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REVENDICATIONS
1. Thermomètre à quartz, caractérisé en ce qu'il comprend:
- un résonateur comportant au moins un élément allongé en quartz dont la longueur est sensiblement parallèle à l'axe X du cristal, I'élément ou chaque élément présentant deux faces parallèles entre elles et perpendiculaires à un axe Z' faisant un angle 0 avec l'axe optique Z du cristal de quartz compris entre + 30 et - 30 , et des électrodes disposées parallèlement à l'axe
X, chaque électrode étant disposée sur une des deux faces de l'élément à proximité de chacun des bords de celle-ci, ledit résonateur délivrant un signal électrique dont les variations de fréquence sont une fonction sensiblement linéaire de la température;
et
- un circuit électronique pour traiter le signal délivré par ledit résonateur et fournir à sa sortie une grandeur représentant la température à laquelle est soumis ledit résonateur.
2. Thermomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit résonateur comprend un seul élément formé par un barreau de quartz parallélépipédique à section droite sensiblement rectangulaire présentant un grand côté disposé selon lesdites faces et un petit côté.
3. Thermomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit résonateur comprend deux éléments, en ce que chaque élément consiste en une branche d'un diapason, et en ce que chaque branche a la forme d'un parallélépipède à section droite rectangulaire présentant un grand côté disposé selon lesdites faces et un petit côté.
4. Thermomètre selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le rapport entre les longueurs du petit et du grand côté de la section droite est compris entre 0,4 et 0,8.
5. Thermomètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle 0 est compris entre + 10 et - 10
6. Thermomètre selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'angle û est sensiblement égal à +2', et en ce que le rapport entre le petit et le grand côté est sensiblement égal à 0,68.
7. Thermomètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes sont alimentées par deux tensions différentes, les deux électrodes disposées sur une même face d'une même branche étant portées à des tensions différentes, et deux électrodes d'une même branche se faisant face étant portées à des tensions différentes.
8. Thermomètre selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit circuit électronique comprend:
- un oscillateur de référence à fréquence réglable;
- des moyens pour comparer la fréquence du signal délivré par ledit résonateur et ledit oscillateur de référence (B) et produire une indication de température à partir de l'écart entre les fréquences de ces signaux; et
- des moyens pour afficher ladite indication de température.
9. Thermomètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de comparaison comprennent:
- des moyens pour compter M impulsions délivrées par ledit résonateur et pour délivrer un premier signal lorsque les M impulsions sont comptées;
- des moyens pour compter simultanément M impulsions délivrées par ledit oscillateur de référence et pour délivrer un deuxième signal lorsque les M impulsions sont comptées;
- des moyens pour délivrer un signal de mesure à fréquence réglable; et
- des moyens pour compter les impulsions dudit signal de mesure entre lesdits premier et deuxième signaux.
La présente invention concerne un thermomètre à quartz.
De façon plus précise, la présente invention concerne un thermomètre dans lequel l'élément sensible à la température st un résonateur à quartz mis en vibration par un circuit oscillateur de façon à délivrer un signal électrique dont la fréquence est représentative de la température à laquelle est soumis le résonateur.
Les appareils de mesure de la température utilisant un résonateur à quartz comme senseur sont déjà bien connus. Il est on effet bien connu que la fréquence d'un tel résonateur varie avec la température. La relation entre la fréquence d'oscillation du quartz et la température peut être représentée par l'expression polynomiale suivante: f,=f,, [I+a(T-To)+P (T-To)Z] dans laquelle fiv0 et To sont des constantes, T la température à mesurer, et fT la fréquence de l'oscillateur à quartz soumis à la température T, a et ss étant des coefficients indépendants de la température.
Il ne suffit pas, en général, que la fréquence dépende de la température T, mais il est très souhaitable que cette dépendance soit aussi linéaire que possible. L'avantage essentiel de ce type de thermomètre, par rapport à tous les autres dispositifs connus, réside dans le fait qu'il effectue la conversion directe température/fréquence, c'est-à-dire que l'information sur la température se présente sous une forme quasi-numérique. Un autre avantage de ce type de thermomètre est que la fréquence est une grandeur physique qui se mesure avec une résolution aussi grande que cela est désiré si le temps de mesure est augmenté en conséquence.
I1 existe déjà sur le marché des thermomètres munis d'une sonde contenant un cristal de quartz vibrant et dont la fréquence dépend de la température de façon très linéaire. Un premier appareil, fabriqué par la Société Hewlett-Packard
USA, utilise un quartz de coupe LC excité à une fréquence de 28 MHz. Cet instrument a une sensibilité de l'ordre de 1000
Hz par "C. Dans l'appareil fabriqué par la société Tokyo
Dempa, le quartz oscillant présente une coupe YS et il est excité avec une fréquence de l'ordre de 10 MHz. Cet appareil présente une sensibilité du même ordre de grandeur que celui qui a été cité précédemment.
Ces instruments de haute précision sont cependant très chers et les résonateurs à quartz utilisés comme éléments sensibles ont l'inconvénient d'êtres très encombrants, car ils sont fabriqués à l'aide d'une technologie ne permettant pas une miniaturisation facile. D'autre part, leur mode de fabrication n'est pas adapté à une production en grande série. Enfin, comme leur mode de vibration correspond à une fréquence égale ou supérieure à 10 MHz, les circuits électroniques qui traitent le signal délivré par le résonateur à quartz consomment une quantité relativement élevée d'énergie électrique.
Pour éviter ces inconvénients, un premier objet de l'invention est de fournir un thermomètre à quartz présentant une bonne linéarité en fonction de la température et qui est relativement compact.
Un second objet de l'invention est de fournir un tel thermomètre dans lequel le résonateur est aisé à fabriquer par les techniques modernes d'usinage, telles que la gravure chimique.
Un troisième objet de l'invention est de fournir un tel thermomètre dans lequel le circuit électronique est relativement simple.
Un quatrième objet de l'invention est de fournir un tel thermomètre qui fonctionne à des fréquences plus basses que celles des appareils de l'art antérieur pour diminuer la consommation d'énergie électrique du circuit électronique associé au résonateur.
Un cinquième objet de l'invention est de fournir un tel
thermomètre dans lequel le résonateur a une capacité dynamique C, suffisante pour pouvoir faire osciller le résonateur de façon stable avec une faible consommation d'énergie acceptable.
Ces buts sont atteints grâce au fait que le thermomètre à quartz selon l'invention comprend:
- un résonateur comportant au moins un élément allongé en quartz dont la longueur est sensiblement parallèle à l'axe X du cristal, l'élément ou chaque élément présentant deux faces parallèles entre elles et perpendiculaires à un axe Z' faisant un angle 0 avec l'axe optique Z du cristal de quartz compris entre +30" et - 30", et des électrodes disposées parallèlement à l'axe X, chaque électrode étant disposée sur une des deux faces de l'élément à proximité de chacun des bords de celle-ci, ledit résonateur délivrant un signal électrique dont les variations de fréquence sont une fonction sensiblement linéaire de la température;
et
- un circuit électronique pour traiter le signal délivré par le résonateur et fournir à sa sortie une grandeur représentant la température à laquelle est soumis le résonateur.
