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Die Messung kleiner Temperaturdifferenzen mit Thermoelementen und ein Kompensationsapparat mit konstantem kleinen Kompensationswiderstand bei konstant bleibendem Hilfsstrom.

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7 35
0. D i e Hessun g JcZeinev l % n ~ p e r a t u r d . r e ~ ~ ~ e ~ ~
mit T herrno e l e m en ten
z t t ~ d e i n Konapen satdonsappamt m.lt kwnstccntenz
klein e n Xompe?asatdonswiderstand be4 konstnnt
tileibendern HiZfsstrona; v o n H . H a u s r a t h .
Die Bedingungen, velche bei der Messung kleiner Temperaturdifferenzen durch Thermoelemente einzuhalten sind, um
weder die zu messende Temperaturverteilung zu storen, noch
fremde thermische und zufkllige Starungen mitzumessen , sind
fur die verschiedensten Anwendungen erkannt und auch experimentell bestatigt worden. Die Anregung clazu, die gunstigsten
Vrrsuchsbedingungen nach meinen hierbei fruher gemachten
Erfahrungen zu diskutieren , erhielt ich von technischer Seite
zu dem speziellen Zweck, die Grundlagen fur mit groBeren
Mitteln auszufuhrende Messungen der Temperaturverteilung in
der Umgebung stromdurchflossener Kabel nach Moglichkeit
festzulegen. Es schien in diesem Fall die Verwendung einer
Versuchsanordnung unerlaiSlich, welche bei grol3ter Empfindlichkeit die in diesem Fall besonders grogen Stiirungen von
selbst ausschlieBt und trotzdem dieselbe Einfachheit des MeBverfahrens erlaubt, wie sie bei der Messung relativ groBerer
Spmnungen an den bekannten Kompensationsapparaten erreicht ist.
Der Mitteilung dieser Anordnung, welche auch fur andere
als die genannte spezielle Anwendung von Vorteil sein diirfte,
scheint es berechtigt, eine kurze Zusammenfassung der Grundsatze vorttuszuschicken , welche zu ihrer Konstruktion fiihrten
und bei ihrer Verwendung als maBgebend betrachtet wurden.
Es wird sich dabei auch Gelegenheit zur Erwahnung einiger
praktischer Kunstgriffe geben, die bei der Messung von Thermoeffekten niitzlich sein konnen.
Die Empfindlichkeit der Messung einer gegebenen elektromotorischen Kraft ist bekanntlich um so groBer, je kleiner der
M'iderstand ihres SchlieBungskreises, sei es, daB der Ausschlag
direkt gemessen oder kompensiert wird. In zweiter Linie ist der
48 *
11. Hausrath.
736
Galvanometerwiderstand moglichst gleich dem au6eren zu
wahlen,l) d. h. gleich dem Widerstand der Thermoelemente
und der Zuleitungen, dazu eventuell noch dem Kompensationswiderstand.
Die Einhaltung dicser Bedingungen fur die elektrische
Messung ist besondera durch folgende praktische Erfordernisse
der thermischen Bestirnmung beschrankt , yon deren richtiger
gegenseitiger Abwagung der experimentelle Erfolg abhangt. Urn
an der Lotstelle die Temperatur, welche dem zu messenden
Wiirmezustand entspricbt, tatsachlich zu erhalten, sol1 der Temperaturausgleich zwischen ,,Lotstelle" und deren Umgebung geniigend rasch gegenuber der Warmeableitung durch die Drkhte
verlaufen. Man erreicht dies bei Temperaturmessung in Fliissigkeiten, sofern ein Uberzug des blanken Metalls mit Asphaltlack,
,,Elektralack" oder dergleichen zulsissig ist , durch Einloten
oder -Nieten der Drahte in einen Metallklotz. Bei der voii
mir fruher verwendeten Form ist zum gleichen Zweck Quecksilher in die unten kugelformig aufgeblasenen Enden von Glasrohrchen eingefiillt worden, in welche die beiden Drahte an
den blanken Enden provisorisch verlotet eingefiihrt sind.
