AUTOMATISATION D'UN PENDULE DE TORSION INVERSE PAR MICRO-ORDINATEUR

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HAL Id: jpa-00223397

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Submitted on 1 Jan 1983

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AUTOMATISATION D’UN PENDULE DE TORSION INVERSE PAR MICRO-ORDINATEUR

M. Masse, G. Bassenay, C. Sigli, E. Gaffet, G. Bouquet

To cite this version:

M. Masse, G. Bassenay, C. Sigli, E. Gaffet, G. Bouquet. AUTOMATISATION D’UN PENDULE DE

TORSION INVERSE PAR MICRO-ORDINATEUR. Journal de Physique Colloques, 1983, 44 (C9),

pp.C9-347-C9-351. �10.1051/jphyscol:1983950�. �jpa-00223397�

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Colloque C9, supplément au n012, T o m e 44, décembre 1983 page C9-347

AUTOMATISATION D'UN PENDULE D E TORSION INVERSE PAR MICRO-ORDINATEUR

M. Masse, G. Bessenay, C. Sigli, E. Gaffet et G. Bouquet Laboratoire de MétaZZurgie S t m c t u r a Z e

E.N.S.C.P., I I , r u e Pierre e t Marie Curie, 7 5 2 3 1 Paris Cedex 05, France C . E . C.M., 1 5 , r u e Georges Urbain, 94400 Vitry-sur-Seine, France

Résumé- L a r é a l i s a t i o n et l'automatisation d'un pendule d e tor- s i o n inversé b a s s e fréquence (1 Hz) s o n t détaillées

.

A c o t é de q u e l q u e s innovations technologiques, l a principale originalité d e c e travail r é s i d e dans L'automatisation d e l'appareil à l'ai- de d'une centrale de m e s u r e s I.E.F. constituée d'un micro-ordi- n a t e u r équipé d'un processeur de c a l c u l 9 5 1 1 (32 bits) assisté d'un m o d u l e F.F.T. (Fast F o u r i e r Transformation) "cablé".

L e s performances de c e pendule o n t é t é testées par l'étude du s p e c t r e Q - l = f ( ~ ) d'un acier micro-allié (dispesoïde 3 8 M V 5 de Pompey) traité mécaniquement pour prmettre la description du pic d e Snoek-Koster. L a sensibilité d u pendule a a l o r s permis u n tra- c é p r é c i s d e c e pic faisant a p p a r a î t r e u n dédoublement au sommet dont l'origine reste n é a n m o i n s à préciser.

Abstract- T h e mechanical arrangement and the a u t o m a t i o n of an inverted torsion pendulum (oscillation frequency: 1 Hz) are de- tailed in this paper. B e s i d e some technological i n n o v a t i o n , the m a i n f e a t u r e of this work lies i n the automation of this appa- ratus w i t h the help of a central measurements u n i t (manufactured by I.E.F.) including a micro-ordinator containing a n arithmetic unit (AMD 9511) to illustrate the performance of this d e v i c e , s o m e results are reported concerning the Q-l=f(T) spectrum of a micro-alloyed s t e e l (38MV5 Pompey). T h i s alloy w a s thermo-mecha- nically treated i n o r d e r to produce a Snoek-Koster effect during s u b s e q u e n t heating. T h u s the accuracy of the method a l l o w e d u s to d e t e c t a splitting of the Snoek-Koster peak, the o r i g i n of w h i c h remains to explain.

1- Introduction- L'évolution r a p i d e , la v u l g a r i s a t i o n du matériel micro-informatique e t , la d i s p o n i b i l i t é commerciale d e très n o m b r e u x interfaces d'acquisition, de calcul et d'asservissement nous o n t inci- tés à a u t o m a t i s e r par c e s s y s t è m e s u n d e s pendules du laboratoire. L e s solutions technologiques (mécaniques, é l e c t r o n i q u e s , informatiques) r e t e n u e s , d i f f è r e n t quelque p e u d e c e l l e s décrites dans la bibliogra- p h i e , concernant les appareillages similaires. L e s possibilités d e c e t ensemble ont été déterminées lors de la poursuite d'une étude préala- blement entreprise au l a b o r a t o i r e , concernant l'effet Snoek-Koster dans les a c i e r s à dispersoïdes.

