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Thermoelektrisches Vakuummeter
Es ist bekannt, die Druckabhängigkeit
der Wärme leitung von Gasen, insbesondere vonLuft, bei niedrigen l)rucken zur Vakuummessung
auszunutzen. Dies kann dadurch geschehen, daß man ein Thermoelement, das auf irgendeine
Weise erwärmt wird, in den zu messenden Gasraum bringt und die sich einstellende,
vom Druck des Gases abhängige Temperatur des Thermoelements mit Hilfe der Thermospannung
bestimmt. Mit einer solchen Anordnung erreicht man jeweils einen l)ruckmeßbereich
von etwa zwei Zehnerpotenzen. Durch Veränderung der Abmessungen des Thermoelements
oder durch Veränderung der Stärke und der Art der Heizung kann man den Druckmeßbereich
verlagern. Es ist weiterhin bekannt, den l)ruckmeßbereich dadurch zu erweitern,
daß man mehrere Thermoelemente verschiedener Abmessungen hintereinanderschaltet
und im Gasraum anbringt, wobei jedes Thermoelement in einem anderen Druckbereich
arbeitet, so daß sich ein erweiterter Meßbereich ergibt. Man kann auch mehrere im
gleichen Druckbereich arbeitende Thermoelemente hintereinanderschalten und dadurch
eine erhöhte Empfindlichkeit in diesem Bereich erzielen. Alle diese Anordnungen
haben gemeinsam, daß je Thermoelement eine Lötstelle, die sogenannte warme Lötstelle,
zur Messung herangezogen wird, während für jedes Thermoelement die zweite Lötstelle,
die sogenannte kalte Lötstelle, ungefähr auf konstanter Temperatur, meist Raumtemperatur,
gehalten wird und ihre Temperatur vom Vakuum nahezu unabhängig ist. Die kalten Lötstellen
werden dabei meist in die Zuleitungen oder Halterungen der Elemente verlegt. Durch
die metallische Wärmeleitung der Thermoelemente wird den kalten Lötstellen aber
Wärme zugeführt. Dies führt zu dem
Nachteil, daß die kalten Lötstellen,
bedingt durch die verhältnismäßig große Wärmekapazität der Haltemngen oder Zuleitungen,
nur langsam ihre der Raumtemperatur angenäherte Temperatur annehmen.
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Ein solches Vakuummeter stellt sich zwar sehr rasch auf den angenäherten
Wert ein und braucht dann aber längere Zeit, um den genauen Wert anzuzeigen: Sollen
bei einem solchen Vakuummeter die Thermoelemente direkt durch Wechselstrom geheizt
werden, so ist es erforderlich, eine Brückenschaltung anzuwenden oder auf andere
Art das empfindliche .Ueßsystem vor dem Heizstrom zu schützen. Dies bedeutet, daß
ein Vakuummeter mit erweitertem Meßbereich oder erhöhter Empfindlichkeit aus mindestens
vier Thermoelementen bestehen muß oder andere zusätzliche Bauelemente benutzt werden
müssen, was einen wesentlichen Aufwand darstellt.
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Um die vorstehenden Nachteile zu vermeiden, besteht erfindungsgemäß
das Vakuummeter mit vergrößerter Empfindlichkeit bzw. mit vergrößertem Meßbereich
nur aus einem einzigen Thermoelement, bei dem beide Lötstellen zur Vakuummessung
in der Art herangezogen werden, daß die Anordnung der Lötstellen und der Heiz'ungen
so gewählt ist, daß die Temperaturen der beiden Lötstellen gegenläufig vom Vakuum
abhängig sind, d. h. bei Verkleinerung des Drucks wird die eine Lötstelle heißer,
während die andere Lötstelle gegenüber dem vorher bestehenden Gleichgewichtszustand
kälter wird, und umgekehrt bei steigendem Druck. Dies hat mehrere Vorteile: I. Es
ist keine kalte Lötstelle mit großer Wärmeträgheit mehr vorhanden, weshalb die Druckanzeige
schneller erfolgt; 2. wenn die beiden Lötstellen in verschiedenen Druckbereichen
arbeiten, wird mit einem einzigen Thermoelement ein vergrößerter Druckmeßbereich
erreicht; 3. wenn die beiden Lötstellen im gleichen Druckbereich arbeiten, wird
mit einem einzigen Thermoelement eine vergrößerte Empfindlichkeit erreicht.
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Abb. I zeigt als Beispiel eine zweckmäßige Anordnung eines thermoelektrischen
Vakuummeters nach der Erfindung. In einem Glaskolben I ist ein Quetschfuß 2 eingeschmolzen,
der die vier Stromdurchführungen 3 bis 6 für das eigentliche Meßsystem 7 bis 10
enthält. Das Meßsystem besteht aus einem Heizwendel 7, einem Thermoelement mit den
Lötstellen 8 und 9 und einer Wärmebrücke I0, die eine wtirmeleitende Verbindung
zwischen Heizwendel 7 und dem Thermoelement herstellt. Die Lötstelle 9 ist also
mit dem Heizwendel 7 wärmeleitend verbunden, während die Lötstelle 8 keine wärmeleitende
Verbindung mit dem Heizwendel 7 besitzt, aber durch Wärmeleitung der Luft oder des
zu messenden Gases geheizt weiden kann. Der Heizwendel 7 (Abb. 2) wird von dem Transformator
12 über den Stabilisator II gespeist. Der Stabilisator ii bewirkt, daß durch den
Heizwendel 7 immer ein konstanter Strom fließt.
