EP0293310A1

EP0293310A1 - Procédé d'étallonage pour clé dynamométrique

Info

Publication number: EP0293310A1
Application number: EP88420167A
Authority: EP
Inventors: Georges Heyraud
Original assignee: SAM Outillage SAS
Current assignee: SAM Outillage SAS
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1988-05-26
Publication date: 1988-11-30
Anticipated expiration: 2008-05-26
Also published as: EP0293310B1; US4864841A; ES2022688B3; ATE63251T1; FR2615948B1; FR2615948A1; DE3862682D1

Abstract

Cette clé, qui comporte deux jauges de contrainte de resistances (R5 et R6), est apte à calculer électroniquement le couple exercé, en utilisant la formule : C = Ci + k (Ci - C2). Pour fixer k, on règle un potentiomètre (25) de l'étage d'entrée formant calculateur analogique (à soustracteur 21 puis additionneur 27) pour que le couple affiché par la clé marque 0. On réalise cette opération en rendant le couple réel (C) nul par application d'une force parasite.

Description

La présente invention se rapporte à une clé dynamométrique électronique équipée de jauges de contrainte disposées sur une pièce formant capteur et fournissant une tension électrique de sortie qui, dépendant du couple exercé sur la clé, réagit sur des moyens électroniques indicateurs de ce couple. Sur la figure 1 jointe, qui représente partiellement et très schématiquement une clé dynamométrique électronique de ce type, sont référencés en 1 la pièce formant capteur, en 2 la poignée creuse fermée par un bouchon amovible 3, et en 4 le circuit électronique de mesure et d'affichage qui est associé aux jauges de contrainte 5, 6 placées sur la pièce de captage 1 de part et d'autre du plan transversal 7. Une telle clé est par exemple structurellement telle que décrite dans le document FR-A-2 568 009. Sur le dessin, la tête d'entrainement amovible, qui s'adapte sur la pièce 1 pour exercer le couple de rotation au point A, n'a pas été représentée.
Dans les conditions normales d'utilisation de cette clé, l'opérateur, pour appliquer en A un couple de rotation C, exerce une force F en un point déterminé B de la clé. Le couple effectivement mesuré par les jauges de contrainte 5 et 6 est alors le couple de flexion C' au point D qui est situé à une distance axiale L'du point d'application de la force F. Le couple C se déduit du couple mesuré C' par la relation:
Dans le cas où l'opérateur applique la force F en un point B' de la poignée 2 qui est par exemple plus rapproché du point A d'une distance axiale x, le couple affiché par la clé sera égal au couple mesuré en D, multiplié par le facteur précédent L L puisque les circuits électroniques de mesure et d'affichage contenus dans 4 sont réglés en conséquence. Cette mesure est inexacte puisqu'en réalité, le couple que l'on devrait afficher serait égal au couple effectivement mesuré par les jauges 5 et 6, multiplié par le facteur
et non pas par le facteur
On a représenté, sur la figure 2 jointe, un autre cas de mauvaise utilisation de la clé. Dans ce cas, l'opérateur applique, outre la force F orientée de haut en bas et appliquée au point B avec les quatre doigts de la main sauf le pouce, une force parasite F' égale à F mais orientée de bas en haut et localisée en un point E plus proche de A. Dans ce cas, le couple C appliqué en A est nul et il s'exerce sur ce point une force de déplacement tangentielle f, appliquée de bas en haut. Le point A étant fixe par définition, l'équilibre de la clé se traduit par une force de réaction R en A, cette force étant égale et opposée à la force f.
Au point de mesure D précédemment défini, les jauges de contrainte 5 et 6 mesurent néanmoins une flexion non nulle, de sorte que la valeur du couple affichée par la clé n'est pas nulle, ce qui devrait pourtant être le cas puisque le couple effectif C à mesurer est bien nul.
Dans le cas où F est supérieur à F', il y aura bien apparition d'un couple en A, mais la mesure de ce couple sera entachée d'une erreur systématique due à la flexion parasite engendrée par l'application de la force "parasite" F'.
Comme état de la technique, peuvent être cités les documents DEA 3139374 et U.S. 4006629.
L'invention vise à supprimer ces erreurs de mesure dues à des mauvaises positions de main. Elle s'applique à une clé dynamométrique électronique du type ci-dessus mentionné, cette clé étant équipée de premiers moyens électroniques pour déterminer et mémoriser, au cours d'une mesure d'étalonnage pour laquelle le couple C appliqué au point d'actionnement A est rendu nul par une force parasite F' appliquée en sens inverse et en un autre point de la clé que le point B d'application de la force d'actionnement F, un facteur constant qui est ensuite utilisé à chaque fois par le circuit électronique de la clé, pour déterminer, par application de la formule C = Ci + k (Ci-C2), la valeur du couple C appliqué au point d'actionnement en fonction des couples Ci et C₂ effectivement mesurés respectivement par la ou les jauges qui se trouvent respectivement de part et d'autre du plan où s'effectue réellement la mesure de couple par ces juages. Le circuit électronique de la clé est équipé de seconds moyens électroniques pour calculer ensuite à chaque fois par la formule précédente la valeur du couple C en fonction de ce facteur k et des couples Ci et C₂ mesurés par ces jauges. Dans le cas de moyens de calcul analogique, il s'agit d'un seul et même moyen.
De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, au cours de la description suivante de quelques exemples non limitatifs de réalisation par voie analogique, en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels :

