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Thermoelektrischer Empfänger für Ortung und Signalisierung Die Erfindung
bezieht sich auf einen, thermoelektrischen Empfänger, welcher insbesondere für Ortungen
und Signalisierungen bestimmt ist, daneben aber auch für andere meßtechnische Arbeiten,
beispielsweise für schnelle Spektren- undTonfilmdurchinusterungen, verwendbar ist.
Dieser thermoelektrische Empfänger soll in erster Linie dahingehend verbessert werden,
daß die Einstellzeit erheblich verkürzt wird, wobei gleichzeitig dafür Sorge getragen
werden soll, daß die Empfindlichkeit der Anzeige den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt
werden kann.
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Um ein schnelles Anzeigen von rasch wechselnden Intensitäten mit Hilfe
von Strahlungsthermoelementen zu ermöglichen, muß neben weitgehender Verringerung
der Wärmekapazität für einen schnellen Wärmeausgleich zwischen den Elementen und
der Umgebung gesorgt werden. Dieses Ziel hat man bisher dadurch zu erreichen versucht,
daß man Thermostreifen von möglichst kleiner Masse und Baulänge verwendete. Es ist
z. B. gelungen, mit Hilfe von mikroskopischen Hilfseinrichtungen Vakuumthermoelemente
von o,5 inm Baulänge und mit einer Breite der Grenzfuge von 0,02 mm herzustellen,
deren Einstellzeit weniger als 1/2o Sek. beträgt. Derartige nach dem Verkürzungsprinzip
gebaute T hermoelemente haben abgesehen von ihrer schwierigen Herstellung den Nachteil,
daß sich für die nutzbare Empfängerfläche sehr kleine Abmessungen ergeben und -die
spezifische Empfindlichkeit der Elemente sehr gering ist.
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Der thermoelektrische Empfänger nach der Erfindung besitzt zur Erzielung
der gewünschten Eigenschaften eine mindestens während der Dauer des Empfanges entweder
direkt durch Stromheizung oder indirekt durch Strahlung.oder Leitung wirkende Vorheizung.
Diese Vorheizung des Thermoempfängers ist auch für große Empfängerflächen anwendbar
und hinsichtlich der Steigerung der Wärmeabführung sehr wirksam, weil der Ausstrahlungsanteil
unter geeigneten Voraussetzungen mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur
ansteigt.
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Die Erkenntnis von dem Einfluß der Temperatur auf die Ausstrahlung
und damit auf die Einstellgeschwindigkeit und die Empfindlichkeit eines thermoelektrischen
Empfänger hat schon früher ihren Ausdruck darin gefunden, daß man in Laboratoriumsversuchen
durch starke Abkühlung der Thermoelemente, beispielsweise durch Eintauchen in flüssige
Luft, eine Verminderung der Ausstrahlung im Interesse einer erhöhten Empfindlichkeit
angestrebt hat. Eine praktische Nutzanwendung dieser Erkenntnis im Sinne der vorliegenden
Erfindungsaufgabe
ist jedoch noch nicht vorgeschlagen worden. Insbesondere sind Vorrichtungen, welche
den Effekt einer Vorlieizung (Temperatursteigerung) bei Therrnoelementen ausnutzen,
weder für Ortungs- und'; Signalisierungs- oder Tonfilmzwecke ndcll:, für meßtechnische
oder spektrale Aufgabef., bekanntgewo-rden. Möglicherweise ist dies darauf zurückzuführen,
daß, wenigstens soweit es sich um den vorerwähnten umgekehrten L aboratoriumseffekt
einer künstlichen Abkühlung von Thermoelementen handelt, die Einstellgeschwindigkeit
und die Empfindlichkeit im entgegengesetzten Sinne durch die Temperaturänderung
beeinflußt werden. Dieser Grundsatz hat jedoch für die zur Erhöhung, der Einstellgeschwindigkeit
erfindungsgemäß angewendete Vorheizung des Thermoempfängers keine volle Gültigkeit,
da im allgemeinen eine Temperaturerhöhung bei Thernloeleinenten auch eine günstige
Erhöhung derTherniokräfte ergibt. Aus diesem Grunde braucht nicht in jedem Falle
mit der durch die V orheizung erreichten Erhöhung der Einstellgeschwindigkeit eine
Verminderung der Empfindlichkeit verbunden zu sein. Vielmehr kann unter bestimmten
Voraussetzungen, nämlich wenn der durch die Temperaturerhöhung sich ergebende Zuwachs
der Thermokraft die Vergrößerung der Energieabgabe des geheizten Thermoelementes
an die Umgebung überwiegt, sogar gleichzeitig mit der Steigerung der Einstellgeschwindigkeit
eine Zunahme der Empfindlichkeit verbunden sein. Jedenfalls ist es in vielen Fällen
möglich, durch Regelung der Vorheizung die Einstellzeit und die Empfindlichkeit
des Empfängers den jeweiligen Meßbedingungen günstig anzupassen.
