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Vergleichsstrahler
Bei der Durchführung von Temperaturbestimmungen
mit Hilfe von Wärmestrahlungen werden sogenannte Vergleichsstrahler verwendet. Diese
Vergleichsstrahler sollen zumeist eine gewünschte Temperaturstrahliing abgeben.
Man kann mit Hilfe von optischen Mitteln, wie Unterbrechervorrichtungen, die z.
B. abwechselnd einen Wärmestrahlungsempfänger mit der Wärmestrahlung des Vergleichsstrahlers
oder der Strahlung des zu überwachenden Gegenstandes beaufschlagen lassen, feststellen,
ob die Temperatur des zu üherwachenden Gegenstandes, d. h. dessen Temperaturstrahlung,
den gleichen Wert hat wie die Temperaturstrahlung des Vergl,eichsstra5slers oder
höher oder tiefer ist. Nach diesen jeweiligen Ergebnissen lassen sich korrigierende
Maßnahmen zur Einhaltung der gewünschten Temperatur und Strahlung auch an dem zu
überwachenden Gegenstand' einleiten.
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Die Verwendung von VergleichJsstrahlern ist somit bekannt. Als Vergleichsstrahler
werden verschiedene Körper benutzt, z.B. Metallkörper, die durch eine Gasflamme
erhitzt werden und deren Temperatur mit Th ermcelementen überwacht wird.
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Auch ist es bekannt, als Vergleichsstrahler Glühlampenwendel zu benutzen.
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Die Verwendung von Glühlampen als Vergleichsstrahler hat den Vorteil,
daß die gewünschte Tem peratur verhältnismäßig schnell einstellbar ist und man die
Überwachung mit Hilfe von elektrischen Mitteln, wie durch die Bestimmung des Strom-
flusses,
der durch die Wendel geht, auf die gewünschte abzugebende Strahlung bzw. Temperatur
durchführen kann.
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Die Verwendung von Glühlampen als Vergleichsstrahler hat aber den
Nachteil, daß der eingestellte Wert nicht oder nur sehr schwer konstant gehalten
werden kann. Werden derartige Lampen aus Batterien gespeist, muß dafür Sorge getragen
werden, daß die Batterien nur während einer solchen Entladungszeit zur Verwendung
kommen, in der der abgegebene Strom nahezu konstant ist. Bei Verwendung einer Batterie
als Pufferung ergeben sich Schwierigkeiten dadurch, daß heim Einschalten des Ladestromes
Spannungs änderungen an denBatterieklemmen auftreten, die eine entsprechen,de Veränderung
des Strahlungswertes an der Glühlampe hervorrufen.
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Werden derartige Vergleichsstrahler aus dem Netz gespeist, ergeben
sich Schwierigkeiten durch die Unkonstanz des Netzes, und zwar können sich ändern
die Spannung, die Frequenz und die Art des Spannungsverlaufs (Kurvenform). Durch
die üblichen Mittel, wie Spannungsgleichhalter verschiedenster Methoden, können
gewisse Besserungen geschaffen werden. Wird dagegen größte Konstanz verlangt, reichen
die üblichen Mittel nicht aus; es müssen dann sehr komplizierte und teuere Umformeranlagen
oder Röhrenschaltungen benutzt werden.
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Die Erfindung betrifft einen Vergleichsstrahler, der diese Igenannten
Mängel vermeidet. Sie besteht darin, an Stelle einer Glühlampenwendel einen verhältnismäßig
großen Körper mit Masse zu verwenden, der beheizbar ist, z.B. durch elektrische
Widerstände, und sich in einem glühlampenartigen Gefäß vorzugsweise im Vakuum oder
in geeigneter schützender Gasatmosphäre befindet, wobei die Temperatur dieses Strahlungskörpers
mit Hilfe von Temperaturmeßgeräten, z. B. Fühlern, Thermoelementen, die in oder
an dem Körper angebaut sind, festgestellt wird.
