DE277961C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- JVl 277961 -KLASSE 21 b. GRUPPE .27.

SCHOTT & GEN. in JENA.

angeordnete Thermoelemente erwärmt.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 30. Juli 1912 ab.

Thermoelemente sind bisher zur Messung von Wechselströmen sowohl in der Weise verwendet worden, daß der zu messende Strom die Elemente selbst durchfließt (direkte Heizung), oder daß er einen Heizkörper durchfließt, von dem die Wärme durch Luft oder ein dazwischen liegendes Dielektrikum sich den Elementen mitteilt (indirekte Heizung). Ih beiden Fällen wird die Empfindlichkeit durch

ίο Anordnung einer größeren Zahl von Elementen gesteigert. Die »kalten« Lötstellen werden hierbei meistens dadurch geschaffen, daß die zwei dünnen, je ein Element bildenden Drähte, welche die beiden Komponenten bilden, an relativ dicke Metallklötze angelötet werden, während die heißen Lötstellen durch die gelötete oder verschweißte Verbindungsstelle der beiden Komponenten gebildet werden. Die Metallklötze oder -stäbe, zwischen denen die einzelnen Elemente hierbei ausgespannt sind, werden in der Weise befestigt, daß sie nebeneinander kammartig in Isoliermaterial eingelassen sind.

Diese Konstruktion ist unrationell sowohl aus praktischen wie aus theoretischen Gründen. Das Aufbringen der einzelnen Elemente in einer Reihe erfordert nämlich einen relativ großen Abstand derselben voneinander, da bei großer Nähe das. Auflöten eines Elementes nicht ohne Gefährdung der benachbarten Elemente möglich ist. Es ist deshalb nur mit großer Mühe und entsprechenden Kosten möglich, die Thermosäule bei Anwendung vieler Elemente kompendiös zu gestalten. Dieser Umstand bringt aber außer der unangenehmen Größe der Anordnung, die in einem Instrumentengehäuse bequem Platz haben sollte, noch prinzipielle Nachteile mit sich. Je größer nämlich der von den Instrumenten eingenommene Raum, desto größer ist der Einfluß von Temperaturdifferenzen innerhalb desselben wegen ihres langsameren Ausgleichs und desto schwerer die Einstellung des thermischen Gleichgewichts wegen des ungünstigen Verhältnisses zwischen den Dimensionen des erhitzten Raumes und denen des ihn umschließenden Gehäuses. Ferner ist die Empfindlichkeit einer Säule mit weit voneinander entfernten Elementen kleiner als die einer Säule, bei der die Entfernung der einzelnen Elemente unter ein gewisses Maß gebracht ist, und zwar bei Anwendung der direkten Erwärmung aus dem Grund, weil im letzteren Falle jedes Element durch die benachbarten miterwärmt wird (man kann dies auch so ausdrücken, daß die mit zu heizende Luftmenge kleiner und die durch Strahlung gegenseitig aufgenommene Wärme größer ist), bei indirekter Erwärmung aber aus dem Grund, weil die Dimensionen des Heizkörpers und hiermit die in ihm aufzuwendende Energie in dem Maß kleiner gewählt werden kann, als die einzelnen Elemente gedrängt angeordnet werden.

Die hiernach- geforderte gedrängte und zu-

gleich bequem und billig anzufertigende Anordnung wird nun dadurch erreicht, daß als Träger der Elementdrähte dünne Metallplatten verwendet werden, die mit ebensolchen Metall- bzw. Isolierplatten als Zwischenlagen zu festen Paketen zusammengepreßt sind. Die Zwischenlagen können hierbei Aussparungen zur Lüftung durch die Pakete hindurch besitzen. Die einzelnen Thermoelemente werden entweder an

ίο einander gegenüberstehenden Lamellen angelötet oder sie werden beiderseits zwischen Lamellen eingeklemmt. Die Isolierlamellen sind zwischen den Metallamellen so verteilt, daß die einzelnen Thermoelemente in richtiger Weise in Serie geschaltet, eventuell auch teilweise parallel geschaltet sind.

