Appareil servant à déterminer un élément du vecteur représentant un champ magnétique
La présente invention a pour objet un appareil servant à déterminer un élément du vecteur représentant un champ magnétique qui est caractérisé en ce qu'il comporte un organe ma gnétique qui a la forme d'un corps de révolution et qui présente, dans tout le volume magnétique de l'organe, une aimantation de même in tensité et de même direction, cette direction étant perpendiculaire à l'axe de révolution.
Dans le cours de la description qui suit on désignera sous le nom de sinusoidal un tel organe.
Cet organe magnétique peut avoir une aimantation permanente ou prendre une aimantation sous l'action d'un champ, par exemple du champ magnétique terrestre.
Il peut être constitué en un matériau de faible perméabilité magnétique et de fort champ coercitif (ferrite par exemple) auquel on donne une aimantation permanente au moyen d'un champ inducteur puissant. Si l'organe magnétique sinusoïdal a la forme d'un ellipsoïde de révolution ou de disque plat-qui au point de vue aimantation se comporte comme un ellip soïde-on produira une aimantation uniforme constante en grandeur et direction et perpendiculaire à l'axe de l'organe magnétique, en aimantant ce dernier dans un champ inducteur uniforme.
L'organe magnétique sinusoïdal peut éga- lement être constitué en une substance de grande perméabilité magnétique (par exemple en mumétal) orientée parallèlement à un diamètre par exemple par feuilletage ou par orientation moléculaire de la matière, comme certains alliages fer-nickel dont la perméabi- lité magnétique dans le sens du laminage est beaucoup plus grande que dans le sens perpendiculaire au laminage. Le feuilletage peut être réalisé en constituant l'organe par des bandes ou fils magnétiques parallèles à un diamètre, l'espace entre les bandes ou fils étant rempli de matière non magnétique.
Il est également possible de constituer l'organe magnétique sinusoïdal par une poudre magnétique orientée, c'est-à-dire par une poudre traitée de manière qu'elle ait une direction de magnétisation diri gée suivant un diamètre. Dans tous les cas, sous l'action du champ terrestre, ces organes s'aimantent de façon uniforme parallèlement à la direction de l'orientation magnétique.
Grâce à un tel organe il est possible de réaliser de nouveaux types de compas de précision et d'appareils de mesure de champ qui présentent un certain nombre d'avantages lesquels seront mentionnés dans le cours de la description qui suit et qui est relative à des formes d'exécution de l'objet de l'invention données à titre d'exemple.
Dans cette description on se réfère aux dessins schématiques ci-joints qui montrent :
Fig. 1 une coupe verticale d'une pre mière forme d'exécution
Fig. 2-2a des vues respectivement en plan et en élévation d'un organe sinusoïdal du type de ceux dont les différentes formes d'exécu- tion sont équipées ;
Fig. 3 un schéma relatif à cet organe et dans lequel sont représentées les courbes équipotentielles de distribution du champ ;
Fig. 4-4a des vues partielles respectivement en coupe verticale et en plan d'une deuxième forme d'exécution ;
Fig. 5 une variante de l'organe représenté aux fig. 2-2a, utilisée comme aimant correcteur sinusoïdal ;
Fig. 6-6a des vues partielles respectivement en coupe verticale et en plan d'une troisième forme d'exécution ;
Fig. 7 une vue partielle en coupe verticale d'une quatrième forme d'exécution destinée à la mesure de champs ;
Fig. 8-8a des vues partielles respectivement en coupe verticale et en plan d'une cinquième forme d'exécution ;
Fig. 9 une vue en coupe verticale d'une sixième forme d'exécution comportant un dispositif astatique renforçateur de champ ;
Fig. 10 et 11, des vues en coupe verticale d'une septième et d'une huitième forme d'exé- cution pourvues de dispositifs d'amortissement par courants de Foucault.
La fig. 1 montre en coupe verticale axiale un compas magnétique du type sec, sans barres de flinders. Ce compas comprend un élément sensible 1 constitué par un organe sinu soïdal (voir fig. 2) monté de façon à pouvoir tourner entre des pivots 2-2a. L'axe 3 de l'élément sensible est solidaire d'une rose 4 et la lecture du cap s'effectue au travers d'une vitre 5 formant la paroi supérieur d'un boîtier 6 suspendu à la cardan par l'intermédiaire de tourillons 7.
