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Die Erfindung betrifft einen temperaturkompensierten Kondensator mit
Stator-Elektroden und mit drehfest verbundenen Rotor-Elektroden, die mit den Stator-Elektroden
kapazitiv gekoppelt und dagegen durch eine Einrichtung in Abhängigkeit von Änderungen
der Umgebungstemperatur drehbar sind.
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Ein derartiger Kondensator, insbesondere für Oszillatorschaltungen,
ist bereits bekannt. Bei diesem werden Kapazitätsänderungen infolge Temperaturänderungen
automatisch kompensiert, d. h., seine Kapazität wird konstant gehalten. Der bekannte
Kondensator hat jedoch insbesondere den Nachteil, daß einerseits sein Temperaturkompensationsbereich
verhältnismäßig eng ist und daß andererseits für die Frequenzkonstanthaltung eines
Oszillators bei sich ändernder Umgebungstemperatur der Kondensator zur Kompensation
seine Kapazität ändern muß, da die übrigen Bauelemente des Oszillators ebenfalls
temperaturempfindlich sind.
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Es ist ferner ein Kondensator mit einstellbarer Temperaturabhängigkeit
bekannt, bei dem durch Relativbewegung eines Rotorpakets zu zwei Statorpaketen in
axialer Richtung die gewünschte Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur erzielt
wird, wobei die zwei Statorpakete in axialer Richtung gegeneinander versetzt angeordnet
und parallel geschaltet sind, so daß beim Drehen des Rotorpakets zur Einstellung
der Temperaturabhängigkeit die Kapazität des Kondensators bei konstanter Temperatur
annähernd gleichbleibt. Durch diesen Kondensator soll insbesondere eine Oszillatorschaltung
temperaturkompensiert werden, so daß beispielsweise keine Frequenzänderungen auftreten.
Abgesehen von der wegen der vielen Elektroden aufwendigeren Konstruktion ist der
Temperaturkompensationsbereich dieses bekannten Kondensators verhältnismäßig klein
bzw. die Temperaturkompensation für größere Temperaturintervalle nicht genau genug.
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Es ist ferner bereits ein Quarzoszülator vorgeschlagen worden, in
dessen Schwingkreis ein Kondensator angeordnet ist, dessen Kapazität zur Kompensation
der Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz durch einen Bimetallstreifen veränderbar
ist, indem der Kondensator als Drehkondensator mit gekrümmtem Plattenschnitt ausgebildet
ist, dessen Rotorelektrode gemäß den Durchbiegungen des Bimetallstreifens in einer
zur Statorelektrode parallelen Ebene drehbar ist. Mit diesem Kondensator kann keine
vollständige Kompensation der Umgebungstemperatur für einen Quarzoszillator erreicht
werden, da die Quarzoszillatoren, für die der Kondensator vorgesehen ist, unterschiedliche
Temperatur-Frequenz-Charakteristiken haben.
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Unter Vermeidung der genannten Schwierigkeiten und Nachteile ist ein
Kondensator der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Stator-Elektroden und zwei elektrisch verbundene Rotor-Elektroden vorgesehen
sind, von denen die erste Stator-Elektrode und die erste Rotor-Elektrode so geformt
sind, daß sie durch Drehung gegeneinander die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz
im wesentlichen kompensieren, und daß eine Stelleinrichtung zur Änderung des Abstands
zwischen der zweiten Stator-Elektrode und der zweiten Rotor-Elektrode vorgesehen
ist, um die Temperaturabhängigkeit der Oszillatorfrequenz vollständig zu kompensieren.
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Der Bestimmung der Elektrodenformen liegen verschiedene Untersuchungen
zugrunde, bei denen einerseits die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz von der Temperatur
bei konstanter Kapazität und andererseits die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz
von der Kapazität bei konstanter Temperatur gemessen wurden. Aus der Forderung nach
einer von Temperatur- und Kapazitätsschwankungen unabhängigen Oszillatorfrequenz
wurde dann die Kapazität als Funktion der Temperatur bestimmt. Die beiden ersten
Elektroden sind so geformt, daß sie diese Funktion im wesentlichen reproduzieren.
