FR2597598A1 - Dispositif de mesure de forces - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF DE MESURE DE FORCE COMPRENANT UN ELEMENT PRINCIPAL ELASTIQUE EN PORTE A FAUX ET UN ELEMENT AUXILIAIRE ELASTIQUE EN PORTE A FAUX ESPACES PARALLELEMENT L'UN DE L'AUTRE, CES ELEMENTS ETANT CONCUS DE FACON A RECEVOIR UNE FORCE A MESURER A LEUR EXTREMITE LIBRE, UN FIL TENDU ENTRE LES EXTREMITES LIBRES DESDITS ELEMENTS PRINCIPAL ET AUXILIAIRE ET DES MOYENS POUR MESURER LA FREQUENCE DE VIBRATION DUDIT FIL ET POUR CALCULER, A PARTIR DE CETTE FREQUENCE, L'AMPLITUDE DE LA FORCE A MESURER, CE DISPOSITIF ETANT CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN DETECTEUR DE TEMPERATURE 14 DISPOSE A PROXIMITE DE L'UN AU MOINS DESDITS ELEMENTS ELASTIQUES PRINCIPAL ET AUXILIAIRE 1, 5 DE MANIERE A FOURNIR UNE INFORMATION T SUR LA TEMPERATURE DUDIT ELEMENT, DES MOYENS 16 POUR CALCULER A PARTIR DE LADITE INFORMATION, UNE VALEUR DE COMPENSATION DD CORRESPOND A LADITE TEMPERATURE ET DES MOYENS 17 POUR CORRIGER LADITE AMPLITUDE DE FORCE A L'AIDE DE LADITE VALEUR DE COMPENSATION.
Description
La présente invention concerne un dispositif de mesure de forces notamment
pour système de pesée, du type utilisant le phénomène selon lequel la fréquence de vibration inhérente d'un fil étiré est modifiée en changeant une
charge qui y est appliquée pour en modifier la tension.
Un tel type de dispositif de mesure de forces est décrit, par exemple, dans le brevet britannique N' 2133800. Dans ce dispositif, un fil métallique est étiré entre les extrémités libres d'une paire d'éléments parallèles en porte à faux et une force devant être mesurée est appliquée à l'extrémité libre de l'un de ces éléments. La tension du ressort qui est fonction de l'amplitude de la 10 force appliquée, dépend également, de façon fonctionnelle, de la fréquence de vibration propre du fil. Par conséquent, on peut, & partir de la mesure de la
fréquence de vibration, calculer la valeur de la force appliquée.
La tension du fil métallique est également contrôlée par les constantes élastiques des éléments en porte à faux (qui se comportent comme des ressorts) et 15 ces constantes sont généralement influencées par la température ambiante. Le ressort est pourvu d'une tension initiale par la force de répulsion des éléments en porte à faux légèrement déviés et cette tension initiale détermine le "zéro"
du dispositif. Par conséquent, tout changement de la température ambiante peut entraîner un décalage indésirable du point zéro qui peut, à son tour, entraîner 20 une erreur de mesure.
Le but de cette invention est donc d;apporter un dispositif de mesure de forces amélioré, comportant des moyens pour éliminer toute erreur due aux
variations de température ambiante.
En conséquence, cette invention concerne un dispositif de mesure de force 25 comprenant un élément principal élastique en porte à faux et un élément auxiliaire élastique en porte à faux, espacés parallèlement l'un de l'autre, ces éléments étant conçus de façon à recevoir une force à mesurer à leur extrémité libre, un fil tendu entre les extrémités libres desdits éléments principal et auxiliaire et des moyens pour mesurer la fréquence de vibration dudit fil et pour 30 calculer, & partir de cette fréquence, l'amplitude de la force à mesurer, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de température disposé à proximité de l'un au moins desdits éléments principal auxiliaire et élastique de manière à fournir une information sur la température dudit élément, des moyens pour calculer à partir de ladite information, une valeur de 35 compensation correspondant à ladite température et des moyens pour corriger
ladite amplitude de force à l'aide de ladite valeur de compensation.
