Dispositif électrique pour mesures de tensométrie
En tensométrie, on utilise des traducteurs, ou jauges de contrainte, dont la résistance électrique varie en fonction de la grandeur mécanique à mesurer, telle que force, pression, ou déplacement par exemple.
Selon une disposition connue, on établit des traducteurs dans un couplage en pont de comparaison, les petits signaux de mesure produits sur la diagonale du pont étant transmis à un appareil indicateur donnant un signal directement lisible ou audible, ou reproductible.
Les mesures sont en général effectuées en un grand nombre de points et un appareil indicateur central peut être utilisé pour relever les signaux produits par différents ponts faisant intervenir chacun un ou plusieurs traducteurs actifs établis aux points de mesurage. Les couplages nécessaires sont établis par le moyen de commutateurs rotatifs ou d'interrupteurs à commande à distance, par relais électromagnétiques par exemple.
Lorsque en chaque point de mesurage est établi un pont entier (quatre traducteurs), les contacts de commutation sont extérieurs au pont et n'entraînent alors que des erreurs négligeables.
Mais l'emploi de ponts entiers en chaque point de mesurage est une méthode compliquée et onéreuse et c'est pourquoi on préfère en général établir en chaque point de mesurage un couplage plus simple, à deux traducteurs constituant un demi-pont , ou à un seul traducteur seulement, constituant un quart de pont , ces éléments actifs étant couplés tour à tour avec des éléments centraux passifs, pour établir momentanément les différents couplages en pont entier concernant chacun un point de mesurage déterminé.
Cette disposition est plus simple, mais elle présente l'inconvénient majeur de ramener les contacts de commutation à l'intérieur du couplage en pont, de sorte que les inévitables variations de résistance de ces contacts sont alors l'origine d'erreurs de mesure importantes.
Ainsi, dans un couplage en pont connu tel que celui représenté à la fig. 1 du dessin annexé, pour quatre traducteurs T ayant chacun une résistance normale
R = 100 Q , et un coefficient de sensibilité K dR/R 2
dL/L une variation de la résistance Rc d'un contact de commutation C se montant à dRc= lOmQ seulement, entraîne déjà l'erreur relative e suivante, exprimée en relation avec la déformation dL 1 dRc 1 10-2 5.lO---iVmm ou 5Om e-- ¯¯¯¯¯
L K R 2 100
Une telle erreur est du même ordre de grandeur que les mesures effectuées en tensométrie, et ne peut donc être acceptée.
L'invention vise à fournir un dispositif électrique pour mesure de tensométrie qui permette d'éliminer, comme cause d'erreur, les variations de résistance d'organes de commutation placés à l'intérieur du couplage en pont.
A cette fin, dans le dispositif objet de l'invention comportant quatre impédances couplées en un pont de comparaison alimenté en courant alternatif en deux sommets opposés entre lesquels ces éléments forment deux circuits en parallèle, le pont comportant un appareil indicateur branché dans une diagonale de mesure reliant les deux autres sommets opposés du pont, et l'un desdits circuits comportant au moins un traducteur actif constituant une jauge de contrainte, L'autre circuit comprend un autotransformateur dont la prise médiane constitue l'un des sommets reliés à la diagonale de mesure.
La consommation à la prise médiane de l'autotransformateur étant négligeable, l'autotransformateur se présente entre les bornes d'alimentation comme une impé dance formée par une inductance (qui est celle propre au bobinage), en parallèle avec une résistance élevée correspondant aux pertes.
Cette inductance et cette résistance peuvent facilement être établies à des valeurs très élevées, de manière que la baisse de tension sur une résistance de couplage additionnelle introduite dans l'autre circuit reste tout à fait négligeable.
Cette baisse de tension se manifestera de deux manières: d'une part par une baisse en phase avec la tension d'alimentation provoquée par la résistance correspondant aux pertes, et d'autre part, par une baisse en quadrature provoquée par l'inductance et qui ne réduira pratiquement pas la tension d'alimentation de l'autre transformateur, entraînant seulement un très petit déphasage, tout à fait négligeable.