Le résonateur est constitué soit par un diapason soit par un bareau.
Dire que les variations de fréquence du signal délivré par le résonateur sont une fonction sensiblement linéaire de la température signifie que, dans la relation polynomiale donnée ci-dessus, entre la fréquence et la température, le coefficient a du premier degré est très supérieur au coefficient ss. Cela ne signifie pas nécessairement que le coefficient ss est nul. Parexemple le rapport entre les deux est de l'ordre de 102 à 103.
Par ailleurs, on choisit de préférence le rapport entre l'épaisseur effet la largeur w de l'élément en quartz pour que, de plus, la valeur absolue de a soit importante afin que le résonateur ait une forte dépendance vis-à-vis de la température, c'est-à-dire une sensibilité élevée. Ce rapport est compris entre 0,4et0,8.
De préférence encore, l'angle O est compris entre + 10" et - 10" pour avoir un angle de coupe facilement réalisable tout en ayant une bonne linéarité au sens indiqué ci-dessus.
Ces objets et avantages de l'invention ainsi que d'autres encore apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes préférés de réalisation de l'invention.
La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1 est une vue en perspective d'un résonateur en forme de diapason utilisable dans l'invention, la figure faisant en outre apparaître les différents paramètres de définition du diapason;
- la figure la représente le diapason selon le plan de coupe
A-A de la figure 1;
- la figure 2 est une vue en perspective d'un barreau de quartz utilisable dans l'invention, la figure faisant en outre apparaître les différents paramètres de définition du barreau;
;
- la figure 3 montre des courbes donnant le coefficient de température a du premier ordre et ss du deuxième ordre d'un résonateur excité en torsion pour un angle de coupe O = +2" avec l'axe optique Z du quartz en fonction du rapport ew des dimensions de l'épaisseur et de la largeur de l'élément en quartz;
- la figure 4 représente un exemple de réalisation du circuit électrique de traitement des signaux délivrés par le résonateur;
- les figures 5a et 5b montrent des diagrammes de temps expliquant le fonctionnement du circuit de traitement; et
-la figure 6 représente des courbes de réglage du ther momètre.
Comme cela a déjà été expliqué, le thermomètre de l'invention comprend d'une part un résonateur à quartz dont les électrodes sont localisées et alimentées pour exciter en torsion l'élément en quartz et d'autre part un circuit électronique pour afficher la température mesurée par le résonateur.
En se référant aux figures 1, la et 3, il va d'abord être décrit un premier mode de réalisation de l'invention selon lequel le résonateur est constitué par un diapason 2 en quartz. Le diapason 2 comprend une embase 4 par laquelle il est fixè sur le piédestal 6. I1 comprend, bien sûr, également deux branches 8 et 10 dont la section droite est sensiblement rectangulaire.
Cette section droite présente un petit côté de longueur eou épaisseur du diapason et un grand côté w ou largeur de la branche du diapason. Chaque branche du diapason 8 et 10 a ainsi la forme d'un parallélépipède rectangle. Sur la figure 1, les directions correspondant à la longueur L, la largeur w et l'.épaisseir e d'une branche du diapason sont respectivement repérées par les axes X', Y' et Z'. La figure 1 montre de plus l'orientation des axes X', Y' et Z' du résonateur par rapport aux axes X, Y et Z du quartz.
Selon l'invention, le diapason est taillé de telle manière que sa longueur soit disposée sensiblement selon l'axe X du quartz, c'est-à-dire que les directions X et X'sont sensiblement confondues. En revanche, I'axe Z' du diapason fait un angle O avec l'axe optique du quartz. Il en va bien sûr de même pour l'axe Y' par rapport à l'axe Y.
Ainsi que cela a déjà été expliqué, le diapason doit être excité en torsion. Pour cela, des métallisations sont déposées sur les faces 9, 9' et 11, 11' correspondant à la largeur w des branches du diapason.
Plus précisément pour chaque branche du diapason, chaque face est munie de deux électrodes parallèles à la longueur des bras et disposées sur les bords des faces, c'est-à-dire à proximité des flancs de chaque branche. Comme le montre la figure la la face 9 de la branche 8 est munie des électrodes 12 et 13 tandis que la face 9' est munie des électrodes 12' et 13'. De fa çon similaire les faces 1 1 et 11' de la branche 10 sont munies respectivement des électrodes 14 et 15, et 14' et 15'. En outre les électrodes de la même face d'une branche sont portées à des potentiels différents et les électrodes d'une même branche se faisant face sont également portées à des potentiels différents.
Enfin les deux électrodes intérieures d'une même face (supérieure ou inférieure) sont au même potentiel. Ainsi sur la figure la les électrodes 12, 13', 14' et 15 sont portées à un potentiel positif alors que les électrodes 12', 13, 14 et 15' sont portées à un potentiel négativ les deux branches 8 et 10 du diapason vibrent ainsi en torsion.
Cette disposition permet, de plus, de faire vibrer antisymétriquement les branches 8 et 10 du diapason afin de compenser leurs moments cinétiques respectifs.
La figure 1 montre un mode concret de réalisation des métallisations conductrices pour former les électrodes ainsi que les connexions entre les électrodes devant être portées au même potentiel. Cette figure ne respecte pas les proportions entre les dimensions du diapason afin de rendre plus lisible l'implantation des métallisations. Les électrodes 12 et 14 sont prolongées au niveau de l'embase 4 par des dépôts conducteurs 16 et 17 formant des plots de connexions aux potentiels positif et négatif. Les électrodes 13 et 15 sont prolongées par des métallisations 18 et 19 disposées aux extrémités libres des branches du diapason. En outre une métallisation 20 relie entre elles les électrodes 13 et 14. Sur les faces inférieures des branches les métallisations ont une disposition correspondante.
Les électrodes 13' et 15' sont prolongées par des dépôts conducteurs 16' et 17' au niveau de l'embase 4. Les électrodes 12' et 14' sont prolongées par des métallisations 18' et 19' faisant face aux métallisations 18 et 19. Enfin l'électrode 13' est reliée à l'électrode 14' par la métallisation 20'. La liaison électrique entre les métallisations sur les deux faces est réalisée par des métallisations sur les flancs et les extrémités des branches et de l'embase. Plus précisément les métallisations 18 et 18' sont réunies par la métallisation 18" tandis que les métallisations 19 et 19' sont réunies par la métallisation 19". Au niveau de l'embrase 4 les métallisations 16 et 16' sont réunies par la métallisation 16" tandis que les métallisations 17 et 17' sont réunies par la métallisation 17".
