FR2489510A1 - QUARTZ THERMOMETER - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un thermomètre à quartz. The present invention relates to a quartz thermometer.
De façon plus précise, la présente invention concerne un thermomètre dans lequel l'élément sensible à la température est 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. 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 is submitted the resonator.
Les appareils de mesure de la température utilisant un résonateur à quartz comme senseur sont déjà bien connus. I1 est en effet bien connu que la fréquence d'un tel résonateur varie avec la température. La relation entre la fréquence d'oscillateur du quartz et la température peut être représentée par l'expression polynomiale suivante f T fTo 1 + a (T - To) + ss (T - To)2 + dans laquelle fTo, a, ss et To sont des constantes, T la température à mesurer, et f T la fréquence de l'oscillateur à quartz soumis à cette température. Temperature measuring devices using a quartz resonator as a sensor are already well known. It is indeed well known that the frequency of such a resonator varies with temperature. The relationship between the oscillator frequency of quartz and the temperature can be represented by the following polynomial expression f T fTo 1 + a (T - To) + ss (T - To) 2 + in which fTo, a, ss and To are constants, T the temperature to be measured, and f T the frequency of the quartz oscillator subjected to this temperature.
I1 ne suffit pas, en général,que la fréquence dépende de la température T, mais il est très avantageux que cette dépendance soit aussi linéaire que possible. It is not enough, in general, that the frequency depends on the temperature T, but it is very advantageous that this dependence is as linear as 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-numerique. 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.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 quasi-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 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 OC. Dans l'appareil fabriqué par la société Tokyo Dempa, le quartz oscillant présente une coupe YS et il est excité avec une fré- quence de l'ordre de 10 MHz. Cet appareil présente une sensibilité du même ordre de grandeur que celui qui a été cité précédemment.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 USA company uses cut quartz
LC excited at a frequency of 28 MHz. This instrument has a sensitivity of the order of 1000 Hz per OC. In the device manufactured by Tokyo Dempa, the oscillating quartz has a YS cut and 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.
Ces instruments de haute précision sont cependant très chers et les résonateurs à quartz utilisés comme éléments sensibles ont l'inconvénient d'être 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 ntest 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. These high-precision instruments are however very expensive and the quartz resonators used as sensitive elements have the drawback of being very bulky, since 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.
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 tempéra- ture et qui est relativement compact. 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.
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. 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.
Un troisième objet de l'invention est de fournir un tel thermomètre dans lequel le circuit électronique est relativement simple. A third object of the invention is to provide such a thermometer in which the electronic circuit is relatively 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. 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.
Pour atteindre ces buts, l'invention consiste à utiliser comme thermomètre un résonateur à quartz excité en torsion et dont la grande longueur est sensiblement parallèle à l'axe X du quartz. Ce résonateur peut être constitué par un barreau sensiblement parallélépipédique ou par un diapason. To achieve these aims, the invention consists in using as a thermometer a quartz resonator excited in torsion and whose long length is substantially parallel to the X axis of the quartz. This resonator can be constituted by a substantially parallelepiped bar or by a tuning fork.
Selon une caractéristique préférée de l'invention, le rapport entre les valeurs des petit et grand câ- tés, de la section droite du résonateur, c'est-à-dire respectivement son épaisseur et sa largeur, est compris entre 0 et 0,8. According to a preferred characteristic of the invention, the ratio between the values of the small and large sides, of the cross section of the resonator, that is to say respectively its thickness and its width, is between 0 and 0, 8.
Selon une autre caractéristique préféree de l'invention, le résonateur est orienté de manière que son petit côté fasse un angle compris entre + 40 et + 900 ou entre - 500 et - 900 avec l'axe Y du quartz. According to another preferred characteristic of the invention, the resonator is oriented so that its short side makes an angle between + 40 and + 900 or between - 500 and - 900 with the Y axis of the quartz.
Ces objets et avantages de l'invention ainsi que d'autres eneore apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes préférés de réalisation de 1 t 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 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 ss du deuxième ordre d'un quartz excité en torsion pour différentes valeurs de l'angle de coupe + avec l'axe Y du quartz en fonction du rapport b/a des dimensions de ltépaisseur et de la largeur de ltélé- ment en quartz;
- la figure 4 représente un exemple de réalisation du circuit électrique de traitement des signaux déli vrés par le résonateur;
- les figures 5a et 5b montrent des diagrammes des temps expliquant le fonctionnement du circuit de traitement; et
- la figure 6 représente des courbes de réglage du thermomètre.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 accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a perspective view of a tuning fork-shaped resonator usable in the invention, the figure also showing the different parameters for defining the tuning fork;
- 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;
FIG. 3 shows curves giving the temperature coefficient ss of the second order of a quartz excited in torsion for different values of the cutting angle + with the axis Y of the quartz as a function of the ratio b / a of the dimensions of the thickness and width of the quartz element;
- Figure 4 shows an exemplary 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
- Figure 6 shows thermometer adjustment curves.