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Eine weitere in- vollem. Umfange für metitechnische Zwecke, Ortungs-
und Signalisierungs- und Tonfilmaufgaben neuartige und vorteilhafte Möglichkeit,
gleichzeitig mit der Verkürzung der Einstellzeit auch die erforderliche Empfindlichkeit
des Thermoempfängers zu sichern, ergibt sich bei Anwendung einer Stromheizung zum
Vorheizen des Empfängers. In diesem Falle können die Thermoelemente gleichzeitig
als Bolometer ausgebildet und so geschaltet sein, daß unter Strombelastung sich
der bolometrische und der thermoelektrische, durch Bestrahlung hervorgerufene Effekt
addieren. Als besonders zweckmäßig' hat es sich erwiesen, zwei oder mehr therinoelektrische
Empfänger in einer Wheatstoneschen Brücke mit ihrer thermoelektrischen Wirkung einander
entgegenzuschalten. Bewährt hat sich eine Brückenanordnung, bei der sämtliche vier
Zweige aus Thermoelernenten bestehen und zwei gegenüberliegende Zweige der Bestrahlung
ausgesetzt werden. " Uin den Therrnoelementen einen besonders hohen Temperaturkoeffizienten
des elektrischen U'iderstandes zu verleihen, empfiehlt es sich, ,die Thermoelemente
aus Nickel und Eisen zu-"5ammenzusetzen.
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Um den Heizstrom und den von diesem l#trrülirenden Thermoeffekt von
dem Anzeigegerät fernzuhalten, kann man nach der Erfindung dem Empfänger einen Übertrager
(Transformator) zuordnen. Für die Anwendung des Übertragers stellt die durch'die
Vorheizung erreichte Abkürzung der Einstellzeit eine sehr vorteilhafte Voraussetzung
dar.
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Ein Ausführungsbeispiel ist auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
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Zwei Thermoelemente A und B (z. B.
Vakuumelemente aus
Nickel und Eisen oder aus Gold und Goldpalladium), von denen das eine, beispielsweise
A, bestrahlt wird, sind mit Widerständen R1 und R. zu einer mit Gleichstrom betriebenen
@Vheatstoneschen Brückenschaltung vereinigt, derart, daß die sich aus der Brückenheizung
ergebenden Thermokräfte der Elemente A und B einander entgegenwirken. Die Stromrichtung
in der Brücke wird so gewählt, daß zu dein thermoelektrischen Bestrahlungseffekt
des Thermoelementes A sich der bolometrische Effekt addiert, der in den Schenkeln
des Thermoelementes A nach Maßgabe der Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Leitvermögens sich ergibt. Es empfiehlt sich, zur Erzielung annähernd gleichbleibender
Temperaturverhältnisse die beiden Boloineterzweige unter möglichst gleichartigen
Verhältnissen, beispielsweise nahe beieinander, in einem Vakuumgefäß anzuordnen.