Ces métallisations sont réalisées de façon classique par dépôt d'une couche de chrome et d'une couche d'or, ou bien une couche d'aluminium ou autre métal. I1 est intéressant d'observer que les seules métallisations à réaliser sur les flancs ne forment pas les électrodes proprement dites et qu'en outre les zones où ces métallisations doivent être faites sont aisément accessibles. (extrémité des branches, flancs de l'embase). La réalisation d'ensemble des métallisations ne pose donc pas de problème majeur.
Par ailleurs, pour obtenir une bonne linéarité entre la température et la fréquence délivrée par le thermomètre, il est nécessaire de choisir d'une part l'angle O et d'autre part la valeur du rapport e dans certaines fourchettes. Pour optimiser la li
w néarité de la réponse au sens dlüefini précédemment, il faut de plus respecter une relation entre la valeur choisie pour O et la valeur du rapport e
w
Plus précisément, avec le type d'électrodes choisies, il faut que l'angle O soit compris entre -30" et +30". Il faut, par ail e leurs, que le rapport vN soit compris entre 0,4 et 0,8.
La figure 3 donne, pour 8 = +2"; la valeur du coefficient p exprimé en 10-9 "C-2 (courbe I) et du coefficient a exprimé en e 10-6 C¯ (courbe 11) pour différente valeur du rapport w
Ces courbes montrent qu'il est possible de réaliser un résonateur dans lequel le coefficient p est nul. La réponse du thermomètre est alors parfaitement linéaire. Ces courbes montrent e encore qu'il est possible de choisir le rapport de telle manière que le coefficient ss reste faible tout en ayant une valeur élevée de a c'est-à-dire un thermomètre très sensible.
En outre la longueur L des branches du diapason est choisie pour que la fréquence du diapason soit de l'ordre de quelques centaines de kHz typiquement un multiple de 32,738 kHz qui est la fréquence des quartz utilisés comme base de temps.
A titre d'exemple, il a été réalisé un thermomètre avec un
quartz diapason excité en torsion présentant les caractéristi
ques suivantes:
8= +2" w= 0,230 mm
e=0,125 mm e =0,55 w
L = 2,75 mm (longueur d'une branche du diapason).
Dans ce cas, la fréquence d'excitation est de 262,144 kHz et les coefficents de température de ce thermomètre sont: a=35.106 "C-' P=20.109 "C-2
Il est important d'observer que la coupe avec 8= +2" correspond aux coupes classiquement utilisés pour réaliser les résonateurs à quartz constituant la base de temps des montres électroniques. Un tel usinage est donc parfaitement maîtrisé par exemple par attaque chimique. En outre la capacité dynamique de ce diapason est de 0,33 fF ce qui est élevé pour un quartz vibrant en torsion. Il faut également relever que la fréquence d'oscillation de 262,144kHz est très basse par rapport aux fréquences de quelques MHz auxquelles vibrent les résonateurs connus des thermomètres selon l'art antérieur.
Enfin le résonateur présente une très bonne linéarité dans sa dépendance vis-à-vis de la température au sens où il faut entendre cette expression dans le présent texte. En effet si ss n'est pas nul, le rapport e vaut 1,75.103. L'effet du terme du premier
w degré est donc largement prépondérant par rapport au terme du second degré. Cependant la valeur absolue de a est très élevée 35.106 C', ce quei assure une très forte sensibilité à la température. Les deux conditions pour avoir un bon capteur thermométrique sont donc réunies.
e
Lafigure3montrequ'enchoisissantunrapportégalà 0,58 on obtient un coefficient ss qui est nul et un coefficient a qui vaut un peu plus de 20.10-6 C-i . Il s'agit donc encore d'une valeur de a très acceptable.
On a indiqué précédemment que l'angle O pouvait être compris entre -30" et +30". Il faut cependant préciser qu'en se limitant à une fourchette - 10" et + 10" on conserve les propriétés thermiques tout en restant dans des angles de coupe relativement proches de la coupe Z. I1 s'agit donc de résonateurs qui peuvent être aisément usinés par attaque chimique.
En outre en adaptant un angle O légèrement négatif par exemple entre entre 0 et -10", et en conservant un rapportWdans le domaine déjà défini il est possible d'obtenir un coefficient ss nul ou sensiblement nul avec un coefficient a nettement supérieur à 20.10--6 "Ce', par exemple de l'ordre de au moins 30.106
or "C-'.
En outre lorsqu'on indique que la longueur du diapason est sensiblement parallèle à l'axe X, cela signifie que pour définir le plan du diapason, après la rotation de l'angle O autour de l'axe X il peut y avoir une rotation d'un angle réduit au tour de OY'.
La figure 2 montre un autre résonateur utilisable dans le thermomètre selon l'invention. Le résonateur 2' a la forme d'un barreau parallélépipèdique de largeur w' et d'épasseur e'.
Le barreau 21 en quartz a sa longueur disposée selon l'axe
X du quartz et la perpendiculaire Z' à ses faces supérieure et inférieure fait un angle O compris entre +30" et -30" avec l'axe Z du quartz.
Les électrodes sont disposées sur les deux demi-barreaux 21a et 21b séparés fictivement par le plan nodal N représenté en traits mixtes. Les électrodes 22 et 23 sont disposées sur la face supérieure du demi-barreau 21a à proximité de ses bords.
De même les électrodes 22' et 23' sont disposées sur la face inférieure du demi-barreau 21 a en regard respectivement des électrodes 22 et 23. Pour le demi-barreau 21 b, on trouve les électrodes 24 et 25 sur la face supérieure et les électrodes 24' et 25' sur la face inférieure en regard des électrodes 24 et 25. Pour que le barreau vibre en torsion, il faut que pour chaque demibarreau il y ait la même disposition d'électrodes que pour une branche du diapason 2 et que de plus les deux électrodes symétriques par rapport au plan nodal N soient portées à des potentiels opposés. Pour cela, les électrodes 23 et 24 sont reliées par la métallisation 26 coupant le plan nodal, et les électrodes 23' et 24' sont reliées par la métallisation 26' qui coupe également le plan nodal.
En outre les électrodes 22 et 24' sont reliées par la métallisation 27 qui coupe le plan nodal et les électrodes 23 et 25' sont reliées par la métallisation 27' qui coupe également le plan nodal. Les métallisations 27 et 27' sont disposées sur les flancs du barreau. Enfin, les électrodes 24' et 25 sont reliées par les métallisations 28 et 29 disposées sur la face inférieure et sur un flanc à proximité de l'extrémité du demi-barreau 21b, alors que les électrodes 22' et 23 sont reliées par les métallisations 28' et 29' disposées sur la face inférieure et sur un flanc à proximité de l'extrémité du demi-barreau 21a.
Enfin les fils conducteurs 3 la et 3 la' sont fixés sur les mé tallisations 26 et 27' pour porter les électrodes 22', 23,24 et 25' à un potentiel négatif. Les fils conducteurs 3 la, 3 la', 3 lb et 3 lb' sont tous disposés dans le plan nodal du barreau en quartz vibrant en torsion pour assurer le supportage du barreau de quartz.
En se référant maintenant à la figure 4, il va être décrit un mode de réalisation du circuit de traitement électronique qui, avec le résonateur, constitue le thermomètre.