L'élément sensible 1 est corrigé de la semicirculaire par des correcteurs 8. Chacun de ces correcteurs est monté sur un pignon conique 9, les deux pignons engrenant avec un pignon conique commun 10, lequel peut être actionné, de l'extérieur du carter qui renferme lesdits pignons, par un bouton de réglage 11.
Le dispositif comprend également un renforçateur de champ astatique 12 enveloppé par un système 13 d'amortissement par courants de Foucault. La correction de quadrantale est obtenue au moyen de barreaux 15 dont la position et l'orientation peuvent être ajustées au moyen d'un bouton de réglage 16.
Les organes suivants des différentes formes d'exécution représentées sont susceptibles d'ê- tre constitués par des organes sinusoïdaux :
A) Eléments sensibles ;
B) Aimants correcteurs ;
C) Dispositifs renforçant le champ directeur et annulant le terme constant de la déviation ; et sont décrits ci-après.
En outre, sont décrits :
D) Des éléments pour dispositifs de mesure de champs, et en
E) Des exemples de compas comportant des organes magnétiques sinusoïdaux du type défini ci-dessus.
A) Eléments sensibles :
L'élément sensible d'un compas est de dimensions finies. Il ne se trouve donc pas dans un champ uniforme, et ceci en particulier à cause de la présence de correcteurs rapprochés.
Il en résulte des harmoniques de proximité qu'il est nécessaire d'éliminer.
On parvient à éliminer ces harmoniques de proximité en utilisant pour constituer l'élément sensible ou les correcteurs, ou de préférence les deux à la fois, des organes magnétiques sinu soïdaux.
Les fig. 2-2a représentent un élément sensible ainsi organisé et constitué par un tore 17 en métal magnétique aimanté de façon uniforme, le vecteur d'aimantation J étant perpendicuculaire à l'axe de révolution.
Un simple calcul montre qu'il y a sur l'axe de révolution deux points où le champ magnétique produit par cet élément est nul. La distance des points de champs nul au centre est une fonction des rapports R, R étant le rayon extérieur du tore et r le rayon
R R int#rieur. Cette distance tend vers lorsque
#2 r tend vers l'unit#.
L'utilisation d'un tel élément sensible si nusoïdal permet d'éliminer tous les harmoniques de proximité, ce qui signifie que le couple produit par une masse magnétique fixe sur l'élément sensible est une fonction de l'angle a de rotation de l'élément sensible autour de son axe. Par conséquent tous les termes en sin p a et cos p a (p étant un nombre entier différent de 1) du développement en série de Fourier de la valeur du couple en fonction de a, sont nuls, d'où la justification du terme sinusoïdal utilisé pour désigner ces éléments.
Un tel élément sensible peut être équilibré dynamiquement de façon rigoureuse par rapport à son axe. S'il repose sur un seul pivot, on pourra le maintenir horizontal, tout en conservant un équilibre dynamique parfait, en compensant l'action de la composante verticale du champ à l'aide d'un aimant ou mieux d'un fer doux placé suivant l'axe au lieu de la masse additionnelle classique. Cette disposition présente l'avantage de pouvoir régler l'action compensatrice en fonction de la latitude magnéti- que et d'être insensible aux accélérations.
Dans le cas général où les organes élémentaires ne rencontrent pas l'axe de révolution de l'élément sensible, l'ensemble se comporte comme un système de deux éléments concentriques différentiels. Il suffit en effet de considérer d'une part les pôles répartis sur le cercle extérieur et, d'autre part, les pôles répartis sur le cercle intérieur. Une telle disposition présente les propriétés suivantes :
Considérons le potentiel U du champ H produit par l'élément sensible 17 (fig. 3) ; il existe à distance finie, en plus du plan de sy métrie, une surface équipotentielle U = O qui coupe l'axe de symétrie X-X'en deux points où le champ de l'élément sensible est toujours nul et où une masse magnétique est sans effet sur l'élément sensible.
Au voisinage de ces points le champ est faible et change de sens quand on se déplace sur l'axe de symétrie. Cette surface U = O a une forme de révolution autour de X-X'.
