FR2602589A1

FR2602589A1 - Method and device for measuring mass in zero-gravity

Info

Publication number: FR2602589A1
Application number: FR8611387A
Authority: FR
Inventors: Claude Chipaux
Original assignee: Societe des Telephones Ericsson SA
Current assignee: Societe des Telephones Ericsson SA
Priority date: 1986-08-06
Filing date: 1986-08-06
Publication date: 1988-02-12
Also published as: FR2602589B1

Abstract

In order to measure a mass in zero-gravity, the variation law of the resonant frequency in bending mode of a fixed blade 12 is determined, which blade has mechanical characteristics chosen so that the frequency is in the audible range, as a function of the mass of localised load 14 applied at a given point of the blade, distant from where it is fixed; the variation in resonant frequency of the blade caused by the fitting of the unknown mass at the said given point is then determined; the blade 12 being chosen such that fitting of the load causes a variation in resonant frequency of at least 20% with respect to the blade when free of load.

Description

Procédé et dlsPosltlf de mesure de masse en aPesanteur
L'invention concerne la mesure de masse en apesantèur, ce dernier terme étant utilisé pour désigner des conditions de gravité nulle ou très réduite, telles qu'on les rencontre notamment sur les véhicules spatiaux.Method and dlsPosltlf of mass measurement in weightlessness
The invention relates to weightlessness measurement, the latter term being used to designate conditions of zero or very reduced gravity, such as are encountered in particular on space vehicles.

Il n'est pas possible d'utiliser les méthodes classiques de mesure de masse en l'absence de pesanteur, ou même lorsque la gravité est très faible et présente une orientation qui n'est pas exactement connue. It is not possible to use conventional methods of mass measurement in the absence of gravity, or even when the gravity is very low and has an orientation which is not exactly known.

L'invention vise à permettre cette mesure, en utilisant le phénomène de modification de la fréquence de résonance d'une lame vibrante en fonction de la masse d'une charge concentrée que l'on place en un point déterminé de cette lame. L'invention propose en conséquence un procédé de mesure de masse en apesanteur, caractérisé en ce qu'on détermine la loi de variation de la fréquence de résonance en flexion d'une lame encastrée, ayant des caractéristiques mécaniques choisies pour que la fréquence soit dans la plage audible, en fonction de la masse d'une charge localisée appliquée en un point déterminé de la lame à distance de l'encastrement ; et on détermine la variation de fréquence de résonance de la lame provoquée par la mise en place de la masse inconnue audit point déterminé, la lame étant choisie de façon que la mise en place de la charge provoque une variation de fréquence de résonance d'au moins 208 par rapport à la lame démunie de charge. The invention aims to allow this measurement, by using the phenomenon of modification of the resonance frequency of a vibrating plate as a function of the mass of a concentrated load which is placed at a determined point on this plate. The invention therefore proposes a method for measuring mass in weightlessness, characterized in that the law of variation of the resonance frequency in bending of an embedded blade is determined, having mechanical characteristics chosen so that the frequency is within the audible range, as a function of the mass of a localized load applied at a determined point on the blade at a distance from the embedding; and determining the variation in resonant frequency of the blade caused by the placement of the unknown mass at said determined point, the blade being chosen so that the placement of the load causes a variation in resonant frequency of at least minus 208 compared to the load-free blade.

