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Temperaturkompensierte Kristallvorrichtung Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Kristallvorrichtung mit mindestens angenähert konstanten elektrischen Eigenschaften und insbesondere eine Vorrichtung zur Fr equenzsteüerüng, deren Ausgangsfrequenz von der Temperatur abhängt.
Bis anhin ist die Ausgangsfrequenz von piezoelek- trischen Kristallen infolge der Temperaturänderungen des Kristalls ziemlich unstabil gewesen.- Wenn die Temperaturregelung des Kristalls vörgesehen wurde, wurde der Kristall auf eine höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur gebracht. Das war jedoch oft unerwünscht, besonders wenn die gewünschte Frequenz eine unter der Umgebungstemperatur liegende Temperatur erforderte. D_ ieses wurde noch dadurch verschlimmert, dass die piezoelektri- schen Kristalle in gewissen Apparaten verwendet wurden, deren Umgebungstemperatur beim kontinuierlichen Betrieb ungewöhnlich hoch sind.
Hohe Temperaturen sind besonders schädlich, weil Kristalle bei hohen Temperaturen schneller sublimieren. Diese Sublimation verursacht eine merkliche Verkleinerung der Kristallmasse, so dass eine weitere Andprung der Ausgangsfrequenz eintritt. Hohe Temperaturen bewirken auch ein Erweichen der Supporte oder der tragenden Verlötung.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung dieser Nachteile, insbesondere durch Schaffung solcher Mittel bei piezoelektrischen_ Kristallen in Frequenzreglern, mittels welchen die Temperatur eines solchen Kristalles bei- irgendeiner Temperatur, über, unter oder bei der Umgebungstemperatur gehalten werden kann.
Die erfindungsgemässe temperaturkompensierte Kristallvorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit eine Kammer bildenden Wänden aus Isoliermaterial, durch einen in der Kammer befindlichen Kristall mit temperaturempfindlichen, Betriebscharak- teristiken, und durch Mittel zum Halten der Kristalltemperatur auf einer konstanten Höhe trotz der variierenden T_ emperatur ausserhalb des Gehäuses, welche Mittel eine thermoelektrische Wärmepumpe mit min- de'stens einem ersten mit der Kammer in Wärmever- bindung@ 'stehenden Thermoelement und mit mindestens einem zweiten,
ausserhalb fies Gehäuses exponierten Thermoelement, und temperaturempfind- '- 5 l@clie Umschaltmittel aufweisen, welche aus .an einem auf die Temperatur ansprechenden Teil in der Kammer und . aus im Wärmepumpenkreis befindlichen Schaltkontakten bestehen, wobei der Kreis an eine Gleichstromquelle anzuschliessen ist, damit Gleichstrom die Wärmepumpe in der einen oder anderen Richtung durchfliessen kann, um zum Halten des Kri- ,.
Stalls . auf . einer konstanten Temperatur denselben erwärmen oder kühlen zu können.
Die Temperatur soll bei, über oder unter der Umgebungstemperatur durch den die Wärmepumpe steuernde.n Therrnöschalter eingestellt werden können, wobei dieser -Thermoschalter räumlich zwischen dem Kristall und der Wärmepumpe angeordnet sein kann.. Dabei kann die Wärmepumpe mindestens ein Ther- mo_ element aus einer Pb-Legierung, umfassen.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen.: Fig. 1 einen Schnitt eines FreqWnzreglers_ mit Temperaturkompensierung für. einen piezoelektrischen Kristall mit dazugehöriger Schaltung.
Fig. 2 eine perspektivische, auseinandergezogene Ansicht des .Halters des piezoelektrischen Kristalls der Fig. 1, und Fig; 3 einen Schnitt von. weiteren Temperaturkompensierungsmitteln mit dazugehöriger Schaltung.
In Fig.1 bezeichnet 10 einen Freguenzrpgler, welcher, so in einem elektrischen, Kreis, geschaltet, ist dass ein gewöhnlicher $öhrenQszillator erhalten wird.
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Der Frequenzregler 10 weist ein Gehäuse 12 und einen elektrisch isolierenden Deckel 14 auf; dabei sind Teile des Gehäuses und des Deckels als komplementäre Flächen 16 und 18 ausgebildet, mittels denen der Deckel auf dem Gehäuse festgehalten ist.
