Appareil pour la mesure des déplacements relatifs de deux organes en fonction
des variations de capacité électrique.
Dans la pratique, la mesure d'une longueur, d'une variation de longueur ou du déplacement relatif de deux organes peut se ramener à la mesure du déplacement relatif de deux repères dont l'un au moins se déplace par rapport à l'autre. On a déjà proposé de mesurer des longueurs, des variations de longueurs ou, ce qui dans certains cas re- vient au même, des déplacements relatifs de deux organes ou repères en mesurant les capacités ou les variations de capacité électriques eorrespondantes résultant de l'écartement de deux électrodes parallèles solidaires respectivement des organes ou des repères dont on désire mesurer les déplacements relatifs.
Dans un des appareils connus utilisés dans ce but, deux électrodes parallèles se déplacent l'une par rapport à l'autre perpendiculairement à leur plan. Or, on sait que la capacité de deux électrodes varie avec l'inverse de l'écartement des électrodes, de sorte que les variations de capacité correspondant à une même variation d'écartement diminuent très rapidement en fonction de l'écartement total (voir courbe I de la fig. 1 ci-jointe). En d'autres termes, la précision de la mesure définie par la pente de la tangente à la courbe diminue très rapidement lorsque la distance entre électrodes augmente. Il en résulte qu'un tel appareil n'est pratiquement utilisable que pour des mesures de très petite longueur.
Dans un autre appareil connu les électrodes parallèles se déplacent l'une par rapport à l'autre parallèlement à leur plan. La courbe de variation de la capacité en fonction de la distance est alors symétrique par rapport à la position pour laquelle les deux plaques sont rigoureusement en regard l'une de l'autre, et qui correspond à la capacité maximum; mais, comme on le voit sur la courbe II de la fig. l ci-jointe, la précision de la mesure décroît également très rapidement de part et d'autre de la position médiane lorsque la longueur à mesurer augmente.
On a proposé enfin de remplacer les électrodes constituées par deux surfaces continues o et b par des électrodes constituées par des surfaces discontinues comportant plusieurs éléments de même longueur al, a2, as, a4... bl, b3, b3, b4... formant dents ou crénaux (voir fig. 2), se déplaçant également parallèlement l'une à l'autre. On arrive ainsi à multiplier pour chaque position relative des électrodes la variation de capacité correspondante et, par suite, à améliorer la précision.
La courbe de variation de la capacité en fonction de la distance a alors l'allure de la courbe III, mais l'on voit que l'augmentation de la précision n'est sensible que dans la zone
A eorrespondant aux positions pour lesquelles toutes les surfaces a et b sont en regard, et décroît très rapidement dans les zones A2, A2...
A'2, A'3... pour lesquelles les électrodes sont décalées l'une par rapport à l'autre d'une ou plusieurs dents, c'est-à-dire d'un ou plusieurs pas.
Tous ces dispositifs connus présentent donc l'inconvénient de ne permettre avec une précision satisfaisante que des mesures de faible longueur.
Dans l'appareil objet de l'invention les deux électrodes, constituées par des éléments de surface également espacés ayant la même longueur dans le sens de leur espacement et séparés les uns des autres par des espaces libres de même longueur, à la façon des surfaces extrêmes des saillies d'une bordure crénelée, comportent chacune un nombre différent de ces éléments, comme par exemple sché matisé fig. 3, et ont par suite une longueur différente. La courbe de variation de la capacité en fonction de la distance présente alors, par r exemple, l'allure schématisée en IV (fig. 1).
Des moyens sont en outre prévus pour provoquer, d'une part, un déplacement parallèle relatif de ces deux électrodes, de manière que leur capacité résultante varie rapidement de la même manière pendant tout déplacement relatif d'amplitude égale à la somme des longueurs d'un élément de surface et d'un espace libre, en passant à chaque fois par une valeur choisie comme étalon, d'autre part, un déplacement relatif distinct du premier déplacement parallèle et provoquant de lentes variations de capacité, d'autres moyens étant enfin prévus pour repérer le moment où la capacité passe par la valeur étalon sous l'action de l'un des moyens de déplacement, comme aussi la position relative des deux électrodes à ce moment.
