DE878681C

DE878681C - Temperature dependent additional capacitor

Info

Publication number: DE878681C
Application number: DEZ1510D
Authority: DE
Inventors: Gustav Dr Zickner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1943-01-12
Filing date: 1943-01-12
Publication date: 1953-06-05

Description

Temperaturabhängiger Zusatzkondensator Bei elektrischen Präzisionsmessungen verschiedener Art (z. B. Frequenzmessungen, Brückenabgleichungen u. a. m.) werden häufig Luftkondensatoren verwendet, weil sich mit diesen Apparaten Blindwiderstände praktisch rein, d. h. ohne Energieverlust, darstellen lassen. Die Meßgenauigkeit wird in vielen dieser Anwendungsfälle eingeschränkt durch die Temperaturabhängigkeit der Kapazität solcher Kondensatoren, die im allgemeinen zwischen io 5 und io-4/° C liegt. Insbesondere trifft dies auch für Normalien der Kapazität zu, die in der Regel durch Luftkondensatoren realisiert werden. Es besteht daher ein Interesse daran, Luftkondensatoren ohne Temperaturabhängigkeit der Kapazität herstellen zu können bzw. ein Mittel zu besitzen, um den Temperaturkoeffizienten (TK), d. h. die relative Änderung der Kapazität pro Grad C Temperaturänderung, auf den Wert Null zu reduzieren. Ein solches Mittel stellt der Erfindungsgegenstand dar.Temperature-dependent additional capacitor for electrical precision measurements of various types (e.g. frequency measurements, bridge adjustments, etc.) Often air condensers are used because reactances are involved with these apparatuses practically pure, d. H. without loss of energy. The measurement accuracy is limited in many of these applications by the temperature dependence the capacity of such capacitors, which are generally between io 5 and io-4 / ° C lies. In particular, this also applies to standards of capacity that are included in the Can usually be realized by air condensers. There is therefore an interest to produce air capacitors without temperature dependence of the capacitance can or have a means to determine the temperature coefficient (TK), d. H. the relative change in capacitance per degree C change in temperature, to the value zero to reduce. The subject matter of the invention represents such a means.

Der Apparat, der in einer als Beispiel gegebenen Ausführungsform in Fig. i im Schnitt dargestellt ist, ist ein Dreiplattenkondensator geringen Kapazitätsbetrages, der dem bezüglich des TK zu kompensierenden Kondensator parallel geschaltet wird. Seine Mittelplatte i ist zwischen den von ihr und der Grundplatte 6 durch Isolierkörper q. elektrisch getrennten, aber durch Bolzen 5 miteinander verbundenen Außenplatten 2, 3 axial verschiebbar angeordnet. Die j e drei Isolierkörperb eiderseits der Grundpaltte sind, ebenso wie die drei Bolzen, die die Grundplätte frei durchsetzen, in Fig. z nur einmalgezeichnet. Die zentrale Halterung der Mittelplatte geschieht durch eine Doppelfeder 7 aus Bimetall, die innerhalb eines geeigneten, an der Grundplatte befestigten Rahmens 9 gelagert ist und durch eine Druci,:feder 8 in ihrer -Lage gehalten wird. Der untere Bügel der Bimetalifeder liegt gegen den Rahmen an, der obere ist gegen die Druckfeder verschiebbar und trägt eine Mutter io, innerhalb deren die mit Gewinde versehene Mittelplattenachse 1z durch Drehung axial verschoben werden kann. Eine Kontermutter ii dient zur Fixierung der Einstellung. Die Druckfeder hat den Zweck, die Lage der Mittelplatte festzulegen und kann so dünn gehalten werden, daß die Bewegungen der Bimetallfeder durch sie nicht wesentlich behindert werden. Zur Wiederauffindung einer bestimmten Einstellung (bei Normaltemperatur) kann eine Skala 14 mit Index 13 vorgesehen werden. Anschläge 15 am Rahmen verhindern das Herumdrehen der Federn.The apparatus shown in an exemplary embodiment in Fig. I is shown in section, is a three-plate capacitor of low capacitance, which is connected in parallel to the capacitor to be compensated with regard to the TC. Its middle plate i is between it and the base plate 6 by insulating body q. electrically separated, but connected to one another by bolts 5 outer plates 2, 3 arranged to be axially displaceable. The three insulating bodies on either side of the basic column are, as are the three bolts that hold the base plate enforce freely, only drawn once in FIG. The central mounting of the middle plate happens by a double spring 7 made of bimetal, which is within a suitable, on the base plate attached frame 9 is mounted and by a Druci: spring 8 in its position is held. The lower bracket of the bimetal spring rests against the frame that upper is slidable against the compression spring and carries a nut io, inside whose threaded center plate axis 1z is axially displaced by rotation can be. A lock nut ii is used to fix the setting. The compression spring has the purpose of determining the position of the middle plate and can be kept so thin, that the movements of the bimetal spring are not significantly hindered by them. To find a certain setting (at normal temperature) a Scale 14 with index 13 can be provided. Stops 15 on the frame prevent turning around of the feathers.

