FR2548369A1 - Rheometre compense - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN RHEOMETRE ROTATIF 10 QUI COMPORTE UN ROTOR 22 COUPLE A UN ECHANTILLON D'ESSAI 12 ET SUSPENDU DANS UN STATOR 26 PAR UN PALIER A FAIBLE FROTTEMENT TEL QU'UN PALIER 30 A AIR, UN MOTEUR 54 ACCOUPLE A L'ARBRE 52 DU ROTOR ET DES TRANSDUCTEURS DE POSITION ANGULAIRE 70, 72 ET LONGITUDINALE 74. UNE UNITE DE COMMANDE 56 CONNECTEE AUX TRANSDUCTEURS ET AU MOTEUR DETERMINE, POUR UN CERTAIN NOMBRE DE POSITIONS CHOISIES DU ROTOR, LE COUPLE ENGENDRE PAR LE PALIER ET APPLIQUE AU ROTOR ET MET EN MEMOIRE LES VALEURS CALCULEES AFIN DE LES UTILISER, AU COURS DES MESURES EFFECTUEES ENSUITE, POUR COMPENSER LES ERREURS ENGENDREES PAR CE COUPLE.

Description

i La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à

l'évaluation de caractéristiques rhéologiques d'échantillons d'essai et elle a trait, plus particulièrement, à un rhéomètre rotatif dans lequel un couple précis est ap5 pliqué à un rotor couplé à un échantillon d'essai tandis

que la déformation de l'échantillon d'essai est contrôlée.

Les rhéomètres rotatifs sont disponibles depuis de nombreuses années et sont utilisées pour analyser les propriétés rhéologiques d'une grande diversité de matières Lors de 10 l'évaluation de ces propriétés rhéologiques, il est important de maintenir les efforts appliqués aux échantillons d'essai et les déformations de ces échantillonsd'essaià des niveaux relativement bas de façon à rester dans l'intervalle newtonien,ou de taux de cisaillement nul,pour les polymères

fondus ou les solutions de polymères et dans la région viscoélastique linéaire pour les matières structurées, telles que les suspensions colloidales De tels bas niveaux d'effort et de déformation imposent des conditions rigoureuses au rhéomètre pour que l'on puisse obtenir une bonne précision étant 20 donné que les effets du frottement entre les éléments mobiles du rhéomètre sont très importants à ces bas niveaux et peuvent introduire des erreurs importantes dans les mesures.

Etant donné que des forces de frottement sont habituellement associées à l'application d'un effort à un échantillon d'es25 sai, la plupart des rhéomètres ont été utilisés de manière à provoquer une déformation ou un taux de déformation prédéterminé dans un échantillon d'essai puis à mesurer l'effet résultant. Cependant, il s'est avéré avantageux, du point de vue 30 du raccourcissement du temps nécessaire pour effectuer des essais rhéologiques particuliers,d'appliquer un effort précis à un échantillon d'essai puis de mesurer la déformation résultante Il a été démontré que, dans ces circonstances, les diverses forces existant dans l'échantillon d'essai par35 viennentplusrapidement à une condition d'équilibre,fournissant ainsi des résultats d'essai précis d'une manière plus rapide En outre, la précision est accrue grace au fait que la déformation peut être mesurée avec précision plus facilement par rapport au temps que l'effort En outre, lorsqu'on utilise l'appareil dans le mode avec reprise, c'est-à-dire lorsqu'on laisse un échantillon d'essai reprendre sa forme 5 d'origine en l'absence d'effort tandis qu'on mesure la déformation, la capacité de mesurer la déformation en l'absence d'effort permet d'effectuer une évaluation de la composante élastique du module ou souplesse de la matière, indépendamment de la composante visqueuse, étant donné que la déforma10 tion de reprise est purement une fonction de cette composante élastique Ainsi, même les matières qui ont une très faible composante élastique par rapport à la composante visqueuse, peuvent être évaluées avec précision à l'aide d'un

instrument qui permet le contrôle précis de la déformation 15 pendant la reprise alors qu'aucun effort n'est applique.

Par conséquent, il serait avantageux de disposer d'un rhéomètre rotatif qui appliquerait efficacement un effort précis à un échantillon d'essai et permettrait une mesure précise de la déformation résultante sans les effets nui20 sibles des forces de frottement qui existent entre les éléments mobiles de l'instrument Un rhéomètre rotatif présentant de telles capacités nécessiterait l'emploi d'un système essentiellement sans frottement pour suspendre et entrainer le rotor de l'instrument par rapport au stator de l'instru25 ment En outre, l'instrument devrait ôrte capable d'appliquer un effort précis et de contrôler la déformation avec précision sur un plein intervalle de 360 de rotation du rotor, fournissant ainsi une souplesse d'utilisation accrue pour essayer une plus grande diversité de matières En outre, 30 la capacité de contrôler la déformation pendant la reprise

de la matière de l'échantillon d'essai serait une caractéristique avantageuse.

On a suggéré que l'on pourrait réaliser un système de

suspension sans frottement approprié grâce à l'emploi d'un 35 palier à très faible frottement, tel qu'un palier aérostatique ou palier lubrifié par gaz,appelé habituellement palier à air Cependant, l'emploi de tels agencements à faible frot-

tement a tendance à introduire des couples engendrés par le palier, appelés couples de palier,indésirables qui résultent des caractéristiques des agencements de palier proprement dits,couples de palier qui, bien qu'ils soient d'une faible grandeur,deviennent néanmoins un facteur significatif dans l'intervalle de mesures utilisé avec l'instrument de la présente invention Par exemple, dans un palier à air, de l'air sous pression circule dans un petit espace libre formé entre deux surfaces de portée juxtaposées Pour assurer la rigidité 10 élevée du palier requise pour l'essai rhéologique de certaines matières, telles que des matières plastiques fondues, l'espace libre doit être très petit Par conséquent, la vitesse de l'air qui s'écoule dans le petit espace libre est très élevée Tout écart des surfaces de portée par rapport 15 aux contours de surface idéaux peut avoir pour effet que des forces sont engendrées par l'interaction entre le courant d'air à grande vitesse et les écarts de surface Etant donné que les écarts des surfaces de portée sont fonction de facteurs tels que la précision d'usinage, le fini de surface et l'usure, ces écarts ne peuvent pas en pratique être complètement supprimés et les forces résultants ne peuvent pas être complètement éliminées Ces forces créent un couple indésirable appliqué au rotor et la grandeur du couple varie