II-Description g é n é r a l e (fig 1)- D e type inversé, c e pendule reçoit actuellement des éprouvettes plates (dim: 0.5/5/50mm) soumises à une torsion alternée d'amplitude = 5.10-6; il impose u n e fréquence d e 1 Hz p o u r G= 8000. Cette f r é q u e n c e peut être portée à 1 1 8 Hz par adjonction automatique d'un deuxième volant au système inertiel. L e s mesures s'ef- fectuent e n o s c i l l a t i o n libre a p r è s relancement à a m p l i t u d e constante.

Une plge continue d e température comprise entre l 0 0 K e t 8 0 0 K peut être e x p l o r é e lorsque l e f o u r est ceint du c r y o s t a t e t , entre 3 0 0 K e t lOO0K l o r s q u e u n é c r a n thermique r e m p l a c e le cryostat.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1983950

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C9-348 JOURNAL DE PHYSIQUE

Les essais sont exécutés sous vide poussé (pompe turbomoléculaire) ou sous atmosphère partielle d'hélium lorsque les variations de T imposées sont rapides. La platine centrale du pendule est fixée au centre de gra- vité d'une dalle évidée en béton d'un poids de 1,5T. L'ensemble repose sur trois piliers et sur une dalle de béton isolée du sol d'un poids de 2,5T.

III- Particularités technologiques (fig 1)- C'est un capteur à courants de Foucault situé en regard de la cible mobile solidaire de l'axe du pendule, qui mesure l'amplitude de déformation. Le conditionneur qui lui est associé délivre une tension variable entre

'

2,5V stictement proportionnel à la distance cible-capteur. Ce signal est digitalisé sur 12 bits par un interface à quatre gammes programmable permettant théoriquement des mesures d'amplitude 2 . 1 0 - ~ lorsque la tension d'en- trée est comprise entre I 0,lV. Lors d'essais à cette amplitude, la dérive du zéro doit être rectifiée entre chaque série d'acquisitions.

A cet effet, la position pseudo fixe de la pince inférieure fixant l'échantillon est asservie par un moto-réducteur pas à pas, piloté par l'ordinateur et assurant un réalignement à 2.10-3 degré près par pas.

L a suspension du système inertiel est constituée d'un ruban de tungstè- ne ou de verre métallique(Fe/Ni/Mo/B), selon la contribution de la suspension tolérée et la fréquence imposée. L a géométrie et l'orienta- tion de ce ruban permettent en outre de s'affranchir des dash-pots ou lames de contact destinées à limiter les oscillations parasites.

L'appareil étant dépourvu de bobines électromagnétiques d'asservissement, le problème posé par le relancement a été résolu en utilisant un système inducteur asynchrone associé à un induit de cuivre concentri- que à l'axe mobile et, solidaire de celui-ci. Les courants de Foucault induits ne créent pas de précession parasite mais fournissent néanmoins u n couple suffisant.

La programmation et la mesure de température sont effectuées par un périphérique autonome à microprocesseur (Barras, licence CNRS) utilisant un thermocouple chromel-constantan. Cet instrument est relié à l'unité centrale (d'où il peut être également piloté) par un interface R S 232, en vue de l'acquisition des paramètres de régulation. La courbe de linéarisation du thermocouple mémorisée permet la description de rampes continues de lOOK à 1250K avec une précision de

*

^0.1K.

Pour l'exploration des plages 100K-800K, le système de mise e n tempéra- ture est constitué d'un bobinage de "Thermocoax" à double enroulement inversé (absence de champ magnétique), logé dans une gaine tubulaire en acier inoxydable; cet ensemble est ceintd'un cryostat de cuivre à circulation d'azote provenant d'un réservoir de gaz liquide pressuri- sé. Pour les températures voisines de lOOK il est possible de faire circuler directement l'azote liquide dans le cryostat. Audessus de 800K le rayonnement intense nécessite le remplacement du cryostat par u n écran thermique réfléchissant doublé d'un tube réfractaire.