La précision de la mesure est d'autant plus élevée que la variation de fréquence de la lame, pour une charge de masse donnée, est plus importante. Mais, dans les conditions de pesanteur normales, il n'est pas possible d'utiliser pleinement cette propriété sans se heurter a un problème : si on affaiblit la lame pour augmenter le coefficient de proportionnalité entre fréquence et masse, on est limité par le risque de dépassement de la limite élastique du matériau constituant la lame, à cause du poids de la charge. Pour apprecier l'intérêt du procédé pour la mesure en apesanteur, il a fallu constater que le problème qui s'oppose normalement à l'obtention d'une précision élevée disparait en apesanteur, du fait de l'absence de charge statique provoquée par le poids de la charge.On peut en conséquence utiliser une lame de caractéristiques mécaniques telles que le poids de ladite charge, lors d'une mesure en gravité normale, provoquerait la déformation de la lame hors du domaine élastique, au moins lors de l'oscillation à la résonance. The accuracy of the measurement is higher the greater the frequency variation of the blade, for a given mass load. But, under normal gravity conditions, it is not possible to fully use this property without encountering a problem: if we weaken the blade to increase the proportionality coefficient between frequency and mass, we are limited by the risk exceeding the elastic limit of the material constituting the blade, because of the weight of the load. To appreciate the interest of the method for the measurement in weightlessness, it was necessary to note that the problem which normally opposes the obtaining of a high precision disappears in weightlessness, because of the absence of static charge caused by the weight of the load. One can consequently use a blade of mechanical characteristics such that the weight of said load, during a measurement in normal gravity, would cause the deformation of the blade out of the elastic range, at least during the oscillation to resonance.

Dans la pratique, la fréquence de la lame est avantageusement mesurée par comptage du nombre d'oscillations pendant une durée déterminée (ou de la durée pour un nombre donné d'oscillations), la lame étant mise en oscillation par percussion. Pratiquement, on sera en général amené à compter un nombre d'oscillations compris entre 100 et 10 000 et à adopter une lame dont la fréquence d'oscillation est dans la plage de fréquences audibles, généralement entre 102 et 104 Hz. In practice, the frequency of the blade is advantageously measured by counting the number of oscillations during a determined duration (or of the duration for a given number of oscillations), the blade being put into oscillation by percussion. In practice, we will generally have to count a number of oscillations between 100 and 10,000 and to adopt a blade whose oscillation frequency is in the audible frequency range, generally between 102 and 104 Hz.

L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant un bâti, un jeu de lames ayant des caractéristiques mécaniques différentes et ayant chacune une longueur comprise entre 10 et 50 cm, encastrables de façon rigide dans le bâti, des moyens de fixation de la masse à mesurer sur la lame à distance maximale du ou des encastrements de la lame, et des moyens de comptage du nombre d'oscillations de la lame en une durée déterminée ou de la durée nécessaire à un nombre d'oscillations détermine. The invention also provides a device for implementing the above-defined method, comprising a frame, a set of blades having different mechanical characteristics and each having a length of between 10 and 50 cm, which can be rigidly embedded in the frame, means for fixing the mass to be measured on the blade at a maximum distance from the blade embedding (s), and means for counting the number of oscillations of the blade in a fixed duration or the duration necessary for a number of oscillations determines.

En cas de mise en oeuvre de l'invention dans l'espace, le bati pourra souvent être constitué par un élément de la structure du véhicule spatial, ce qui conduit à un dispositif très comptact et de faible encombrement. If the invention is implemented in space, the frame can often be formed by an element of the structure of the spacecraft, which leads to a very compact and compact device.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la Figure 1 est un schéma de principe d'un dispositif
- la Figure 2 est un schéma correspondant à la
Figure 1 et faisant apparaître les paramètres qui interviennent pour fixer la fréquence de résonance de la lame
- la Figure 3, similaire à la Figure 2, montre une variante
- la Figure 4 est une vue en coupe de la lame de la Figure 3
- la Figure 5 montre une constitution possible du dispositif avec une lame encastrée aux deux bouts.The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a block diagram of a device
- Figure 2 is a diagram corresponding to the
Figure 1 and showing the parameters involved in setting the resonant frequency of the blade
- Figure 3, similar to Figure 2, shows a variant
- Figure 4 is a sectional view of the blade of Figure 3
- Figure 5 shows a possible constitution of the device with a blade embedded at both ends.