D'une manière générale, le thermomètre comprend: un circuit oscillant de mesure A incluant le capteur de température constitué par le résonateur; un circuit oscillant de référence B; un circuit de comparaison C; et un circuit d'affichage et de remise à zéro D.
Le circuit oscillant de mesure A comprend l'élément vibrant 2 de mesure décrit précédemment et le circuit d'entretien de type connu. Ce circuit comprend l'amplificateur 30 avec, en conte-réaction, l'élément oscillant 2. Des capacités 32 et 34 sont mont ées respectivement entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur d'une part et la masse d'autre part. Ce circuit est complété par un amplificateur d'isolation 36.
Un circuit oscillant de référence B a une structure sensiblement identique et comprend l'amplificateur 38 avec, en contre-réaction, l'élément oscillant de référence 40. Ce circuit comprend, en outre, les capacités 42 et 44. I1 faut observer que la capacité 44 est réglable pour pouvoir adapter la fréquence de référence comme cela sera expliqué ultérieurement.
Des moyens de comparaison C comprennent essentiellement deux compteurs par M (M:nombre entier) référencés respectivement 46 et 48, un troisième compteur 50 et un générateur 52 d'impulsions électriques à fréquence réglable. Plus précisément, les entrées d'horloge 46a et 48a des compteurs 46 et 48 reçoivent les impulsions délivrées par les circuits oscillants A et B. Les sorties 46b et 48b des compteurs 46 et 48 sont reliées aux deux entrées d'une porte OU EXCLUSIF 54. La source de fréquence variable 52 est constituée, de préférence, par un générateur 52a qui délivre un signal impulsionnel à fréquence élevée fixe et dont la sortie est reliée à un diviseur programmable 52b. A la sortie du diviseur 52b, le signal a donc la fréquence fc réglée par le taux de division du diviseur 52b.
Bien entendu, le générateur 52 pourrait aussi être constitué par un générateur à fréquence commandable.
La sortie du générateur 52 et la sortie de la porte 54 sont reliées respectivement aux deux entrées d'une porte ET 56.
L'entrée d'horloge 50a du troisième compteur 50 est reliée à la sortie de la porte ET 56. Les sorties des compteurs 46 et 48 sont reliées respectivement à l'entrée D et à l'entrée d'horloge 58a d'un bistable D 58 dont la fonction est de donner le signe de la température mesurée par l'élément oscillant, c'est-à-dire l'ordre dans lequel se présente le front de montée des signaux délivrés respectivement par les compteurs 46 et 48.
Le circuit d'affichage et de remise à zéro D comprend un latch 60 dont les entrées sont reliées aux sorties binaires 501 à 50n du compteur 50. Le latch 60 est connecté lui-même à un ensemble de décodage et d'affichage 62. L'ensemble 62 d'affichage comprend une entrée particulière 62a reliée à la sortie du bistable 58 pour afficher le signe de la température par rap port 0 "C.
Les sorties 46b et 48b des compteurs 46 et 48 sont également respectivement reliées aux deux entrées d'une porte ET 64. La sortie de la porte 64 est reliée à l'entrée du monostable 66 qui est du type non rééxcitable . La sortie 66a du monostable 66 délivre un signal de commande LD qui est appliqué d'une part à l'entrée du deuxième monostable 68 et d'autre part à l'entrée de commande 60a du latch 60. Le monostable 68 délivre une impulsion de remise à zéro qui est appliquée aux entrées de remise à zéro 46c, 48c et 50c respectivement des compteurs 46, 48 et 50.
Le fonctionnement du thermomètre qui vient d'être décrit est le suivant:
Le compteur 46 compte les impulsions délivrées par l'oscillateur de mesure A. Lorsque le compteur a compté M impulsions, sa sortie passe à l'état logique 1, comme le montre le diagramme (1) des figures 5a et 5b.
Simultanément, le compteur 48 compte les impulsions délivrées par l'oscillateur de référence B. Lorsque le compteur a compté M impulsions, sa sortie passe au niveau logique 1, comme le montre le diagramme (2) des figures 5a et 5b. Soit T1 le temps que met le compteur 46 à compter M impulsions et Tr le temps que met le compteur 47 à compter M impulsions. Le signal L qui apparaît à la sortie de la porte OU EXCLUSIF 54 a un niveau logique 1 entre les instants tl et t2 où les sorties des compteurs 46 et 48 passent à l'état logique 1. Le signal L a donc le niveau logique 1 pendant une durée Tt-Tr. Dans le cas de la figure 5a, le temps Tt est inférieur au temps Tt, c'est-àdire que la température à mesurer est supérieure à la température de référence.
Au contraire, dans le cas de la figure 5b, le temps Tt est supérieur au temps Tr, donc la température à mesurer est inférieure à la température de référence To.
Le compteur 50 reçoit sur son entrée 50a les impulsions du signal P délivré par la porte ET 56 il reçoit donc les impulsions délivrées par le générateur 52 entre les instants tl et t2.
En conséquence, à partir de l'instant t2 (fig. Sa), le contenu du compteur 50 est égal au nombre d'impulsions N émises par le générateur 52 pendant le temps Tt-Tr. Ce nombre N est représentatif de la température T à mesurer comme cela sera expliqué ultérieurement. De plus, à l'instant t2 (fig. Sa), la porte ET 64 voit sa sortie passer au niveau logique 1, pendant le temps t, fixé par sa constante de temps, ce qui donne le signal LD.
Le signal LD délivré par le monostable 66 commande le déblocage du latch 60 et le nombre N d'impulsions est appliqué au système de décodage et d'affichage 62. Le front descendant du signal LD provoque le changement d'état de la sortie de monostable 68 qui passe au niveau logique 1 pendant le temps
T2 fixé par sa constante de temps. Cette impulsion remet à zéro les compteurs 46, 48 et 50. Lorsqu'il apparaît le front descendant de cette impulsion, le dispositif est prêt pour une nouvelle mesure de température.
En résumé, le compteur 50 compte les impulsions du signal délivré par le générateur d'impulsions 52 dans la fenêtre limitée par les instants t3 et t2. Le nombre N d'impulsions représente la température T à mesurer, la relation entre N et T étant sensiblement linéaire grâce au choix du résonateur.
Le réglage du thermomètre est réalisé en agissant sur la fréquence fc du signal délivré par le générateur 52 et sur la valeur de la capacité 44 de l'oscillateur de référence.
La figure 6 montre plusieurs droites pour différents réglages D1, D2 et D3 qui donnent la relation sensiblement linéaire entre la température T et le nombre N d'impulsions comptées par le compteur 50. La modification de la fréquence fc permet de modifier le rapport de proportionnalité entre la température T et le nombre d'impulsions comptées. Elle agit donc sur la valeur de l'angle Y (Y1, Y2...) Au contraire, une action sur la capacité 44 modifie la valeur de référence, c'est-à-dire le nombre No d'impulsions correspondant à la température
O "C. Sur la figure 6, la droite D1 correspond à un réglage optimal puisque No =0 pour T O "C et que l'angle Y = Y2 correspond à une bonne sensibilité du thermomètre.
