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Strahlungsmessgerät mit einer Thermobatterie
Die Erfindung betrifft ein Strahlungsmessgerät mit einer Thermobatterie, deren Lötstellen auf gegen- überliegenden Seiten eines zentralen, Wärme gut leitenden Körpers innerhalb eines zur Kühlung einge- richtten Gehäuses angeordnet sind, das auf der Seite der zu erwärmenden Lötstellen eine Öffnung für den Eintritt der Strahlen aufweist. Damit ein solches Gerät praktisch mit ausreichendem Wirkungsgrad verwendbar ist, muss es folgenden Bedingungen entsprechen : a) Es muss stabil sein, b) es muss von der Temperatur der Umgebung und deren Änderungen unabhängig sein, c) es muss empfindlich sein und d) es muss rasch ansprechen.
Die beiden ersten Bedingungen werden durch in der letzten Zeit bekannt gewordene Bauarten solcher Geräte zu einem grossen Teil in befriedigender Weise erfüllt.
Das Strahlungsmessgerät gemäss der Erfindung bezweckt die Bedingungen a) und b) weiter zu verbessern und überdies den Bedingungen c) und d) zu entsprechen, welche bei den bekannten Geräten überhaupt nicht oder in sehr unvollkommener Weise erfüllt sind.
Die bisher bekannten Messgeräte, die Thermobatterien verwenden, bestehen im allgemeinen aus einem Spiegel oder einer Linse, um die zu messenden Wärmestrahlen auf die zu erwärmenden Lötstellen des Gerätes zu konzentrieren. Wenn ein Spiegel vorgesehen ist, muss ein mit einer Glasscheibe versehenes Fenster zum Schutz desselben angebracht werden. In beiden Fällen wird daher ein beträchtlicher Teil der Wärmestrahlen durch das Spiegelglas bzw. die Linse entweder absorbiert oder reflektiert, wodurch das Messergebnis erheblich gestört wird, insbesondere, wenn das Spiegelglas oder die Linse im Betriebe verschmutzen, und überdies wird die Empfindlichkeit des Gerätes verringert und seine Trägheit mit Bezug auf das Ansprechen erhöht.
Das Strahlungsmessgerät nach der Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Geräte und besteht im wesentlichen darin, dass das Gehäuse von einem Mantel mit Zu- und Abflussöffnungen umgeben ist, welche zusammen eine von einem aus Gas oder Flüssigkeit bestehendem Kühlmittel durchströmte, die Thermobatterie umgebende Zone bilden.
In Ausgestaltung der Erfindung weist das Gerät ein Strahlungssammelrohr auf, dessen eines Ende den zu erwärmenden Lötstellen benachbart ist, wobei der Mantel der Batterie mit einem rohrförmigen Ansatz in an sich bekannter Weise auch das Sammelrohr umschliesst und das Kühlmittel den vom Sammelrohr und dem Ansatz gebildeten Zwischenraum durchströmt. Die Erfindung erstreckt sich ferner auf bauliche Ausgestaltungen des Geräts.
In der Zeichnung ist das Gerät gemäss der Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen beispielsweise schematisch dargestellt. Fig. 1 ist ein axialer Schnitt durch eine erste Ausführungsform, Fig. 2 ein teilweiser Schnitt einer abgeänderten Ausführungsform derselben. Die Fig. 3,4 und 5 einerseits und die Fig. 6,7 und 8 anderseits zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen einer Ausgestaltung des Gerätes.
Hiebei sind die Fig. 3 und 6 Draufsichten, die Fig. 4 und 7 Schnitte nach den Linien IV-IV der Fig. 3 bzw.
VII-VII der Fig. 6. Die Fig. 5 und 8 zeigen je ein Schaltschema. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des gesamten Gerätes im Schnitt.
