FR2585469A1 - Extensometry gauge device for measuring forces and/or torques - Google Patents

Extensometry gauge device for measuring forces and/or torques Download PDF

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Abstract

The invention relates to a force and/or torque sensor device intended in particular to measure forces and/or torques in a corrosive fluid medium flowing in a pipe. The device comprises an element in the form of a symmetric beam 10 extending inside the pipe, which comprises a free end 12 intended to receive the force and/or the torque to be measured, a rigid base 14 intended to be fixed to the internal face of a wall 16 of the said pipe, in the region of an opening 16a in the said wall, and an intermediate part 11 in which two longitudinal openings 24, 26, which are open on the outside, are formed; and at least two sensors 28, 30 of the extensometric gauge type are disposed in two regions of a measurement plane 22 consisting of at least a part of the face of the base 14 open on the outside via the said opening 16a. In this way, bending of the free end 12 and of the intermediate part 11 of the beam 10, caused by the force and/or the torque to be measured, is converted into internal compressive and tensile stresses which have substantially the same amplitude in the regions in which the sensor elements are disposed.

Description

La présente invention concerne d'une façon générale les capteurs d'efforts ou de couples, du type à jauges d'extensométrie, et plus particulièrement un capteur d'efforts à jauges d'extensométrie conçu pour permettre la mesure d'efforts en milieu fluide agressif en ayant cependant une durée de vie très importante. The present invention relates generally to force or torque sensors, of the strain gauge type, and more particularly to a strain sensor with strain gauges designed to allow the measurement of forces in a fluid medium. aggressive while having a very long lifespan.

Un problème majeur lié à la mesure d'efforts ou de couple en milieu fluide, par exemple à des fins de surveillance du débit, réside dans le falt que les varlatlons de pression, de température, et d'autres caractéristiques physiques du fluide perturbent la mesure d'une manière non négligeable. A major problem related to the measurement of forces or torque in a fluid medium, for example for flow monitoring purposes, lies in the falt that the pressure, temperature and other physical characteristics of the fluid disrupt the measurement in a significant way.

Par ailleurs, lorsque le milieu fluide est agressif, corrosif, etc., il est nécessaire d'assurer l'immunité du capteur à ce milieu, de qui constitue parfois un problème insurmontable. Ainsi, les capteurs existants ont souvent une durée de vie limite, ce qui impose leur remplacement fréquent. Furthermore, when the fluid medium is aggressive, corrosive, etc., it is necessary to ensure the immunity of the sensor to this medium, which sometimes constitutes an insurmountable problem. Thus, existing sensors often have a limited lifespan, which requires their frequent replacement.

La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients et de proposer un capteur d'efforts et/ou de couples, du type jauge d'extensométrie, dans lequel la mesure de l'effort puisse être effectuée avec une grande précision depuis une région physiquement isolée du milieu fluide. The object of the present invention is to overcome these drawbacks and to propose a force and / or torque sensor, of the strain gauge type, in which the measurement of the force can be carried out with great precision from a physically region. isolated from the fluid medium.

Un autre objet de l'invention est de proposer un capteur d'efforts et/ou de couples dans lequel les perturbations de la mesure exercées par le fluide puissent être notablement atténuées. Another object of the invention is to provide a force and / or torque sensor in which the measurement disturbances exerted by the fluid can be significantly attenuated.

A çet effet, la présente invention concerne un dispositif capteur d'efforts et/ou de couples, destiné en particulier à la mesure d'efforts et/ou de couples dans un milieu fluide agressif circulant dans un conduit, caractérisé en ce qu il comprend:
un élément en forme de poutre symétrique s'étendant à l'intérieur du conduit, qui comporte une extrémité libre destinée à recevoir l'effort et/ou le couple à mesurer, un socle rigide destiné à être fixé sur la face intérieure d'une paroi dudit conduit, dans la région d'une ouverture(l6a) de ladite paroi, et une partie intermédiaire dans laquelle sont formées deux ouvertures longitudinales ouvertes sur l'extérieur, et
au moins deux éléments capteurs de type jauge d'extensométrie disposés dans deux régions distinctes d'un plan de mesure constitué d'au moins une partie de la face du socle ouverte sur l'extérieur via ladite ouverture de la paroli,
de telle sorte qu'une flexion de l'extrémité libre et de la partie intermédiaire de la poutre, provoquée par l'effort et/ou le couple à mesurer, soit convertie en des contraintes internes respectivement en compresslon et en traction ayant sensiblement la même amplitude dans les régions dans lequelles sont disposés les éléments capteurs.For this purpose, the present invention relates to a force and / or torque sensor device, intended in particular for the measurement of forces and / or couples in an aggressive fluid medium circulating in a conduit, characterized in that it comprises :
an element in the form of a symmetrical beam extending inside the duct, which has a free end intended to receive the force and / or the torque to be measured, a rigid base intended to be fixed on the internal face of a wall of said conduit, in the region of an opening (16a) of said wall, and an intermediate part in which two longitudinal openings are formed which open to the outside, and
at least two sensor elements of the strain gauge type arranged in two distinct regions of a measurement plane consisting of at least part of the face of the base open to the outside via said opening of the paroli,
so that a bending of the free end and the intermediate part of the beam, caused by the force and / or the torque to be measured, is converted into internal stresses respectively in compresslon and in traction having substantially the same amplitude in the regions in which the sensor elements are arranged.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée sulvante d'un mode de réallsatlon préféré de celle-cl, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence au dessin annexé, sur lequel:
la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un élément de capteur d'efforts et/ou de couples conforme à la présente invention, et
la figure 2 est une vue de détail de l'élément de la figure 1.The invention will be better understood on reading the following detailed description of a preferred mode of reallsatlon thereof, given by way of nonlimiting example and made with reference to the appended drawing, in which:
FIG. 1 is a cross-sectional view of a force and / or torque sensor element according to the present invention, and
FIG. 2 is a detailed view of the element in FIG. 1.

