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Thermoelektrische Normalspannungsquelle Die Erfindung betrifft eine
thermoelektrische Spannungsquelle, die sich besonders für eine industrielle Herstellung
in gedrängter, kräftiger Ausführung mit geringem Gestehungspreis eignet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der thermoelektrische Generator 7, z. B. ein Thermoelement, befindet
sich in einer gut wärmeleitenden Ummantelung g, die in die wärmeträge Masse 8 eingebettet
ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.