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. 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.
En se référant aux figures 1 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 fixé 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 b ou épaisseur du diapason et un grand côté a ou largeur de la branche du diapason. Referring to Figures 1 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 whose cross section is substantially rectangular. This straight section has a short side of length b or thickness of the tuning fork and a large side a or width of the branch of the tuning fork.
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 a et 1 'épaisseur b d'une branche du diapason sont repérées par les axes
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.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 a and the thickness b of a branch of the tuning fork are marked by the axes
Y 'and Z'. FIG. 1 also shows the orientation of the axes X ', Y' and Z 'of the resonator with respect to the axes X,
Y and Z of 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, l'axe Y' du diapason fait un angle avec l'axe Y du quartz. Il en va bien sûr de même pour l'axe Z' par rapport à l'axe Z.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 Y 'axis of the tuning fork makes an angle with the Y axis of the quartz. The same goes of course for the Z 'axis with respect to the Z axis.
Ainsi que cela a déjà été expliqué, le diapason doit être excité en torsion. Pour cela, des métallisations sont déposées sur les faces correspondant à la largeur a, et sur les flancs correspondant à l'épaisseur b de chaque branche du résonateur 2. Les électrodes se faisant face sont portées au même potentiel, et les électrodes disposées sur les faces d'une des branches sont portées au même potentiel que les électrodes portées par les flancs de l'autre branche. Cette disposition permet, de plus, de faire vibrer antisymétriquement les branches 8 et 10 du diapason afin de compenser leurs moments cinétiques respectifs. As already explained, the tuning fork must be twisted. For this, metallizations are deposited on the faces corresponding to the width a, and on the sides corresponding to the thickness b of each branch of the resonator 2. The electrodes facing each other are brought to the same potential, and the electrodes placed on the faces of one of the branches are brought to the same potential as the electrodes carried by the sides of the other branch. 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.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les électrodes 12 (dont une seule est visible), disposées sur les faces de la branche 8 et l'électrode 14 disposée sur les flancs et sur l'extrémité de la branche 10 sont reliées à une borne commune qui est référencée 16. De même, les électrodes 18 (dont une seule est visible) disposées sur les faces de la branche 10 et l'électrode 20 disposée sur les flancs de la branche 8 et son extrémité sont reliées à la borne commune qui est référencée 22. In the example shown in FIG. 1, the electrodes 12 (only one of which is visible), arranged on the faces of the branch 8 and the electrode 14 disposed on the sides and on the end of the branch 10 are connected to a common terminal which is referenced 16. Similarly, the electrodes 18 (only one of which is visible) disposed on the faces of the branch 10 and the electrode 20 disposed on the sides of the branch 8 and its end are connected to the terminal municipality which is referenced 22.
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
b < p et d'autre part la valeur du rapport å dans certaines
a fourchettes. Pour optimiser la linéarité de la réponse, il faut de plus respecter une relation entre la valeur
b choisie pour < p et la valeur du rapport .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
b <p and on the other hand the value of the ratio å in certain
with forks. To optimize the linearity of the response, it is also necessary to respect a relationship between the value
b chosen for <p and the value of the ratio.
a
Plus précisément, il faut que l'angle < p soit compris entre - 900 et - 500 ou entre 400 et 900. I1 faut,
b par ailleurs, que le rapport a soit compris entre 0 et 0,8. at
More precisely, the angle <p must be between - 900 and - 500 or between 400 and 900. I1 must,
b moreover, that the ratio a is between 0 and 0.8.
La figure 3 donne en ordonnées la valeur du coef
-9 o -2 ficient ss exprimée en 10 9 C 2 en fonction de la va
b leur du rapport b portée en abcisses pour différentes va
a leurs de l'angle < P exprimé en degrés. Figure 3 gives on the ordinate the value of the coef
-9 o -2 ficient ss expressed as 10 9 C 2 as a function of the va
b their of the ratio b plotted on the abscissa for different va
at their angle <P expressed in degrees.
