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Hitzdrahtmeßinstrument mit Anzeigevorrichtung, deren jeweilige Einstellung
von der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen Teil des Hitzdrahtes und einem kälteren
Stromkreisabschnitt abhängt. Die Erfindung bezieht sieh auf ein elektrisches Meßinstrument,
welches zur '.Messung von Wechselströmen beliebiger Frequenz, speziell aber zur
Messung von Strömen sehr hoher Frequenz, wie sie in der drahtlosen Telegraphie und
in anderen oszillierenden Stromkreisen auftreten, bestimmt ist.
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Das neue Meßinstrument gehört zur Klasse der Hitzdrahtinstrumente,
d. h. zur Klasse derjenigen Instrumente, bei welchen der zu
messende
Strom durch einen Hitzdraht oder Heizstreifen hindurchgeschickt wird, und bei welchen
die Aufheizung dieses Heizstreifens als Kennzeichen für die Stärke des zu messenden
Stromes benutzt wird. Das Instrument gemäß der Erfindung gehört im besonderen zu
derjenigen Art von Hitzdrahtinstrumenten, bei welchen eine Anzeigevorrichtung vorgesehen
ist, deren jeweilige Einstellung von der Temperaturdifferenz zwischen dem heißen
Teil des. Hitzdrahtes oder Heizstreifens und einem kälteren Stromkreisabschnitt
abhängt.
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Die Erfindung bezweckt, genaue Strommessungen mit solchen Hitzdrahtinstrumenten
zu erzielen, bei denen die Genauigkeit der Angaben sonst durch unkontrollierbare
Wärmeströme leidet, die in dem System besonders unter dem Einfluß der Temperatur
der umgebenden Luft auftreten. Zur Erreichung der Erfindungszwecke wird das Instrument
mit wärmeleitenden Kompensationsorganen ausgerüstet, welche in thermischer Verbindung
mit den Stromanschlüssen stehen und bei entsprechender Anpassung an die Beschaffenheit
des Heizstreifens des Instrumentes und die sonstigen Instrumentkonstanten infolge
der in ihnen auftretenden Wärmeströmungen die unberechenbaren Einflüsse der Wärmeströmung
in dem Heizstreifen auf die Anzeige des Instrumentes kompensieren und die Angaben
des Instrumentes in gesetzmäßige Abhängigkeit von dem durch den Heizstreifen fließenden
Strom bringen.
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Wie die Kompensationswärmeleiter zur Erreichung dieses Zweckes ausgebildet
sein müssen, ist nachstehend im Anschluß an die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Abb. i ist ein Aufriß des Instrumentes. Abb.2 ist ein Schnitt durch
Abb. i. Abb.3 ist ein Bruchstück eines Schnitts in größerem Maßstab.
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Abb. q. ist eine Seitenansicht, die eine andere Ausführungsform des
Instrumentes darstellt.
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Abb. 5 ist eine Endansicht der Abb. q..
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Abb. 6 ist ein Aufriß des Heizelementes der Abb. i in vergrößertem
Maßstab.
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Abb.7 ist eine Seitenansicht der Abb.6. Abb. 8 ist ein schematisches
Schaubild des Instrumentes mit Millivoltmeter.
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Abb. 9, i o, i i, 12 und 13 sind die Wirkungsweise illustrierende
Diagramme.
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Abb. 14. stellt eine Modifikation des Instrumentes dar.
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Abb. 15 stellt eine weitere Ausführungsform des Instrumentes dar.
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Abb. 16 zeigt eine Änderung in den Verbindungen des Thermopaares.
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In den Abb. i und 2, die eine Totalansicht einer Ausführungsform des
Instrumentes darstellen, ist S der Widerstandsstreifen, der vorzugsweise aus einer
Platinlegierung besteht, und verschweißt, hart gelötet oder auf irgendeine andere
Art dauernd fest mit den beiden Anschlüssen B, B' verbunden ist.
