-
Vakuummesser Es sind Vakuummesser bekannt, die auf der Tatsache beruhen,
daß die Wärmeleitfähigkeit eines Gases unterhalb eines gewissen Druckes vom Druck
abhängig ist. Man arbeitet dabei mit Thermoelementen, die in dem Gasraum angeordnet
sind, dessen Druck gemessen werden soll, und auf irgendeine Weise erhitzt werden.
Die Temperatur der Thermoelemente hängt dann von der Wärmeleitfähigkeit des Gases
ab, und die elektromotorische Kraft der Thermoelemente ist daher ein Maß für den
Druck.
-
Die Durchführung der Messung ist an die Größe der Thermoelemente
gebunden und dadurch erheblich eingeengt. Denn ,die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit
vom Druck beginnt erst, wenn der Druck einen gewissen Wert unterschreibet, wenn
nämlich die freie Weglänge der Gasmoleküle in der Größenordnung der Abmessungen
des Themoelementes liegt. Aber auch nach unten ist der Meßbereich derartiger Vakuummesser
begrenzt.
-
Denn mit weiter absinkendem Druck überwiegt schließlich gegenüber
der Wärmeleitfähigkeit des Gases die Wärmeableitung durch die metallischen Zuleitungen.
Diese untere Grenze des Meßbereiches ist demnach ebenfalls durch die Abmessung ,der
Thermoelemente bestimmt.
-
Mit Thermoelementen von verschieden großer Oberfläche kann man zwar
Vakuummesser mit verschiedenen Meßbereichen herstellen. Der Meßbereich jedes solchen
Gerätes ist jedoch begrenzt und umfaßt stets nur einen Druckbereich von etwa zwei
Zehnerpotenzen mm Hg.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, von der durch die Abmessungen
der Thermoelemente gegebenen beiderseitigen Einschränkann des Meßbereiches freizukommen,
also Vakuummesser der in Rede stehenden Art mit einem erheblich größeren Meßbereich
zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in dem Gasraum mindestens zwei
Thermoelemente
verschiedener Abmessungen angeordnet sind, deren
einzelne durch die Abmessungen gegebene Meßbereiche sich zu einem größeren Gesamtmeßbereich
ergänzen.
-
Mit einem solchen Vakuummesser ist es möglich, einen Druckbereich
von vier oder noch mehr Zehnerpotenzen mm Hg zu erfassen.
-
Es ist möglich, die verschieden großen Thermoelemente auf elektrisch
getrennteMeßinstrumente arbeiten zu lassen. Da sich die Einrichtung leicht so abstimmen
läßt, daß immer nur an einem der Instrumente der Zeiger einen Ausschlag zeigt, während
die Zeiger der anderen sich am einen oder anderen Ende der Skala befinden, ist eine
fehlerfreie Ablesung möglich. Die einzelnen Instrumente können dabei räumlich vereinigt
werden.
-
Die Messung gestaltet sich indessen wesentlich bequemer, wenn man
gemäß der bevor: zugten Ausführung des Gegenstandes der Erfindung die verschieden
bemessenen Thermoelemente hintereinanderschaltet und mit einem einzigen Anzeigegerät
verbindet, dessen Ausschlag der Summe der elektromotorischen Kräfte der einzelnen
Thermoelemente entspricht.
-
Die Größe des Meßbereiches hängt. wie aus dem eingangs Gesagten hervorgeht,
davon ab, wie stark die Abmessungen der Elemente voneinander verschieden sind. Eine
Verschiedenheit um eine Größenordnung entspricht der Erhöhung des Meßbereiches um
eine Zehnerpotenz mm Hg. Man kann die Unterschiede natürlich auch kleiner oder großer
machen.
-
Die Zuführung der Wärme zu den Thermoelementen kann auf verschiedene
bekannte Weise erfolgen. Man kann z. B. eine die Thermoelemente umgebende Heizspirale
verwenden oder einen Heizdraht, der mit der Lötstelle des Elementes in gutem Wärmekontakt
steht. Ferner kann man die Elemente durch Wärmestrahlung heizen. Für die Erfindung
ist indessen die Beheizung durch einen die Elemente selbst durchfließenden Strom,
und zwar am besten einen Wechselstrom, zu bevorzugen. Eine für diesen Fall zweckmäßige
Schaltungsanordnung besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei Paare von Elementen
verschiedenen Meßbereichs derart in einer Brücke angeordnet sind, daß die beiden
Paare von Elementen in zwei anliegenden Zweigen in Reihe zueinander und zu dem im
Nulleiter liegenden Meßgerät angeordnet sind, während der Heizstrom durch den Außenleiter
der Brücke zugeleitet wird, der an dem Verbindungspunkt der die Elemente enthaltenden
Zweige und an dem gegenüberliegenden Brückenpunkt angeschlossen ist.
