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Vorrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit von Casen
Wärmeleitfähigkeitsmeßgeräte
für Gase nach Schleierma,cher enthalten elektrisch beheizte Drähte, z. B. aus Platin,
die in rohrförmigen Meßkammern ausgespannt sind und von Gas umspült werden. Vier
derartige Drähte sind zu einer Widerstandsmeßbrücke zusammengeschaltet. Zwei der
Drähte werden von dem zu untersuchenden Gas gemisch, die beiden anderen Drähte von
einem Gasgemisch bekannter Zusammensetzung umspült.
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Ändert sich die Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Gasgemisches,
so ändert sich der Ohmsche Widerstand von zwei der elektrisch beheizten Drähte;
die Brüclie gerät aus dem Gleichgewicht. Die Widerstandsänderung ist ein Maß für
die Zusammensetzung des Gasgemisches.
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Es ist auch ein als Wärmeleitfähigkeitsgerät arbe itendes Vakuummeßgerät
bekannt, bei dem statt der Hitzdrähte drahtförmige Thermoelemente verwendet werden,
die mit Weehselstrom beheizt werden. Vier Thermoelelmelnte sind zu einer Brücke
zusammengeschaltet und werden von dem unter Unterdruck stehendes Gas umspült. Die
Thermoelemente sind so geschaltet, daß durch ein in der Brücloendiagonale liegendes,
als Anzeigein,s,trument dienendes Millivoitmeter kein Wechselstrom, son dern lediglich.
von den Thermoelementen gelieferter Gleichstrom fließen kann. Gleichstrom entsteht,
wenn die Meßstellen der Thermoelemente andere Temperaturen besitzen wie die Bezugsstellen.
Der Temperaturunterschied zwischen Meß- und Bezugsstellen ist um so größer, je niedriger
der Druck des Gases ist. Bei dieser bekannten Vorrichtung sind die drahtförmigen
Thermoelemente in einem Glasgesäß frei ausgespannt; in der Mitte der Drähte
liegen
die Meßstellen, an je einem Ende die BeW zugsstellen. Die Enden sind an Haltedrähten
nahe der Wand des Glasgefäßes befestigt. Die Bezugsstellen haben daher dieselbe
Temperatur wie die Glaswand, also einen durch die Temperatur der Umgebung und nicht
durch die Höhe des Vakuums, also die Eigenschaften des Gases, bestimmten Wert.
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Den bekannten Vorrichtungen ist nun gemein, daß die tSbertemperatur
eines heißen Drahtes (Hitzdrahtes oder drahtförmigen Thermoelernentes) gegenüber
einem kalten Körper großer Wärmekapazität (rohrförmige Meßkammer oder Glasgehäuse)
gemessen wird. Diese Ühtertemperatur hängt nicht, wie es wünschenswert wäre, ausschließlich
von der Wärmeleitfähigkeit des Gases abl. Schwankt die Heizstromstärke, so folgt
die Temperatur der Hitzdrähte bzw. der Meßstellen der Thermoelemente nahezu trägheitslos
den Schwankungen des Heizstromes. Hingegen folgt die Temperatur der Meßkammer bzw.
des Glas gehäuses der Umgebungstemperatur. Die Ubertemperatur wird also von der
Heizstro,mstärke und vor der Umgebungstemperatur beeinflußt. Um diese beiden, das
Meßergebnis fälschenden Einflüsse auszuschalten, werden die Heizstromstärke und
die Temperatur der Meßkammer bzw. des Glasgehäuses konstant gehalten.
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Die hierfür erforderlichen Zusatzgeräte verteuern und komplizieren
die an und für sich apparativ einfachen Meßvorrichtungen erheblich.
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Die Erfindung betrifft nun ein Wärmeieitfähigkeitsmeßgerät, das die
geschilderten Nachteile nicht aufweist. Die Anzeige dieses Gerätes ist weitgehend
unempfindlich gegen Schwankungen der Heizstromstärke und der Umgebungstemperatur;
sie hängt lediglich von der Wärmeleitfähigkeit des zu untersuchenden Gasgemisches
ab. Zusatzgeräte sind nicht erforderlich. Diese Vorrichtung zum Messen der Wärmeleitfähigkeit
von Gasen mit Hilfe einer aus Thermoelementen bestehenden Meßbrücke, die mit Wechselstrom
beheizt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und die Bezugsstellen der
Thermoelemente gleiche Wärmekapazitäten und gleiche elekttische Widerstände, die
Meßstellen j doch größere Oberflächen besitzen als die Bezugsstellen.
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Da Meß- und Bezugsstellen der Thermoelemente gleiche Wärmekapazitäten
und gleiche elektrische Widerstände besitzen, schwanken die Temperaturen def- ganzen-
Thermoelemente, also nicht nur die der Meßstellen, in gleichem Rhythmus wie die
Heizstromstärke. Die Temperatur des Gehäuses, in dem die Thermoelemente ausgespannt
sind, ist für die Messung bedeutungslos; denn für das Meßergebnis ist lediglich
die Temperaturdifferenz zwischen Meß-und Bezugsstellen maßgebend. Diese Temperaturdifferenz
entsteht, weil die Meßstellen größere Oberflächen besitzen als; die Bezugsstellen.