Da die Abhängigkeit der Frequenz von der Temperatur und der Kapazität für verschiedene
Oszillatoren unterschiedlich ist, kann mit Hilfe der auf die zweite Stator-Elektrode
einwirkenden Stelleinrichtung eine Anpassung an die einzelnen Oszillatoren vorgenommen
werden.
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Weil ferner die ermittelte Kapazitätsfunktion jeweils nur in einem
kleineren Temperaturbereich streng gültig ist, müssen noch Korrekturen vorgenommen
werden, wenn eine genaue Kompensation in einem großen Temperaturbereich, beispielsweise
von 0 bis 40° C, erfolgen soll. Das wird ebenfalls über die zweiten Elektroden erreicht,
wobei dann zweckmäßigerweise die zweite Stator-Elektrode in mehrere Teile unterteilt
ist, deren Anzahl von der Größe des Temperaturkompensationsbereichs bzw. der Genauigkeit
der Kompensation abhängt. Mit dem Kondensator gemäß der Erfindung ist es dadurch
überraschenderweise möglich, für einen Oszillator eine relative Frequenzkonstanz
von 10-7 und besser im Bereich von 0 bis 40° C zu erreichen. Bei dem bekannten Kondensator
mit einstellbarer Temperaturabhängigkeit ist der Temperaturkompensationsbereich
dagegen ziemlich begrenzt, da beim Verstellen des Kondensators seine Kapazität bei
konstanter Temperatur gleichbleiben soll.
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Vorteilhafterweise kann die Stelleinrichtung für jeden Teil der zweiten
Stator-Elektrode eine Stellschraube aufweisen, ferner kann die die Rotor-Elektroden
drehende Einrichtung eine Bimetallfeder sein.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigt F i g. 1 A ein schematisches Schaltbild eines Quarzoszillators nach Colpitts,
F i g.1 B einen Rückkopplungs-Quarzoszillator, der einen Schwingquarz mit vier Anschlüssen
verwendet, F i g. 2 die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der Oszillatoren von
F i g. 1 A und 1 B, F i g. 3 die Frequenz-Kapazitäts-Charakteristiken bei Veränderungen
der Kapazität der Oszillatoren von F i g. 1 A und l B, F i g. 4 die Temperatur-Charakteristiken
der Kapazität, die für die Kompensation der Charakteristiken von F i g. 2 notwendig
sind, Fig.5 den Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Kondensatoreinrichiung
für die Temperaturkompensation eines Quarzoszillators, F i g. 6 eine Aufsicht auf
die Einrichtung von F i g. 5, F i g. 7, 8 und 9 die Elektrodenformen der Einrichtung
von den F i g. 5 und 6, F i g. IOA, 10B und 10C die jeweilige relative Lage der
drehbaren Elektrode und der stationären Elektrode der F i g. 5 und 6 bei drei typischen
Temperaturen, F i g.11 einen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß
der Erfindung und
F i g. 12 die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken
eines Quarzoszillators mit einer Temperaturkompensationseinrichtung gemäß der Erfindung.
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In F i g. 1 A ist ein typischer transistorisierter Quarzoszillator
nach C o 1 p i t t s gezeigt, der einen Schwingquarz 1 mit zwei Anschlüssen verwendet.
Der Oszillator weist einen npn-Transistor 2 auf, zwischen dessen Kollektor und dessen
Basis der Schwingquarz 1 geschaltet ist. Ein Vorwiderstand 3 wird parallel zum Quarz
1 geschaltet, und der Kollektor des Transistors 2 ist über einen Lastwiderstand
4 mit dem positiven Pol einer Versorgungsbatterie 4 a verbunden, deren negativer
Pol geerdet ist. Ein Kondensator 6 ist zwischen dem Kollektor und dem Emitter des
Transistors 2 geschaltet, während ein Kondensator 5 zwischen der Basis und dem Emitter
dieses Transistors liegt. Die Werte der Widerstände 3 und 4 und der Kondensatoren
5 und 6 werden so ausgewählt, daß sie die Schwingungserzeugung bei einer gewünschten
Frequenz in bekannter Art ermöglichen.