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Der Heizstreifen S kann dadurch dauernd mit den Anschlüssen verbunden
werden, daß seine Enden in Sehlitze von zylindrischen Blöcken 1q., 15 (Abb.3)
eingesetzt und mit diesen verlötet oder verschweißt werden, worauf die Blöcke i
q., 15 in die Enden der Anschlußstücke B, B' eingelötet oder eingeschweißt werden.
Die Kontaktstelle eines Thermopaares ist in thermischer Verbindung mit der Mitte
des Streifens S, d. h. sie befindet sich in unmittelbarer Nälie des Streifens oder
in direkter Berührung mit demselben.
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Das Thermopaar ist mit dem Hitzdraht oder Band vorzugsweise verschweißt
oder mit demselben hart verlötet. Die kalten Enden der Drähte 2 und 3 (Abb. 3) des
Thermoelementes sind an die beiden wärmeausgleichenden Streifen ¢ und; 5 (Abb. i)
aus Kupfer oder ' anderem Metall angelötety welche die beiden Anschlüsse überdecken.
Die Streifen sind gegen die Anschlüsse B, B' elektrisch durch dünne Platten
6 und 7 aus Glimmer oder anderem Isolationsmaterial von guter Wärmeleitfähigkeit
isoliert und haben eine so große Berührungsfläche mit den Anschlüssen, daß die Enden
der Kompensationsstreifen q., 5 schnell die Temperatur der entsprechenden Anschlüsse
erreichen. Befestigungsschrauben 12 und 13 sind für jeden Änsc'hluß vorgesehen,
und die Anschlußstücke io und i i sind durch geeignete Drähte S und 9 mit den Kompensationsstreifen
q. und 5 verbunden.
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Wie in Abb. ¢ dargestellt, kann man die Anschlüsse mit abkühlenden
Platten-16 von irgendeiner geeigneten Form versehen. Anstatt einen einzigen Heizstreifen
zu benutzen, können auch zwei Streifen S und S' benutzt werden (Abb. q.); die Kontaktstelle
des Thermoelementes wird dann mit einem der beiden Streifen, vorzugsweise dem äußeren
S, verbunden. 17 ist ein Gehäuse, welches , die Heizbänder und ihre Anschlüsse umgibt
und einschließt. V (Abb. 8) ist ein Millivoltmeter, welches durch geeignete Drah:e
mit den Anschlüssen io und i i verbunden ist und vorzugsweise die Form eines Drehspulinstrumentes
besitzt.
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Bei der Ausführung des Instrumentes nach Abb. i für einen Meßbereich
von 4o Ampere i besteht der Heizdraht oder -streifen aus einer Platinlegierung und
ist 5 mm lang, 5 mm breit und o,o86mm dick. Die vorzugsweise sehr dünnen, kurzen
Drähte des Thermoelementes bestehen zweckmäßig aus einer Platin-Irridium- oder einer
Nickel-Kupfer-Legierung, können aber auch aus irgendwelchen
anderen
Metallen bestehen, solange sie bc#i der höchsten Arbeitstemperatur nicht osydierbar
sind. Die Wärmekapazität des ganzen thermoelektrischen Systems kann so außerordentlich
klein gehalten werden, daß das System schnell erhitzt wird, wenn der Strom fließt,
und sich schnell abkühlt, wenn er unterbrochen wird.
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Der Heizdraht oder -streifen S hat zweckmäßig gleichmäßigen Querschnitt
und ist vorzugsweise sehr kurz. Die metallischen Kompensationsstreifen ¢ und 5,
welche die kalten Enden des Thermoelementes bilden, sind in bezug auf ihre Wärmeleitfähigkeit,
Länge, Querschnitt und Oberfläche so bemessen, daß sie dem Heizband S in dem später
näher erläuterten Sinn thermisch äquivalent sind. Sie können aus demselben Material
wie das Heizband bestehen oder auch mit Vorteil aus billigerem Material, wie Kupfer,
hergestellt werden.
