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Thermoelektrisches Messgerät.
Gegenstand v (rliegender Erfindung ist ein thermoelektrisches Messgerät mit einem, vom zu messenden Strom durchflossenen Hitzleiter. Das wesentlichste Kennzeichen des neuen Messgerätes besteht darin, dass der Temperaturabfall längs des Hitzleiters, welcher dem Quadrat des zu messenden Stromes proportional ist, mit Hilfe eines an ein Anzeigeinstrument (z. B. der Drehspultype) angeschlossenen Thermoelementes gemessen wird. Dabei gelangt erfindungsgemäss ein kurzer Hitzleiter zur Anwendung, der den grössten Teil der in ihm erzeugten Wärme an die Anschlussklemmen abführt, zum Zwecke, die Angaben des Anzeigeinstrumentes von der Wärmestrahlung in die umgebende Luft unabhängig zu machen.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes. Fig. 1 ist ein Aufriss der Vorrichtung, Fig. 2 ist ein teilweiser Schnitt nach Fig. 1, Fig. 3 ist ein Grundriss in grösserem MaEs al e, Fig. 4 zeigt im Grundriss eine Abänderung, Fig. 5 ist eine Endansicht von Fig. 4, Fig. 6 ist ein Aufriss des Thermoelementes nach Fig. 1 in grösserem Massstabe, Fig. 7 ist ein Grundriss zu Fig. fi, Fig. 8 ist ein Schaubild der Vorrichtung mit angeschlossenem Millivoltmeter. Die Fig. 9,10, 11, 12 und 13 zeigen erläuternde diagrammatisch Darstellungen.
Fig. 14 zeigt eine Abänderung, Fig. 15 eine weitere Abänderung, Fig. 16 zeigt eine Abänderung im Anschluss der Thermoelemente, Fig. 17 ist ein Schnitt durch eine Ausführungsform und zeigt eine Mehrzahl von Thermoelementen in Serie, die Fig. 18 und 19 zeigen im Aufriss und im Schnitt eine weitere Ausführungsform.
In den Fig. 1-3 ist 8 ein aus einer Platinlegierung hergestellter Widerstand, der durch Schweissen, Hartlöten od. dgl. dauernd an zwei Klemmen B, B'angeschlossen ist. Diese Verbindung kann dadurch hergestellt werden, dass die Enden des Widerstandes in Schlitze von zylindrischen Bolzen M, 15 eingesetzt werden. Diese Schlitze können die in Fig. 7 gezeigte Form haben. Der Widerstand ist leicht ge- bogen, um seiner Ausdehnung bei Elwä mung Reehnung zu tragen. Das heisse"Ende des Thermoelementes 2, 3 ist wärmeleitend mit dem Widerstand verbunden, d. h. entweder in unmittelbarer Nähe gelagert oder in tatsächlicher Berührung mit dem Mittelteile 1 des Widerstandes 8.
Es kann auch an den Widerstand angeschweisst oder hart angelötet werden. Die "kalten" Enden der Drähte b) 2 und : J des Thermoelementes sind an die zwei Streifen -1 und 5 aus Kupfer angelötet, welche die beiden Klemmen überbrücken und etwas abgebogen sind, um ihre Ausdehnung und Zusammenziehung zu ermöglichen.
Die Streifen sind durch dünne Platten 6 und 7 aus Glimmer od. dgl. von den Klemmen elektrisch isoliert, jedoch in guter wärmeleitender Verbindung mit diesen, u. zw. mit einem so grossen Teil ihrer Oberfläche. dass ihre Enden rasch die gleiche Temperatur wie die Klemmen annehmen. Die Klemmen tragen Klemme-
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Statt eines einzigen Widerstandes können zwei solche 8, und 8', verwendet werden, wobei das,, heisse" Ende des Thermoelementes an einen der beiden Widerstände, z. B. an S. befestigt ist. Das Gehäuse 17 umschliesst den Hitzdraht und seine Verbindungen. Ein Millivoltmeter V (Fig. 8) ist an die Klemmen 10 und 11 angeschlossen.