suivant les différentes orientations du rotor par rapport 25 au stator,ce qui porte atteinte à la précision de l'instrument Dans d'autres agencements de palier à faible frottement, tels que dans un agencement de palier magnétique, un couple de palier indésirable peut être créé par des variations de réluctance à différentes orientations du rotor par 30 rapport au stator,ce qui porte également atteinte à la précision de l'instrument.

Il serait avantageux de disposer d'un rhéomètre rotatif présentant les avantages d'un système de suspension essentiellement sans frottement offerts par un palier à très 35 faible frottement, tel qu'un agencement de palier à air, sans les inconvénients d'un tel agencement,en particulier dans les cas o le rhéomètre doit être utilisé pour appliquer

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un effort précis à un échantillon d'essai tout en mesurant

la déformation sur un plein intervalle de 360 de rotation,.

et pour contrôler la déformation pendant la reprise alors

qu'essentiellement aucun effort n'est appliqué à l'échantil5 lon d'essai.

Par conséquent, la présente invention a notamment pour buts: de réaliser un rhéomètre rotatif dans lequel un effort précis peut être appliqué à un échantillon d'essai pen10 dant que la déformation est mesurée sur une pleine rotation de 360 ; de réaliser un rhéomètre rotatif dans lequel la d 4 formation peut être contrôlée pendant la reprise d'un échantillon d'essai, alors qu'aucun effort n'est appliqué à l'échan15 tillon d'essai, sur un plein intervalle de 360 de rotation; de réaliser un rhéomètre rotatif qui utilise un palier à très faible frottement, tel qu'un palier à air, pour réaliser un système de suspension essentiellement sans frottement pour le rotor de l'instrument, compensé pour tenir compte des déviations qui existent habituellement dans de tels agencement de palier, de réaliser un rhéomètre rotatif du type décrit et dans lequel un agencement particulier de transducteurs de rotation fournit une indication précise compensée de la posi25 tion angulaire du rotor de l'instrument, à une position angulaire particulière quelconque à l'intérieur d'un plein intervalle de 360 ; de réaliser un rhéomètre rotatif du type décrit, et dans lequel un transducteur linéaire fournit une indication précise de la position longitudinale du rotor de l'instrument; de réaliser un rhéomètre rotatif qui soit plus facile à utiliser et qui permette d'obtenir une plus grande précision des résultats avec des modes d'exploitation moins complexes; -de réaliser un rhéomàtre-rotatif qui permette d'obtenir une précision accrue sur un plus grand intervalle de fonctionnement; de réaliser un rhéomètre du type décrit qui soit d'une

construction relativement simple et d'une fabrication relativement bon marché.

Les buts ci-dessus, ainsi que d'autres buts et avantages 5 sont atteints par la présente invention qui peut être décrite sommairement comme étant un perfectionnement apporté à un appareil pour l'évaluation de caractéristiques rhéologiques

d'un échantillon d'essai au moyen de l'analyse de forces de torsion et de positions angulaires d'un rotor couplé à l'é10 chantillon d'essai et suspendu à l'intérieur d'un stator par un palier à faible friction de façon à pouvoir tourner par rapport au stator à l'intérieur d'un intervalle de positions angulaires autour d'un axe de rotation longitudinal et dans une position longitudinale prédéterminée le long de 15 l'axe longitudinal, la nature du palier étant telle qu'un couple engendré par le palier est appliqué au rotor au moins à certaines des positions angulaires, l'appareil comportant des moyens d'application de force pour appliquer un couple choisi au rotor à l'une quelconque des positions angulaires, 20 le perfectionnement comprenant:des moyens de commande pour définir des positions angulaires choisies du rotor à l'intérieur de l'intervalle de positions angulaires de ce dernier; des moyens de détermination de position pour déterminer la position angulaire effective du rotor par rapport au stator 25 sur tout l'intervalle de positions angulaires;des moyens de compensation de palier couplés aux moyens d'application de force, aux moyens de commande et aux moyens de détermination de position pour actionner les moyens d'application de force en réponse à l'information de compensation calculée à partir 30 des écarts entre une quelconque position angulaire choisie du rotor et une position angulaire effective correspondante afin d'équilibrer le rotor à la position angulaire choisie vis à vis du couple engendré par le palier à la position angulaire choisie; et des moyens de mémoire pour mettre en mé35 moire une telle information de compensation pourune série de positions angulaires choisies du rotor, de telle sorte que l'information de compensation est rendue disponible pour

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équilibrer le rotor vis à vis du couple engendré par le palier à une position angulaire choisie quelconque à l'intérieur de l'intervalle de positions angulaires.

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'ins vention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple et à l'examen des dessins annexes

dans lesquels: la Fig 1 est une vue en coupe longitudinale en partie 10 schématique d'un appareil construit conformément à l'invention; la Fig 2 est un schéma-bloc qui représente le système de compensation de l'appareil; la Fig 3 est une représentation schématique de l'agence15 ment de transducteurs de position de l'appareil; et

la Fig 4 est un organigramme qui représente le fonctionnement du système de compensation des transducteurs de position de l'appareil.

