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Die Erfindung bezieht sich auf ein Quarzthermometer mit einem ersten, eine Bezugsfrequenz liefernden Quarzoszillator und einem zweiten eine temperaturabhängige Frequenz lieferden Quarzoszillator, sowie mit einer beide Frequenzen vergleichenden Anordnung. Die vom ersten Oszillator gelieferte Frequenz dient als Bezugs- oder Vergleichsfrequenz und wird von der Vergleichsanordnung mit der von dem zweiten Oszillator erzeugten Frequenz verglichen, die einen merklichen Temperaturgang aufweist.
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Quarzthermometer, die zwei verschiedene Schwingquarze aufweisen, sind bekannt (US-PS 24 56 811); dabei hat der eine Schwingquarz nur einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten oder ist an einer Stelle angeordnet, die keiner Temperaturänderung unterworfen ist; dieser erste Schwingquarz ist dazu bestimmt, eine konstante Frequenz zu erzeugen. Der andere Schwingquarz verfügt über einen merklichen linearen Temperaturkoeffizienten und ist dazu bestimmt eine Frequenz zu erzeugen, die sich als Funktion der Temperatur ändert.
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Ein solches Quarzthermometer ist beispielsweise beschrieben in der Veröffentlichung "Quartz Crystal Thermometer" von W. H. Wade u. a., veröffentlicht in der Zeitschrift "The Review of Scientific Instruments", Band 33, Nummer 2, Februar 1962, auf den Seiten 212 und 213; eine andere Veröffentlichung läßt sich dem Artikel "Quartz Crystal Thermometer for Measuring Temperature Deviation in the 10-3 to 10-6°C Range" entnehmen, die in der gleichen Zeitschrift Band 34, Nummer 3, März 1963, Seiten 268 ff. von W. L. Smith u. a. veröffentlicht worden ist.
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Die Notwendigkeit, bei diesen bekannten Quarzthermometern zwei Schwingquarze verwenden zu müssen, führt zu einem beträchtlichen Aufwand, einem erhöhten Raumbedarf und zu einem hohen Preis. Die Gestehungskosten erhöhen sich dann noch weiter, und zwar auf Grund des Umstandes, daß der bei solchen Thermometern verwendete Schwingquarz einen Spezialschnitt haben muß, der sonst sehr wenig verwendet und daher schwierig und nur mit hohen Kosten erhältlich ist; außerdem muß die Frequenz der beiden verwendeten Schwingquarze getrennt eingestellt werden.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Thermometer besteht darin, daß dann, wenn der die Bezugsfrequenz erzeugende Quarz in der Nähe des Thermometerquarzes angeordnet ist, die entsprechende Sonde eine große thermische Trägheit und ein großes Volumen aufweist. Darüber hinaus verfälscht ein Temperaturunterschied zwischen den beiden Schwingquarzen die Messung. Befindet sich jedoch der Bezugsquarz außerhalb der zu messenden Umgebung, dann sind die sich auf die beiden Quarze auswirkenden Störeffekte unterschiedlich und die Messung kann aus diesem Grund verfälscht werden. Unter diesen Umständen kann eine thermostatische Temperaturregelung für den Bezugsharz notwendig werden. Ferner altern auch die beiden verwendeten Schwingquarze unabhängig voneinander; die sich hieraus ergebenden Fehler sind kumulativ.
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Nach der US Patentschrift 36 17 923 wird ein Mehrfachschwinger in einem Frequenzgenerator verwendet. Hier besteht jedoch notwendigerweise eine enge Korrelation zwischen den Temperaturkoeffizienten der verschiedenen Resoratoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und die Nachteile der bekannten Quarzthermometer zu beseitigen, d. h. ein Quarzthermometer zu schaffen, welches hoch-präzise auch bei Alterung seiner Elemente ist, einen geringen Raumbedarf besitzt und preiswert hergestellt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Quarzthermometer und kennzeichnet sich durch einen einzigen Schwingquarz in Form einer Platte von AT- oder BT-Zuschnitt, die zumindest zwei, an je einen der beiden Oszillatoren angeschlossene Elektrodenpaare trägt und einerseits die Elektroden eines ersten Elektrodenpaares einander in Richtung der Z&min;-Achse der Quarzplatte gegenüberliegen und mit dem die Bezugsfrequenz liefernden Oszillator verbunden sind und andererseits die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares einander in Richtung der X-Achse der Quarzplatte gegenüberliegen und mit dem die temperaturabhängige Frequenz liefernden Oszillator verbunden sind.
