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Thermoelektrisches Messgerät.
Die Erfindung betrifft besondere Ausführungsformen der Kompensationsvorrichtung nach dem Stammpatent. Die Kompensation wird hiebei. entweder erstens zur Gänze in den Leitern des Thermoelementes selbst ohne Inanspruchnahme von Hilfsleiter bewirkt oder zweitens durch beide der genannten Einrichtungen oder endlich drittens zur Gänze durch die Hilfsleiter. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine der Ausführungen des Messgerätes. Fig. 2 und 3 stellen Diagramme dar. Fig. 4-12 zeigen verschiedene abgeänderte Ausführungsformen.
In Fig. 1 bezeichnet 1, 1 die Klemmleisten, mit welchen der Hitzleiter 2 verbunden ist. Ein Thermoelement. 3, :) ist mit seinem heissen Ende, wie ersichtlich, mit dem Hitzstreifen 2 in thermischem Kontakt. 8, 8 sind dünne Isolierplättehen aus Glimmer oder einem andern geeigneten Material. Die
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thermisch mit ihnen in Kontakt durch die Klemmplättchen 7,7. Die kalten Enden 4, 4 des Thermoelementes erstrecken sich jenseits der Klemmleisten in die Luft. Die Leitungen 5, 5 und 6,6 zum Mess- instrument 9 bestehen aus demselben Material, vorzugsweise aus Kupfer.
Die Teile 4, 4 der Elementleiter und die Verbindungsleitungen 5, 5, die jenseits der Klemmleisten sich in die Luft erstrecken, müssen hinsichtlich Querschnitt, Oberfläche, Länge und Wänneleitungsvermögen so gewählt sein, dass die Kombination beider thermisch äquivalent ist dem Teil des Hitzstreifens zwischen der korrespondierenden
Klemmleiste und dem Punkt, mit welchem das heisse Ende des Elementes verbunden ist, so dass die Klemmleistentemperatur durch den Körper der Drähte 4.. 5 durch Leitung die Temperatur des kalten Endes 10 in demselben Grade beeinflusst, wie sie e@enfall dure @ Lei @ng dure@ den Hi zstreifen den Punkt des letzteren beeinflusst, mit welchem das heisse Ende des Elementes verbunden ist.
Die Kompensationsmethode ist folgende : Wie im Stammpatent dargetan, ist, falls keine Wärme durch Strahlung an die Luft abgegeben wird (d. h. wenn die ganze Wärme durch die Leiter zu den Klemmleisten strömt), die Temperatur zwischen einem Punkt des Hitzleiters und einer Klemmleiste ein Mass für die Stromstärke ohne Rücksicht auf die Temperatur der Klemmleisten, vorausgesetzt, dass diese dieselbe Temperatur oder eine konstante Temperaturdifferenz haben. Wenn die Angabe des Instrumentes unbeeinflusst bleiben soll von Temperaturen, die nicht durch den Strom hervorgerufen sind, muss das kalte Ende des Elementes denselben Temperaturwechsel erfahren wie das heisse Ende, so dass die Temperaturdifferenz zwischen kaltem und heissem Ende für jeden beliebigen Weit des Stromes konstant bleibt. Die Beziehungen sind graphisch in Fig. 2 und 3 dargestellt.
In beiden Figuren sind 1, 1 die Klemmleisten, 2 der Hitzleiter, 3,.'3 die Elementdrähte. die am heissen Ende anschliessen, 4, -1 ihr kaltes Ende. Bei Fig. 2 liegt die Annahme vor, dass die Temperatur der Klemmleisten gleich der der Luft ist. Die Kurven oberhalb des Elementschemas geben die Temperaturrelationen an für alle Punkte längs des Elementleiters. Von den Klemmleisten,. ur heissen \'erbindungsstelle ist der Temperaturveilauf gegeben durch die Kurve et, von den Klemmleisten zum kalten Ende ist die Temperatur konstant und gleich der Klemmleistentemperatur. Die Temperaturdifferenz t ist dann ein Mass für den Strom.
Ist jedoch die Klemmleistentemperatur höher als die Lufttemperatur, was in der Praxis der Fall ist, dann sind die Verhältnisse so, wie in Fig. 3 dargestellt, wo a die Brave
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geblieben, so muss dieses A t ausgeglichen werden. Dies wird herbeigeführt durch die Element-und Verbindungsdrähte 4, 4- und 5, 5, die der Luft ausgesetzt sind und dadurch einen analogen Temperaturabfall A t bewirken, da sie ja thermisch äquivalent sind dem entsprechenden Teil des Hitzstreifens.