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Die Meßinstrumente, z. B. Thermoelemente, dienen dazu, die Temperatur
des Körpers zu bestimmen. Sie können auch dazu benutzt werden, über geeignete Mittel
selbscttätig dafür zu sorgen, daß die gewünschte Temperatur eines solchen Vergleichskörpers
gleich- oder nahezu gleichbleibt.
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Hierbei ist es erforderlich, daß der Heizstrom oder eine sonstige
Energiezufuhr so einreguliert wird, daß sie nur etwas größer ist als die Energiezufuhr,
die zur Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur erforderlich ist. Steigt die
Temperatur etwas an, schaltet das Thermoelement über einen Fallbügel regler oder
eine andere geeignete Vorrichtung auf eine geringere Energiezufuhr um, die so eingestellt
wird, daß sie etwas kleiner als zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Vergleichsstrahlers
erforderlich ist. Sinkt bei dieser Schaltung die Energiezufuhr, wird das Thermoelement
über den Fallbügelregler nach einer gewissen Zeit die Umschaltung wieder zur größeren
Energiezufuhr vornehmen.
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Es ist vorteilhaft, die größere Energiezufuhr so abzustimmen, daß
auch in dem Fall, in de!m das speisende Ketz in seiner Spannung an der unteren Grenze
liegt, die Energiezufuhr noch ausreicht, um den Vergleichsstrabler auf der gewünschten
Temperatur zu halten. Werden diese Bedingungen eingehalten, ergeben sich sehr geringe
Temperaturschwankungen, wobei praktisch die Temperatur bis auf etwa t/2° C beim
Vergleichsstrahler eingehalten werden konnte.
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Als Werkstoff für den Vergleichsstrathler wird zweckmäßig ein Körper
verwendet, der z. B. unter Luftabschluß einen konstanten Oberflächenzustand behält.
Man kann dabei die ab strahlende Oberfläche des Körpers aus einem Material, wie
Spezial stählen oder Edelmetallen, aufplattieren oder aufdampfen und den eigentlichen
Körper aus einem gut leitenden Stoff, wie Kupfer, fertigen.
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Der Glaskolben kann zur Verriegelung der Abstrahlungsverluste innen
verspiegelt werden, wobei nur der Teil fensterartig frei bleibt, durch den die Temperaturstrahlungen
austreten sollen. Bei tiefen Temperaturen ist für die Kolben ein Material zu verwenden,
das möglichst wenig Strahlungsverluste durch Absorption verursacht. Das Fenster
im Kolben oder der gesamte Kolben soll möglichst dünnwandig sein, um die Verluste
zu verringern. Als geeignete Werkstoffe können für die Kolben Spezialgläser, wie
Hartglas oder Quarze, verwendet werden.
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Die Einbettung des Vergleichsstrahlers in den Glaskolben in Vakuum
hat den Vorteil, daß der Oberflächenzustand des Körpers, der die Strahlung abgibt,
nicht durch atmosphärische Einflüsse verändert werden kann. Dies ist vorteilhaft,
weil sich andernfalls die Strahlungszahl ändert und bei gleicher Temperatur trotzdem
eine unterschiedliche Strahlung abgegeben würde.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele und dient zur weiteren Erklärung
der Erfindung. Sie zeigt in Fig. I einen Längsschnitt durch einen Vergleichsstrahler
nach der Linie A-B der Fig. 2, Fig. 2 eine Ansicht des strahlenden Körpers von unten
und Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für eine Energieversorgung des strahlenden Körpers.
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Der strahlende Körper I ist im Innern eines glühlampenartigen Gefäßes
2 durch Haltestützen 3 mit dem Sockel des Glühlampenkörpers 2 verbun den. Der Strahlungskörper
1 besitzt dicht unter der Oberfläche eine Bohrung 4, die den gesamten Körper durchstößt.
In dieser Bohrung 4 sind die Thermoelemente 5 und 6 ziemlich in der Mitte angeordnet.
Von dem Thermoelement 5 führt eine isolierte Leitung 7 durch den Glühlampensockel
zum Kontaktstift 8. Die andere Leitung des Thermoelements 5 wird über die Leitung
g durch den Glühlampensockel zum Kontaktstift 10 geführt.
