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Hochvakuummeter. Zusatz zum Patent 379548. Das Vakuummeter nach dem
Patent 379548 besitzt den Nachteil, daß es durch die Raumtemperatur beein$ußt wird.
Änderungen der Raumtemperatur haben eine Änderung der Lage des das Vakuum anzeigenden
Meniskus zur Folge, so daß das Vakuummeter nur für eine bestimmte Temperatur des
umgebenden Raumes richtig zeigt. Um das Vakuummeter von der Raumtemperatur unabhängig
zu machen, wird gemäß der Erfindung auf den Kolben des zum Anzeigen des Hochvakuums
verwendeten, geheizten (Haupt-) Thermometers eine zweite (Neben-) Kapillare aufgesetzt,
welche demgemäß mit der Hauptkapillare kommuniziert, aber oben geschlossen und wie
jene mit
hochkomprimiertem Gas gefüllt ist. Ferner wird das Hauptthermometer
mit einem zweiten (Kompensations-) Thermometer kombiniert, dessen Kapillare am oberen
Ende in die Hauptkapillare des Hauptthermometers einmündet, so daß diese beiden
Kapillaren einen gemeinsamen, gasgefüllten Raum darstellen, wobei das Kompensationsthermometer
derart dimensioniert ist, daß das im gemeinsamen Raum der beiden Thermometer befindliche
Gas in Abhängigkeit von der Raumtemperatur einen solchen Druck auf den Quecksilberfaden
in der Hauptkapillare ausübt, daß die bei Änderung der Temperatur des umgebenden
Raumes auftretende Änderung des Druckes, welchen das in der Neben, kapillare eingeschlossene
Gas auf das Quecksilber ausübt, kompensiert wird, so daß der Meniskus in der Hauptkapillare
seine Lage infolge der Raumtemperaturänderung nicht ändert. Es ist vorteilhaft,
für die in den beiden Thermometern eingeschlossenen Gase ein hochkomprimiertes Gas
zu verwenden.
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Die Erfindung sei an Hand des Ausführungsbeispiels der Abbildung näher
erläutert. Es bedeutet a den spiralig gewundenen, fadenförmigen Quecksilberkolben
des eigentlichen Vakuumthermometers, welcher sich in einem durch das Glasrohr b
gebildeten ringförmigen, nach außen abgeschlossenen Raum befindet, der durch den
Rohrstutzen t mit dem Raum verbunden werden kann, dessen Vakuum gemessen werden
soll. Der Kolben a läuft in die Kapillare e aus, an deren unteren Ende eine Erweiterung
o. m und n Eine zweite Kapillare (die Zusatzkapillare) d ist seitlich am Fußpunkt
der ersten (e) angesetzt und rechtwinklig nach oben abgebogen. Ruch diese Kapillare
trägt am unteren Ende eine. Erweiterung o. m und tt sind in das Quecksilber
des Kolbens ragende, eingeschmolzene Platindrähte, welche zur Zuführung des Heizstromes
für das Vakuumthermometer dienen. Das Quecksilber dieses Thermometers hat demgemäß
einen Meniskus i in der Kapillare e und einen Meniskus k
in der Kapillare
d. Bei ungeheiztem Thermometer soll der Meniskus r.' möglichst unterhalb der Erweiterung
1, der Meniskus k oberhalb der Erweiterung o stehen. Bei geheiztem
Thermometer steigen die Menisken ungleich (wie weiter unten näher auseinandergesetzt
wird) derart, daß der Meniskus k seine Lage wenig, i dagegen viel verändert, indem
1 über die Erweiterung 1 hinaussteigt. Man wird die Heizung derart einstellen, daß
der Meniskus i sich bei jedem Vakuum im oberen Teil der Kapillare e befindet. Die
Kapillare e ist oben nicht geschlossen, sondei'n mit dem über dem Kolben g des zweiten
Thermometers befindlichen gaserfüllten, kapillaren Rohr f verbunden. Der Meniskus
dieses Thermometers h steigt in dem Rohr f bei Zunahme der Raumtemperatur und komprimiert
das in diesem Rohr f befindliche Gas. Dieses drückt mit entsprechend erhöhtem Druck
auf den Meniskus i und würde diesen herabbewegen, wenn nicht auch das Quecksilber
des Kolbens a sich infolge der Raumtemperaturzunahme ausgedehnt hätte. Der Quecksilberfaden
dieses Thermometers strebt nun in die beiden Kapillaren e und d hinein. Da aber
auf den Meniskus i ein entgegenwirkender Druck ausgeübt wird, fließt das Quecksilber
des Kolbens a lediglich in die Kapillare d und stellt damit das Gleichgewicht des
Druckes in d und f wieder her, ohne daß der Meniskus 1 bewegt wird. Sieht
man von der Wärmeabführung durch Strahlung ab, dann läßt sich leicht die Bedingung
ermitteln, welche zur genauen Kompensation der Raumtemperatur erfüllt sein muß.
