CH638041A5

CH638041A5 - Quartz thermometer

Info

Publication number: CH638041A5
Application number: CH650880A
Authority: CH
Inventors: Rudolf Dinger; Jean-Georges Michel; Claude-Eric Leuenberger
Original assignee: Asulab Sa
Priority date: 1980-08-29
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1983-08-31
Also published as: FR2489510A1; JPS5774630A; JPS6248174B2

Description

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 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.

Les appareils de mesure de la température utilisant un résonateur à quartz comme senseur sont déjà bien connus. Il 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:

fT = fTo [1 + a (T - To) + P (T - To)2 + ...]

dans laquelle fTo, a, ß et To sont des constantes, T la température à mesurer, et fT la fréquence de l'oscillateur à quartz soumis à cette température.

Il 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. 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.

Il 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/°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 chers et les résonateurs à quartz utilisés comme éléments sensibles ont l'inconvénient d'être 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 but 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 deuxième but 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 but de l'invention est de fournir un tel thermomètre dans lequel le circuit électronique est relativement simple.

Un quatrième but 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.

Pour atteindre ces buts, l'invention consiste à utiliser 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. Le thermomètre selon l'invention est défini par la revendication 1.

Selon une forme d'exécution préférée de l'invention, le rapport entre les valeurs des petit et grand côtés, de la section droite du résonateur, c'est-à-dire respectivement son épaisseur et sa largeur, est compris entre 0 et 0,8.

Selon une autre forme d'exécution préférée de l'invention, le résonateur est orienté de manière que son petit côté fasse un angle compris entre + 40 et + 90° ou entre — 50 et — 90° avec l'axe Y du quartz.

Ces buts 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 fig. 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 fig. 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 fig. 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 <I> avec l'axe Y du quartz en fonc5

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tion du rapport b/a des dimensions de l'épaisseur et de la largeur de l'élément en quartz;

la fig. 4 représente un exemple de réalisation du circuit électrique de traitement des signaux délivrés par le résonateur;

les fig. 5a et 5b montrent des diagrammes des temps expliquant le fonctionnement du circuit de traitement, et la fig. 6 représente des courbes de réglage du thermomètre.

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 fig. 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. Il 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. Chaque branche du diapason 8 et 10 a ainsi la forme d'un parallélépipède rectangle. Sur la fig. 1, les directions correspondant à la longueur L, la largeur a et l'épaisseur b d'une branche du diapason sont repérées par les axes X', Y' et Z'. La fig. 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, 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.

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.

Dans l'exemple représenté sur la fig. 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 disposées sur les flancs de la branche 8 et son extrémité sont reliées à la borne commune qui est référencée 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 <I> et, d'autre part, la valeur du rapport b/a dans certaines fourchettes. Pour optimiser la linéarité de la réponse, il faut de plus respecter une relation entre la valeur choisie pour ï> et la valeur du rapport b/a.

Plus précisément, il faut que l'angle $ soit compris entre — 90 et — 50° ou entre + 40 et +90°. Il faut, par ailleurs, que le rapport b/a soit compris entre 0 et 0,8.

La fig. 3 donne en ordonnées la valeur du coefficient ß exprimée en 10~9°C~2 en fonction de la valeur du rapport b/a portée en ab-cisses pour différentes valeurs de l'angle 0 exprimé en degrés.

Ces courbes donnent donc les couples de valeurs optimales de b/a et de ® pour annuler effectivement le coefficient ß. Les courbes donnant la valeur du coefficient a du terme du premier degré en fonction de la température montrent que, pour les couples de valeurs de ® et de b/a choisis, ce coefficient a a une valeur convenable, ce qui donne donc une bonne sensibilité au thermomètre.

A titre d'exemple, il a été réalisé un thermomètre avec un quartz diapason excité en torsion présentant les caractéristiques suivantes:

<D = + 90

a = 0,22 mm

, . ,. b/a = 0,55

b = 0,12 mm

L = 2,4 mm (longueur d'une branche du diapason)

Dans ce cas, la fréquence d'excitation est de 608 kHz et les coefficients de température de ce thermomètre sont:

a = 33-10 —6 C-1

ß = 0

Il est important d'observer que le choix de la valeur + 90° pour le paramètre <£> 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.