En référence au dessin, le dispositif capteur d'efforts comprend tout d'abord une poutre ou profilé, globalement indiqué en 10, qui est apte à recevolr une force F ou un couple Cz à son extrémité libre 12. With reference to the drawing, the force-sensing device firstly comprises a beam or profile, generally indicated at 10, which is capable of receiving a force F or a couple Cz at its free end 12.

L'extrémité opposée de la poutre 10 se présente sous la forme d'un socle rigide unitalre 14. Le socle 14 est destiné à la fixation de l'élément par exemple sur la paroi 16 d'un conduit acheminant un fluide agressif. Cette fixation pourra être assurée à l'aide de boulons appropriés (non représentés). On réalisera la poutre 10 de préférence en un métal ayant de bonnes caractéristiques d'élasticité et résistant au milieu fluide agressif.The opposite end of the beam 10 is in the form of a single-unit rigid base 14. The base 14 is intended for fixing the element for example on the wall 16 of a conduit conveying an aggressive fluid. This fixing can be ensured using appropriate bolts (not shown). The beam 10 will preferably be made of a metal having good elasticity characteristics and resistant to aggressive fluid medium.

Par ailleurs, dans la surface latérale du socle 14 qui est tournée vers la paroi 16 est formée une gorge circulalre 18 qui reçoit un joint torique 20. On assure ainsi l'étanchéité entre le milieu fluide et la région, ainsi isolée dudit milieu, dans laquelle aura lieu, comme décrit plus loin, la mesure d'un effort et/ou d'un couple agissant sur l'extrémité libre 12 de la poutre 10. Furthermore, in the lateral surface of the base 14 which faces the wall 16 is formed a circular groove 18 which receives an O-ring 20. This thus ensures sealing between the fluid medium and the region, thus isolated from said medium, in which will take place, as described below, the measurement of a force and / or of a torque acting on the free end 12 of the beam 10.

En outre, la paroi 16 présente dans la région de la fixation sus-mentionnée une ouverture 16a. On dégage ainsi une partie de la face verticale d'extrémité de l'élément 10, et cette partie est, dans le présent exemple, creusée à la même dimension que ladite ouverture 16a. Le fond 22 de la partie creusée, isolée du milieu fluide, tient lieu de plan de mesure dans lequel aura lieu la mesure de l'effort et/ou du couple. A cet effet, on fixera au fond de la partie creusée deux éléments capteurs (28,30) fonctionnant selon un principe résistif, du type jauge d'extensométrie conventionnelle. Ces éléments n'étant pas soumis à l'action du fluide, leur durée de vie pourra être extrêmement longue, tout en leur conservant une conception traditionnelle. In addition, the wall 16 has in the region of the above-mentioned attachment an opening 16a. A part of the vertical end face of the element 10 is thus released, and this part is, in the present example, hollowed out to the same dimension as said opening 16a. The bottom 22 of the hollowed-out part, isolated from the fluid medium, acts as a measurement plane in which the measurement of the force and / or of the torque will take place. To this end, two sensor elements (28, 30) operating on a resistive principle, of the conventional strain gauge type, will be fixed to the bottom of the hollowed-out part. As these elements are not subjected to the action of the fluid, their lifetime can be extremely long, while retaining a traditional design.

Selon l'invention, on a réalisé dans une région intermédiaire 11 de la poutre 10 deux perçages cylindriques 24,26ouverts extérieurement et s'étendant parallèlement au plan de mesure, symétriquement par rapport à ce dernler. According to the invention, there have been produced in an intermediate region 11 of the beam 10 two cylindrical bores 24, 26 open on the outside and extending parallel to the measurement plane, symmetrically with respect to the latter.

