DE302050C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Meßgeräte für hohe Temperaturen, in wel- I chen die Stärke der von der Wärmequelle ausgehenden Strahlung als Maßstab für die Temperatur dienen soll, erfordern als Empfänger für die Strahlung besonders empfindliche Einrichtungen. Für solche sind vornehmlich die beiden elektrischen Wärmemeßverfahren geeignet, von denen das eine auf Erzeugung von Thermoströmen, das andere auf der Wider-Standsveränderung geeigneter Leiter beruht.

Während nun zur Herstellung praktisch verwendbarer Meßgeräte die Thermoelemente in verschiedenen Ausführungsarten Anwendung gefunden haben, ist die Verwendung der sog. Bolometer nur auf wissenschaftliche Zwecke beschränkt geblieben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bisher kein Weg bekannt war, um mit diesen hochempfindlichen Meßgeräten Einrichtungen zu schaffen, welche eine direkte Ablesung der zu messenden Temperatur ermöglichten, wenn gleichzeitig innerhalb gewisser Grenzen eine Unabhängigkeit von Entfernung und Größe des Wärmestrahlers sowie von -der Temperatur der Umgebung des Bolometers selbst erzielt werden sollte.

Bei den mit Thermoelementen versehenen Strahlungsmessern wird die Unabhängigkeit vom Abstand des Strahlers dadurch erzielt, daß mittels gewisser optischer Hilfsmittel die auf die Lötstellen fallenden Strahlenmengen konstant gehalten werden. Diese Mittel bestehen entweder in einer Sammellinse oder einem Hohlspiegel, in deren Brennpunkt die

Lötstelle gebracht werden muß, oder in der Vereinigung solcher Sammelvorrichtung mit einer Blende, die sich in festem Abstand davor befindet (brit. Patent 30478/1909). Sollen schließlich statt einer Lötstelle zur Verstärkung der Wirkung deren mehrere angebracht werden, so muß auch auf eine Vereinigung der Strahlen in einem Punkte verzichtet werden, und man muß sich begnügen, eine Sammlung in der Gegend der Lötstellen dadurch zu erreichen, daß man diese z. B. am Grunde eines polierten Trichters anbringt, dessen Wände unter vielfacher Reflexion die auftreffenden Strahlen schließlich auf einen engen Raum zusammenbringen (amerik. Pataent 919399/1909).

Alle diese Einrichtungen zeigen nun den gemeinsamen Nachteil, daß die zu messenden Strahlen .den Aufnahmekörper nicht direkt, sondern erst nach Reflexion oder Brechung erreichen. Hierdurch wird aber eine Fehlerquelle in die Messung gebracht, darin bestehend, daß jede Veränderung in der Oberfläche des brechenden oder reflektierenden Mittels, etwa durch Beschlagen, Staubanflug usw. auch ändernd auf die Konstanten des Meßgerätes einwirken muß. Auf eine Sammlung der Strahlen kann aber nicht verzichtet werden, weil nur auf diese Weise Wärmewirkungen erzielt werden können, welche hinreichen, um in den gebräuchlichen Zeigergalvanometern genügend große Ausschläge zu erreichen. Aber selbst mit diesen Mitteln kann in den bekannt gewordenen Einrichtun-

gen eine genügende Wirkung nur unter Beobachtung eines Höchstabstandes erzielt werden, der im A^erhältnis zur dabei erforderlichen Oberflächengröße des Strahlers praktisch häufig als ungenügend erkannt wird, und welcher bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung wesentlich günstiger ausfällt.

Bei dem nachstehend beschriebenen Meßgerät ist nun der empfangende Teil ein BoIometer in der neuartigen Vereinigung mit Einrichtungen, welche einmal die Unabhängigkeit vom "Abstand trotz direkter Einwirkung der Strahlen, also ohne deren Brechung oder Reflexion, ermöglichen, dann aber auch die Fehlerquellen, welche auf elektrische und andere Ursachen zurückzuführen sind, beseitigen.

Zur Erreichung einer möglichst hohen Empfindlichkeit des Bolometers wird man in bekannter Weise die Anordnung treffen, daß man von den vier Zweigen der die Einrichtung bildenden Wheatstoneschen Brücke die beiden einander diametral gegenüberliegenden zu je einer Gruppe zusammenfaßt, deren eine der Bestrahlung unterliegt, die andere nicht. In Fig. 1 stellen α und c die bestrahlten, b und d die dunklen Zweige des Bolometer's dar, und es ist ersichtlich, daß eine Temperaturerhöhung von a in gleichem Sinne wie die von c ändernd auf das Gleichgewicht der Brücke, und somit auf den Ausschlag des Galvanometers G, wirken muß.

Für die praktische Ausführung des Bolometers hat sich eine Unterteilung jedes Brückenzweiges in mehrere feine und sehr eng gewickelte, nebeneinander angeordnete Spiralen als günstig erwiesen, weil so ein verhältnismäßig hoher Widerstand in kleinem Raum untergebracht werden und leicht eine quadratische oder annähernd kreisrunde Aufnahmefläche gebildet werden kann, was für eine günstige Gestaltung des Ganzen wichtig ist (Fig. 2 und 3).

