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Thermoumformer zum Messen von elektrischen Strömen oder Spannungen,
dessen Heizleiter einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist Bei den bisher
benutzten Thermoumformern (Abb. r), d. h. bei mit einem Heizdraht z gekoppelten
Thermoelementen 2, nimmt die abgegebene Thermöspannung-U mit wachsendem Meßstrom
I etwa quadratisch zu (s. Abb. 2, Kurve a). Diese quadratische Charakteristik entsteht
dadurch, daß der Widerstand R der bisher benutzten Heizdrähte im wesentlichen temperaturunabhängig
ist, so daß die durch den Meß stromhervorgerufene f o#ulscheWärme I2 R, die dem
Quadrat des Stromes proportional ist, einen etwa quadratischen Anstieg der T hermospannung
mit wachsender Meßstromstärke bewirkt. Hierdurch ergibt 'sich einerseits der Nachteil,
daß die mit dem Thermoumformer gemessenen Ströme im Bereich niedriger Werte an dem
Anzeigeinstrument nicht genau genug abgelesen werden können. Anderseits haben diese
Thermoumformer den großen Nachteil, daß sie auch bei hoher Schmelztemperatur des
Heizdrahtes und guter Wärmekopplung des Heizdrahtes mit dem Thermoelement bereits
beim Überschreiten des Nennstromes auf etwa den doppelten Wert durchbrennen und
dann nicht mehr verwendet werden können.
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Diese Nachteile werden bei einem Thermoumformer zum Messen von elektrischen
Strömen oder Spannungen, dessen Heizleiter einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist, dadurch vermieden, daß der Heizleiter aus einem Werkstoff mit sehr hohem
negativem Temperaturkoeffizienten besteht, insbesondere aus Urandioxyd, Kupferoxyd
oder ähnlichen Halbleitern, und die Wärmeableitungsverhältnisse so gewählt sind,
daß die Ableitung vorwiegend durch Wärmestrahlung erfolgt.
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Es ist zwar bereits eine Anordnung bekanntgeworden, bei der für den
Heizleiter eines Thermoumformers ein Werkstoff mit schwach negativem Temperaturkoeffizienten
benutzt wurde. Man hat aber bisher nicht erkannt, daß es durch Verwendung von Heißleitern
wie den bereits genannten Halbleitern, wenn die Wärmeableitungsverhältnisse gemäß
der Erfindung gewählt werden, möglich ist, die Stromspannungskennlinie linear zu
machen oder sogar so, daß die Thermospannung noch weniger als linear mit dem Strom
ansteigt, so daß die Strombelastbarkeit in sehr erheblichem Maße gesteigert werden
kann.
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Eine Anordnung gemäß der Erfindung ist in ihrem grundsätzlichen Aufbau
in Abb.3 dargestellt. An die Stelle des Heizdrahtes z tritt ein Heißleiter 3, der
vom Meßstrom durchflossen wird und thermisch mit dem Thermoelement 2 gekoppelt ist.
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Die physikalischen Zusammenhänge einer derartigen Anordnung lassen
sich wie folgt darstellen: Die von dem Thermoumformer
aufgenommene
Leistung N ist proportional dem Widerstand RJ des Heißleiters bei der Temperatur
$ und dem Quadrat des. Stromes I. Andererseits ist die aufgenommene Leistu}ud. gleich
dem Produkt von Wärmeableitung 'I@: und der Temperatur $ des Heißleiters, dh,' es
ist Iz'Rs-N=A#z9, '. (I)
daraus ergibt sich
Wird die Anordnung des Thermoumformers so getroffen, daß die Wärmeableitung A im
wesentlichen nur durch die Strahlungsverhältnisse bedingt ist, so erhalten wir einen
Verlauf von A als f (*), wie er in Abb. q. dargestellt ist. Für den
Widerstand R des Heißleiters lassen sich beliebige Charakteristiken R = f (29) erzielen,
je nachdem ob dem Heißleiter, der beispielsweise aus Urandioxyd besteht, mehr oder
weniger zusätzliche Oxyde beigemengt werden. Die Kurve d in Abb. 5 gilt für einen
Urandioxydwiderstand, dem kein Oxyd der zweiten Gruppe des Periodiischen Systems
zugesetzt ist. Die Widerstandskurve e der Abb. 5 ergibt sich durch einen geringfügigen
Zusatz und die Kurve ,f durch einen größeren Zusatz solcher Oxyde. Man hat es also
in der Hand, durch beliebige Mischungen jede gewünschte Charakteristik von R als
f (z9) zu erzielen: Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, z9 als f (I) entweder
linear oder so zu gestalten, daß z9 weniger schnell zunimmt als die Stromstärke
I. Da andererseits- die Thermospannung U proportional der Temperatur ist, erhalten
wir somit Thermospannungen, die dem Meßstrom proportional sind oder weniger schnell
ansteigen als der Meßstrom.
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Eine besonders zweckmäßige konstruktive Ausführung derartiger Thermoelemente
zeigt Abb. 6. Hier ist zwischen zwei Fäden 4 und ,4, die aus dünnem Silber bestehen
können, ein Urandioxydstäbchen 3 ausgespannt. Um dieses Stäbchen ist nach Art einer
Schleife ein Faden 5, 6 gelegt, der einerseits aus Konstantan 5, anderseits aus
Chromnickel 6 besteht und an der. Stelle 7 zusammengelötet ist. Die Lötstelle 7
liegt unmittelbar an dem Heißleiter 3. Die gesamte Anordnung wird zweckmäßig, wie
in Abb.7 dargestellt, von einem Gefäß umgeben, das hoch evakuiert ist. Diese Anordnung
hat den Zweck, zu erreichen, daß die Wärme fast ausschließlich durch Strahlung abgegeben
wird.