D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de
la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent
un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur le dessin: - La figure 1 est un schéma par blocs, représentant un exemple de réalisation d'un dispositif selon cette invention, - La figure 2 est un schéma représentant le décalage du point zéro résultant d'une variation de température du dispositif de la figure 1, - Les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant un exemple de l'opération de calcul du dispositif de la figure 1 et - Les figures 5 et 6 sont des schémas de circuit représentant des exemples de réalisation du convertisseur analogique- numérique du dispositif de la
figure 1.
En se référant à la figure 1, on voit que le dispositif comprend un élément élastique principal 1, en forme de parallélogramme, qui est fixé horizontalement à une embase par l'une de ses extrémités 2, un plateau de balance 4 étant fixé à son autre extrémité 3. Un élément élastique auxiliaire 5 comprenant une partie échancrée 5a formant point de flexion, s'étend à partir de 20 l'extrémité fixe 2 de l'élément élastique principal de manière à être parallèle et espacé de cet élément. Un film métallique 6 est étiré entre les extrémités libres des deux éléments élastiques 1 et 5 et il est disposé dans le champ magnétique d'une paire de pôles magnétiques ?. Le fil métallique 6 est relié de manière à faire partie d'un oscillateur 8 qui produit un signal oscillatoire à 25 une fréquence qui correspond à la fréquence de vibration propre du fil 6. On ne décrira pas de façon détaillée la disposition de l'oscillateur 8 étant donné que
ce dernier est décrit dans le brevet britannique cité ci-dessus.
La sortie de l'oscillateur 8 est appliquée à un compteur 9 qui sert à compter les cycles d'oscillation du signal émis et à ouvrir une grille 10 pendant 30 un temps qui correspond à un nombre prédéterminé de cycles. Un générateur d'impulsions d'horloge 11 produit un train d'impulsions d'horloge à une fréquence supérieure à la fréquence de l'oscillateur qui traverse la grille 10 lorsque celle-ci est ouverte. Les impulsions d'horloge passant par la grille 10 sont comptées par un autre compteur 12. De façon correspondante, le résultat du 35 compteur 12 est précisément proportionnel à la fréquence de vibration du fil 6 qui est fonction d'une charge appliquée sur le plateau 4. Une unité de calcul de poids 13, calcule l'amplitude V de la charge appliquée à partir du compte
d'entrée et de la relation mathématique mentionnée ci-dessus.
Selon une autre caractéristique de cette invention, le système de pesée comporte en outre des moyens pour transformer la valeur mesurée V en une valeur 5 compensée WC, qui correspond à une valeur mesurée à une température de référence prédéterminée, de la manière décrite ci-après. La température de référence
choisie est par exemple de 20'C.
Un détecteur de température 14, tel qu'un thermistor, est fixé à l'élément élastique auxiliaire 5, au voisinage de la partie échancrée 5a, formant 10 point de flexion, et une information de température T, provenant du détecteur 14, est appliquée à une section de calcul de la valeur de compensation de température 16, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique 15. La section 16 est conçue de manière à calculer un écart entre la valeur mesurée V et la valeur corrigée VC, en tant que différence de la déviation du point zéro D, à une 15 température courante, par rapport à la température de référence. Cette valeur AD est soustraite de la valeur mesurée W dans un additionneur/soustracteur i1, qui
délivre le poids corrigé WC à un indicateur 18, pour affichage ou indication.
L'information de température T, provenant du détecteur 14, n'est pas toujours linéaire par rapport à la température réelle, et par conséquent, la 20 déviation du point zéro D n'est généralement pas linéaire par raport à l'information de température. Ceci est particulièrement le cas lorsqu'on utilise un thermistor en tant que détecteur de température 14. Sur la figure 2, on a illustré par la courbe 20 un exemple d'une telle relation non linéaire D/T. Si la courbe 20 représente un équation du second degré: 25 D = aT2 + bT + c (1) la déviation du point zéro DO, & la température de référence TO est donnée par l'équation suivante: DO = aTO2 + bTO + c (2) Par conséquent, D = D - DO = aT2 + bT0 - K (3) dans laquelle K = aTO2 + bTO (4) La valeur K est une constante puisque a et b sont des constantes et TO
est également une constante déterminée par le détecteur 14.