-
Die Anordnung mehrerer hintereinandergeschalteter Elemente ineinemVakuummesser,
die in Reihe geschaltet sind und auf dasselbe Millivoltmeter wirken, ist zwar bekannt.
Diese Elemente haben aber die gleiche Abmessung, und sie wirken in dem gleichen
WIeßbereich.
-
Sie wirken immer gleichzeitig auf das NIillivoltmeter. Für das neue
Gerät ist wesentlich, daß die Elemente in verschiedenen NIeßbereichen wirksam sind
und nacheinander auf dem WIillivoltmeter die dem Druck entsprechend veränderte Anzeige
hervorrufen.
-
Ferner ist bei Geräten der in Rede stehenden Art mit Heizung der
Elemente durch durchfließenden Strom bekannt, mehrere Elemente so in einen Heizstromkreis
zu legen. daß die an dem Millivoltmeter liegenden Spannungen gleich sind und dieses
Nilillivoltmeter nicht von Heizstrom durchflossen wird. Die Benutzung einer Brückenschaltung,
in der die Elemente und geeignet bemessene Widerstände in den Brückenzweigen und
das Millivoltmeter im Brückendraht liegen, gestattet demgegenüber unter Erreichung
des gleichen Vorteils, daß das Meßgerät nicht vom Heizstrom durchflossen wird, die
Verwendung von Elementen von verschiedenem Ohmschen Widerstand.
-
Die Zeichnung stellt in Abb. 1 md 2 ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dar, und zwar zeigt Abb. I die Anordnung der Thermoelemente in einem Glaskolben
und Abb. 2 ein Schaltschema.
-
Abb. 3 zeigt ein Beispiel einer Eichkurve des neuen Vakuummessers
im Vergleich mit Eichkurven bekannter Vakuummesser.
-
In Abb. 1 sind Thermoelemente I, 2, 3 und 4 mittels Durchführungen
5, 6, 7 und 8 und Stützen g und 10 in einem Quetschfuß ii eines Glaskolbens 12 eingeschmolzen,
der mittels eines Schliffs I3 auf das Gefäß gesetzt werden kann, dessen Druck gemessen
werden soll.
-
Die Thermoelemente I und 2 sind um etwa eine Größenordnung kleiner
als die Thermoelemente 3 und 3. Die Durchführungen 5. 6, 7 und 8 und die Stützeng
und 10 bestehen aus Metall und sorgen infolge ihrer großen Wärmeleitfähigkeit dafür,
daß die Lötstellen entgegengesetzter Polarität auf niedriger Temperatur gehalten
werden. An die Durchführungen sind Zuleitungen 14, I5 und I6, 17 angeschlossen,
so daR einerseits die Thermoelemente I und 3 und andererseits die Thermoelemente
2 -und 4 hintereinandergeschaltet sind.
-
Die zugehörige Schaltung ist in Abb. 2 dargestellt. Die hintereinandergeschalteten
Thermoelemente I und 3 und die gleichfalls hintereinandergescllalteten Thermoelemente
2 und 4 bilden je einen Zweig einer Brückenschaltung. Die beiden anderen Zweige
werden
von je einem Widerstand I8, 19 gebildet. In der eigentlichen
Brücke 20 liegt ein empfindliches Gleichstrommillivoltmeter 21. An den äußeren Klemmen
liegt eine Wechselspannung 23. In der einen Wechselstromzuleitung liegt ein Eisenwasserstoffwiderstand
24 sowie ein Vorwiderstand 25. Die Widerstände I8, 19 können leicht so groß gemacht
werden, daß der durch die Thermoelemente erzeugte Gleichstrom im wesentlichen über
die Brücke 20 fließt.
-
Bei der Messung wird der Heizstrom durch den Eisenwasserstoffwiderstand24
konstant gehalten. Die eine Hälfte des Heizstromes durchfließt den Widerstand I8
und die Thermoelemente I und 3, die andere Hälfte den Widerstand 19 und die Thermoelemente
2 und 4. Dadurch werden die Thermoelemente durch gleiche Ströme erwärmt. Die wirksamen
Lötstellen der Thermoelemente nehmen eine höhere Temperatur an als die Lötstellen
entgegengesetzter Polarität, die durch die Zuführungen und die Stützen gekühlt werden.