Ceci permet :
a) d'utiliser des aimants correcteurs (de semi-circulaire, d'erreur de bande) dont on fait varier l'amplitude de la correction à partir de zéro et même de part et d'autre de zéro, par de légers déplacements, parallèles à l'axe, de part et d'autre de l'un des points où le champ est nul ;
b) d'utiliser ces points de champ nul pour placer le ou les pivots, axes, roulements qui de ce fait peuvent n'être plus en matériau amagné- tique.
On peut également utiliser d'autres artifices pour éloigner du centre les points de champ nul afin de diminuer encore, toutes choses éga- les d'ailleurs, l'intensité du champ au voisinage de ces points. On pourra par exemple utiliser deux éléments sensibles sinusoïdaux de diamètres différents placés en opposition, ou deux éléments sensibles sinusoïdaux coaxiaux de moment différent et placés en opposition sur des plans différents.
L'un des deux éléments sensibles peut d'ailleurs être en fer doux aimanté par l'autre.
Il pourra dans ce cas être fixe si l'élément sensible est mobile entre deux pivots. La même disposition peut être utilisée pour les aimants correcteurs. Le fer doux fixe, ou l'élément sensible supérieur, peut servir à diminuer le poids apparent de l'autre élément par attraction ma gnétique.
Dans le cas où l'élément sensible est constitué au moyen d'une poudre de matière magnétique (fig. 4-4a), la poudre 18 peut être noyée dans une matière 19 non magnétique et de densité telle que l'on réalise des compas à liquide sans flotteurs. Ces compas sont de réalisation particulièrement simple.
B) Aimants correcteurs :
Les aimants correcteurs constituent, en ce qui concerne les harmoniques, des systèmes couplés à l'élément sensible.
Pour annuler les harmoniques ou leurs effets sur l'élément sensible, on utilise pour les éléments correcteurs des organes magnétiques identiques à ceux qui viennent d'être décrits concernant les éléments sensibles.
On peut en particulier utiliser :
1) des correcteurs différentiels ayant des points de champ nul pour placer à leur voisinage soit l'élément sensible, soit les correcteurs de quadrantale, soit les deux.
2) des correcteurs 20 (fig. 5) ayant la forme d'ellipsoïdes de révolution ou de disques plats, pratiquement équivalents au point de vue ma gnétique à des ellipsoïdes, aimantés de façon uniforme.
L'amplitude et/ou la phase de 1'effet utile des dispositifs correcteurs peuvent être modifiées en déplaçant certains des éléments de ces dispositifs par rapport au centre de l'élément sensible, par exemple par une translation le long de l'axe X-X'de l'élément 20 et/ou une rotation autour de cet axe.
C) Dispositifs renforçant le champ directeur
et annulant le terme constant de la devia-
tion :
Dans le cas de certaines applications des compas (blockhaus, chars, sous-marins, par exemple), la valeur moyenne du champ terrestre est faible et il peut y avoir une déviation constante notable, cette déviation étant donnée par la formule bien connue d'Archibald Smith.
On a déjà cherché à utiliser des systèmes astatiques pour remédier à ces inconvénients : on a dû y renoncer, car avec les procédés connus ou employés jusqu'à présent, on était obli gé d'employer des éléments éloignés, donc prohibitivement encombrants, pour s'affranchir des phénomènes dus aux harmoniques de proximité, à l'hystérésis et à la saturation ; ces phéno- mènes rendaient les systèmes employés plus nuisibles qu'utiles (déviations incompensables et de valeur variant suivant le sens des évolu- tions du mobile sur lequel est monté le compas).
L'utilisation d'organes magnétiques sinu soïdaux permet de s'affranchir de tous ces in convénients.
On peut utiliser dans ce but les dispositions déjà décrites et qui permettent, ainsi qu'on l'a vu, de s'affranchir des phénomènes de saturation (éléments placés au voisinage d'un point de champ nul par exemple).
Dans la forme d'exécution des figures 6-6a l'élément sensible qui subit l'aimantation induite est représenté en 21 et le dispositif astatique renforçateur de champ est représenté en 22-23.
Chacun de ces dispositifs est constitué par deux anneaux superposés et chaque anneau est formé de petits éléments tels que bandes de matière magnétique parallèles les unes aux autres et séparés par une matière non magnétique.