Le dispositif montré schématiquement sur la
Figure 1 comprend un bâti 10, dans lequel peuvent être placés les composants électroniques du dispositif, et une lame vibrante 12. Dans le mode de réalisation illustré en Figures 1 et 2, cette lame est encastrée à une extrémité et libre à l'autre extrémité, est prévue pour recevoir la charge concentrée 14, de dimension très faible par rapport à la longueur i de la lame 12 et dont le poids est à mesurer. L'encastrement de la lame 12 peut être réalisé de façon simple, par exemple par engagement de la partie terminale de la lame dans une fente de dimension appropriée d'une partie massive du bâti 10.The device shown schematically on the
Figure 1 comprises a frame 10, in which the electronic components of the device can be placed, and a vibrating blade 12. In the embodiment illustrated in Figures 1 and 2, this blade is embedded at one end and free at the other end , is designed to receive the concentrated load 14, of very small dimension compared to the length i of the blade 12 and whose weight is to be measured. The embedding of the blade 12 can be carried out in a simple manner, for example by engagement of the terminal part of the blade in a slot of appropriate size of a massive part of the frame 10.

Ce dernier peut être fixé sur un socle 16 qui, dans un véhicule spatial, pourrait être un élément de la structure de ce dernier.The latter can be fixed on a base 16 which, in a spacecraft, could be an element of the structure of the latter.

L'extrémité libre de la lame est prévue pour recevoir la charge 14 à un emplacement bien déterminée et la retenir. Dans le mode de réalisation illustré, la partie terminale de la lame est recourbée en U et munie d'une vis 18 de serrage. D'autres solutions sont évidemment possibles. The free end of the blade is designed to receive the load 14 at a well-defined location and to retain it. In the illustrated embodiment, the terminal part of the blade is curved in a U shape and provided with a tightening screw 18. Other solutions are obviously possible.

La pulsation d'une lame encastrée de longueur libre l. à une extrémité et portant une charge 14 de masse ffi à l'autre extrémité est donnée par la formule
w = [3 EI/13 (m + 0,23m,)1/2
Dans cette formule mb est la masse de la lame
I est le moment d'inertie de la section droite de la
lame,
E est le module de Young du matériau constituant la
lame.The pulsation of a recessed blade of free length l. at one end and carrying a charge 14 of mass ffi at the other end is given by the formula
w = [3 EI / 13 (m + 0.23m,) 1/2
In this formula mb is the mass of the blade
I is the moment of inertia of the cross section of the
blade,
E is the Young's modulus of the material constituting the
blade.

Dans la pratique, plutôt que d'utiliser cette formule, on effectuera un étalonnage préalable, permettant de déterminer exactement la loi de variation de la fréquence ou de la pulsation w de résonance en fonction de la masse m
Cette formule fait toutefois apparaître que l'on obtient une loi de variation optimale de la fréquence en fonction de la masse de la charge i si cette dernière a une valeur du même ordre de grandeur que la masse de la lame. Cette condition peut être remplie sans difficulté en apesanteur. Lorsque l'on recherche une grande dynamique de fonctionnement, on peut prévoir un jeu de plusieurs lames adaptées chacune à une plage de mesures déterminée. Dans ce cas, il est avantageux de prévoir des moyens de fixation amovible des lames 12 sur le bâti 10. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, le bâti est destiné à recevoir des lames ayant toutes la même épaisseur et les moyens de fixation amovible sont constitués par une ou des vis de pression 20. Souvent, il est avantageux de prévoir un jeu de lames qui ont toutes la même longueur, de façon que leur partie terminale libre soit au même emplacement et puisse coopérer avec les mêmes organes d'excitation des oscillations et de mesure de la fréquence.In practice, rather than using this formula, a preliminary calibration will be carried out, making it possible to determine exactly the law of variation of the frequency or of the pulsation w of resonance as a function of the mass m
This formula shows however that one obtains a law of optimal variation of the frequency according to the mass of the load i if the latter has a value of the same order of magnitude as the mass of the blade. This condition can be fulfilled without difficulty in weightlessness. When looking for a large operating dynamic, it is possible to provide a set of several blades each adapted to a determined measurement range. In this case, it is advantageous to provide means for removable fixing of the blades 12 on the frame 10. In the embodiment shown in Figure 1, the frame is intended to receive blades all having the same thickness and the fixing means removable are constituted by one or more pressure screws 20. Often, it is advantageous to provide a set of blades which all have the same length, so that their free end portion is in the same location and can cooperate with the same organs of excitation of oscillations and frequency measurement.