Figure 3 est un graphique explicatif de la mesure du couple exercé par la clé, la force étant appliquée en un premier point puis en un deuxième point de la clé;
Figure 4 est un graphisme similaire au précédent, mais montrant l'opération test de détermination du facteur k ;
Figure est une vue de dessus d'un capteur à deux jauges de contrainte ;
Figure 6 est une vue de dessus d'un capteur à deux couples de jauges de contrainte ;
Figure 7 est un schéma électrique d'un premier exemple de circuit électronique de mesure et de calcul du couple qui forme le circuit d'entrée du circuit électronique de cette clé;
Figure 8 est un schéma d'une portion de circuit qui peut être ajouté au circuit de la figure 7 ;
Figure 9 est une variante du circuit de la figure 7 ;
Figure 10 est un schéma électrique d'un autre exemple de ce circuit d'entrée ;
Figure 11 est une vue latérale du capteur dans une forme particulière de réalisation de celui-ci ;
Figure 12 est une vue de dessus du capteur dans une autre forme particulière de réalisation de celui-ci ;
Figure 13 est une première variante de réalisation du circuit de la figure 10 ;
Figure 14 est une autre variante très simplifiée de réalisation d'un circuit d'entrée réalisant la même fonction que celui de la figure 10.

Sur le graphisme de la figure 3 sont portées, à partir du point A où l'on exerce le couple de rotation, en abscisses les différents points de l'axe longitudinal de la clé dynamométrique, et en ordonnées les différentes valeurs de couples en ces points. La clé est supposée équipée d'un capteur compartant les deux jauges 5 et 6 des figures 1 et 2 précédemment décrites, et le graphique de la figure 3 n'est autre qu'un diagramme des moments fléchissants. Si une force F est exercée de bas en haut au point B situé à l'extrémité de la clé, elle engendre en A un couple de valeur C. Les jauges de contrainte 5 et 6 mesurent quant à elles des couples de flexion Ci et C₂ respectivement.
Si l'on considère, sur la figure 3, les segments : a = C - Ci sur la verticale C et b = Ci - C₂ sur la verticale Ci, l'application du théorème de Thalès donne : a = k.b soit C = Ci + k (CI - C₂), cette relation étant vérifiée pour toujours la même valeur du facteur k, quelle que soit la position de la force F. Par exemple, pour une force F" appliquée en B" en vue de créer en A le même couple C, on aura une relation de la forme : C ₌ C'_i + k (C'i - C'₂).
L' invention est basée sur la constatation que la détermination du facteur k permet finalement de calculer la valeur de C en fonction des valeurs mesurées Ci et C₂, quel que soit le point d'application de la force F.
Le diagramme de la figure 4 a pour objet de faire comprendre le principe de la détermination, une fois pour toutes, pour la clé considérée, de ce facteur k.
Pour effectuer cette opération d'étalonnage, on se place exactement dans les conditions de la figure 2 précédemment décrite : une force active F est appliquée en B, tandis qu'une force parasite F' est appliquée en E de manière à créer en A un couple nul. Les jauges 5 et 6 mesurent néanmoins des couples de flexion C"i et C"₂.
La relation précédente : C = Ci + k (Ci - C₂) donne, dans ce cas de figure où le couple C est nul : O = C"i + k (C"i - C"₂) d'ou
Conformément à l'invention, on calcule et mémorise, par des moyens analogiques et/ou numériques, cette valeur de k à partir de la mesure de C"i et C"₂ lors de cette opération d'étalonnage, ensuite de quoi toutes les mesures qui suivront du couple C appliqué par la clé au point A s'effectueront par un calcul, analogique et/ou numérique, de ce couple par application de la formule : C = Ci + k(Ci - C₂) ou d'une formule dérivée de celle-ci par exemple par une mise en facteur d'un ou plusieurs éléments.
