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Thermostat, insbesondere für Quarzkristalle
Die Erfindung bezieht sich auf einen Thermostat, insbesondere für Quarzkristalle, wobei unter anderem im Heizstromkreis des Thermostaten ein in an sich bekannter Weise durch ein Relais betätigter Öffnungs- schalter vorgesehen ist und das Relais einen Stromkreis aufweist, der ein Kontaktthermometer enthält.
Wie bekannt, sind die Thermostate bestimmt, die Temperatur eines Raumes, der im folgenden als "geregelter Raum" bezeichnet wird, zwischen vorher bestimmten Temperaturgrenzen zu halten. Zu diesem Zweck sind die Thermostate mit einem Heizstromkreis versehen, in dem ein den geregelten Raum umgebender Heizwiderstand und den Heizstromkreis in Abhängigkeit von der im geregelten Raum herrschenden Temperatur schliessender bzw. öffnender Schalter vorgesehen ist. Bei den bekannten Thermostatenist dieser Schalter als ein im geregelten Raum angebrachter Bimetallschalter ausgebildet, der zum Regeln zwischen Temperaturgrenzen von x : 5 C geeignet ist, wo x die Nenntemperatur des geregelten Raumes bezeichnet.
Zwecks Regelung in einem engeren Temperaturbereich ist bereits vorgeschlagen worden, den Bimetallschalter durch ein verstellbares oder fix eingestelltes Kontaktthermometer zu ersetzen.
Die Anwendung von Kontaktthermometern stösst jedoch auf Schwierigkeiten. Einerseits ist das im Kontaktthermometer verwendete Quecksilber praktisch niemals vollkommen rein, wodurch bei den (in der Grössen- ordnung von Miniamperen liegenden) Stromstärken im Kontaktthermometer eine im Laufe des Gebrauches ständig zunehmende Begnbildung stattfindet, die schliesslich die genaue Trennung des Quecksilberfadens von der Elektrode des Kontaktthermometers vereitelt. Anderseits ist das Kontaktthermometer im geregelten Raum der bekannten Thermostaten durch Luft umgeben. Somit sind die Wärmeübergabeverhältnisse ungünstig und das Kontaktthermometer folgt nur träge den Temperaturänderungen des geregelten Raumes.
Kontaktthermometer sind demnach für die Anwendung in Thermostaten nicht genügend genau und werden im Gebrauch immer ungenauer. Zwecks Beseitigung der ersten Schwierigkeit ist bereits vorgeschlagen worden, den durch das Kontaktthermometer hindurchfliessenden Strom zu verringern und zu diesem Zweck Schaltungen mit Elektronenröhren zu verwenden. Hiedurch ist es zwar gelungen, den Strom des Kontaktthermometers in die Grössenordnung von Mikroampèren zu verlegen, die Schaltung mit Elektronenröhren erhöht aber bedeutend den Raumbedarf des Thermostaten und bedeutet im Wesen, eine weitere Einheit.
Hievon unabhängig bestand noch immer die erwähnte zweite Schwierigkeit, nämlich die bezüglich der Wärmeübergabe ungünstige Anordnung des Kontaktthermometers, wodurch der optimal erreichbare Regelungsbereich x 1 C war. Für gewisse Zwecke, z. B. zum Konstanthalten der Temperatur von frequenzstabilisierenden Quarzkristallen der Übertragungstechnik, sind jedoch noch engere Regelungsbereiche erforderlich.
Thermostaten, die zum Anschliessen von Kompensationsleitungen dienen, sindals Kaltpolthermostaten
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die erreichbare Messgenauigkeit von etwa 0, 10 C im Betrieb bald verloren geht und die Lebensdauer des Thermostaten verhältnismässig kurz wird.
Es sind auch Thermostaten mit Bimetallwärmefühlern bekannt, bei welchen ein spiralig gewundener Bimetallwärmefühler mit Abstand in einem Raum untergebracht ist. Die Feineinstellung wird durch eine mechanische Regelvorrichtung bewirkt. Da anstatt eines Kontaktthermometers ein Bimetallwärmefühler verwendet wird, muss der letztere lose im Regelraum des Thermostaten angebracht werden, da sonst die Wirkungsweise des letzteren vereitelt wäre. Vie bekannt, wird die Fühlung der Temperatur durch das Bimetall durch Bewegungen der Luft im Regelraum nachteilig beeinflusst. Der Heizstromkreis des Thermo-
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statenwird durch das Bimetall unmittelbar unterbrochen, wobei infolge der trägen Bewegung des Bimetalls auf der Kontaktfläche Lichtbogen auftreten.
