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Temperaturmeß- und Regelgerät Druck und Volumen eines idealen Gases
sind so exakte lineare Funktionen der Temperatur, daß hierauf eine Temperaturskala
aufgebaut ist. Man sollte annehmen, daß diese Eigenschaft idealer Gase bevorzugt
zur Temperaturmessung oder -regelung ausgenutzt wird. Bis heute gil>t es jedoch
noch kein in der Technik verovendl)ares Temperaturmeß- oder Regelgerät auf der Grundlage
der Wärmeausdehnung oder Druckänderung von Gasen. Die Gründe hierfür sind die störenden
Einflüsse der schwankenden Raumtemperatur und des schxvankenden atmosphärischen
Luftdruckes, welche die Entwicklung eines wirklich brauchl)aren Gerätes bislang
verhindert haben.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Temperaturmeß- und Regelgerät
für allgemeinste Verwendung in der Technik von sehr tiefen bis zu sehr hohen Temperaturen,
das auf der thermischen Ausdehllung bzw. Drucksteigerung von idealen Gasen beruht,
vsobei die wesentlichen Erfindungsmerkmale in den Maßnahmen zur Korrektur des Einflusses
der Barometer- und Raumtemperaturschwankungen zu erblicken ist. Es wird im wesentlichen
die Druck änderung der Gase benutzt, wobei allerdings auch kleine Volumenänderungen
eintreten.
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Der Erfindungsgedanke wird am hesten an einem Beispiel erläutert.
In der Zeichnung Skizze I ist a das Fühlorgan in Form eines tubenähnlichen einseitig
geschlossenen Rohres mit angesetzter Kapillare c, das, je nach der Höhe der Temperatur,
bis zu welcher gemessen werden soll, aus hitzebeständigen Metallen, aus Glas, Quarzglas,
Porzellan eder oxydkeramischem Material besteht. An das Kapillarende der Tube ist
ein Röhrenfedermanometer b angeschlossen. Beim Erwärmen der gasgefüllten Tube erhöht
sich der Druck, und der Manometerzeiger steigt entsprechend an.
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Die Drucksteigerung eines abgeschlossenen Gasvolumens ergibt sich
aus der Beziehung pv = ii RT.
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Hierin hedeuten T die absolute Temperatur, p den
sich
bei der Temperatur T einstellenden Druck, v das Volumen des abgeschlossenen Gases,
R die Gaskonstante, n die Anzahl der Mole.
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Ein Teil der Kapillare sowie das Röhrenfedermanometer bleiben bei
der praktischen Messung außerhalb des zu messenden Raumes, werden also nicht mit
erhitzt und behalten demzufolge die Zimmertemperatur bei. Da sich aus diesem Grunde
nicht die gesamte Gasmenge erhitzt, ist der angezeigte Druck etwas geringer als
er entsprechend der obigen Formel sein müßte, und zwar wird die Differenz mit steigender
Temperatur größer. Die Druckskala des Manometers muß deshalb empirisch in Temperaturgrade
umgeeicht werden.
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Mit der Ausfüllung des Röhrenfedervolumens ist der Einfluß der Zimmertemperatur
weitgehend ausgeschaltet. Da aber auch eine Flüssigkeit eine verhältnismäßig hohe
thermische Ausdehnung besitzt und ein Teil der außerhalb des zu messenden Raumes
befindlichen Kapillare von Flüssigkeit frei bleibt, ist noch eine gewisse Abhängigkeit
vorhandeln, die sich aber durch eine einfache Maßnahme beseitigen läßt. Es genügt
vollkommen, auch wenn hohe Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt werden,
wenn der Manometerzeiger aus Bimetall hergestellt wird, das sich bei Temperaturänderungen
leicht krümmt oder streckt. Legierungszusammensetzung, Länge und Dicke des Bimetallzeigers
können immer so gewählt werden, daß eine möglichst genaue Korrektur der Stellung
der Zeigerspitze erreicht wird.
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Ein besonderer Vorteil der Ausfüllung des Röhrenfedervolumens mit
einer Flüssigkeit besteht noch darin, daß durch die Verkleinerung von v2 die tatsächlich
sich einstellendenDrücke nur noch wenig von den theoretischen Drücken abweichen.