Für die Messung von Wärmestrahlen ist eine Thermosäule, die derartigen Aufbau zeigt, in den Annalen der Physik, Bd. 33, S. 517 von Johansen angegeben worden. Von dieser unterscheidet sich die hier beanspruchte Thermosäule — abgesehen davon, daß sie nicht für . Strahlungsmessungen, sondern für Messung elektrischer Größen bestimmt ist — dadurch, daß mit ihr nach den oben ausgeführten Gesichtspunkten die Empfindlichkeit auf das äußerste überhaupt denkbare Maß gesteigert werden kann, und daß sie allein eine wirtschaftlich vorteilhafte Herstellung ermöglicht, die die Voraussetzung für. die Fabrikation eines elektrischen Meßinstruments bildet.

Wie nämlich in der Beschreibung der Johansenschen Thermosäule an der -angegebenen Stelle und in Fig. 3 auf S. 523 genau erläutert wird, werden die Thermoelemente beiderseits zwischen dicke Platten eingeklemmt. Um dabei den Zusammenhalt der zuerst eingeklemmten Thermoelemente zu wahren, werden immer die zuerst eingeklemmten Plattenpaare durch zwei Paare von Schrauben an eine Grundplatte angezogen. Beim Fortschreiten des Baues der Säule müssen diese Schrauben immer wieder herausgenommen werden, nachdem zwei zu diesen versetzte Schraubenpaare durch das Paket hindurch in die letzten Plattenpaare, eingeschraubt sind. Dieses mühsame Verfahren, das nicht nur für jedes Element das Ein- und Ausschrauben von vier Schrauben, sondern auch die Herstellung und liachträgliche Ausbohrung von vier Muttergewinden erfordert, wird bei der beanspruchten Ausführung dadurch umgangen, daß genügend dünne Platten oder Lamellen als Träger der Lamellen verwendet werden, die so große Nachgiebigkeit besitzen, daß die Thermoelemente nacheinander in das unter gewissem Druck zusammengepreßte Paket eingesetzt werden können.

Da nun, abgesehen von diesem technisch ganz unrationellen Verfahren bei einer Plattendicke, die das Einschrauben von Gewinden zuläßt, die gegenseitige Entfernung der Elemente weit über dem Maß gehalten wird, das durch die Rücksicht auf die Vermeidung ihrer gegenseitigen Berührung bedingt ist, so werden bei der vorliegenden Thermosäule dünnere Platten oder Lamellen ■ verwendet und die Befestigung der Thermoelemente entweder in der Weise bewirkt, daß sie zunächst über den Ausschnitt je einer Lamelle gelötet werden, wobei diese Lamellen nach Vereinigung aller Lamellen zu einem Paket in zwei Teile zerlegt werden, oder es werden die Thermoelemente in das schon zusammengesetzte Lamellenpaket eingesetzt, indem die federnden Lamellen jeweils an der Stelle auseinandergedrückt werden, wo ein Element einzusetzen ist, wobei das ganze Paket mit genügendem Druck zusammengepreßt ist, daß die schon eingesetzten Elemente ihre Lage bewahren.

Ein Beispiel für das erstere Verfahren ist in Fig. ι dargestellt. Hierbei wird jedes Element 1 zunächst über einen Ausschnitt 2 einer Platte 3 aufgelötet und diese dann mit den Zwischenlagen aufeinandergeschichtet und zwischen genügend starken Endplatten zusammengepreßt. Hierauf erst werden die bis dahin nur durch den Ausschnitt markierten Hälften — etwa nach den bei 4 gestrichelt gezeichneten Linien — auseinandergeschnitten. Die Platten und Zwischenlagen können dabei vor dem Auflöten als festes Paket gemeinsam bearbeitet sein. Fig. 2 und 3 stellen das Schema der Anordnung einer solchen Thermosäule dar, bei der fünf Elemente mittels ausgefüllt gezeichneter Isolierplatten in Serie geschaltet sind. Die Elementdrähte können entweder wie bei Fig. 3 über dem Ausschnitt seitlich an den sie tragenden Platten angelötet sein, wobei sie in Kerben derselben eingelassen werden, wenn ihre Dicke neben der der Platten in Betracht kommt, oder sie werden wie bei Fig. 1 auf der Kante ihres Trägers angelötet. Hierbei braucht die Dicke der Platten nicht größer zu sein als die der Thermoelemente selbst.