On se référera maintenant aux dessins et, en particulier 20 à la Fig 1 sur laquelle on a représenté un appareil construit conformément à l'invention et qui se présente sous la forme d'un rhéomètre rotatif 10, lequel est montré couplé à un échantillon d'essai 12 en vue de l'évaluation des caractéristiques rhéologiques de cet échantillon d'essai 12 Bien que 25 les échantillons d'essai puissent avoir l'une quelconque de plusieurs configurations différentes, on a représenté l'échantillon d'essai 12 sous la forme d'un disque de matière polymère fixée à une table stationnaire 14 et couplé à une platine 16 du rhéomètre 10 portée par un support tubulaire 30 18 qui comporte une bride 20 fixée à un rotor central 22 du

rhéomètre 10 Dans le cas o l'échantillon 12 a une configuration différente, la table 14 et la platine 16 sont adaptées à cette configuration.

Le rotor 22 s'étend longitudinalement dans une direc35 tion verticale suivant un axe longitudinal 24 et il est suspendu de façon à pouvoir tourner autour de l'axe longitudinal 24 à l'intérieur d'un stator 26 au moyen d'un palier à très 2548369 i faible frottement, le palier étant, dans le présent cas, un palier aérostatique ou lubrifié par un gaz représenté sous la forme d'un palier à air linéaire 30 Le palier 30 à air comporte un manchon 32 qui comporte un passage annulaire 5 34 disposé centralement qui communique avec un raccord 36 d'arrivée d'air auquel il est relié par un passage d'alimentation 38 De l'air comprimé, typiquement à une pression d'environ 5,5 bars,est fourni au raccord d'entrée 36 et s'écoule par le passage d'alimentation 38 et par le passage annulaire 34 dans un petit espace annulaire libre 40 s'étendant axialement formé entre le rotor 22 et le manchon 32 de chaque côté du passage annulaire 34 en direction de plaques de butée supérieure et inférieure opposées 42 et, respectivement, 44 o l'air s'écoule radialement vers l'extérieur par des espaces libres supérieur et inférieur correspondants 46 et 48 qui s'étendent radialement,pour s'échapper ensuite à l'atmosphère ambiante Les plaques de butée 42 et 44 sont solidaires du rotor 22 et fournissent des surfaces de portée radiales 49 aux extrémités opposées d'une surface 50 de por20 tée axiale le long du rotor de sorte que l'air qui s'écoule par les espaces libres 40, 46 et 48 forme un mince film qui porte le rotor 22 dans une suspension essentiellement sans

frottement à l'intérieur du stator 26.

Un arbre central 52 est solidaire du rotor 22 et s'étend 25 longitudinalement vers le haut suivant l'axe 24 afin d'assurer la rotation du rotor 22 à l'intérieur du stator 26 Un moteur 54 est commandé par une commande 56 pour appliquer un couple à l'arbre 52 et, par conséquent, aurotor 22 Le moteur 54 est du type cloche de mesure et comporte un rotor 60 30 de cloche de mesure fixé à l'arbre 52 et qui s'étend axialement dans un stator 62 de cloche de mesure fixé à un carter fixe 64 L'arbre central 52 s'étend vers le haut au-delà du moteur 54 formant cloche de mesure jusqu'à une partie 66 de transducteurs dans laquelle sont disposés des transducteurs -35 70, 72 et 74 de position de l'arbre qui servent à fournir des informations en ce qui concerne la position angulaire de l'arbre 52 autour de l'axe 24 et la position longitudinale

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de l'arbre 52 suiyant l'axe 24, comme on l'expliquera en plus

de détail ci-dessous.

Lors de l'emploi du rhéomètre 10, le couple appliqué au

rotor 22 par le moteur 54 formant cloche de mesure à des po5 sitions angulaires spécifiques du rotor 22 par rapport au stator 26 devient la base effective sur laquelle repose l'analyse des caractéristiques rhéologiques de l'échantillon 12.

Ainsi, on peut utiliser un couple précis appliqué à l'arbre 52 par le moteur 54 pour appliquer un effort prédéterminé 10 à l'échantillon d'essai et le déplacement enrotation de l'arbre 52 est mesuré pour déterminer la déformation Dans un autre mode de fonctionnement, on laisse l'échantillon d'essai reprendre sa forme sans qu'aucun effort soit appliqué à l'échantillon d'essai et on contrôle la déformation. 15 Dans les deux modes de fonctionnement, le déplacment du rotor 22 peut s'effectuer sur un plein intervalle de déplacement de 360 Bien que l'emploi d'un palier à faible frottement, tel que le palier 30 à air, réduise les forces de frottement de manière à supprimer les imprécisions dues au couple 20 de palier, il existe certaines caractéristiques de tels paliers à faible frottement, comme indiqué ci-dessus, qui pourraient introduire des erreurs La compensation de ces

erreurs est assurée par le présent agencement.

Par exemple, en ce qui concerne le palier 30 à air, pour assurer la rigidité élevée du palier qui est nécessaire pour essayer des matières plastiques fondues dans le rhéomètre 10, les espaces libres 40, 46 et 48 doivent être limités de telle sorte que l'épaisseur du film d'air soit maintenu à environ 8 à 10 micromètres Il en résulte que, bien que le volume d'air nécessaire soit petit (typiquement moins de 14,16 dm 3/mn d'air standard) la vitesse de l'air lorsqu'il s'écoule dans les espaces libres est très élevée, habituellement supérieure à 160 km/h Un tel écoulement à grande vitesse engendre des forces de traihée ou de frotte35 ment élevées sur les surfaces de portée et en particulier le long des surfaces de portée 49 et 50 Le palier 30 à air est conçu et usiné avec précision dans un effort effectué en vue de limiter l'écoulement d'air à un écoulement axial le long de la surface 50 et à un écoulement radial le long des surfaces 49 sans aucun écoulement dans les directions circonférentielles qui provoquerait l'application d'un 5 couple indésiré au rotor 22 et d'un effort concomitant à l'échantillon d'essai 12 résultant des forces de frottement engendrées par l'écoulement d'air à grande vitesse Cependant, les réalités de la précision d'usinage et du fini de surface sur les surfaces de portée intéressées ainsi que les petites imperfections d'usinage et les marques d'usure peuvent provoquer et provoquent effectivement l'introduction d'un couple de palier qui peut avoir un effet non négligeable sur la précision du rhéomètre Etant donné que l'effet de ces diverses imperfections varie d'une position à une autre au15 tour du plein déplacement de 360 du rotor 22 par rapport au

stator 26, la grandeur du couple de palier indésiré varie.