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Den Einfluß der Barometerschwankungen könnte man vollständig beseitigen,
wenn man das Gehäuse des Manometers gasdicht ausbildet und evakuiert.
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Bei reinen Temperaturmeßgeräten läßt sich diese Maßnahme durchführen.
Sobald aber nicht nur gemessen, sondern auch geregelt werden soll, treten Schwierigkeiten
auf. Der Mechanismus zur Einstellung der Ein- und Ausschaltkontakte auf den zu regelnden
Temperaturbereich müßte vakuumdicht durch das Gehäuse hindurchgeführt werden oder
elektromagnetisch erfolgen. Bei jeder Auswechslung eines elektrischen Kontaktes
würde eine erneute Evakuierung des Gehäuses erforderlich sein. Aus diesem Grunde
ist die allgemeine Verwendung von Geräten mit evakuiertem Manometergehäuse kaum
möglich.
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Um diesen Schwierigkeiten zu entgehen, wurde eine mechanische Vorrichtung
entwickelt, die den Einfluß des schwankenden Barometerstandes korrigiert. Die Vorrichtung
besteht im wesentlichen darin, daß an Stelle des Zeigers auf der Drehachse des Manometers,
d. h. fest mit dieser verbunden, ein Organ sitzt, das bei eintretenden Anderungen
des atmosphärischen Luftdruckes reversible mechanische Formänderungen erleidet,
die zur Korrektur der Zeigerstellung ausgenutzt werden. Der Zeiger selbst sitzt
hierbei nur lose auf der Drehachse und wird durch eine Hebelübertragung von dem
vorgenannten Organ bei der Drehung der Achse mitgeführt. Dieses Organ kann beispielsweise
eine evakuierte Röhrenfeder oder eine Barometerdose sein, die auf Luftdruckschwankungen
ansprechen.
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In dem schon erwähnten Ausführungsbeispiel der Zeichnung Skizze 2
ist c die mit Flüssigkeit gefüllte Röhrenfeder, welche den in der Tube a bei der
zu messenden Temperatur sich einsteilenden Druck aufnimmt. Auf der Achse des Manometers
sitzt die Dose d. Der Manometerzeiger e sitzt auf einer ge sonderten Achse, die
sich jedoch genau in der Verlängerung der Manometerachse befindet. Bei Anderungen
des Luftdruckes ändert sich die Höhe der Dose d, wodurch sich der Mittelpunkt f
des Dosendeckels auf- oder abbewegt. Diese Bewegung wird über das Hebelsystem g
auf den frei beweglichen Zeiger e übertragen und dadurch die Zeigerstellung verändert.
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Ein Steigen oder Fallen der Zimmertemperatur ruft eine entsprechende
Temperaturänderung und damit Druckänderung des Gasvolumens in der Röhrenfeder und
in einem Teil der Kapillare hervor, wodurch eine Änderung des Zeigerstandes eintritt.
Die Größe der hierdurch bedingten Fehlmessung hängt von dem Verhältnis des Gasvolumens
V1 im Fühlorgan zum Gasvolumen V2 in Kapillare und Röhrenfeder ab und wird außerdem
von der Temperaturdifferenz zwischen Vt und V2 beeinflußt, wie folgende Überlegung
zeigt. Da im gesamten System der gleiche Druck, herrscht, ergibt sich die Beziehung
wobei nu und n2 die Anzahl der Mole in den Volumen v1 und v2 und T1 und T2 die dazugehörigen
absoluten Temperaturen bedeuten. Die Molzahlen n1 und n2 sind daher veränderlich.
Mit steigender Differenz T1 und T2 wächst n2, d. h. ein Teil der Moleküle wandert
von der Tube nach der Röhrenfeder.
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Die Druckänderung, die das Gasvolumen v2 erfährt, wenn die Zimmertemperatur
T2 sich ändert, ist selbstverständlich entsprechend der Beziehung R R rt, T um so
größer, je größer np, d. h. also v-2 je größer T-T2 ist. Dadurch wird die Verschiebung
der Zeigerstellung, d. h. also der Meßfehler infolge Anderung der Zimmertemperatur
um so größer, je höher die zu messende Temperatur ist. Wäre dies nicht der Fall,
so könnte man den Einfluß der schwankenden Zimmertemperatur vernachlässigen, sobald
man nur das Volumen v2 sehr klein wählt im Verhältnis zu dem Volumen v1.