Ces courbes donnent donc les couples de valeurs optimales de å et de < p pour annuler effectivement le coef
a ficient ss. Les courbes donnant la valeur du coefficient a du terme du premier degré en fonction de la température
b montrent que, pour les couples de valeurs de < p et de å choisis, ce coefficient a a une valeur convenable, ce qui donne donc une bonne sensibilité au thermomètre.These curves therefore give the pairs of optimal values of å and <p to effectively cancel the coef
a ficient ss. The curves giving the value of the coefficient a of the first degree term as a function of the temperature
b show that, for the pairs of values of <p and of å chosen, this coefficient has a suitable value, which therefore gives good sensitivity to the thermometer.
A titre d'exemple, il a été réalisé un thermomètre avec un quartz diapason excité en torsion présentant les caractéristiques suivantes
< p = + 900
a = 0,22 mm b = 0,55 b = 0,12 mm a
L = 2,4 mm (longueur d'une branche du diapason)
Dans ce cas, la fréquence d'excitation est de 608 Hz et les coefficients de tempérautre de ce thermomètre sont
a = 33.10 C ss = O;
I1 est important d'observer que le choix de la valeur + 900 pour le paramètre < p est particulièrement intéressant. En effet, ce choix permet d'obtenir par usinage chimique un diapason ayant des faces latérales franches et perpendiculaires aux surfaces supérieure et inférieure.En outre, il faut relever que la fréquence de travail de 608 kHz est très réduite par rapport aux fréquences de travail des thermomètres à quartz selon l'art antérieur dont les fréquences de travail sont de l'ordre de la dizaine de MHz.As an example, a thermometer was produced with a torsionally excited diapason quartz having the following characteristics
<p = + 900
a = 0.22 mm b = 0.55 b = 0.12 mm a
L = 2.4 mm (length of a branch of the tuning fork)
In this case, the excitation frequency is 608 Hz and the temperature coefficients of this thermometer are
a = 33.10 C ss = O;
It is important to observe that the choice of the value + 900 for the parameter <p is particularly interesting. Indeed, this choice allows to obtain by chemical machining a tuning fork having clear lateral faces and perpendicular to the upper and lower surfaces. In addition, it should be noted that the working frequency of 608 kHz is very reduced compared to the working frequencies quartz thermometers according to the prior art, the working frequencies of which are around ten MHz.
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 a' et d'épaisseur b'. Les électrodes 13 et 13' sont disposées sur les faces supérieure et inférieure du barreau 2'. Elles sont reliées à une même borne 17. Les électrodes 15 et 15' sont disposées sur les flancs du barreau 2'. Elles sont reliées à une même borne 19. Ainsi, le barreau 2' vibre en torsion. Les caractéristiques thermiques du barreau 2' sont sensiblement identiques à celles qui ont été décrites en liaison avec la figure 1 et les courbes de la figure 3 restent valables pour le barreau. 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 a' and thickness b '. The electrodes 13 and 13 'are arranged on the upper and lower faces of the bar 2'. They are connected to the same terminal 17. The electrodes 15 and 15 'are arranged on the sides of the bar 2'. They are connected to the same terminal 19. Thus, the bar 2 'vibrates in torsion. The thermal characteristics of the bar 2 ′ are substantially identical to those which have been described in connection with FIG. 1 and the curves in FIG. 3 remain valid for the bar.
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. Referring now to Figure 4, there will be described an embodiment of the electronic processing circuit which, with the resonator, constitutes the thermometer.
D'une manière générale, le thermomètre comprend: un circuit oscillant de mesure A incluant le capteur de température constitué par le résonateur; un circuit oscil lant de référence B; des moyens C de comparaison des signaux délivrés par les oscillateurs A et 3; et des moyens
D d'affichage de la température et de remise à zéro du système de mesure.In general, the thermometer comprises: an oscillating measurement circuit A including the temperature sensor constituted by the resonator; a reference oscillating circuit B; means C for comparing the signals delivered by the oscillators A and 3; and means
D display of the temperature and reset of the measurement system.
Le circuit oscillant de mesure A comprend le résonateur 2 ou 2' de mesure décrit précédemment et un circuit d'entretien de type connu. Ce circuit comprend l'amplificateur 30 avec, en contre-réaction, le résonateur 2. Des capacités 32 et 34 sont montées 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. The oscillating measurement circuit A comprises the measurement resonator 2 or 2 ′ described above and a maintenance circuit of known type. This circuit comprises the amplifier 30 with, in feedback, the resonator 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 hand. This circuit is completed by an isolation amplifier 36.