d'une position à une autre Pour optimiser la précision du rhéomètre 10, des moyens de compensation sont prévus pour compenser les caractéristiques ci-dessus du palier 30 à air. 20 Nous référant maintenant à la Fig 2 ainsi qu'à la Fig. 1, la commande 56 comporte un système de compensation réprésenté schématiquement et désigné par la référence 80 qui est actionné avant qu'un essai quelconque soit effectué sur un échantillon d'essai afin, essentiellement, d'étalonner 25 le palier 30 à air de façon qu'une compensation correcte soit disponible pour pouvoir être utilisée au cours d'un essai Dans le système de compensation 80, le moteur 54 est utilisé dans une boucle de servo- commande pour entraîner le rotor 22 à des positions angulaires choisies A chacune de 30 ces positions, le système de compensation assure que le couple appliqué au rotor 22 par le moteur 54 s'oppose exactement au couple indésiré exercé sur le rotor 22 par les

forces engendrées dans le palier 30 à air à cette position.

Dans le mode d'étalonnage, un ordinateur 82 utilise un élément sélecteur 84 fonctionnant sous la commande d'un programme pour engendrer une commande afin de déplacer le rotor 22 jusqu'à une position angulaire choisie La position angulaire effective du rotor, telle que déterminée par les transducteurs 70 et 72 de position de l'arbre,est comparée à la position commandée par un élément soutracteur 86 fonctionnant sous la commande du programme et toute différence 5 déterminée par l'élément soustracteur 86 produit un signal sur la ligne de sortie 88 qui est utilisé pour engendrer un couple dans le moteur 54 afin de ramener la différence à zéro Le signal de la ligne de sortie 88 est appliqué à un

amplificateur de puissance 92 qui entratne le moteur 54.

Une boucle de servo-commande 94 comporte un élément 100 de compensation de l'avance de phase,fonctionnant sous la commande du programme,prévu pour stabiliser la boucle de servocommande 94 Lorsque le rotor 22 atteint la position commandée choisie, le couple résultant sur le rotor 22 est nul et 15 le couple de sortie TM du moteur s'oppose exactement au couple indésiré TAB du palier à air Ainsi, le signal produit sur la ligne de sortie 88 a pour effet qu'un couple est appliqué au rotor et,pour chaque position choisie du rotor 22,le signal de la ligne 88 produit le couple requis pour 20 s'opposer exactement au couple indésiré du palier à air à cette position Lorsque la position commandée est avancée pas à pas dans la série de positions choisies par l'élément sélecteur 84, les signaux correspondants sont chargés dans

une mémoire 110 pour obtenir un catalogue complet des couples 25 de compensation qui correspondent aux couples indésirés appliqués par le palier 30 à air aux diverses positions du rotor Le catalogue est ensuite utilisé pour corriger ou compenser les mesures de couple effectuées ou le couple appliqué au cours d'un essai effectif de façon à supprimer l'er30 reur qui, sinon, pourrait résulter du couple du palier à air.

Les avantages inhérents au système de compensation 80 comprennent la capacité d'étalonner le rhéomètre 10 avant tout essai sans qu'il soit nécessaire d'utiliser un matériel supplémentaire ou d'autres éléments, avec le temps de montage correspondant En outre, le couple de palier est déterminé par le même élément qui est utilisé pour appliquer

un couple au rotor 22 pendant les modes de fonctionnement ré-

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guliers, à savoir le moteur 54 Ainsi, toutes les erreurs

inhérentes au dispositif proprement dit,telles que les erreurs de linéarité ou de précision absolue sont annulées.

La capacité de faire fonctionner le rhéomètre 10 en excluant toute erreur des éléments est particulièrement avantageuse dans le mode de fonctionnement suivant lequel aucun effort ne doit être appliqué à l'échantillon d'essai,comme décrit ci-dessus Le système de compensation 80 est ainsi disponible pour pouvoir être utilisé pour compenser un couple de 10 palier indésiré lié essentiellement à tous les agencements de palier à faible frottement dans lesquels le couple de

palier varie en fonction de la position du rotor.

La souplesse d'utilisation et la précision du rhéomètre

sont en grande partie dépendantes de la manière suivant la15 quelle la position effective du rotor 22 est déterminée.

Ainsi, les transducteurs 70, 72 et 74 de position du rotor sont choisis sur la base de leur sensibilité, de leur précision et de leur fiabilité, ainsi qu'en fonction de considérations de coût Les transducteurs doivent assurer un degré 20 élevé de résolution et ils ne doivent pas introduire des effets d'inertie tant soi peu significatifs sur l'agencement de rotor 22 et d'arbre 52 Comme indiqué ci-dessus, les transducteurs 70 et 72 sont utilisés pour définir la position angulaire particulière du rotor 22 autour de laxe longitudinal 24 par rapport au stator 26 tandis que le transducteur 74 est utilisé pour déterminer la position longitudinale du rotor 22 suivant cetaxe Si l'on considère tout d'abord le problème de la détermination de la position angulaire du rotor 22, il existe depuis longtemps divers types de synchrotransmetteurs et autres dispositifs de synchronisation qui servent à mesurer continuellement les positions angulaires d'éléments tournants Ces dispositifs sont essentiellement des dispositifs inductifs produisant de multiples signaux de sortie qui représentent les fonctions trigonomé35 triques des positions angulaires, signaux qui peuvent être convertis en unités d'angle directes par le logiciel d'un ordinateur De tels dispositifs utilisent habituellement des