Sol1 durch die Thermoelemente die relative Ternperaturverteilung oder -VerHnderung innerhalb eines festen Korpers
gemessen werden, z. B. die Temperaturverteilung in der Umgebung eines stromdurchflossenen Kabels, 80 empfiehlt sich,
urn das Temperaturfeld nicht zu storen, Metallscheiben als
,,Lotstelle'i zu verwenden, welche mbglichst in die zu erwartenden Nireauflachen gelegt werden. Rei Messungen an
erwarmten Stiben vertreten letztere selbst die Rolle des
Metallklotzes, wenn die Lotstelle der sehr dunnen Drahte
fest an den Warmeleiter angepreBt ist. Die Verhinderung
der Wiirmeentziehung erfordert in allen diesen Fallen, solange
die in Laboratoriumversuchen ublichen Dimensionen nicht iiber1) Da bei gegebenem Wicklungsvolumen des Galvanometers unter
Vernachliissigung der fiir die verschiedenen Querschnitte der isolierten
Dribte bedingten Verschiedenheit der Raumausnutzung der Widerstand w!,
der Windungszahl n direkt proportional, die Stromempfindlichkeit A ihrem
Quadrat proportional ist ( M a x w e l l ) , folgt durch Elimination von n fur
den Ausschlag a = A i bei gegebencr elektromotorischer Kraft ein Ausdruck, der im angegebenen Grenzftlll seinen Maximalwert erhiilt.
.
Jlessuny kleiner Temperaturdifferenzen ctc.
737
schritten werden, eine Beschrankung des Drahtquerschnittes.
Ansetzen dickerer Drahte auBerhalb des untersuchten Systems
sol1 jedoch ebenfalls vermieden werden. Das Ausziehen dickerer
Drahte innerhalb des untersuchten Systems, welches eine merkliche Anderung der Thermokraft mit sich bringen kann, oder
das Ansetzen diinnereu Drahtes sollte nur rnit der Vorsicht geschehen , daB sich die AnschluBstellen untereinander
auf gleicher Temperatur befinden. Wird zur Messung sehr
kleiner Temperaturdifferenzen eine Bntterie von Elementen benutzt, so hat deren Hintereinanderschaltung auf dem kilrzesten
Wege zu geschehen. Bei der Wahl der Drahtsorten wird die
Kombination Konstantan-Eisen, obgleich sie mit 53 Mikrovolt
pro Grad Telnperaturdifferenz nachst Wismut-Antimon den
groBten Effekt gibt, in ausgedehnteren Leitungen oft ungtinstiger sein als Konstantankupfer rnit nur 40 Mikrovolt.
1st nun mit diesen Riicksichten der Widerstand festgelegt
worden? welcher ohne Schaden fur die Zuverlassigkeit der
thermischen Bestimlnung nicht unterschritten werden darf, so
wird die Verwendung eines Drehspulengalvanometers von nahe
gleichem Widerstand noch davon abhangig sein, ob die Dampfung
dem aperiodischen Zustand nahe kommt. Fur derartige Zwecke
bestimmte Galvanometer sollen also hochstens einen Widerstand
von ihrern eigenen Betrag erfordern, um den aperiodischen
Grenzfall zu erreichen. 1st fur ein verfiigbares Instrument
hierzu gr6Berer AuBenwiderstand nbtig, als dem oben bezeichneten Widerstandsminimum enstpricht, so kann dies je
nach der erreichten Empfindlichkeit entweder der Reduktion
der Leitungsquerschnitte oder der VergroBerung der Thermosaule zugute kommen. J e kleinerer Widerst and vom Galvanometer und SchlieBungskreis kombiniert werden kann , desto
kleinere Elementenzahl reicht naturlich zur Messung eines gegebenen EfTektes aus.
Mit derart gesteigerter Einpfindlichkeit steigt in gleichem
MaBe die Empfindlichkeit gegen auBere Storungen, denen auf
folgende Weise entgegen gewirkt werden kann. Die Leitungsdrahte zum Galvanometer werden aus einem eiuzigen Stuck
gezogen und wenn moglich unmittelbar an die iiuBersten Lotstellen der Thermosaule gefiihrt. Das Galvanometer wird mit
einem Warmeisolator umgeben. hls Umschalter dient ein aus
733
H. I-lausratli.
Qlas geblasener sogenannter Vierweghahn, der mit Quecksilber
gefiillt ist. Die Zuleitnngen finden clurch Patentgummischlauche
statt, deren Enden etwa mit rundcn Kupferstiickchen abgeschlossen
werden, an denen sich die Leitungsdrahte anschlieBen. Diese
vier Verbindungsstellen sind wieder in einem gut isolierten
GefaBe zusammenzufiihren , um sie auf gleicher Temperatur
zu halten.
