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Funkenentladungslampe mit konstanter Lichtemission
Eine kennzeichnende Schwierigkeit bei allen quantitativen Messungen der Extinktion oder Absorption des Lichtes sind die Schwankungen, der Lichtquelle, die durch das Abdampfen der Glühwendel oder den Ab- brand der Elektroden bei Funkenentladungslampen hervorgerufen werden. Dieser Abbrand verursacht eine
Schwärzung des Lampenkolbens und damit eine zusätzliche unkontrollierte Absorption des Lichtes. Übli- cherweise werden solche Schwankungen durch Kompensationsmethoden eliminiert.
Dies geschieht durch das sogenannte Zweiwegverfahren, bei welchem der Lichtweg in einen Messweg und einen Vergleichweg geteilt ist, und die Anzeige über zwei möglichst gleiche Empfangsorgane erfolgt oder durch Flimmerme- thoden, bei welchen der Lichtstrahl zerhackt und abwechselnd als Messstrahl und Vergleichsstrahl bei nur einem Empfangsorgan verwendet wird. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung von automati- schen Regelschaltungen, bei welchen die Spannung am Glühfaden in Abhängigkeit von der auftretenden
Schwärzung des Kolbens geregelt wird. Alle Verfahren bedingen einen nicht unerheblichen Aufwand, ab- gesehen davon, dass sie für Funkenentladungslampen nicht ohne besondere zusätzliche Schwierigkeiten an- wendbar sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile speziell bei Funkenentladungslampen zu beseitigen und ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Lichtemission von Funkenentladungslampen auch über längere Brenndauer konstant gehalten wird.
Die Erfindung besteht darin, dass das Volumen des Entladungsgefässes mit dem Material und der Stärke der Elektroden so abgestimmt ist, dass bei langdauerndem Entladungsbetrieb die durch Elektrodenzerstäubung verursachte Kolbenschwärzung durch den Zuwachs an Lichtenergie kompensiert wird, der durch die dabei auftretende Vergrösserung des Elektrodenabstandes verursacht ist. Zur Verlängerung des Kompensationszeitraumes wird hiebei ein schweres Edelgas als Füllgas benutzt, das die Zerstgubungspartikel merk- lich bremst, Ausserdem wird ein Edelgas gewählt, dessen Ionen mit dem Elektrodenmaterial keine chemische Bindung eingehen. Zur Speisung bzw. Stromversorgung einer solchen Entladungslampe wird zweckmässig ein Hochspannungsgerät benutzt, dessen Ausgangsleistung über eine hyperbolische U-I-Charakteristik konstant ist.
Gemäss der Erfindung bedarf demnach die Lichtquelle keiner zusätzlichen Kompensation. Verwendet wird hiezu eine Impuls-Entladungslampe mit z. B. 5-10 Entladungen je Sekunde, die in einem üblichen Schaltkreis betrieben wird, der schematisch in der Zeichnung dargestellt ist. In dieser bedeutet 1 das Stromversorgungsgerät, 2 den Impulskondensator, der über die niederinduktiven Leitungen 3 mit den Elektroden 5 der Funkenentladungslampe 4 verbunden ist. 8 kennzeichnet die Innenwand des EntladungsgefäSes und 7 das Füllgas bzw. das Volumen der Röhre, in die hilfsweise für besonders gelagerte Fälle zusätzlich eine Zündelektrode 6 hineinragt.
Im Laufe des Dauerbetriebs werden nun die Elektroden 5, zwischen denen jeweils nach Überschreiten der Durchbruchsspannung ein Funke in periodischer Folge überspringt, einem Abbrand unterliegen, d. h. ein Teil der Elektrodenspitzen wird zerstäubt und gelangt als schwarzer Niederschlag auf die Innenwand 8 des normalerweise aus Hartglas oder Quarz bestehenden Entladungsgefässes. Dieser schwarze Niederschlag bewirkt die zusätzlich auftretende Extinktion des Lichtes. Es ist versucht worden, durch Einbringen von Phosphor den entstehenden Niederschlag unwirksam zu machen, da die Verbindung von Wolfram und Phosphor nahezu transparent ist.
Die auftretenden Schwankungen konnten aber dadurch nicht beseitigt werden, denn es ist hiebei die Tatsache vernachlässigt, dass durch den Elektroden-Abbrand ununterbrochen die Spannung, die für den Überschlag des Funkens zwischen den Elektroden erforderlich ist, wegen des zu-
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umgesetzte Kondensatorenergie. Eine solche Lampe hat demnach im Dauerbetrieb einen ständigen Hellig- keitszuwachs. DerElektrodenabbrandhatzusammenfassendalso zweierlei Folgen : Einmal eine Elektroden- abstandsvergrösserung und damit Zunahme der Überschlagsspannung und Steigerung der Helligkeit, zum andern bei nichtphosphorierten Elektroden eine Schwärzung der Gefässinnenwand und damit eine gleich- mässige im Laufe der Zeit wachsende Abnahme der Helligkeit.
Nach der Erfindung werden nun beide Er- scheinungen kombiniert, u. zw. derart, dass gerade eine Kompensation der auftretenden Lichtabsorption durch die Helligkeitssteigerung stattfindet. Hiezu ist eine geeignete Dimensionierungder Lampenbauteile erforderlich.