, Die nebenstellende Tabelle enthält die Zahlenwerte einer mit der beschriebenen
Anordnung angestellten Versuchsreibe. Hierbei hatten die Thermoeleinente
A und B annähernd die gleichen Abmessungen. Meßtechnisch ist es in
der Regel günstiger, das Kompensationsthermoelement B mit kleinerem Widerstand auszuführen
als das Element A.
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Aus der letzten Zeile der Tabelle ist die erhebliche Verkürzung der
Einstellzeit ersichtlich, die bei verschieden starker Stromheizung durch die erhöhte
Wärmeausstrahlung eintritt. In den Spalten darüber sind die zugehörigen Galvanometerausschläge
(spezifische Empfindlichkeiten) in Millimeter bzw. in Prozent der Endausschläge
bei Dauerbestrahlung angegeben.
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Die Tabelle läßt erkennen, daß die Einstellzeiten durch die Vorheizung
wesentlich vermindert werden. Strahlungsimpulse von 1(5o Sek. Dauer liefern noch
70 °/o des Dauerausschlages, wodurch sich gerade für Signalisierungs- und
Ortungszwecke sehr rasche Verständigungsmöglichkeiten ergeben. Durch Verwendung
von V erstärkungs- oder l`l>ertragungseinrichtungen
kann das Ansprechon
auf die höheren Frequenzen in an sieh b,#-kannter Weise noch verbessert werden.
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Die Versuchswerte zeigen ferner, daß durch den bolometrischen Betrieb
ganz allgemein schon bei mäßiger Vorheizung, die noch keine wesentliche Verkürzung
der Einstellzeit bewirkt, eine beträchtliche Erhöhung der Empfindlichkeit eintritt.
Die Empfindlichkeit bleibt in einem erheblichen Stromintervall annähernd konstant.
Sie kann gegebenenfalls durch zusätzliche Regelvorrichtungen, die z. B. den Bolometerstrom
nach Art der Eisenwasserstoffwiderstände konstant halten bzw.,_Schwankungen der
Außentemperatur ausgleichen, noch weiter vergleichmäßigt werden.
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Zum Unterschied von den dargestellten Ausführungsbeispielen können
auch alle vier Bolorüeterzweige aus Thermostreifen gebildet und die Breite der einzelnen
Zweige verschieden bemessen «erden, um wahlweise mit verschieden großen Empfängern
Ortungen vornehmen zu können oder in Spektralbereichen von verschieden großer Dispersion
die günstigsten Bereiche zu erfassen.
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Wenn es sich ausschließlich oder doch hauptsächlich um das schnelle
Anzeigen kurzer Strahlungsimpulse handelt, wie z. B. bei Signalisierungen und Ortungen
schnell bewegter Gegenstände, wird man an Stelle der Brückenanordnung einfacher
ein einzelnes stromdurchflossenes Thermoelement in Verbindung mit einem Transformator
verwenden.
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Selbstverständlich können auch an Stelle von Thermoelementen in jedem
Falle Thermoketten. benutzt werden, wobei in bekannter Weise die Bestrahlung auf
Stellen gleichsinniger Wirkung zu beschränken ist.
| Heizstrom durch A in Milliampere |
| =@5 3,3 41 5.7 7,1 |
| Galvanometerausschläge in Millimeter bzw. in Prozent des Dauerausschlages |
| mm 1/", mm °/" mm ; I v. mm °/n mm mm - °," |
| x,0 ... 88 ' xoo 218 Ixoo 198 xoo 183 1100
123,5 100 94 1100 |
| Bestrahlungszeit `0,1 ... 74 84 200 I 91,5 187
94,5 176 96,2 122,5' 99 84 !100 |
| in Sekunden 7 0,04 84 8 9 5 |
| l (0,02 . . 24 27 6713 30,6 71 36 76
413 71#5 58 65 6 |
| 9 |
| Einstellzeiten in Sekunden |
| 980/() des Daueraus- |
| schlages . . . . . . . . . . . . . . 0,38 o,26 0,21 0,x6
0,11 0,08 |