Cette disposition permet donc de mesurer des longueurs aussi grandes que l'on veut, puisque dans chacune des tranches successives As A2, A4... A'2, A'2, A4... les phénomènes sont les mêmes que dans la zone A.
Néanmoins, à l'intérieur de chaque tria. n che, la précision des mesures reste variable en passant llt par un minimum aux points m OÙ la tangente à la courbe est horizontale, et par un maximum au point M où la tangente présente une inclinaison maximum.
On rend cette précision constante en mesurant les déplacements relatifs des deux électrodes, non plus par une lecture de la variation de la capacité, mais par la lecture d'un déplacement relatif d'une autre nature que le déplacement primitif que l'on veut mesurer et compensant celui-ci au point de vue électrique, c'est-à-dire ayant pour effet de maintenir la capacité entre électrodes à une valeur constante, cette valeur correspondant de préférence à la valeur M pour laquelle les variations de capacité en fonction des variations de distance sont les plus grandes.
Pratiquement, si le déplacement à mesurer est rectiligne, le déplacement de compensation peut être une rotation et les électrodes crénelées, au lieu d'être planes ou circulaires, seront à cet effet aménagées sous forme de deux éléments hélicoïdaux coopérant l'un avec l'autre à la manière d'une vis et d'un écrou, mais sans contact matériel l'une avec l'autre.
Le même dispositif peut inversement être utilisé pour mesurer des déplacements angulaires, le déplacement de compensation étant alors rectiligne. Les deux types de mesure différeront simplement en ce que l'angle de l'héli coide sera dans le premier cas très faible et dans le second très élevé, de manière à ce que le déplacement de compensation soit toujours plus grand que le déplacement à mesurer.
Dans le cas où le déplacement à mesurer est rectiligne, on peut néanmoins utiliser des électrodes planes, en prévoyant un déplacement de compensation rectiligne également mais dans un autre plan, par exemple un glissement transversal au déplacement à mesurer. Dans ce cas également, l'amplitude du déplacement de compensation peut être très différente de l'amplitude du déplacement à mesurer.
L'appareil suivant l'invention est conçu de manière à permettre de corriger les erreurs de construction mécanique des électrodes (par exemple les irrégularités; du pas de l'électrode la plus longue) en modifiant localement la capacité correspondant à la position relative des deux électrodes par une déformation mécani que volontaire effectuée dans une direction de préférence différente du déplacement à mesurer et du déplacement de compensation, par exemple en augmentant localement l'écartement entre les deux électrodes.
Pour la réalisation pratique de l'invention, il est évidemment nécessaire que le montage électrique permette de déGeler les' plus petits déplacements mécaniques. Il faudra donc prévoir également des montages électriques permettant d'augmenter la sensibilité des mesures de variation de capacité.
Les fig. 4 à il du dessin ci-joint, donné à titre d'exemple, montrent quelques formes d'exécution de l'appareil suivant l'invention ; la fig. 4 est une vue schématique d'ensemble de l'appareil; la fig. 5 montre, à plus grande échelle, les deux électrodes; les fig. 6 à 10 sont des schémas du montage électrique ; la fig. 11 montre un dispositif de détail.
L'appareil représenté schématiquement fig. 4 comporte un bâti fixe 1 sur lequel se déplace un chariot 2 dans lequel est monté le dispositif de mesure (représenté à plus grande échelle fig. 5), constitué par la barre de mesure 3 en forme de vis hélicoïdale, consti tuant l'un des éléments électrostatiques et coulissant sans contact à l'intérieur du lecteur 4 solidaire du bâti, comportant intérieurement un filet hélicoïdal de même pas que celui de la barre 3, et constituant le deuxième élément électrostatique, l'un au moins de ces deux éléments étant isolé électriquement par rapport à la masse.
La barre de mesure 3 est munie d'un tambour gradué 5 tournant solidairement avec elle et se déplaçant en face d'un repère de lecture non représenté. Elle porte enfin une touche 6 coopérant avec une touche 7 solidaire du bâti, la pièce à mesurer étant placée entre ces deux éléments.