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Vom Thermoelement 6 führt eine isolierte Leitung durch den Glühlampensockel
zum Kontaktstift 12 und eine Leitung I3 durch den Glühlampensockel zum Kontaktstift
I4.
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Der Strahlungskörper I hat auf der Rückseite eine spiralförmige Ausfräsung
15 (Fig. 2), die so angeordnet ist, daß die Abstände der Spiralwin-
dungen
zueinander in den äußeren Windungen enger liegen als in der Mitte. Diese Anordnung
ist zweckmäßig, damit eine möglichst gleiche Temperaturverteilung an der Oberfläche
des Vergleichskörpers entsteht. In diese spiralförmige Nut 15 ist eiu Widerstandsdraht
I6 isoliert eingebettet. Dieser WiderstandNsdraht ist durch eine Stromzuleitung
I7 und I8, die durch den Glühlampensockel hindurchgeführt wird, mit den Sockelkontakten
19 und 20 verbunden. Der Kolben ist innen mit einer Verspiegelung 21 versehen, so
daß nur an der oberen Seite des strahlenden Körpers 1 die Vergleichsstrahlung austreten
kann und unnötige Verluste vermieden werden.
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In der Fig. 3 ist ein Schaltungsbeispiel für die zweckmäßige Energieversorgung
eines Vergleichsstrahlers wiedergegeben. Der Vergleicbsstrahler I nach Darstellung
der Fig. I und 2 wird durch die Widerstandswendel I6 beheizt. Der Heizwiderstand
ist über die Leitung I7 und I8 mit den Sockelfüßen 19 und 20 verbunden. Vom Sockelstift
20 geht eine Leitung 30 unmittelbar zu dem einen Anschlußpunkt 3I der Energieversorgung.
Vom Kontaktstift 19 geht eine Leitung 32 zur Gleitfeder 33 des variablen Widerstandes
34, der auf der Widerstandswicklung bei Drehung gleiten kann, und von dem einen
Ende 35 dieses Widerstandes zum Kontaktpunkt 37 über die Leitung 38 weiter zum Anfangspunkt
39 eines neuen Drebwiderstandes 40, auf den die Kontaktfeder 41 gleitet, die zweckmäßig
mit dem Widerstand 34 gekuppelt ist, so daß bei Drehung dieser Kontaktfeder sich
alle Kontaktfedern auf beiden Widerständen drehen. Die Widerstände sind nicht homogen
gewickelt, sondern so, daß den unterschiedlichen Abkühlungsbedingungen des Vergleichsstrahlers
bei höheren oder tieferen Temperaturen Rechnung getragen wird. Über den zweckmäßigen
Aufbau dieser Widerstände wird noch später gesprochen.
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Von der Kontaktfeder 41 führt eine Leitung 42 zum Kontaktpunkt 43.
Von diesem Kontaktpunkt führt eine Leitung 44 zum zweiten Pol des Netzes 45. zu
D Die Quecksilberkippkontaktröhre 49, die von einem Temperaturregler, z.B. Fallbügelregler
48, in bekannter Weise nach der jeweiligen Spannung des Thermoelements 5 oder 6
(Fig. I und 2) gesteuert wird, hat zwei Kontakte, die heim Kippen der Röhre geschlossen
werden. Die Röhre verbindet dann den Kontaktpunkt 37 mit dem Kontaktpunkt 43 und
schaltet den Widerstand 40 aus zudem Stromkreis kurz.
