Procédé pour la mesure du diamètre d'un fil et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
On connaît un procédé pour mesurer le diamètre d'un fil porte à incandescence au moyen d'une cellule photoélectrique balayée par un faisceau lumineux émis par le fil et animé d'un mouvement par un miroir tournant. Ce procédé n'est pas utilisable pour des fils non métalliques.
L'invention a pour objet un procédé permettant de mesurer avec une très grande précision, en régime continu, le diamètre des fils en circulation sur les installations de filage ou de tissage, sans qu'un contact mécanique soit établi avec les fils.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que le fil dont le diamètre est à mesurer est disposé dans la zone explorée par le faisceau mobile de manière à occulter ce dernier périodiquement pour moduler le flux lumineux recueilli par le dispositif photoélectrique en fonction du diamètre du fil.
L'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On exposera ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une mise en oeuvre particulière du procédé revendiqué, en regard du dessin qui représente, également à titre d'exemple, une forme d'exécution particulière du dispositif permettant cette mise en oeuvre.
La fig. 1 représente une vue en coupe du capteur que comprend ladite forme d'exécution, coupe effectuée suivant un plan contenant l'axe du faisceau lumineux.
La fig. 2 représente la zone balayée par le faisceau lumineux à l'endroit où il est occulté par le fil sous test.
La fig. 3 traduit, au moyen d'une courbe, l'allure typique de la variation du flux lumineux reçu par la cellule photoélectrique.
La fig. 4 représente un schéma du circuit directement associe à la cellule photoélectrique.
La fig. 5 est un schéma de principe du circuit électronique associé au capteur.
Suivant la fig. 1, le capteur, dont la trace de l'enveloppe, dans la coupe, correspond au contour extérieur de la figure, comprend : -1'ensemble des éléments d'optique nécessaires à
la production du faisceau lumineux ; -le miroir oscillant et son mécanisme d'entretien ; -la cellule photoélectrique et le circuit électronique
qui lui est directement associé.
Le faisceau lumineux est produit à partir d'une source constituée par une lampe à filament incandescent 1, du type basse tension, alimentée en courant continu.
Une partie du flux de cette lampe est concentrée au moyen d'un condenseur 2, sur une ouverture 3 pratiquée dans la paroi 4. Cette ouverture, uniformément éclairée, est ici de forme rectangulaire et de dimensions réglables, par exemple au moyen de deux vis à pas fin commandant des lamelles.
La hauteur H de cette ouverture, hauteur comptée suivant une direction normale au plan de figure, sera usuellement supérieure à sa largeur L. A titre d'exemple, pour un réglage moyen : H = 2 mm ;
L = 0, 5 mm.
L'adoption d'une ouverture de forme rectangulaire n'est pas impérative ; s'il n'est pas nécessaire que la réponse de l'appareil soit linéaire il pourra, par exemple, être avantageux d'adopter une ouverture de forme circulaire.
Un objectif 5, du type photographique, situé audelà d'un diaphragme de limitation 6, donne (après réflexion du faisceau émergent, sous une incidence de 45^ sur le miroir oscillant 7) de l'ouverture 4 que l'on appellera fentes, une image située dans un plan normal au plan de figure et dont la trace, sur ce dernier, est repérée 8.
La distance entre le point nodal d'entrée de l'objectif et la fente étant, ici, fixée au double de la distance focale de l'objectif, la fente et son image ont, de ce fait, des dimensions égales. Il est évident que cette disposition n'a rien d'impératif : en particulier pour adapter le capteur à la mesure de fils de gros diamètre, on pourrait avoir intérêt à positionner l'objectif de telle sorte que l'image de la fente soit plus grande que la fente elle-même et réciproquement, dans le cas de fils de petit diamètre, positionner l'objectif pour obtenir une image plus petite que la fente.
Le faisceau, sur une petite portion de son trajet située de part et d'autre du plan image 8, se propage à l'extérieur de l'enveloppe du capteur.
Ce résultat est obtenu en pratiquant deux ouvertures 9 et 10 dans les parois parallèles, distantes par exemple d'environ un centimètre, du couloir 11.
Au-delà du couloir, une lentille 12, de distance focale adéquate, concentre le faisceau lumineux sur la cathode de la cellule photoélectrique 13.
L'image de la fente est animée d'un mouvement oscillatoire sinusoïdal dans le plan de figure. Ceci est obtenu en donnant au miroir 7 un mouvement oscillatoire permanent autour d'un axe situé dans son plan et normal au plan de figure. Ce miroir fait partie, par exemple, de l'équipage mobile d'un oscillographe miniature 14 à aimant mobile.