Das Instrument 20 zeigt infolgedessen einen Ausschlag, der der Summe der elektromotorischen
Kräfte der Thermoelemente I bis 4 entspricht.
-
Mit sinkendem Druck in dem bei I3 angeschlossenen Gefäß bleibt, da
die Wärmeabteilung durch das Gas zunächst vom Druck unabhängig ist, anfänglich der
Ausschlag des Instrumentes 21 konstant. Auf diesen Ausschlag wird der Anfang der
Skala festgesetzt.
-
Von dem Augenblick an, wo der Druck in dem Gefäß so weit vermindert
ist, daß die freie Weglänge der Gasmoleküle in der Größenordnung der Abmessung der
kleineren Thermoelemente I und 2 liegt, vermindert sich die von diesen Thermoelementen
durch das Gas abgeleitete Wärme, d. h. die Temperatur dieser Elemente steigt und
der Ausschlag des Instrumentes 21 ändert sich entsprechend der wachsenden elektromotorischen
Kraft. Schließlich überwiegt jedoch die Wärmeableitung von den Thermoelementen I
und 2 durch die Zuleitungen und Stützen, so daß eine weitere Druc,kabnahme beine
merkliche Temperaturerhöhung der Thermoelemente I und 2 mehr bringt. Die elektromotorische
Kraft dieser Thermoelemente bleibt also bei weiterer Druckahnahme konstant. Bis
zu diesem Augenblick ist die elektromotorische Kraft der größeren Thermoelemente
3 und 4 konstant geblieben, weil gegenüber ihren Abmessungen die freie Weglänge
der Gasmoleküle noch zu klein war.
-
Die elektromotorische Kraft der Elemente 3 und 4 steigt ierst, wenn
der Anstieg der elektromotorischen Kraft an den Elementen I und 2 beendet ist und
der Druck weiter vermindert wird. Da die elektromotorischen Kräfte der sämtlichen
Thermoelemente sich addieren, nimmt der Ausschlag des Instrumentes dabei weiter
zu, bis schließlich auch hier die Wärmeableitung durch die Zuleitungen überwiegt.
-
Das Ausführungsbeispiel zeigt den einfachsten Fall der Anordnung
von zwei Thermoelemente verschiedener Abmessungen, durch die der Meßbereich um rund
zwei Zehnerpotenzen mm Hg erhöht wird. Man kann, um den Meßbereich weiter zu vergrößern,
weitere Thermoelemente mit noch größeren bzw. noch kleineren Abmessungen dazuschalten.
-
Um eine großere elektromotorische Kraft zu erhalten, kann man statt
je eines Thermoelementes mehrere gleich große Thermoelemente hintereinanderschalten.
Die Veribindungsstelleu liegen dann auf je einer gut wärmeleitenden Stütze.
-
Wie aus dem anfangs Gesagten folgt, besteht die Kurve, die den Verlauf
der elektromotorischen Kraft eines einzelnen Thermoelementes in Abhängigkeit vom
Gasdruck wiedergibt, aus einem ungefähr linear ansteigenden mittleren Zweig, an
den sich beiderseits waagerecht verlaufende Zweige anschließen. Beim Vakuummesser
nach der Erfindung ergibt sich, wenn die einzelnen Elemente auf ein einziges Instrument
geschaltet sind, die Eichkurve aus der Summe der Ordinaten der Druckspannungskurven
der einzelnen Elemente. Man wird, obwohl dies nicht unerläßlich ist, die Größe der
Elemente so wählen, daß die ansteigenden Zweige der Einzelkurven sich ohne Unterbrechung
aneinander anschließen. Ferner wird man, um eine ungefähr homogene Teilung zu erhalten,
die Elemente so bemessen, daß die ansteigenden Zweige der Einzelkurven möglichst
gleiche Steigung besitzen. Man erhält dann eine kuickfreie, praktisch lineare Eichkurve.
-
In Abb. 3 ist als Beispiel die experimentell ermittelte Eichkurve
a eines Messers mit je zwei hintereinandergeschalteten Thermoelementen verschiedener
Abmessungen gezeichnet. Außerdem sind zum Vergleich die Eichkurven b des Thermoelements
mit kleiner Oberfläche und c des Thermoelements mit großer Oberfläche gezeichnet.
Die Abszissen gegen den Druck in mm Hg und die Ordinaten die elektromotorische Kraft
in Skalenteilen an. Die Ordinaten der Kurven sind aus den Summen der entsprechenden
Ordinaten der Kurven b und c gebildet.