dont l'axe 33 porte un contact mobile 34, qui peut venir toucher l'un ou l'autre de deux contacts fixes 35 et 35'.
Il est facile de comprendre que le relais fermera ses contacts 34-35 ou 34-35' lorsque la vitesse de variation de la fréquence dépassera une certaine valeur, soit en augmentant, soit en diminuant, et cela tant que le mouvement de la bobine 17 sera libre, c'est-à-dire tant que le contact mobile 29 n'aura pas touché l'un des deux contacts fixes 31 et 31'.
Si l'un des derniers contacts 31 ou 31' est atteint, la bobine 17 est arrêtée et le contact mobile 34 prend sa posi- tion d'équilibre. Si on monte en parallèle les quatre contacts 34-35, 34-35', 31-29 et 31'-29 dans le circuit d'un signal ou d'une bobine de déclenchement, le signal ou le déclenchement fonctionnera, soit lorsque la fréquence atteint une des deux limites prévues, soit lorsque la vitesse de sa variation atteint une des limites prévues pour cette vitesse.
On peut naturellement se servir de chaque contact pour un signal ou une fonction différente, ou grouper les contacts deux à deux en parallèle ou en série suivant le résultat à obtenir.
Lorsque le cadre 17 de la figure 1 se déplace dans les entrefers d'un aimant et que la grandeur électrique dont on se propose de mesurer la vitesse de variation peut être mesurée elle-même au moyen d'un appareil à aimant et à cadre mobile, on peut utiliser le dispositif simplifié de la fig. 3 dans le- quel 19 est un aimant permanent, 20 et 20' deux masses polaires de fer doux, 21 un noyau de fer doux, 36 un enroulement qui peut se déplacer dans les entrefers du circuit magnétique ainsi constitué, en tournant autour de son axe 10, et 17 un enroule- ment induit qui est mécaniquement solidaire de l'enroulement 36.
Des amenées de courant 18-18' et 37-37' relient respectivement
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les bobines 17 et 36 aux circuits extérieurs, une ou plusieurs de ces amenées de courant pouvant être utilisées pour fournir au système mobile un couple mécanique antagoniste.
L'enroulement induit 17 est relié à un appareil de me- sure 22, constitué comme l'appareil correspondant de la fig. 1.
Le fonctionnement du système est le même que dans le cas de cette figure, sauf que l'enroulement 36 est parcouru par le courant continu qui sert à mesurer la grandeur physique consi- dérée, ou par un courant qui lui est proportionnel (montage sur shunt par exemple).
L'enroulement 36 prendra donc une position d'équilibre pour chaque valeur de la grandeur physique (du moins dans l'é- tendue de mesure de l'appareil) et l'enroulement 17, qui en est solidaire, sera le siège d'une force électromotrice induite pro- portionnelle à la vitesse de déplacement de l'enroulement 36, donc à la vitesse de variation de la grandeur physique.
On a vu que le dispositif de la fig. 1 pouvait mesurer, avec une loi d'échelle appropriée pour l'appareil de mesure de la grandeur physique, (loi quadratique), le produit de la gran- deur par sa dérivée première.
On peut se proposer également de mesurer la somme ou la différence de deux vitesses de variation. Il suffit pour cela de réaliser le montage de la fig. 4 où 38 et 39 sont deux ensembles analogues à celui de la fig. 1, avec cette différence qu'ils re- présentent des voltmètres, les enroulements induits de ces deux dispositifs étant montés en série l'un par rapport à l'autre, et avec le cadre mobile d'un appareil de mesure 22. Selon la pola- rité relative des deux enroulements induits l'appareil 22 mesure la somme ou la différence des vitesses de variation des deux grandeurs..
La présente invention permet également de mesurer la dérivée seconde par rapport au temps d'une grandeur physique.
On peut utiliser pour cela le montage de la fig. 5 où 38 est un
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ensemble analogue à celui de la fig. 1, avec cette différence qu'il représente un voltmètre, 40 un ensemble analogue à celui de la fig. 3 et 22 un appareil de mesure à aimant et à cadre mobile.