Das Empfangs-und Messgerät für Strahlungswärme unter Verwendung einer Wärmebatterie gemäss der
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Erfindung umfasst in bekannter Weise eine Batterie l, die aus mehreren Thermoelementen 2 besteht, von denen in der Zeichnung nur eines sichtbar ist. Jedes dieser Thermoelemente besteht aus zwei Metallstreifen 3 und 4, die an ihren Enden miteinander verlötet sind. Sie bestehen aus zwei verschiedenen Metallen beispielsweise aus Manganin und Konstantan. Jedes Paar von Metallstreifen 3 und 4 ist in bekannter Weise an einer Platte 5 aus Wärme gut leitendem Material befestigt und die ganze aus diesem und den Streifen 3,4 bestehende Einheit ist in einem zentralen Block 6 aus Wärme gut leitendem Metall eingebaut.
Zwischen dem Stück 5 mit den Lamellen 3 und 4 einerseits und diesen und dem Block 6 anderseits sind Lamellen 7 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet. Eine Anzahl von Thermoelementen sind in einer Reihe nebeneinander angeordnet und in Serie geschaltet. Die Klemmen 21 der Thermoelemente sind durch Leiter 22 mit einem Regel-, Kontroll-, Registrier- oder Anzeigeorgan, beispielsweise einem nicht dargestellten Galvanometer, verbunden. Ein Gehäuse 8 umgibt die ganze Batterie 1 mit Ausnahme einer Zone 9, in der die zu erwärmenden Lötstellen 10 des Gerätes angeordnet sind.
Gemäss dem wesentlichen Merkmal der Erfindung und wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist das Gehäuse 8 von einem Behälter 15 umgeben, der um das Gehäuse Kanäle 16 für ein Kühlmittel bildet Der Behälter 15 ist mit einem Stutzen 17 an eine biegsame Zuführungsleitung füi das Kühlmittel angeschlossen.
In dem Gerät ist ein Sammelrohr IS, in der Verlängerung der in dem Gehäuse 8 vorgesehenen Öffnung 11 angebracht. Das Rohr 12 weist eine verspiegelte, also reflektierende Innenfläche 13 auf, die gegen Korrosion, beispielsweise durch einen Niederschlag von Gold oder einem geeigneten Metall geschützt ist. Dieses Rohr liegt gleichachsig mit den zu erwärmenden Lötstellen 10 und sammelt die in sein äusseres Ende 14 eindringenden Wärmestrahlen, indem es also jeden eindringenden Strahl ohne Rücksicht auf seine Richtung einfängt. Es ersetzt auf diese Weise die Linse oder das übliche Schutzglas der bekannten Pyrometer. In den dargestellten Beispielen ist das Sammelrohr zylindrisch, es kann aber auch eine andere z. B. eine leicht konische Form besitzen.
Der Behälter 15 weist einen rohrförmigen Teil 18 auf, der konzentrisch um da : Sammelrohr 12 angeordnet ist. Durch den so gebildeten Ringraum tritt das Kühlmittel aus. Dieses hält das Gehäuse 8 und den zentralen Körper 6 der Batterie sowie das Sammelrohr 12 auf annähernd gleichbleibender Temperatur.
Es versteht sich, dass der Behälter 15, der einen integrierenden Teil der Thermobatterie bildet, gegebenenfalls bloss das Gehäuse 8 umgeben muss, da die Kühlung dieses Teiles des Sammelrohres bereits genügt, um eine Erwärmung des Bereiches 9 der Lötstellen 10 zu vermeiden, wobei auch jede Konvektion infolge Bewegung der die Lötstellen umgebenden Luft vermieden wird.
Bei Verwendung des Strahlungsmessgerätes nehmen die Lötstellen 10 eine bestimmte Menge von Kalorien auf, welche durch die Streifen 3 und 4 in das Innere der Batterie geleitet werden. Diese Kalorien verteilen sich alsdann in dem zentralen Block 6 und von dort aus in das Gehäuse 8. Das das Gehäuse 8 umströmende Kühlmittel führt annähernd den Überschuss der zugeleiteten Kalorien ab. Die kalten Lötstellen 20, welche den Lötstellen 10 auf der andern Seite der Batterie gegenüberliegen, werden infolge- dessen auf gleichbleibender Temperatur erhalten, was für ein genaues Arbeiten der Thermobatterie nötig ist. Es ist offenbar, dass das Kühlmittel die warmen Lötstellen nicht zum Erkalten bringt.
