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Installation de mesure de l'amplitude et des variations d'amplitude d'un oscillateur chronométrique La présente invention a pour objet une installa- tion. qui permet de mesurer, avec une grande préci- sion, l'amplitude et les variations d'amplitude d'un oscillateur chronométrique, notamment d'un balan- cier-spiral de montre ou de réveil.
Jusqu'à maintenant, on mesurait la marche des montres, en étudiant, pendant quelques secondes, les tops fournis par les bruits de l'happement, mais ce procédé manque de précision parce qu'il est à phase variable est parce que la marche d'un oscillateur Chro- nométrique est tributaire des variations d'amplitude. Si le résultat de cette -analyse révélait une marche défectueuse,
la raison pouvait en être une insuffisance de précision de fabrication ou un mauvais réglage de l'isochronisme. Si, au contraire, la marche se révélait bonne, cela signifiait que la montre avait été bien terminée , c'est-à-dire bien réglée, mais cela ne prouvait pas que l'isochronisme était durable, car une fabrication défectueuse de certaines pièces, notamment des engrenages, pouvait très bien conduire,
à plus ou moins longue échéance, à des variations d'isochronisme alors insoupçonnées. On essayait bien die faire des sondages à un autre degré de tension du ressort, après déroulement partiel du rouage, mais cette manière de procéder est empirique.
Par ailleurs, on avait également essayé d'avoir des indications sur la valeur de l'amplitude par l'analyse de la durée des tops sonores de l'échappement ou par l'observation visuelle des fins de course angulaire dës bras du balancier, en particulier par l'emploi d'une machine à projeter, mais de tels procédés ne laissent pas de traces enregistrées et donnent des indications imprécises sujettes aux erreurs individuelles des opérateurs.
Pour mesurer l'amplitude, on connaît aussi le procédé dit de la montre oscillante, basé sur le principe de la conservation des quantités de mouvement, et au moyen duquel on enregistre les variations d'amplitude des oscillations de l'ensemble du mouvement de la monstre monté sur un support pivotant, de façon à en déduire les variations d'amplitude des mouvements du balancier.
Mais ce procédé ne donne pas satisfaction non plus, en raison des forces d'inertie importantes qui interviennent et des réactions des deux mouvements d'oscillation couplés du balancier et du mouvement de montre, qui modifient la marche de la montre. Enfin des mesures ont été faites. en mesurant, au compteur électronique ou à l'osclllographe, le temps séparant le passage de deux signaux lumineux issus. du balancier.
Mais cette méthode ne se prête pas à des enregistrements directs.
En résumé, jusqu'à maintenant, on mesure d'une part la marche des montres avec une précision suffi santé mais sans assurance à priori d'un parfait iso- chronisme, et d'autre part, l'amplitude avec une précision moindre ou se prêtant difficilement à des enre- gistrements. De plus, ces deux mesures sont faites séparément,
de sorte qu'on ne possède pas d7enregis- trements simultanés de la marche et de l'amplitude. Or, de tels enregistrements seraient tout à fait souhai, tables pour le termineur, puisque la régularité die marche est fonction de la régularité de l'amplitude.
Le but de l'invention est de réaliser une installa- tion qui permette de mesurer par des enregistrements, avec précision et très facilement, non seulement les variations de l'amplitude des oscillations d'un oscil- lateur chronométrique, notamment d'un balancier de montre, mass aussi la valeur absolue de cette -amplitude.
A cet effet, l'invention tire parti du fait que la mesure de l'amplitude d'un oscillateur chronométri-
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que peut se ramener à la mesure d'un temps. En effet Tout oscillateur chronométrique obéit à la loi de mouvement
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dans laquelle: A est l'amplitude à l'instant t Ao l'amplitude maximum T la période.
Par suite, pour parcourir un angle a, à partir de l'élongation Al ,l'oscillateur met un temps
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Etant donné que Al et a sont des valeurs constan- tes et connues, le temps Tau n'est fonction que de la seule variablD Ao c'est-à-dire de l'amplitude de l'oscil- lateur. Ii en résulte qu'on peut connaître l'amplitude par la mesure du temps Tau précité.
Dans un petit domaine de variation, l'amplitude Ao est une fonction sensiblement linéaire du temps Tau, de sorte qu'un enregistrement de Tau révélera immédiatement des variations d'amplitude.