Si les trois appareils 38, 40 et 22 sont convenablement dimensionnés les uns par rapport aux autres, l'appareil 40 dévie- ra en fonction de la dérivée première, par rapport au temps, de la grandeur physique mesurée par l'appareil 38, et l'appareil 22 mesurera la dérivée seconde, par rapport au temps, de la même grandeur physique.
Dès l'instant qu'on dispose de forces électro-motrices respectivement proportionnelles à une grandeur physique, à sa dérivée première et à sa dérivée seconde, il existe des moyens connus de faire la somme ou la différence de deux ou plusieurs de ces termes, comme dans la fig. 4. Si l'on désire faire le produit ou le quotient de deux de ces termes, on pourra égale- ment utiliser des moyens connus, comme d'exciter les deux enroulements d'un électrodynamomètre proportionnellement à ces deux termes si on désire en faire le produit, ou d'appliquer des courants proportionnels à ces deux termes aux deux cadres croi- sés d'un logomètre ou quotientmètre, si l'on désire en faire le quotient.
Enfin, il n'est, bien entendu, pas nécessaire que la grandeur physique dont on désire mesurer la vitesse de varia- tion, soit mesurée elle-même par un instrument électrique. Il suffira de monter l'enroulement 17 de la fig. 1 sur le même arbre que l'instrument quelconque de mesure de la grandeur physi- que, par exemple tachymètre à force centrifuge, thermomètre à dilatation, baromètre anéroïde, etc...
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Measuring or signaling device.
The present invention relates to a device making it possible to measure the rate of variation of a quantity (or of the derivatives of this quantity with respect to time). It is charac- terized by the use, in combination with an apparatus for measuring the magnitude, which gives a deviation as a function of the latter, of a winding driven by the mobile equipment of the measuring apparatus and moving in the air gap of a magnet or an electromagnet, and of a second measuring device whose deflection is a function of the electromotive force induced in the winding during its movement.
The electromotive force in the winding depending on its speed of movement in the air gaps of the magnet or
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The electromagnet, the indications of the last measuring device will depend on this speed, and therefore also on the speed of variation of the quantity to be measured.
According to the present invention, the last measuring device can be replaced by a relay, the operation of which will depend on the speed of variation of the quantity measured by the first device.
The operation of the device may depend on the speed of variation, either on the instantaneous value of a quantity, or on the average or rms value thereof.
Another feature of the invention is that the winding in which the electromotive force occurs is not intended to rotate continuously, its deviation in one direction or the other not having to exceed certain limits. . As a particular application, one or two contacts are provided on the first measuring device, making it possible to operate a signal or a circuit breaker when the quantity measured reaches a certain limit in one direction or the other, or in both directions.
The invention also consists in an appropriate choice of the various elements of the device, so as to allow the measurement of the first derivative of the quantity to be measured, or of a derivative of a higher order or of certain combinations of the quantity and its values. derivatives.
It is foreseen that, in each case, the last measuring device could be replaced by a relay.
The characteristics and advantages of the invention will be better understood by referring to the following description and to the accompanying drawings, given by way of non-limiting examples and in which:
Fig. 1 is a schematic view of an assembly according to the invention, applied to the measurement of the speed of variation
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of an electrical quantity such as a power; the frame which supplies the second measuring device being supposed to be placed in the air gaps of a magnet.
Fig. 2 shows the same device, provided for the frequency of an alternating voltage, combined with a relay intended to actuate a signal or to perform a maneuver if the speed of variation of this frequency is greater than a determined value, as long as the frequency remains itself falls between two limits, the signal also being actuated, or the maneuver performed when these limits are reached.
Fig. 3 represents a variant of the invention, in the case where the physical quantity whose speed of variation is to be measured can itself be measured by means of an instrument with a magnet and a movable frame.