Pour régler la valeur de la capacité 44, le thermomètre (oscillateur A) est placé dans une ambiance à O "C.
Le temps Tt correspond donc à la température To. La capacité 44 est modifiée jusqu'à ce que le compteur 50 ne compte aucune impulsion du générateur 52. Dans cette situation, Tut = Tt et l'oscillateur B délivre donc un signal à une fréquence de référence correspondant à T O "C Ce réglage est bien sûr indépendant du réglage de la fréquence fc.
La valeur de l'angle Y est réglée en agissant sur la fréquence fc sans modifier la capacité 44.
Si le résonateur a un coefficient a du premier degré de 30.lot 0 "C et si M (taux de comptage des compteurs 46 et 48) vaut 2.10-5, un accroissement de la température de 1 "C entraîne une diminution du temps de comptage de lOus. Si donc la fréquence fc est choisie égale à 10 MHz (période Tc = 0.1 uns)
N vaudra 100. En conséquence, si la fréquence du résonateur 2 à T= O "C est égale à 300 kHz, un tel thermomètre pourra mesurer des écarts de température de 0.01 "C.
Dans l'exemple considéré deux mesures successives seront séparées par un intervalle de temps inférieur ou égal à 400 ms si les constantes de temps T1 et 12 des monostables 66 et 68 sont choisies judicieusement.
Le circuit qui vient d'être décrit ne constitue qu'un exemple de réalisation particulièrement bien adapté au problème à résoudre. I1 est clair cependant que d'autres circuits pourraient être utilisés. Il suffit que ces circuits comportent un dispositif qui permette de mesurer la différence de fréquence entre le signal délivré par l'oscillateur de mesure et le signal délivré par l'ocilatteur de référence. et un dispositif pour afficher cette mesure de préférence sous forme numérique.
Il résulte de la description précédente que, grâce au choix du résonateur et de son mode d'excitation. le thermomètre objet de l'invention a une structure simple et donc peu coûteuse.
Il apparaît également clairement que l'usinage du quartz est simplifié, qu'il s'agisse d'un diapason ou d'un barreau. En effet, la coupe utilisée est toujours relativement proche d'une coupe Z.
Le circuit de traitement a une structure simple ét permet un réglage aisé du thermomètre. De plus, du fait que le résonateur travaille à une fréquence de l'ordre de 300 kHz, la consommation électrique est réduite.
En outre, malgré ces simplifications multiples, le thermomètre permet d'obtenir une mesure de température avec une bonne résolution (0,01 "C) et une périodicité de mesure suffisamment faible (de l'ordre de 400ms) pour contrôler des variations rapides de température.
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CLAIMS
1. Quartz thermometer, characterized in that it comprises:
a resonator comprising at least one elongated element of quartz, the length of which is substantially parallel to the axis X of the crystal, the element or each element having two faces parallel to each other and perpendicular to an axis Z 'making an angle 0 with l optical axis Z of the quartz crystal between + 30 and - 30, and electrodes arranged parallel to the axis
X, each electrode being arranged on one of the two faces of the element close to each of the edges thereof, said resonator delivering an electrical signal whose frequency variations are a substantially linear function of the temperature;
and
an electronic circuit for processing the signal delivered by said resonator and supplying at its output a quantity representing the temperature to which said resonator is subjected.
2. Thermometer according to claim 1, characterized in that said resonator comprises a single element formed by a parallelepiped quartz bar with a substantially rectangular cross section having a large side arranged along said faces and a small side.
3. Thermometer according to claim 1, characterized in that said resonator comprises two elements, in that each element consists of a branch of a tuning fork, and in that each branch has the shape of a parallelepiped with a rectangular cross section having a large side arranged along said faces and a small side.
4. Thermometer according to one of claims 2 and 3, characterized in that the ratio between the lengths of the small and the long side of the cross section is between 0.4 and 0.8.
5. Thermometer according to claim 4, characterized in that the angle 0 is between + 10 and - 10
6. Thermometer according to one of claims 2 to 4, characterized in that the angle û is substantially equal to +2 ', and in that the ratio between the small and the large side is substantially equal to 0.68.
7. Thermometer according to claim 3, characterized in that the electrodes are supplied by two different voltages, the two electrodes arranged on the same face of the same branch being brought to different voltages, and two electrodes of the same branch are facing being brought to different voltages.
8. Thermometer according to one of claims 1 to 7, characterized in that said electronic circuit comprises:
- an adjustable frequency reference oscillator;
- Means for comparing the frequency of the signal delivered by said resonator and said reference oscillator (B) and producing an indication of temperature from the difference between the frequencies of these signals; and
- Means for displaying said temperature indication.
9. Thermometer according to claim 8, characterized in that said comparison means comprise:
- Means for counting M pulses delivered by said resonator and for delivering a first signal when the M pulses are counted;
- Means for simultaneously counting M pulses delivered by said reference oscillator and for delivering a second signal when the M pulses are counted;
- Means for delivering an adjustable frequency measurement signal; and
- Means for counting the pulses of said measurement signal between said first and second signals.
The present invention relates to a quartz thermometer.
More specifically, the present invention relates to a thermometer in which the temperature-sensitive element is a quartz resonator vibrated by an oscillator circuit so as to deliver an electrical signal whose frequency is representative of the temperature at which it is submitted the resonator.
Temperature measuring devices using a quartz resonator as a sensor are already well known. It is well known that the frequency of such a resonator varies with temperature. The relation between the oscillation frequency of quartz and the temperature can be represented by the following polynomial expression: f, = f ,, [I + a (T-To) + P (T-To) Z] in which fiv0 and To are constants, T the temperature to be measured, and fT the frequency of the quartz oscillator subjected to the temperature T, a and ss being coefficients independent of the temperature.
It is not enough, in general, that the frequency depends on the temperature T, but it is very desirable that this dependence is as linear as possible. The essential advantage of this type of thermometer, compared to all other known devices, lies in the fact that it performs direct temperature / frequency conversion, that is to say that information on the temperature is presented. in near digital form. Another advantage of this type of thermometer is that frequency is a physical quantity which is measured with a resolution as large as desired if the measurement time is increased accordingly.
I1 already exists on the market of thermometers provided with a probe containing a vibrating quartz crystal and whose frequency depends on the temperature in a very linear way. A first device, manufactured by the Hewlett-Packard Company
USA, uses LC cut quartz excited at a frequency of 28 MHz. This instrument has a sensitivity of the order of 1000
Hz by "C. In the device manufactured by the company Tokyo
Dempa, the oscillating quartz has a YS cut and it is excited with a frequency of the order of 10 MHz. This device has a sensitivity of the same order of magnitude as that which was mentioned above.