Das Kühlmittel ist vorzugsweise gasförmig, z. B. Luft. Wenn das Gerät jedoch zu Messungen unter Vakuum benutzt werden soll, wird die Öffnung 19 geschlossen und an einer andern Stelle des Behälters 15 ein Auslass vorgesehen. In diesem Fall kann das Kühlmittel sowohl gasförmig als auch flüssig sein, beispielsweise aus Wasser bestehen. Zur Wiedergewinnung aller in das Rohr eindringenden Wärmestrahlen und zur Weiterleitung derselben zu allen Wärmeelementen ist es vorteilhaft, das Sammelrohr 12 an seinem inneren Ende durch eine Membrane 23 (Fig. 2) aus Wärme gut leitendem Material zu verschliessen. Diese Membrane steht in wärmeleitendem Kontakt mit den Lötstellen 10 und ist vorzugsweise an seiner Oberseite geschwärzt und an seiner Unterseite mit einer elektrisch isolierten Schicht versehen, die jedoch eine gute Wärmeleitung zu den Lötstellen 10 ermöglicht.
Diese Schicht kann aus einem Plättchen aus Silber oder Aluminium bestehen, das an der Innenseite oxydiert ist.
Wie ersichtlich, vermittelt das Gerät gemäss der Erfindung hinsichtlich schnellen Ansprechens folgende Vorteile :
1) Die Abmessung und die Anordnung des Sammelrohres 12 im Bereiche der erwärmten Lötstellen sichern in wirksamer Weise die Abkühlung derselben durch die Leitfähigkeit det umgebenden Luft, die selbst durch den Umlauf des d1S Rohr umgebenden Kältemittels auf gleichbleibender Temperatur gehalten wird
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2) Die Anordnung der Lötstellen 10 und 20 in der Nähe des Blockes 6, der eine grosse Wärmekapazi- tät hat, begünstigt das Abströmen der Wärme sowohl während als auch ohne Einwirkung von Wärmestrah- len so gut,
dass dank der Strömung des Kühlmittels um die Gesamtheit der Thermobatterie die Wirkung derselben nicht gestört ist.
3) Die Anwendung einer geschwärzten metallischen Membrane 23 oberhalb der Lötstellen 10 sichert den thermischen Kontakt mit dem Gehäuse 8 und dem Rohr 12 und erhöht überdies die Fähigkeit des Gerätes zum Ansprechen.
Das Gerät gemäss der Erfindung bringt im übrigen eine Anzahl von Vorteilen gegenüber den Geräten bekannter Bauart. So gestattet die Kühlung des Gehäuses 8 die Stabilität der Thermobatterie und auch des umgebenden Milieus zu erhöhen. Tatsächlich wird die Luft oder ein beliebiges anderes db Lötstellen 10 umgebendes Gas auf gleichbleibender Temperatur erhalten und eine Störung der Messgenauigkeit durch Luftströmung kommt nicht in Betracht. Das Fehlen einer Linse oder eines Schutzglases erhöht erheblich die Empfindlichkeit des Gerätes. Dieses kann überdies zu Messungen unter Druck benutzt werden.
Da das Gerät in sehr kleinen Abmessungen gebaut werden kann, kann es in unmittelbarer Nachbar- schaft der zu messenden Wärmequelle und nahezu in Berührung mit derselben angeordnet werden. Es kann infolgedessen auch im Inneren von Wärmekraftmaschinen untergebracht werden, z. B. vor Gasturbinen, bei denen die Überwachung der Arbeitstemperatur von besonderer Bedeutung ist, da diese keinesfalls einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten darf.
Das Gerät kann auch im Bereiche des Auslasses der Verbrennungskammern eines Reaktionsmotors angeordnet werden, derart, dass sein Sammelrohr 12 die vom Schaufelkranz des Verteilers der Turbine kommenden Ausstrahlungen aufnimmt.
In diesem Fall wird eine gewisse Menge Luft aus dem Kompressor des Motors abgezweigt, um als Kühlmittel für den Apparat verwendet zu werden, wozu es durch den Ringkanal 19 in die Verbrennungkammer eingeführt wird. Eine solche Anordnung gestattet es, eine augenblickliche Messung der Temperatur der am meisten exponierten Stellen des Verteilers durchzuführen, wobei sie gleichzeitig einen vollständigen Schutz der Thermosäule gegen den Niederschlag kohlenstoffhaltiger Verbrennungsrückstände sicher gewährleistet.