Fig. 4 indicates the circuit used to measure the sum (or the difference) of the variation speeds of two electrical quantities.
Fig. 5 indicates the method used to measure the second derivative, with respect to time, of an electrical quantity.
In fig. 1, 10 is the axis of the moving equipment of the first measuring device, which is, to fix ideas, a wattmeter comprising a moving coil 11, mounted on the shaft 10 and a fixed coil 12, energizing a magnetic circuit 13 completed by a core 14 inside the coil 11. Two current leads 15 and 15 'serve to connect the voice coil to the external circuit and may or may not be confused with springs such as 16 serving to oppose an antagonistic torque to the external circuit. motor torque resulting from the action of the magnetic field produced by coil 12 on the current flowing in coil 11.
This element, of any known model, if it is suitably sized, will deviate, with respect to an original position, by an angle proportional to the electric power P (instantaneous value in the case of of direct current, average current value
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AC) in the circuit that supplies the power meter.
We have: [alpha] = k x P
If, instead of using the elements of a wattmeter, one used those of a voltmeter, as is indicated, alternatively, in figs. 4 and 5, we would have: [alpha] = kx UU, being the voltage (instantaneous value in direct current, rms value in alternating current) of the circuit to which the voltmeter is connected, this in the case where the scale of the voltmeter is linear in the useful part. If the voltmeter scale is a quadratic scale, in the useful part, we will have: [alpha] = kx U2 In general, if G is any electrical quantity, we will have: [alpha] = f ( G).
On the same axis 10 as the measuring device is mounted a winding 17, the ends of which are connected to two current leads 18 and 18 ', which can also be springs.
The winding 17 moves in the air gaps of a magnetic circuit comprising a permanent magnet 19, two pole masses 20 and 20 'of mild steel and a core 21 also of mild steel.
If the field in which the coil 17 moves is uniform, the induced voltage E between the two ends of this coil is proportional to the speed of rotation d [alpha] / dt of the mobile equipment and we have:
EMI4.1
It follows that it will have the value, by referring to the examples cited:
EMI4.2
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E = k x k 'x d U / d t d t E = 2 k x k' x U x d U / d t d t E = k x k 'x d / d t f (G) d t
It will therefore suffice to connect, at the ends of the coil 17, a measuring device (for example with a magnet and a movable frame) 22, suitably dimensioned, so that the needle 23 of this device indicates, facing a dial 24 the values of one of the above functions.
For this indication to be exact, it is necessary in particular that the torque resulting from the action of the magnet on the winding 17 is negligible compared to the active torque of the winding 11 and that the device 22 either to critical damping.
For its part, the main measuring equipment must faithfully follow the variations of the electrical quantity considered.
Fig. 2 shows a similar device in which the crew which drives the coil 17 in the field of the magnet 19 is a frequency meter produced according to a known principle of a moving iron quotientmeter. This equipment consists of a piece of soft iron 25, in the form of an incomplete ring, engaged in two coils 26 and 26 ', these coils being mounted one in series with a self-inductor 27, the other in series. with capacity 28.
The moving part has no mechanical opposing torque and its position of equilibrium is defined only by the equality of the attractions exerted by the two coils 26 and 26 'on the iron 25, this position of equilibrium depending on the frequency of the alternating current flowing through the coils, the current in the coil 26 decreases as the frequency increases and that in the coil 26 'increasing, due respectively to the self-inductance 27 and the capacitor 28.
On the extension 10 'of the axis 10 common to the two preceding units, is fixed a movable contact 29, provided with a current supply 30. Two fixed contacts 31 and 31' are placed.
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in positions such that the movable contact 29 comes to touch them for defined values of the frequency. The coil 17 is connected to the moving coil 32 of a relay with a magnet and a moving frame, the axis 33 of which carries a moving contact 34, which can come into contact with one or the other of two fixed contacts 35 and 35 '. .