Un amplificateur à transistors, associé à cet organe et formant avec lui un ensemble compact, permet 1'entretien des oscillations de l'équipage mobile sur la fréquence propre de celui-ci, cette fréquence pouvant être de l'ordre de quelques centaines de Hertz.
L'amplitude a de l'oscillation du miroir est réglable : un potentiomètre placé sur l'oscillographe est prévu à cet effet.
Il est évident que tout dispositif autre que l'oscil- lographe évoqué ci-dessus, tel qu'un vibreur à rupteur permettant d'animer le miroir d'une oscillation permanente, pourra être utilisé.
D'autre part, l'oscillation du faisceau peut être obtenue par des moyens différents, tels que : -une source fixe avec un miroir tournant ou un
prisme tournant ou oscillant ; --une source oscillante.
C'est dans la zone balayée par l'image de la fente, à l'intérieur du couloir 11 que le fil dont on désire mesurer le diamètre doit être placé. Cette zone est celle d'occultation du faisceau.
La direction générale du fil dans cette zone doit être normale au plan de figure et il doit être situé dans le plan image 8 au centre de la zone balayée par le faisceau. En fait, ces conditions doivent être considérées comme exprimant des conditions idéales.
Pratiquement, le fil pourra présenter des écarts angulaires de l'ordre de quelques degrés sexagésimaux par rapport à la direction indiquée sans qu'il en résulte une erreur appréciable. Dans un plan perpendiculaire au faisceau et pour un réglage moyen de l'amplitude des oscillations de celui-ci, la position du fil pourra fluctuer de part et d'autre de la position moyenne du faisceau, la valeur maximale de cette fluctuation étant égale à l'amplitude de l'oscillation de l'image optique de la fente.
Enfin, la position du fil par rapport au plan image 8 n'est pas extrêmement critique : de petits écarts en avant ou en arrière de ce plan pourront être tolérés.
La fig. 2 représente, dans le plan image 8, le faisceau lumineux à un instant où il est occulté partiellement par le fil de diamètre apparent d. Sur cette figure les limites de la zone balayée par le faisceau sont représentées en pointillés.
On désignera par Fo la valeur du flux lumineux reçu par la cellule photoélectrique lorsque le faisceau n'est pas occulté par le fil et par F, la valeur de ce flux lorsque le faisceau est occulté.
Il est clair, d'après la fig. 2, que si le fil ne s'écarte pas sensiblement de la normale à la direction du balayage le rapport des flux F,, et Fi est égal au quotient de la largeur L de l'image optique de la fente-égale à la largeur de la fente-par la différence entre cette largeur et le diamètre apparent d du fil :
F. L
F, L-d
De cette relation on tire immédiatement la suivante, plus explicite :
Fo-F1 d F, L
La fig. 3 représente un régime typique de variation du flux reçu par la cellule.
L'occultation périodique du faisceau se traduit par des variations brusques et brèves du flux. Ces variations, d'amplitude AF = Fo-Fl proportionnelle au diamètre d du fil, sont équivalentes à des impulsions négatives de flux se répétant au rythme de deux impulsions par période T de balayage. Ces impulsions présenteront toutes entre elles un même intervalle de temps lorsque le fil sera placé exactement au centre de la zone de balayage.
La cellule photoélectrique est de préférence une cellule photo-émissive à vide poussé.
Le courant délivré par cette cellule étant, avec une très bonne approximation, proportionnel au flux lumineux que reçoit sa cathode, on peut disposer, aux bornes d'une résistance de charge convenable, d'une tension constituant une image électrique fidèle du flux lumineux reçu.
C'est à partir de cette tension que le circuit électronique associé au capteur élabore un signal électrique proportionnel au diamètre apparent du fil.
En fait, l'impédance du circuit de cellule étant très élevée on ne peut, sans la perturber gravement, transmettre sans précautions, au circuit électronique, la tension délivrée par la cellule ; un câble blindé est indispensable pour cette transmission et, vu la capacité relativement importante de ce type de ligne,
I'emploi d'un circuit adaptateur d'impédance s'avère nécessaire pour l'obtention d'un fonctionnement correct, en régime d'impulsions, de la cellule.
Ce circuit adaptateur, placé au sein du capteur
15 (fig. 1) au voisinage immédiat de la cellule, est schématisé à la fig. 4.
Il est constitué, d'une façon connue en soi, par un tube triode 16 monté en cathode suiveuse p.
L'impédance de sortie de ce montage étant faible la capacité propre du câble blindé 17 est sans influence appréciable sur le fonctionnement, en régime impulsionnel, du montage.