Les figures 5 à 8, auxquelles on se reportera maintenant, donnent un premier exemple pratique de réalisation de cette clé. Les figures 5 et 6 montrent que cette clé peut être par exemple équipée d'un capteur de flexion 1 comportant deux jauges de contrainte 5 et 6 situées de part et d'autre du plan transversal médian 7, ou comportant, pour obtenir une plus grande sensibilité, deux paires, respectivement 5'5" et 6'6", de jauges de contraintes, respectivement en série (5' est en série avec 5", et 6' est en série avec 6").
Le dispositif qui met en oeuvre l'invention est le circuit d'entrée de la carte électronique 4 qui est placée dans le manche de la clé. Ce circuit d'entrée est représenté à la figure 7, et il s'agit là d'une mise en oeuvre analogique de l'invention.
Les jauges de contraintes 5 et 6 sont représentées par leurs résistances ohmiques R₅ et R_s, et sont placées, de manière très classique, dans deux branches adjacentes d'un pont de Wheatstone 8.
Le pont 8 est, de manière en soi connue, alimenté par une tension stabilisée réglable v, qui est telle qu'elle permet de définir, en un point milieu 9, une masse analogique 10 qui est à un potentiel identique à celui de chacun des points 11 et 12 du pont 8 à l'équilibre de celui-ci. Dans cet exemple, l'alimentation est réalisée au moyen de deux diodes Zener réglables 13, 14 qui sont branchées en série entre la borne positive d'alimentation V et la masse, par l'intermédiaire de deux résistances de polarisation 15 et 16.
L'équilibrage du pont 8 est réalisé au moyen des résistances 17 et 18 qui sont égales respectivement à R₅ et R₆ à vide, c'est à dire en l'absence de flexion.
A l'équilibre du pont, en l'absence de toute contrainte de flexion, sur les jauges 5 et 6, les potentiels en 11 et 12 sont égaux, et les diodes Zener 13 et 14 sont réglées pour que ces potentiels soient tous deux égaux au potentiel au point 9 qui définit la masse analogique 10 du circuit.
Lorsque les jauges 5 et 6 sont soumises à une contrainte de flexion, leurs résistances R₅ et R₆ varient, de sorte que le pont 8 est déséquilibré et qu'il apparait en 11 et 12 des tensions respectivement représentatives des couples C₂ et Ci précédemment définis. Ces deux tensions sont respectivement appliquées, au travers des résistances 19 et 20, aux bornes d'entrée (-) et (+) d'un amplificateur différentiel analogique 21 agencé pour fonctionner en soustracteur analogigue. Le gain de l'amplificateur 21 est égal à 1 et est réglé par la résistance de contre-réaction 22, branchée entre sa borne de sortie 23 et sa borne d'entrée (-), tandis que sa borne d'entrée (+) est reliée à la masse analogique par une résistance d'équilibrage 24.
Sur la sortie 23 de ce soustracteur analogique apparait donc une tension représentative de Ci - C₂. Cette tension est appliquée, à travers un résistance d'entrée manuellement réglable 25 (constituée par un potentiomètre), à la borne d'entrée (-) d'un autre amplificateur différentiel 26. Cet amplificateur différentiel 26, qui est monté en additionneur, est lui aussi équipé d'une résistance de contre-réaction 27, branchée entre sa sortie 28 et sa borne d'entrée (-). La résistance 27 est dans cet exemple réglée pour donner à cet étage un gain égal à 1. Bien évidemment, elle pourrait être réglée pour lui conférer un gain supérieur à 1 dans un but annexe d'amplification du signal.
La borne d'entrée (-) de l'amplificateur différentiel 26 reçoit en outre, à travers une résistance d'entrée 29 de valeur fixe, la tension représentative de Ci qui apparait en 11.