Um den Einfluß der Umgebung auf den Kapazitätswert auszuschließen, muß der Apparat in eine leitende Hülle (Abschirmung) eingebaut werden.To exclude the influence of the environment on the capacitance value, the device must be built into a conductive sheath (shield).

Die Wirkungsweise ist folgende: Die Mittelplatte habe die Abstände a von der oberen und b von der unteren Außenplatte sowie den Radius v. Dann ist die Kapazität des Apparates bei Kreisplattenform angenähert. Bei einer Temperaturerhöhung krümmt sich die Bimetallfeder stärker und hebt infolgedessen die Mittelplatte um den Betrag d a. Es läßt sich leicht beweisen, daß die hierdurch hervorgerufene Kapazitätsänderung angenähert den Betrag hat, wenn d a2 « a2 für a < b bzw: d a2 << b2 für b < a angenommen wird, was praktisch stets erreicht werden kann. Bei einer Abkühlung hat die Änderung in zweiter Annäherung die gleiche Größe, aber entgegengesetztes Vorzeichen. Der TK -der Kapazität wird also Der Quotient (b-a)lttb wächst mit wachsender Differenz zwischen a und b rasch an, wenn, wie im vorliegenden Falle, die Summe a + b konstant ist.: Man erkennt hieraus, daß der TK um so größer wird, je näher man mit Hilfe der Einstellschraube 13 die mittlere Platte der oberen nähert (a < b), daß er gleich Null wird, wenn die Mittelplatte gleichen Abstand von i den Außenplatten hat (a = b), und daß er negativ wird, wenn man die Mittelplatte an die untere Außenplatte heranschiebt (a > b). Durch Wahl eines geeigneten Bimetalls kann man in den Grenzstellungen (nahe der oberen bzw. unteren Plätte) relativ hohe TK-Werte erreichen. .Der TK des Apparates läßt sich daher mittels der Schraubvorrichtung von relativ hohen positiven Werten durch den Wert Null -hindurch bis zu relativ hohen negativen Werten stetig regeln. -Schaltet man diesen Zusatzkondensator einem Kondensator C, mit dem TK a, parallel, so ergibt sich für den TK der Parallelschaltung Die Forderung ä= o wird daher erfüllt durch die Bedingung Ist beispielsweise das Kapazitätsverhältnis C/c = ioo (etwa C = iooo pF, c = io pF) und a = 5Lio@5, so ergibt sich ak --5,zo-3 für den TK des Zusatzkondensators. Die Bimetallfeder sei so bemessen, daß die Plattenverschiebung pro ° C, d. h. die Größe d a/4 t = 0,04 mm ist. Dies läßt sich z. B. bei etwa 5 cm Federlänge mit bestimmten Bimetallen leicht erreichen. Ist ferner die konstante Abstandssumme a + b = zo mm, so ergibt eine einfache Rechnung nach Gleichung (3) für a und b die Werte a = 6,44 mm b = 3,56 mm.The mode of operation is as follows: The middle plate has the distances a from the upper and b from the lower outer plate and the radius v. Then the capacity of the apparatus is approximated in the shape of a circular plate. When the temperature increases, the bimetal spring bends more and consequently lifts the center plate by the amount d a. It can easily be proven that the resulting change in capacitance approximates the amount if d a2 «a2 for a <b or: d a2 << b2 for b <a is assumed, which can practically always be achieved. When cooling down, the change has the same size in a second approximation, but the opposite sign. The TK -the capacity will be The quotient (ba) lttb increases rapidly as the difference between a and b increases, if, as in the present case, the sum a + b is constant: You can see from this that the TK becomes larger the closer you get with help the adjusting screw 13 approaches the middle plate to the upper one (a <b), that it becomes equal to zero when the middle plate is equidistant from the outer plates (a = b), and that it becomes negative when the middle plate is placed against the lower one Push the outer plate towards you (a> b). By choosing a suitable bimetal, you can achieve relatively high TC values in the limit positions (near the upper or lower plate). The TC of the apparatus can therefore be continuously regulated by means of the screwing device from relatively high positive values through the value zero to relatively high negative values. -If you connect this additional capacitor to a capacitor C, with the TK a, in parallel, the result is a parallel connection for the TK The requirement ä = o is therefore fulfilled by the condition If, for example, the capacitance ratio C / c = ioo (about C = iooo pF, c = io pF) and a = 5Lio @ 5, the result is ak --5, zo-3 for the TC of the additional capacitor. Let the bimetallic spring be dimensioned so that the plate displacement per ° C, ie the size da / 4 t = 0.04 mm. This can be done e.g. B. easily achieve with a spring length of about 5 cm with certain bimetals. If, furthermore, the constant sum of the distances a + b = zo mm, a simple calculation according to equation (3) for a and b results in the values a = 6.44 mm b = 3.56 mm.

