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Instrument horaire de haute précision La présente invention a pour objet un instrument horaire de haute précision, c'est-à-dire, dont la variation au cours de 24 heures est inférieure à l/10 de seconde, qui se caractérise par le fait qu'il comporte un oscillateur à quartz thermo-compensé de fréquence supérieure à 500 cycles/sec. et un dispositif diviseur électronique de fréquence présentant, d'une part, deux chaînes parallèles d'étages de division et, d'autre part, un dispositif mélangeur des deux fréquences de sortie et de filtrage de la basse fréquence de battement de ces deux fréquences de sortie et par le fait que cette basse fréquence commande un dispositif indicateur horaire.
Le dessin annexé illustre schématiquement et à titre d'exemple, le schéma électrique et mécanique d'une forme d'exécution de l'instrument horaire étudié spécialement pour présenter une consommation très faible (inférieure à quinze milliwatts), afin de permettre son alimentation au moyen d'un dispositif d'alimentation indépendant.
Selon le dessin annexé, cet instrument comprend 1) Un dispositif d'alimentation 1 présentant des cellules photovoltaïques 1 (photopiles), rechargeant une source de courant continu de tension constante comprise entre 0,9 et 6 volts, constituée par un accumulateur. Ces cellules 1 peuvent être sensibles à tout rayonnement ondulatoire électromagnétique (rayons lumineux, infrarouges, ultraviolets, etc.) ainsi qu'aux rayonnements corpusculaires (électrons, ions, particules a et (i).
2) Un oscillateur étalon II de fréquence supérieure à 500 cycles/sec. comprise de préférence entre 2000 et 20000 cycles/sec., mais qui pourrait aussi atteindre plusieurs mégacycles par seconde. Cet oscillateur présente un circuit oscillant de charge 3 et un transistor 4, piloté par un quartz 5. Ce transistor est de préférence un transistor à jonction branché suivant un montage connu, mais de manière à obtenir une stabilité maximum pour une consommation minimum. Le circuit oscillant 3 comprend une self à noyau en matière frittée ou de haute perméabilité magnétique. Cette self est constituée par un enroulement monté sur un circuit magnétique à noyau constitué soit par un pot entièrement fermé en matière. frittée, soit par un tore en un matériau de haute perméabilité magnétique.
Ce genre de circuit magnétique ne présentant pratiquement pas de pertes par dispersion et grâce à la perméabilité magnétique du matériau utilisé, on obtient une self d'une très grande valeur sous très petit volume d'encombrement.
Dans certains cas il est avantageux, en particulier lorsque la tension d'alimentation est faible (de l'ordre du volt, par exemple) et aussi selon le type de quartz utilisé, d'adjoindre un transistor supplémentaire dans le montage oscillateur, pour réaliser ainsi de meilleures conditions de fonctionnement (impédances mieux adaptées, amplification supplémentaire, amélioration de la stabilité thermique, etc.).
En outre, les caractéristiques thermiques des divers éléments de cet oscillateur et en particulier, du quartz, sont améliorées par l'adjonction d'éléments 6 à caractéristiques thermiques inverses (thermistance par exemple) qui réalisent une compensation thermique statique et dynamique et évitent dans la plupart des cas la nécessité de prévoir des dispositifs de thermostatisation - tels que ceux utilisés généralement dans les horloges à quartz de préci-
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sion - et dont la consommation en énergie électrique est trop élevée pour permettre une alimentation par cellules photosensibles et qui, de plus,
oblige à monter l'oscillateur dans une enceinte thermosta- tisée.
3) Un étage de couplage 11I présentant un transistor à jonction 7 qui alimente le primaire d'un transformateur de couplage 8 comportant deux enroulements secondaires 10 et 20. Ce transistor est monté suivant un montage donnant lieu à une consommation minimum, c'est-à-dire, un courant permanent de repos minimum. Afin de simplifier l'exposé qui suit, ce montage sera désigné par transistor autopolarisé . Cet étage de couplage assure une indépendance complète du fonctionnement de l'oscillateur II par rapport aux perturbations auxquelles il serait soumis par les étages suivants.