La section de calcul 16 comprend une mémoire morte (non représentée) pour 35 emmagasiner l'équation (3) avec ces constantes et pour calculer la. valeur de compensation AD, à partir de l'information de température courante T basée sur
cette équation.
Lorsque la courbe D/T représente une équation d'ordre plus élevé, un
calcul similaire peut être effectué en utilisant l'équation correspondante.
Lorsque la courbe D/T peut être représentée de façon approchée par une ligne droite 19, comme représenté sur la figure 2, AD peut être calculé par une simple équation de la manière suivante: aD = K<T - TO) (5)
dans laquelle K est une constante.
Un tel calcul de compensation peut être exécuté par le programme illustré
par la figure 3.
En se référant à la figure 3, on voit que la charge V appliquée au plateau 4 est calculée par l'unité de calcul du poids 13 lors de l'exemple 31, et que l'information de température T est reçue du convertisseur analogique15 numérique 15, dans l'étape 32. Ensuite, la valeur de compensation AD est calculée de la manière décrite ci-dessus, dans la section de calcul 16, lors de l'étape 33, et elle est soustraite de la charge calculée V par l'additionneur/soustracteur 17, dans l'exemple 34. La charge résultante corrigée
Vè est indiquée dans l'indicateur 18, lors de l'étape 35.
Lorsque la relation D/T ne peut être représentée ni par une simple équation, ni de façon approchée, par une ligne droite unique telle que la ligne 19 de la figure 2, on peut la représenter par une ligne brisée. Un exemple d'une telle ligne brisée a été représentée sur la figure 2 par 24, 25, 26 dont les points communs correspondent aux informations de température Ti et T>. Dans ce 25 cas, le calcul de la valeur de compensation lors de l'étape 33 (figure 3) peut
être exécuté à l'aide du programme illustré par la figure 4.
En se référant à cette figure 4, on voit que l'information de température
courante T est comparée à Ti et Tm lors des étapes 41 et 42 respectivement de manière à sélectionner l'une des trois régions 21, 22 et 23 qui est utilisée pour 30 le calcul et le calcul est exécuté dans l'étape correspondante 43, 44 et 45.
Ce calcul et cette approximation peuvent être évités en mesurant expérimentalement les valeurs de compensation AD pour des informations variées de températures T et en stockant ces valeurs dans une mémoire morte en tant que tableau de confrontation. Si un tel tableau est fourni sous la forme d'une 35 matrice de T et de W, il est possible de compenser toutes les erreurs dues aux
changements de température, y compris le décalage du point zéro mentionné cidessus.
Bien que le convertisseur A/D 15 puisse être constitué d'un circuit intégré disponible dans le commerce, il est également possible d'utiliser des circuits du type illustré par les figures 5 et 6. Sur le circuit de la figure 5, un oscillateur/amplificateur 50 est constitué d'un circuit en parallèle d'un thermistor 51 et d'une resitance de compensation 52 et d'un condensateur 53 relié en série avec un amplificateur 54 et des résistances de division de tension 55 et 56. L'oscillateur/amplificateur 10 50 produit un signal oscillatoire à onde carrée, à une période t proportionnelle à la température Tt du thermistor 14, telle que donnée par la relation suivante: Tt = Kit = K2 R. Rt C R + Rt
dans laquelle Ki et K2 sont des constantes et R. Rt et C sont des paramètres des 15 composants illustrés par la figure 5.
Le signal d'onde carrée produit à partir de l'oscillateur/amplificateur est transformé en un train d'impulsions de pointes bidirectionnelles, comme représenté, par un circuit approprié de conformation 57. et les impulsions positives et négatives résultantes sont appliquées respectivement aux entrées de 20 mise en service et de mise hors service d'un circuit flip-flop 58. La sortie Q du flip-flop 58 est couplée à-une entrée d'une grille ET 59 dont l'autre entrée est couplée à un générateur d'impulsions d'horloge (non représenté). Par conséquent, les impulsions d'horloge traversent la grille ET 59 et leur comptage est réalisé par le compteur 60, de manière que le compte obtenu soit proportionnel à la 25 température Tc. Par conséquent, ce compte est délivré à la section de calcul de valeur de compensation 16 en tant qu'information de température T. Le circuit de la figure 6 comporte une connexion en parallèle d'un thermistor 51 et d'une résistance de compensation 52. Lorsqu'un courant constant Ic est appliqué à cette connexion en parallèle, une chute de tension e apparaît 30 aux bornes de cette connexion, cette chute étant proportionnelle à sa résistance, c'est à dire RtR. Cette tension t est transformée par un convertisseur tension Rt + R fréquence (V/f) 61 en une onde alternative ayant une fréquence proportionnelle à la tension d'entrée v. Ce signal de fréquence est appliqué à un compteur 63 par 35 l'intermédiaire d'une grille ET 62 qui est ouverte par un signal de grille de durée prédéterminée. Par conséquent, le chiffre indiqué par le compteur 63 est également proportionnel à la température Tt et il peut être utilisé comme information de température T. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés mais qu'elle en englobe toutes les variantes.