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rotors bobinés qui présentent une forte inertie concomitante et nécessitent l'emploi de bagues collectrices ou autres formes de collecteurs pour obtenir l'information de position nécessaire Les bagues collectrices, collecteurs et autres dispositifs semblables introduisent par inhérence un frottement statique et ne sont pas appropriés dans le présent système Des synchrotransmetteurs sans balai utilisant des rotors à aimants permanents sont disponibles mais de tels dispositifs introduisent des couples de réluctance qui pro10 voquent une orientation préférée du rotor et empêchent l'exécution de mesures exactes. Le transducteur préféré pour être utilisé dans le présent système est un transformateur différentiel variable rotatif (TDVR) Un transformateur TDVR est un dispositif bon marché à très faible inertie qui fournit une information continue avec une résolution infinie et qui ne nécessite pas de contact mécanique-électrique avec l'élément tournant du dispositif Un transformateur TDVR utilise un petit noyau de matière ferromagnétique qui est habituellement monté sur l'élé20 ment dont la rotation doit être mesurée et un transformateur différentiel bobiné qui est stationnaire et disposé adjacent au noyau Le mouvement du noyau à l'intérieur du transformateur stationnaire a pour effet de modifier le coefficient de couplage entre les enroulements primaire et secondaire du 25 transformateur ce qui produit un signal de sortie linéaire proportionnel au déplacement Un signal de sortie linéaire est, cependant, limité à un déplacement de 1200 autour de la position zéro et de 120 autour de la position diamétralement opposée (à 180 ) Ainsi le rhéomètre 10 utilise deux trans30 formateurs différentiels variables rotatifs (TDVR) sous la forme des transducteurs 70 et 72 disposés à 90 l'un de l'autre autour de l'axe 24 et un logiciel d'ordinateur pour combiner les signaux de sortie des deux transducteurs et 72 en un signal de sortie continu sur la pleine rotation de 360 du rotor 22 et de l'arbre 52, sans aucune discontinuité Chaque transducteur 70 et 72 comporte un transformateur fixe 120 fixé au bottier 64 du rhéomètre 10 et un noyau mobile 122 fixé à l'arbre 52 de façon à tourner 2548369 d

à l'intérieur du transformateur 120.

Comme représenté schématiquement sur la Fig 3, le transducteur 70 produit un signal de sortie linéaire A sur des intervalles continus de rotation de l'arbre 52 et du 5 rotor 22 limités à des segments 126 de 120 orientés symétriquement par rapport aux positions à O et à 180 de l'arbre 52 De même, le transducteur 72 produit un signal de sortie B sur des intervalles continus de rotation de l'arbre 52 et du rotor 22, limités à des segments 130 de 120 Cependant, le transducteur 72 est disposé à un angle de 90 par rapport au transducteur 70 de sorte que les segments 130 sont orientés symétriquement par rapport aux positions à 90 et à 270 de l'arbre 52 De cette manière, les signaux de sortie A et B se chevauchent pour produire un 15 signal de sortie linéaire exempt d'erreur sur les 360 de

rotation de l'arbre 52.

Cependant, il se produit un problème lorsqu'il y a une transition d'un signal de sortie A ou B à l'autre signal de sortie Ainsi, pour obtenir un signal de sortie continu sur 20 les 360 de rotation de l'arbre 52 et du rotor 22, le signal de sortie est commuté d'un signal de sortie A ou B à l'autre signal de sortie à l'intérieur des régions 132 dans laquelle les signaux de sortie se chevauchent Chacune des régions 132 devrait se trouver à l'intérieur d'un segmentde 30 dans 25 lequel les segments 126 et 130 devraient être parfaitement alignés l'un avec l'autre; cependant, un alignement parfait n'est pas toujours atteint du fait des tolérances de fabrication Par conséquent, les signaux de sortie A et B à une

unique position angulaire donnée quelconque à l'intérieur 30 de la région 132 n'ont pas nécessairement la même grandeur.

Par conséquent, lors de la commutation d'un signal de sortie à l'autre, ilpeut y avoir une différence immédiatement perceptible dans la grandeur du signal de sortie qui est contrÈlé,ce qui se traduit par une discontinuité indésirable En 35 outre, même si un alignement parfait des segments 126 et 130 pouvait être obtenue, des différences apparaitraient dans les signaux de sortie A et B à une unique position angulaire

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donnée quelconque à l'intérieur des régions 32 par suite

de la dérive thermique, du vieillissement et du bruit électrique et autres distorsions.

Pour résoudre le problème ci-dessus, les signaux de sor5 tie A et B sont commutés en réponse à un programme du logiciel représenté sur la Fig 4 La commutation s'effectue à des positions angulaires désignées positions 136 sur la Fig. 3 Les positions 136 sont situées à 45 de part et d'autre des positions à O et à 180 ce qui place les positions 136 10 bien à l'intérieur des régions 132 Ainsi, comme représenté sur la Fig 3, les positions 136 sont situées respectivement à 45 , à 135 , à 225 et à 3150 Aux positions 136, les grandeurs absolues des signaux de sortie A et B devraient être

égales bien qu'elles puissent être de polarités opposées.

Dans le schéma de la Fig 3, le signal de sortie A à 45 est égal à +V tandis que le signal de sortie B est égal à -V A , 11 es signaux A et B sont tous deux égaux à +V A 225 , le

signal A est égal à -V tandis que le signal B est égal à +V.

A 315 , les deux signaux de sortie A et B sont égaux à -V. 20 Etant donné qu'il est probable qu'il y aura des écarts par rapport à une égalité idéale des grandeurs des signaux de sortie aux positions de commutation 136, pour les raisons indiquées ci-dessus d'une manière générale, le programme 140 du

logiciel représenté sur la Fig 4 compense de tels écarts.