4) Un dispositif électronique IV de division de la fréquence de l'oscillateur 11. Ce dispositif diviseur comprend, d'une part, deux branches 11 et 21 présentant chacune deux étages de division 12, 13 et 22, 23 et, d'autre part, un dispositif 36 mélangeur des deux fréquences de sortie et de filtrage de la fréquence de battement.
Dans l'exemple représenté, chaque étage de division est du type dit à régénération et présente a) un premier circuit, comprenant essentiellement un transistor 30, un circuit oscillant 32, un circuit RI CI et le secondaire 10 du transformateur 8 ou un secondaire 10;1. couplé avec le circuit oscillant 32.
Ce premier circuit réalise les trois opérations suivantes : modulation par le secondaire 10 ou 101 respectivement 20 ou 20;1 et la constante RI CI, amplification par le transistor 30 et sélection, par le circuit oscillant 32, de la fréquence divisée.
b) un deuxième circuit, comprenant une diode 34 et un circuit R2 C. et qui réalise la génération d'harmoniques de la fréquence divisée.
c) un troisième circuit comprenant un transistor 31 et un circuit oscillant 33, réalisant l'amplification par le transistor 31, des harmoniques de la fréquence divisée et la sélection par le circuit oscillant 33, parmi ces harmoniques, de celui conduisant au facteur de division désiré.
Ici, également, les selfs des circuits oscillants sont soit du type à pot fermé en une matière frittée, soit du type tore en un matériau à haute perméabilité magnétique.
Le dispositif mélangeur et de filtrage 36 est couplé par deux enroulements secondaires 16 et 26 sur la sortie de chaque branche 11 et 21 et comporte un redresseur 39 avec son circuit R, C3 fonctionnant comme détecteur de la fréquence de battement. 5) Un amplificateur V comprenant un transistor à jonction 40 qui amplifie la fréquence de battement et un transformateur de couplage 42 disposé entre le transistor 40 et un moteur M.
6) Un dispositif indicateur horaire VI qui comprend le moteur M, synchrone ou à impulsions de courant, alimenté par l'amplificateur V, un dispositif de transmission mécanique R actionné par le moteur M et entraînant des aiguilles a (dont une seule est représentée) d'un appareil indicateur horaire 41 qui se déplacent en regard d'un cadran et indiquent les heures, minutes et secondes.
Le fonctionnement de l'instrument horaire de haute précision décrit est le suivant Lorsque les cellules photosensibles 1 sont irradiées, par exemple, par des rayons lumineux, celles- ci produisent un courant électrique qui charge la batterie d'accumulateurs 2. Les cellules photosensibles 1 sont, par exemple, de type connu au Si, Se ou Ge, leur nombre, leur branchement et leur disposition sont choisis de manière à obtenir pour une surface donnée, des conditions optima de transfert d'énergie à l'accumulateur 2 qui est, par exemple, du type zinc-argent ou alcalin étanche, à forte capacité par unité de volume et dont la tension à vide peut présenter une valeur comprise entre 0,9 et 6 volts.
Cette tension est choisie de manière à réaliser un optimum entre les conditions suivantes a) sécurité de marche ; b) consommation minima; c) conditions de disposition, de branchement et d'éclairement aisées à réaliser.
Ainsi, par exemple, pour une source de courant constituée par un accumulateur 2 présentant une tension à vide de 1,5 volt, de bons résultats ont été obtenus avec vingt cellules photosensibles au Si présentant une surface d'éclairement de 1 cm-' chacune, branchées en série. Ces dix cellules peuvent aisément être disposées côte à côte dans un même plan, ce qui facilite la conception de l'ensemble de l'appareil, leur branchement et leur éclairement homogène.
L'accumulateur 2 constitue une source de courant continu à tension constante ainsi qu'une réserve d'énergie électrique. L'oscillateur II alimenté par cet accumulateur 2 oseille à une fréquence F constante de, par exemple, 10 000 cycles par seconde. Chaque branche 11, 21 du dispositif diviseur est alimentée par cette fréquence F de 10 000 cycles/ sec.