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Auf der Primärseite des Transformators befinden sich noch eine Sicherung
13 und ein Schalter 14. Das Thermoelement ist mit einem Millivoltmeter, das seinen
Nullpunkt in der Mitte hat (Nullinstrument), verbunden, Wird der Heizwendel 7 v()n
einem Strom durchflossen und herrscht in der Röhre ein hoher Druck dann wird der
Lötstelle 8, die sich konzentrisch in dem Heizwendel befindet, durch die hohe Wärme
leitung des Gases Wärme zugefüllrt. I)ie Lötstelle 8 nimmt hierbei eine hohe Temperatur
an. Durch die hohe Wärmeleitung der T,uft, bedingt durch den hohen Druck, wird die
metallische \N ärmebriieke vom Heizwendel 7 zur Lötstelle 9 stark gekühlt, sc>
daß die Temperatur der Lötstelle g mir unwesentlich von der Raumtemperatur abweicht.
Es besteht also bei diesem Extrempunkt eine starke Temperaturdifferenz zwischen
beiden Lötstellen, so daß eine maximale Thermospannung zustande kommt. Befindet
sich in der Röhre ein geringer Gasdruck, s<> wird der I,ötstelle 8 keine Wärme
mehr durch \.äi-meleitung des Gases zugeführt. Die Temperatur dieser Lötstelle 8
liegt also jetzt nur unwesentlich über der Raumtemperatur. Dahingegon wird nun die
Lötstelle 9 durch metallische Wärmeleitung stark geheizt, weil die Wärmebrücke nicht
mehr durch Wäi-meleitung des Gases gekühlt wird. Es besteht also wieder eine hohe
Temperaturdifferenz zwischen beiden Lötstellen, dabei ist aber jetzt die Thermospannung
umgekehrt.
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Diese Anordnung kann je nach Arbeitsbereich, abhängig von den geometrischen
Abmessungen der beiden Lötstellen, zwei wesentliche Vorteile besitzen.
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Arbeiten beide Lötstellen in einander anschließenden Bereichen, so
läßt sich mit dieser Anordnung ein Meßbereich von vier Zehnerpotenzen erzielen.
Die Arbeitsweise ist dann folgende: Herrscht in der Röhre ein so hoher Druck, daß
die Lötstelle 8 ihre maximale Temperatur annimmt, so ist hiermit der Beginn des
gesamten Meßbereiches gegeben. Verringert sich in der Röhre der Druck um zwei Zehnerpotenzen,
beispielsweise von 10 Torr auf 0,I Torr, so hat sich auch die Wärmeleitfähigkeit
des Gases entsprechend geändert. Die Temperatur der Lötstelle 8 nähert sich langsam
der Raumtemperatur, während die Temperatur der Lötstelle 9, die bis dahin kalt war,
langsam anzusteigen beginnt. Beide Temperaturen sind min nahezu gleich, und die
Thermospanntlllg passiert den Nulldurchgang.
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Wird der Druck wiedeltlm um zwei Zehneipotenzen erniedrigt, so ändern
sich die Temperaturverhältnisse an der Lötstelle 8 nur noch sehr wenig, während
die Lötstelle g ihre Maximaltemperatur annimmt. I)ie Thermospannung hat jetzt denselben
Wert wie zu Anfang erreicht, aber im umgekehrten Sinn. Das angeschlossene Nullinstrument
zeigt jetzt einen maximalen Ausschlag nach der entgegengesetzten Richtung. Man hat
also mit einem Thermoelement einen Meßbereich von Zehnel-pl)tellz(ll erzielt, der
sonst nur durch zwei Thermoelemente erzielt weiden kann.
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Arbeiten beide Lötstellen in demselbel1 l-)ruckbereich, dann ergibt
sich ein andel-er Vorteil. I)er Aleßberei(-h soll z. B. zwischen I Torr und rc,
2 Torr liegen, dann hat bei einem Druck von 1 mm die Lötstelle 8 ihre Maximaltemperattir
nahezu erreicht, wLillrend die Lötstelle g noch nahezu Raumtemperatur hat. 1)ie
Thermospannung hat einen Maximalwert von beispielsweise 5 mV. Bei einem Druck von
10-2 Torr hat die Lötstelle 8 nahezu Raumtemperatur, während die
Lötstelle
9 fast ihre Maximaltemperatur erreicht hat.
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I)ie Thermospannung hat nun den Wert minus 5 mV.
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I)ie Spannungsdifferenz beträgt also 10 mg. Eine Spannungsdifferenz
Voll Io mV kann aber bei einem einfachen Vakuummeter nur durch die doppelte Temperatur
erzielt werden, gleiche Werkstoffe vorausgesetzt. Eine möglichst niedrige Temperatur
ist aber erstrebenswert, um eine Oxydation des Materials und eine Zersetzung etwa
vorhandener Oldämpfe zu vermeiden. Oder aber es müßten wieder zwei Thermoelemente
angebracht werden, um bei der niedrigen Temperatur des Thermoelements dieselbe Spannung
zu erzielen.