Das zweite Verfahren, nach dem die Elemente nicht an ihre Träger angelötet, sondern nach Vereinigung der beiden Komponenten nur zwischen die aufeinanderliegenden Platten eingesetzt und durch Zusammenpressen elektrisch verbunden werden, ist z. B. in Anordnung nach Fig. 3 oder 4 durchführbar, wobei eine schmale und schnabelartige Ausbildung des Teiles, in dem die Drähte liegen, vorteilhaft ist. Damit die Elemente hierbei ohne Mühe in eine Ebene gebracht werden, kann man sie durch ein im Durchschnitt gezeichnetes Hilfselement 6 führen, in dessen feinen Schlitz die Elemente eingestellt werden, oder es werden die Elemente auf eine ebene Fläche gelegt, die nach Zusammenpressen des Pakets entfernt wird. Hierbei können die beiden Trägersysteme, wenn sie

wie in Fig. 3 beiderseits gut geführt sind, von vornherein getrennt sein. Dadurch wird es ermöglicht, die Isolationslamellen allseitig über die Metallamellen vorstehen zu lassen. Bei den Modellen mit eingespannten Thermoelementen ist es vorteilhaft, die Folge von Metall- und Isolierlamellen so zu wählen, daß iedes Ende der Elemente beiderseits zwischen dünnen Metallamellen eingeklemmt ist.

Für die Herstellung der Thermoelemente selbst aus ihren beiden Komponenten kann irgendeines der bekannten Verfahren angewendet werden, bei denen die beiden Drähte einfach aneinandergelötet oder -geschweißt werden. Bequemer und einwandfreier gelingt jedoch die Herstellung der Elemente in der Weise, daß sie nach Fig. 5 aus zwei ineinandergelegten und am Knoten verlöteten oder zusammengeschweißten Schleifen gebildet werden.

Das Zusammenschweißen gelingt auch bei unedlem Material der beiden Komponenten durch Stromdurchgang in Wasserstoffatmosphäre.

Eine weitere Verbesserung der Elemente wird durch leichte Verdrillung der Schleifen erzielt. Hierdurch erhalten sie eine größere Festigkeit und erhalten . und bewahren eine geradegestreckte. Form besser als Elemente aus einfachen Drähten oder nichtverdrillten Schleifen von gleichem Querschnitt. Mit solchen Thermoelementen gelingt insbesondere die Herstellung der an Hand der Fig. 4 beschriebenen Anordnung sowie die Auflötung der Elemente auf Hochkant besser als mit einer bisher bekannten Ausführung von Thermoelementen.

Die Verdrillung gibt ferner den Elementen eine Elastizität, die es ermöglicht, sie in scharfgespanntem Zustand aufzubringen ohne die Gefahr des Zerplatzens bei Temperaturänderungen oder Erschütterungen. Zu diesem Zweck kann die Verdrillung in der Weise ausgeführt werden, daß eine Hälfte jedes Elements stärker verdrillt wird als die andere und noch wirksamer in der Weise, daß die beiden Hälften in entgegengesetztem Sinn verdrillt werden. Hauptsächlich bei indirekter Heizung hat diese Form noch den Vorteil, daß Sie sich nicht durchbiegt und deshalb eine größere Konstanz der Empfindlichkeit ergibt. Besonders gilt dies im Vergleich mit Elementen aus einfachen Drähten, bei denen es unter Einhaltung der erforderlichen kleinen Querschnittdimensionen fast unmöglich ist, die Lötstelle genau in eine Linie mit den Drähten zu bringen, so daß sich bei Erhitzung ihre Entfernung vom Heizkörper in unzulässigem Maße ändern kann.