These high precision instruments are however very expensive and the quartz resonators used as sensitive elements have the disadvantage of being very bulky, because they are manufactured using a technology which does not allow easy miniaturization. On the other hand, their manufacturing method is not suitable for mass production. Finally, as their vibration mode corresponds to a frequency equal to or greater than 10 MHz, the electronic circuits which process the signal delivered by the quartz resonator consume a relatively high amount of electrical energy.
To avoid these drawbacks, a first object of the invention is to provide a quartz thermometer having good linearity as a function of temperature and which is relatively compact.
A second object of the invention is to provide such a thermometer in which the resonator is easy to manufacture by modern machining techniques, such as chemical etching.
A third object of the invention is to provide such a thermometer in which the electronic circuit is relatively simple.
A fourth object of the invention is to provide such a thermometer which operates at lower frequencies than those of the devices of the prior art to reduce the consumption of electrical energy of the electronic circuit associated with the resonator.
A fifth object of the invention is to provide such a
thermometer in which the resonator has a dynamic capacity C, sufficient to be able to oscillate the resonator stably with an acceptable low energy consumption.
These aims are achieved thanks to the fact that the quartz thermometer according to the invention comprises:
a resonator comprising at least one elongated element made of quartz, the length of which is substantially parallel to the axis X of the crystal, the element or each element having two faces parallel to each other and perpendicular to an axis Z 'making an angle 0 with l optical axis Z of the quartz crystal between +30 "and - 30", and electrodes arranged parallel to the X axis, each electrode being arranged on one of the two faces of the element near each of the edges of that here, said resonator delivering an electrical signal whose frequency variations are a substantially linear function of the temperature;
and
- an electronic circuit for processing the signal delivered by the resonator and providing at its output a quantity representing the temperature to which the resonator is subjected.
The resonator is formed either by a tuning fork or by a bar.
To say that the variations in frequency of the signal delivered by the resonator are a substantially linear function of temperature means that, in the polynomial relationship given above, between frequency and temperature, the coefficient a of the first degree is much greater than the coefficient ss. This does not necessarily mean that the coefficient ss is zero. For example, the ratio between the two is of the order of 102 to 103.
Furthermore, the ratio between the effect thickness and the width w of the quartz element is preferably chosen so that, in addition, the absolute value of a is large so that the resonator has a high dependence on temperature, i.e. high sensitivity. This ratio is between 0.4 and 0.8.
More preferably, the angle O is between + 10 "and - 10" to have an easily achievable cutting angle while having good linearity in the sense indicated above.
These objects and advantages of the invention, as well as others, will appear more clearly on reading the following description of several preferred embodiments of the invention.
The description refers to the attached drawings, in which:
- Figure 1 is a perspective view of a tuning fork-shaped resonator usable in the invention, the figure further showing the different tuning fork definition parameters;
- Figure la represents the tuning fork according to the cutting plane
A-A of Figure 1;
- Figure 2 is a perspective view of a quartz bar used in the invention, the figure further showing the different parameters of the bar definition;
;
- Figure 3 shows curves giving the temperature coefficient a of the first order and ss of the second order of a resonator excited in torsion for a cutting angle O = +2 "with the optical axis Z of the quartz as a function of the ratio ew the dimensions of the thickness and the width of the quartz element;
- Figure 4 shows an embodiment of the electrical circuit for processing the signals delivered by the resonator;
- Figures 5a and 5b show time diagrams explaining the operation of the processing circuit; and
FIG. 6 represents adjustment curves of the ther mometer.
As already explained, the thermometer of the invention comprises on the one hand a quartz resonator the electrodes of which are located and supplied to energize the quartz element in torsion and on the other hand an electronic circuit for displaying the temperature measured by the resonator.
Referring to Figures 1, la and 3, there will first be described a first embodiment of the invention according to which the resonator is constituted by a tuning fork 2 made of quartz. The tuning fork 2 comprises a base 4 by which it is fixed to the pedestal 6. I1 of course also includes two branches 8 and 10, the cross section of which is substantially rectangular.
This straight section has a short side of length or thickness of the tuning fork and a large side w or width of the branch of the tuning fork. Each branch of the tuning fork 8 and 10 thus has the shape of a rectangular parallelepiped. In FIG. 1, the directions corresponding to the length L, the width w and the thickness of a branch of the tuning fork are respectively marked by the axes X ', Y' and Z '. Figure 1 also shows the orientation of the X ', Y' and Z 'axes of the resonator with respect to the X, Y and Z axes of the quartz.
According to the invention, the tuning fork is cut in such a way that its length is arranged substantially along the axis X of the quartz, that is to say that the directions X and X ′ are substantially combined. On the other hand, the axis Z 'of the tuning fork makes an angle O with the optical axis of the quartz. The same goes of course for the Y 'axis with respect to the Y axis.
As already explained, the tuning fork must be twisted. For this, metallizations are deposited on the faces 9, 9 'and 11, 11' corresponding to the width w of the branches of the tuning fork.
More precisely for each branch of the tuning fork, each face is provided with two electrodes parallel to the length of the arms and arranged on the edges of the faces, that is to say near the sides of each branch. As shown in the figure, the face 9 of the branch 8 is provided with electrodes 12 and 13 while the face 9 'is provided with electrodes 12' and 13 '. Similarly, the faces 11 and 11 'of the branch 10 are provided with electrodes 14 and 15, and 14' and 15 'respectively. In addition, the electrodes of the same face of a branch are brought to different potentials and the electrodes of the same branch facing each other are also brought to different potentials.
Finally, the two interior electrodes on the same face (upper or lower) are at the same potential. Thus in the figure the electrodes 12, 13 ', 14' and 15 are brought to a positive potential while the electrodes 12 ', 13, 14 and 15' are brought to a negative potential the two branches 8 and 10 of the tuning fork vibrate thus in torsion.
This arrangement also makes it possible to vibrate asymmetrically the branches 8 and 10 of the tuning fork in order to compensate for their respective kinetic moments.
Figure 1 shows a concrete embodiment of the conductive metallizations to form the electrodes as well as the connections between the electrodes to be brought to the same potential. This figure does not respect the proportions between the dimensions of the tuning fork in order to make the layout of the metallizations more readable. The electrodes 12 and 14 are extended at the level of the base 4 by conductive deposits 16 and 17 forming connection pads with positive and negative potentials. The electrodes 13 and 15 are extended by metallizations 18 and 19 arranged at the free ends of the branches of the tuning fork. In addition, a metallization 20 connects the electrodes 13 and 14 together. On the lower faces of the branches, the metallizations have a corresponding arrangement.
The electrodes 13 'and 15' are extended by conductive deposits 16 'and 17' at the base 4. The electrodes 12 'and 14' are extended by metallizations 18 'and 19' facing the metallizations 18 and 19 Finally, the electrode 13 'is connected to the electrode 14' by the metallization 20 '. The electrical connection between the metallizations on the two faces is carried out by metallizations on the sides and the ends of the branches and of the base. More precisely, the metallizations 18 and 18 'are joined by the metallization 18 "while the metallizations 19 and 19' are joined by the metallization 19". At the base 4 the metallizations 16 and 16 'are joined by the metallization 16 "while the metallizations 17 and 17' are joined by the metallization 17".