Die Temperaturdifferenz zwischen dem heissen und kalten Ende ist wieder t, so dass der Einfluss der Lufttemperatur der Klemmleiste und der Luft beseitigt ist.
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äquivalent sind, ist erforderlich, dass sie durch Temperaturänderungen nicht nur um denselben Betrag, sondern auch gleich rasch beeinflusst werden, so dass eine korrekte Kompensation sowohl für Dauer-
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ende des Thermoelementes und den Hitzstreifen nicht nur die Faktoren von Länge, Querschnitt, Wärmeleitungsvermögen und Wärmeverlust durch Luftleitung denselben Wert haben, sondern es müssen auch beide Teile dieselbe Wärmezeitkonstante haben. Wenn jedoch die Klemmentemperatur und die Lufttemperatur sich langsam ändern, ist es praktisch hinreichend, wenn die beiden Teile thermisch äquivalent sind für langsam sich vollziehende Änderungen.
Wenn daher in der Beschreibung und in den Ansprüchen der Ausdruck "thermisch äquivalent" gebraucht wird, so ist darunter zu verstehen, dass die Temperaturen der entsprechenden Teile durch einen Temperaturwechsel der Klemmen und der die Klemmen und den Hitzleiter umgebenden Luft in demselben Masse oder nahezu in demselben Masse beeinflusst werden, so dass die Fehler in den Instrumentangaben die in der Messtechnik zulässige Toleranz nicht übersteigen.
Damit soll jedoch nicht gesagt sein, dass die Erfindung ausschliesslich auf langsame Änderungen der Temperatur eingeschränkt ist. Es soll bloss gesagt werden, dass die thermische Äquivalenz zweier Systeme praktisch in der Regel dann gegeben ist, wenn diese Systeme mindestens für langsame Änderungen thermisch äquivalent sind. Bei der in Fig. l gezeigten Konstruktion ist ein kaltes Ende des Elementes in thermischer Verbindung mit jeder Klemme, so dass jede Temperaturdifferenz der Klemmen ausgeglichen wird.
Bei der Ausführung nach Fig. 4 stehen beide kalte Enden in thermischer Verbindung mit einer Klemme, anstatt dass jedes kalte Ende mit je einer Klemme verbunden ist. In diesem Falle werden die zwei Klemmen dadurch auf derselben Temperatur erhalten, dass sie vermittels der aus Material von guter Wärmeleitfä igkeit bestehenden Grundplatte J2 oder deren Äquivalent in guter thermischer Verbindung stehen. Die Grundplatte ist von den Klemmen durch dünne Plättchen 11 aus Glimmer elektrisch isoliert.
Eine weitere Ausführungsform zeigt Fig. 5, gemäss welcher ebenfalls die kalten Enden des Elementes bloss mit einer Klemme thermisch verbunden sind und die zwei Klemmen dadurch auf derselben Temperatur gehalten werden, dass sie in gegenseitigem, unmittelbarem thermischen Kontakt montiert, aber durch dünne Plättchen aus Glimmer elektrisch isoliert sind.
Die Erfindung soll nicht auf die Anwendung eines einzigen Hitzstreifens oder eines einzigen Thermo- elementes beschränkt sein, es kann vielmehr auch eine Mehrzahl von Hitzleitern angeordnet werden, wie sie in der Hochfrequenztechnik wohlbekannt sind, in Verbindung mit je einem Element, die gewöhnlich in Serie geschaltet sind. Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Hitzleitern, wobei an jeden Hitzleiter ein Element montiert ist mit einem verlängerten kalten Ende. In der Zeichnung sind 18, 13 Stromklemmen, die zu den Mittelpunkten zweier Scheiben 14, 14 aus gut wärme-und strom- leitendem Material führen, die die Klemmen für die Hitzleiter und Thermoelemente bilden.
Diese Scheiben
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stehen in thermischen Kontakt mit dem erhitzten Teil der Hitzstreifen und sind isoliert von diesen durch dünne Plättchen 76 aus Glimmer. Die Thermoelementleiter sind in thermischem Kontakt mit den Scheiben, von diesen aber elektrisch isoliert durch dünne Glimmerplättchen 40 und werden in ihrer Lage durch Brettchen 41 gehalten. Die Thermoelementleiter ; M und ,, o und 26 usw. erstrecken hich jenseits der Klemmscheiben in die Luft und sind von solcher Länge und Querschnitt im Verhältnis zu ihrem Wärmeleitvermögen, dass die Enden M und 28 usw. den korrespondierenden Teilen des Hitzstreifens thermisch äquivalent sind.