Dans une première forme d'exécution du dispositif objet de l'invention représentée à titre d'exemple à la fig. 2 du dessin annexé, le pont de comparaison comprend quatre éléments électriques résistifs T1, T2, Sa, Sb couplés en un pont alimenté par deux sommets opposés
A et B entre lesquels ces éléments forment deux circuits parallèles. Le pont comporte un appareil indicateur D branché dans la diagonale reliant les deux autres sommets E et F. L'un des circuits établis entre les bornes A et B comprend les deux traducteurs T1 et T2, et rautre circuit, les deux moitiés Sa et Sb d'un même autotransformateur S, dont la prise médiane constitue le point E.
L'autotransformateur S a, par exemple, une impédance propre Ls = henry, et un facteur de qualité
Q = 10, à la fréquence d'alimentation de 10.000Hz.
Le facteur de qualité Q répondant à la définition Q=ouL/R, on a donc R=w.L/Q=2xf.L/Q, d'où
R = 2x. 10. 000. 5/10 = 31400 Q.
La résistance équivalente de perte Rp sera ainsi sur chacune des deux branches du pont couplées en E:
Rp = R/2 = 31400Q/2 = 15700Q
Pour une variation dRc=lOmC;1 de la résistance d'un contact de commutation C (comme dans le cas du pont connu déjà décrit), on a alors une erreur relative e' beaucoup plus faible, qui s'établit comme suit: e' = 1/K.dRc/Rp = 1/2.10-2/15,7.103 = 3,2.l0-7rnrn/mm ou 0,32m
Cette erreur relative e' est cent cinquante fois plus petite que l'erreur relative e calculée précédemment pour le couplage connu décrit; elle est négligeable.
On note que cette erreur relative e' est la même que celle qu'on obtiendrait avec deux résistances de 15,7 k kQ chacune, mais l'emploi de résistances chimiques aussi élevées aurait porté la résistance de sortie du pont à une valeur d'environ 7,9 9kQ, ce qui aurait rendu difficile la mesure de la tension de déséquilibre, alors beaucoup plus élevée.
Avec le pont correspondant au schéma de la fig. 2, la résistance de sortie de l'autotransformateur S reste peu élevée. Ainsi, si les quatre branches du pont ont des résistances ohmiques de 100 Q chacune, la résistance de sortie du pont est également de 100 Q, et la résistance de sortie de l'autotransformateur est de 50 Q seulement.
La fig. 3 du dessin annexé est le schéma électrique d'autres formes d'exécution du dispositif objet de l'invention.
Dans une forme d'exécution illustrée en P1, le dispositif selon l'invention comporte outre un pont de comparaison formé par un autotransformateur S1 et deux traducteurs T1, une branche supplémentaire à deux traducteurs T1', et des moyens de commutation N1, N2 permettant de déconnecter la branche contenant l'autre transformateur S1 et de connecter en lieu et place de celle-ci la branche supplémentaire, pour transformer le pont en un pont de comparaison ordinaire.
Le pont est branché entre des bornes d'alimentation Al et B1 susceptibles d'être reliées à une source de courant O, et la diagonale de mesure établie entre une borne El constituant la prise médiane de l'autotransfor- mateur Sl, et une borne F1 est branchée sur un appareil indicateur D. Un groupe d'interrupteurs M1 permet d'isoler le dispositif de la source de courant et de l'appareil indicateur.
Une autre forme d'exécution du dispositif objet de l'invention est constitué par ensemble P2, P3. Cette forme d'exécution comporte un pont de comparaison représenté en P2, identique à celui de la fig. 2, qui est formé par un autotransformateur S2 et deux traducteurs
T2 et T2f. L'autotransformateur S2 est branché entre des bornes d'alimentation A2 et B2, et la diagonale de mesure branchée sur l'appareil indicateur D, est établie entre des bornes E2 et F2. Des interrupteurs M2 permettent de débrancher le pont.
Des moyens de commutation N3, N4 permettent de brancher en lieu et place de l'autotransformateur S2 et du traducteur T2, un autotransformateur S3 et un traducteur T3 formant le groupe P3, pour constituer un nouveau pont de comparaison avec le traducteur T2f.
Dans ce nouveau pont, l'autotransformateur S3 est branché entre des bornes d'alimentation A3 et B3, et la diagonale de mesure branchée sur l'appareil indicateur
D, est établie entre la borne F2 déjà mentionnée et une borne E3 constituant la prise médiane de l'autotransformateur S3.