La borne (+) de l'amplificateur différentiel 26 étant reliée directement à la masse analogique, la tension analogique qui apparait en 28 est égale à : [- Ci + k (Ci - C₂)], soit l'inverse de C, où k est égal au rapport des valeurs des résistances 25 et 29 (la résistance de 25 est égale à k fois la résistance de 29). On obtient donc en 28 une tension représentative, au signe près, du couple C. Le facteur constant k est déterminé par réglage du potentiomètre 25 au cours de l'opération d'étalonnage qui a été définie précédemment en référence à la figure 4. Dans le but de pouvoir procéder à ce réglage, ce potentiomètre 25 est monté sur la carte électronique 4 de façon à être accessible par un tournevis de réglage, par exemple après avoir retiré le bouchon d'extrémité 3 de la clé. Bien entendu, le circuit de la figure 7 ne constitue qu'un circuit d'entrée, et il est suivi des circuits d'amplification et d'adaptation nécessaires à permettre l'affichage du couple C sur l'écran de l'afficheur numérique de la clé.
Les signaux en sortie du pont de Weatstone 8 sont très faibles, de sorte qu'outre le fait précédemment mentionné, que le dernier étage 26 puisse aussi fonctionner en amplificateur, il est possible d'introduire, entre les sorties 11, 12 du pont 8 et les résistances d'entrée 19, 20 de l'étage 21, un étage d'amplification 30, représenté en détails sur. la figure 8 et connu en soi dans le domaine de l'instrumentation.
Cet étage 30 comporte classiquement deux amplificateurs différentiels 31 et 32, un par voie, avec résistances de contre-réaction 33 et 34 respectivement, et un potentiomètre de réglage de gain 35.
Dans le montage selon la figure 9, les jauges de résistances R₅ et R₆ sont placées respectivement dans deux branches opposées du pont 8. Aux bornes de sorties 11 et 12 du pont 8 apparaissent alors des tensions respectivement représentatives de Ci et de - C₂. L'étage additionneur 26 est placé dans ce cas avant l'étage soustracteur 21 mais, en ce qui concerne l'étage 26, le potentiomètre 25 est remplacé par une résistance fixe 36 égale à la résistance 29 et la résistance fixe de contre-réaction 27 est remplacée par un potentiomètre 37 dont la valeur définit pour cet étage un gain égal à k.
Dans ces conditions, la tension analogique en sortie de l'étage 26 est égale à :
et la tension sur la sortie 28 est égale à :
Là encore, conformément à l'invention, l'étalonnage se fera en réglant, dans les conditions de la figure 4, la valeur du potentiomètre 37 pour que le couple C affiché soit égal à 0.
Dans ce qui précède, on a décrit plusieurs circuits d'entrée qui calculent, de manière analogique, le couple C directement par la formule :
Il est possible, conformément à un autre aspect de l'invention, de calculer ce couple C par la formule
qui est une autre manière d'écrire la formule précédente. Cette dernière formule peut aussi s'écrire :
de sorte que, en réalisant, selon l'invention, l'opera- tion d'étalonnage de la figure 4 pour laquelle le couple C est nul, c'est à dire que :
il est possible de ne régler ou déterminer qu'une seule constante éqale à :
Cette dernière constante étant définie par l'opération d'étalonnage de la figure 4, la valeur effectivement calculée par la suite sera à chaque fois égale à
c'est à dire que la valeur calculée sera égale à C à une autre constante près, égale à : i 1+k ce qui en fait ne présente pas d'inconvénient en ce qui concerne l'affichage par la clé du couple appliqué C.
La figure 10 montre un premier exemple de réalisation de cette variante de l'invention. Le pont 8 de ce circuit d'entree est identique, électriquement parlant à celui de la figure 7, de sorte qu'il porte les mêmes références.
Aux bornes de sorties 12 et 11 du pont 8 est connecté un amplificateur 38 qui est pratiquement identique à celui de la figure 8, la résistance 33 de ce dernier étant toutefois remplacée par une résistance manuellement variable 39, constituée par un potentiomètre, et de valeur que l'on règlera, par l'étalonnage selon la figure 4, à : _k 1+k Sur les deux bornes de sorties 40 et 41 de cet étage 38 apparaissent, au gain près de l'étage que l'on supposera pour simplifier égal à 1, les tensions respectives suivantes : en 40 :
en 41 :
Ces deux tensions sont appliquées aux deux entrées d'un étage soustracteur 42, par exemple identique à celui de la figure 7 (comportant l'amplificateur différentiel 21).