Le circuit oscillant de référence B a une structure sensiblement identique et comprend l'amplificateur 38 avec, en contre-réaction, le résonateur de référence 40. The reference oscillating circuit B has a substantially identical structure and comprises the amplifier 38 with, in feedback, the reference resonator 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.This circuit further comprises the capacitors 42 and 44. It should be noted that the capacitor 44 is adjustable in order to be able to adapt the reference frequency as will be explained later.
Les 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 4 réglée par le taux de division du diviseur 52b. Bien entendu, le générateur 52 pourrait aussi être constitué par un générateur à fréquence commandable. The comparison means C essentially comprise two counters by 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 an EXCLUSIVE OR gate 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 4 adjusted by the division rate of the divider 52b. Of course, the generator 52 could also consist of a generator with controllable frequency.
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, c'est-à-dire l'ordre dans lequel se présentent le front de montée des signaux délivrés respectivement par les compteurs 46 et 48.The output of the generator 52 and the output of the gate 54 are respectively connected 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 input D and to clock input 58a of a bistable
D 58 whose function is to give the sign of the temperature, that is to say the order in which the rising edge of the signals delivered by the meters 46 and 48 occurs respectively.
Le circuit d'affichage et de remise à zéro D comprend un latch 60 dont les entrées sont reliées aux sorties binaires 501 à 50 du compteur 50. Le latch 60
n 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 rapport à OOC. The display and reset circuit D includes a latch 60, the inputs of which are connected to the binary outputs 501 to 50 of the counter 50. The latch 60
n is itself connected to a decoding and display assembly 62. 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 OOC.
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. 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 which is applied to the reset inputs 46c, 48c and 50c of the counters 46, 48 and 50 respectively.
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.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.
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 Tt le temps que met le compteur 46 à compter M impulsions et T le temps que met le compteur
r 48 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
1 2 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 T t T T . Dans le cas
r de la figure 5a, le temps T t est inférieur au temps Tr, c 'est-à-dire 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.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 Tt be the time that the counter 46 takes to count M pulses and T the time that the counter takes
r 48 counting M pulses. The signal L which appears at the output of the EXCLUSIVE OR gate 54 has a logic level 1 between the instants tl and t2
1 2 the outputs of counters 46 and 48 go to logic state 1. Signal L therefore has logic level 1 for a duration T t TT. In the case
r of FIG. 5a, the time T t is less than the time Tr, 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 less than the reference temperature.
Le compteur 50 reçoit sur son entrée 50a les impulsions du signal P délivré par la porte ET 56. I1 reçoit donc les impulsions délivrées par le générateur 52 entre les instants tl et t2. En conséquence, à partir de l'instant t2 (fig. 5a), le contenu du compteur 50 est égal au nombre d'impulsions N émises par le générateur 52 pendant le temps Tt - T . Ce nombre N est représentatif
r de la température T à mesurer comme cela sera expliqué ultérieurement. De plus, à l'instant t2 (fig. 5a), la porte
ET 64 voit sa sortie passer au niveau logique 1, puisque ses deux entrées sont au niveau logique 1. La sortie du monostable 66 passe donc au niveau logique 1 pendant le temps T1 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 du mono stable 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' apparaît le front descendant de cette impulsion, le dispositif est prêt pôur une nouvelle mesure de température.The counter 50 receives on its input 50a the pulses of the signal P delivered by the AND gate 56. I1 therefore receives the pulses delivered by the generator 52 between the instants tl and t2. Consequently, from the instant t2 (fig. 5a), the content of the counter 50 is equal to the number of pulses N emitted by the generator 52 during the time Tt - T. This number N is representative
r of the temperature T to be measured as will be explained later. In addition, at time t2 (fig. 5a), the door
ET 64 sees its output passing to logic level 1, since its two inputs are at logic level 1. The output of the monostable 66 therefore passes to logic level 1 during the time T1 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 mono output to change. stable 68 which passes 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.
En résumé, le compteur 50 compte les impulsions du signal délivré par le générateur d'impulsions 52 dans la fenêtre limitée par les instants tl et t2. Le nombre
N d'impulsions représente la température T à mesurer, la relation entre N et T étant bien linéaire grâce au choix du résonateur 2.In summary, the counter 50 counts the pulses of the signal delivered by the pulse generator 52 in the window limited by the instants t1 and t2. The number
N of pulses represents the temperature T to be measured, the relationship between N and T being very linear thanks to the choice of the resonator 2.
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. 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.