Das Gehäuse 12 ist innen hohl, so dass ein Raum 20 entsteht, worin ein piezoelektrischer Kristall 22 mittels bekannter Elektrodenplatten 24 und 26 und einer gespannten Feder 28 festgehalten ist. Obwohl der Kristall 22 irgendwie im Raum 20 des Gehäuses 12 befestigt sein kann, ziehen wir doch Elektrodenplatten 24 und 26 der in Fig. 2 gezeigten Form vor. Die Elektrodenplatte 24 ist elektrisch leitend und besteht aus vier eine rahmenartige Struktur bildende Leisten 30a-d, deren Eckpartien 32a-4 verdickt sind und im zusammengebauten Zustand am Kristall 22 anliegen. In ähnlicher Weise ist die Elektrodenplatte 26 elektrisch leitend und weist zur Lagerung des Kristalls 22 verdickte Eckpartien 34a-d auf.
Der piezoelektrische Kristall 22 zusammen mit den Elektrodenplatten 24 und 26 befinden sich im Raum 20, wobei der Rand der Unterseite der Platte 24 auf Absätzen 36 ruht und eine Blattfeder 28 zwischen der Elektrodenplatte 26 und dem Deckel 14 angebracht ist, um die Platten 24 und 26 und den Kristall 22 zusammenzuhalten. Die Feder 28 übt auch einen vorbestimmten Druck aus einem nachstehend erläuterten Grund auf den Kristall aus.
Ein Leitungsdraht 38 ist an der Elektrodenplatte z. B. angelötet, wobei ein Stromleiter 40 am anderen Ende des Drahtes z. B. angelötet ist, welcher Leiter 40 einen im Gehäuse 12 befindlichen Kontaktteil 40u aufweist. In gleicher Weise ist ein Leitungsdraht 42 einenends an der Elektrodenplatte 24 und andern- ends an einem Stromleiter 44 angelötet, welcher einen im Körper 12 befindlichen Kontaktteil 44a aufweist.
Unterhalb der Kristalleinheit befindet sich ein Temperaturregler 46, welcher eine elektrische Wärmepumpe 48 und damit zusammengeschaltete temperaturempfindliche Steuermittel 50 umfasst. Die Wärmepumpe 48 besteht aus Thermoelementen 52, 54, 56 und 58, von denen die Elemente 52 und 56 positive und die Elemente 54 und 58 negative thermoelek- trische Eigenschaften aufweisen, was durch die Symbole P und N veranschaulicht wird. Anschlussstücke 60 und 62 sind an den Unterseiten der Thermoelemente 52 und 54 befestigt und weisen Kontaktteile 60a bzw. 62a auf. Ein elektrisch leitendes Verbindungsstück 64 liegt auf den Thermoelementen 54 und 56, um sie elektrisch miteinander zu verbinden.
In ähnlicher Weise verbindet ein elektrisch leitendes Verbindungsstück 66 die Unterseiten der Thermoelemente 56 und 58.
Die Steuermittel 50 umfassen ein Element 68 aus zwei verschiedenen Metallen, dessen eines Ende an der Oberseite des Thermoelementes 58 befestigt ist. Das andere Ende des Bimetallelementes 68 trägt einen beweglichen Kontakt 70, welcher mit einem über einen Teil 74 mit dem Thermoelement 52 ver- bundenen festen Kontakt 72 zusammenwirkt. Durch Erwärmen oder Abkühlen des Bimetallelementes 68 wird dieses bewegt, so dass sich die Kontakte 70 und 72 öffnen oder schliessen. Eine in den Körper 12 hineingeschraubte Regulierschraube 76 dient zum Einstellen der relativen Lage der Kontakte 70 und 72, um die Ansprechtemperatur der Steuermittel 50 zu verändern. Die Schraube 76 ist mit einem Schlitz zur Einführung eines Schraubenziehers versehen.