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Es ist an sich bekannt, daß die Wärmeabgabe elektrisch erhitzter
Drähte je Oberflächeneinheit an ein umgebendes Gas mit sinkender Dfahtdurchmesser
sehr stark ansteigt. Wird ein Draht von z.B. 0,1 mm Durchmesser zu einem Band von
0,02 mm Dicke und o,39 mm Breite ausgewalzt, so hat das Band eine 2,6mal so große
Oberfläche wie der Draht. Das Band gibt aber bei 2000 C Ubertemperatur nicht nur
2,6mal soviiel Wärme an das umgebende Gas ab wie der Draht, sondern rund 20mal soviel.
Die Meßstelle, die eine größere Oblerfläahe besitzt, wird also durch das umgebende
Gas ganz erheblich stärker gekühlt als die Bezugsstelle des Thermoellementes. Die
Kühlung wird in erster Linie durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases und
erst in untergeordneter Weise durch Strahlungsverluste bewirkt.
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Im Rahmen fachmännischen Könnens liegt die Art, in der die Oberflächen
der Meßstellen vergrößert werden. Am einfachsten ist es, ein aus z. B.
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Konstantan und Chromnickei bestehendes Thermoelement, bei dem ein
Stück Konstantandraht zwisehen zwei Stücke Chromnickeldraht stumpf eingeschweißt
ist, an einer Schweiß stelle auszuwalzen.
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Es kann aber auch das Elem-ent an. einer Schweißstelle aus einem
Bündel dünner Drähte und an. der anderen Schweißstelle aus einem einzigen Draht
bestehen, derart, daß sowohl die Wärmekapazität als auch die elektrischen Widerstände
von Meß-und Bezugsstelle des Thermoelementes einander gleich sind.
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Die Erfahrung lehrt nun, daß die Anzeige von WärmeffeitfähigkeitsmeßgeräterL
mit Thermoelementen durch Gaskonvektion in dem Gehäuse, in dem die Thermoelemente
ausgespannt sind, g stört wird; die Anzeige schwankt Auf äußerst einfache Weise
laßt sich dieser Fehler dadurch beseitigen, daß die Thermoelemlente in einen porösen
Stoff gebettet werden, der die Gaskonvektion, nicht aber die Gasdiffusion behindert.
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An Hand der schematischen Abbildung sei die Vorrichtung nach der
Erfindung beschrieben.
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Vier Thermoelemente mit je einer Meßstelle 1 und einer Bezugsstelle
2 sind zu einer Brücke zusammengeschaltet. Transformator 3 speist die Brücke an
zwei diagonal gegenüberliegenden Eckpunkten in an sich bekannter Weise mit niedergespanatern,
m.ederfreuentem Wechselstrom. Millivoltmeter 4 liegt in der anderen Brückendiagonale.
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Mit Hilfe des Ohmschen Regelwiderstandes 5 und des Richtleiters 6
kann. Gleichstrom in die Brücke eingespeist werden, um Meßbereich und Nullpunkt
des Millivoltmeters 4 einstellen zu können.
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Die vier Thermoelemente besitzen gleichen Ohmschen Widerstand; sie
bestehen z. B. aus Chromnickel (ausgezogen) und Konstantan (punktiert). Die Meßstellen
1 sind ausgewalzt und besitzen größere Oberflächen als die Bezugs stellen 2, jedoch
gleiche Wärmekap-azitäten und gleiche elektrische Widerstände. Dulrch Millivoltmeter
4 fließt kein Wechselstrom, sondern nur der Gleichstrom, der entsteht, wenn die
Maß stellen I auf Grund ihrer größeren Oberflächen stärker durch das umgebende Gas
gekühlt werden als die Bezugs stellen 2. Die vier Therlnoelemente sind derart geschaltet,
daß sich die Gleiichströme im Millivoltmeter 4 addieren.
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Im Hochvakuum werden die Meßstellen durch das umgebende Gas nicht
gekühlt. Millivoltmeter 4 würde also keinen Ausschlag zeigen. In Luft von
I
Atm. z. B. schlägt Millivoltmeter 4 aus; dieser Ausschlag kann mit Hilfe von Widerstand
5 und Richtleiter 6 kompensiert werden. Gelangt nach der Kompensation beispielsweise
mit Kohlendioxyd verunreinigte Luft an, die Thermoelemente, so kann die Konzentration
der Verunreinigung am Millivoltmeter4 festgestellt werden. Die Thermoeiemente sind
in ein nicht gezeichnetes Gehäuse eingebaut, in das ein Gaskonvektion behindernder
poröser Stoft, z. B. Sahllackenwolle, eingefüllt ist.
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Infolge der geringen Wärmekapazität der Thermoelemente ist die Varrichtung
nach der Erfindung nach Einschalten des Wechseistromes sehr schnell meßbereit; sie
ist überraschend einfach und weitgehend unabhängig von Schwankungen der Speisespannung
und der Umgebungstemperatur.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, statt vier Thermoelemente ein,
ganzzahliges Vielfaches, also z. B. acht oder zwölf Elemente, zu verwenden, wenn
es die Meßgenauigkeit erfordert. Auch können zwei Thermoelemente in an sich bekannter
Weise durch zwei Ohmsche Widerstände ersetzt werden. Ferner können zwei Thermoelemente
in an sich bekannter Weise über einen Kondensator mit Wechselstrom beheizt werden.
Wesentlich ist nur, daß Meß- und Bezugs stellen der Thermoelemente gleiche Wärmekapazität
und gleichen elektrischen Widerstand, edoch verschiedene Oberflächen aufweisen.