Dies hat zur Folge, dass nach einer gewissen Betriebszeit die Kontakte einbrennen und mit der Zeit unbrauchbar werden. Durch die Neigung des Bimetalls zur Ermüdung wird die Vorrichtung bald ungenau. Eine gleiche Folge haben der Verschleiss und die allfällige Festklemmung des in den Thermostaten eingebauten Mechanismus.
Bei bekannten Kompensationstemperaturreglern liegt das Kontaktthermometer nur entlang einer Linie am Metallkörper des Thermostaten auf. Dies ergibt zwar eine wärmeleitende Berührung zwischen Metallhülle und Kölbel, aber eben nur entlang der erwähnten Linie, wodurch die angestrebte hohe Empfindlichkeit des Thermostaten nicht erreicht werden kann. Es sind auch Steckthermometer für Kochzwecke u. dgl. bekannt, bei welchen eine metallische Ummantelung im Bereich des Quecksilberkölbels und darüber hinaus in erster Linie den Zweck hat, das Thermometer mechanisch zu verfestigen und bei einem Bruch des Thermometers einen Austritt des Quecksilbers in das Kochgut zu verhindern.
Wären diese Festigkeit-un Sicherheitsforderungen nicht gegeben, so wäre die metallische Ummantelung des Kölbels offensichtlich sinnlos, weil das Steckthermometer ohnehin in direkten Kontakt mit dem Kochgut kommt und der Metall- überzug diesen Kontakt keineswegs verbessern kann.
Auch die bekannten röhrengesteuerten Thermostaten bzw. Temperaturregler sind hinsichtlich ihres Aufbaues nicht geeignet, die angestrebte hohe Empfindlichkeit auch im Dauerbetrieb zuverlässig zu erhalten. Dies setzt nämlich einen Betrieb mit geringer Stromstärke voraus, weshalb eine Verstärkung erforderlich ist. Anderseits aber soll der Thermostat als Zubehörteil möglichst raumsparend sein, damit sein Einbau in andere Geräte nicht schwerwiegende konstruktive Probleme aufwirft.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, einen Thermostaten zu schaffen, der bei sehr geringen Abmessungen eine aussergewöhnlich hohe Temperaturkonstanz, insbesondere auch im Dauerbetrieb, sicherstellt. Die Erfindung bezieht sich auf insbesondere für Quarzkristalle geeignete Thermostaten, deren Heizstromkreis einen durch ein Relais betätigten Schalter enthält, wobei das Relais in einem Betätigungsstrom- kreis liegt, dem ein sich über ein Kontaktthermometer schliessender Steuerstromkreis zugeordnet ist, und wobei mindestens ein Regelraum und mindestens ein geregelter Raum zur Aufnahme einer Einheit mit zu regelnder Temperatur vorgesehen sind und diese Räume in einem gemeinsamen Klotz aus wärmeleitendem Stoff ausgebildet sind, der der Heizwirkung des Heizstromkreises ausgesetzt ist.
Die Erfindung besteht nun darin, dass das Quecksilberkölbel des Kontaktthermometers sich formschlüssig und wärmeleitend an die Wand des Regelraumes anschliesst, wobei sowohl der Betätigungsstromkreis, wie auch der Steuerstromkreis als Transistorenschaltungen ausgebildet sind. Mit andern Worten soll also erfindungsgemäss zunächst das Quecksilberkölbel entlang seiner Gesamtfläche wärmeleitend an den erwähnten Klotz anliegen. Das andere Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass sowohl der Betätigungsstromkreis, als auch der Steuerstromkreis als Transistorenschaltungen ausgebildet sind.
Durch diese eigenartige Kombination von Formschlüssigkeit zwischen Regelraum und Quecksilberkölbel einerseits und von Transistorenschaltungen anderseits wird eine bisher unerreichte Empfindlichkeit, Betriebssicherheit und Lebensdauer der Thermostaten erreicht. Der formschlüssige Anschluss zwischen Kontaktthermometer - bzw. dessen Quecksilberkölbel-und Metallklotz bedeutet, dass das Kontaktthermometer, allenfalls unter Zwischenschaltung einer wärmeleitenden Schicht, entlang der Gesamtfläche seines Kölbels mit dem Metallklotz in wärmeleitender Berührung steht, so dass der Wärmeübergang zwischen denselben durch Luftbewegungen nicht beeinflusst wird. Daraus folgt, dass das Thermometer im Metallklotz auftretenden geringsten Temperaturänderungen ohne Verzögerung folgen kann.