These metallizations are carried out conventionally by depositing a layer of chromium and a layer of gold, or else a layer of aluminum or other metal. It is interesting to observe that the only metallizations to be carried out on the flanks do not form the electrodes proper and that, in addition, the areas where these metallizations must be made are easily accessible. (end of branches, sides of base). The overall production of metallizations therefore poses no major problem.
Furthermore, to obtain a good linearity between the temperature and the frequency delivered by the thermometer, it is necessary to choose on the one hand the angle O and on the other hand the value of the ratio e in certain ranges. To optimize the li
w nearity of the response in the sense defined previously, it is also necessary to respect a relationship between the value chosen for O and the value of the ratio e
w
More precisely, with the type of electrodes chosen, the angle O must be between -30 "and +30". In addition, the ratio vN must be between 0.4 and 0.8.
Figure 3 gives, for 8 = +2 "; the value of the coefficient p expressed in 10-9" C-2 (curve I) and of the coefficient expressed in e 10-6 C¯ (curve 11) for different value of w report
These curves show that it is possible to produce a resonator in which the coefficient p is zero. The thermometer's response is then perfectly linear. These curves again show that it is possible to choose the ratio in such a way that the coefficient ss remains low while having a high value of a, that is to say a very sensitive thermometer.
In addition, the length L of the branches of the tuning fork is chosen so that the frequency of the tuning fork is of the order of a few hundred kHz, typically a multiple of 32.738 kHz which is the frequency of the quartz crystals used as time base.
As an example, a thermometer with a
torsionally excited tuning fork quartz with the characteristics
following ques:
8 = +2 "w = 0.230 mm
e = 0.125 mm e = 0.55 w
L = 2.75 mm (length of a branch of the tuning fork).
In this case, the excitation frequency is 262.144 kHz and the temperature coefficients of this thermometer are: a = 35.106 "C- 'P = 20.109" C-2
It is important to observe that the cut with 8 = +2 "corresponds to the cuts conventionally used to make the quartz resonators constituting the time base of electronic watches. Such machining is therefore perfectly mastered, for example by chemical attack. the dynamic capacity of this tuning fork is 0.33 fF which is high for a quartz vibrating in torsion. It should also be noted that the oscillation frequency of 262.144 kHz is very low compared to the frequencies of a few MHz at which the resonators vibrate known thermometers according to the prior art.
Finally, the resonator has very good linearity in its dependence on temperature in the sense that this expression must be understood in the present text. Indeed if ss is not zero, the ratio e is 1.75.103. The effect of the term of the first
w degree is therefore largely preponderant compared to the term of the second degree. However, the absolute value of a is very high 35.106 C ', which ensures a very high temperature sensitivity. The two conditions for having a good temperature sensor are therefore met.
e
Figure 3 shows that by choosing a ratio equal to 0.58, we obtain a coefficient ss which is zero and a coefficient a which is worth a little more than 20.10-6 C-i. It is therefore still a very acceptable value of a.
It was previously indicated that the angle O could be between -30 "and +30". It should however be specified that by limiting oneself to a range - 10 "and + 10" the thermal properties are preserved while remaining in cutting angles relatively close to the Z cut. They are therefore resonators which can be easily machined by chemical attack.
In addition by adapting a slightly negative angle O for example between 0 and -10 ", and by preserving a ratio W in the already defined range it is possible to obtain a coefficient ss zero or substantially zero with a coefficient a clearly greater than 20.10- -6 "Ce ', for example of the order of at least 30.106
or "C- '.
Furthermore, when it is indicated that the length of the tuning fork is substantially parallel to the X axis, this means that to define the plane of the tuning fork, after the rotation of the angle O around the X axis there may be a rotation at a reduced angle around OY '.
Figure 2 shows another resonator usable in the thermometer according to the invention. The resonator 2 'has the shape of a parallelepiped bar of width w' and of thickness e '.
The quartz bar 21 has its length arranged along the axis
X of the quartz and the perpendicular Z 'to its upper and lower faces makes an angle O of between +30 "and -30" with the axis Z of the quartz.
The electrodes are arranged on the two half-bars 21a and 21b fictitiously separated by the nodal plane N represented in phantom. The electrodes 22 and 23 are arranged on the upper face of the half-bar 21a near its edges.
Similarly, the electrodes 22 ′ and 23 ′ are arranged on the underside of the half-bar 21 a opposite the electrodes 22 and 23 respectively. For the half-bar 21 b, there are the electrodes 24 and 25 on the upper face and the electrodes 24 'and 25' on the lower face opposite the electrodes 24 and 25. For the bar to vibrate in torsion, it is necessary that for each half-bar there is the same arrangement of electrodes as for a branch of the tuning fork 2 and that moreover the two electrodes symmetrical with respect to the nodal plane N are brought to opposite potentials. For this, the electrodes 23 and 24 are connected by the metallization 26 intersecting the nodal plane, and the electrodes 23 'and 24' are connected by the metallization 26 'which also intersects the nodal plane.
In addition, the electrodes 22 and 24 'are connected by the metallization 27 which intersects the nodal plane and the electrodes 23 and 25' are connected by the metallization 27 'which also intersects the nodal plane. The metallizations 27 and 27 'are arranged on the sides of the bar. Finally, the electrodes 24 'and 25 are connected by the metallizations 28 and 29 arranged on the underside and on a flank near the end of the half-bar 21b, while the electrodes 22' and 23 are connected by the metallizations 28 'and 29' arranged on the underside and on a flank near the end of the half-bar 21a.
Finally, the conducting wires 3 la and 3 la 'are fixed on the metallizations 26 and 27' to bring the electrodes 22 ', 23, 24 and 25' to a negative potential. The conducting wires 3 la, 3 la ', 3 lb and 3 lb' are all arranged in the nodal plane of the quartz bar vibrating in torsion to ensure the support of the quartz bar.
Referring now to Figure 4, there will be described an embodiment of the electronic processing circuit which, with the resonator, constitutes the thermometer.
In general, the thermometer comprises: an oscillating measurement circuit A including the temperature sensor constituted by the resonator; a reference oscillating circuit B; a comparison circuit C; and a display and reset circuit D.
The oscillating measurement circuit A comprises the vibrating element 2 for measurement described above and the maintenance circuit of known type. This circuit includes the amplifier 30 with, in counter-reaction, the oscillating element 2. Capacities 32 and 34 are mounted respectively between the input and the output of the amplifier on the one hand and the ground on the other go. This circuit is completed by an isolation amplifier 36.
A reference oscillating circuit B has a substantially identical structure and comprises the amplifier 38 with, in feedback, the reference oscillating element 40. This circuit also comprises the capacitors 42 and 44. It must be observed that the capacity 44 is adjustable in order to be able to adapt the reference frequency as will be explained later.