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Ein Verhältnis von I: : IO wäre dann im allgemei nen ausreichend,
da Änderungen der Zimmer temperatur nur mit Io°!0 in die Messungen eingingen. So
aber sind besondere Maßnahmen er-
forderlich, um den bei höherer
Temperatur stärker ins Gewicht fallenden Einfluß der Zimmertemperaturschwankungen
zu kompensieren.
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Die einfachste Maßnahme ist die weitestgehende Verkleinerung des
Gasvolumens v2 durch Ausfüllen des Hohlraumes der Röhrenfeder und evtl. eines Teils
der Kapillare mit einer Flüssigkeit. Es hat sich gezeigt, daß die Druckübertragung
einwandfrei erfolgt, wenn eine nicht allzu schwer bewegliche Flüssigkeit gewählt
wird. Außerdem darf die Flüssigkeit nur einen sehr geringen Dampfdruck aufweisen;
besonders geeignet hierfür sind siliciumorganische Verbindungen. Aber auch Stoffe
wie Äthylenglykol oder Glycerin sind verwendbar. Für den Fall, daß Bimetall Verwendung
findet, wird nur der der Zeigerspitze zugekehrte Teil des Zeigers aus diesem Werkstoff
hergestellt, so daß der Mitnehmer 11, der sich zweckmäßigerweise in Achsennähe befindet,
nicht den Bimetallteil des Zeigers berührt.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel für eine automatische Korrektur der
Zeigerstellung bei Luftdruckschwankungen ist in Skizze 3 dargestellt. Abweichend
von dem vorherigen Beispiel ist die Barometerdose d nicht mit der Zeigerachse fest
verbunden, sondern befindet sich an beliebiger Stelle innerhalb des Manometergehäuses.
Die Bewegungen der Barometerdose werden vergrößert von dem Hebel i aufgenommen,
an dessen Ende eine Scheibe k drehbar gelagert ist. Der Drehpunkt der Scheibe befindet
sich genau in der Verlängerung der Zeigerachse. Der an der Scheibe befestigte kegelförmige
Stift 1 bewegt sich entsprechend den Bewegungen der Barometerdose zwischen dem fest
mit der Achse verbundenen kurzen Hilfszeiger m und dem lose auf der Achse sitzenden
Zeiger n und verschiebt dadurch den Zeiger in der gewünschten Weise. Die Feder o
bewirkt, daß der Zeiger stets an dem Stift anliegt. Der Hilfszeiger m nimmt den
Stift bei seiner Bewegung stets mit, so daß die Bewegungen der Barometerdose in
jeder Zeigerstellung übertragen werden.
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Bei dem beschriebenen Gerät handelt es sich, wie gesagt, um ein Ausführungsbeispiel,
daß den folgenden allgemeinen Erfindungsgedanken erläutert.
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Durch Ausfüllen des Hohlraumes eines Druckanzeigegerätes wie Röhrenfedermanometer,
Dosenmanometer, Membranmanometer usw. mit einer Flüssigkeit und evtl. zusätzliche
Verwendung von Bimetall als Zeigerwerkstoff wird der Einfluß der schwankenden Zimmertemperatur
und durch die Koppelung des Manometerzeigers mit einem auf Schwankungen des Barometerstandes
mit Formänderung reagierenden Organs der Einfluß schwankenden atmosphärischen Luftdrucks
ausgeschaltet.
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PATENTANSPROCHE: I. Temperaturmeß- und Regelgerät auf der Grundlage
der thermischen Ausdehnung von Gasen, bestehend aus einem das Gasvolumen einschließenden
Gefäß, an welches über eine Kapillare ein Manometer angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum des den Druck aufnehmenden Organs zur Vermeidung des störenden
Einflusses der schwankenden Zimmertemperatur mit einer Flüssigkeit ausgefüllt und
evtl. zusätzlich der Manometerzeiger aus Bimetall hergestellt ist und daß zur Ausschaltung
der störenden Einflüsse des schwankenden Barometerstandes das Manometergehäuse evakuiert
oder der Manometerzeiger mit einem Organ gekoppelt ist, das auf Änderungen des Barometerstandes
anspricht und dadurch die Zeigerstellung korrigiert.