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Man kann durch mathematische Ableitung zeigen, daß bei einem aus leitendem
Material bestehenden stromdurchflossenen Streifen oder Draht von gleichmäßigem Querschnitt
die Temperaturdifferenz zwischen der Mitte und den Enden für eine beliebige Potentialdifferenz
zwischen den Enden dem Verhältnis der elektrischen zur thermischen Leitfähigkeit
und dem Quadrate des Spannungsabfalls und dementsprechend auch dem Quadrate des
Stromes, der den Spannungsabfall hervorruft, proportional ist. Die Temperaturdifferenz
ist daher ein Maß für die Wurzel des mittleren Stromquadrates. Die Temperaturverteilung
längs des Streifens ist parabolisch, wie ebenfalls durch mathematische Ablehung
gezeigt werden kann, in Abb. I I graphisch dargestellt.
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Im praktischen Fall sind die angenommenen Bedingungen nicht streng
erfüllt, weil erstens die elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten nicht für
die Temperatur ganz konstant sind und zweitens etwas Wärme durch Leitung in die
Luft verlorengeht.
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Letzterer Umstand bewirkt ein Abmachen der Kurve mit dem Ergebnis,
daß bei sehr langen Streifen eine praktisch konstante Temperatur durch den ganzen
Streifen resultiert, "ausgenommen in der Nähe der Enden, wo der größte Betrag der
Wärme durch Leitung, nach den Anschlüisen zerstreut wird. Dies ist in Abb. 12 gezeigt,
und die sich daraus ergebende Ungenauigkeit im Meßergebnis wird gemäß der Erfindung
durch in thermischer Verbindung mi= den Stromanschlußstücken stehenden Kompensationsstreifen
beseitigt, wodurch auch der nachteilige Einfluß einer großen Länge des Heizstreifens
mehr oder weniger vollständig beseitigt wird.
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Die gemäß der Erfindung vorgesehene Kompensationsvorrichtung zur Ausgleichung
des Einflusses der Wärmeausstrahlung in die Luft und auch des Einflusses von Temperaturunterschieden
an den beiden Enden des Heizs"reifens kann aus zwei Streifen bestehen, deren Enden
sich in thermischem Kontakt mit den Anschlüssen, aber von diesen elektrisch isoliert,
befinden. Die Streifenform. des kompensierenden Wärmeleiters ist aber nicht unerl@äßlich,
da die gleiche Wirkung auch durch einen Leiter in Formeiner Stange, eines Drahtes,
eines Balkens oder einer Platte erzielt werden kann. Anstatt die kalten Enden dcs
Thermoelementes direkt an die Anschlüsse zu legen, sind sie mit den Mitten der beiden
Bänder verbunden. Diese beiden Bänder sind in bezug auf ihre Oberfläche und ihren
Querschnitt so bemessen, daß sie von der Temperatur der Luft und von der Temperaturdifferenz
der Anschlüsse in demselben Maße beeinflußt werden wie der aktive oder heizende
Streifen.
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Die Kompensationsvorrichtung wirkt daher korrigierend für alle praktisch
vorkommenden äußeren Einflüsse und macht daher die Anschläge des Instrumentes unabhängig
von der Zeit, die es eingeschaltet war, und von der Temperatur der umgebenden Luft
und den Temperaturen der Anschlüsse.
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überdies arbeitet die Kompensationsvorrichtung sowohl für einen langen
als auch für einen kurzen Streifen korrekt, d. h. sie ist unabhängig von den praktisch
vorkommenden Bedingungen wie dem relativen Betrage der Wärmemenge, der durch Konvektion
oder Leitung zerstreut wird, und zwar aus dem Grunde, weil, wie groß auch immer
die Länge sein mag, die beiden Streifensätze thermisch ,äquivalent gemacht sind.