Man bezeichne das Quecksilbervolumen den Kolbens g mit V1 bei der Temperatur 1l,
das Gasvolumen in f und e mit V2 bei der Temperatur t1, das Quecksübervolumen des
Kolbens a mit V3 bei der Temperatur 1l, das Gasvolumen in d mit V4 bei der Temperatur
t1. Der Meniskus i bleibt unverändert, wenn das Volumen V. und V4 stets eine prozentual
gleiche Änderung erfahren. Die Volumina V, und V3 ändern sich (gleiches Füllmaterial
vorausgesetzt) bei Änderung der Raumtemperatur prozentual um den gleichen Betrag.
Bei der Temperatur t.. ist somit die Änderung von V1 gleich a (il
- 4) V1 und die von V3 gleich a (1l - 4) V3.
Steht der Meniskus i fest, dann wird um den gleichen Betrag aber auch V2 bzw. V4
geändert. Umgekehrt wird, wenn die Gleichung
oder einfacher
erfüllt ist, der Meniskus i seine Lage unter Einfluß der Raumtemperatur nicht ändern,
weil dann die Druckgleichheit der Gase in f und d durch die Änderung der
Raumtemperatur nicht gestört wird. Bei Berücksichtigung der Strahlung ist die Gleichung
so zu schreiben:
wobei ,3 < 1 (ungefähr gleich o,66) zu ! setzen ist, weil bei wachsender Temperatur
die M'ärmeabgabe durch Strahlung relativ zu der Wärmeabgabe durch Leitung zunimmt
und
weil sich daher bei geheizten 1Lolbcn. mit Zunahme der Raumtemperatur das Quecksilbervolumen
V3 prozentual weniger ausdehnt als V1.
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Während nun die Lage des Meniskus i durch die Raumtemperaturänderung
unbeeinflußt bleibt, wird sie aber wesentlich durch Steigerung des Heizstromes in
a oder durch Ab- oder Zunahme des Vakuums in b verändert, während die Lage des Meniskus
k hierdurch weniger berührt wird. Hierbei ist jedoch vorausgesetzt, daß das Gasvolumen
f, e um ein Vielfaches größer ist als das Gasvolumen d. Erhöht sich als Folge
größerer Heizung oder schlechterer Wärmeableitung die Temperatur des Quecksilberkolbens
a von t'1 auf t',, dann vergrößert sich damit auch das Volumen V3 in. V3
+ k # V3, wobei k = a (t'. - i',) zu setzen ist. Die dem: Ausdruck
V3 entsprechende Quecksilbermenge wird nun in die beiden Kapillaren e und
d
eindringen, aber in einem solchen Verhältnis, daß die Gleichheit des Druckes
in f, e und d
gewahrt bleibt. Ist nun das Volumen f, e
bedeutend
größer als das Volumen d, dann ist eine im gleichen Verhältnis größere Menge Quecksilber
erforderlich, um im Raum f, e die gleiche Druckzunahme zu e:-zeugen als im Raume
d. Von der Quecksilbermenge k V3 wird also ein dem Volumen.
entsprechender Teil in die Kapillare e und der Rest entsprechend dem Volumen
in die Kapillare d eindringen. Die Bewegungen der Menisken i und
k verhalten sich also zueinander wie die Volumina V.: V, wenn die Kapillaren
e und d gleichen Querschnitt haben. Damit in diesem Falle die Hauptbewegung
auf i entfällt, ist es demnach erforderlich, daß V, um ein vielfaches -. 1-4 gewählt
wird.