Comparison means C essentially comprise two counters per M (M: whole number) referenced 46 and 48 respectively, a third counter 50 and a generator 52 of electric pulses with adjustable frequency. More precisely, the clock inputs 46a and 48a of the counters 46 and 48 receive the pulses delivered by the oscillating circuits A and B. The outputs 46b and 48b of the counters 46 and 48 are connected to the two inputs of a gate OR EXCLUSIVE 54 The variable frequency source 52 preferably consists of a generator 52a which delivers a pulse signal at a fixed high frequency and the output of which is connected to a programmable divider 52b. At the output of the divider 52b, the signal therefore has the frequency fc adjusted by the division rate of the divider 52b.
Of course, the generator 52 could also consist of a generator with controllable frequency.
The output of the generator 52 and the output of the gate 54 are connected respectively to the two inputs of an AND gate 56.
The clock input 50a of the third counter 50 is connected to the output of the AND gate 56. The outputs of the counters 46 and 48 are connected respectively to the D input and to the clock input 58a of a bistable D 58 whose function is to give the sign of the temperature measured by the oscillating element, that is to say the order in which the rising edge of the signals delivered by the meters 46 and 48 occurs respectively.
The display and reset circuit D comprises a latch 60 whose inputs are connected to the binary outputs 501 to 50n of the counter 50. The latch 60 is itself connected to a decoding and display assembly 62. L the display assembly 62 includes a particular input 62a connected to the output of the bistable 58 to display the sign of the temperature relative to port 0 "C.
The outputs 46b and 48b of the counters 46 and 48 are also respectively connected to the two inputs of an AND gate 64. The output of the gate 64 is connected to the input of the monostable 66 which is of the non-re-excitable type. The output 66a of the monostable 66 delivers a control signal LD which is applied on the one hand to the input of the second monostable 68 and on the other hand to the control input 60a of the latch 60. The monostable 68 delivers a pulse of reset which is applied to the reset inputs 46c, 48c and 50c of the counters 46, 48 and 50 respectively.
The operation of the thermometer which has just been described is as follows:
The counter 46 counts the pulses delivered by the measurement oscillator A. When the counter has counted M pulses, its output goes to logic state 1, as shown in the diagram (1) of FIGS. 5a and 5b.
Simultaneously, the counter 48 counts the pulses delivered by the reference oscillator B. When the counter has counted M pulses, its output goes to logic level 1, as shown in the diagram (2) of FIGS. 5a and 5b. Let T1 be the time that the counter 46 takes to count M pulses and Tr the time that the counter 47 takes to count M pulses. The signal L which appears at the output of the EXCLUSIVE OR gate 54 has a logic level 1 between the times tl and t2 where the outputs of the counters 46 and 48 pass to the logic state 1. The signal L therefore has the logic level 1 for a duration Tt-Tr. In the case of FIG. 5a, the time Tt is less than the time Tt, that is to say that the temperature to be measured is greater than the reference temperature.
On the contrary, in the case of FIG. 5b, the time Tt is greater than the time Tr, therefore the temperature to be measured is lower than the reference temperature To.
The counter 50 receives on its input 50a the pulses of the signal P delivered by the AND gate 56 so it receives the pulses delivered by the generator 52 between the instants tl and t2.
Consequently, from the instant t2 (fig. Sa), the content of the counter 50 is equal to the number of pulses N emitted by the generator 52 during the time Tt-Tr. This number N is representative of the temperature T to be measured as will be explained later. In addition, at time t2 (fig. Sa), the AND gate 64 sees its output pass to logic level 1, during the time t, fixed by its time constant, which gives the signal LD.
The LD signal delivered by the monostable 66 controls the unlocking of the latch 60 and the number N of pulses is applied to the decoding and display system 62. The falling edge of the LD signal causes the state of the monostable output to change state 68 which goes to logic level 1 during the time
T2 fixed by its time constant. This pulse resets counters 46, 48 and 50 to zero. When the falling edge of this pulse appears, the device is ready for a new temperature measurement.
In summary, the counter 50 counts the pulses of the signal delivered by the pulse generator 52 in the window limited by the instants t3 and t2. The number N of pulses represents the temperature T to be measured, the relationship between N and T being substantially linear thanks to the choice of the resonator.
The thermometer is adjusted by acting on the frequency fc of the signal delivered by the generator 52 and on the value of the capacitance 44 of the reference oscillator.
FIG. 6 shows several lines for different settings D1, D2 and D3 which give the substantially linear relationship between the temperature T and the number N of pulses counted by the counter 50. The modification of the frequency fc makes it possible to modify the proportionality ratio between temperature T and the number of pulses counted. It therefore acts on the value of the angle Y (Y1, Y2 ...) On the contrary, an action on the capacitor 44 modifies the reference value, that is to say the number No of pulses corresponding to the temperature
O "C. In FIG. 6, the line D1 corresponds to an optimal adjustment since No = 0 for T O" C and the angle Y = Y2 corresponds to a good sensitivity of the thermometer.
To adjust the value of capacity 44, the thermometer (oscillator A) is placed in an atmosphere at O "C.
The time Tt therefore corresponds to the temperature To. The capacity 44 is modified until the counter 50 has no pulse from the generator 52. In this situation, Tut = Tt and the oscillator B therefore delivers a signal at a frequency of reference corresponding to TO "C This setting is of course independent of the setting of the frequency fc.
The value of the angle Y is adjusted by acting on the frequency fc without modifying the capacitance 44.
If the resonator has a coefficient a of the first degree of 30.lot 0 "C and if M (counting rate of counters 46 and 48) is 2.10-5, an increase in temperature of 1" C results in a reduction of the time of counting of the. If therefore the frequency fc is chosen equal to 10 MHz (period Tc = 0.1 uns)
N will be worth 100. Consequently, if the frequency of the resonator 2 at T = O "C is equal to 300 kHz, such a thermometer can measure temperature differences of 0.01" C.
In the example considered two successive measurements will be separated by a time interval less than or equal to 400 ms if the time constants T1 and 12 of the monostables 66 and 68 are chosen judiciously.
The circuit which has just been described constitutes only one embodiment particularly well suited to the problem to be solved. It is clear, however, that other circuits could be used. It suffices that these circuits include a device which makes it possible to measure the frequency difference between the signal delivered by the measurement oscillator and the signal delivered by the reference ocilatteur. and a device for displaying this measurement preferably in digital form.
It follows from the preceding description that, thanks to the choice of the resonator and of its excitation mode. the thermometer object of the invention has a simple structure and therefore inexpensive.
It is also clear that the machining of quartz is simplified, whether it is a tuning fork or a bar. Indeed, the cut used is always relatively close to a Z cut.
The processing circuit has a simple structure and allows easy adjustment of the thermometer. In addition, because the resonator works at a frequency of the order of 300 kHz, the power consumption is reduced.
In addition, despite these multiple simplifications, the thermometer makes it possible to obtain a temperature measurement with good resolution (0.01 "C) and a sufficiently low measurement periodicity (of the order of 400 ms) to control rapid variations in temperature.