Der Frequenzregler 10 kann mittels der Kontaktteile 40a, 44a, 60a und 62a zur Herstellung der nötigen Anschlüsse auf irgendeinem Support befestigt werden, welcher zur Aufnahme dieser Teile eingerichtet ist. Auf jeden Fall muss eine elektrische Stromquelle 78 mittels Drähten 80 und 82 an den Leitern 60 und 62 angeschlossen werden. Da die Wärmepumpe Gleichstrom benötigt, wurde in der Leitung 82 ein Gleichrichter 84 eingeschaltet. Natürlich kann anstelle der Wechselstromquelle 78 auch eine Gleichstromquelle vorgesehen sein, in welchem Fall natürlich der Gleichrichter 84 dahinfällt.
Der Röhrenoszillator im Kreis des Frequenzreglers 10 umfasst eine Triode 86, in deren Anodenkreis ein Schwingkreis geschaltet ist, welcher eine Induktionsspule 88 und eine regelbare Kapazität 90, eine Anoden-Kathodenstromquelle 92 und einen Shunt, der aus einem Widerstand 94 und einer serie- geschalteten Drosselspule 96 bestehend, zwischen der Kathode und dem Steuergitter der Röhre 86 zur Erzielung einer Vorspannung geschaltet ist. Der piezoelek- trische Kristall 22 ist mittels Drähten 98 und 100 parallel mit dem den Widerstand 94 und die Drosselspule 96 enthaltenden Seriekreis geschaltet.
Damit zur Senkung der Temperatur innerhalb des Raumes 20 die Thermoelemente 52, 54, 56 und 58 Wärme pumpen, müssen diese aus einem Material bestehen, welches einen grossen Peltierkoeffizient, eine niedrige thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist. Solche Materialien sind Pb-Legierungen, welche als binäre Legierungen von nicht stöchiometrischem Verhältnis bezeichnet werden können, d. h. eines ihrer Legierungsbestandteile ist stöchiometrisch im überschuss vorhanden oder sie enthalten weitere Zusatzelemente. Solche Legierungen umfassen auch ternäre Legierungen.
Einige dieser Legierungen weisen positive, die anderen negative elektrische Eigenschaften auf.
Ob für die Thermoelemente 52, 54, 56 und 58 eine positive oder negative Legierung gewählt wird, hängt von der Stromrichtung in ihnen und von der Richtung der zu pumpenden Wärme ab. In einem positiven Thermoelement fliesst die Wärme in der gleichen Richtung wie der Strom, während in einem negativen Thermoelement die Wärme gegen die Stromrichtung fliesst.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss Fig. 1 ist die folgende: Die Kapazität 90 wird so geregelt, dass der Schwingkreis mit einer Frequenz schwingt, welche in der Nähe der Eigenfrequenz des Kristalls 22 liegt
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oder damit übereinstimmt. Eine Erregung des Anoden- Kathodenkreises der Triode 86 erzeugt Schwingungen bei der Resonanzfrequenz des abgestimmten Schwingkreises. Die am Anodenkreis auftretende Schwingspannung liegt an dem aus der Kapazität zwischen der Anode und dem Steuergitter der Triode und der Impedanz fies Kristalls 22 gebildeten Spannungsteiler.
Dadurch wird am Steuergitter der Triode eine Rückkopplungsspannung angelegt, wodurch Schwingungen gemäss der Impedanz-Frequenz-Charakteristik des Kristalls 22 entstehen. Um jedoch die Frequenz dieser Schwingungen konstant zu halten, ist es erforderlich, den piezoelektrischen Kristall 22 bei konstanter Temperatur zu halten. Das wird mittels des genannten Temperaturreglers 46 erzielt, welcher aus der Wärmepumpe 48 und den auf die Temperatur ansprechenden Steuermitteln 50 besteht.
Wenn die Kontakte 70 und 72 geschlossen sind, fliesst ein Strom durch die Wärmepumpe 48, und zwar von der Stromquelle 78 durch den Draht 82 und Gleichrichter 84, durch das Anschlussstück 62, das Thermoelement 54, Verbindungsstück 64, Thermo- element 56, Verbindungsstück 66, Thermoelement 58, Bimetallelement 68, Kontakte 70 und 72, Teil 74, Thermoelement 52, Anschlussstück 60 und durch den Draht 80 zurück zur Stromquelle 78.