Sur la sortie 43 de ce soustracteur apparait donc une tension égale à :
c'est à dire à : ₁+_k Bien évidemment, cette solution nécessite une amplification du signal pour aboutir à C.
Dans toutes ces solutions, et surtout dans la dernière, on aura avantage à avoir pour C1 une mesure sensiblement plus élevée que celle obtenue pour C₂. Ceci peut être obtenu soit en écartant suffisamment les jauges 5 et 6, soit en réalisant le capteur 1 avec un moment d'inertie inférieur au niveau de la jauge 5 (mesure Ci) à celui au niveau de la jauge 6 (mesure C₂) : par exemple sur la figure 11, ceci est réalisé par une dissymétrie longitudinale du capteur 1 dans le plan de section longitudinale vertical, et sur la figure 12, ceci est réalisé par une dissymétrie longitudinale de ce capteur dans le plan de section longitudinale horizontal.
La figure 13 montre une forme de réalisation qui donne le même résultat analogique que le circuit de la figure 10, mais avec les résistances R₅ et R₆ dans des branches opposées du pont 8 : la réalisation de cette figure est, par rapport à celle de la figure 10, ce qu'est la réalisation de la figure 9 par rapport à celle de la figure 7.
Ce circuit utilise un additionneur à amplificateur différentiel 26 identique à celui de la figure 1, mais son potentiomètre 25 est ici réglé, par l'étalonnage selon la figure 4, à la valeur : _k k+1 de sorte que sur la sortie 43 apaprait au signe près la
comme c'est le cas pour le circuit de la figure 10.
La figure 14 montre un dispositif simplifié qui réalise directement dans le pont 8 l'équation précédente.
Dans ce pont, deux branches adjacentes comportent les diodes Zener 13 et 14, une troisième branche comporte la résistance Rs, tandis que la quatrième branche comporte la résistance Rln série avec une résistance potentiomètre 44 dont la valeur doit correspondre, après étalonnage selon la figure 4, à la valeur : 1+k' Le point 12 du pont est relié à la masse analogique 10, tandis que le point 11 est la borne de sortie du circuit, où apparait bien un signal égal à :
L'invention n'est bien entendu pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Rien n'oblige à procéder de manière analogique, comme c'est le cas dans tous les exemples qui précèdent, et l'on peut très bien réaliser l'invention avec des moyens numériques. Dans ce cas, la carte électronique 4 comporte au moins un microprocesseur et une mémoire, et la clé est équipée d'une prise d'entrée d'ordre. L'étalonnage s'effectue, dans les conditions de la figure 4, en entrant au cours de cette opération d'étalonnage où le couple C est nul, un ordre de calcul et mémorisation du facteur constant k ou
Par la suite, le microprocesseur calcule à chaque mesure la valeur du couple C en utilisant cette valeur de k, mémorisée pour cette clé une fois pour toutes.
Dans tous les exemples qui précèdent, l'étalonnage tient compte également des caractéristiques constructives de la clé, tels que dimensions réelles des éléments dans les plages de tolérance de fabrication, jeux fonctionnels divers, moment d'inertie réel de la section portant les jauges de contrainte, sensibilité et caractéristiques de ces jauges, positions réelles de ces jauges dépendant des conditions de leur collage sur le capteur.
En d'autres termes, les moyens électroniques, selon l'invention, permettent de réaliser la clé avec des méthodes de fabrication ne requérant pas des tolérances serrées pour les caractéristiques métallurgiques, mécaniques et électriques de ses différents éléments constitutifs, sans que cela influence la précision finale de mesure, puisque celle-ci dépend uniquement de l'étalonnage du facteur k prenant en compte ces données. La solution électronique retenue, simple, peu encombrante et pouvant utiliser des capteurs courants, conduit donc également à une simplification de la fabrication et à une réduction de son coût et du coût final de la clé.