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Im vorliegenden Falle wird somit durch die Widerstandswendel I6 ein
Strom fließen, der durch die Hintereinanderschaltung der Drehwiderstände 34 und
40 bestimmt wird. Dieser Strom ist so bemessen, daß er nicht ganz ausreicht, um
die gewünscht Temperatur des Vergleichsstrahlers I aufrechterhalten zu können. Fällt
danach die Temperatur des Vergleichsstrahlers, so wird das zur Temperatu rüberwachung
herangezogene Thermoelement 5 den Fal11>ügelregler beeinflussen, und die KontaktrChre4g
wird gekippt, so daß sich jetzt eine Kontaktverbindung zwischen den Punkten 37 und43
durch die Quecksilberbrücke ergibt. Hierdurch wird der zweite Widerstand 40 ausgeschaltet,
wodurch der Strom vom Kontaktpunkt 37 unmittelbar zum Netzpunkt 45 fließt. Der sich
jetzt ergebende Heizstrom ist etwas größer als zur Aufrechterhaltung der Temperatur
des Vergleichsstrahlers I erforderlich ist. Die Temperatur des Thermoelements wird
also steigen, und der Fallbügelregler wird die Kontaktröhre wieder in die letzte
Lage zurückschalten, so daß der zweite Drebwiderstand wieder mit eingeschaltet wird.
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Da es erwünscht ist, daß die Temperaturscihwankungen am Vergleiehsstrahler
1 möglichst gering sein sollen, so soll der Zusatzwiderstand nur eine verhältnismäßig
geringfügige Stromänderung hewirken, wodurch die Abkühlung des Vergleichsstrahlers
langsam erfolgt. Die Widerstandsänderung, die sich durch die Umschaltung ergibt,
muß um so kleiner sein, je höher die Temperatur des Vergleichsstrahlers liegt. Das
ist deshalb erwünscht, da bei höherer Temperatur eine stärkere Abkühlung des Vergleichsstrahlers
I vorhanden ist und somit schon geringere Stromänderungen einen gewissen Abfall
der Temperatur hervorrufen.
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Die Drebwiderstände werden daher zweckmäßig inhomogen gewickelt,
so daß bei höheren Temperaturen bzw. Stromstärke eine gleiche Bewegung der Kontaktfeder
eine unterschiedliche Widerstandsänderung bewirkt, und zwar so, daß bei den höheren
Temperaturen bei gleicher Drehlbewegung der Kontaktfeder weniger Widlerstandswindungen
eingeschaltet werden als bei tieferen Temperaturen.
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An Stelle der Drebwiderstände kann man selbstverständlich auch Schiebewiderstände
oder Stufentransformatoren benutzen, deren Aufhau nach den obigen Gesichtspunkten
durchgeführt ist.
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Das in Fig. 3 Zdlargestellte Schaltschema mit Verwendung eines Fallbügelreglers
ist nur als Beispiel gedacht. Für eine Energiezufuhr zu dem Vergleichsstrahler kann
auch jede andere geeignete Schaltung verwendet werden. So können z. B. die Thermoelemente,
welche die Temperatur überwachen, auf ein Galvanometer wirken und die Abweichung
der Zeigerstellung durch einen lichtelektrischen Verstärker überwacht werden, der
die richtige Energiezufuhr zum Vergleichskörper steuert.
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Der Vergleichsstrahler gemäß der Erfindung soll hauptsächlich an
solchen Stellen verwendet werden, bei denen stets eine ganz bestimmte Temperatur
zur Überwachung von thermischen Prozessen am Vergleichsstrahler herrschen soll,
z. B. in Industrieöfen mit durchlaufendem Material, bei Härtevorgängen, Strangpreßvorgängen,
Walzprozessen u. dgl.
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Industrieprozessen. Bei der Umstellung auf andere Temperaturen ist
die Verwendung des Vergleichsstrahlers in einem gewissen Umfange auch möglich.
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In diesem Falte muß die Energiezufuhr für den oberen und unteren Bereich
durch Regelmittel, wie z.B. Widerstände!, Stufentransformatoren, entsprechend geändert
werden.
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Der neue Vergleichsstrahler kann bevorzugt bei Temperaturen unter
10000 C verwendet werden. Bei höheren Temperaturen ist darauf zu achten, daß die
verwendeten
Thermoelemente nicht altern. Für Bereiche bis zu I000° C haben sieh Thermoelemente
aus Platin, Platin-Rhodium bewährt.