DE896959C - Thermoelektrische Normalspannungsquelle - Google Patents

Thermoelektrische Normalspannungsquelle

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DE896959C DEC3916A DEC0003916A DE896959C DE 896959 C DE896959 C DE 896959C DE C3916 A DEC3916 A DE C3916A DE C0003916 A DEC0003916 A DE C0003916A DE 896959 C DE896959 C DE 896959C
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Description

  • Thermoelektrische Normalspannungsquelle Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Spannungsquelle, die sich besonders für eine industrielle Herstellung in gedrängter, kräftiger Ausführung mit geringem Gestehungspreis eignet.
  • Die genaue Messung von kleinen Gleichspannungen, welche von einer elektrischen Größe abgeleitet sein oder eine beliebige andere physikalische Erscheinung ausdrücken können, erfolgt im allgemeinen durch eine Gegenschaltung, welche eine Normalspannungsquelle erfordert.
  • Dieses Verfahren wird insbesondere zur Messung und Aufzeichnung von Temperaturen mit Hilfe eines Thermoelements mittels eines gesteuerten Spannungsteilers, der pH-Werte mit einer Konzentrations-kette usw. benutzt, wobei die Normalspannungsquelle fast stets ein Weston-Element ist. Trotz der Verbesserung ihrer Herstellung arbeiten diese Elemente nur in sehr engen Temperaturgrenzen und können nur außerordentlich kleine Ströme abgeben. Sie sind verhältnismäßig empfindlich und wenig für Anwendungen geeignet, bei welchen sie starken Beschleunigungen ausgesetzt sein können.
  • Bei genauen Temperaturmessungen werden häufig zwei Thermoelemente benutzt, von denen eines mit dem zu messenden Mittel in Berührung steht, während das andere durch Eintauchen in eine kochende Flüssigkeit, in mit bestimmtem Druck austretenden Dampf oder auch in eine Flüssigkeit bei Vorhandensein des festen Körpers, aus dem sie durch Schmelzen entstanden ist, auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Das zweite Thermoelement spielt die Rolle des Normalelements. Dieses Verfahren ist nur für Laboratoriumsmessungen geeignet. Es ist für einen tragbaren Apparat unverwendbar und erfordert eine ständige Überwachung.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von Normalspannungsquellen, welche unter Temperaturbedingungen benutzt werden können, die bisher die Verwendung der bekannten Spannungsquellen ausschlossen und die in industrieller Form hergestellt werden können. Ferner sind die erfindungsgemäßen Spannungsquellen gegen Schwankungen des Druckes und des Feuchtigkeitsgrades unempfindlich. Sie sind unbegrenzt haltbar und stabil, und zwar ohne Rücksicht darauf, ob sie arbeiten oder nicht. Sie können einen starken Strom liefern, ohne daß die Genauigkeit der elektromotorischen Kraft leidet. Sie können weiterhin sehr solide gebaut werden, so daß sie große Beschleunigungskräfte aushalten und damit jeder Arbeitslage gegenüber unempfindlich sind.
  • Um diese Aufgaben zu erfüllen, besteht die thermoelektrische Normalspannungsquelle aus einem eine geringe Wärmeträgheit aufweisenden Temperaturregler und einem temperaturempfindlichen Organ, welches inAbhängigkeit von derTemperatur eine Vorrichtung für die Regulierung des Stromdurchgangs durch ein elektrisches Heizsystem steuert, sowie ein Thermoelement, welches von einergut wärmeleitendenUmmantelungumschlossen wird, die in ein gegenüber der thermischen Zeitkonstante des Temperaturreglers sehr große Zeitkonstante besitzendes Mittel eingebettet ist und sich in einem die Wärme gut leitenden Gehäuse befindet, mit dem das temperaturempfindliche Organ umgebende Mittel in einer guten Wärmeübergang gewährleistenden Berührung steht.
  • Eine derart ausgebildeteNormalspannungsquelle, deren Hauptbestandteile schematisch in der Fig. i gezeigt sind, kann auf verschiedene Weise benutzt werden, da verschiedene Funktionen von ein und demselben Organ erfüllt werden können.