Da der gesamte Zusatz nach Voraussetzung io pF betragen soll, ergibt sich für den Durchmesser der Mittelplatte nach Gleichung (i) der Betrag von 5,75 cm.Since the entire addition should be io pF according to the prerequisite, results For the diameter of the center plate according to equation (i) the amount of 5.75 cm.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Bimetallfeder wegzulassen und statt dessen die Achse der Mittelplatte aus einem Material von hinreichend hoher Wärmedehnung zu machen. Die Druckfeder ist dann überflüssig; die Achse wäre an geeigneter Stelle, z. B. im oberen Bügel des Gestelles, im Schraubgewinde zu führen. Diese Achse braucht nicht aus Metall zu bestehen; im Falle der Verwendung elektrisch nichtleitenden Materials kann der Anschluß der Mittelplatte anderweitig, z. B. durch eine Litze, bewerkstelligt werden.It is within the scope of the invention to omit the bimetallic spring and instead, the axis of the center plate is made of a material of sufficiently high To make thermal expansion. The compression spring is then superfluous; the axis would be more suitable Place, e.g. B. in the upper bracket of the frame to lead in the screw thread. These The axis does not have to be made of metal; in the case of using electrically non-conductive Material, the connection of the middle plate can be otherwise, z. B. through a strand, be accomplished.

Es liegt ferner auf der Hand, daß die Einrichtung auch dazu benutzt werden kann, den TK eines Kondensators auf einen bestimmten, von Null verschiedenen Wert zu bringen: Soll z. B. der positive TK der Spule eines Schwingungskreises durch einen negativen TK des Kondensators derart ausgeglichen werden, daß die Eigenfrequenz des Kreises temperaturunabhängig wird, so kann der Apparat verwendet werden, um dem Kondensator den erforderlichen negativen TK zu erteilen.It is also obvious that the facility is also used for this purpose can be, the TK of a capacitor to a certain, non-zero Bring value: Should z. B. the positive TK of the coil of an oscillation circuit a negative TK of the capacitor can be offset in such a way that the natural frequency of the circuit becomes independent of temperature, so the apparatus can be used to to give the capacitor the required negative TK.