Die Elemente sind, wie gezeigt, in Serie derart angeordnet, dass sich ihre thermoelektromotorisehen Kräfte addieren. Die zwei Enden 18 und J ? der Serien sind an das Mess-
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@er Relativtemperaturen der Klemmen und der Luft kompensiert und die Angabe deq Tnqtrumenten ist daher ein korrektes Mass des durchgehenden Stromes, wie oben dargelegt.
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Bei einer andern Ausführungsform (Fig. 7) bezeichnet 70, 70 die Klemmleisten, die an den Mittelpunkten von zwei Klemmscheibe 71, M befestigt sind. Die Hitzleiter haben die Form von Röhren 72, die symmetrisch im Kreis nahe um die Peripherie der Scheiben angeordnet und vorzugsweise schmal, dünnwandig und von hohem elektrischen Widerstand sind. Thermoelemente 47, 48 : 67, 68 usw. durch setzen diese Röhren und sind in ihrer ganzen Länge von ihnen isoliert. Ihre heissen Verbindungsstellen befinden sich in der Mitte der Röhren zwischen den Klemmen, die kalten Enden 49,.50 usw. erstrecken sich jenseits der Klemmen in die Luft. Die Elemente liegen in Serie, so dass sich ihre elektromotorischen Kräfte addieren.
Die Enden dieser Reihe, nämlich 67 und 46, sind mittels der thermisch
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Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die Thermoelementleiter nicht in direktem thermischen Kontakt mit den Klemmleisten stehen, jedoch mit diesen durch einen thermischen Hilfsleiter 12 thermisch verbunden sind, der seinerseits mit den Klemmleisten thermisch verbunden, jedoch elektrisch von ihnen isoliert ist. Die Elementleiter 3, B laufen oberhalb der thermischen Leitung und sind
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dünnes Glimmerstück 8. Die kalten Enden 4, 4 ragen ähnlich, w-e oben beschrieben, in die Luft und sind mit dem Instrument durch die Schleifenleitungen a, 5 und 6,6 verbunden.
Wenn der thermische Leiter 12 massiv und von guter W. rmeleitfähigkeit ist und die thermische Verbindung mit den Klemmleisten einen vernachlässigbaren thermischen Widerstand hat, dann müssen die freien Enden 4, 4 und
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Querschnitt oder eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was erforderlichenfalls so gemacht werden kann, oder hat die thermische Verbindung mit den Klemmleisten einen vernachlässigbaren thermischen Widerstand, dann kann die Kompensation so bewirktwerden, dass man den Leiter 12 einschliesslich der thermischen Verbindung mit den Klemmleisten und das abstehende kalte Ende des Elementes zusammen thermisch äquivalent macht dem korrespondierenden Teil des Hitzstreifens.
Ein Teil der Kompensation
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ä. hnlich, wie durch die Kompensationsleitungen des Stammpatentes, während der Rest der Kompensation durch das freiragende Ende des Thermoelementes bewirkt wird. Es ist klar, dass, falls die Klemmleisten auf gleicher Temperatur oder konstanter Temperaturdifferenz gehalten werden, es hinreicht, den Leiter 12 mit nur einer der beiden Klemmen thermisch zu verbinden. Ist der Leiter 12 samt seiner thermischen Verbindung mit den Klemmlebten thermisch dem korrespondierenden Teil des Hitzleiters äquivalent, dann können die kalten Enden des Elementes mit der Platte in direktem thermischen Kontakt stehen, statt in die Luft zu ragen.
Weiters muss die Platte 12 weder homogen, noch von durchaus gleichem Querschnitt oder von gleicher Wärmeleitfähigkeit sein, sie kann auch aus mehreren, in Serie liegenden thermischen Leitern von verschiedener Wärmeleitfähigkeit zusammengesetzt sein und muss auch nicht elektrisch leitend sein. Sie muss nur thermisch dem korrespondierenden Teil des Hitzstreifens äquivalent sein.
Fig. 9 zeigt eine abgeänderte Austührungsform, bei welcher die thermischen Verbindungsleitungen einschliesslich die thermische Verbindung mit den Klemmleisten äquivalent ist dem korrespondierenden Teil des Hitzleiters, weshalb auch das kalte Ende mit der Platte 12 in direktem Kontakt stehen kann.