Cela conduira en général à utiliser un jeu de lames en des matériaux différents, par exemple en bronze ou en aluminium pour les faibles masses, en acier dur pour les masses importantes. On peut ainsi sans difficultés obtenir une dynamique de mesure de 103 ou davantage. This will generally lead to the use of a set of blades made of different materials, for example bronze or aluminum for low masses, hard steel for large masses. It is thus without difficulty to obtain a measurement dynamic of 103 or more.

La mise en vibration de la lame 12 est avantageusement effectuée par percussion, bien que l'on puisse également utiliser un régime d'oscillations entretenu. Dans le cas où la lame 12 est en matériau ferromagnétique, la percussion de mise en oscillation peut être exercée à l'aide d'un électroaimant 22 auquel un circuit 24 applique une impulsion de courant lors de la fermeture d'un interrupteur 25. The vibration of the blade 12 is advantageously effected by percussion, although it is also possible to use a maintained oscillation regime. In the case where the blade 12 is made of ferromagnetic material, the oscillation percussion can be exerted using an electromagnet 22 to which a circuit 24 applies a current pulse when closing a switch 25.

Divers modes de mesure de la fréquence sont également utilisables. Une solution simple consiste à mesurer soit la durée d'un nombre déterminé de passages de la lame par sa position d'équilibre, soit le temps nécessaire à un nombre de passages déterminé. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, un capteur 27, sensible à la position de la lame, est associé à un circuit 26 de détection de passage à zéro. Le capteur peut être l'un quelconque de nombreux types : sonde de
Hall, bobine détectant le passage d'un aimant fixé à la lame, capteur à variation de capacité, ou même capteur optique. A chaque passage de la lame par sa position d'équilibre, le circuit 26 fournit une impulsion à un compteur 30 programmable.Lorsque ce compteur a reçu un nombre d'impulsions prédéterminé (100 par exemple), il fournit un signal de blocage à un second compteur 32 qui accumule, jusqu'à réception de ce signal, les coups d'une horloge 34 à fréquence fixe. Les éléments 30 et 32 sont munis d'entrées de remise à zéro (non représentées) excitées lors de l'émission d'une impulsion par le circuit 24. A la fin de la mesure, le contenu du compteur 32 est proportionnel à la fréquence de résonance. Le circuit peut comporter encore un afficheur 35 visualisant cette fréquence et/ou une matrice de transcodage 36 mémorisant une courbe d'étalonnage donnant la masse en fonction du contenu du compteur 32.Various modes of frequency measurement can also be used. A simple solution consists in measuring either the duration of a determined number of passages of the blade by its equilibrium position, or the time necessary for a determined number of passages. In the embodiment shown in FIG. 1, a sensor 27, sensitive to the position of the blade, is associated with a circuit 26 for detecting zero crossing. The sensor can be any of many types:
Hall, coil detecting the passage of a magnet fixed to the blade, capacity variation sensor, or even optical sensor. Each time the blade passes through its equilibrium position, the circuit 26 supplies a pulse to a programmable counter 30. When this counter has received a predetermined number of pulses (100 for example), it supplies a blocking signal to a second counter 32 which accumulates, until reception of this signal, the strokes of a clock 34 at fixed frequency. The elements 30 and 32 are provided with reset inputs (not shown) excited during the emission of a pulse by the circuit 24. At the end of the measurement, the content of the counter 32 is proportional to the frequency of resonance. The circuit may also include a display 35 displaying this frequency and / or a transcoding matrix 36 memorizing a calibration curve giving the mass as a function of the content of the counter 32.