Ainsi, un ordinateur est utilisé pour suivre constamment les signaux A et B et il est utilisé conformément au programme 140 du logiciel pour calculer la différence éventuelle qui existe entre les signaux de sortie A et B à chaque position angulaire 136 immédiatement avant la commutation d'un signal de sortie A ou B à l'autre et pour ajouter cette différence à l'autre signal desortie immédiatement après la commutation de façon à assurer la continuité lors de la transition d'un signal de sortie à l'autre La différence calculée reste ajoutée à l'autre signal de sortie jusqu'à la transi35 tion suivante à la position 136 suivante o une nouvelle différence est calculée pour la commutation suivante L'agencement s'est avéré fonctionner de manière satisfaisante avec 2548369 i des erreurs d'alignement pouvant atteindre jusqu'à trois degrés. Le programme 140 du logiciel illustre la routine de compensation ci- dessus décrite Le programme commence à l'étape 5 142 Un opérateur déclenche sélectivement la routine du programme à l'étape de départ 144 Avant le déclenchement de la routine à l'étape de départ 144, le programme s'est autoinitialisé pour sélectionner les données fournies par le signal A, à l'étape 146, et pour ramener à zéro toute diffé10 rence entre les données fournies par les signaux A et B comme indiqué à l'étape 148 Une fois que la routine est commencée, à l'étape 144, les données fournies par les signaux A et B sont contrôlées à l'étape 150 La détermination,à l'étape 152, que les données du signal A ont été choisies permet au pro15 gramme de contrôler les données du signal A à l'étape 154 jusqu'à ce qu'il soit déterminé qu'une position de commutation 136 a été atteinte Lors de l'atteinte d'une position 136 pour laquelle les polarités des signaux A et B diffèrent, les données fournies par le signal B sont choisies,comme indi20 qué à l'étape 156,et la différence éventuelle qui existe entre les données fournies par les signaux A et B à cette position 136 est déterminée, à l'étape 158,et est ajoutée, à l'étape 160, aux données fournies par le signal B Les données à partir desquelles l'information de position angulaire 25 est obtenue sont alors fournies, à l'étape 162 Pendant que les données du signal A restent à l'intérieur de l'intervalle d'un signal 126 entre des points de commutation 136, l'information de position angulaire fournie à l'étape 162 est déterminée par les données fournies par le signal A De même, 30 lorsqu'il est déterminé, à l'étape 152, que les données du signal A ne sont pas choisies, les données du signal B sont contrôlées, à l'étape 174, jusqu'à ce qu'il soit déterminé qu'une position de commutation 136 a été atteinte Lors de l'atteinte d'une position de commutation 136 dans laquelle 35 les polarités des signaux A et B sont les mêmes, les données fournies par le signal A sont choisies, comme indiqué à l'étape 176, et la différence éventuelle qui existe entre les données fournies par les signaux A et B à cette position 136 est déterminée,à l'étape 178, et ajoutée, à l'étape 180, aux données fournies par le signal A A nouveau, pendant que les données du signal B restent à l'intérieur de l'inter5 valle d'un signal 130 entre des points de commutation 136, l'information de position angulaire fournie à l'étape 162 est déterminée par les données fournies par le signal B En ajoutant la différence chaque fois qu'il se produit une commutation d'un des signaux A et B à l'autre, on assure une transition continue ininterrompue On notera que,dans la routine de commutation décrite ci-dessus, la commutation s'effectue au cours de la rotation de l'arbre 52 dans la direction représentée sur la Fig 3 Dans le cas o les signaux A et B sont suivis au cours de la rotation dans la direction opposée, 15 la commutation du signal A au signal B se produit lorsque les polarités des signaux A et B sont les mêmes tandis que la commutation du signal B au signal A se produit lorsque les polarités sont différentes Par conséquent, la routine 140 tient

compte du sens de rotation de l'arbre 52.

Une condition importante en ce qui concerne le rhéomètre est la détermination précise de la position longitudinale de la platine 16 par rapport à la table 14 La mesure de cette position détermine la géométrie de l'échantillon d'essai 12 pour convertir la position angulaire du rotor 22 et de l'arbre 52 et les mesures de couple en effort et déformation dans l'échantillon d'essai L'intervalle 200 entre la platine 16 et la table 14 est sélectivement modifié par un déplacement longitudinal de la totalité de l'ensemble qui comporte le carter 64, l'arbre 52, le rotor 22 et le support 18 par rap30 port à la table 14 et la position de la platine 16 par rapport à la table 14 est mesurée par un micromètre (non représentée) habituellement monté sur le même ensemble Il est nécessaire, cependant, de mettre à zéro le micromètre lorsque la platine 16 et la table 14 se touchent tout juste La dé35 termination de ce point zéro, le point o la platine 16 et la table 14 se touchent tout juste, doit être effectuée avec

une grande précision.

Il a été suggéré qu'un circuit électrique pourrait être utilisé pour détecter un contact électrique entre la platine et la table Un tel système nécessite l'établissement de connexions électriques avec la platine, connexions qui ne 5 peuvent pas être présentes pendant l'essai et doivent, par conséquent, être retirées avant l'exécution d'un essai effectif quelconque En outre, une information engendrée par un contact électrique indique seulement la présence ou l'absence d'un contact et ne fournit aucune information en ce qui con10 ce ne le déplacement axial de la platine 16 par rapport au carter 64 par suite de la compression du film d'air dans l'espace libre 48 lorsque le carter 64 se déplace vers le

bas au-delà du point zéro de sorte que le point zéro effectif est facilement contourné.

Afin d'obtenir une détermination précise du point zéro, le rhéomètre 10 utilise un transducteur 74 de position de l'arbre afin de fournir une indication du mouvement axial de l'arbre 52 par rapport au carter 64 De préférence, le transducteur 74 est un transformateur différentiel variable 20 linéaire (TDVL) qui utilise un noyau 210 relativement léger

fixé à l'arbre 52 et entouré par un transformateur différentiel variable 212 maintenu stationnaire dans le carter 64.