La figure 6 montre plusieurs droites pour différents réglages D1, D2 et D3 qui donnent la relation 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. FIG. 6 shows several lines for different settings D1, D2 and D3 which give the 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.
Elle agit donc sur la valeur de l'angle Y(Y1XY2 ) 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 OOC. Sur la figure 6, la droite D1 correspond à un réglage optimal puisque No = 0 pour T = 0 et que l'angle y = y2 correspond à une bonne sensibilité du thermomètre.It therefore acts on the value of the angle Y (Y1XY2) 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 OOC. In Figure 6, the line D1 corresponds to an optimal setting since No = 0 for T = 0 and that the angle y = y2 corresponds to a good sensitivity of the thermometer.
Pour régler la valeur de la capacité 44, la partie sensible du thermomètre (oscillateur A) est placée dans une ambiance à 0 0C. Le temps Tt correspond donc à
o la température O C. La capacité 44 est modifiée jusqu'à ce que le compteur 50 ne compte aucune impulsion du géné rateur 52. Dans cette situation, T = Tt et l'oscillateur
r t
B délivre donc un signal à une fréquence de référence correspondant à T = OOC. Ce réglage est bien sûr indépendant du réglage de la fréquence fC. To adjust the value of the capacity 44, the sensitive part of the thermometer (oscillator A) is placed in an atmosphere at 0 ° C. The time Tt therefore corresponds to
o the temperature O C. The capacity 44 is modified until the counter 50 does not count any pulse from the generator 52. In this situation, T = Tt and the oscillator
rt
B therefore delivers a signal at a reference frequency corresponding to T = OOC. This setting is of course independent of the setting of the frequency fC.
La valeur de l'angle y est réglée en agissant sur la fréquence f C sans modifier la capacité 44. The value of the angle y is adjusted by acting on the frequency f C without modifying the capacitance 44.
Si le résonateur a un coefficient a du premier degré de 30.10 600C et si M (taux de comptage des compteurs 46 et 48) vaut 2-105, un accroissement de la température de 1 0C entraîne une diminution du temps de comptage de lOus. Si donc la fréquence f C est choisie égale à 10 MHz (période TC = O.lps) N vaudra 100. En conséquence, si la fréquence du résonateur'2 à T = OOC est égale à 600 kHz, un tel thermomètre pourra mesurer des écarts de température de 0.010C. If the resonator has a coefficient a of the first degree of 30.10 600C and if M (counting rate of counters 46 and 48) is worth 2-105, an increase in temperature of 1 0C involves a reduction in the counting time of the Ous. If therefore the frequency f C is chosen equal to 10 MHz (period TC = O. lps) N will be worth 100. Consequently, if the frequency of the resonator '2 at T = OOC is equal to 600 kHz, such a thermometer can measure temperature differences of 0.010C.
Dans l'exemple considéré deux mesures successives seront séparées par un intervalle de temps inférieur ou égal à 400ms si les constantes de temps t1 et T2 des monostables 66 et 68 sont choisies judicieusement. 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 T2 of the monostables 66 and 68 are chosen judiciously.
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. I1 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'oscillateur de référence, et un dispositif pour afficher cette mesure de préférence sous forme numérique. 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 oscillator, and a device for displaying this measurement preferably in digital form.
I1 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. It follows from the preceding description that, thanks to the choice of the resonator and of its excitation mode, the thermometer which is the subject of the invention has a simple structure and therefore inexpensive.
I1 apparaît également clairement que l'usinage du quartz est simplifié, qu'il s'agisse d'un diapason ou d'un barreau. En particulier, lorsque l'angle < p vaut 900, le résonateur peut aisément être usiné par attaque chimique. It is also clear that the machining of quartz is simplified, whether it is a tuning fork or a bar. In particular, when the angle <p is 900, the resonator can easily be machined by chemical attack.
Le circuit de traitement a une structure simple et permet un réglage aisé du thermomètre. De plus, du fait que le résonateur travaille à une fréquence de l'ordre de 600 kHz, la consommation électrique est réduite. The treatment 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 600 kHz, the power consumption is reduced.
En outre, malgré ces simplifications multiples, le thermomètre permet d'obtenir une mesure de température avec une bonne résolution (0,010C) et une périodicité de mesure suffisamment faible (de l'ordre de 400ms) pour con tabler des variations rapides de température. In addition, despite these multiple simplifications, the thermometer makes it possible to obtain a temperature measurement with good resolution (0.010C) and a sufficiently low measurement periodicity (of the order of 400 ms) to allow rapid variations in temperature.
Claims (8)
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