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Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Quarzplatte auf einer einzigen Großfläche metallisiert und die Elektroden sind entlang des Plattenrandes angeordnet, wobei im mittleren Bereich eine aktive Zone nicht metallisiert ist.
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Ein solches, einen einzigen Schwingquarz umfassendes Quarzthermometer weist einen geringeren Raumbedarf als ein Thermometer mit zwei getrennten Schwingquarzen auf und ist wesentlich genauer. Die beiden miteinander zu vergleichenden Frequenzen werden darin von einem Element bestimmt, auf welches sich notwendigerweise sämtliche Außeneinflüsse und die Alterung in identischer Weise auswirken. Ein solches erfindungsgemäßes Quarzthermometer benötigt keinen Thermostat, es ist wesentlich einfacher aufgebaut und kostensparender herzustellen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.
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Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt
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Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine nur auf einer Großfläche metallisierte kreisförmige Quarzscheibe, die zur Bildung eines Quarzthermometers mit Oszillatorkreisen elektrisch verbunden ist,
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Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Quarzplatte in rechteckiger Form mit Metallisierung auf beiden Großflächen, die
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Fig. 3A und 3B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer auf beiden Flächen metallisierten Quarzplatte von oben und von unten, und die
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Fig. 4A und 4B zeigen entsprechend den Darstellungen der Fig. 3A und 3B Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer auf beiden Flächen metallisierten Quarzplatte, wie sie in dem erfindungsgemäßen Quarzthermometer Verwendung findet,
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Fig. 5 zeigt schließlich in Form eines Diagramms das Verhältnis von Thermometerfrequenz zur Bezugsfrequenz als Funktion der Temperatur bei einem erfindungsgemäßen Quarzthermometer.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Schaltschema einer Grundschaltung für das vorliegende Quarzthermometer ist eine Quarzscheibe 1 mit vier Elektroden 2, 3, 4 und 5 ausgestattet, die symmetrisch entlang der Randkante der Quarzscheibe angeordnet sind. Die Elektroden 2 und 3 sind elektrisch mit einem ersten Oszillator 6 verbunden, der auf Grund seiner Verbindung mit dem Quarzkristall eine Vergleichs- oder Bezugsfrequenz erzeugt. Die Elektroden 4 und 5 sind elektrisch mit einem zweiten Oszillator 7 verbunden, der, wiederum auf Grund seiner Verbindung mit dem Quarzkristall, die Thermometerfrequenz liefert. Die Oszillatoren 6 und 7 können von üblicher Art und üblichem Aufbau sein.
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Zur Temperaturmessung wird die von dem Oszillator 6 gelieferte Bezugsfrequenz als Zeitbasis für einen Zähler verwendet, der die Thermometerfrequenz mißt und verarbeitet. Die Anzeige des Zählers ergibt dann in bekannter Weise ein Maß für die jeweilige Temperatur (siehe z. B. den Artikel von D. L. HAMMOND und A. BENJA-MINSON "The crystal resonator a digital transducer" in "IEEE Spectrum", April 1969, S. 53-58).
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Die in Fig. 1 gezeigte Quarzscheibe 1 ist von kreisrunder Form und auf einer ihrer Hauptflächen metallisiert. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer geeigneten Quarzplatte 1, die bei diesem Ausführungsbeispiel rechteckförmig oder viereckig ausgebildet und auf ihren beiden Großflächen metallisiert ist. In diesem letzteren Fall sind vier Elektroden 2&min;, 3&min;, 4&min; und 5&min; vorgesehen, die symmetrisch um den Rand der Quarzscheibe 1 angeordnet sind. Jede Elektrode besteht aus zwei metallisierten Teilen, von denen der eine auf der oberen und der andere auf der unteren Fläche der Quarzplatte angeordnet sind; diese beiden Teile sind elektrisch miteinander verbunden. Eine solche Verteilung und Anordnung der Elektroden sorgt für eine bessere elektromechanische Kopplung, als sie mit der in Fig. 1 gezeigten Elektrodenanordnung erzielt werden kann.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Quarz 1 um eine Quarzplatte mit AT- oder BT-Schnitt mit den Hauptrichtungen X, Y&min; und Z&min;; die Hauptrichtungen Y&min; und Z&min; sind dabei gegenüber der mechanischen Achse Y bzw. gegenüber der optischen Achse Z des Quarzkristalls jeweils um einen bestimmten Winkel R um die elektrische Achse X gedreht. Bei einer Quarzscheibe mit AT-Schnitt beträgt der Winkel R 35° 15&min;. Für eine Quarzscheibe mit BT-Schnitt beträgt R -49°. Diese Werte können der Veröffentlichung "Quartzvibrators and their applications" von Pierre Vigoureux, herausgegeben von "His Majesty's Stationary Office", London, 1950, entnommen werden.