Afin de permettre pour une même longueur de la barre de mesure de doubler la dimension maximum des pièces qu'il est possible de mesurer à l'aide de cet appareil, cette barre 3 sera de préférence munie de deux touches 6 et 6', la touche 6'coopérant avec une deuxième touche fixe 7' opposée à la touche 7. La distance entre les touches 7 et 7' est choisie par construction (en fonction de la position du lecteur fixe 4) de manière que, lorsque la machine est à fond de course, c'est-à-dire lorsque le tambour 5 (s'étant déplacé d'une cote x par rapport à la position représentée au dessin) vient buter contre le lecteur 4, la distance entre les touches 6 et 7, d'une part, et 7' de l'autre aient la même valeur a.
On conçoit donc que l'on pourra entre les points 6 et 7 mesurer une pièce d'une longueur comprise entre 0 et a, et entre les touches 6' et 7' mesurer une pièce d'une longueur comprise entre a et 2a.
La barre de mesure peut être montée élastiquement avec un jeu longitudinal mesurable pour permettre de repérer une pression de mesure constante lorsque cette pression ne peut être réglée à une valeur convenable par suite des frottements résultant du poids du chariot.
Pour mesurer grossièrement les déplacements du chariot, le bâti comporte une échelle graduée 8 (graduée par exemple en millimètres) coopérant avec un index 9 porté par la barre de mesure, chaque graduation étant égale à la valeur du pas des pièces 3 et 4 ou tout au poins égale à un multiple ou sousmultiple simple de ce pas.
On a représenté sur le dessin un volant de manoeuvre 10. Il est destiné à actionner le chariot et la barre de mesure par des moyens mécaniques quelconques non représentés, et l'on n'a pas représenté à la fig. 4 les dispositifs électriques qui seront décrits plus loin en référence à la fig. 6. Ils comprennent un galvanomètre il connecté à la barre de mesure 3 et au lecteur 4, et dont l'aiguille se déplace en fonction des positions relatives de ces deux éléments dans les conditions qui seront précisées plus loin et un circuit électri que amenant du courant aux électrodes.
On exposera également plus loin par quels moyens s'effectue l'étalonnage de l'appareil.
On exposera tout d'abord comment, l'appareil étant supposé parfaitement étalonné, s'effectue une opération de mesure,
La pièce P à mesurer étant placée sur le support 12 entre les touches 6 et 7, par exemple, on manoeuvre le volant 10 pour amener ia barre de mesure et sa touche 6 en contact avec la pièce P, puis pousser celle-ci de manière à l'amener en contact avec la touche 7.
Au cours de ce déplacement, les différentes dents de la barre de mesure 3 défilent devant le groupe de dents du lecteur 4, ce qui détermine des variations de la capacité électrique entre elles, les valeurs maxima de cette capacité se produisant chaque fois que les dents sont en coïncidence, et les valeurs minima chaque fois que les dents des deux organes sont décalées d'un demi-pas. Au cours de ce déplacement, l'aiguille du galvanomètre
Il oscille donc constamment entre le zéro et un maximum en passant par toutes les valeurs intermédiaires, lorsque les électrodes sont alimentées par un générateur de courant alternatif, comme représenté aux fig. 6 à 10.
Lorsque le contact aura été établi entre les touches 6 et 7 et la pièce à mesurer, l'aiguille occupera une position quelconque qui dépendra de la position relative des dents des deux éléments s 3 et 4 mais qui, néanmoins, ainsi qu'il sera exposé plus loin, peut être choisie et réglée à volonté en fonction de la précision désirée pour la mesure.
Le pas de ces éléments ayant une valeur égale aux graduations de l'échelle 8 ou multiple de ces graduations, si l'on a déplacé le chariot d'un nombre entier de pas, l'index 9 se sera déplacé sur l'échelle 8 d'un nombre entier de divisions et l'aiguille du galvanomètre se retrouvera à la position qu'elle occu pait à la position d'origine.
Si, au contraire, le chariot s'est déplacé d'un nombre entier de pas augmenté d'une fraction de ce pas, l'aiguille du galvanomètre occupera une position différente de la position d'origine. Pour retrouver celle-ci et mesurer ainsi cette fraction de pas, il faudra imposer au lecteur et à la barre de mesure un mouvement relatif différent du déplacement longitudinal que l'on mesure et compensant la différence entre la capacité constatée à la fin de ce déplacement longitudinal et la capacité d'origine. Ce déplacement relatif de compensation consiste, dans l'exemple représenté, en une rotation relative des deux éléments de lecture, c'est-à-dire, par exemple, de la barre 3 par rapport au lecteur 2 fixe.