L'invention a donc pour objet une installation de mesure de l'amplitude et des variations d'amplitude d'un oscillateur chronométrique, notamment d'un balancier de montre, ladite installation comprend un chronographe enregistreur et un appareil photoélectrique propre à envoyer dans ledit chronographe enregistreur une série de deux impulsions correspon- dant,
respectivement au début et à la fin de l'inter- valle de temps. Tau que met l'oscillateur pour parcourir un angle prédéterminé de sa course, de façon que la mesure des intervalles de temps précités sur le chronographe enregistreur permette de connaître la valeur de l'amplitude, celle-ci étant liée à l'intervalle de temps Tau précité, par la relation
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dans laquelle :
T est la période de l'oscillateur Ao, l'amplitude maximum a, l'angle parcouru à partir de l'élongation AI.
Le dessin montre, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention.
La fig. 1 est un graphique montrant la répartition des tops de mesure d'amplitude en fonction des variations d'amplitude.
La fig. 2 est un autre graphique montrant la formation des courbes de marche et de mesure d'ampli- tude sur le chronographe enregistreur.
La fig. 3 montre la position des rayons lumineux par rapport aux bras d'un balancier de montre, au moment de l'émission d'un top fort.
La fig. 4 représente, en perspective, un microscope équipé d'un dispositif suivant l'invention, ainsi que d'un microphone.
La fig. 5 montre un fragment de la bande d'enregistrement à sa sortie du chronographe enregis- treur. La fig. 6 montre un cadran gradué pour la mesure directe des amplitudes inscrites sur la bande enregistreuse, et la fig. 7 représente un écran ajouré associé à un photomultiplicateur destiné à remplacer les cellules photoélectriques.
Si l'on se réfère d'abord à la fig. 1, qui concerne un balancier classique de montre, à dieux bras, de période T = 0,4 sec, et si l'on observe le passage de ses bras par la position d'équilibre de l'un d'eux, on constate que, lorsque l'amplitude du balancier est inférieure à 180 , par exemple Ao = 1350 suivant la courbe (1) de cette figure, on observe un passage à chaque demi-période seulement, soit aux temps t = 0, t = 0,2 et t = 0,4.
Pour une amplitude qui serait rigoureusement égale à 180 , on observerait, en outre, un passage à t = 0,1 et un passage à t = 0,3.
Pour une amplitude légèrement supérieure à 180 , par exemple Ao = 1850, on obtient la courbe (2), c'est-à-dire le passage du premier bras à chaque demi-période (t --- 0 ; t = 0,2 ;
t = 0,4) et le passage du deuxième bras en deux instants a, b et c, d symétriques par rapport aux instants t = 0,1 et t = 0,3 des quarts et trois-quarts de période. L'intervalle de temps Tau compris entre les points e et c représente le temps que met le balancier pour parcourir un demi-tour soit 180o. C'est ce temps que l'on enregistrera sur le chronographe pour obtenir la mesure de l'amplitude, ainsi qu'on l'a exposé plus haut.
En comparant lies différentes courbes de la fig. 1, on voit, qu'à période égale, le temps Tau est évidemment d'autant plus court que l'amplitude est grande. On a indiqué trois autres courbes (3), (4), (5) pour des amplitudes de 225 , 270o et 3150 respectivement; les amplitudes classiques. étant en général comprises entre ces valeurs de 225o à 315o.
Dans l'application de la formule indiquée plus haut
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Al = 0 puisqu'on observe le premier bras à sa position d'équilibre, a = 180 , c'est l'angle- que font les dieux bras l'un par rapport à l'autre et que parcourt le balancier pendant le temps Tau, on mesure le temps Tau, et, de cette formule, on déduit l'amplitude A" du balancier.
En enregistrant les tops dus au passage du premier bras à sa position d'équilibre, c'est-à-dire les points tels que e, on obtient aussi, évidemment, la marche du balancier.
L'installation représentée à la fig. 4, qui permet d'effectuer des enregistrements, comporte d'abord un microscope- dont le bâti 1 est inclinable autour d'un axe horizontal 2 sur un pied 3, de telle façon que le mouvement de montre étudié 4, fixé sur la table 5 du microscope puisse occuper toutes les positions inclinées désirées, et notamment les positions limites horizontale et verticale. La table 5 est du type pivotant et centrable pour qu'on puisse amener,
avec pré-
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cision, le balancier de la montre dans l'axe de l'objectif 6 du microscope et dans la position angulaire de repos désirée.
L@objecf du microscope est muni d'un dispositif illuminateur 7. On a indiqué en 8 et 9, les deux boutons classiques de mise au point, rapide, et lente respectivement.
11 est un dispositif jouant le rôle d'oculaire surmonté d'une chambre noire 12 d'ans laquelle peut se former l'image du balancier et qui est munie de deux cellules photoélectriques.