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Die Ableitung der Wärme hauptsächlich durch Strahlung ermöglicht es,
das Thermoelement von dem Heißleiterstäbchen elektrisch zu isolieren. Dies kann
in der Form geschehen, daß das Heißleiterstäbchen mit einem dünnen Glasüberzug versehen
wird. Diese elektrische Isolierung bringt in vielen Fällen @sroße meßtechnische
Vorteile.
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y:=-Abb. 8 zeigt den Verlauf der Thermospan-"'"ixüng in Abhängigkeit
vom Meßstrom an einem nach obigen Richtlinien entwickelten Thermoumformer. Als Material
für den Heißleiter wurde ein U O@_-Stäbchen verwendet. Die Kurve g zeigt die erhaltenen
Meßwerte, die Kurve 1a ist eine logarithmische Kurve. Die erzielte Meßwertkurve
nähert sich stark dem Verlauf der logarithmischen Kurve. Berechnungen und Messungen
haben ergeben, daß der erzielbare Strombereich, innerhalb dessen die Spannungskurve
einen logarithmischen Verlauf nimmt, um so größer ist, je größer der Temperaturkoeffizient
des als Heißleiter v=erwendeten Materials ist. Mit Kupferoxyd lassen sich daher
besonders gute Ergebnisse erzielen.
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Bei einem praktisch ausgeführten Thermoumformer, dessen Stromspannungswerte
in Abb.8 dargestellt sind, nimmt die Temperatur bei io mA etwa 46o° C an. Die Silberlötung
des Thermoelementes wird jedoch erst bei 15 mA zerstört. Benutzt man also als Anzeigeinstrument
ein empfindliches Drehspulinstrument mit 6 mV Vollausschlag entsprechend einem Meßstrom
von o"5 mA, so ist diese Anordnung mit mehr als dem aofachecl Meßstrom überlastbar.
Dies ist für viele meßtechnische Zwecke, bei denen Ströme stark wechselnder Größe
untersucht werden sollen, z. B. bei Messungen von stark schwankenden Geräuschen,
von großer Bedeutung.
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Eine bisher nicht erreichte Stromempfindlichkeit kann durch Wahl eines
Heißleiters mit großem spezifischem Widerstand, im vorliegenden Falle (Abb. 8) Urandioxyd,
erreicht werden. Heißleiter mit noch größerem spezifischem Widerstand ergeben Stromempfindlichkeiten
von noch höheren Werten.
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Um den Spannungsabfall an dem Heißleiterstäbchen herabzusetzen, muß
man das Heißleiterstäbchen so kurz wie möglich machen. Wir kommen dann zu einer
konstruktiven Ausführung, wie sie in Abb. 9 in stark v ergrößertem Maßstabe dargestellt
ist. Hier wird ein sehr kurzes Oxydstäbchen 3 von zwei aus sehr dünnem Material
bestehenden Bändchen aus Chromnickel (Bandbreite etwa io ju) gehalten. An einem
Ende des Stäbchens ist ein dünner Streifen aus Könstantan mit dem Chromn.ickelband
verschweißt. Die Zuführung des Meßstromes erfolgt an den mit I und II bezeichneten
Stellen, während die abgegebene Thermospannung an den mit III und IV bezeichneten
Stellen abgenommen werden kann. Der Anschluß des Thermoelernentes am Ende des Stäbchens
'ist nur deshalb möglich, weil
die Wärmeableitung der das Stäbchen
haltenden Zuleitungen außerordentlich gering ist gegenüber der von dem Oxydstäbchen
durch Strahlung abgeführten Wärine. Infolgedessen verteilt sich die Temperatur gleichmäßig
über das gesamte Oxydstäbchen, so daß auch an den Enden des Stäbchens praktisch
die gleiche Temperatur herrscht wie in der Mitte des Stäbchens.
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In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, zur Erzielung vorgegebener
Spannungscharakteristiken des Thermoelementes in Abhängigkeit von dem Meßstrom,
z. B. zur Beeinflussung von Skalenverzerrungen, statt einer Mischung des Heißleiters
mit zusätzlichen Oxyden, wie vorher beschrieben, Heißleiter mit Widerständen W in
Reihe oder parallel zu schalten. Ausführungsbeispiele hierfür zeigen die Abb. 1o
bis 12.
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Diese Widerstandskombinationen können mit dem- Thermoumformer baulich
vereinigt und unter Umständen in dem evakuierten Raum untergebracht sein. Sie können
aber auch außerhalb des Thermoumformers liegen.
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Da die Bemessung der Heißleiter für verschiedene Stromstärken unter
Beibehaltung einer brauchbaren Zeitkonstante konstruktiven Schwierigkeiten begegnen
kann, ist in manchen Fällen eine Anpassung der durch den Thermoumformer meßbaren
Ströme an die zu messenden Ströme bzw. an die zu messenden Spannungen erforderlich.
Diese Anpassung läßt sich bei Wechselströmen durch Strom- bzw. Spannungswandler
in an sich bekannter Weise leicht erreichen.