L'élément 21 qui subit l'aimantation induite possède un axe préférentiel d'aimantation qui est perpendiculaire à l'axe de révolution. Grâce à cette disposition, l'aimantation dans chacun de ces deux anneaux est beaucoup plus grande quand le champ terrestre est parallèle à ces bandes que lorsqu'il est perpendiculaire par rapport à elles. Chaque anneau se comporte ainsi pratiquement comme deux tiges alignées qui ne traversent pas l'axe. Comme elles, il produit par conséquent, sous l'action du champ terrestre, un champ quadrantal et un champ constant renforçant le champ terrestre.
L'élément sensible 21 peut être constitué en une substance de grande perméabilité magnéti- que (par exemple en mumétal) orientée paral lèlement à un diamètre. Son moment magnéti- que, dû à l'induction du champ terrestre renforcé par le système astatique, est proportionnel à la composante horizontale H de ce champ.
En utilisant deux anneaux superposés dans lesquels les directions respectives des bandes sont orthogonales, le champ quadrantal est annul6 alors que le champ constant est doublé.
D'une manière plus générale, il est possible d'utiliser n paires de disques identiques superposés, agencés comme décrit ci-dessus, dans lesquels les bandes sont disposées par paires suivant les directions angulaires + ai et-ai, par rapport à un même plan passant par l'axe du compas, telles que z cos 2 ai =
D) Dispositif de mesure de champ :
Un procédé pour la mesure des champs consiste à produire à l'emplacement de l'élément sensible un champ connu pour le comparer au champ à mesurer, soit en l'annulant (méthode de zéro), soit en mesurant la déviation produite par le champ connu. Il est utile que ces appareils ne produisent pas d'harmoniques de proximité sur l'élément sensible ou, par induction, sur les correcteurs en fer doux.
Ces harmoniques sont annulés en utilisant pour la constitution de ces appareils des organes magnétiques sinusoïdaux.
Les appareils de mesure de champ classiques ne permettent pas d'effectuer avec précision les mesures de champ en présence des correcteurs de quadrantale, des flinders et des systèmes astatiques, car le champ qu'ils y induisent modifie la grandeur à mesurer et, de façon variable, suivant l'intensité et la direction de cette grandeur par rapport aux correcteurs énumérés ci-dessus.
Pour pallier ces inconvénients on peut utiliser, comme équipage magnétique de l'appareil de mesure, deux systèmes d'aimants ayant un axe de révolution commun confondu avec celui du compas.
Cet ensemble peut être réalisé de façon que l'induction qu'il produit sur l'ensemble des correcteurs de fer doux ait un effet négligeable sur la rose du compas.
La fig. 7 représente, à titre d'exemple, une disposition dans laquelle les deux systèmes d'aimants 24-25 sont concentriques et tous deux différentiels. Dans cette figure, la surface équipotentielle U = O de l'ensemble magnétique du déflecteur 24-25 peut être amenée, par exemple en déplaçant le long de l'axe de révo- lution l'ensemble 24-25 ou l'un des éléments de cet ensemble, à passer par l'élément sensible 26, ce qui permet de faire varier le couple magnétique agissant sur 26 de façon continue autour de la valeur zéro. On pourra également agencer l'équipage du déflecteur, de façon que les barres de Flinders soient situées à une position telle qu'elles soient au voisinage d'une partie sensiblement rectiligne et verticale d'une ligne équipotentielle de cet équipage.
L'équipage du déflecteur 24-25 pourra être placé directement sur la glace du compas, très près de la rose 27.
Dans ces conditions, même si les correcteurs de fer doux ne sont pas au voisinage de l'équi- potentielle U = O ils sont dans un champ beaucoup plus faible que le champ auquel le déflecteur soumet l'élément sensible. L'induction de ce déflecteur dans les fers doux est alors négligeable.
L'amplitude du champ produit par le dé- flecteur 24-25 peut être réglée comme indiqué ci-dessus pour les aimants correcteurs, en particulier en faisant tourner les deux systèmes d'aimants 24-25 l'un par rapport à l'autre autour de l'axe commun de révolution.