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F i g. 1 B zeigt eine Oszillatorschaltung, die einen Schwingquarz
mit vier Anschlüssen verwendet. Bekanntlich werden derartige Schwingquarze mit vier
Anschlüssen für Niederfrequenzen verwendet. Die Oszillatorschaltung von F i g. 1
B weist einen npn-Transistor 12 auf, der als ein Emitterfolger geschaltet ist, und
wobei sein Emitter über einen Emitterwiderstand 14 mit Erde und seine Basis über
einen Vorwiderstand 15 mit dem positiven Pol einer Batterie 15 a verbunden
sind, deren negativer Pol geerdet ist. Die Basis des als Emitterfolger geschalteten
Transistors 12 ist weiter mit einer Elektrode 11 d des Quarzes 11 verbunden, dessen
entgegengesetzte Elektroden 11 a und 11 b miteinander und über einen
Kondensator 18 mit Erde verbunden sind. Ein Kondensator 18 ist regelbar und kann
kleine Änderungen der Schwingungsfrequenz vornehmen. Eine Elektrode 11 c des Quarzes
11 ist mit einem Kollektor eines Transistors 13 verbunden, um die Schwingungen zu
verstärken. Ein Vorwiderstand 16 ist zwischen der Basis des Transistors 13 und dem
positiven Pol der Batterie 15a geschaltet, während ein Lastwiderstand 17
zwischen dem Kollektor des Transistors 13 und diesem positiven Pol liegt. Es ist
er- , sichtlich, daß mit dem Emitterfolger-Transistor 12, der mit der Basis des
Verstärkertransistors 13 über einen Kopplungskondensator 19 verbunden ist, ein Rückkopplungsoszillator
gebildet wird. Die verschiedenen Widerstände und Kondensatoren werden so ausgewählt,
daß sie eine gewünschte Schwingungsfrequenz ergeben, was bekannt ist.
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In beiden Schaltungen der F i g. 1 A oder 1 B wird ein Schwingquarz
angeregt, in seinem induktiven Zustand zu schwingen. Die Ersatzinduktivität des
Quarzes ist so groß, daß die Schwingungsfrequenz der Schaltung fast vollständig
durch die Quarzfrequenz bestimmt wird. Genaugenommen ändert sich jedoch eine derartige
Frequenz, wenn auch nur leicht, infolge der Konstanten der äußeren Schaltung. Es
ist daher bekannt, kleinere Einregelungen der Schwingungsfrequenz mit dem Kondensator
5 von F i g. 1 A oder dem Kondensator 18 von F i g. 1 B vorzunehmen.
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Die Frequenz-Temperatur-Charakteristiken der Oszillatoren der F i
g. 1 A und 1 B, in denen die jeweiligen Quarze DT- oder CT-geschnitten bzw. NT-oder
XY-geschnitten sind, letztere können im Niederfrequenzbereich verwendet werden,
sind einer Kurve zweiter Ordnung (F i g. 2) sehr ähnlich. Andererseits ist erkannt
worden, daß die Änderung der Oszillatorfrequenz, wenn der Wert der Kondensatoren
5 und 18 sich bei einer konstanten Temperatur To °C ändert, durch die Charakteristik
von F i g. 3 dargestellt werden kann. In F i g. 3 stellt die x-Achse die Kapazität
der Kondensatoren 5 und 18 und die y-Achse die Oszillatorfrequenz des Oszillators
dar. Obgleich die von der x- und y-Achse dargestellten tatsächlichen Werte in beiden
Schaltungen der F i g. 1 A und 1 B verschieden sein können, können die Charakteristiken
durch nahezu identische Gleichungen beschrieben und deshalb durch eine einzelne
Kurve dargestellt werden. d f (Co) stellt die Änderung der Oszillatorfrequenz
dar, wenn der Wert jeder der Kondensatoren 5 und 18 Co ist. Wie aus F i g. 3 ersichtlich
ist, ist daher eine Kompensation erforderlich, um die Oszillatorfrequenz auf einem
konstanten Wert zu halten, unabhängig davon, ob Änderungen der Raumtemperatur auftreten,
wie sie einer Abweichung d f (T) von der Mittenfrequenz bei einer
Temperatur T1 °C entsprechen, was F i g. 2 zeigt. Eine derartige Kompensation kann
durch die Einstellung des Wertes des Kondensators 5 für die Schaltung von F i g.