On peut prévoir un grand nombre de groupes supplémentaires, tels que le groupe P3, pour effectuer des mesures en d'autres points, en utilisant l'appareil indicateur D et le traducteur de référence T2f dans les ponts de comparaison prévus à cet effet.
Dans le dispositif de mesure conforme à l'invention, grâce au fait qu'un des circuits du pont est constitué par les deux moitiés d'un autotransformateur, les variations de résistance susceptibles de se produire aux bomes de couplage A, B, F restent pratiquement sans effet sur la précision des mesures, bien que ces bornes soient situées à l'intérieur du pont.
Les traducteurs peuvent ainsi être placés à distance et couplés selon les nécessités d'un programme de mesures, sans nuire à la précision.
Dans d'autres couplages conformes à l'invention, un autotransformateur pourrait être incorporé dans un appareil indicateur central, pour être couplé à volonté avec des éléments traducteurs actifs ou passifs constituant des ponts entiers, des demi-ponts, ou des quarts de ponts, dans le schéma général.
Electrical device for tensometry measurements
In tensometry, translators or strain gauges are used, the electrical resistance of which varies as a function of the mechanical quantity to be measured, such as force, pressure, or displacement for example.
According to a known arrangement, translators are established in a comparison bridge coupling, the small measurement signals produced on the diagonal of the bridge being transmitted to an indicating device giving a directly readable or audible or reproducible signal.
The measurements are generally carried out at a large number of points and a central indicating device can be used to record the signals produced by different bridges each involving one or more active translators established at the measurement points. The necessary couplings are established by means of rotary switches or remote control switches, for example by electromagnetic relays.
When an entire bridge (four transducers) is established at each measuring point, the switching contacts are external to the bridge and then only cause negligible errors.
But the use of entire bridges at each measuring point is a complicated and expensive method and this is why it is generally preferred to establish at each measuring point a simpler coupling, with two translators constituting a half-bridge, or with a only one translator, constituting a quarter of a bridge, these active elements being coupled in turn with passive central elements, to temporarily establish the various couplings in full bridge each relating to a determined measurement point.
This arrangement is simpler, but it has the major drawback of bringing the switching contacts back inside the bridge coupling, so that the inevitable variations in resistance of these contacts are then the source of significant measurement errors. .
Thus, in a known bridge coupling such as that shown in FIG. 1 of the attached drawing, for four T translators each having a normal resistance
R = 100 Q, and a sensitivity coefficient K dR / R 2
dL / L a variation of the resistance Rc of a switching contact C amounting to dRc = lOmQ only, already results in the following relative error e, expressed in relation to the deformation dL 1 dRc 1 10-2 5.lO- --iVmm or 5Om e-- ¯¯¯¯¯
L K R 2 100
Such an error is of the same order of magnitude as the measurements carried out in tensometry, and therefore cannot be accepted.
The object of the invention is to provide an electrical device for measuring tensometry which makes it possible to eliminate, as a cause of error, the variations in resistance of switching members placed inside the bridge coupling.
To this end, in the device which is the subject of the invention comprising four impedances coupled to a comparison bridge supplied with alternating current at two opposite vertices between which these elements form two circuits in parallel, the bridge comprising an indicator device connected in a diagonal of measurement connecting the other two opposite vertices of the bridge, and one of said circuits comprising at least one active translator constituting a strain gauge, The other circuit comprises an autotransformer whose center tap constitutes one of the vertices connected to the diagonal of measured.
The consumption at the median tap of the autotransformer being negligible, the autotransformer appears between the supply terminals as an impedance formed by an inductance (which is that specific to the winding), in parallel with a high resistance corresponding to the losses. .
This inductance and this resistance can easily be set to very high values, so that the voltage drop on an additional coupling resistor introduced into the other circuit remains quite negligible.
This voltage drop will be manifested in two ways: on the one hand by a drop in phase with the supply voltage caused by the resistance corresponding to the losses, and on the other hand by a drop in quadrature caused by the inductance and which will hardly reduce the supply voltage of the other transformer, causing only a very small phase shift, quite negligible.