Enfin, on peut également utiliser la propriété que le champ produit par les deux systèmes n'a pas la même loi de variation en amplitude tout le long de l'axe commun surtout si les deux systèmes ne sont pas dans le même plan pour rendre ce déflecteur utilisable pour n'importe quel type de compas. Il suffira de pouvoir régler sa position en hauteur par rapport à la rose du compas.
Pour placer le déflecteur à la bonne hauteur, on l'oriente de façon qu'il produise un champ perpendiculaire au champ à mesurer.
On met les deux aimants 24-25 en opposition, et on règle la hauteur de façon que le déflecteur ne produise alors aucune déviation. Le déflec- teur ainsi réalisé est utilisable pour tous les types de compas et une seule graduation sera nécessaire.
E) Exemples de réalisation de compas :
Les fig. 8-8a représentent un compas comportant un élément sensible 28 constitué par un tore en métal magnétique et dont le vecteur aimantation j est perpendiculaire à l'axe de révolution. Cet élément sensible est monté dans un flotteur 29 et il est solidaire d'une rose 30. Ce flotteur est disposé pour avoir le volume de flottabilité voulu avec la surface extérieure minimum, afin de réduire les erreurs dues à l'entraînement par le liquide lors des évolutions du navire ou du véhicule sur lequel le compas est monté.
L'élément sensible est agencé comme l'élé- ment sensible 21 décrit ci-dessus (fig. 6) et dont le moment magnétique est proportionnel à la composante horizontale H du champ terrestre.
Le champ quadrantal dû à l'induction produite par cet élément sensible dans les correcteurs de quadrantale est donc proportionnel à H tout comme le champ quadrantal du navire ou du véhicule que les correcteurs ont pour but d'annuler. Par conséquent le système se comporte comme un compas ordinaire pour lequel l'induction de l'élément sensible dans les correcteurs d'erreur de quadrantale aura été compensée. La correction de la déviation quadrantale sera indépendante de la latitude magnétique.
Le système renforçateur de champ et de correction d'erreur quadrantale est constitué par un empilage de deux disques dont la direction de plus grande perméabilité magnétique sera disposée à 900 l'une par rapport à l'au- tre si 1'erreur de quadrantale est nulle et à un angle différent de 900 si la quadrantale à corriger augmente de valeur.
L'utilisation d'un élément sensible annulaire tel que décrit ci-dessus présente l'avan- tage d'augmenter le diamètre de l'élément sensible. L'ensemble comprenant l'élément sensible et le système renforçateur de champ se comporte comme un simple ellipsoïde très plat qui, ainsi qu'il est connu, prend une aimantation uniforme dans un champ uniforme. Ainsi l'élé- ment sensible peut constituer lui-même une rose de diamètre convenable.
Dans la forme de réalisation représentée fig. 9, le compas comprend un élément sensible 31 constitué par un organe magnétique sinu soïdal. Cet élément sensible est monté sur deux pivots 32-33 et il est solidaire d'une rose 34.
Ce compas comporte un certain nombre de disques superposés 35 qui constituent le système renforçateur de champ et qui sont orientés de telle sorte que l'orientation magnétique de deux disques successifs soit orthogonale. Comme dé- crit ci-dessus ces disques sont constitués en une substance de grande perméabilité et de susceptibilité magnétique constante dans le domaine des variations du champ magnétique qui agit sur eux. Il y a intérêt à utiliser le plus grand nombre possible de disques 35 pour une épaisseur totale donnée du système renforçateur de champ. L'ensemble de ces disques est enfermé dans une enveloppe 36 constituant un dispositif amortisseur par courants de Foucault. Pour s'affranchir de l'incertitude de 1800, un petit élément aimanté 37 de faible moment magnétique est monté sur un pivot 38 coaxial aux pivots 32-33.
Les fig. 10 et 11 montrent à titre d'exemple des compas comportant respectivement un axe à un pivot 39 (fig. 10) ou à deux pivots 40-41 (fig. 11). Les mouvements des éléments sensibles sinusoïdaux 42 (fig. 10) et 43 (fig. 11), sont amortis par les courants de Foucault induits dans des masses de cuivre de révolution.
Dans la forme de réalisation représentée fig. 10, les masses de cuivre 44 et 45 forment un bloc et dans la forme de réalisation représentée fig.
11 elles sont constituées par deux éléments distincts 46 et 47.