Der Verwendung eines Xompensationsapparates, bei
welchem auf bekannte Weise durch Stopsel oder Kurbeln
ein variabler Kompensationswiderstand in einem Stromkreise
von konstnntem Gesnmtwiderstand hergestellt wird , stehen
die bekannten hierbei auftretenden thermischen und elektrolytischen Storungen entgegen. Diese Methode ist aber bei
Messung kleiner Effekte schon dadurch ausgeschlossen, daB
mit der Kompensation, sofern sie fein genug ausfiihrbar sein
soll, eine lnit Riiclrsicht auf die Empfindlichkeit unznlassige
Erhiihung des SchlieBungswiderstandes der Thermoelemente
verbunden ware.') Urn auf 1 Proz. regulieren zu konncn
muB bei der Feussnerschcn Anordnung 100, bei der R a p s schen 1000 Ohm zwischen den Potentialleitungen liegen. Dayon abgesehen, wird der Dampfungszustand gerade der im
ubrigen am besten geeigneten Spulengalvanometer unter solchen
Versuchsbedingungen leicht ein zu ungunstiger, um kleinere
und groBere Effekte gleichzeitig bequem messen zu konneu.
Diese Griinde haben die physikalisch-technische Reichsanstnlt wohl bestimmt, selbst bei der Messung von pyro.
metrischen Zwecken dienenden Thermoelementen einen Satz
kleiner Manganinwiderstinde mit sorfliltig geschiitzten kupfernen
Kontaktklotzen und -Klemmen als Kompensationswiderstande
zu beniitzen, an denen die Abzweigungen zum Thermoelement
fest angelegt werden. Die Variierung der Spannung geschieht
dabei durch Auswahl des geeigneten Kompensationswiderstandes
fur die groheren Stufen des MeBbereiches und durch Veranderung der Stromstarke im Hauptkreis fur die feinere Ein1) Hrn. Prof. H. J a b n verdsnke ich die freundliche Mitteilung,
daB beirn Versuch, meine Gefrierpunktsbestimmungen (1. c.) unter Verwendung eines R a p s schen Kompensationsapparats zu wiederholen, die
Empfindlichkeit der Anordnung nicht ausreichte.
IlrZkssung kleiner Temperaturdiferenzen etc.
739
regulierung. Die Stromstarken mussen so mit einem Milliamperemeter gemessen werden.
Bei Messung sehr kleiner Temperaturen verwendete ich
schon fruher einen in einem geschtitzten Ge€at? verschlossenen
Manganindraht - diese Komposition hat bekanntlich nur eine
verschwindend kleine Thermokraft gegen Kupfer - und konnte
hierbei die Spannung durch eine Widerstandskombination
variieren, welche die Hauptstromstarke nahezu konstant hielt.
Wurde auch so die Verwendung eines Zeigergalvanometers
verxnieden, so mar doch das Abgleichverfahren und die Berechnung ziemlich muhsam und zeitraubend.
Durch die im folgenden beschriebene Widerstandskombination durfte jedoch bei volliger Wahrung der dislrutierten Forderungen fiir einwandsfreieMessung kleiner Thermoeffekte das MeBverfahren
ebenso einfach gestaltet sein, wie dies bei
den bekannten Kompensationsapparaten zur
Messung nicht zu kieiner Spannungen der
Fall ist.
Ein Element der Anordnung (Fig. 1)
besteht aus zwei parallel liegenden Reihen
( L und €2) von Widerstanden, welcbe so abgeglichen sind, daB bei jeder Stellung der
Kontaktschienen S derselbe Kombinationswiederstand (1 9)resultiert. Der Betrag der
einzelnen Stufen in Mho l) von den Zuleitungsschienen U und 0 aus gerechnet ist zur Seite
geschrieben. Sei nun die Stromstarke im
Hauptkreis auf 1 Amp. einreguliert , so
zeigen diese Zahlen zugleich die Spannung an,
melche an dem Einheitswiderstand zwischen U
Fig. I.
und P herrscht, wenn der gemeinsame
Schlitten der voneinander isolierten Kontaktbiigel K auf der betreffenden Zabl der Reihe J steht.