Cette rotation ne provoque aucun déplace ment longitudinal de la barre 3 puisqu'elle n'est pas en prise mécanique avec le lecteur, mais provoque un déplacement relatif des dents de ces deux organes que l'on peut mesurer à l'aide du tambour 5 gradué en fractions de pas. Elle mesure donc bien le déplacement longitudinal relatif qu'il aurait fallu imprimer à ces organes eux-mêmes pour rattraper la fraction de pas complémentaire.
Le montage électrique permettant de suivre les variations de capacité entre la barre de mesure 3 et le lecteur 4 et de repérer par suite avec précision la position d'origine peut se faire selon divers schémas.
On a représenté fig. 6 un montage classique en pont de Sauty où l'on retrouve schématisés la barre de mesure 3 et le lecteur 4 constituant l'une des capacités, le galvanomètre 11, un générateur de courant alternatif 14, trois capacités fixes 15, 16, 17 et, éventuellement, une petite capacité réglable 18 en parallèle sur la capacité 15, par exemple, et permettant de faire varier à volonté la valeur de la capacité étalon, c'est-à-dire la position de repère de l'aiguille du galvanomètre.
Différentes dispositions peuvent être envisagées pour augmenter la précision de la lecture. Avec le montage qui vient d'être déc-rit, on compare la capacité variable x entre le lecteur 4 et la barre de mesure 3 à trois capacités fixes a, b, c, le pont de Sauty donnant pour un courant nul, lu en 11, l'égalité:
x b
a c
Dans le schéma représenté,
x indique la capacité entre A et B
a ,, ,, ,, ,, B et O
b ,, ,, ,, ,, A et D
c ,, ,, ,, ,, O et D
On conçoit que l'on a une precision meit- leure si les déplacements relatifs du lecteur et de la barre de mesure font varier deux des éléments de l'égalité ci-dessus, c'est-à-dire si l'appareil comporte deux lecteurs 4 et 4' (fig. 7) décalés d'un demi-pas, de telle sorte que la capacité de l'un d'eux croît, tandis que celle de l'autre décroît.
Si l'on appelle y la capacité entre 4' et 3, l'équation du pont de Sauty sera pour un curant nul, lu en 11: b
y c
Dans le schéma représenté fig. 7, y indique la capacité entre B et C, x, b et c ayant les mêmes valeurs qu'indiqué ci-dessus.
On peut également envisager une combinaison dans laquelle les quatre capacités du pont sont variables en fonction des déplacements relatifs du lecteur et de la barre de mesure. Un tel résultat peut être obtenu en utilisant une barre de mesure Åa deux filets isolés l'un de l'autre électriquement et un lecteur conçu de la même façon.
On a représenté fig. 8 un tel montage dans lequel la barre de mesure est constituée de deux spires hélicoïdales 3 et 3' isolées électriquement l'une de l'autre, et le lecteur est constitué pareillement de deux : spires héli- coïdales 4 et 4' isolées électriquement l'une de l'autre.
Si l'on appelle x la capacité entre 3 et 4, y la capacité entre 3 et 4' ruz la capacité entre 3' et 4, et t la capacité entre 4' et 3', l'équation du pont sera la suivante:
x z t
On notera que, outre la diminution d'encombrement par rapport au dispositif de la fig. 7, le dispositif de la fig. 8 présente l'avantage que chacun des lecteurs joue par rapport à l'autre, le rôle d'écran électrique en abaissant la capacité résiduelle, c'est-à-dire en supprimant l'action des flancs dès filets et du fond de la rainure entre deux filets successifs.
En outre, lorsqu'au lieu de mesurer une capacité variable par rapport à des capacités constantes, on mesure les variations relatives de deux rapports dont les quatre termes sont variables, tout déplacement accidentel modifie les quatre capacités dans le même sens et sensiblement dans la même proportion et est par suite sans influence sur la précision des mesures. Tel est le cas en particulier lorsqu'au cours du déplacement longitudinal à mesurer il se produit un désaxement des deux organes de mesure respectivement mâle et femelle.