Die Teile 80, 80 sind thermische Widerstände in Serie mit der Platte 12 und können zur Gänze aus elektrisch isolierendem Material sein oder teils isolierend, teils metallisch, nur muss ihr thermischer Widerstand samt dem der Platte 12 so sein, dass die Kombination von den Klemmen bis zu den kalten Enden thermisch äquivalent ist dem Teil des Hitzleiters von den Klemmen bis zur heissen Verbindungsstelle des Elementes. Der Teil 12 kann aus beliebigem Material (einschliesslich elektrisch isolierendem) und von beliebiger Form sowie beliebiger Wärmeleitfähigkeit sein unter Wahrung der oben erwähnten Bedingung der thermischen Äquivalenz. Die kalten Enden 10, 10 sind in gutem thermischen Kontakt mit der Platte 12, jedoch elektrisch von ihr isoliert durch Glimmer.
Verbindungsleitungen 6,6 verbinden die kalten Enden mit dem Instrument.
Eine weitere Ausführungsform eines inhomogenen Wärmeleiters zeigt Fig. 10, bei welcher je ein kaltes Ende des Elementes mit einer Klemme verbunden ist. Die thermischen Kompensationsleitungen bestehen aus Teilen 12 und 80 bei jeder Klemme von grösserer und geringerer Wärmeleitfähigkeit, die kombiniert, eine solche Oberfläche aufweisen, dass sie thermisch dem korrespondierenden Teil des Hitzleiters äquivalent sind. Es ist ferner klar, dass die Platte 12 in Fig. 9 der Länge nach in zwei Teile geteilt werden kann, die voneinander isoliert sind, in welchem Falle ein kaltes Ende des Elementes direkt mit einem Kompensationsleiter verlötet werden kann, der seinerseits zugleich als elektrischer Leiter dienen kann.
Physikalisch betrachtet, ist es bloss nötig, die Oberfläche des Leiters 121 im Verhältnis zum thermischen Widerstand 80'so zu bestimmen, dass der Temperaturabfall im Leiter 12'unter die Klemmentemperatur, der dem Wärmedurchgang durch den thermischen Widerstand entspricht, der notwendig ist, um die Verluste in 12'an die Luft zu ersetzen, gleichkommt dem korrespondierenden Temperatuabfall im Hitzleiter unter die Temperatur der Klemme, der von seinen Wärmeverlusten an die verursacht ist.
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Material verbunden. Thermisch leitende Platten B sind thermisch mit den Enden dieser Scheiben verbunden, jedoch elektrisch von ihnen isoliert und dienen gleichzeitig zur Trennung der Scheiben 81.
Hitzleiter 82 sind symmetrisch am Innenumfang dieser Scheiben angeordnet und sind hier verschweisst, verlötet oder anderswie befestigt. Die heisse Verbindungsstelle des Thermoelementes ist thermisch mit
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drähte sind thermisch mit den Platten B durch Klemmplättchen M in Kontakt, jedoch elektrisch durch Plättchen 85 isoliert und ihre Enden ragen zwecks Kompensation in die Luft. Die Elemente liegen in Serie, so dass sich ihre elektromotorischen Kräfte addieren. Die Reihenfolge ist vom Instrument begin-
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104, 105 sind, wie ersichtlich, thermisch mit derselben Platte in Kontakt wie ihr entsprechendes Thermoelement. Es ist klar, dass man, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, erforderlichenfalls separate Platten für diese Schleifen vorsehen kann.
Wie bereits bei Besprechung eines einzelnen Hitzleiters hervorgehoben, müssen, falls die Platten B massiv und gut wärmeleitend sind, die freiragenden Enden der Elemente thermisch den korrespondierenden Teilen des Hitzleiters äquivalent sein. Wenn dagegen die Platten B von solchem Querschnitt, Oberfläche und Wärmeleitfähigkeit sind, dass ihre Temperaturen erheblich von der umgebenden Luft beeinflusst werden, dann müssen die Platten einschliesslich der thermischen Verbindung mit den Klemmleisten und der freiragenden Enden der Elemente zusammen thermisch den entsprechenden Teilen des Hitzleiters äquivalent sein.
Sind dagegen die Platten B selbst thermisch dem Hitzstreifen äquivalent oder bestehen sie aus mehreren Materialien verschiedener Wärmeleitfähigkeit, die zusammen dem Hitzstreifen thermisch äquivalent sind, dann können die kalten Enden des Elementes in direktem thermischen Kontakt mit den Platten kommen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Thermoelektrisches Messgerät nach Patent Nr. 99499, gekennzeichnet durch die Anwendung von thermischen Kompensationleitungen, die mindestens mit einer Klemme in thermischem Kontakt stehen und sich über die Klemme hinaus in den die Klemmen und die Hitzstreifen umgebenden Luftraum erstrecken, wobei die thermischen Kompensationsleitungen zwischen dem kalten Ende des Thermoelementes und einer Klemme thermisch dem entsprechenden Teil des Hitzstreifens äquivalent sind.