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Analog der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung sind auch die Elektroden 2&min; und 3&min; mit dem ersten Oszillator 6 und die Elektroden 4&min; und 5&min; mit dem zweiten Oszillator 7 verbunden.
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Die beiden Elektroden 2, 3 von Fig. 1 oder 2&min;, 3&min; von Fig. 2 liegen einander in der Richtung Z&min; der Quarzplatte 1 gegenüber und erzeugen bei Anliegen einer Spannung zwischen diesen Elektroden ein Hauptfeld E z , in der Z&min;-Richtung. Die beiden Elektroden 4, 5 (Fig. 1) oder 4&min;, 5&min; (Fig. 2) liegen einander in Richtung der X-Achse der Quarzplatte 1 gegenüber und erzeugen bei Anliegen einer Spannung zwischen diesen Elektroden ein Hauptfeld E x in der X-Richtung.
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Bei den beiden Schwingungsformen des Quarzes 1 handelt es sich um Dickenscherschwingungsformen, die mit Y&min;X und Y&min;Z&min; bezeichnet sind. Beide Schwingungsformen sind in der Veröffentlichung "Parallel Field Excitation of Thickness Modes of Quartz Plates" von R. Bechmann beschrieben, veröffentlicht in den "Proceedings of 14th Annual Symp. On Frequenz Control", 1960 S. 68. Die beiden (unterschiedlichen) Frequenzen hängen vom gleichen physischen Parameter, und zwar der Dicke der Quarzplatte ab, was ihr Verhältnis von den anderen Abmessungen der Quarzplatte unabhängig macht.
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Die erläuterte Elektrodenanordnung erlaubt die gleichzeitige Erregung zweier zueinander senkrechter elektrischer Felder E z&min; und E x . Die gleichzeitige Gegenwart zweier Elektrodengruppen (2, 3 und 4, 5) erzeugt nur eine vernachlässigbare Störung des elektrischen Feldes. Tatsächlich erregt das elektrische Feld E z&min; , welches die Bezugsfrequenz induziert, nicht die Y&min;X- Schwingungsform; in entsprechender Weise wird von dem elektrischen Feld E x , welches die Thermometerfrequenz induziert, die Schwingungsform Y&min;Z&min; nicht erregt. Darüber hinaus sind beide Schwingungsformen Y&min;X und Y&min;Z&min;, bei denen es sich in beiden Fällen um Dickenscherschwingungsformen handelt, mechanisch nicht gekoppelt.
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Sind die Schwingungsamplituden nicht zu groß, dann ist eine störungsfreie Überlagerung mechanischer Wellen möglich, so daß eine gleichzeitige Erregung von verschiedenen Schwingungen im gleichen Quarzvolumen auf zwei verschiedenen Frequenzen erfolgen kann.
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Die beiden vorerwähnten Ausführungsformen eines Schwingquarzes 1 weisen das gleiche Verhalten wie zwei verschiedene und voneinander getrennte Schwingquarze auf, daher kann ein solcher, nach erfindungsgemäßen Grundlagen ausgebildeter Schwingquarz auch in vorteilhafter Weise die bisher bei Quarzthermometern verwendeten beiden Schwingquarze ersetzen.
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Als Beispiel seien im folgenden einige Abmessungen und Daten eines erfindungsgemäßen Schwingquarzes angegeben. Die Quarzplatte 1 von Fig. 1 ist beispielsweise vom AT-Schnitt und hat eine Dicke von 2 · 10-4 m. Der Schwingquarz ist in der Lage, zwei Frequenzen zu erzeugen, und zwar eine bei 8,3 · 10&sup6; Hz, deren Temperaturkoeffizient ±0,1 · 10-6°C beträgt und eine weitere Frequenz bei 9,5 · 10&sup6; Hz, deren Temperaturkoeffizient bei -30 · -6°C liegt; diese beiden Frequenzen entsprechen dann jeweils der Bezugsfrequenz und der Thermometerfrequenz. Der diagrammäßigen Darstellung der Fig. 5 läßt sich ein experimentell ermittelter Kurvenverlauf entnehmen, der das Verhältnis der beiden Frequenzen als Funktion der Temperatur angibt.
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Fig. 5 zeigt so eine graphische Darstellung des Frequenzverhältnisses der Thermometerfrequenz zur Bezugsfrequenz als Funktion der Temperatur, und zwar im Bereich zwischen etwa -10 bis 50°C, was dem Verwendungsbereich des beispielsweise angegebenen Quarzthermometers entspricht.