On peut encore a. mléliorer dans une très large mesure la sensibilité du dispositif en plaçant, sur deux ou quatre branches du pont, des selfs 19 (fig. 9) calculées de telle façon que la résistance apparente de chacune des branches du pont croisse ou décroisse plus rapidement que l'inverse de la capacité. Le ré- sultat est obtenu en plaçant chacun des circuits bouchons formant les branches du pont au voisinage, en deçà ou u en delà, du point de résonance où leur résistance apparaît infinie.
On peut également employer, dans le but de rendre les mesures plus précises, des dispositifs d'amplification mécaniques, électrostatiques (emploi de diélectrique à fort coefficient d'induction spécifique) ou électriques (amplification de courant alternatif ou après détection, amplification de courant continu).
Dans ce dernier cas, l'appareil comporterait (fig. 10) un générateur de courant alternatif 14, un amplificateur de courant alternatif 20, un dispositif de redressement 21, un amplificateur de courant continu 22 qui commande le milliampèremètre de lecture 11.
On peut encore augmenter la sensibilité en disposant l'amplificateur à courant continu de telle sorte que l'arrivée d'un courant alternatif redressé fasse tendre le milliampèremètre vers le zéro ou vers un minimum. A ce moment, les lectures sont inversées et la position de lecture correspondra à un maximum alors que dans le pont de Sauty classique, elle correspond au zéro.
Ce dispositif permet d'augmenter considérablement la puissance du générateur, et par conséquent la précision, sans craindre que l'aiguille du milliampèremètre sorte de la graduation.
On a expose au de but comment les eorree- tions d'erreurs db l'appareil, c'est-à-dire l'étalonnage de l'appareil à une valeur précise pour toutes les positions relatives du lecteur et de la barre de mesure, pouvaient être réalisées en introduisant des modifications volontaires dans la capacité relative des deux éléments (lecteur et barre de mesure); on va préciser maintenant comment ces corrections seront fates en fonction de la nature des erreurs et des points où elles se trouvent.
On observera tout d'abord que chacune des dents du lecteur peut être considérée comme effectuant une lecture séparée, de sorte que si ce lecteur comporte n dents, la capacité totale mesurée sera n fois la capacité résultant de la correspondance entre chacune de ces dents et la dent en regard de la barre de mesure. Il en résulte que s'il existe pour une dent soit du lecteur, soit de la barre de mesure, une cause accidentelle d'erreur, celle-ci n'interviendra que pour un nme. De même s'il existe sur chacune des dents une cause d'erreur, l'erreur de lecture sera la moyenne arithmétique des erreurs individuelles. Si ces erreurs sont de signe différent, elles pourront même s'annuler.
S'il n'en est pas ainsi, il sera toujours possible d'annuler l'erreur moyenne par une correction locale d'une seule des dents se trouvant en regard d'une ou plusieurs dents de l'autre électrode. Pratiquement, cette correc- tion sera faite en augmentant l'écartement entre les dents par un méplat ou une e rectifi- cation circulaire que l'on obtient par meulage, limage, etc. Dans la pratique, on choisira le nombre de dents du lecteur assez élevé pour que l'on puisse corriger la plus petite erreur observée, par un méplat suffisamment important pour pouvoir être facilement réalisé mécaniquement.
La a barre de mesure et le lecteur peuvent donc être réalisés économiquement sur des machines d'usinage courant sans exigences particulières en ce qui concerne la précision ou le fini des surfaces.
On observera, de plus, que la barre de mesure seule doit être réalisée avec précision, le lecteur peut être quelconque sans qu'il apparaisse d'erreurs puisque toute erreur résultant d'une inexactitude de fabrication se reproduit identiquement dans tout le cours des déplacements de la barre de mesure.
En dehors des erreurs résultant de la fa brication de la barre de mesure et du lecteur, c'est-à-dire de la dimension et de la position de leurs dents, il peut se produire d'autres erreurs dues au fait que le déplacement de compensation, par exemple la rotation ne correspond pas rigoureusement au déplacement longitudinal que l'on se propose de compenser.
Ceci peut être dû au fait que le filet de la barre de mesure ou du lecteur ne progresse pas de façon rigoureusement continue.