13, par exemple des photo. diodes au germanium, montées avec une résistance de charge commune. On utilise le défaut optique dit effet de bord en plaçant les cellules exactement sur les bords de l'image du bras 15 du balancier 16 de la montre en position d'équilibre (fig. 3),
à un emplacement radial tel que les rayons lumineux sus- ceptibles d'atteindre ces deux cellules ne soient jamais interceptés par le spiral ni par les extrémités des vis d'équilibrage. Les cellules sont montées. de façon qu'on puisse régler leur distance en fonction de la largeur du bras du balancier à examiner.
Lorsque l'image du bras du balancier se trouve centrée entre les deux cellules, on recueille un top fort à la sortie des deux cellules, par opposition aux tops faibles fournis lorsque l'image du bras entre dans l'angle au centre formé par l'axe du balancier et les deux cellules, ou bien sort de cet angle, car alors une seule cellule est influencée. Bien entendu,
on .recueillie un top fort également au passage de l'image du deuxième bras dès que l'amplitude du balancier dépasse 1800, ce qui est le cas général.
Les cellules photoélectriques 13 sont reliées électriquement par un câble 18 à l'entrée de l'amplifica- teur 21 d'un chronographe enregistreur 22 de type classique.
Un viseur 23 permet, par une mise au point visuelle, d'assurer la mise au point de l'image du balancier dans la chambre noire.
Pour pouvoir étudier en même temps l'échappement par ses bruits, on a prévu, sur la table 5 du microscope un microphone 24, par exemple piézo- électrique, sur lequel on pose la montre à étudier. Un inverseur 25 permet d'envoyer au chronographe enregistreur, sélectivement, les tops photoélectriques dus aux passages des bras du balancier dans le champ des cellules, ou bien les tops dus aux bruits de l'échappe- ment perçus par le. microphone.
Les cellules peuvent être alimentées par une tension prélevée sur 1e chronographe ou par une abmen- tation indépendante utilisant, par exemple, le trais- formateur basse tension habituellement prévu pour l'alimentation de Pilluminateur 7.
On règle 1a sensibilité de l'amplificateur de façon telle que le chronographe soit insensible aux tops faibles tels que. définis plus haut. On peut aussi interpo- ser, dans le circuit de, ,liaison dies cellules au chronographe, un étage écrêteur classique,
par exemple à diode ou à transistor pour ne laisser passer que les tops dits forts. Le fonctionnement de l'installation est le suivant on commence par placer le bâti basculant dû micro- scope dans la position angulaire qui convient pour que la table 5 se trouve soit en position horizontale, soit en position verticale, soit encore dans, une posi- tion intermédiaire,
et l'on fixe la montre à examiner 4 sur le microphone 24, en repérant son orientation au moyen de la tige du remontoir. La position du bras de balancier, au repos, varie très peu d'une montre à l'autre, de sorte que pour orienter -exactement la montre en vue d'obtenir dies tops aux ampli- tudes A = 0 et A = n, il suffit de faire un réglage . final dans un angle de faible étendue.
Ce réglage final peut d'ailleurs se faire très simplement et très rapidement, car ainsi qu'on le comprendra mieux plus loin, tant que le réglage correct n'est pas atteint, le chronographe enregistre une double trace. La montre est placée sur un montage pivotant dont l'axe coïncide avec celui du balancier,. de sorte qu'en faisant pivoter la montre,
on obtient quasi instantané- ment l'orientation correcte.
Dans un chronographe enregistreur à étincelles, par exemple, un disque imprimeur est mû par un moteur synchrone de la période d'un oscillateur 6ta- lon associé au chronographe enregistreur. Le papier d'enregistrement P (fig. 2)
est cintré en forme de portion de surface cylindrique coaxiale au disque et est animé d'un mouvement de translation uniforme suivant sa longueur dans le sens de la flèche f. Une inscription continue donnerait une ligne en hélice L dont le développement, lorsque le papier est remis à plat,
est une droits. Cette ligne fictive constitue l'axe des temps le long de laquelle vont s'inscrire des points figuratifs des tops photoélectriques envoyés par les cellules du microscope, l'inverseur 25 de celui-ci étant dans la position correspondante.
Ainsi, à partir du temps 10, pour une amplitude Ao = 2700 par exemple, les points correspondant aux instants t1, t2, t3, t4 et t5 de la courbe (4) de la fig. 1, s'inscrivent sur la bande de papier respectivement en a, b, e, c et d (fig. 2).
Les points tels que a et c forment une ligne II, les points tels que t0 et e forment une -ligne 1, et les points tels que b et d, une ligne III. En pratique, les points sont très rapprochés les uns des autres, ainsi que le montre la reproduction d'enregistrement de la fig. 5.