Ein weiteres Erfordernis zur Bewahrung konstanter Empfindlichkeit ist eine konstante Oberflächenbeschaffenheit. Diese wird bei der beanspruchten Thermosäule in hohem Maße schon dadurch gesichert, daß die hohe Empfindlichkeit derselben das Arbeiten mit geringen Temperaturerhöhungen ermöglicht. Weiter kann die Oberfläche durch Platinieren, Oxydieren, Emaillieren, Lackieren oder durch andere verwandte Verfahren geschützt werden. Durchgreifend wird aber die Abhängigkeit des Ausschlags von der Oberflächenbeschaffenheit durch Verwendung von Edelmetallen, wie Gold und Platin, oder gleich edeln Legierungen mit solchen beseitigt.

Ein anderer Weg zur Verhinderung von Änderungen der Oberfläche besteht darin, daß man das Instrument evakuiert. Geringere Schwierigkeit bereitet die Abdichtung, wenn es statt dessen mit einem chemisch nicht wirksamen Gas, wie Argon, gefüllt wird. Dies ist der Evakuierung besonders bei indirekter Heizung vorzuziehen, wenn hierbei die Wärmeübertragung durch das Gas vom Heizkörper auf die Elemente benutzt werden kann.

Die beanspruchte paketartige Anordnung der Thermosäule ermöglicht die Herstellung von einwandfreien thermoelektrischen Meßinstrumenten mit indirekter Heizung. Um hierbei eine große und konstante Empfindlichkeit bei geringer Trägheit zu erzielen, wird der Heizkörper aus einem oder mehreren Bändern oder Drähten hergestellt, die zwischen zwei Einspannstellen geradlinig und einander parallel unter Federwirkung ausgespannt sind, so daß sie auch bei Stromdurchgang in gespanntem Zustand bleiben. Eine Ausführungsform ist in Fig. 6 dargestellt.

Die unter der punktiert angedeuteten Thermosäule ausgespannten drei Bänder 7 sind hierbei in ein im Sockel 8 festes und ein drehbares Paket 9 und 10 aus Blechstreifen eingelötet. Feder 11 hält die Heizbänder gespannt. Statt dessen kann auch ein oder beide Träger 9 und 10 der Bänder mit einer Blattfeder am Sockel befestigt werden.

Statt daß die Bänder in die Pakete eingelötet werden, können sie auch einfach eingeklemmt werden. Dieses Verfahren ist besonders günstig für Heizkörper dieser Art für schwache Ströme. Hierbei werden die parallelen Bänder unter Zwischenlage von Glimmer oder Streifen aus anderem dünnen Isoliermaterial ausgespannt, so daß die Bänder nach dem Schema der Fig. 7 oder 2 in Reihe geschaltet sind.

Diese hochkantige Anordnung der Heizbänder hat vor allen sonst noch möglichen den Vorzug, daß sie, auf gleichen Gesamtquerschnitt des Heizkörpers bezogen, die geringste Wärmeträgheit besitzt.

Die Anpassung ' für verschiedene Stromstärken kann in weiten Grenzen durch Wahl der Bänderzahl, ihres Einzelquerschnitts und des Materials nach Maßgabe seiner Belastungsfähigkeit und des speziellen Widerstands geschehen.

Die Feineinstellung des Meßgeräts auf einebestimmte Empfindlichkeit kann durch Einstellung des Abstands zwischen dem Heizkörper und den Thermoelementen erfolgen. An dem Meßgerät kann eine von außen zu betätigende Schraube angebracht werden, durch welche die Konstante auf diese Weise nächregulierbar ist. Zur Herstellung verschiedener Meßbereiche mit einer einzigen Thermosäule können die

ίο entsprechenden Heizkörper in Einsätzen untergebracht sein, die auswechselbar in dem die Säule enthaltenden Kasten des Meßgeräts eingefügt werden können. Die eventuell vorhandene Justierschraube zur Einstellung der Konstante befindet sich dann an dem Einsatz. Die Führung des Einsatzes -. wird mit dem Metallkörper, an dem die Thermosäule befestigt ist, durch eine metallische Konstruktion fest verbunden.

Schließlich können für jeden Meßbereich

. ein Heizkörper und eine Thermosäule oder passende Kombinationen von solchen in je einem Gehäuse vereinigt werden, die dann in gleicher Weise wie Nebenschlußwiderstände von Milliamperemetern nach Bedarf an das mit passender Skala geeichte Galvanometer angeschlossen werden.