IV- Centrale d'acquisition (fig 2)- Ce matériel dont la platine est de base "Apple II" (CPU 6502) est équipé de dix cartes interface. L'accès à trois de ces cartes situées dans l'extension est quasi directe. L'in- terêt principal présenté par cette centrale est l'utilisation d'interfaces performants, couramment commercialisés, lui conférant des quali- tés propres à des systèmes informatisés beaucoup plus évolués. L'inser- tion du processeur arithmétique, équipé du module FFT, dans cet ensemble a permis d'atteindre un temps d'acquisition et de calcul inférieur à une minute ce qui, toutes opérations de pilotage comprises, autorise un intervalle entre mesures de 0,02 heure, soit, l'obtention de valeurs tous les deux degrés lors de la description d'une rampe de 100 degrés par heure. Les résultats sont imprimés e n colonnes et tracés en temps réel sur table Xi!, ils sont également mémorisés sur disquette 140 Koct.

en vue d'un formatage ultérieur.

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C9-350

JOURNAL DE PHYSIQUE

V - A c q u i s i t i o n e t m o d e d e calcul.(fig 3)- L'acquisition s'opère s u r 1 0 2 4 points pour u n nombre d e périodes v a r i a b l e

(4 à 32) s e l o n l'amortissement préalablement mesuré. L e s coor- données d e s p o i n t s s o n t e n s u i t e traitées par le m o d u l e FFT. L e p r o c e s s e u r 9 5 1 1 calcule alors l a f r é q u e n c e et l'amortissement s u r l a b a s e d'une a n a l y s e mathémati- que de phénomènes o n d u l a t o i r e s p e r t u r b é s (1). L a r e j e c t i o n lors de s i m u l a t i o n s (somme de fonc- tions s i n u s o i d a l e s amorties) laisse a p p a r a î t r e u n e d i s p e r s i o n des r é s u l t a t s F et Q-1 d e l'ordre d e 1 . 1 0 - ~ . E n m e s u r e s réelles répétitives à température et a m p l i t u d e c o n s t a n t e s c e t t e dis- p e r s i o n p e u t a t t e i n d r e 0,5; IO-'.

VI- Résultats e x p é r i m e n t a u x (fig 4)- L o r s d'une é t u d e d e l'effet Snoek-Koster s u r u n pen- d u l e n o n a u t o m a t i s é , les s p e c t r e s Q-'=f (T) o b t e n u s faisaient appa- r a î t r e u n sommet d e pic m a l défi- ni. L e m a t é r i e l précédemment dé-

crit étant d e v e n u o p é r a t i o n n e l , F i g u r e 2 nous l'avons u t i l i s é dans l e d o u -

ble b u t d'en t e s t e r les p e r f o r m a n c e s et d e décrire avec p r é c i s i o n l e pic étudié.

C'est s u r u n a c i e r d e type d i s p e r s o ï d e , préalablement d é f o r m é par éti- r a g e , que n o u s a v o n s r é a l i s é c e s m e s u r e s (acier 3 8 M V 5 ; C: 0 , 3 7 0 -

Mn: 1,06- Si: 0 , 2 7 0 - P: 0 , 0 1 6 - S: 0 , 0 2 6 - Ni: 0,06- Cr: 0,12- Mo: 0,015- Cu: 0,02- Al: 0 , 0 1 5 - V: 0 , 0 9 Z e n poids). L e t r a c é d u

s p e c t r e Q-l= f(T) d'un tel a c i e r permet d e d é c r i r e u n ^~ ^~ ^~du ^lze'ro ^a ^~ ^e

pic d e f r o t t e m e n t intérieur s i t u é dans u n e gamme d e i températures d e l'ordre d e 220-240°C. Relancoment

L e s r é s u l t a t s o b t e n u s sont rapportés s u r la f i g u r e 4

o ù a p a r a i s s e n t les variations s i m u l t a n 6 e s d e Q-1 et C

Acquisitim de Tct H

d e FT. B i e n que les échelles a d o p t é e s pour l e s coor-

données a i e n t é t é v o l o n t a i r e m e n t d i l a t é e s , a u c u n e ^cAcquis. despoants

-

d i s p e r s i o n n o t a b l e d e s v a l e u r s n'est d é t e c t a b l e s u r 1 c e t t e figure. L a précision d e l a m é t h o d e d e détermina- Srockog~@nrabtenu

tion des grandeurs étudiées (Q-l et F ~ ) n e p o u r r a donc

I

être a p p r é c i é e q u e par l'examen des v a l e u r s délivrées par l'imprimante. P o u r la f r é q u e n c e il a p p a r a î t q u e

des v a r i a t i o n s d e 1 . 1 0 - ~ s o n t significatives et repré-

-

^COICUIS

s e n t a t i v e s d'une é v o l u t i o n d u module du matériau.