Ces erreurs s'éliminent d'elles-mêmes, comme les erreurs accidentelles de pas, lorsque dans les pas successifs elles ne se retrouvent pas en des points multiples exacts du pas, ce qui est le cas le plus fréquent.
Dans les autres cas, elles peuvent être corrigées par une électrode de forme spéciale solidaire de la partie mobile et se déplaçant devant une électrode fixe de forme correspondante, la capacité variable résultant de ces deux éléments venant s'ajouter à la capacité primitive des deux éléments. Pratiquement, ce résultat pourra être obtenu comme représenté fig. 11, au moyen de deux disques parallèles 23 et 24 solidaires respectivement de l'organe mobile 3 et de l'organe fixe 4, et présentant des bossages venant adjoindre momentanément au cours de chaque rotation, une capacité additionnelle, la forme de ces bossages étant déterminée en fonction des conditions dans lesquelles l'erreur apparaît. Ces deux disques seront, bien entendu, connectés en parallèle sur la capacité de mesure.
S'il existe un faible jeu mécanique, tel que le mouvement de compensation ne corresponde pas rigoureusement aux déplacements de longueur que l'on veut compenser, il sera toujours possible de le rattraper par des flasques jouant le rôle d'électrodes auxiliaires, montées comme les flasques 23 et 24 de la fig. 11, mais circulaires, la variation de capacité due au jeu étant ainsi compensée par la variations de eapaelte résultant de l'lecarbentent variable longitudinalement de ces flasques 23 et 24.
Si l'appareil est muni d'un indicateur de contact, on pourra éliminer les erreurs de lecture de cet indicateur en faisant coopérer l'organe mobile qu'il comporte avec une capacité de correction montée en parallèle avec la ca pacité de mesure.
Bien qu'une mesure effectuée avec l'un quelconque des appareils décrits ci-dessus se ramène finalement à observer la position d'un tambour gradué par rapport à un repère, comme dans un appareil mécanique quelconque, l'appareil qui vient d'être décrit présente eependant de nombreux avantages par rapport aux micromètres classiques.
Tout d'abord, on observera que le lecteur jouant le rôle de l'écrou d'un micromètre et la barre de mesure jouant le rôle de la vis, n'ont aucun contact matériel entre eux, ce qui élimine par conséquent tout risque d'usure de ces deux organes, de sorte que l'étalonnage une fois obtenu de la manière qui a été décrite reste constant. On a vu également que
cet étalonnage, par correction des diverses erreurs mécaniques, est extrêmement simple et n'exige aucun organe frottant.
En outre, dans les dispositifs mécaniques, la position de lecture est déterminée par une butée qui ne se manifeste pas d'une façon toujours franche pour l'opérateur. Dans l'appareil décrit, la position de lecture est repé rée par r la position de l'aiguille du galvano- mètre dont le déplacement est considérablement amplifié par des moyens électriques, c'est-à-dire sans inertie et indépendants de tout frottement. Ceci permet par exemple, en raison de l'absence d'inertie, d'utiliser la forme d'exécution de la fig. 10 pour la lecture de cotes sur les pièces en mouvement, l'amplificateur en courant continu jouant le rôle de filtre et coupant les fréquences élevées résultant de la vibration des pièces en contact.
Enfin, l'appareil suivant l'invention présente, dans certaines de ses formes d'exécution par rapport aux appareils à lecture optique, les avantages suivants:
10 ta lecture d'une même cote s'effet tuant en de multiples points au moyen d'un lecteur à plusieurs filets, l'erreur probable sera toujours beaucoup plus faible que l'erreur résultant de la lecture d'un seul repère comme c'est le cas avec un dispositif optique.
20 Avec un grossissement optique, la précision des mesures est toujours dépendante des qualités visuelles de l'opérateur et du soin apporté à la mise au point des réglages optiques, cet inconvénient disparaît lorsque l'am- plification est électronique.
30 Dans les dispositifs à lecture optique. la précision est limitée par la finesse maximum que l'on peut donner aux traits; en effet, un grossissement exagéré d'un trait manquant de finesse conduit à un grossissement des déformations du trait et ne permet pas, par suite, une amélioration de la précision de lecture. Dans l'appareil suivant l'invention, la précision n'est limitée que par les dimensions matérielles que l'on peut donner à la barre de lecture et au lecteur. En effet, le plus ou moins de fi