Eine geeignete Kombination ist z B. folgende :
Eine 30 000 pF-Kondensatorbatterie ist durch ein etwa 0, 1 fl H betragendes Leitungssystem miteiner
Xenon-Impulsentladungslampe verbunden, die mit 1 at Xenon gefüllt ist und eine Kolbenoberfläche von etwa 50 cir. hat-Durch Messung findet man, dass eine Niederschlagsstärke von etwa 0, 5 fil bei dem vor- gegebenen Material und der durch das Material vorgegebenen Struktur eine etwa 50% igue Auslöschung des Lichtes bewirken würde. Bei einer Kolbenoberfläche auf der Innenseite von 50 cm entspricht diese Belegungsstärke 2, 5'mm Material. Wenn die Elektroden z. B. Spitzen sind mit einem Drahtquerschnitt von 1, 2 mm, so stellt die Substanzmenge von 2, 5 mm einen Abbrand von 2 mm dar.
Eine 50% igue Steige- rung des Lichtes erreicht man, wenn die Spannung z. B. von U = 3 kV auf U = 3, 7 kV ansteigt, da sich dann die Quadrate wie 9 13,5 verhalten. Hiebei muss sich der Elektrodenabstand ebenso verhalten, d. h. dass 2 mm Abbrand der Differenz von 0, 7 kV entsprechen. Dies leistet ein Elektrodenabstand von etwa
8 mm, der sich bei Vergrösserung um 2 mm bei Xenon mit Normalatmosphärendruck als Füllgas dann so auswirkt, dass bei 10 mm Schlagweite die Durchschlagsspannung von 3, 0 auf 3, 7 kV gestiegen ist.
Mit die- ser Dimensionierung gelang es die beiden besprochenen Einflüsse so weit zu kompensieren, dass im Laufe von zwei Jahren bei 10 Entladungen je Sekunde das zeitliche Mittel der Amplitudenspitzenwerte der Blitze unterhalb der Messgenauigkeit von etwa 2% konstant blieb. Die-Einrichtung lässt sich mit Streuspiegeln kombinieren, so dass das statistische Tanzen des Funkens, das sonst eine Integrierung von vielen Blitzen zum
Erhalten eines gleichmässigen Messwertes notwendig macht, durch die Streucharakteristik eliminiert wird.
Besonders lange Kompensationszeiträume erlangt man nur durch die Verwendung von schweren Edel- gasen. Bei Anwendung von Argon ist die Kompensation nur während weniger Monate möglich, Xenon je- doch bremst die feinen Staubpartikel jeder Entladungsstärke ab und mindert damit die Schwärzung, so dass die Kompensation in ausreichender Qualität über Jahre hinaus möglichist. Eine weitere Anforderung an das
Füllgas besteht darin, dass die bei jeder Funkenentladung entstehenden Ionen keine chemische Bindung mit dem Elektrodenmaterial eingehen. Füllgas und Elektrodenmaterial müssen aufeinander abgestimmt sein.
So sind z. B.
Argon-Ionen so aggressiv wie atomares Chlor und verursachen eine starke Aggression auf das
Elektrodenmaterial, hingegen entspricht Xenon etwa dem Element Jod und neigt demnach zu wesentlich geringerer chemischer Bindung, was wiederum bedeutet, dass der Elektrodenabbrand geringer wird. Beson- ders gute Eigenschaften des Entladungskreises hinsichtlich der Stabilität werden dadurch erreicht, dass man ihn mit einem Hochspannungsgerät konstanter Leistungsabgabe koppelt, d. h. einem Gerät mit hyperbolischer Kennlinie, bei dem das Produkt aus Strom und Spannung konstant ist. Dabei erreicht man, dass die thermische Belastung des Entladungsgefässes unabhängig von der wachsenden Betriebsspannung stets gleich hoch bleibt und ein zusätzlicher Temperatureinfluss vernachlässigt werden kann.
Eine Funkenentladungslampe nach der Erfindung weist demnach überlange Zeiten eine konstante Lichtemission ohne Verwendung von Kompensationsschaltungen auf. Sie ist nicht nur auf die Messmethodik der Sichtweitenbestimmung beschränkt, sondern kann auch überall in der photometrischen Messtechnik Anwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Funkenentladungslampe mit konstanter Lichtemission, insbesondere für Sichtweiten-Messung und Nebelgeräte, und Ladegerät für ihren Betrieb, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen (7) und die innere Oberfläche (8) des Entladungsgefässes (4) auf den durch Material und Stärke bestimmten Verschleiss der Elektroden (5) derart abgestimmt wird, dass die Minderung der Lichtemission, die von einer durch Elektrodenzerstäubung verursachten Kolbenschwärzung herrührt, gerade durch den Zuwachs an Lichtenergie ausgeglichen wird, der durch die beim Abbrand der Elektroden entstehende Vergrösserung des Elektrodenabstandes verursacht ist, so dass die Stromversorgung in üblicher Weise über einen Kondensator (2) erfolgen kann, der von einem Hochspannungsgerät (1) bis zum Durchbruch des Funkens aufgeladen wird.