Bei der vorliegenden Erfindung dient als einziges Hilfsmittel zur Erzielung der Unabbängigkeit vom Abstand zwischen Strahler und Empfänger eine in festem Abstand vor letzterem angebrachte Blende. Fig. 4 zeigt, daß in diesem Falle jeder Punkt der Oberfläche des Bolometers 1 als Spitze eines Strahlenkegels gedacht werden kann, dessen Mantel durch den Rand der Blende 2 geht, und dessen Basis auf der Oberfläche des Strahlers 3 liegt. Es ist ersichtlich, daß dieser Kegel bezüglich seines Winkels — und somit auch der Strahlungsintensität — unveränderlich bleibt, • so weit man auch den Strahler entfernen mag, vorausgesetzt natürlich, daß dessen Oberfläche groß genug ist, um die im Quadrat der Entfernung wachsende Basisfläche auszufüllen.

Aus diesem Grunde wird man bestrebt sein, die Oberfläche des Bolometers möglichst klein zu halten, weil deren Größe auch mitbestimmend auf diejenige des Strahlers wirkt. Eine punktförmige Empfangsvorrichtung· würde z. B. nur- die Basis des von ihr ausgehenden Kegels erfordern; bei einer Aufnahmefläche muß aber auch der Bedingung genügt werden, daß die auf Punkten ihres Randes zu denkenden Kegel, deren Achsen natürlich in mehr y₀ oder minder großem Winkel zueinander stehen, ebenfalls noch auf dem Strahler ihre Basis" finden. Durch die beschriebene Ausführungsart des Bolometers mit vielen eng gewickelten und dicht aneinandergelegten Spiralen wird eine genügend kleine Oberfläche leicht erreicht.

Trotz der nach obigem erzielten Unabhängigkeit vom Abstand wäre damit ein praktisch brauchbares Meßgerät noch nicht geschaffen. Um nämlich das Ablesegalvanometer mit einer stets gültigen Temperaturteilung versehen zu können, muß man dafür Sorge tragen, daß entweder der zur Messung" benutzte Strom konstant gehalten wird, oder aber, daß seiner" Veränderlichkeit durch entsprechende Abänderung der Empfindlichkeit des Galvanometers Rechnung getragen wird. In beiden Fällen wird man mittels einer geeigneten Schaltung dieses Galvanometer zur go Feststellung der Stärke des Meßstromes benutzen und danach entweder diesen selbst mit einem Reg'ulierwiderstand berichtigen, oder aber das Galvanometer der jeweiligen Stromstärke anpassen, z. B. durch Änderung der Feldstärke des Magneten in Drehspulmeßgeräten (niagn. Nebenschluß).

Ein solches Pyrometer würde aber immer noch eine sehr erhebliche Fehlerquelle besitzen, die darin zu suchen ist, daß das BoIometer ja nicht nur durch die Strahlung, sondern auch durch jede Änderung seiner Umgebungstemperatur in seinem Eigenwiderstand und somit in der Stärke des Meßstromes beeinflußt wird. Die ganze Anordnung \vird also einen erheblichen Temperaturkoeffizienten aufweisen, was um so schwerer wiegen muß, als das Gerät in unmittelbarer Nähe von Öfen usw., gemäß seiner Verwendung als Pyrometer, angebracht wird. ■ Um diesen Koeffizienten auf ein erträgliches Maß zu beschränken, müßte man sehr große Widerstände aus unveränderlichem Material vorschalten, wodurch aber der Energieverbrauch des Apparates um ein Vielfaches erhöht würde, ohne daß der Fehler damit gänzlich beseitigt werden könnte.

Nachfolgend ist nun ein neuer Weg beschrieben, bei welchem ohne erheblichen Mehrverbrauch der Temperaturkoeffizient

völlig beseitigt wird. Es wird hierzu der Umstand benutzt, daß gewisse Metalle, vornehmlich Nickel und Eisen, einen mit der Erwärmung" anwachsenden Temperaturkoeffizienten besitzen. Es bewirkt z. B. in einem Nickelwiderstande von ioo Ohm bei o° C eine Erwärmung um i° eine Widerstandszunahme von 0,41 Ohm, während bei einer Grundtemperatur von ioo° der Wärme-Zuwachs um i° eine Änderung, von 0,53.0hm

. zur Folge hat, wobei gleichzeitig der Gesamtwiderstand auf etwa 150 Ohm anwächst.