Diese Massnahme bildet somit eine unbedingte Forderung bezüglich der unverzüglichen Ansprechfähigkeit des sich in der Kapillare bewegenden Quecksilberfadens. Dies würde aber an sich nicht verhindern, dass bei Strömen in der Grössenordnung von mA das chemisch nicht reine Quecksilber sich an der Wand der Kapillare ablagert, wodurch diese Wand zum Teil leitend wird und nach einer gewissen Betriebszeit die Elektroden des Kontaktthermometers kurzschliesst. Es ist dabei noch eine andere Erscheinung zu berücksichtigen. In Abhängigkeit von der Grössenordnung des durchfliessenden Stromes erleidet der Quecksilberfaden bei den Kontakten im Zeitpunkt der Berührung bzw. des Abreissens des Meniskus eine Dehnung, die verschieden gross ist. Das Abreissen erfolgt demnach in verschiedenen Zeitpunkten, wodurch grosse Ungenauigkeiten hervorgerufen werden.
Alle diese Nachteile werden nun gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch behoben, dass mittels Transistorenschaltungen im Kontaktthermometer lediglich Ströme von Mikroampere-Intensitäten zugelassen werden. Hiedurch wird erreicht, dass der erfindungsgemässe Thermostat nach selbst mehreren
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ten Temperaturgrenzen praktisch konstant gehalten werden kann. Versuche haben gezeigt, dass dann selbst bei einer Änderung der Aussentemperatur von-190 C bis +500 C die Änderung der inneren Temperatur innerhalb der angegebenen Grenzen bleibt.
Tatsächlich überschritt die Änderung der inneren Temperatur nicht 0, 01 C, wenn die äussere Temperatur sich zwischen -190 C und dem Frierpunkt änderte, während bei höheren Aussentemperaturen der eingestellte Wert genau eingehalten werden konnte.
Die Erfindung wird nachstehend auf Grund der Zeichnungen näher erläutert, wobei die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel des Thermostaten gemäss der Erfindung darstellen :
Die Fig. l ist eine Seitenansicht, Fig. 2 stellt eine Ansicht von unten dar, Fig. 3 zeigt eine Einzelheit im Längsschnitt und Fig. 4 ist schliesslich ein Schaltbild.
Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, sind sämtliche Armaturen des Thermostaten beim dargestellten Ausführungsbeispiel in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet, das mittels eines Bodenrandes auf einer Schalttafel 12 befestigt werden kann. Auf der einen Seite des Innenraumes 13 des Gehäuses 10 ist die Armatur gemäss Fig. 3 angebracht, die im engeren Sinne den Thermostaten mit Kontaktthermometer darstellt. 14 bezeichnet das Kontaktthermometer, 14a, 14b die Elektroden des Kontaktthermometers, 15 den Heizfaden der Widerstandsheizung des Thermostaten, 16 die Einheit, namentlich beim dargestell- ten Ausführungsbeispiel die Quarzröhre eines Oszillators ein"r Fernsprechanlage für Mehrkanalübertragung, deren Temperatur zu regeln ist.
Der Heizfaden 15 der Widerstmdsheizung ist auf einen zylinderförmigen Metallklotz 17 aufgewickelt, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Hohlräume 18 und IM aufweist. Der Hohlraum 18 ist der in der Einleitung erwähnte Regelraum, in welchem die Einheit mit zu regelnder Temperatur, d. h. im vorliegenden Fall die Quarzröhre 16 angebracht ist. Der Hohlraum J9 bildet den Regelraum, dessen Grenzfläche, d. h. die Wand des Hohlraumes 19 gemäss der Erfindung mit dem Quecksilberkölbel 140 des Kontaktthermometers 14 in wärmeleitender Berührung steht. Beim dargestell- ten Ausführungsbeispiel ist diese Berührung zwischen Quecksilberkölbel 140 und Hohlraum 19 durch enge Passung, d. h. durch fbrmschlüssige Verbindung gesichert.