Le graphique de la fig. 2 correspond à un fonctionnement théorique parfait d'une montre. La courbe I est parallèle à la direction f, c'est-à-dire aux bords de la bande dé papier, ce qui signifie que lu. marche de la montre est rigoureusement synchrone de celle de l'oscillateur étalon. Par ail ours, les deux courbes II et III sont parallèles à la courbe I et rectilignes, ce qui prouve l'absence de variations d'ampli tuile, d'après ce qui a été exposé plus haut.
Les deux courbes II et III, aussi bien en théorie qu'en pratique, sont symétriques l'une de Poutre par rapport à la courbe I.
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En réalité, on observe toujours des courbes qui présentent des écarts par rapport à ces trais courbes rectilignes théoriques, comme par exemple les courbes de l'enregistrement de la fig. 5, où la courbe de marche I' descend légèrement par rapport à la courbe théorique I,
ce qui implique une période du balancier de montre un peu plus longue que la période de réfé- rence du chronographe, et par conséquent, un léger retard de la montre.
Les deux courbes II' et III' suivent évidemment l'allure générale descendante de la courbe I', symé- triquement par rapport à celle-ci. Ce que l'on retient au sujet des deux courbes II' et III', ce n'est pas leur pente éventuelle, mais les variations de la distance qui les sépare.
Il est d'ailleurs plus. aisé, d'un seul coup d'aeil, d'apprécier les variations de distance entre les Baux courbes II' et III' qu'entre l'une seule- ment de ces deux courbes et la courbe de marche I'.
On a vu plus haut, comment l'enregistrement du temps Tau , intervalle entre les instants tels que t3 et t4 (ligne 4 de la fig. 1), et qui se traduit par lés deux courbes II' et III', donne la valeur de l'amplitude absolue instantanée du balancier. La distance entre l'une des courbes II' ou III' et la courbe de marche I', ou ce qui revient au même, au coefficient 2 près, la distance entre les deux courbes, II' et III' donne, à chaque instant, la valeur de l'amplitude du balancier.
On ne reviendra pas sur les avantages exposés plus haut, que présente l'enregistrement simultané de la courbe de marche I' et -de la courbe d7ampli- tude II'. On notera, cependant, qu'on tend de plus en plus, à présenter les montres aux organismes de con- trôle,
avec un fond en plexiglass et qu'il n'est alors pas nécessaire de les ouvrir pour utiliser l'appareil suivant l'invention. La fig. 6 montre un cadran transparent 27 derrière lequel défile 11a bande d'enregistrements, et qui porte une graduation de référence permettant d'apprécier instantanément la valeur de l'amplitude fournie par les courbes. II' et III'.
Dans un autre mode de réalisation, au lieu d'utiliser un cadran transparent, on pourrait projeter la graduation de préférence sur la bande d'enregistrement.
L'amplitude habituelle des balanciers de montre à ancre se situant entre 2250 et 3150, et la période étant de T = 0,4 s, la variation du temps Tau pour une variation d'amplitude atteignant ces deux limites est de 0,02 seconde. Les chronographes enre- gistreurs connus étant sensibles à des temps beaucoup plus courts, on voit qu'on peut enregistrer la valeur de l'amplitude absolue et les variations de marche,
avec une précision tout à fait satisfaisante.
Très près de la position d'équilibre du balancier, l'erreur apportée par les variations d'amplitude dans la mesure de la marche est négligeable. De même, les variations de marche n'introduisent que d'es erreurs négligeables dans la mesure des variations d'ampli- tudec loin des positions d'équilibre du balancier. Si l'on place l'inverseur 25 sur l'autre position, on enregistre alors, sur la même bande, les tops dus aux bruits de l'échappement, ce qui permet,
notam- ment de régler le repère , c'est-à-dire de placer les organes qui définissent les fonctions d'échappement symétriquement par rapport à la position d'équilibre du balancier.
La fig. 2 montre aussi comment, pour d'autres valeurs de l'amplitude du balancier, par exemple pour Ao = 225 , les points caractéristiques se trouvent déplacés, sur les courbes du chronographe, comme indiqué en J et K respectivement. Les points tels que J et K formeraient les nouvelles courbes d'amplitude.
Pour une amplitude Ao = 1800, les points t1 et t2 seraient confondus, à la fin du quart de période. Pour des amplitudes inférieures à 180 , il n'y a plus de tops forts (t1 et t2, ni t4 et t5) entre les points d'équilibre du balancier.