La fig. 2 montre un autre résonateur utilisable dans le thermomètre selon l'invention. Le résonateur 2' a la forme d'un barreau parallélépipédique 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 fig. 1 et les courbes de la fig. 3 restent valables pour le barreau.

En se référant maintenant à la fig. 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; des moyens C de comparaison des signaux délivrés par les oscillateurs A et B; et des moyens D d'affichage de la température et de remise à zéro du système de mesure.

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.

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. Ce circuit comprend, en outre, les capacités 42 et 44. Il faut observer que la capacité 44 est réglable pour pouvoir adapter la fréquence de référence comme cela sera expliqué ultérieurement.

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 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, c'est-à-dire l'ordre

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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 50j 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 rapport à O 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 réexcitable. 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 fig. 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 fig. 5a et 5b. Soit Tt le temps que met le compteur 46 à compter M impulsions et Tr le temps que met le compteur 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 t, 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 fig. 5a, le temps Tt 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 fig. 5b, le temps Tt est supérieur au temps Tr, donc la température à mesurer est inférieure à la température de référence.

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 tj 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-Tr. Ce nombre N est représentatif 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 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 du 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. Lorsque 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 t, et t2. Le nombre N d'impulsions représente la température T à mesurer, la relation entre N et T étant bien linéaire grâce aux choix du résonateur 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.

La fig. 6 montre plusieurs droites pour différents réglages D,, 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. Elle agit donc sur la valeur de l'angle y (Yi, 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 0°C. Sur la fig. 6, la droite Dj correspond à un réglage optimal puisque No = 0 pour T = 0 et que l'angle y = y2 correspond à une bonne sensibilité du thermomètre.

Pour régler la valeur de la capacité 44, la partie sensible du thermomètre (oscillateur A) est placée dans une ambiance à 0°C. Le temps Tt correspond donc à la température 0°C. La capacité 44 est modifiée jusqu'à ce que le compteur 50 ne compte aucune impulsion du générateur 52. Dans cette situation, Tr = Tt et l'oscillateur B délivre donc un signal à une fréquence de référence correspondant à T = 0°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 30-10-6 0°C et si M (taux de comptage des compteurs 46 et 48) vaut 2-105, un accroissement de la température de 1°C entraîne une diminution du temps de comptage de 10 us. Si donc la fréquence fc est choisie égale à 10 MHz (période Tc = 0,1 jas) N vaudra 100. En conséquence, si la fréquence du résonateur 2 à T = 0°C est égale à 600 kHz, un tel thermomètre pourra mesurer des écarts de température de 0,OrC.

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 et x2 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. Il 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'oscillateur 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 particulier, lorsque l'angle $ vaut 90°, le résonateur peut aisément être usiné par attaque chimique.

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.

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 400 ms) pour contrôler des variations rapides de température.

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Claims

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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 quartz:

— des moyens comprenant des électrodes disposées sur ledit élément allongé pour créer dans le quartz un champ électrique faisant vibrer en torsion ledit élément allongé, ledit résonateur délivrant un signal 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 est un barreau de quartz parallélépipédique à section droite sensiblement rectangulaire.

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REVENDICATIONS

3. Thermomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit résonateur est un diapason dont chaque branche a la forme d'un parallélépipède à section droite rectangulaire.

4. Thermomètre selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le rapport entre les longueurs du petit et du grand côté de la section droite est compris entre 0 et 0,8.

5. Thermomètre selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le petit côté de la section droite fait avec l'axe Y du quartz un angle $ compris entre +40° et +90° ou —50° et —90°.

6. Thermomètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'angle <I> est sensiblement égal à +90°.

7. Thermomètre selon l'une des revendications 1 à 6, 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 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.

8. Thermomètre selon la revendication 7, 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.