E n c e q u i c o n c e r n e l e f r o t t e m e n t i n t é r i e u r les v a l e u r s s o n t déterminées à 1.10-6 près e t l a p r é c i s i o n est d e l'ordre d e I1.10-5.

Q u a n t a u x r e n s e i g n e m e n t s s t r u c t u r a u x l'expérience a permis d e d é t e c t e r p l u s i e u r s p i c s o u maximums. L'épau-

lement o b s e r v é v e r s 1 1 0 ' ~ peut être c o m p a r é à c e l u i t

décrit d a n s la bibliographie (2), (3). D e m ê m e l e ~ t o c k a g e

large pic d e plus h a u t e température (230°C) b i e n ^Disquette c o n n u dans les s t r u c t u r e s C.C déformées (4) est attri-

bué à u n e f f e t Snoek-Koster.

F i g u r e 3

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Bibliographie.

(1)- 1. Y o s h i d a , T. S u g a i , S. T a n i , M. M o t e j i , K. Minmida,H. Hayakawa.

3 . Phys. E Sc. Instrum. 1 4 (1981) 1201.

(2)- J. D . F a s t M é t a u x C o r r o s i o n I n d u s t r i e 4 3 6 (1961) 431.

(3)- T. S. K ê Scientia S i n i c a 5 (1956) 19.

(4)- T. S. K ê Scripta Met. 1 6 (1982) 225.

(5)- S. Maillé- Bouquet Thèse 3 è m e cycle.

(6)- K. K a m b e r , D. F e e f e r , C. Wert Acta Met.9 (1961) 403.

détecter u n p h é n o m é n e particu-

lier q u i s e m b l e r a i t correspon- ^s^a-%^10- ^F*(vi>

d r e à u n d é d o u b l e m e n t d u pic S-K. Vil..\

,..,.,,,

^.^.-.^LX. ^I.+<O

P e u d e données bibliographiques . .

concernent u n tel e f f e t , les u

1%-

seuls t r a v a u x c o m p a r a b l e s rendent

c o m p t e d'observations effectuées .

lors d u r e v e n u d'aciers trempés

I ;,,,,

.':... ^, ^,

(5). K ê , dans u n e étude s i m i l a i r e

.'..., : .

n e r e l è v e p a s c e d é d o u b l e m e n t '... _..., _.

.

alors que ses points expérimen- .. .

. .., . .

t a u x e n témoignent (3). . . -. . ... .. . . I l apparaît donc q u e les perfor- . . .

W.

. mances d e n o t r e appareillage nous

"1

permettent par u n e a c q u i s i t i o n ! l

"serrée" d e points e x p é r i m e n t a u x ,

*l

d e d é t e c t e r d e s phénomènes d e

f a i b l e a m p l i t u d e et p a r t i e l l e m e n t

,i

^.

superposés. I

D a n s l'état actuel d e n o t r e é t u d e

,I

.+.' i l est d i f f i c i l e d'invoquer u n

mécanisme p r é c i s p e r m e t t a n t d'ex-

;

p l i q u e r c e phénomène. O n peut

i.+n

t . U O

a.10

r.ao

(JI0

.JI

1am

...

^SU

n é a n m o i n s s e r é f é r e r à certains

1 1

;

r é s u l t a t s (6) q u i s e m b l e n t attri-

buer des températures différentes

1

^' ^.

::

au pic S-K s e l o n q u e C o u N

'

..:

est impliqué dans l e mécanisme. 1 ,.:.

C e t t e h y p o t h è s e d'un effet séparé _5;; _+Cd _$00 ₆₀₀^, ^' ^T^1x3 d e C et d e N r e s t e à vérifier

dans n o t r e m a t é r i a u et il n'est

p a s e x c l u qu'il f a i l l e plutôt F i g u r e 4 r e c h e r c h e r l'effet d'un des autres

éléments d'alliage.