Le signal de sortie du transducteur 74 commande un indicateur 214 qui est mis à zéro lorsque la platine 16 ne touche 25 rien et que le rotor 22 est dans sa position longitudinale normale dans laquelle il est suspendu dans le stator par le palier 30 à air Une fois que la platine 16 a été mise en contact avec la table 14, le rotor 22 et l'arbre 52 peuvent être déplacés axialement par rapport au stator 26 et au carter 64 30 par suite de la compressibilité du film d'air dans l'espace

libre 48 du palier 30 à air Un tel mouvement axial sera détecté par le transducteur 74 et transmis à l'indicateur 214.

L'indicateur 214 est étalonné directement en distances d'écartement par rapport au point zéro et le point zéro est dé35 terminé avec une grande précision.

Il est bien entendu que la description détaillée effectuée ci-dessus d'un mode de réalisation de l'invention n'a

été donnée qu'àtitre d'exemple On peut modifier divers détails de conception et de construction de ce mode de réalisation sans s'écarter pour cela de l'esprit véritable de l'invention ni sortir de son cadre tel que défini par les reven5 dication annexées.

Claims (17)

REVENDICATIONS I Un appareil pour l'évaluation de caractéristiques rhéologiques d'un échantillon d'essai ( 12) au moyen de l'analyse de forces de torsion et de positions angulaires d'un rotor ( 22) couplé à l'échantillon d'essai et suspendu à l'intérieur d'un stator ( 26) par un palier ( 30) à faible friction de façon à pouvoir tourner par rapport au stator à l'intérieur d'un intervalle de positions angulaires autour d'un axe de rotation lognitudinal( 24) et dans une position 10 longitudinale prédéterminée le long de l'axe longitudinal, la nature du palier étant telle qu'un couple engendré par le palier est appliqué au rotor au moins à certaines des positions angulaires, l'appareil comportant des moyens ( 54) d'application de force pour appliquer un couple choisi au rotor 15 à l'une quelconque des positions angulaires, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande ( 56) pour définir des positions angulaires choisies du rotor ( 22) à l'intérieur de l'intervalle de positions angulaires de ce dernier; des moyens ( 70, 72) de détermination de posi20 tion pour déterminer la position angulaire effective du rotor par rapport au stator sur tout l'intervalle de positions angulaires; des moyens ( 80) de compensation de palier couplés aux moyens ( 54) d'application de force, aux moyens de commande et aux moyens de détermination de position pour action25 ner les moyens d'application de force en réponse à l'information de compensation calculée à partir des écarts entre une quelconque position angulaire choisie du rotor et une position angulaire effective correspondante afin d'équilibrer le rotor à la position angulaire choisie vis à vis du couple 30 engendré par le palier à la position angulaire choisie; et des moyens de mémoire ( 110) pour mettre en mémoire une telle information de compensation pour une série de positions angulaires choisies du rotor, de telle sorte que l'information de compensation est rendue disponible pour équilibrer le ro35 tor vis à vis du couple engendré par le palier à une position angulaire choisie quelconque à l'intérieur de l'intervalle de positions angulaires.
1. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 80) de compensation de palier comprennent une boucle de servo-commande ( 94) pour calculer l'information

   de compensation.
2. 3 Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'intervalle de positions angulaires du rotor

   ( 22) s'étend sur une rotation complète de 360 .
3. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détermination de position comprennent au moins 10 un transformateur différentiel variable rotatif ( 70, 72) placé entre le rotor et le stator.

   Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination de position comprennent au moins un transducteur de position angulaire ( 70, 72) fonctionnant en réponse aux positions relatives du rotor et du stator pour

   fournir des données de position relatives à la position angulaire du rotor ( 22) par rapport au stator ( 26).
4. 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que qu'un transducteur ( 70) de position angulaire fournit des données de position relatives à la position angulaire du rotor ( 22) par rapport au stator ( 26) à l'intérieur d'un premier intervalle de positions angulaires s'étendant sur une distance angulaire inférieure à 3600 de déplacement angulaire du rotor par rapport au stator et en ce qu'il comprend 25 un second transducteur ( 72) de position angulaire pour fournir d'autres données de position relatives à la position angulaire du rotor par rapport au stator à l'intérieur d'un second intervalle de positions angulaires qui complète le premier intervalle de sorte que les premier et second inter30 valles, en combinaison, s'étendent sur 360 de déplacement

   angulaire du rotor par rapport au stator.
5. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'information pour fournir une information de position relative à la position angulaire du rotor, sur la base des données de position reçues de l'un ou l'autre des transducteurs ( 70, 72) de position angulaire; des moyens de contrÈle pour contrôler les données de position fournies par les deux transducteurs de position angulaire à l'intérieur des deux intervalles; des moyens de commutation pour commuter les données de position reçues d'un des transducteurs de position à l'autre en réponse au positionnement du rotor à une position angulaire prédéterminée ( 136); des moyens calculateurs de différence pour déterminer la différence éventuelle qui existe entre les données de position fournies par les deux transducteurs à la position angulaire prédéterminée,et des moyens de compensation des données pour combiner la différence entre les données de position, à la position angulaire prédéterminée, fournies par l'un des transducteurs de position angulaire avec les données de position fournies,à cette position angulaire prédéterminée,par l'autre transducteur de position angulaire afin d'effectuer 15 une transition compensée entre les données de position reçuee par les moyens d'information de l'un puis de l'autre transducteurs de position sur la totalité des premier et

   second intervalles.
6. 8 Appareil selon l'une des revendications 5 à 7, caracté20 risé en ce que chaque transducteur de position est constitué

   par un transformateur différentiel variable rotatif ( 70, 72)

   placé entre le rotor et le stator.
7. 9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premier et second intervalles ( 126, 130) de positions an25 gulaires se chevauchent dans des régions données ( 132) et en ce que chaque position angulaire prédéterminée ( 136) est

   disposée dans l'une de ces régions.

   Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que

   chacun des premier et second intervalles s'étend sur des 30 segments diamétralement opposés.
8. 11 Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que chacun des segments diamétralement opposés s'étend sur environ 120 et en ce que les transformateurs différentiels

   variables rotatifs ( 70, 72) sont espacés l'un de l'autre 35 d'environ 90 autour de l'axe longitudinal ( 24).
9. 12 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur de position linéaire ( 74) fonctionnant en réponse aux positions longitudinales relatives du rotor ( 22) et du stator ( 26) pour fournir des données de position relatives à la position longitudinale du rotor ( 22) par rapport au stator ( 26) et des moyens indicateurs 5 ( 214) reliés au transducteur de position linéaire pour indiquer le positionnement du rotor à la position longitudinale prédéterminée. 13 Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que le palier ( 30) comporte des surfaces de portée latérales 10 ( 49) pour positionner le rotor dans la position longitudinale prédéterminée et en ce que les moyens indicateurs ( 214) indiquent les écarts longitudinaux de la position du rotor par

   rapport à la position longitudinale prédéterminée.
10. 14 Appareil selon l'une des revendications 12 et 13, carac15 térisé en ce que le transducteur de position linéaire est

    constitué par un transformateur différentiel variable linéaire ( 70) placé entre le rotor et le stator.

    Un appareil pour l'évaluation de caractéristiques rhéologiques d'un échantillon d'essai ( 12) au moyen de l'analyse 20 de forces de torsion et de positions angulaires d'un rotor ( 22) couplé à l'échantillon d'essai et suspendu à l'intérieur d'un stator ( 26) par des moyens de suspension ( 30) de façon à pouvoir tourner par rapport au stator à l'intérieur d'un intervalle de positions angulaires autour d'un axe de ro25 tation longitudinal ( 24) et dans une position longitudinale prédéterminée le long de l'axe longitudinal,ledit appareil comportant des moyens ( 54) d'application de force pour appliquer un couple choisi ou rotor à 1 ' une quelconque des positions angulaire,caractérisé en ce qu'il comprend un pre30 mier transducteur de position angulaire ( 70) pour fournir des données de position relatives à la position angulaire du rotor ( 22) par rapport au stator ( 26) à l'intérieur d'un premier intervalle de positions angulaires s'étendant sur une distance angulaire inférieure à 360 de déplacement an35 gulaire du rotor par rapport au stator et un second transducteur ( 72) de position angulaire pour fournir d'autres données de position relatives à la position angulaire du rotor par rapport au stator à l'intérieur d'un second intervalle de positions angulaires qui complète le premier intervalle de sorte que les premier et second intervalles, en combinaison, s'étendent sur 360 de déplacement angulaire du rotor par rapport au stator. 16 Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'information pour fournir une information de position relative à la position angulaire du rotor, sur la base des données de position reçues de l'un ou l'autre des transducteurs ( 70, 72) de position angulaire; des moyens de contrôle pour contrôler les données de position fournies par les deux transducteurs de position angulaire à l'intérieur des deux intervalles; des moyens decommutation pour commuter les données de position reçues d'un 15 des transducteurs de position à l'autre en réponse au positionnement du rotor à une position angulaire prédéterminée ( 136); des moyens calculateurs de différence pour déterminer la différence éventuelle qui existe entre les données de position fournies par les deux transducteurs à la position an20 gulaire prédéterminée;'et des moyens de compensation des données pour combiner la différence entre les données de position, à la position angulaire prédéterminée, fournies par l'un

    des transducteurs de position angulaire avec les données de position fournies,à cette position angulaire prédéterminée, 25 par l'autre transducteur de position angulaire afin d'effectuer une transition compensée entre les données de position reçues par les moyens d'information de l'un puis de l'autre transducteur de position sur la totalité des premier et second intervalles.
11. 17 Appareil selon l'une des revendications 15 et 16, caractérisé en ce que chaque transducteur de position est constitué par un transformateur différentiel variable rotatif

    ( 70, 72) placé entre le rotor et le stator.
12. 18 Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que les premier et second intervalles ( 126, 130) de positions angulaires se chevauchent dans des régions données ( 132) et en ce que chaque position angulaire prédéterminée ( 136) est

    disposée dans l'une de ces régions.
13. 19 Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que chacun des premier et second intervalles s'étend sur des

    segments diamétralement opposes.
14. 20 Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce que chacun des segments diamétralement opposes s'étend sur environ 120 et en ce que les transformateurs différentiels variables rotatifs ( 70, 72) sont espacés l'un de l'autre

    d'environ 90 autour de l'axe longitudinal ( 24).
15. 21 Un appareil pour l'évaluation de caractéristiques rhéologiques d'un échantillon d'essai ( 12) au moyen de l'analyse de forces de torsion et de positons angulaires d'un rotor ( 22) couplé à l'échantillon d'essai et suspendu à l'intérieur d'un stator ( 26) par des moyens de suspension ( 30) de façon à pou15 voir tourner par rapport au stator à l'intérieur d'un intervalle de positions angulaires autour d'un axe de rotation longitudinal ( 24) et dans une position longitudinale prédéterminée le long de l'axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il comporte un transducteur de position linéaire ( 74) fonction20 nant en réponse aux positions longitudinales relatives du rotor ( 22) et du stator ( 26) pour fournir des donnéesde positioné relatives à la position longitudinale du rotor ( 22) par rapport au stator ( 26) et des moyens indicateurs ( 214)

    reliés au transducteur de position linéaire pour indiquer le 25 positionnement du rotor à la position longitudinale prédéterminée.
16. 22 Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens de suspension comprennent un palier ( 30) ayant des surfaces de portée latérales ( 49) pour positionner le ro30 tor dans la position longitudinale prédéterminée et en ce que

    les moyens indicateurs ( 214) indiquent les écarts longitudinaux de la position du rotor par rapport à la position longitudinale prédéterminée.
17. 23 Appareil selon l'une des revendications 21 et 22, carac35 térisé en ce que le transducteur de position linéaire est

    constitué par un transformateur différentiel variable lindaire ( 74) placé entre le rotor et le stator.