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Wenn die Messung jeweils eine Sekunde dauert, dann liegt der minimale Meßfehler für die Messung der Thermometerfrequenz von 9,5 · 10-6 Hz bei 1 bis 2 Hz, dies entspricht einem Temperaturfehler von 3 · 10-3°C. Ein solches Thermometer läßt sich daher außerordentlich empfindlich ausbilden.
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Der Darstellung der Fig. 3A und 3B läßt sich ein weiteres Ausführungsbeispiel einer für ein solches Quarzthermometer verwendbaren Quarzplatte 1 entnehmen. Die beiden Schwingungsformen sind Dickenscherschwingungen, und zwar handelt es sich um unterschiedliche Anharmonische der Schwingungsform Y&min;X. Die eine rechteckige Form aufweisende Quarzplatte 1 ist vom AT- Schnitt und auf ihren beiden Großflächen metallisiert. Während bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen die aktive Zone im mittleren Bereich der Quarzplatte keine Metallisierung trägt, weist die in den Fig. 3A und 3B beschriebene Ausführungsform auf jeder der Großflächen zwei schwimmende, d. h. an kein bestimmtes Potential gebundene, jeweils elektrisch miteinander verbundene Elektroden auf, und zwar Elektroden 13 und 15 einerseits und Elektroden 9 und 11 andererseits. Desweiteren sind auf der oberen Fläche der Quarzplatte 1 zwei Elektroden 8 und 10 jeweils gegenüber den Elektroden 13 und 15 angeordnet. In entsprechender Weise sind auf der unteren Fläche der Quarzplatte 1 zwei weitere Elektroden 12 und 14 jeweils gegenüber den schwimmenden Elektroden 9 und 11 angeordnet.
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Eine sogenannte "Serienkopplung" wird dann auf folgende Weise erzielt:
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Die Elektroden 8 und 10 der oberen Fläche sind mit den beiden Anschlußklemmen des Oszillators 6 verbunden. Das von den Elektroden 8 und 11 erzeugte Feld E y&min; liegt in Gegenphase zu dem Feld E y&min; , welches von den Elektroden 9 und 10 erzeugt wird. Die verwendete Schwingungsform, die als "TT"-Schwingungsform (Thickness Twist) bezeichnet wird, entspricht der ersten ungeraden Harmonischen der Dickenscherschwingung nach Y&min;, der ersten ungeraden Harmonischen nach X und der ersten geraden Harmonischen nach Z&min;. Diese Schwingungsform wird von den beiden Zonen des elektrischen Feldes erregt und liefert über den Oszillator 6 die Bezugsfrequenz.
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Die Elektroden 12 und 14 der unteren Großfläche der Quarzplatte sind mit den beiden Anschlußklemmen des Oszillators 7 verbunden. Das von den Elektroden 12 und 13 erzeugte elektrische Feld E y&min; liegt in Gegenphase zu dem elektrischen Feld E y&min; , welches von den Elektroden 14 und 15 erzeugt wird. Die hierbei verwendete Schwingungsform, die sogenannte "TS" -Schwingungsform (Thickness Shear), entspricht der ersten ungeraden Harmonischen der Dickenscherschwingung nach Y&min;, der ersten geraden Harmonischen nach X und der ersten ungeraden Harmonischen nach Z&min;. Diese Schwingungsform wird von den beiden Zonen des elektrischen Feldes erregt und liefert über den Oszillator 7 die Thermometerfrequenz.
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Schließlich ist in den Fig. 4A und 4B ein weiteres Ausführungsbeispiel einer auf ihren beiden Großflächen metallisierten Quarzscheibe 1 angegeben. Die obere Fläche, die in Fig. 4A gezeigt ist, trägt vier Elektroden 8&min;, 13&min;, 10&min; und 15&min;, die axialsymmetrisch mit Bezug auf die Hauptachse der Quarzscheibe angeordnet sind.
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Die untere Fläche weist ebenfalls vier Elektroden 9&min;, 12&min;, 11&min; und 14&min; auf, die in einer der oberen Fläche ähnlichen Art auf dieser verteilt sind. Mit dieser Anordnung wird eine sogenannte "Parallelkopplung" wie folgt realisiert:
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Die Elektroden 8&min; und 9&min; sind mit der einen Anschlußklemme des Oszillators 6 und die Elektroden 10&min; und 11&min; mit der anderen Anschlußklemme des gleichen Oszillators verbunden. Die Elektroden 12&min; und 15&min; sind mit der einen Anschlußklemme des Oszillators 7 und die Elektroden 13&min; und 14&min; mit der anderen Anschlußklemme dieses Oszillators verbunden. Die Geometrie der elektrischen Felder ist dem mit Bezug auf die Fig. 3A und 3B beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich, d. h., daß die Elektroden 8&min; und 11&min; einerseits und die Elektroden 9&min; und 10&min; andererseits die sogenannte TT-Schwingungsform und die Elektroden 12&min; und 13&min; einerseits und 14&min; und 15 andererseits die sogenannte TS-Schwingungsform erregen.