Der- Apparat wird sich infolge seiner geringen Dimensionen vielfach in das Gehäuse des Kondensators mit einbauen lassen. Bei Normalkondensatoren kann die Zusatzkapazität von vornherein in der Weise berücksichtigt werden, daß die Gesamtkapazität einen runden Betrag erhält. Merkliche Verluste verursacht der Apparat nicht, sofern die kleinen Isolierkörper aus geeigneten Substanzen (Quarzglas, Hochfrequenzkeramik) hergestellt werden. Endlich kann der Apparat auch in Verbindung mit Kondensatoren mit beliebigem festem, flüssigem, oder gasförmigem Dielektrikum verwendet jvarden. Bei Kapazitäten höheren Betrages mit entsprechend erhöhter absoluter Änderung bei Temperaturschwankungen kann es vorteilhaft sein, statt einer mittleren Platte eine Parallelschaltung von n solchen, z. B. auf einer und derselben Achse, anzuordnen, denen gegenüber dann n± i feste Platten anzubringen wären. Diese Anordnung würde einen Temperaturgang vom iz-fachen bzw. (n = i)-fachen Betrage hervorbringen.Owing to its small dimensions, the apparatus can often be built into the housing of the condenser. In the case of normal capacitors, the additional capacitance can be taken into account from the outset in such a way that the total capacitance is given a round amount. The device does not cause noticeable losses as long as the small insulating bodies are made from suitable substances (quartz glass, high-frequency ceramics). Finally, the device can also be used in conjunction with capacitors with any solid, liquid or gaseous dielectric. In the case of higher capacities with a correspondingly increased absolute change in temperature fluctuations, it may be advantageous, instead of a central plate, to connect n such in parallel, e.g. B. on one and the same axis to be arranged against which then n ± i fixed plates would have to be attached. This arrangement would produce a temperature response of iz times or (n = i) times the amount.

Da der TK eines Drehkondensators im allgemeinen von der Plattenfläche, also vom Eindrehungswinkel, unabhängig ist, so läßt sich bei einem solchen eine Temperaturkompensation in der gleichen Weise wie bei Festkondensatoren ausführen, wenn nach Gleichung (5) nur dafür gesorgt wird, daß das Kapazitätsverhältnis konstant bleibt. Das wird dadurch erreicht, daß der Zusatzkondensator ebenfalls als Drehkondensator ausgebildet wird. Hat der zu kompensierende Drehkondensator halbkreisförmige Platten, so erhält auch der Zusatzkondensator solche, und zwar in solcher Anordnung, daß der Eindrehungswinkel bei C und c stets der gleiche bleibt. Fig.2 stellt beispielsweise eine solche Konstruktion dar. Zwischen der Grundplatte i des Kondensators und dem unteren, als Plattee ausgebildeten Lager des Rotors ist ein Raum für die Aufnahme des Zusatzkondensators vorgesehen, in den die Achse mit einem Vierkantzapfen 3 hineinragt, der weiter unten einen verjüngten Gewindezapfen 4. trägt. Auf diesem läuft ein Rohr 5 mit Innengewinde, dessen oberes, weiter ausgebohrtes Ende über den Vierkantzapfen hinübergreift und auf seinem Rande den oberen Bügel der Bimetallfeder 7 trägt, gegen den sich eine an der Lagerplatte 2 abgestützte Druckfeder 8 legt. Ein quadratisches Loch gestattet ihm auf dem Vierkantdorn zu gleiten, wenn das Rohr auf dem Gewindezapfen gedreht wird, zwingt aber andererseits die Bimetallfeder eine Drehung der Rotorachse mitzumachen. Am unteren Bügel der Feder ist ein weiteres Rohr 6 befestigt, welches auf dem ersten gleitet und seinerseits den Rotor 9 des Zusatzkondensators trägt. Durch Drehung des inneren Rohres läßt sich daher die Höhenlage des Rotors innerhalb der beiden Statorplatten xo, ii, die mit dem Stator des Kondensators verbunden sind, einstellen, ohne daß der Rotor gedreht wird. Eine Kopfschraube 12 mit Linksgewinde, die in dem Zapfenende der Achse läuft, erlaubt die Justiervorrichtung festzustellen. Die gesamte Einrichtung ist durch eine verschließbare Öffnung 13 im Kondensatorboden zugänglich.Since the TC of a rotary capacitor is generally independent of the plate surface, i.e. the angle of rotation, temperature compensation can be carried out in the same way as with fixed capacitors if, according to equation (5), it is only ensured that the capacitance ratio is constant remain. This is achieved in that the additional capacitor is also designed as a variable capacitor. If the variable capacitor to be compensated has semicircular plates, the additional capacitor also has such plates, in such an arrangement that the angle of rotation at C and c always remains the same. Fig.2 shows, for example, such a construction. Between the base plate i of the capacitor and the lower, designed as a plate bearing of the rotor, a space is provided for receiving the additional capacitor, into which the axis with a square pin 3 protrudes, the one below tapered threaded stem 4. carries. On this runs a tube 5 with an internal thread, the upper, further drilled end of which extends over the square pin and carries the upper bracket of the bimetallic spring 7 on its edge, against which a compression spring 8 supported on the bearing plate 2 rests. A square hole allows it to slide on the square mandrel when the tube is rotated on the threaded stem, but on the other hand forces the bimetal spring to join in the rotation of the rotor axis. Another tube 6 is attached to the lower bracket of the spring, which slides on the first and in turn carries the rotor 9 of the additional capacitor. By rotating the inner tube, the height of the rotor can therefore be adjusted within the two stator plates xo, ii, which are connected to the stator of the capacitor, without the rotor being rotated. A left-hand threaded head screw 12 running in the pin end of the axle allows the adjustment device to be locked. The entire device is accessible through a closable opening 13 in the bottom of the condenser.