Wie oben erwähnt, bewirkt ein Stromfluss durch negative Ther- moelemente 54 und 58, d. h. von Anschlussstück 62 zum Verbindungsstück 64 und vom Verbindungsstück 66 zum Bimetallelement 68, dass die zu pumpende Wärme in einer der Stromrichtung entgegengesetzten Richtung fliesst, wodurch von den oberen Enden der Elemente 54 und 58 Wärme aus dem Raum 20 absorbiert und an ihren unteren Enden an die Umgebung abgegeben wird.
In ähnlicher Weise bewirkt ein durch positive Wärmeelemente 52 und 56 fliessender Strom, d. h. von Verbindungsstück 64 zum Stück 66 bzw. vom Teil 74 zum Anschlussstück 60, dass von den oberen Enden der Thermoelemente 52 und 56 Wärme absorbiert und an ihren unteren Enden an die Umgebung abgeben wird. Durch diese Verwendung von positiven und negativen Thermoelemen- ten 52, 54, 56 und 58 wird von allen Thermoelernen- ten gleichzeitig Wärme abgeführt. Dadurch wird die Temperatur des Kristalls 22 und des Bimetallelemen- tes 68 erniedrigt.
Nachdem der erforderliche Temperaturabfall des Bimetallelementes 68 und daher des Kristalls 22 erreicht worden ist, welcher Temperaturabfall durch die Regulierschraube 76 bestimmt wird, wird der Kontakt 70 infolge Verbiegens des Bimetallelementes 68 vom festen Kontakt 72 abgehoben, so dass der Stromkreis unterbrochen wird, d. h. der Stromdurchgang durch die Wärmepumpe 48 wird unterbrochen, und ein weiteres Absinken der Temperatur im Raum 20 wird dadurch verhindert.
Wenn die Temperatur des Kristalls z. B. infolge einer höheren Umgebungstemperatur steigt, wird das Bimetallelement 68 auch wärmer und deformiert sich daher, bis der bewegliche Kontakt 70 den festen Kontakt 72 berührt. Ein solches Schliessen der Kontakte 70 und 72 schliesst den Stromkreis der Wärmepumpe 48 wieder, wodurch die Temperatur im Raum 20 wieder wie vorher absinkt. Ein solches In- und Ausserstromsetzen der Wärmepumpe 48 dauert als Funktion der vom Bimetallelement 68 gemessenen Temperatur an, so dass der Kristall auf einer unter der Umgebungstemperatur liegenden Temperatur gehalten wird.
Dadurch, dass das Bimetallelement 68 zwischen dem Kristall 22 und der Wärmepumpe 48 geschaltet ist, wird jeder von der Wärmepumpe 48 bewirkte Temperaturwechsel zuerst vom Bimetallelement 68 festgestellt, da die Wärmepumpe 48 näher beim Element 68 liegt als der Kristall 22. In der Tat kann ein solches Bimetallelement 68 die von der Wärmepumpe 48 im Kristall 22 bewirkte Temperaturänderung wahrnehmen, bevor sie überhaupt stattgefunden hat. Dadurch wird der Bereich der Temperaturschwankungen des Kristalls 22 bedeutend verkleinert und der Kristall 22 kann praktisch bei einer konstanten Temperatur gehalten werden.
Wenn der Kristall 22 bei der gleichen Temperatur wie die Umgebungstemperatur gehalten wird, wird die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung verwendet, die verschiedene schon im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterte Teile enthält, und die nicht mehr näher beschrieben werden.
In Fig. 3 ist ein leitendes Verbindungsstück 110 an den unteren Enden der Thermoelemente 52 und 54 befestigt, um diese elektrisch miteinander zu verbinden. Am freien Ende des Bimetallelementes 68 ist eine Betätigungsstange 112 eines Zweipolumschalters 114 befestigt. Dieser Umschalter 114 umfasst eine bewegliche und an der Stange 112 angelenkte Kontaktzunge 116, die mittels eines Drahtes 118 an einer am oberen Ende des Thermoelementes 52 befestigten Klemme 120 angeschlossen ist. Eine zweite auch an der Stange 112 angelenkte Kontaktzunge 122 ist mit dem Bimetallelement 68 mittels eines Drahtes 124 verbunden. Der Umschalter 114 weist ferner drei feste Kontakte 126, 128 und 130 auf.