It is easy to understand that the relay will close its contacts 34-35 or 34-35 'when the rate of variation of the frequency exceeds a certain value, either increasing or decreasing, and this as long as the movement of the coil 17 will be free, that is to say as long as the mobile contact 29 has not touched one of the two fixed contacts 31 and 31 '.
If one of the last contacts 31 or 31 'is reached, coil 17 is stopped and movable contact 34 assumes its equilibrium position. If the four contacts 34-35, 34-35 ', 31-29 and 31'-29 are connected in parallel in the circuit of a signal or a trigger coil, the signal or the trigger will operate, i.e. when the frequency reaches one of the two prescribed limits, i.e. when the speed of its variation reaches one of the limits prescribed for this speed.
We can naturally use each contact for a different signal or function, or group the contacts two by two in parallel or in series depending on the result to be obtained.
When the frame 17 of FIG. 1 moves in the air gaps of a magnet and the electrical quantity whose speed of variation is proposed to be measured can itself be measured by means of a device with a magnet and a movable frame , one can use the simplified device of FIG. 3 in which 19 is a permanent magnet, 20 and 20 'two pole masses of soft iron, 21 a core of soft iron, 36 a winding which can move in the air gaps of the magnetic circuit thus formed, rotating around its axis 10, and 17 an armature winding which is mechanically integral with the winding 36.
Current leads 18-18 'and 37-37' respectively connect
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the coils 17 and 36 to the external circuits, one or more of these current leads can be used to supply the mobile system with an antagonistic mechanical torque.
The armature winding 17 is connected to a measuring apparatus 22, constructed like the corresponding apparatus of FIG. 1.
The operation of the system is the same as in the case of this figure, except that the winding 36 is traversed by the direct current which is used to measure the physical quantity considered, or by a current which is proportional to it (assembly on shunt for example).
The winding 36 will therefore take a position of equilibrium for each value of the physical quantity (at least in the measuring range of the device) and the winding 17, which is integral with it, will be the seat of an induced electromotive force proportional to the speed of movement of the winding 36, therefore to the speed of variation of the physical quantity.
We have seen that the device of FIG. 1 could measure, with a scale law appropriate for the apparatus for measuring physical magnitude (quadratic law), the product of magnitude by its first derivative.
It is also possible to propose to measure the sum or the difference of two variation speeds. It suffices for this to carry out the assembly of FIG. 4 where 38 and 39 are two sets similar to that of FIG. 1, with the difference that they represent voltmeters, the induced windings of these two devices being mounted in series with respect to each other, and with the movable frame of a measuring device 22. According to Relative polarity of the two induced windings the apparatus 22 measures the sum or the difference of the variation speeds of the two quantities.
The present invention also makes it possible to measure the second derivative with respect to time of a physical quantity.
For this, the assembly of FIG. 5 where 38 is a
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assembly similar to that of FIG. 1, with the difference that it represents a voltmeter, 40 an assembly similar to that of FIG. 3 and 22 a measuring device with a magnet and a movable frame.
If the three devices 38, 40 and 22 are suitably sized with respect to each other, the device 40 will deviate according to the first derivative, with respect to time, of the physical quantity measured by the device 38, and the apparatus 22 will measure the second derivative, with respect to time, of the same physical quantity.
As soon as we have electro-motive forces respectively proportional to a physical quantity, to its first derivative and to its second derivative, there are known means of making the sum or the difference of two or more of these terms, as in fig. 4. If one wishes to make the product or the quotient of two of these terms, one can also use known means, such as exciting the two windings of an electrodynamometer in proportion to these two terms if one wishes to do so. the product, or to apply currents proportional to these two terms to the two crossed frames of a logometer or quotientmeter, if one wishes to make the quotient.
Finally, it is, of course, not necessary that the physical quantity of which it is desired to measure the rate of variation, is itself measured by an electric instrument. It will suffice to mount the winding 17 of FIG. 1 on the same tree as any instrument for measuring physical quantity, eg centrifugal tachometer, expansion thermometer, aneroid barometer, etc.