Die Abhängigkeit der beanspruchten thermoelektrischen Meßgeräte von der Temperatur ist sehr gering, da die durch bestimmten Strom hervorgerufene Thermokraft infolge des Zusammenwirkens verschiedener Faktoren mit der Temperatur bei stromlosem Zustand, d. h. der Temperatur der Umgebung zunimmt, also auf die Angaben des angeschlossenen Galvanometers in entgegengesetztem Sinne wirkt als der Kupferwiderstand im Stromkreis des letzteren. Um den Temperatureinfluß in noch höherem Maße zu eliminieren, können die Hilfsmittel und Schaltungen nach der Patentschrift 254648 angewendet werden.

Ein Nachteil der thermoelektrische)! Meßgeräte sowohl mit direkter wie indirekter Heizung kann darin bestehen, daß bei Änderung der Temperatur des Raumes oder beim Transport in .einen Raum von anderer Temperatur die Träger der Thermoelemente längere Zeit brauchen, bis sie die neue Temperatur angenommen haben. Dadurch entsteht eine-Temperaturdifferenz zwischen den »kalten« und »warmen« Lötstellen, da die Temperaturänderung beider nicht mit gleicher Schnelligkeit erfolgt. Dieser Übelstand kann dadurch behoben werden, daß man in Serie mit den erhitzten Thermoelementen gleiche aber entgegengesetzte anordnet, die nicht geheizt werden, sich jedoch im übrigen in bezug auf den Wärmeausgleich mit der Außentemperatur unter den gleichen Umständen befindet. Dies kann bei indirekter Heizung in der Weise erfolgen, daß nach'Fig. 8 immer zwei entgegengesetzt geschaltete Thermoelemente in entsprechender Weise wie die einzelnen Elemente zwischen Lamellen gebracht werden und das ganze zu einem Paket vereinigt wird.

Weniger genau als mit einer gleichgebauten Säule, aber bei richtiger Ausführung doch praktisch genügend genau läßt sich die' zur Beseitigung des Einflusses der Umgebung erforderliche kompensierende E. K. auch dadurch bewirken, daß die einzelnen einfachen Elemente nicht nur abwechselnd auf der einen und andern Seite, sondern beiderseits isoliert werden. Zwischen ihnen werden dann entgegengesetzte Thermoelemente eingeschaltet, die aus längeren, aber dickeren Drähten bestehen, und deren innere Lötstelle (Verbindungsstelle dieser Drähte) sich an einer ungeheizten Stelle befindet. In diesem Falle kann den Zusatzthermoelementen leicht ein relativ kleiner Widerstand erteilt werden, besonders dadurch, daß für die beiden Komponenten Bandform gewählt wird.

Schließlich kann der Einfluß der Temperatur der Umgebung auch dadurch reduziert werden, daß das die Thermosäule umgebende Gehäuse an eine so große Fläche aus Metall und — wenn auch, wo nötig, mit dünner Isolierzwischenlage — so fest an das Metall anliegend gemacht ist, daß die Temperatur der Umgebung sich in gleichem Maße wie der Luft des Innenraums auch dem Paket, also den »kalten« Lötstellen mitteilt.

Durch letztgenannten Konstruktionsgrundsatz wird auch eine Fehlerquelle reduziert, die sich darin äußert, daß bis zur Einstellung eines stabilen Gleichgewichts zwischen der Temperatur der »kalten« Lötstellen und der Umgebung eine sehr langsame Änderung des Ausschlags bei konstantem Meßström auftreten kann. Soweit diese Fehlerquelle durch dieses Mittel nicht genügend beseitigt wird, kann dies wieder durch Serienschaltung einer entgegenwirkenden Thermosäule oder einzelner Thermoelemente geschehen. Man kann hierzu die gleichen Elemente benutzen, wie sie nach dem Vorhergesagten zur Kompensation der Temperaturänderung der Umgebung dient. Durch Ausprobieren wird die hierzu erforderliche gegenseitige Lage der Hilfselemente gegen die geheizten Elemente innerhalb des gemeinsamen Gehäuses gefunden.