L'expérience a démontré qu'une telle configuration permettait le transfert des déformations en flexion de la partie d'extrémité 12 de la poutre 10 vers le plan de mesure 22, où ces déformations sont convertles en contraintes internes en compression et en traction, concentrées dans des zones bien définies dudit plan de mesure. En outre, du fait de la forme symétrique de l'élément capteur decrit, les efforts exercés sur la poutre 10 engendrent sur le plan de mesure deux zones de forte déformabilité, respectivement positive et négative. C'est en ces emplacements précis de ces deux zones que l'on disposera les éléments de mesure proprementdits. Experience has shown that such a configuration allows the transfer of bending deformations from the end portion 12 of the beam 10 to the measurement plane 22, where these deformations are converted into internal stresses in compression and in tension, concentrated in well-defined areas of said measurement plane. In addition, due to the symmetrical shape of the described sensor element, the forces exerted on the beam 10 generate on the measurement plane two zones of high deformability, respectively positive and negative. It is in these precise locations of these two zones that the actual measurement elements will be placed.

Par allleurs, la grande rigidité de l'élément 10 en torsion lul confère une très faible déformation transversale (perpendiculairement au plan du dessin). On évite ainsi les phénomènes vibratoires de couplage en flexion/torsion. En outre, la forme de l'élément est telle qu'il présente une très grande rigidité vis à vis d'efforts ou de couples s'exerçant dans des directlons perpendlculalres à celle de l'effort ou du couple mesuré. La forme de l'élément 10 telle que définie permet cependant un taux de déformabilité important dans la direction de l'effort mesuré, au profit de la sensibilité,
En référence à la figure 2, on a observé que les caractéristiques de transfert de l'élément de capteur de l'invention dépendaient fortement d'un certain nombre de paramètres géométriques de la poutre 10, à savoir:
- l'espacement el entre les deux perçages 24 et 26,
- le diamètre commun aux deux perçages, et
- l'espacement e2 entre les perçages 24 et 26 et le plan de mesure
ou fond du creusage 22.By allleurs, the high rigidity of the element 10 in torsion lul gives a very low transverse deformation (perpendicular to the plane of the drawing). This avoids the vibrational phenomena of flexion / torsion coupling. In addition, the shape of the element is such that it has a very high rigidity with respect to forces or couples exerted in directlons perpendicular to that of the force or torque measured. The shape of the element 10 as defined however allows a significant rate of deformability in the direction of the measured force, for the benefit of the sensitivity,
With reference to FIG. 2, it has been observed that the transfer characteristics of the sensor element of the invention strongly depend on a certain number of geometric parameters of the beam 10, namely:
- the spacing el between the two holes 24 and 26,
- the diameter common to the two holes, and
- the spacing e2 between holes 24 and 26 and the measurement plane
or bottom of the dig 22.

Pour le moment, des essais ont démontré que l'on obtenait des résultats intéressants en matière de fidélité et d'amplitude de la mesure en fixant el = d/2 et e2 = et/2.  For the moment, tests have shown that we obtained interesting results in terms of precision and amplitude of the measurement by setting el = d / 2 and e2 = and / 2.

Ces concluslons revêtent cependant un caractère provisoire. These conclusions are however provisional.

En ce qui concerne le positionnement des jauges d'extensométrie sur le plan de mesure 22, les essais ont permis de localiser deux zones de déformabilités maximales opposées. Plus précisément, les contraintes internes en compresslon/tractlon existant respectivement dans ces deux zones sous l'influence d'un effort F à mesurer sont de signes opposés, tandis que les effets dûs aux variations de température et de presslon du milieu fluide dans lequel est effectuée la mesure s'exercent identiquement dans ces deux zones. Ainsi l'on comprend qu'en raccordant les deux jauges (ou quatre jauges pour une sensibilité maximale) dans un montage en pont résistif, on obtent les trois avantages suivants::
(a) les effets de température s'auto-compensent,
(b) les déformations dues à la pression sont éliminées, et
(c) le signal de sorte est amplifié. With regard to the positioning of the strain gauges on the measurement plane 22, the tests made it possible to locate two zones of opposite maximum deformability. More specifically, the internal compresslon / tractlon stresses existing respectively in these two zones under the influence of a force F to be measured are of opposite signs, while the effects due to variations in temperature and in pressure of the fluid medium in which is carried out the measurement are carried out identically in these two zones. So we understand that by connecting the two gauges (or four gauges for maximum sensitivity) in a resistive bridge mounting, we obtain the following three advantages:
(a) the effects of temperature self-compensate,
(b) pressure deformations are eliminated, and
(c) the signal so is amplified.