Les coefficients des étages de division sont, dans l'exemple représenté, les suivants 1) étage 12 rapport de division k1 = 4 2) étage 13 rapport de division k.> = 6 3) branche 11 rapport de division n1 = k1 k, = 24 4) étage 22 rapport de division k.3 = 5 5) étage 23 rapport de division k1 = 5 6) branche 21 rapport de division n, = k.; . k, = 25
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Le rapport de division du dispositif diviseur est égal à
EMI3.1
- soit 600.
En conséquence, la fréquence de battement f à la sortie du dispositif mélangeur et de filtrage 36 est égal à .
EMI3.3
soit 16 2/3 cycles/sec.
Le moteur M relié par le dispositif de transmission R aux aiguilles a, actionnent celles-ci directement et de manière continue, lorsque le moteur est constitué par un moteur synchrone, ou de manière saccadée lorsque le moteur est constitué par un moteur à impulsions.
La fréquence de 16 2/3 cycles par seconde présente dans le cas d'un instrument horaire, l'avantage que celle-ci est le rapport .
EMI3.4
c'est-à-dire, qu'elle est un multiple de 10 et de 6 (décimal et sexagési- mal), ce qui présente certains avantages pour la réalisation du dispositif de transmission R, car les rapports de démultiplications sont des entiers.
II est clair que les rapports de division n1 et n., peuvent être quelconques. Toutefois, il est avantageux que la différence de ces deux rapports soit égale à l'unité, afin d'obtenir le plus grand rapport F/f à l'aide d'un minimum d'éléments, ce qui est important lorsqu'on désire limiter l'encombrement et la consommation.
L'un des avantages essentiels de ce dispositif diviseur est que l'on obtient une fréquence très basse (inférieure à 50 cycles/sec. et pouvant même atteindre 1 cycle/sec.) sans utiliser des étages de division basse fréquence dont la consommation et l'encombrement sont prohibitifs. De plus, le fait de travailler avec des fréquences comprises à l'entrée du dispositif diviseur entre un et plusieurs dizaines de kilocycles/sec. et à la sortie des branches 11, 21 avec des fréquences u1, u.; comprises entre 200 et 500 cycles/sec. permet de réaliser des étages de division à régénération pouvant être constitués au moyen de transistors à autopolarisation qui, parmi tous les types de diviseurs connus à ce jour, atteignent une consommation et un encombrement minimum.
Enfin, ce type de diviseur permet également, étant donné que la fréquence obtenue est basse (inférieure à 50 cy- cles/sec.), de munir l'instrument horaire d'un moteur synchrone ou à impulsion tournant lentement de sorte qu'en poussant l'étude de ses différentes parties on peut rendre pratiquement négligeable les frottements et réaliser un moteur d'un encombrement et d'une consommation très inférieurs à ceux des moteurs généralement utilisés dans les horloges à quartz dont la vitesse de rotation est plus grande car ils sont alimentés par des courants dont les fréquences sont comprises entre 50 et 1000 cycles/sec.
Les essais pratiques effectués ont montré que l'encombrement et la consommation de ce moteur sont inférieurs à l'encombrement et à la consommation de tout système électronique de division par lequel on pourrait essayer de le remplacer. Ces différentes particularités permettent donc de réaliser un dispositif indicateur. horaire .entraîné par un moteur de très faible puissance (inférieure à 3 milliwatt) pouvant, selon les essais effectués, être même inférieure à 1 milliwatt si l'on prend la précaution de soigner très particulièrement la fabrication des roues dentées et des paliers du dispositif de transmission ainsi que la fabrication du moteur lui-même.
Les essais effectués ont encore montré que, par un choix judicieux des divers éléments constitutifs de l'instrument décrit et dont les principales données ont été indiquées plus haut, il est possible de réaliser un instrument horaire de haute précision (variation en 24 heures inférieure à l/10 de seconde) dans un volume d'encombrement au plus égal à un décimètre cube, et dont le dispositif d'alimentation présente une réserve de marche et une puissance de charge de l'accumulateur 2 suffisantes pour que l'exposition des cellules photosensibles, pendant la journée, à un éclairement correspondant à un ciel très nuageux, suffise à assurer une marche indéfinie de l'instrument.