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Theoretisch müssen die beiden Streifen, wenn sie aus demselben Material
wie der heizende Streifen bestehen, genau dieselbe Form und Größe wie der heizende
Streifen besitzen, um sowohl ,äußere Temperaturdifferenzen als auch Fehler, die
während der Zeit des Stromdurchganges auftreten, auszugleichen. Wenn sie nicht aus
dem gleichen Material besehen, müssen sie entsprechend ihrer Wärmeleitfähigkeit
und spez. Wärme derart bemessen werden, daß sie thermisch äquivalent sind, was eine
Gleichheit der Wärmekapazität miteinschließt, so daß sie in gleichem Maße und Betrage
von äußeren Temperaturen beeinflußt werden. In der Praxis treten Änderungen so langsam
auf und die Konstruktion des Heizaggregats ist eine solche, daß die Wärmekapazität
des kompensierenden und heizenden Streifens so nahezu vom selben Betrage sind, daß
es "im allgemeinen nicht nötig ist, diese vorübergehenden Einflüsse zu berücksichtigen,
so daß man nur die Äquivalenz des Elementes für konstante Wärmeleitung herzustellen
braucht.
Aus Konstruktionsrücksichten ist es deshalb zweckmäßig, die kompensierenden Streifen
länger als die Heizstreifen zu machen und aus billigerem Material, wie Kupfer, herzustellen
und sie über die Enden der Anschlüsse übergreifen zu lassen.
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Die genauen Werte für die verschiedenen Streifen können ohne Schwierigkeit
experimentell bestimmt werden.
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Wenn beide Anschlüsse auf derselben Temperatur gehalten werden, entweder
dadurch, daß sie in gutem thermischen Kontakt miteinander stehen oder dadurch, daß
sie sich in gutem Wärmekontakt mit einer relativ großen Masse eines wärmeleitenden
Materials befinden, welches die Temperaturen der beiden Anschlüsse ausgleicht, dann
brauchen die Kompensationsdrähte oder -streifen nur in thermischem Kontakt mit einem
der Anschlüsse oder mit dem ausgleichenden Wärmeleiter zu stehen, und man kann sie
in einem solchen Betrage in die Luft ragen lassen, daß sie dem Teil des Heizdrahtes.
oder -streifens thermisch ,äquivalent sind, der vom Anschluß bis zu der Mitte des
Streifens reicht, wo sich die Kontaktstelle des Thermoelementes befindet.
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Diese Form des Instrumentes ist in Abb. i ¢ dargestellt, wo die Anschlüsse
durch eine dünne Glimmerplatte C elektrisch isoliert, aber in gutem Wärmekontakt
mit einem Metallblock D oder einem anderen guten Wärmeleiter befindlich, dargestellt
sind. Die Kompensationsstreifen ¢' und 5' brauchen sich in diesem Fall nicht von
dem einen Anschluß zum anderen zu erstrecken; sie sind auf den Anschluß B' aufgesetzt
und ragen über dessen Ende in den Luftraum hinein.
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In Abb. 15 ist eine andere Ausführungsform des Instrumentes
dargestellt, bei der die Enden B, B' durch eine dünne Glimmerschicht C= voneinander
elektrisch isoliert sind, aber in guter thermischer Verbindung miteinander stehen.
Der Heizstreifen S° ist, soweit er sich zwischen den Anschlüssen befindet, gebogen.
Die Kompensationsstreifen 4." und 5", welche sich außerhalb des Anschlusses B' erstrecken,
sind dem Teil des Heizstreifens zwischen der Thermokontaktstelle und dem oberen
Ansc'hluß thermisch äquivalent gemacht.