Au lieu d'être encastrée à une seule extrémité, la lame 12 peut être encastrée à ses deux extémités et porter a masse 14 en son milieu, comme indiqué sur la
Figure 3. Dans ce cas, la pulsation de résonance w est donnée par la formule
w = 14[EI/13 (m + O,375mb))1/2
Le moment d'inertie I de la section droite est, dans le cas d'une lame rectangulaire telle que celle montrée en Figure 4,
I = bh3/12
Dans le cas où on utilise une telle lame, le dispositif dans son ensemble peut avoir la constitution montrée en Figure 5 où les organes correspondant à ceux déjà montrés en Figure 1 sont désignés par le même numéro de référence.Le capteur d'oscillations et l'élément destiné à exciter les oscillations peuvent être regroupés sur un même support en porte à faux 38 fixé au socle 16 qui contient également le bloc électronique.Instead of being embedded at one end, the blade 12 can be embedded at its two ends and bear a mass 14 in the middle, as indicated on the
Figure 3. In this case, the resonance pulse w is given by the formula
w = 14 [EI / 13 (m + O, 375mb)) 1/2
The moment of inertia I of the cross section is, in the case of a rectangular blade such as that shown in Figure 4,
I = bh3 / 12
In the case where such a blade is used, the device as a whole may have the constitution shown in FIG. 5 where the members corresponding to those already shown in FIG. 1 are designated by the same reference number. The oscillation sensor and the 'element intended to excite the oscillations can be grouped on the same cantilever support 38 fixed to the base 16 which also contains the electronic unit.

La mise en oeuvre du dispositif ressort immédiatement de la description qui précède. Au cours d'une première étape, on mesure, pour la lame ou pour chaque lame, la fréquence de résonance pour toute une série de charges ayant chacune une masse déterminée et on stocke la loi de variation, sous forme d'échantillons, dans la matrice de transcodage 36. Pour chaque mesure d'une charge inconnue ni, la matrice fournit, éventuellement par interpolation, la valeur de la masse. The implementation of the device is immediately apparent from the above description. During a first step, the resonance frequency for a whole series of charges, each having a determined mass, is measured for the blade or for each blade and the law of variation is stored in the form of samples. transcoding matrix 36. For each measurement of an unknown charge ni, the matrix provides, possibly by interpolation, the value of the mass.

D'autres variantes encore de réalisation sont possibles. il est notamment possible d'utiliser des lames de section différente, par exemple tubulaire. Still other alternative embodiments are possible. it is in particular possible to use blades of different section, for example tubular.

Mais, en général, il y aura intérêt à adopter des lames ayant une longueur d'au moins 10 cm (pour faciliter la mesure) et ne dépassant pas 50 cm (pour des raisons d'encombrement). But, in general, it will be advantageous to adopt blades having a length of at least 10 cm (to facilitate measurement) and not exceeding 50 cm (for reasons of space).

Claims

1. A method of mass measurement in weightlessness, characterized in that the law of variation of the resonance frequency in bending of an embedded blade (12) is determined, having mechanical characteristics chosen so that the frequency is within the range audible, as a function of the mass of a localized load (14) applied at a determined point on the blade at a distance from the embedding; and determining the variation in resonant frequency of the blade caused by the placement of the unknown mass at said determined point, the blade (12) being chosen so that the placement of the load causes a variation in resonant frequency at least 20% compared to the load-free blade.

2. Method according to claim 1, characterized in that a blade (12) with mechanical characteristics is used such that the weight of said load, during a measurement in normal gravity, would cause the blade to deform outside the elastic range , at least during the resonance oscillation.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the blade (12) -is chosen so that the frequency of the blade when empty and during resonance under load is between 102 and 104 Hz.

4. Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the frequency is measured by counting the number of oscillations of the blade for a determined duration or by counting the time necessary for a determined number of oscillations, to from the excitation of the blade by percussion.

5. Device for implementing the method according to claim 4, characterized in that it comprises a frame (10), a set of blades (12) having different mechanical characteristics and each having a length between 10 and 50 cm , rigidly embedded in the frame, means (18) for fixing the mass to be measured on the blade (12) at a maximum distance from the blade embedding (s), and means (26-36) for counting the number of oscillations of the blade in a determined duration or of the duration necessary for a determined number of oscillations.