In a first embodiment of the device which is the subject of the invention shown by way of example in FIG. 2 of the appended drawing, the comparison bridge comprises four resistive electric elements T1, T2, Sa, Sb coupled in a bridge supplied by two opposite vertices
A and B between which these elements form two parallel circuits. The bridge comprises an indicating device D connected in the diagonal connecting the two other vertices E and F. One of the circuits established between the terminals A and B comprises the two translators T1 and T2, and the other circuit, the two halves Sa and Sb of the same autotransformer S, whose midpoint constitutes point E.
The autotransformer S has, for example, an inherent impedance Ls = henry, and a quality factor
Q = 10, at the supply frequency of 10,000Hz.
The quality factor Q responding to the definition Q = ouL / R, we therefore have R = w.L / Q = 2xf.L / Q, hence
R = 2x. 10,000. 5/10 = 31,400 Q.
The equivalent loss resistance Rp will thus be on each of the two branches of the bridge coupled at E:
Rp = R / 2 = 31400Q / 2 = 15700Q
For a variation dRc = lOmC; 1 of the resistance of a switching contact C (as in the case of the known bridge already described), we then have a much smaller relative error e ', which is established as follows: e '= 1 / K.dRc / Rp = 1 / 2.10-2 / 15.7.103 = 3.2.l0-7rnrn / mm or 0.32m
This relative error e 'is one hundred and fifty times smaller than the relative error e calculated previously for the known coupling described; it is negligible.
Note that this relative error e 'is the same as that which would be obtained with two resistors of 15.7 k kΩ each, but the use of such high chemical resistances would have brought the output resistance of the bridge to a value of about 7.9 9kΩ, which would have made it difficult to measure the unbalance voltage, then much higher.
With the bridge corresponding to the diagram in fig. 2, the output resistance of the autotransformer S remains low. So if all four branches of the bridge have ohmic resistances of 100 Q each, the output resistance of the bridge is also 100 Q, and the output resistance of the autotransformer is only 50 Q.
Fig. 3 of the appended drawing is the electrical diagram of other embodiments of the device which is the subject of the invention.
In one embodiment illustrated at P1, the device according to the invention comprises, in addition to a comparison bridge formed by an autotransformer S1 and two translators T1, an additional branch with two translators T1 ', and switching means N1, N2 allowing to disconnect the branch containing the other transformer S1 and to connect the additional branch instead of it, to transform the bridge into an ordinary comparison bridge.
The bridge is connected between power supply terminals A1 and B1 capable of being connected to a current source O, and the measurement diagonal established between a terminal El constituting the middle tap of the autotransformer S1, and a terminal F1 is connected to an indicating device D. A group of switches M1 enables the device to be isolated from the current source and from the indicating device.
Another embodiment of the device that is the subject of the invention consists of an assembly P2, P3. This embodiment comprises a comparison bridge shown at P2, identical to that of FIG. 2, which is formed by an S2 autotransformer and two translators
T2 and T2f. The autotransformer S2 is connected between power supply terminals A2 and B2, and the measurement diagonal connected to the indicating device D, is established between terminals E2 and F2. M2 switches are used to disconnect the bridge.
Switching means N3, N4 make it possible to connect instead of the autotransformer S2 and the translator T2, an autotransformer S3 and a translator T3 forming the group P3, to constitute a new comparison bridge with the translator T2f.
In this new bridge, the autotransformer S3 is connected between supply terminals A3 and B3, and the measuring diagonal connected to the indicating device
D, is established between the terminal F2 already mentioned and a terminal E3 constituting the middle tap of the autotransformer S3.
A large number of additional groups can be provided, such as group P3, to perform measurements at other points, using the indicating device D and the reference translator T2f in the comparison bridges provided for this purpose.
In the measuring device according to the invention, thanks to the fact that one of the circuits of the bridge is formed by the two halves of an autotransformer, the variations in resistance liable to occur at the coupling terminals A, B, F remain practically no effect on measurement accuracy, although these terminals are located inside the bridge.
The translators can thus be placed at a distance and coupled according to the needs of a measurement program, without compromising the precision.
In other couplings according to the invention, an autotransformer could be incorporated into a central indicating device, to be coupled at will with active or passive translator elements constituting whole bridges, half-bridges, or quarter-bridges, in the general diagram.