Le câble blindé est associé aux lignes nécessaires aux diverses alimentations du capteur. Cet ensemble de conducteurs constitue un câble général souple aux extrémités duquel sont montés des bouchons connecteurs qui permettent un raccordement commode de la prise 18 du capteur au circuit électronique.
Le signal électrique délivré par le capteur présente la même allure de variation que le flux lumineux. Si l'on désigne par So sa valeur de palier correspondant au flux Fo et par S l'amplitude de sa variation correspondant à Fo-F, (fig. 3) on a :
d=LS S ()
Pour un réglage donné de la largeur L de la fente, le diamètre d du fil testé est donc proportionnel au rapport de deux signaux électriques de même nature.
Cette formule suggère deux techniques permettant d'élaborer un signal électrique proportionnel au diamètre d.
L'une de ces techniques consiste à rendre stable
S, et à élaborer un signal de niveau convenable qui soit proportionnel au signal S.
La seconde technique consiste en la mise en ceuvre d'un circuit dont la fonction serait d'Úlaborer un signal proportionnel au quotient S/Sn Dans ce
SO second cas il s'agit donc de faire usage d'un circuit diviseur. Cette solution présente l'avantage de ne pas nécessiter une stabilisation de la source lumineuse, d'une part, et ne fait pas intervenir directement la sensibilité de la cellule, d'autre part.
Il existe de nombreux dispositifs ou montages permettant d'effectuer le quotient de deux signaux (en particulier l'appareil désigné usuellement par le nom logomètre ).
Le circuit électronique décrit ci-après et illustré par la fig. 5 met en oeuvre un circuit diviseur à servomécanisme.
Selon la fig. 5 le circuit électronique est composé de trois chaînes fonctionnelles comprenant chacune un amplificateur asymétrique, à tubes ou à transistors, du type à courant continu.
La première de ces chaînes comprend l'amplificateur A, dont la bande passante s'étend du continu jusqu'à une fréquence de l'ordre de 10 à 15 kHz et dont le gain est de l'ordre de 70 dB, par exemple.
Le rôle de cet amplificateur est de délivrer, sous basse impédance, une tension, image électrique du flux reçu par la cellule, d'un niveau appréciable.
Un réseau de contre-réaction comprenant la résistance R, et le condensateur Ci confère à cet amplificateur un gain apparent, relativement à la tension délivrée par la cellule, de l'ordre de 10 et une basse impédance de sortie.
En fait, cet amplificateur étant attaqué par le circuit de cellule, son gain apparent est pratiquement égal au quotient de l'impédance du circuit de contreréaction RIC, par l'impédance de sortie du circuit de cellule.
Le circuit de cellule étant défini, R1 et Ci sont dimensionnés de telle sorte que la tension de sortie de l'amplificateur soit une image fidèle du courant de cellule, d'une part, que le niveau de cette tension, pour un réglage moyen de la largeur de la fente, soit suffisant pour permettre un fonctionnement aussi parfait que possible des détecteurs attaqués par l'am- plificateur, d'autre part.
Avec un gain apparent de 10 et une largeur de fente de l'ordre de 0, 5 millimètre, la tension délivrée par l'amplificateur A, est de l'ordre de 15 volts.
Cette tension est la différence entre le potentiel de la borne isolée de sortie et celui de la masse auquel on attribue la valeur zéro. Elle est positive et l'allure de sa variation, en fonction du temps, est donnée par la courbe f.
Désignant par u la valeur de palier de cette tension et par v l'amplitude de ses variations impulsionnelles, on a : d = L-.
u
Un premier circuit détecteur, comprenant la diode D, et le circuit C2R2, attaqué par la tension délivrée par A1, élabore une tension continue positive, de valeur très peu différente de u (potentiel de l'extrémité commune de D1 et C2 par rapport à la masse).
Un second circuit détecteur, comprenant les diodes D2 et Dg, les condensateurs C3 et C4 et la résistance R4, délivre une tension continue (différence de potentiel aux bornes de C4) de valeur très peu différente de v. Cette tension est négative.
Les constantes de temps R9¯C2 et R4C4 des deux détecteurs sont de l'ordre, par exemple, de 1 seconde.
Les courbes f3 et f4 illustrent le fonctionnement du second détecteur.
A ce stade, on dispose de deux tensions continues distinctes, l'une positive u proportionnelle au flux lumineux Fo, l'autre négative v proportionnelle à l'amplitude Fo-Ft de la variation du flux. Ce sont ces tensions qui vont être appliquées aux entrées du circuit diviseur.
Le circuit diviseur comprend les deuxième et troisième chaînes fonctionnelles.
La deuxième chaîne est un servo-mécanisme.