Im Apparat nach Fig. 1, der bis 40 Ampere verwendbar ist, besteht der Widerstand aus einer Platinlegierung und ist 5-08 mm lang, 5-08 mm breit und 0-086 mm dick. Die Drähte des Thermoelementes sind aus Platiniridium-und Nickelkupferlegierungen oder anderen, bei der höchsten Arbeitstemperatur nicht oxydierbaren Metallen hergestellt, sehr dünn gehalten und bieten, da sie sehr kurz
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sind, geringen elektrischen Widerstand. Bei ihrem geringen Durchmesser besitzen sie eine sehr kleine Wärmekapazität, was wichtig ist, um ein rasches Ansprechen zu bewirken. Die Wärmekapazität des
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bei Unterbrechung rasch erfolgt.
Der Streifen 8 ist, soweit als möglich, von gleichem Querschnitt und sehr kurz. Die Streifen 4 und 5, die das "kalte Ende" des Thermoelementes bilden, sind in bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Länge, Querschnitt und die auf den Klemmen aufliegenden Flächen dem Streifen S thermisch äquivalent.
Sie können aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Gestalt und Grösse haben oder aus billigerem Material, z. B. Kupfer, hergestellt sein und müssen dann dem Streifen S thermisch angepasst werden.
Die einfachste Form der bisher gebräuchlichen Thermoamperemesser bestand, wie aus Fig. 9 ersichtlich, aus einem vom zu messenden Strom durchflossenen Hitzdraht, an dessen mittelpunkt tu die Lötstelle eines Thermoelementes angeschlossen ist, dessen Enden an die Klemmen eines Stromzeigers angeschlossen sind. Der Strom erhitzt den Draht bis zu einer Temperatur, die der Differenz zwischen der erzeugten Stromwärme und der durch Strahlung an die Umgebung und durch Leitung
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änderlich und hängt von der Klemmentemperatur ab, die ihrerseits wieder von der Dauer des Stromdurchganges beeinflusst wird.
Da nun bei dieser Art von Instrumenten die Temperatur des Hitzdrahtes von der der umgebenden Luft, welche als Basis angenommen ist, abhängen soll und nicht von der ver- änderlichen Temperatur der Klemmen, so ergibt sich die Forderung, dass der vom Hitzdraht an die Klemmen geleitete Wärmebetrag vernachlässigbar sein muss im Verhältnis zu der durch Strahlung und Übertragung abgegebenen Wärme. Dies wird dadurch erreicht, dass man den Hitzdraht sehr lang macht im Verhältnis zu seinem Querschnitt oder, genauer gesagt, ihm eine grosse Oberfläche gibt im Ver- hä1tnis zu seinem Querschnitt.
Der Ausschlag des Instrumentes hängt von der Temperaturdifferenz zwischen heissem und kaltem Ende des Thermoelementes ab, d. h. zwischen dem Hitzdraht und den Klemmstellen am Instrument, von denen eine Temperatur gleich der der umgebenden Luft vorausgesetzt wird. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass Hitzdraht und Instrument bei dieser einfachen Form des Thermoamperemeters entweder beide in freier Luft oder beide im selben Raum eingeschlossen sein müssen, da das heisse und die kalten Enden des Thermoelementes derselben Lufttemperatur ausgesetzt werden müssen, damit die Temperaturdifferenz und demzufolge die erzeugte elektromotorische Kraft jederzeit nur von der Stromwärme abhängt.
Jede Änderung in der Lufttemperatur beeinflusst aber den Hitzdraht viel früher, als die für die Temperatur des kalten Elementendes massgebende Instrumententemperatur, u. zw. deshalb, weil die Masse des Instrumentes sehr gross ist im Vergleich zu der des Drahtes. Dies bildet die
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schnitt das Potentialgefälle und demgemäss die erzeugte Stromwärme bei dieser Art von Instrumenten sehr gross, so dass insbesondere bei Messung grosser Stromstärken eine grosse kuhlende Oberfläche für das Instrument erforderlich ist.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung beruht auf dem Grundsatz, dass in einem stromdurchflossenen Leiter, dessen Querschnitt im Verhältnis zur Oberfläche so bemessen ist, dass die durch ihn zu den Klemmen abgeleitete Wärmemenge im Verhältnis zu der durch Strahlung verlorengehenden Wärmemenge gross ist, die Temperaturdifferenz zwischen zwei Punkten des Leiters im allgemeinen oder im besonderen zwischen dem Mittelpunkt des Leiters und den Polen von der Potentialdifferenz zwischen diesen Punkten und von der Leitfähigkiet des Leiters für Wärme und Elektrizität
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@ die Potentialdifferenz zwischen den Polen, k die Wärmeleitfähigkeit und p den spezifischen Widerstand des Leiters.