  • Als temperaturempfindliches Organ 2 wird der Einfachheit halber ein solches benutzt, das sich bei Wärmezufuhr ausdehnt, z. B. ein Quecksilberthermometer, ein Bimetallstreifen od.,dgl. Dieses Organ schließt zweckmäßigerweise einstellbar ausgebildete Kontakte, die den Durchgang .des von einer mit den Klemmen 5 verbundenen, nicht dargestellten Spannungsquelle kommenden Stromes durch das Heizsysstem q. entweder unmittelbar oder mittels eines Relais 3, wenn dieser Strom zu groß ist, steuern können.
  • 6 bezeichnet ein Gehäuse des den thermoelektrischen Generator 7 enthaltenden Systems. Es besteht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff mit geringer Wärmeträgheit, z. B. Metall, um den Temperaturschwankungen .des das temperaturempfindliche Organ 2 umgebenden Mittels, mit .dem es in inniger Berührung steht, möglichst genau zu folgen.
  • Das Gehäuse 6 ist von einem Mittel 8 erfüllt, welches eine möglichst große Wärmeträgheit haben soll, so .daß sich seine Temperatur auf 'den Mittelwert einstellt, um welchen die Temperatur des temperaturempfindlichenOrgans 2 periodisch schwankt. Da die Wärmeträgheit des Mittels 8 durch den Quotienten aus seiner thermischen Masse und dem Wärmedurchgangskoeffizienten bestimmt ist, kann man .das gewünschte Ergebnis durch Beeinflussung des einen oder des anderen dieser Faktoren oder aller beider erhalten. Das Mittel 8 kann so durch einen homogenen Körper mit hoher spezifischer Wärme und schlechter Wärmeleitfähigkeit gebildet werden. Es kann jedoch auch heterogen sein und aus durch schlecht wärmeleitendeZwischenschichten voneinander getrennten Elementaranordnungen mit großer Wärmekapazität bestehen, z. B. aus durch Lufträume voneinander getrennten Papierlagen: Der thermoelektrische Generator 7, z. B. ein Thermoelement, eine Thermosäule od. dgl., ist in eine gut wärmeleitende Ummantelung 9, z. B. aus Metall, eingeschlossen, welche in das wärmeträge Mittel 8 eingebettet ist. Durch. die gute Wärmeleitfähigkeit .der Ummantelung g werden die etwa vorhandenen räumlichen Temperaturunterschiede ausgeglichen, so daß sich der Generator 7 praktisch in einem Raum gleichmäßiger, konstanter Temperatur befindet und un den Klemmen io, an welche der Meßkreis angeschlossen wird, eine völlig konstante Spannung liefert.
  • Wenn die erfindungsgemäße thermoelektrische Normalspannungsquelle mit einem Thermoelement zur Temperaturmessung benutzt werden soll, braucht dieses Thermoelement nur mit der erfindungsgemäßen Spannungsquelle in einem solchen Sinn in Reihe geschaltet zu werden, daß die elektromotorischen Kräfte gegeneinandergeschaltet sind. Falls die elektromotorische Kraft unmittelbar oder mittelbar mit Hilfe eines Spannungsteilers gegen die elektromotorische Kraft eines andersartigen Generators, z. B. einer Konzentrationssäule, geschaltet werden soll, muß zur Ausscheidung der elektromotorischenStörkräfte die Normalspannungsquelle durch zwei erfindungsgemäße thermo-.elektrische Generatoren gebildet werden, die gegeneinandergeschaltet sind und bei verschiedenen Temperaturen arbeiten.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung ist nachstehend eine Anwendung auf die Herstellung einer Normalspannungsquelle für physiologische Temperaturmessungen mit Thermoelementen beschrieben, wobei. es wohlverstanden ist, daß es sich hinsichtlich .der möglichen Anwendungen der Erfindung nur um ein keineswegs beschränkendes Beispiel handelt.
  • In Fig. 2 ist mit i i ein Quecksilberthermometer mit regelbarem Kontakt einer an sich bekannten Bauart bezeichnet, bei welchem ein Stift 12 eine kleine magnetische Masse 13 trägt und mit Hilfe eines nicht dargestellten Magneten in einem Kapillarrohr verschoben werden kann. Der Stift 12 steht mit einer mit einem äußeren Stromkreis 15 verbundenen Spirale 1q. in Verbindung.
  • Der Vorratsbehälter oder die Thermometerkugel i i' des Thermometers berührt das Gehäuse 6, welches aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff besteht, um den Temperaturschwankungen der Thermometerkugel so genau wie möglich zu folgen, und dessen Wärmeabgabe etwa gleich der der Thermometerkugel ist.