Die Halterung der Statorplatten io, ii kann z. B. durch Zapfen 1q. geschehen, die zwischen Isolatoren 15 mit Hilfe von Bolzen 16 geklammert sind. Zweckmäßigerweise wird man den Stator an mehreren Stellen in dieser Weise stützen; in Fig.2 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Stütze gezeichnet. Eine Ablesevorrichtung für die Einstellung kann mittels einer Skala 18 geschaffen werden, längs der sich eine am unteren Ende des Rohres 5 angebrachte Teilkreisscheibe 17 verschiebt, auf der ein Index an der Schraube 12 die Höhenlage des Rotors 9 abzulesen gestattet.The holder of the stator plates io, ii can, for. B. by pin 1q. happen that are clamped between insulators 15 with the aid of bolts 16. Appropriately one will support the stator in several places in this way; in Fig.2 is off For the sake of clarity, only one column has been drawn. A reading device for the setting can be created by means of a scale 18 along which a pitch disk 17 attached to the lower end of the tube 5 moves on an index on the screw 12 allows the height of the rotor 9 to be read.

Die den gesamten Apparat umschließende Schirmhülle (Gehäuse) ist in Fig. 2 nicht gezeichnet. Handelt es sich um einen zu kompensierenden Drehkondensator mit spiraliger Randkurve des Rotors, so ist dem Rotor des Zusatzkondensators der gleiche Plattenschnitt zu geben.The shield covering (housing) surrounding the entire device is in Fig. 2 not drawn. Is it a variable capacitor to be compensated? with a spiral edge curve of the rotor, the rotor of the additional capacitor is the to give the same plate section.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Temperature-dependent additional capacitor for one Capacitor for bringing about a temperature coefficient of the capacitance of a given one Amount, characterized in that one with the one assignment of the capacitor plate connected by a temperature-dependent expansion body (e.g. bimetal spring) is moved between two disks connected to the other occupancy, whereby the initial position of the middle plate between the two outer ones by means of an adjustment device is adjustable.

2. Additional capacitor according to claim i for a variable capacitor, characterized in that both follow the same law of change of capacity, what z. B. can be achieved by similar plate cut, so that the ratio the capacitance of the variable capacitor to the capacitance of the additional capacitor during rotation remains unchanged.

3. Additional capacitor according to claim i or 2, characterized in that the temperature coefficient of the total capacitance disappears. q. Additional capacitor according to Claims i to 3, characterized in that, instead of one displaceable and two fixed plates 7a, displaceable and n ± i fixed plates are used, where n can be any whole number.