Würde man also bei einem aus solchem Material gefertigten Bolometer, etwa durch einen sehr großen Vorschaltwiderstand, dafür sorgen, daß die Stromstärke bei Erwärmung sich nur unmerklich ändert, so würde bei einer Bestrahlung der einander gegenüberliegenden Zweige das Gleichgewicht der Brücke um so stärker gestört, je höher die Umgebungstemperatur wäre, d. h., das Bolometer würde an seinen Galvanometerklemmen bei gleicher Temperaturdifferenz zwischen den bestrahlten und den dunklen Zweigen eine höhere Spannung aufweisen, wenn es sich in wärmerer Umgebung befände: das Meßgerät hätte einen positiven Temperaturkoeffizienten.

Umgekehrt würde bei Fortlassung jegliehen Vorschaltwiderstandes die Stromstärke durch die Widerstandszunahme des Bolometers so sehr gemindert, daß die erhöhte Raumtemperatur trotz der höheren Strahlungsempfindlichkeit eine Verminderung der Spannung an den Klemmen des Galvanometers bewirken würde: der Koeffizient wäre negativ.

Hieraus geht hervor, daß man es in der Hand hat, durch Wahl eines passenden Vorschaltwiderstandes die bei steigender Raumtemperatur sinkende Strömstärke so zu beeinflussen, daß sie im umgekehrten Verhältnis zu der durch den gleichen Umstand bewirkten Steigerung der Strahlungsempfindlichkeit steht.

Das Verhältnis dieses Vorschaltwiderstandes zu dem des Bolometers ist kein fest bestimmtes, es wird durch den Widerstand des Galvanometers beeinflußt und muß also für jede Kombination besonders errechnet werden. ■ " .

Die Anwendbarkeit dieser Ausgleichsanordnung bezieht sich auf jedes Metall mit wachsendem Temperaturkpeffizienten, doch erscheinen die genannten Metalle wegen der besonders großen Veränderung desselben als die verwendbarsten. Andere Metalle, wie z. B. Platin, deren Koeffizient abnimmt, sind nicht verwendbar.

In der praktischen Ausführung des Apparates wird man zwischen Blende und Bolometer ein Rohr zur Abhaltung seitlicher Strahlung einschalten. Hierbei wird man die dunklen Brückenzweige so anordnen müssen, daß sie gegen die Wärmestrahlung aus der Blendenöffnung durch eine vor ihnen liegende Wand .abgeschlossen sind (Fig. 4). Dadurch entsteht aber eine unsymmetrische Bauart insofern, als die bestrahlten Zweige frei dem Rohre, die dunklen aber der Abschluß wand 70* zugekehrt sind. Wird nun das Rohr an seinem Vorderende heißer als die Umgebung des Bolometers, so kann dies die Messung dadurch störend beeinflussen, daß auch die Rohrwandung Strahlen auf das Bolometer aussendet, deren Wirkung wegen der geringen Entfernung nicht unerheblich bleiben wird, falls die Erhitzung sehr groß wird.

Zur Beseitigung dieses Nachteiles dient die in Fig. 5 dargestellte Anordnung. Hier ist auch den dunklen Brückenzweigen ein Rohr von den gleichen Abmessungen des dem bestrahlten Teile zugewendeten gegenübergestellt', welches jedoch vorn geschlossen ist. Da die Rohre dicht nebeneinander liegen, so wird auch ihre Erwärmung annähernd die gleiche sein. Deshalb wird auch von beiden Rohren eine gleich starke Strahlung auf die beiden Bolometerhälften ausgehen und hierdurch eine Kompensation der schädlichen Wirkung erzielt. In der Zeichnung stellt 1 das offene Rohr mit der Blende, 2 das geschlossene Kompensationsrohr, 3 die bestrahlte, 4 die dunkle Bolometerhälfte dar; 5 ist ein das Bolometer umgebendes Schutzgehäuse mit den Anschlußklemmen.

Claims (4)

Patent-Ansprüche: *

1. Strahlungs-Wärmemesser mit einem Widerstands - Bolometer und einer in festem Abstand vor dessen zu-bestrahlendem Teil angebrachten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen auf ihrem Wege keiner Brechung oder Reflexion unterworfen werden.

2. Eine Ausführungsform, des Bolometers, bei welcher zwecks Unterbringung eines möglichst hohen Widerstandes auf kleinem Räume die einzelnen Zweige aus mehreren eng gewickelten und dicht nebeneinander liegenden Spiralen bestehen.

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3. Eine Ausführungsart des Wärmemessers, bei welcher z^vecks Abhaltung seitlicher Strahlen zwischen Blende und bestrahltem Teil ein Rohr eingeschaltet ist, während der dunkle, in gleicher. Ebene wie der bestrahlte liegende Teil in glei-

eher Weise wie dieser hinter einem dem ersteren gleichartigen und neben diesem angeordneten Rohr, welches aber vorn" geschlossen ist, angebracht ist.

4. Eine Ausführungsart des Bolometers, bei welcher dessen Widerstände aus Leitern mit bei Erwärmung wachsendem lemperaturkpeffizienten, wie Nickel, Eisen usw., bestehen, und zugleich in den Stromkreis des Bolometers ein Vorschaltwiderstand aus unveränderlichem Material eingeschaltet ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.