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Über den Zweck der beiden Erweiterun-gen l und o sei noch folgendes
bemerkt. Die Erweiterung Z ist erforderlich, damit die Zunahme des Quecksilbervolumens
des Kolbens a infolge der Heizung nicht ein allzuhohes Steien der Quecksilbersäule
in der Kapillare e' oder gar ein Übertritt in das Rohr f zur Folge hat. Das sich
ausdehnende Quecksilber erfüllt zunächst die Erweiterung 1, und erst wenn die Temperatur
des Kolbens die zum guten Arbeiten des Instruments erforderliche Höhe erreicht,
steigt das Quecksilber in die Kapillare e ein, in welcher der Meniskus dann seine
Lage als Funktion des Vakuums in gut ablesbarer Weise ändert. Die Erweiterung o,
die bei der höchst vorkommenden Raumtemperatur nach Heizung des Kolbens a ebenfalls
von Quecksilber erfüllt sein soll, dient dazu, zu verhüten, daß bei der nißdrigst
vorkommenden Raumtemperatur, wenn also das Quecksilbervolumen den kleinsten Wert
besitzt, das Quecksilber ganz aus dem horizontalen und vertikalen Teil der Zusatzkapillare
verschwindet und die Gasfüllung der Kapillare d in die Kapillare e eindringt. Dieses
Eindringen würde den Zusammenhang der Quecksilbersäule zwischen in, i, e
zerstören. Ist die Erweiterung o vorhanden, dann wird sie sich bei Erniedrigung
der Temperatur ,erst entleeren, bevor der Quecksilberfaden unterhalb Null sinken
kann,. Dementsprechend ist der Inhalt der Erweiterung o so zu bemessen, daß auch
bei der niedrigsten Raumtemperatur ein Sinken des Meniskus unter Null nicht eintritt.
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Bei der Herstellung dieses kompensierten Vakuummeters ist ferner darauf
zu achten,, daß die Räume f, e und d mit hochkomprimierten Gasen gleichen
Druckes erfüllt sind und daß die Volumina bzw. die Längen und Querschnitte der Kapillaren
genau eingehalten werden. Sind Abweichungen von den berechneten Werten nicht zu
vermeiden, so daß
ist, dann müssen Einrichtungen vorgesehen werden, welche eine nachträgliche Korrektur
der ausschlaggebenden Größen gestatten. Eine solche Einrichtung ist ebenfalls in
der Abbildung dargestellt. Sie besteht aus den in das zweite Thermometer eingeschmolzenen
Platinstiften p und q, welche es ermöglichen., auch das zweite Thermometer zu heizen.
Führt man diesen Stiften Heizstrom zu, so schließt er sich über dem Quecksilberkolben
g und erwärmt diesen. Dadurch wird das Volumen V, vergrößert und gleichzeitig das
Volumen V. und V,1 verkleinert. In der Ungleichung
ändern sich bei Erwärmung des Kolbens g drei Größen, während die vierte V3 unverändert
bleibt, und es läßt sich somit durch Variation des Heizstromes in g erreichen, daß
die Gleichung
erfüllt ist. Praktisch erkennt man dies daran, daß der Meniskus i trotz Änderung
der Raumtemperatur seine Lage beibehält. Verwendet
man als Thermometerflüssigkeit
im Kolben g an Stelle des Quecksilberseine andere Flüssigkeit von größerer spezifischer
Ausdehnung;, dann ist das Volumen Vi aus dem Volumen V1 des entsprechenden Querksilb@erkolbens
leicht zu berechnen, wenn a den Ausdehnungskoeffizienten des Quecksilbers und a'
den der verwendeten Flüssigkeit bedeutet. Es muß dann sein
Man ist demnach in der Lage, die Mängel der Ausführung des Instrumentes mit Hilfe
eines konstant zu haltenden Heizstromes zu beseitigen. Da auch der Heizstrom für
das Vakuumthermometer konstant gehalten. werden muß, empfiehlt es sich, die Heizströme
einer gemeinsamen konstanten Hilfsstromquelle zu entnehmen. Steht eine solche nicht
zur Verfügung, dann können die. Heizströme auch dem Wechselstromnetz über die bekannten
Widerstände für konstanten Strom entnommen werden. Zu ihrer genaueren Einstellung
werden parallel zu den geheizten, Thermometerkolben regelbare Widerstände geschaltet.