  • Dieses Gehäuse 6 ist mit einer Masse oder einem Mittel 8 von großer Wärmeträgheit gefüllt, ,das in der oben bereits beschriebenen Weise ausgebildet ist oder auch durch eine Kupferfolie gebildet werden kann, welche unter Zwischenschaltung eines Papiers geeigneter Stärke spiralförmig aufgewickelt ist. Das Gehäuse 6 ist an seinem unteren Teil durch eine Schraube verschlossen, .die aus demselben Werkstoff ist wie der Körper 6 oder aus einem anderen, aber dieselben thermischen Eigenschaften wie dieser aufweisenden Werkstoff.
  • Der thermoelektrische Generator 7, z. B. ein Thermoelement, befindet sich in einer gut wärmeleitenden Ummantelung g, die in die wärmeträge Masse 8 eingebettet ist.
  • Die Thermometerkugel i i' des Thermometers i i und das Gehäuse 6 sind von einem Heizwiderstand q. umgeben, der von einem von einer hier in Form einer Batterie 17 dargestellten Stromquelle kommenden elektrischen Strom durchflossen wird. Ein Pol dieser Stromquelle ist mit einem Ende des Heizwiderstandes q. und mit einem Leiter 16, der mit der Quecksilbersäule an dem unteren Teil derselben in Verbindung steht, verbunden, während der andere Pol der Batterie über einen Begrenzungswiderstand i9 mit dem anderen Ende :der Heizwicklung q. verbunden ist. Die durch das Thermometer und das Gehäuse b gebildete Anordnung befindet sich in einem wärmeisolierenden Mantel, welche schematisch durch den gestrichelten Linienzug i8 angedeutet ist.
  • Das erfindungsgemäße Gerät -arbeitet wie folgt: Der regelbare Stift 12 wird zunächst in eine Stellung gebracht, in welcher der Kontakt mit dem Quecksilber bei der gewünschten Temperatur erfolgt. Die Feststellung dieser Stellung erfolgt mittels eines Mikroskops oder eines beliebigen anderen optischen Gerätes.
  • Wenn .die Temperatur einen solchen Wert hat, daß die Quecksilbersäule noch nicht mit dem regelbaren Stift in Berührung kommt, so speist die Batterie 17 die Heizwicklung q, über den Hilfswiderstand i9. Steigt die Temperatur, dann dehnt sich das O_uecksilber aus. Wenn der Kontakt zwischen dem Quecksilber und dem Stift 12 hergestellt ist, wird der Heizstromkreis kurzgeschlossen und liefert keine Wärme mehr. Die Temperatur beginnt dann infolge der durch verschiedene Ursachen bewirkten Wärmeverluste abzusinken, und wenn das Quecksilber bei seiner Abwärtsbe"vegung in dem Rohr den Kontakt mit dem Stift 12 unterbricht, wird die Heizwicklung wieder eingeschaltet, und das Arbeitsspiel beginnt von neuem. Die Temperatur schwankt somit zwischen zwei Werten, die sehr nahe beieinander liegen können. Bei einer sorgfältigen Ausführung können die Temperaturschwankungen auf höchstens einige zehntel Grad beschränkt werden. Wie bereits oben ausgeführt, werden die durch das Gehäuse 6 auf die Masse oder das Mittel 8 übertragenen Temperaturschwankungen derThermometerkugel i i' durch die große Wärmeträgheit des Mittels oder der Masse 8 weitgehend ausgeglichen. Hieraus ergibt sich, daß die bereits an sich sehr geringen Temperaturschwankungen der T'hermometerkugel an der Stelle des Thermoelements 7 noch viel kleiner geworden sind. Die Temperatur desselben ist gleich dem Mittelwert der Grenzwerte der Temperaturschwankungen des Thermometers, so daß die von diesem Thermoelement erzeugte elektromotorische Kraft bemerkenswert konstant ist. Das Thermoelement 7 ist mit den zum Anschluß an den Gebrauchskreis dienenden Klemmen io verbunden.
  • Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Thermometerkuge121 die Form eines Handschuhfingers hat, in dessen Innerm sich eine Masse 8' mit großer Wärmeträgheit befindet. Man verwendet hierfür z. B. einen Isolierstoff, wie Hartpech. Das Thermoelement 7 ist im Innern .des Körpers 8' angeordnet.