Claims (5)
1- Dispositif de mesure de force comprenant un element principal élastique en porte à faux et un élément auxiliaire elastique en porte a taux espacés parallèlement l'un de l'autre, ces éléments étant conçus de façon i recevoir une force à mesurer à leur extrémité libre, un fi, tendu entre les 5 extrémités libres desdits éléments principal et auxiliaire et des moyens Dour mesurer la fréquence de vibration dudit fi-l et pour calculer, à partir de cette fréquence, l'amplitude de la force à mesurer ce dispositif étant caracterisê an ce qu'il comprend un détecteur de temperature (14) disposé à proximité de l'un aui moins desdits éléments élastiques principal et auxiliaire i(1, 5) de manière à 10 fournir une information (T> sur la température dudit élément, des moyens e pour calculer à partir de ladite information, une valeur de compensation (,D) correspondant à ladite température et des moyens (17) pour corriger ladite
amplitude de force à l'aide de ladite valeur de compensation.
2- Dispositif de mesure de forces selon la revendication 1, caractérise 15 en ce que lesdits moyens de calcul (16) comprennent une mémoire pour emmagasiner une relation fonctionnelle entre ladite information de température <T) et ladite valeur de compensation (aD) et des moyens arithmétiques pour calculer ladite valeur de compensation & partir de l'information de température selon ladite
relation fonctionnelle.
3- Dispositif de mesure de forces selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite relation fonctionnelle est sensiblement une équation du second degré. 4- Dispositif de mesure de forces selon la revendication 2 caractérise en
ce que ladite relation fonctionnelle est au moins une equation linéaire 25 approchée.
- Dispositif de mesure de forces selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de calcul (16) comprennent une mémoire pour emmagasiner un tableau-de confrontation de ladite valeur de température et de la valeur de compensation correspondante et, en ce que lesdits moyens de correction (17) sont 30 conçus de manière à agir en réponse à l'information de température pour utiliser
ladite valeur de compensation correspondante aux fins de correction.
6- Procédé de mesure d'une force a l'aide d'un cispositif de mesure qui comprend au moins un élément élastique pour recevoir ladite force, caractérise en ce qu'il consiste a obtenir préalablement et emmagasiner une relation fonctionnelle entre la température dudit elément elastique et la valeur de compensation correspondante pour la force mesurée; à fixer un détecteur de température sur ledit élément élastique pour obtenir une information fournissant une indication de la température dudit élément; a calculer àa partir de ladite information, une valeur de compensation qui correspond à ladite température selon ladite relation fonctionnelle emmagasinee et à corriger la force mesurée à l'aide
de ladite valeur de compensation.
7- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que ladite relation fonctionnelle est emmagasinée sous la forme d'une équation du second degré. 8- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite relation fonctionnelle est emmagasinée sous la forme d'une équation linéaire au moins. 9- Procédé de mesure d'une force à l'aide d'un dispositif de mesure de force qui comprend au moins un élément élastique pour recevoir ladite force, caractérisé en ce qu'il consiste: à emmagasiner préalablement un tableau de confrontation de la température dudit élément élastique et une valeur de compensation correspondante pour la force mesurée; à fixer un détecteur de 20 température audit élément élastique de manière à obtenir une information fournissant une indication de la température de cet élément; à lire une valeur de compensation correspondant a ladite température à partir du tableau de confrontation et à corriger la force mesurée à l'aide de la valeur de compensation.
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