Ainsi, l'invention permet avantageusement de réaliser des mesures d'efforts et/ou de couples en milieu fluide agressif en reportant les contraintes dans une région totalement isolée dudit milieu, et en plaçant des jauges d'extensométrie selon une disposition appropriée dans cette région isolée. On supprime ainsi les effets de vieillissement conventionnels dans ce genre d'application. Et comme on l'a dit, on élimine les perturbations de mesure dues aux écarts de température et de pression du milieu, inévitables avec les dispositifs de mesure de l'art antérieur. Thus, the invention advantageously makes it possible to carry out force and / or torque measurements in an aggressive fluid medium by transferring the stresses to a region completely isolated from said medium, and by placing strain gauges according to an appropriate arrangement in this region. isolated. This eliminates the conventional aging effects in this kind of application. And as we have said, the measurement disturbances due to temperature and pressure differences in the medium, which are inevitable with the measurement devices of the prior art, are eliminated.

On notera que l'invention s'appliquera avantageusement à la mesure du débit dans des conduits acheminant un fluide. It will be noted that the invention will advantageously apply to the measurement of the flow rate in conduits conveying a fluid.

Enfin la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais inclut dans son cadre toute variante ou modification que pourra y apporter l'homme de l'art. En particulier, les formes, dimensions, matériaux, etc. utilisés pour les éléments pourront être très divers.  Finally, the present invention is not limited to the embodiment described, but includes within its scope any variant or modification that may be made by those skilled in the art. In particular, the shapes, dimensions, materials, etc. used for the elements can be very diverse.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Dispositif capteur d'efforts et/ou de couple, destiné en particulier à la mesure d'efforts et/ou de couples dans un milieu fluide agressif circulant dans un conduit, caractérisé en ce qu'il comprend: 1. Force and / or torque sensor device, intended in particular for measuring forces and / or couples in an aggressive fluid medium flowing in a conduit, characterized in that it comprises: un élément en forme de poutre symétrique (10) s'étendant à l'intérieur du conduit, qui comporte une extrémité libre (12) destinée à recevolr l'effort et/ou le couple à mesurer, un socle rigide (14) destiné à être fixé sur la face intérieure d'une paroi (16) dudit conduit, dans la région d'une ouverture (16a) de ladite paroi, et une partie intermédiaire (11) dans laquelle sont formées deux ouvertures longitudinales (24,26) ouvertes sur l'extérieur, et a symmetrical beam-shaped element (10) extending inside the duct, which has a free end (12) intended to receive the force and / or the torque to be measured, a rigid base (14) intended to be fixed on the inner face of a wall (16) of said duct, in the region of an opening (16a) of said wall, and an intermediate part (11) in which two longitudinal openings (24, 26) are formed open on the outside, and au moins deux éléments capteurs de type jauge d'extensométrie (28,30) disposés dans deux régions distinctes d'un plan de mesure (22) constitué d'au moins une partie de la face du socle (14) ouverte sur l'extérieur vla ladite ouverture (16a) de la parol (16), at least two sensor elements of the strain gauge type (28,30) arranged in two distinct regions of a measurement plane (22) consisting of at least part of the face of the base (14) open to the outside vla said opening (16a) of the floor (16), de telle sorte qu'une flexion de l'extrémité libre (12) et de la partie intermédiaire ( i 1 ) de la poutre (10), provoquée par l'effort et/ou le couple à mesurer, soit convertle en des contraintes internes respectivement en compression et en traction ayant sensiblement la même amplitude dans les régions dans lequelles sont disposés les éléments capteurs. so that bending of the free end (12) and the intermediate part (i 1) of the beam (10), caused by the force and / or the torque to be measured, is converted into internal stresses respectively in compression and in tension having substantially the same amplitude in the regions in which the sensor elements are arranged. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures longitudinales (24,26) consistent en des perçages cylindriques. 2. Device according to claim 1, characterized in that the longitudinal openings (24,26) consist of cylindrical holes. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les jauges d'extensométrie (28,30) sont incluses dans un montage électrique de mesure en pont. 3. Device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the strain gauges (28,30) are included in an electrical bridge measurement assembly. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des moyens d'étanchéité (20) sont en outre prévus entre les faces adjacentes respectives du socle (14) et de la paroi (16) du conduit. 4. Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that sealing means (20) are further provided between the respective adjacent faces of the base (14) and the wall (16) of the conduit.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3354716A (en) * 1964-09-17 1967-11-28 William S Hansen Combined rate of flow, pressure and temperature gage
FR2485724A1 (en) * 1980-06-25 1981-12-31 Commissariat Energie Atomique Flowmeter for fluid in pipes e.g. of nuclear reactor cooling circuit - where strain gauges mounted on dynamometer rings are exposed to stress by fluid flowing through perforated disk in pipe

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