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Die Elektroden 8&min; bis 11&min; erzeugen ein elektrisches Feld in den Bereichen starker Beanspruchung hinsichtlich der TT- Schwingungsform. Dieses Feld ist symmetrisch mit Bezug auf die X -Achse und symmetrisch mit Bezug auf die Z&min;Y&min;-Ebene. Das Feld erregt die TT-Schwingungsform, die die gleichen Symmetrien aufweist, erregt jedoch nicht die TS-Schwingungsform.
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Die Elektroden 12&min; bis 15&min; erzeugen hingegen ein Feld in den Bereichen starker Beanspruchung für die TS-Schwingungsform.
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Dieses Feld ist symmetrisch mit Bezug auf die XY&min;-Ebene symmetrisch mit Bezug auf die Z&min;-Achse. Das Feld erregt daher die TS-Schwingungsform, die die gleichen Symmetrieverhältnisse aufweist, erregt jedoch nicht die TT-Schwingungsform. Die beiden diesen Schwingungsformen entsprechenden Frequenzen sind unterschiedlich und weisen einen unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten auf. Eine mechanische Kopplung zwischen den beiden Schwingungsformen tritt nicht auf.
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Grundsätzlich genügt es daher zur Bildung eines erfindungsgemäßen Quarzthermometers, gleichzeitig in dem gleichen Quarzvolumen zwei unterschiedliche Schwingungsformen anzuregen, die zwei unterschiedliche Frequenzen mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften liefern. Dazu ist einerseits ein geeigneter Quarzblock zu wählen und andererseits die Anordnung der Elektroden so zu treffen, daß zwei verschiedene Schwingungsformen getrennt angeregt werden. Was die Quarzauswahl betrifft, kommen beispielsweise auch als Längsbiegungsschwinger arbeitende Schwingstäbe oder als Flächenscher- oder Dickenscherschwinger arbeitende Scheibchen in Betracht, die einen über der Frequenz linearen Temperaturkoeffizienten nahe Null haben. Darüber hinaus weiß man, daß jeder Quarzblock über eine große Anzahl von Resonanzmöglichkeiten bei unterschiedlichen Frequenzen verfügt, die jeweils unterschiedliche thermische Eigenschaften haben.
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Abgesehen von der Verwendung als Präzisionsthermometer, beruht eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Quarzthermometers auf der Fähigkeit, bei einem Präzisionsoszillator die Schwingfrequenz zu stabilisieren. Hierzu wird der Schwingquarz in eine thermostatgeregelte Umgebung eingebracht; seine nur gering von der Temperatur abhängende Frequenz wird als Bezugsfrequenz für den Präzisinsoszillator verwendet. Die andere, stark von der Temperatur abhängige Frequenz dient dann zur Messung dieser Temperatur und stabilisiert mit Hilfe einer weiteren Regelschaltung die Thermostattemperatur und damit den Quarz selbst.
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Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines hochpräzisen Quarzthermometers aus wenigen Einzelteilen auf engstem Raum und zu niedrigen Kosten, verglichen mit den bekannten Quarzthermometern. Da nur ein einziger Quarz verwendet wird, beeinflussen Störeffekte und Alterung des Quarzes beide Schwingungsformen in gleicher Weise, was dazu beiträgt, die Präzision eines solchen Quarzthermometers beträchtlich zu verbessern. Andererseits ist es, da das Frequenzverhältnis von der Quarzdicke unabhängig ist, nicht erforderlich, dann, wenn lediglich die Temperatur gemessen werden soll, die von dem Quarz abgegebenen Frequenzen präzise einzustellen, so daß sich auch hierdurch die Herstellungskosten reduzieren lassen.
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Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Gestehungskosten eines solchen Quarzthermometers sich durch die Wahl der Kopplung und der Form des elektrischen Feldes reduzieren lassen, was die Metallisierung nur einer einzigen Hauptfläche des Quarzes ermöglicht; dies ergibt eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsvorgangs. Da darüber hinaus Quarzscheiben mit in der Industrie üblichen AT- oder BT-Schnitten Verwendung finden, ist auch diesbezüglich der Gestehungspreis niedrig.