1 A und des Kondensators 18 für die Schaltung von F i g. 1 B erreicht werden.
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Speziell können die Kondensatoren 5 und 18 ihre Kapazitäten bei einer
beliebigen Temperatur gemäß der folgenden Gleichung geändert haben: 4.f (T) -I-
d.f (C) = 0. (1)
Daher ist gemäß der Erfindung ein Temperaturkompensations-Kondensator
5, 18 vorhanden, der die Gleichung (1) bei jeder Temperatur erfüllen kann, um eine
konstante Schwingungsfrequenz aufrechtzuerhalten.
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F i g. 4 stellt die Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik des Temperaturkompensations-Kondensators
dar. Diese Charakteristik wird aus der Frequenz-Temperatur-Charakteristik des Schwingquarzes
von F i g. 2 und der Frequenzkapazitäts-Charakteristik von F i g. 3 erhalten, und
sie ist definiert durch die Gleichung
Ein Temperaturkompensations-Kondensator gemäß der Erfindung, wie er in den F i g.
5 und 6 gezeigt wird, hat eine Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik von der in F
i g. 4 gezeigten Art. Der Kondensator weist zwei parallele getrennte Platten auf,
die Luft als Dielektrikum haben und eine stationäre Elektrode 51 und eine drehbare
Elektrode 52 einschließen. Die Kapazität zwischen den Elektroden 51 und 52 kompensiert
ungefähr die Frequenz-Temperatur-Charakteristik eines Quarzoszillators. Zusätzlich
rotiert eine Elektrode 53 zusammen mit der Elektrode 52 in einer Einheit und eine
stationäre Elektrode 54, die zur Veränderung des Zwischenraums zwischen der drehbaren
Elektrode 53 und der stationären Elektrode 54 mittels einer Stellschraube 55 eingestellt
werden kann. Eine derartige Einstellung kompensiert
den kleinen
Fehler der Form der Elektroden 51 und 52 aus der Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik
von F i g. 4. Die drehbaren Elektroden 52 und 53 werden durch die Ausdehnung und
Verkürzung eines Bimetallteils 56 infolge Temperaturänderungen gedreht. Der Mittelpunkt
des Bimetallteils 56 ist an einer drehbaren Welle 57 befestigt, die die drehbaren
Elektroden 52 und 53 trägt und mit ihnen elektrisch verbunden ist. Ein Ende des
Teils 56 ist durch einen Stift 58 an einem Metallgehäuse 59 befestigt, das den Elektroden-
und Bimetallaufbau umgibt. Der Stift 58 ist vom Gehäuse 59 und den stationären Elektroden
51 und 54 durch eine Isolationsdurchführung 62 elektrisch isoliert. Auf diese Weise
stellt der Stift 58 eine elektrische Verbindung zwischen den drehbaren Elektroden
und den Schaltungen außerhalb des Gehäuses her. Die drehbare Welle 57 ist durch
ein. Edelsteinlager 61 vom Gehäuse 59 und den stationären Elektroden 51 und 54 elektrisch
isoliert. Die stationären Elektroden sind am geerdeten Gehäuse 59 befestigt und
mit ihm elektrisch verbunden. Im folgenden sollen die Elektroden 51 und 52 die erste
stationäre Elektrode bzw. die erste drehbare Elektrode und die Elektroden 53 und
54 die zweite drehbare Elektrode bzw. die zweite stationäre Elektrode genannt werden.
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Die F i g. 7 und 8 zeigen die einzelnen Platten 51 bis 53. Die zweite
stationäre Elektrode 54 ist in den F i g. 5, 6 und 9 in fünf mechanische Elektrodenteile
unterteilt gezeigt, wobei jeder Teil elektrisch mit dem anderen verbunden ist. Jeder
abgeteilte Elektrodenteil kann seine Lage und Form mittels einer Stellschraube 55
verändern, die für jede abgeteilte Elektrode vorgesehen ist. Auf diese Weise kann
der Abstand zwischen den Elektrodenteilen und der ; drehbaren Elektrode 53 eingestellt
werden. Die drehbaren Elektroden 52 und 53 sind so- aufgebaut, daß sie um einen
vorherbestimmten Winkel a in einem bestimmten Bereich gedreht werden können, was
in F i g. 10 A gezeigt wird.