Bei der bei Thermoelementen mit direkter Heizung vorteilhaften Evakuierung des sie enthaltenden Raumes ist die durch die Paketform ermöglichte gute Wärmeableitung an die Außenwand von besonderem Vorteil. Große Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bekanntlich in bezug auf die dauernde Dichthaltung der Durchführungen für die Stromzuleitungen und der eventuell vorhandenen durchsichtigen Fenster. Diese Schwierigkeit wird durch folgende Konstruktion vermieden. Man preßt oder

gießt die hülsenförmige Durchführung aus Isolationsmaterial zwischen zwei Metallhülsen, die an ihrer freien Oberfläche wenigstens längs eines um den ganzen Umfang laufenden Streifens amalgamiert werden. Ebenso werden die Flächen am Gehäuse, in welche der amalgamierte Ring paßt, amalgamiert. Dabei kann durch Anbringen eines in den amalgamierten Flächen Hegenden, mit Quecksilber gefüllten ringförmigen Hohlraums die Sicherheit der Ausfüllung des Zwischenraums mit Quecksilber erhöht werden. Der Austritt des Quecksilbers aus dem Hohlraum nach beiden Seiten wird durch seine hohe Kapillarkraft verhindert.

Besonders wertvoll ist diese Quecksilberdichtung für durchsichtige Fenster, bei denen ein Anlöten des Flanschringes wegen der Gefahr des Zerspringens nicht zulässig ist. Der Ring wird dabei an das Glas ο. dgl. angekittet oder, wenn angängig, eingebrannt.

Claims (10)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Thermosäüle für thermoelektrische Meßgeräte, bei denen der zu messende elektrische Strom direkt oder mittels eines Heizdrahtes oder Heizkörpers mehrere nebeneinander angeordnete Thermoelemente erwärmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente zwischen dünnen, zu einem festen Paket zusammengepreßten Lamellen ausgespannt sind, die teils aus Leitungsmaterial zur elektrischen Verbindung, teils aus Isolationsmaterial zur elektrischen Trennung benachbarter Elemente bestehen.
2. 2. Thermosäüle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente ohne Lötung der »kalten« Lötstellen zwischen die Lamellen des Pakets eingeklemmt sind.
3. 3. Thermosäüle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente aus zwei mit Schleifen ineinanderliegenden Drähten gebildet sind.
4. 4. Thermosäüle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Thermoelemente bildenden Schleifen verdrillt sind.
5. 5. Thermosäüle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte der Thermoelemente mit Oxyd- oder Lackschicht o. dgl. überzogen sind, so daß sie bei Erwärmung ihre Oberflächenbeschaffenheit nicht mehr ändern.
6. 6. Thermosäüle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Edelmetallen oder Legierungen von solchen bestehen, die sich bei der Erhitzung nicht verändern.
7. 7. Meßgeräte mit Thermosäüle nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Thermosäüle bzw. die Thermosäüle und den Heizkörper enthaltende Raum mit einem chemisch nicht wirksamen Gas gefüllt ist.,
8. 8. Meßgeräte mit Thermosäüle nach Anspruch ι bis 6 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Regulierschraube der Abstand zwischen Heizkörper und Thermosäüle von außen eingestellt werden kann.
9. 9. Meßgeräte mit Thermosäüle nach An-Spruch ι bis 6 und nach Anspruch 7 und 8 mit Quecksilberdichtung des Instrumentengehäuses derart, daß um die zu dichtenden Isolatoren oder Fenster bzw. in die zu dichtenden Isolierhülsen Metallhülsen eingegossen, -gepreßt oder -gebrannt werden, die an ihrer Oberfläche amalgamiert und auf ebenfalls amalgamierte Flächen des Gehäuses bzw. der Durchführungen gelegt sind.
10. 10. Heizkörper für Meßgeräte mit Thermosäüle nach Anspruch 1 bis 6 und nach Anspruch 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einander parallele Bänder mit senkrecht gelegenen Flächen nebeneinander zwisehen Lamellenpaketen eingespannt oder eingelötet sind, die durch Federwirkung auseinandergespannt erhalten werden.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.