In Fig. 10 sei'/0 die von jeder Längen2Ìnheit des Hitzdrahtes erzeugte Wattzahl, ferner wx die von der Länge x des Hitzdrahtes (gemessen von seinem Mittelpunkt) in Wärme umgewandelte Arbeit.
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Die Temperaturdifferenz unter den angenommenen Bedingungen für eine PotentMldifferenz < ' zwischen den Polen ist da-, er proportional dem Verhältnis der elektrischen Leitfähigkeit zur Wärmeleitfähigkeit sowie dem Quadrat des Spannungsunterschiedes zwischen den Polen und demnach auch dem Quadrat der Stromstärke. Die Temperaturdifferenz ist also ein Mass für die Stromstärke.
Die Temperaturverteilung längs des Leiters verläuft, wie die Gleichung zeigt, parabolisch und ist in Fig. 11 graphisch dargestell ;.
In der Praxis sind die angenommenen Bedingungen nicht genau erfüllt, weil die Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität nicht bei allen Temperaturen konstant ist und weil auch Wärme an die Luft abgegeben wird. Dies bewirkt eine Abilachung der Kurve, was bei sehr langen Leitern eine konstante Temperatur über die ganze Länge zur Folge hat, ausgenommen in der Nähe der Pole, wo die meiste Wärme durch Leitung abgezogen wird. Dies ist in Fig. 12 veranschaulicht und im folgenden bei der Beschreibung der Kompensation berücksichtigt.
Nach der Erfindung wird daher bei Vorhandensein der obgenannten Bedingungen, d. h. dass keine Wärme durch Abgabe an die Luft verlorengeht und bei Gleichheit der Poltemperaturen, der Strom dadurch gemessen, dass das #heisse" Ende des Thermoelementes in die Mitte des Leiters gebracht und das #kalte" Ende in thermischen Kontakt, aber elektrisch isoliert mit dem einen Pol verbunden wird (Fig. 13). Das kalte Ende besteht aus zwei Verbindungen a und b, von denen Drähte aus gleichem Material, z. B. Kupfer, zum Anzeigeinstrument führen. Es ist ersichtlich, dass die eine Verbindung a an einem Pol. die andere b am anderen Pol sitzen kann, oder dass a und b zusammen in thermischem Kontakt mit irgendeiner Stelle des Leiters stehen können, die kühler it als die Stelle, an der das heisse Ende sitzt.
Diese Bedingungen können in der Praxis angenähert erzielt werden, wenn der Streifen sehr kurz gehalten ist, so dass nur wenig Wärme unmittelbar an die Luft verlorengeht. Um diesen Fehler und den,
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Statt die kalten Enden des Thermoelementes an die Klemmen zu legen, sind sie mit den Mittelpunkten der beiden Streifen verbunden. Diese Streifen sind in bezug auf ihre Oberfläche und ihren Querschnitt so bemessen, dass sie durch die Lufttemperatur und die Temperaturdifferenz zwischen den Klemmen
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unabhängig von der Lufttemperatur und der Temperaturen der Klemmen.
Theoretisch sollten die Ausgleichsstreifen, wenn sie aus dem gleichen Material wie die Widerstände bestehen, auch in Form und Grösse diesen gleichen. Sind sie aus anderem Material, so müssen sie entsprechend abgeglichen werden, so dass sie nicht nur im gleichen Masse, sondern auch gleich rasch
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Eine andere Ausgleichsmethode besteht darin, dass die beiden Klemmen auf gleicher Temperatur gehalten werden, u. zw. entweder durch unmittelbare Berührung oder durch thermische Verbindung mittels einer grossen Masse wärmeleitenden Materials. In diesem Falle brauchen die Ausgleichsstreifen nur mit einer der Klemmen in Berührung zu stehen und müssen sich so weit in die Luft erstrecken, dass sie thermisch dem Teile des Widerstandsstreifens zwischen der Klemme und der Mitte, an der das heisse Ende liegt, gleich sind.