Es ist zweckmässig, auch zwischen Quarzröhre 16 und Hohlraum 19 eine Passung vorzusehen. Da jedoch die Quarzröhre 16 auswechselbar angeordnet werden muss, wird diese Passung notwendigerweise lose sein, d. h. der geregelte Raum 18 wird mit Abstand die Einheit 16 mit zu regelnder Temperatur umgeben, wie dies in Fig. 3 angedeutet worden ist.
.Der Heizfaden 15 umgibt den Hohlraum 18 in an sich bekannter Weise in der Form einer Schlaubenlinie. Zweckmässig wird die Ganghöhe des Heizfadens 15 gegen die Mündungsöffnung 20 des geregelten Raumes 18 in nicht dargestellter Weise abnehmen. Diese Massnahme bezweckt eine dem Wärmeverlust proportionale Verteilung der Heizwirkung. Die Wärmeverluste werden nämlich mit der Vergrösserung des
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Der Metallklotz 17 mit dem Heizfaden 15 ist unter Belassung je eines Zwischenraumes durch zwei Metallmäntel 24a und 24b sowie durch das Metallgehäuse 10 umgeben. Der Zwischenraum 25a zwischen den beiden Metallmänteln 24a und 24b ist durch Phenolschaum ausgefüllt. Die innere Fläche des Metallmantels 24a ist mit einer Spiegelfläche versehen. Die äussere Seite des Metallmantel 24b ist ebenfalls durch Phenolschaum 25b umgeben. Durch die Metallmäntel 24a und 24b hindurch sind innerhalb des Gehäuses 10 die Anschlussleitungen 26 bzw. 27 sowohl des Heizfadens 15, wie auch des Kontaktthermometers 14 ausgeführt.
Wie aus dem Schaltbild gemäss Fig. 4 hervorgeht, bildet der bewegliche Kontakt des Schalters 28 des Heizstromkreises 26 beim dargestellten Ausführungsbeispiel den Anker eines Relais 29. Die Erregerwicklung des Relais 29 liegt in einem Stromkreis 30, dem ein sich über das Thermometer 14 schliessender
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bekannt ist. Die Stromkreise 27 und 30 sind zu einer Stromquelle 31 parallelgeschaltet. Die Verzweigungspunkte sind mit A und B bezeichnet.
Es wird nun bezweckt, die Stärke des im Stromkreis 27 über das Kontaktthermometer 14 fliessenden Stromes möglichst gering zu halten, wobei gleichzeitig im Stromkreis 30 über die Erregerwicklung des Relais 29 ein Strom fliessen soll, dessen Stärke genügt, um den Schalter 28 im Heizstromkreis 26 zu betätigen. Zu diesem Zweck wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Schaltung gemäss Fig. 4 verwendet, bei welcher der Stromkreis 27 (Steuerstromkreis) des Kontaktthermometers 14 bzw. der Strom-
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Wahl der Widerstände RI, R Ry R . in Abgleichung an die Transistoren TR 1 und TR kann die Stärke des im Steuerstromkreis 27 fliessenden Stromes in die Grössenordnung von Mikroampèrell gebracht werden.
Im Betätigungsstromkreis 30 kann dabei ein Strom in der Grössenordnung von Milliampèren aufrechterhalten werden. Im Verlaufe von Versuchen hat z. B. der Strom in der Erregerwicklung des Relais 29 bei Verwendung einer Stromquelle 31 von 24 V eine Stärke von 3, 5 mA erreicht, die bei Schliessung der Elektroden 14a, 14b auf einen Wert von 30 JA gesunken ist. Die. Stärke des über das Kontaktthermometer 14 fliessenden Stromes war dabei 22,5 Isba.
Die Stromquelle des Heizstromkreises 26 ist mit 33 bezeichnet. Die Schaltung 34 kann infolge ihrer kleinen Abmessungen am Relais 29 aufgebaut und somit zusammen mit dem eigentlichen Thermostaten, d. h. im Wesen zusammen mit dem Matallklotz 17, im Gehäuse 10 angebracht werden, wie dies in Fig. 2 dargestellt worden ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Thermostaten arbeitet wie folgt :
Die Verschlussplatte 22 und auch die wärmeisolierende Schichte 21 werden entfernt, sodann die Quarzröhre 16 in den auf der inneren Seite der Verschlussplatte vorgesehenen Sockel 22a gelegt. Die wärmeisolierende Schicht 21 und die Verschlussplatte 22 werden dann zurückgelegt, so dass die Quarzröhre 16 in den Hohlraum 18 zu liegen kommt. Nachher werden die Stromquellen 31 und 33 mittels nicht dargestellter Schalter angeschlossen. Da bei Beginn der Heizung die Elektroden 14a und 14b des Kontaktthermometers 14 zunächst offen sind, fliesst im Steuerstromkreis 27 kein Strom, wogegen im Betätigungsstromkreis 30 ein Strom von maximaler Stärke fliesst und die Anziehung des Relais 28 und die Einschaltung des Heizstromkreises 26 bewirkt.