Un autre avantage de l'instrument décrit est dû au fait que l'oscillateur à quartz 11 constitue le dispositif de base de l'instrument, de sorte que la fréquence de battement f suit rigoureusement toutes les variations de la fréquence F de cet oscillateur étalon (même erreur relative, etc.). Par contre, si l'oscillateur s'arrête, l'indicateur s'arrête également, ce qui constitue également un réel avantage de l'instrument décrit par rapport aux horloges à quartz connues.
Les différentes parties électroniques de l'instrument décrit (oscillateur, étage de couplage, étages de division, étage amplificateur, mélangeur et filtrage) sont constituées, de préférence, chacune par une unité interchangeable, aisément, la régularité de fabrication en série pouvant être obtenue par moulage et circuits imprimés.
Le dispositif diviseur décrit permet en outre, d'une part, de fonctionner toujours en régime sinusoïdal, ce qui évite des mises en forme, transformations de forme, etc., qui nécessitent des éléments supplémentaires donnant lieu à des pertes et une consommation plus élevée, et d'autre part, de réaliser un dispositif dans lequel le déphasage entre la fréquence d'entrée F à diviser et la fréquence finale f reste rigoureusement constant. Il s'ensuit que l'instrument ne présente pas de variations passagères dues à des variations passagères de cet angle de déphasage.
L'ensemble de l'instrument décrit est donc spécialement étudié afin de réaliser un instrument de haute précision d'une consommation totale au plus égale à 15 milliwatts, mais qui peut être réduite à moins de 5 milliwatts, de manière à pouvoir munir cet instrument d'un dispositif d'alimentation individuel et de le rendre ainsi indépendant de tout réseau de distribution d'énergie électrique et qui de plus, soit d'un volume au plus égal à un décimètre cube et d'un poids de l'ordre d'un kilo, de façon à obtenir
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un instrument aisément transportable et pouvant donc être utilisé comme instrument de bord.
Une forme d'exécution de l'instrument horaire, objet de l'invention étudiée spécialement en vue de réaliser un instrument d'un faible volume d'encombrement et d'une faible consommation a été décrite ici à titre d'exemple, en référence au dessin annexé. Toutefois, il va sans dire, que de multiples variantes peuvent être prévues. Ainsi, par exemple, en lieu et place de transistors, des tubes électroniques pourraient être prévus.
Dans ce cas, toutefois, le volume d'encombrement serait plus grand et la consommation serait telle qu'il ne serait probablement plus possible de prévoir une alimentation au moyen de cellules photosensibles, de sorte que l'instrument horaire devrait alors être équipé, soit d'un bloc d'alimentation branché sur un réseau de distribution d'énergie électrique, soit d'accumulateurs rechargés par un dispositif de recharge de type connu.
Toutefois dans une variante en plus de la compensation thermique (statique et dynamique) par éléments à caractéristiques thermiques inverses, notamment de l'oscillateur, il est très avantageux, lorsque l'on désire une précision encore plus grande (et si l'on n'impose pas une très faible puissance d'alimentation) de thermostatiser l'ensemble de l'instrument horaire, ce qui est facile, eu égard à son faible volume. Cette particularité constitue un avantage par rapport aux horloges à quartz conventionnelles (de grand volume) et la précision ainsi obtenue, de cet instrument horaire, peut approcher celle des horloges à quartz d'observatoire.
D'autre part, la consommation supplémentaire nécessaire à cette thermostatisation n'est pas une limitation à la transportabilité de l'appareil, car sur un bâtiment en mer ou dans les airs, par exemple, la puissance disponible pour l'alimentation d'un tel appareil est largement suffisante pour réaliser cette thermostatisation.
Dans une autre variante, non seulement le quartz pourrait être thermo-compensé,, mais également d'autres éléments de l'instrument horaire. En outre, lorsqu'on désire étendre la plage de température et la stabilité il est avantageux de remplacer l'autopola- risation des transistors, par une polarisation de ceux-ci selon les moyens classiques.