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Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen standen die kalten
Enden des Thermopaares in direktem elektrischen und thermischen Kontakt mit den
Kompensationsstreifen, die auf diese Weise dem doppelten Zweck der Wärme- und der
Stromleitung dienten. Das Thermoelement braucht jedoch mit den Kompensationsstreifen
nur in thermischem Kontakt zu stehen und kann elektrisch von diesen isoliert sein
und , an das anzeigende Instrument durch geeignete unabhängige Leiter angeschlossen
werden, wie in Abb. 16 dargestellt ist, wo 18 und i 9 Platten aus Glimmer oder anderem
isolierenden Material und 2o und z i geeignete kalte Leiter darstellen, die sich
in gutem thernlischen Kontakt mit den Kompensationsstreifen befinden, aber von diesen
durch isolierende Platten isoliert sind.
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Die Erfindung ist nicht auf eine spezielle Länge des Heizbandes beschränkt.
Das Heizband kann sehr kurz sein. In diesem Fall wird praktisch die ganze Wärme
durch die Anschlüsse fortgeleitet und die Temperaturdifferenz, welche das Maß für
den Strom dar-. stellt, ist die zwischen dem erhitzten Teil des Streifens und den
Anschlüssen, vorausgesetzt, daß die beiden Anschlüsse dieselbe Temperatur besitzen.
Die Aufgabe des Kompensationsstreifens für das kalte Ende ist dann die, . das kalte
Ende des Thermoelementes auf der mittleren Temperatur der beiden Anschlüsse zu halten,
wenn ihre Temperaturen verschieden sind. Der Heizstreifen kann relativ lang sein.
In diesem Fall wird praktisch alle Wärme durch Konvektion durch die Luft oder durch
Strahlung nach der Umgebung fortgeführt, und die Aufgabe der Kompensation für das
kalte Ende des Thermoelementes ist dann die, die Schwankungen der Lufttemperatur
und der Temperatur anstoßender Teile zu kompensieren.
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Dies sind nur begrenzende Bedingungen. Die Kompensationsstreifen haben
ganz allgemein die Funktion, Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung zu kompensieren.
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Es ist wünschenswert, den aktiven Teil der Apparatur in einen abgeschlossenen
Raum einzuschließen, um Luftströmungen abzuhalten, die auf die Streifen ungleichmäßig
wirken. Das Heizelement ist nicht auf einen einzigen Streifen beschränkt. Es kann
eine beliebige Anzahl von Streifen benutzt werden, vorausgesetzt, daß sie sieh nach
bekannten Methoden in genau bestimmten Abständen befinden, um eine gleichmäßige
Stromverteilüng für beliebige Frequenzen zu bewirken.
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Weder ist die Zahl der Thermopaare auf dem erhitzten Widerstandsstreifen
auf eins beschränkt noch die Zahl der Kompensationsstreifen auf zwei. Überdies können
der erhitzte Widerstand oder die Widerstände und ihre entsprechenden Kompensationsstreifen
in ein. Vakuum gebracht werden, -um den durch Konvektion verlorengehenden Betrag
der Wärme herabzudrücken und dementsprechend den Verlust durch Leitung durch den
Widerstand zu vergrößern, um eine größere Temperaturdifferenz zu erzeugen.
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Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung
eines
Minivoltmeters beschränkt, um die Spannung des Thermoelementes anzuzeigen oder zu
messen, sondern es können andere Methoden zur Messung benutzt werden, wie z. B.
das Ausgleichen gegen eine bekannte entgegengesetzte elektromotorische Kraft einer
äußeren Stromquelle, z. B. durch einen Spannungsteiler. Diese Methode wäre für manche
wissenschaftlichen Untersuchungen, wo eine größere Präzision erwünscht ist, geeignet.
Praktisch finden jedoch Minivoltmeter in Gestalt von Drehspulinstrumenten Anwendung.
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Mit dem Ausdruck »Heizstreifen« ist irgendeine geeignete Form eines
Leiters, entweder Draht- oder Streifenform, gemeint, bei welcher für den gewünschten
Zweck bei Stromdurchgang hinreichende Wärme erzeugt wird.