Elle comprend : -un amplificateur à courant continu A (son gain
est de l'ordre, par exemple, de 500 ; sa bande
passante peut être assez réduite, 0 à 100 Hz par
exemple) ; -un moteur M à courant continu, de très petite
puissance dont l'induit est alimente par l'ampli
ficateur et dont l'inducteur est à aimant per
manent ; -deux potentiomètres bobines identiques, de pré
cision, linéaires Pi et Pa, de résistance com
mune P ; ces potentiomètres sont jumelés et cou
plés au moteur par l'intermédiaire d'un démulti-
plicateur d1 de rapport adéquat.
En fait, seul le potentiomètre P, fait partie de la boucle du servo-mécanisme.
Le circuit du potentiomètre Pl, en série avec lequel sont montées deux résistances, l'une fixe r, l'autre réglable p, est alimenté sous la tension V,) négative, fournie par une source stabilisée.
Sur la fig. 5, k0 représente le champ angulaire commun des deux potentiomètres et ft la position angulaire des curseurs par rapport à l'extrémité inférieure des résistances.
Le curseur de Pl, toujours porté à un potentiel négatif par rapport à la masse, est en liaison avec l'entrée de l'amplificateur par l'intermédiaire de la résistance De tris grande valeur devant la résistance du circuit de Pl.
On remarque que l'entrée de l'amplificateur A, est en liaison avec deux sources de signes opposés : d'une part, par l'intermédiaire de R liaison avec une source positive de niveau u (tension détectée, image de Fa,), d'autre part, par l'intermédiaire de Rss, liaison avec une source négative de niveau réglable (tension entre curseur de Pi et masse).
On conçoit ainsi qu'il puisse exister une position du curseur de Pi telle que la tension à l'entrée de l'amplificateur soit nulle ou négligeable. C'est préci- sément cette position particulière que le moteur, par le jeu du bouclage (et si le système est stable), confère au curseur de Pj et, par suite, aussi au curseur de P,.
En conséquence, la position ki des curseurs des potentiomètres satisfait à la condition suivante :
EMI4.1
La troisième chaine fonctionnelle comprend un amplificateur Ag dont les caractéristiques sont analogues à celles de AI.
Cet amplificateur est attaqué par la tension néga- tive v (image de l'amplitude des variations du flux lumineux) par l'intermédiaire de la résistance R,.
Il est équipe d'un circuit de contre-réaction composé du circuit du potentiomètre Pl et d'une résistance R., de grande valeur par rapport à celle du circuit de P,.
Dans ces conditions, la tension y positive délivrée par l'amplificateur (dont l'impédance apparente de sortie est basse grâce à la contre-réaction) est alors donnée par l'expression suivante :
EMI4.2
Combinant cette expression avec la précédente, il vient :
RaRJ'-V"
Y=??? ??? ? y=V,
R3R1 r+P+p u
Cette relation, dans laquelle tous les termes, excepté v et u, sont réputés constants, traduit le fonctionnement du diviseur.
On substituera-à-dans cette dernière rela
L u tion pour obtenir la suivante qui traduit la fonction du détecteur :
d = R3R4. r + P + L y
R. R, r'-P Vl,
Ainsi le diamètre apparent du fil est proportionnel à la tension y délivrée par le détecteur.
Cette tension pourra être appliquée aux bornes d'un appareil de mesure (appareil à cadre mobile par exemple) auquel sera associé un circuit permettant de lui conférer telle constante de temps jugée favorable (circuit R", Rl, Ct,)
De plus, un potentiomètre Pg, alimenté sous une tension stable V de même signe que y, permettra l'emploi de l'appareil comme indicateur d'écarts par rapport à un diamètre de consigne.
Divers calibres pourront être conférés au détec- teur en modifiant l'un des nombreux paramètres présents dans la formule finale. En fait, on agira seulement sur p, L et V"voire même uniquement sur p et L.
On remarquera que le diamètre indiqué par le détecteur est un diamètre moyen résultant d'un échantillonnage dont la fréquence est, ici, de l'ordre de quelques centaines de Hertz (la fréquence moyennne des occultations du faisceau lumineux par le fil est égale au double de celle des oscillations du miroir).
Cet échantillonnage pourra être contrôlé en permanence, si besoin est, au moyen d'un oscillographe ou d'un système de comptage adéquat branché à la sortie Sl de l'amplificateur A,.
Pour la réalisation du circuit électronique, on pourra, avec avantage, utiliser les ressources de la technologie moderne à semi-conducteurs.
Il est évident que le diamètre indiqué est un diamètre apparent du fil correspondant au diamètre d'un fil idéal-parfaitement cylindrique et opaque-donnant la même occultation du faisceau lumineux.