Claims

1. Clé dynamométrique électronique équipée d'au moins deux jauges de contrainte 5,6 disposées, de part et d'autre d'un plan transversal 7, sur une pièce 1 formant capteur et fournissant chacune une tension électrique de sortie (respectivement Ci et C₂) qui, dépendant du couple C appliqué par l'intermédiaire de la clé au point d'actionnement A, réagit sur des moyens électroniques 4 indicateurs de ce couple, caractérisée en ce qu'elle est équipée de premiers moyens électroniques 10 à 28 pour déterminer et mémoriser, au cours d'une mesure d'étalonnage pour laquelle le couple C appliqué au point d'actionnement A est rendu nul par une force parasite F' appliquée en sens inverse de la force d'actionnement F et en un autre point E de la clé que le point B d'application de cette _Kdernière force E, un facteur constant (k, k+1 ,...) qui est ensuite utilisé à chaque fois par le circuit électronique de la clé pour déterminer, à l'aide de seconds moyens 10 à 28 et par application de la formule : _{C =} Ci _{+ k}(_Ci- C₂), la valeur du couple C appliqué au point d'actionnement A en fonction des couples Ci et C₂ effectivement mesurés respectivement par ces jauges 5 et 6.

2. Clé dynamométrique électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les premiers et seconds moyens électroniques sont constitués par un seul et même moyen 10 à 28 de calcul analogique du couple C par application de la formule _{C =} Ci _{+ k}(_Ci- C₂).

3. Clé dynamométrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de calcul analogique est un circuit équipé d'une résistance potentiométrique 25 de réglage à 0 de l'indication fournie par la clé lorsque son couple C est rendu nul par l'application de la force parasite F'.

4. Clé dynamométrique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le circuit d'entrée du moyen de calcul analogique est constitué par un pont de Wheaststone 8 dont deux branches comportent respectivement les jauges de contrainte précitées 5, 6, et dont les deux autres branches comportent des résistances 17,18 de valeurs ohmiques respectivement égales à celles des résistances R₅, R₆ à vide, de façon que le pont 8 soit à l'équilibre en l'absence du couple C.

5. Clé dynamométrique selon la revendications 1, caractérisée en ce que les premiers et seconds moyens sont des moyens de calcul et d'emmagasinage numériques, et en ce que cette clé est équipée d'une prise d'entrée d'ordre, de calcul et de mémorisation du facteur constant

cet ordre étant appliqué lors de l'opération d'étalonnage.

6. Clé dynamométrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le capteur 1 et/ou les jauges 5,6 sont agencés pour fournir des tensions qui sont sensiblement plus élevées pour celle représentative du couple Ci que pour celle représentative du couple C₂).