Die Heizwirkung wird durch den Metallklotz 17 unmittelbar dem Quecksilberltölldel 140 iibergeben, so dass der Quecksilberfaden des Kontaktthermometers 14 steigt und die Elektroden 14a und 14b schliesst. Der Strom der Stromquelle 31 verteilt sich dann zwischen den Stromkreisen 27 und 30, die Stärke des Stromes im Stromkreis 30 verringert sich und das Relais 28 fällt ab. Somit wird der Heizstromkreis 26 unterbrochen, wobei eine Abkühlung stattfindet. Dieser Zustand dauert an, so lange die Elektroden 14a, 14b durch den Quecksilberfaden des Kontaktthermometers 14 geschlossen gehalten werden.
Sobald beim Sinken der Quecksilberfaden die Elektrode 14b verlässt, wird auch der Stromkreis 27 unterbrochen. Die Stärke des Stromes im Stromkreis 30 nimmt zu, das Relais 28 zieht an und der bereits beschriebene Vorgang wiederholt sich.
Der erfindungsgemässe Thermostat kann auch vom dargestellten Ausführungsbeispiel abweichend ausgeführt werden. Das Quecksilberkölbel 140 des Kontaktthermometers 14 kann z. B. auch unter Zwischenschaltung einer Metallfolie in den Hohlraum 19 gepasst werden, da die wärmeleitende Verbindung auch auf diese Weise gesichert ist. Hiedurch wird die Anwendung von weiteren Toleranzgrenzen ermöglicht.
Das Quecksilberkölbel 140 kann aber auch ohne Passung angebracht werden, wenn übrigens gesichert ist, dass die Wärme mittels Wärmeleitung aus dem Metallklotz 17 dem Quecksilberkölbel 140 zugeführt wird.
Hiezu ist nämlich prinzipiell ausreichend, wenn die Wand des Quecksilberkölbels 140 sich mit der Wand des Hohlraumes 19 mindestens an einer Stelle wärmeleitend, d. h. unmittelbar berührt. Eine derartige Ausführung geht natürlich auf Kosten der Genauigkeit, d. h. die einhaltbaren Temperaturgrenzen werden auseinandergerückt. Der Bereich der einhaltbaren Temperaturen nimmt auch dann zu, wenn keine Passung zwischen der Einheit 16 mit zu regelnder Temperatur und dem Hohlraum 18 stattfindet oder der Heizfaden 15 gleichförmig auf den Metallklotz 17 aufgewickelt ist. Anstatt je eines Hohlraumes 18 und 19 können von einem oder beiden auch mehrere verwendet werden. Bei der Eichung von Thermometern z. B. kann die Temperatur von mehreren Hohlräumen 18 mittels desselben Kontaktthermometers 14 geregelt werden.
Zwecks verschiedener Eichungstemperaturen können dabei untereinander umschaltbare mehrere Kontaktthermometer 14 und dementsprechend mehrere Hohlräume 19 vorgesehen sein, die wahlweise eingeschaltet werden. Anstatt der Transistorenschaltung 24 können auch an sich bekannte Röhrenschaltungen verwendet werden. In diesem Fall stellen dann die Stromkreise 27 und 30 eine besondere Einheit dar. Die Stromquellen 31 und 33 können auch in der Weise vereinigt werden, dass sämtliche Stromkreise 2 6,27, 30 vom Netz gespeist werden. In diesem Fall muss offensichtlich auch für Spannungswechsel (Umspanner) und zum Teil für Gleichrichter gesorgt werden.
Bei all diesen Abänderungen besteht jedoch ungeändert die vorteilhafte Wirkung der Anwendung des Metallklotzes 17, die sich in der Verengung der einhaltbaren Temperaturgrenzen offenbart, wie dies bei den bekannten Thermostaten nicht erreicht werden konnte.
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