Eine Anzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten des Gerätes ergibt sich bei der zonenweisen sehr genauen Messung des Inneren von Öfen, die unter Schutzgas oder Druck arbeiten.
Die Fig. 3-5 einerseits und 6 - 8 anderseits zeigen zwei Ausbildungen der Membrane 23 zur elektrischen Isolierung des Gerätekörpers, um einen elektrischen Strom hindurchschicken zu können und die Lötstellen 10 zu erwärmen. Diese Anordnung gestattet einerseits die dauernde Kontrolle der Justierung des Gerätes, anderseits die Kontrolle der auf die Membrane 24 einwirkenden Wärmestrahlung. Wenn die Membrane keiner Hilfspotentialdifferenz unterworten ist, verursacht eine Strahlungsenergie"X", welche die Membrane während einer Messung trifft, eine Potentialdifferenz "Y" an den Klemmen des Gerätes.
Um den Wert von"X"zu erhalten, genügt es, durch die Membrane 23 einen Strom zu schicken und ihn so zu regeln, dass sich an den Klemmen des Gerätes die gleiche Potentialdifferenz"Y"ergibt. Durch Messung der Strommenge, welche notwendig ist, um an den Klemmen der Membrane 23 "Y" zu erhalten, gelangt man zum Wert von"X".
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 - 5 wird die Membrane 23 durch Kreissektoren 24 und 24' einer metallischen Scheibe getragen, die durch ein Isolierstück 25 in drei voneinander elektrisch isolierte Teile 24,24', 24" unterteilt ist. Die Sektoren 24, 24', auf denen die Membrane 25 (selbst in thermischem Kontakt mit den Streifen 3 und 4) aufruht, liegen mit den Klemmen 26, 26'in einem Stromkreis, der eine Stromquelle 27, einen Regler 28, ein Amperemeter 29 und ein Voltmeter 29'enthält.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 - 8 ist die Scheibe 23 durch eine Anzahl von Lamellen 23a ersetzt, die an den Enden elastischer Tragstäbe 30 befestigt sind, welche die Lamellen gespannt halten und untereinander in Serie oder Parallelschaltung verbinden. Die Stäbe 30 werden von einer Isolierscheibe 25 getragen und zwei von ihnen sind an die Klemmen 26, 26'eines Stromkreises angeschlossen, wie vorstehend beschrieben ist.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform zur genauen Messung des in einem elektrischen Leiter 31 fliessenden Stromes. Dieser Leiter sendet die Wärmestrahlen aus, welche von den Lötstellen 10 des Gerätes aufgenommen werden. Das Rohr 12 nach den Fig. 1 und 2 ist hiebei durch ein Rohr 32 ersetzt, das parallel zu den Lötstellen und zum Leiter 31 verläuft und die vom Leiter ausgehenden Wärmestrahlen einfängt. Das Rohr hat zu diesem Zweck einen Schlitz 33, in dem die Lötstellen liegen. Die gesammelten Anzeigen des Registriergerätes, an das die Leitungen 22 angeschlossen sind, gestatten die Menge des Stromes zu messen, der den Leiter 31 durchfliesst. Man kann auf diese Weise unter anderem eine augenblickliche
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Kontrolle der Temperatur des Leiters 31 vornehmen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Strahlungsmessgerät mit einer Thermobat : erie, deren Lötstellen auf gegenüberliegenden Seiten eines zentralen, Wärme gut leitenden Körpers innerhalb eines zur Kühlung eingerichteten Gehäuses angeordnet sind, das auf der Seite der zu erwärmenden Lötstellen eine Öffnung für den Eintritt der Strahlen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) von einem Mantel (15) mit Zu- und Abflussöff- nungen umgeben ist, welche zusammen eine von einem aus Gas oder Flüssigkeit bestehendem Kühlmittel durchströmte, die Thermobatterie umgebende Zone bilden.