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Die gegenseitige Lage der ersten stationären Elektrode 51 und der
ersten drehbaren Elektrode 52 bei einer typischen Temperatur ist in den F i g. 10
A,10 B und 10C gezeigt. In F i g. 10A beträgt die Temperatur Tmax °C, F i
g. 4 und die erste drehbare Elektrode 52 und die erste stationäre Elektrode 51 überdecken
sich völlig, wodurch eine maximale Kapazität erzielt wird. Wenn die Gesamtfläche
der drehbaren Elektrode mit St bezeichnet wird, dann kann Cmax von Fig.4
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Dabei ist a. die Dielektrizitätskonstante der Luft. Bei einer Temperatur T2, F i
g. 4, kann die Fläche S2 eines Teils der ersten drehbaren Elektrode 52 (F i g. 10B),
die aus der ersten stationären Elektrode 51 herausragt, aus dem Verlauf der äußeren
Kurve auf der linken Seite der ersten drehbaren Elektrode 52 durch die folgende
Gleichung berechnet werden.
wobei 02 der Drehwinkel ist und der Abfall der Kapazität so eingeregelt wird, daß
er gleich d C2 ist (F i g. 4), d. h.,
wobei »r«, wie in F i g. 10 b gezeigt ist, der Abstand zwischen erstens einem Schnittpunkt
P der äußeren Kurve der ersten drehbaren Elektrode und der äußeren geraden Linie
der ersten stationären Elektrode und zweitens dem Drehpunkt 57 ist und »g« der Spaltabstand
zwischen der ersten stationären Elektrode 51 und der ersten drehbaren Elektrode
52 ist: Bei einer Temperatur T" (F i g. 4) kann die Fläche S3 eines Teils der ersten
drehbaren Elektrode 52, wie aus F i g. 10 C ersichtlich ist, der aus der ersten
stationären Elektrode 51 herausragt, aus dem Verlauf der äußeren Kurve auf der rechten
Seite der ersten stationären Elektrode 51 mittels der folgenden Gleichung berechnet
werden:
wobei 0, der Drehwinkel ist und der Abfall der Kapazität so eingeregelt wird, daß
er gleich d C3 ist (F i g. 4). Die äußere Kurve auf der rechten Seite der ersten
stationären Elektrode 51, d. h., »r« ist so definiert, daß es die folgende Gleichung
erfüllt:
wobei »r« der Abstand zwischen erstens einem Schnittpunkt Q der äußeren Kurve der
ersten stationären Elektrode mit der äußeren geraden Linie der ersten drehbaren
Elektrode und zweitens dem Drehpunkt 57 ist und »g« der Spaltabstand zwischen der
ersten stationären Elektrode 51 und der ersten drehbaren Elektrode 52 ist.
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Die durch die Gleichungen (5) und (7) ausgedrückte Beziehung kann
bei jeder gewünschten Temperatur hergestellt werden. Es ist jedoch ersichtlich,
daß es ziemlich schwierig ist, die genaue, durch die Gleichungen (5) und (7) beschriebene
Beziehung herzustellen, wenn ein Temperaturkompensations-Kondensator nur eine erste
stationäre und eine erste drehbare Elektrode aufweist.
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Um einen Temperaturkompensations-Kondensator für einen Quarzoszillator
zu erhalten, der eine im wesentlichen konstante Frequenz aufrechterhält, wie sie
durch die Gleichungen (5) und (7) definiert ist, werden die zweite stationäre und
die zweite drehbare Elektrode benötigt. Wie aus F i g. 5 ersichtlich ist, bedeckt
die zweite stationäre Elektrode 54 die zweite drehbare Elektrode 53, und auf diese
Weise wird mit den zweiten Elektroden die genaue Einstellung der Oszillatorfrequenz
erreicht. Es ist ersichtlich, daß die Kapazität zwischen der zweiten stationären
und der zweiten drehbaren Elektrode vom Abstand zwischen diesen Elektroden abhängt.