Au lieu de deux cellules disposées comme indiqué, on pourrait utiliser une seule cellule, mais les enregistrements seraient moins clairs du fait de l'absence des tops forts caractéristiques des passages du balancier par sa position d'équilibre.
Dans des cas particuliers, il peut être intéressant de n'utiliser qu'une seule cellule, mais de tracer sur la serge du balancier deux traits radiaux séparés par un angle au centre. connu, ou encore de pointer la serge.
Pour pallier la difficulté qui se présente lorsqu'aucun des bras de balancier n'est découvert à la posi- tion d'équilibre et lorsqu'on ne veut pas modifier la position angulaire de chassage du balancier sur son axe, on peut faire sur la serge, en un endroit visible à la position d'équilibre, deux touches très fines, dia- m6tralement opposées par exemple, de produit à base de radium utilisé pour les cadrans et aiguilles lumineux,
ou de tout autre corps émettant un rayonnement susceptible d'être recueilli par un capteur et transformé par lui en courant électrique. Il suffit alors d'illuminer le balancier avec une source conve- nable, lumière moire par exemple.
Pour obtenir une plus grande sensibilité, dans un autre mode de réalisation, on utilise un photomulti- plicateur. La monstre à étudier peut aussi être placée sur la table d'une machine à projeter qui donne sur un verre dépoli une image agrandie du balancier. Un photomultiplicateur placé comme les cellules précédentes permet d'obtenir des signaux très nets et donc précis.
Dans le cas où l'on utilise un photomultiplicateur, les cellules photoélectriques n'existent pas; on inter- pose sur le trajet des rayons lumineux 31 (fig. 7) destinés à venir frapper la surface sensible 32 du photomultiplicateur disposé dans la partie supérieure de la chambre noire 12 (fig. 4), un écran ou obturateur 33 prés-entant deux fentes.
34 dont l'écartement correspond à celui des cellules photoélectriques du mode de réalisation décrit plus haut. On obtient donc un top fort chaque fois que, le balancier passant par sa position d'équilibre, des rayons lumineux correspon-
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dant à l'image du bras du balancier, à cet instant, viennent frapper la surface sensible 32 du photomul- tiplicateur, en passant simultanément dans les dieux fentes 34.
On peut disposer d'un jeu d'écrans 33 avec des distances de fentes différentes correspondant aux diverses largeurs des bras de balanciers, de sorbe qu'on n'a pas de réglage à faire en utilisation, Les chronographes à étincelles possèdent une alimentation en très haute tension (THT) qu'il est tout indiqué d'utiliser aussi pour l'alimentation d'un pho- tomultiplicateur. On se dispense ainsi,
pour ce dernier, de faire les frais d'une alimentation THT indi- viduelle.
Le dispositif photoélectrique décrit délivre six tops forts par période, pour une amplitude supérieure à 1800 ; or, certains chronographes du commerce peuvent ne pas "être prévus pour suivre une cadence aussi rapide, mais il est en général facile, par une modification simple, de les adapter à ce régime de travail, notamment en ce qui concerne les chronographes à frappe,
en interposant un basculeur électroni- que qui élimine des points, de sorte que le chrono- graphe n'a à répondre qu'à une impulsion sur dieux, ou bien urne sur quatre, par exemple. On peut encore attaquer le chronographe sur une entrée spéciale, par exemple, celle prévue pour le comptage dies spiraux.
L'installation décrite permet aussi à l'horloger de contrôler l'isochronisme et l'amortissement du balan- cier-spiral non entretenu, ce qui est dù. plus haut intérêt pour effectuer le réglage rapide de l'isochro- nisme et pour connaître la marche due à l'échappement, donc sa bienfacture.
La méthode décrite peut être utilisée quel que soit le mode d'entretien du balancier-spiral : mécanique, électrique, électronique. Il est par ailleurs évident que la méthode peut être extrapolée sur les oscillateurs de tous types en variant le système pho- toélectrique, en particulier sur les pendules de torsion ou de gravité.
En utilisant des basculeurs électroniques (Trigger de Schmidt) pour fournir les tops à partir de la tension alternative produite, elle peut encore être mise en oeuvre sur des oscillateurs, à dia- pason, quartz, résistance-capacité, self-capacité, etc.
Il est intéressant, par ailleurs de prévoir sur le chronographe, des, moyens pour régler la période de l'oscillateur de référence du chronographe, de façon à pouvoir l'ajuster sensiblement sur celle de l'oscilla- teur chronolographique à étudier en vue d'obtenir immédiatement un graphique clair dies variations d'amplitudes de ce dernier,
même avant que le réglage de sa marche soit effectué.