  • Bei .dieser Ausführungsform ist somit das das wärmeträge Mittel beinhaltende Gehäuse 6 der Ausführungsform gemäß Fig. 2 fortgefallen, da dieses hier durch die Hartpechmasse 8' gebildete Mittel unmittelbar in die Aushöhlung .der T'hermorrieterkugel 21 eingebracht ist. Das Thermoelement 7 ist ebenfalls direkt in die Masse 8' eingebettet, so daß auch die besondere Ummantelung 9 der vorhergehenden Ausführungsform fortfällt.
  • Fig.2 zeigt ein Thermometer, welches den Stromdurchgang durch die Heizwicklung unmittelbar steuert; es ist jedoch klar, daß man, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, ein zwischen den Thermometerkontakt und den Heizkreis eingeschaltetes Relais benutzen kann. DieseAnordnung ist erforderlich, wenn der Strom eine gewisse Größe erreicht.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i.Thermoelektrische Normalspannungsquelle, gekennzeichnet durch einen eine geringe Wärmeträgheit aufweisenden Temperaturregler (i) mit einem temperaturempfindlichen Organ (2), welches in Abhängigkeit von der Temperatur des es umgebenden Mittels eine Vorrichtung (3) zur Steuerung des Stromdurchgangs durch ein elektrisches Heizsystem (q.) steuert, und einen thermoelektrischen Generator (7), welcher von einer gut wärmeleitenden Ummantelung (9) umschlossen wird, welche in ein Mittel (8) eingebettet ist, welches eine gegenüber der thermischen Zeitkonstante des Temperaturreglers (i) sehr große Zeitkonstante besitzt und sich in einem gut wärmeleitenden Gehäuse (6) befindet, welches mit dem das temperaturempfindliche Organ (2) umgebenden Mittel in einer einen guten Wärmeübergang gewährleistenden Berührung steht.
  2. 2. Thermoelektrisc'he hTormalsparinungsquelle nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ,das Heizsystem (4) gleichzeitig .die Hülle des Temperaturreglers (i) und .das Gehäuse (6) des thermischen Generators (7) umschlingt.
  3. 3. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i und a, dadurch gekennzeichnet, .daß der thermoelektrische Generator durch ein Thermoelement gebildet wird.
  4. 4. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i und a, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoelektrische Generator durch eine Thermosäule gebildet wird.
  5. 5. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach einem der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des thermoelektrischen Generators (7) durch einen Teil der Außenhülle des Temperaturreglers (i) gebildet wird (Fig. 3).
  6. 6. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, .daß wenigstens ein Teil des Temperaturreglers (i) und des Heizsystems (4) sowie das Gehäuse (6) des thermoelektrischen Generators in einem gemeinsamen wärmeisolierenden Mantel (18) untergebracht sind.
  7. 7. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturregler durch ein Kontaktthermometer gebildet wird, dessen Kontakt (12) das Heizsystem (4) steuert, welches das Quecksilbergefäß (ii') und den größten Teil der Quecksilbersäule des Thermometers sowie das Gehäuse (6) des thermoelektrischen Generators (7) umschlingt, welch letzteres das Quecksilbergefäß berührt. B. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Quecksilbergefäß des Thermometers handschuhfingerartig ausgebildet ist, wobei die Höhlung desselben mit einer Masse ($') großer Wärmeträgheit, z. B. Hartpech od. dgl., ausgefüllt ist, in welche der thermoelektrische Generator (7) eingebettet ist. g. Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i zur Benutzung mit einem Thermoelement zur Temperaturmessung mittels eines Thermoelements, dadurch gekennzeichnet, daß der thermoelektrische Generator mit dem Meßthermoelement in Reihe geschaltet ist. io.Thermoelektrische Normalspannungsquelle nach Anspruch i, insbesondere für Messungen mittels einer Gegenschaltungsmethode, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalspannungsquelle durch zwei erfindungsgemäße Anordnungen gebildet wird, welche bei verschiedenen Temperaturen arbeiten und deren elektromotorische Kräfte gegeneinandergeschaltet sind.
DEC3916A 1950-03-16 1951-03-13 Thermoelektrische Normalspannungsquelle Expired DE896959C (de)

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