Diese Ausführungsform ist in Fig. 14 dargestellt. Die Klemmen sind voneinander elektrisch isoliert. aber in guter wärmeleitender Verbindung durch eine Glimmerscheibe C1 und einen Metallblock D.
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Die Ausgleichsstreifen 4', J überbrücken in diesem Falle nicht die Klemmen und erstrecken sich nach aussen von der Klemme B'aus. Sie sind dem entsprechenden Teile des Widerstandsstreifens thermisch angepasst.
Fig. 15 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die Klemmen B, durch eine dünne Glimmerscheibe C2 getrennt sind. Der Widerstand 82 ist von einer Klemme zur anderen gebogen. Die Ausgleichsstreifen dz 5@ erstrecken sich von der Klemme B'weg und sind dem Teile des Widerstandes zwischen der oberen Klemme und der #heissen" Verbindungsstelle thermisch angepasst.
Im bisher beschriebenen Thermoelement waren die kalten Enden sowohl in thermischem, als auch in elektrischem Kontakt mit den Ausgleiehsstreifen, welche demnach Wärme, wie auch Strom zu leiten
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Leiter erfolgen, wie in Fig. 16 gezeigt ist, wo 18 und 19 dünne Glimmerscheiben, 20, 21 elektrisch isolierte, aber in Wärmekontakt stehende kalte Enden darstellen.
Der Widerstand kann aus einer beliebigen Anzahl von Streifen bestehen, wenn nur dafür gesorgt ist, dass die Stromverteilung in allen Streifen gleichmässig ist. Ebenso können die Thermoelemente und Ausgleiehsstreifen vervielfacht werden. So kann eine Anzahl von Thermoelementen die heissen Enden in wärmeleitender Verbindung mit dem Widerstand, die kalten Enden in ebensolcher mit einem oder mehreren Ausgleichsstreifen haben, wobei sie in Serie geschaltet sind, um eine zusätzliche elektromotorische Kraft zur Betätigung der Anzeigevorrichtung zu erzielen.
Eine derartige Ausführungsform zeigt Fig. 17 im Querschnitt durch den Widerstand und die
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den warmen Enden unter Zwischenschaltung einer Glimmerplatte 45" mit dem Widerstand S, an den kalten Enden mit der Ausgleichsvorrichtung. J5 durch die Glimmerscheibe 45. wärmeleitend verbunden.
Die Enden der Serienschaltung sind an das Anzeigeinstrument V geschlossen. Die Ausgleichsvorrichtung steht in wärmeleitender Verbindung mit einer oder mehreren Klemmen T'g.
Wird eine Mehrzahl von Widerständen und Ausgleichsstreifen verwendet, so kann die Anordnung nach den Fig. 18 und 19 angewendet werden, um gleichmässige Stromverteilung zu erzielen. In dieser Form findet eine Anzahl Thermoelemente (vier sind dargestellt) Verwendung. Die Polansätze T und T' sind an den Hauptpolen T20, T21 in geeigneter Weise angebracht. Jede Vorrichtung besitzt, wie früher beschrieben, einen Widerstand 8, Thermoelemente 2,. 3 und Glimmerscheiben 45'. Die kalten Enden sitzen an den Ausgleiehsstreifen 4, 5, die wärmeleitend durch Glimmerstücke 451 mit den Polen ver-
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49"an das Anzeigeinstrument V geschaltet. Die Widerstände und deren Ausgleichsstreifen können in einen luftleeren Raum eingeschlossen sein, um Wärmeverluste an die Luft zu verringern und dadurch die Wärmeableitung durch den Widerstand zur Erzielung einer grösseren Temperaturdifferenz zu vergrössern.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Thermoelektrisches Messgerät mit einem, vom zu messenden Strom durchflossenen Hitzleiter. dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturabfall längs des Hitzleiters (S), welcher dem Quadrat des zu messenden Stromes proportional ist, mit Hilfe eines an ein Anzeigeinstrument (z. B. der Dreh-
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