Die zweite stationäre Elektrode 54 kann für die genaue Einstellung in fünf Teile
unterteilt werden, was in F i g. 9 zu sehen ist, um die Schwingungsfrequenz bei
fünf verschiedenen Temperaturen einzuregeln, z. B. bei 0, 10, 20, 30 und 400 C.
Gemäß
der Erfindung kann durch die Kapazität der zweiten Elektroden 53 und 54 parallel
zu den ersten Elektroden eine genaue Einstellung der Schwingungsfrequenz vorgenommen
werden.
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Eine Frequenztemperatur -Charakteristik eines Quarzoszillators mit
einem Temperaturkompensations-Kondensator von F i g. 5, in dem z. B. ein XY-geschnittener
Quarz-Kristall zu Schwingungen in der Schaltung von F i g. 1 B angeregt wird, ist
in F i g. 12 gezeigt. Mit dem Kondensator 18 von F i g. 1 B als Temperaturkompensations-Kondensator
kann eine Frequenzabweichung von etwa 10-7 im Temperaturbereich von 0 bis 40° C
erhalten werden. Die Temperaturcharakteristik eines gebauten Quarzoszillators braucht
jedoch nicht so glatt wie die von F i g. 2 zu sein. Eine komplizierte Kurve kann
gelegentlich infolge des Einflusses des Zwillingskristalls od. dgl. auftreten. Demgemäß
kann eine bessere Kompensation durch Verwendung der zweiten stationären und drehbaren
Elektrode erhalten werden. Diese zweiten Elektroden können so eingestellt werden,
daß sie die Fehler in der durch Gleichung (1) gegebenen Kapazitäts-Temperatur-Charakteristik
eliminieren, die durch die erste stationäre und drehbare Elektrode eingeführt werden.
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Wie oben beschrieben wurde, gewährleisten die erste stationäre und
drehbare Elektrode eine ungefähre Einstellung der Temperatur-Charakteristiken eines
Quarzoszillators. Die Frequenz eines Quarzoszillators kann mit großer Präzision
durch die zweiten Elektroden eingeregelt werden. Vorzugsweise ist für die in F i
g. 12 abgebildete Charakteristik die zweite stationäre Elektrode 54 in neun Teile
unterteilt, um z. B. die Frequenz bei 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40° C einzuregeln.
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Aus der Beschreibung der Erfindung ist ersichtlich, daß viele weitere
Abänderungen der Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung vorgenommen werden können.
Zum Beispiel kann, wie in F i g. 11 gezeigt ist, der Zwischenraum zwischen der zweiten
stationären und der drehbaren Elektrode durch eine Stellschraube 113 eingestellt
werden. Ein Bimetallteil 115 ist an seinem Mittelpunkt an einer drehbaren Welle
116 befestigt. Ein Ende des Teils 115 ist an einem Isolationsgehäuse
114 durch einen Stift 117 befestigt, der am Gehäuse angebracht ist und einen elektrischen
Anschluß darstellt. Eine zweite drehbare Elektrode 111 im Gehäuse 114 hat die Form
eines an seinem unteren Ende offenen Zylinders und ist am Mittelpunkt ihres oberen
Endes an der Welle 116 befestigt. Eine zweite stationäre Elektrode 112 befindet
sich parallel zur Wand der zylindrischen Elektrode 111 und kann in verschiedene
Lagen zwischen ihrer abgebildeten und den gestrichelten Lagen mittels der Stellschraube
113 und einer Vorspannfeder 118 gebracht werden. Auf diese Weise kann die
Kapazität so eingestellt werden, daß die oben beschriebene Kompensation erzielt
wird.
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Es ist auch ersichtlich, daß an Stelle von Luft ein anderes flüssiges
oder gasförmiges Medium innerhalb des Gehäuses 114 benutzt werden kann, das eine
hohe Dielektrizitätskonstante hat.