Der Kontakt 126 ist über einen Draht 138 mit einer Klemme 136 und Kontakt 128 mittels eines Drahtes 134 mit einer Klemme 132 verbunden, wobei der Kontakt 130 mittels eines Verbindungsstückes 140 mit dem Draht 138 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der in Fig.3 dargestellten Vorrichtung ist wie folgt: Die Klemmen 132 und 136 sind an einer Stromquelle angeschlossen und der Umschalter 114 befindet sich in der gezeigten Stellung. Der Strom fliesst durch die Wärmepumpe von der Klemme 136, durch die Drähte 138 und 140, Kontakt 130, Zunge 116, Draht 118, Klemme 120, Thermoelement 52, Verbindungsstück 110, Thermoelement 54, Verbindungsstück 64, Thermoelernent 56, Verbindungsstück 66, Thermoelement 58, Bimetallelement 68, Draht 124, Zunge 122, Kontakt 128 und Draht 134 zur Klemme 132.
Dieser Strom bewirkt, dass Wärme von
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den oberen Enden der Thermoelemente 52, 54, 56 und 58 absorbiert und an ihren unteren Enden an die Umgebung abgegeben wird. Ein solches Pumpen der Wärme hat natürlich ein Absinken der Temperatur des piezoelektrischen Kristalls 22 und des Bimetallelementes 68 zur Folge. Nach einem bestimmten und einstellbaren Absinken der Temperatur des Kristalls 22 und des Bimetallelementes 68 deformiert sich letzteres so weit, dass die Kontaktzungen 122 bzw. 116 von den Kontakten 128 bzw. 130 abgehoben und auf die Kontakte 126 bzw. 128 gedrückt werden.
Dadurch wird die Stromrichtung in der Wärmepumpe unigekehrt, d. h. der Strom fliesst nun von der Klemme 136 durch den Draht 138, den Kontakt 126, Zunge 122, Draht 124, Bimetallelement 68, Thermoelement 58, Verbindungsstück 66, Thermoelement 56, Verbindungsstück 64, Thermoelement 54, Verbindungsstück 110, Thermoelement 52, Klemme 120, Draht 118, Zunge 116, Kontakt 128, Draht 134 zur Klemme 132.
Dadurch absorbieren die unteren Enden der Thermoelemente 52, 54, 56 und 58 Wärme aus der Umgebungsatmosphäre, und die oberen Enden dieser Thermoelemente geben diese Wärme an den Raum 20 ab, so dass der piezoelektrische Kristall 22 und das Bimetallelement 68 erwärmt werden, bis die Temperatur des Bimetallelementes sich genügend geändert hat, so dass die Kontaktzungen 116 und 122 des Umschalters 114 in ihre ursprüngliche Lage zurückgebracht werden. Dadurch wird die Stromrichtung wieder im Sinne der Kühlung des Kristalls 22 ge- ändert. Ein solches Erwärmen und Kühlen findet statt, wenn die Temperatur des Kristalls 22 auf der Umgebungstemperatur gehalten werden soll.
Wenn jedoch der Kristall 22 nicht auf der Umgebungstemperatur gehalten werden soll, wird der Umschalter 114 um den einen oder anderen Stromkreis (je nach dem Verhältnis zur Umgebungstemperatur) öffnen oder schliessen. Dadurch kann mittels der Vorrichtung gemäss Fig. 3 der Kristall auf irgendeiner Temperatur über, bei oder unter der Umgebungstemperatur gehalten werden.
Wie schon in bezug auf Fig. 1 erwähnt worden ist, ist auch in Fig. 3 das Bimetalleleinent 68 zwischen der Wärmepumpe und dem piezoelektrischen Kristall angebracht, um die von der Wärmepumpe bewirkten Temperaturänderungen vorauszufühleny>. Dadurch wird natürlich der mögliche Temperaturschwankungs- bereich des Kristalls 22 stark verkleinert, so dass er bei praktisch derselben Temperatur gehalten werden kann.