1) Das Bedurfnis nach einer Benennung der Leitflihigkeihinheit,
das u. a. durch ein Referat YOU Prof. T e i c h m i i l i e r auf dem letzten
Verbandstag Deutscher Elektrotechniker zum Ausdruck gebracht wurde,
hat die Einfuhrung dieser Bezeichnung
in der einschlQigen Literatur
schon mehrfach veranla6t.
(v)
740
H.Haiisratli.
Legt man also die zu kompensierende elektromotorische
Kraft an U P an, so ersetzt die Anordnung die Dezimalgruppe
eines Kompensationsapparates , welche die Spannung in zehn
gleichmaBigen Stufen variiert.
Um zu dieser Gruppe die Unterdeeimale zu erhalten,
konnte man die gleiche Anordnung unter Parallelschaltung
von 1/8 Ohm mit dem Einheitswiderstand der erst Stufe an
U anschlieBen und die Abzweigungen an die bumme der
Einheitswiderstande legen. Man wurde aher auf diese Weise
zu keiner weiteren Unterteilung kommen, wenn nicht etwa
ein in getrenntem Stromkreis liegender MeBdraht durch eine
Potentialleitung angeschlossen wiirde? so daB zu dem Kompensationswiderstand noch das jeweils abgegriffene Stuck des
MeBdrahtes hinzukommt.
Man wird jedoch aus mehreren Grunden einer Anordnung
den Vorzug geben, welche nur eine einzige Hilfstromqnelle ver-
Y
+
Fig. 2.
langt. In Fig. 2 ist das Schema einer solchen angegeben.
Hier werden die beiden Rheostatensatze miteinander durch
einen MeBdraht verbunden, an dem auch die Stromzufuhrung
mittels eines Schleifkontaktes erfolgt. Der MeBdraht wird
in gleich zu erlauternder Weise auf eine Lange, welche den
Widerstand 0,005 Ohni besitzt, mit Skalenteilung versehen.
Parallel mit ihm ist ein gleich starker Draht gespannt mit
einem Schleif kontakt, welcher mit dem ersten mechanisch verbunden ist.
JIessung kleiner Ikmperaturdifferenzen etc.
741
Der Strom verzweigt sich durch die beiden Satze 1 und 2
und ihre Vorschaltwideratande w, und w,, welche beide Zweige
auf gleichen Gesamtwiderstand sbgleichen. Bei der gemeinsamen Verschiebung der Zuleitungslcontakte bleibt der Widerstand und hiermit der Strom in beiden Zweigen gleich groB.
Die Anfangs- und Endpunkte der Me6drahtskala werden
nun so festgelegt, daB bei Stellung des Schleifkontaktes auf
A die Potentialdifferenz zwischen den Abzweigungsklotzen P,
und Pz verschwindet, wenn der Schleifkontakt Kl der
Gruppe 1 (erste Dezimale) und der Schleifkontakt K . der
Gruppe 2 (zweite Dezimale) gleichzeitig auf Null stehen und
daB bei Stellung auf E die Potentialdifferenz verschwindet,
wenn Kl auf Null aber K, auf 0,Ol steht. Die Zahlen an
den Rheostatenkontakten bedeuten dabei wieder die Leitfahigkeit der betreffenden Reihe von den Zufuhrungsschienen U,
und U, aus gerechnet, also zugleich die zugehorige Spannung
an den ersten (Einheits-)Stufen, fur die Stromstarke von 1 Amp.
Die Skalenlange begrenzt dann auf dem MeBdraht den Widerstand von 0,005 Ohm und die Verschiebung der Stromzufuhrung
auf den MeBdrahten bewirkt nach obiger Festlegung cler Skala
die Einregulierung der Spannungsdifferenz zwischen PI und P2
innerhalb einer Einheit der zweiten Dezimale.
Die folgende tabellarische Ubersicht iiber einige Grenzfalle der Einstellung wird dies kltlrer machen. In dieser bezeichnet: Reihe 1 und 2 die Stellung der Kurbelkontakte Kl
und K,, Reihe 3 die (End-)Lagen der Zufuhrungskontakte k
und h’, Reihe 4 und 5 die beiden Potentialwerte an den Abzweigungen Pl und Pa fur 1 Amp. Stromstarke, Reihe 5 die
kornpensierende Potentialdifferenz Pa - PI. In Wirklichkeit
wird der MeSbereich nicht hoher als 0,Ol Volt gewahlt werden
entsprechend einer Stromstarke von 0,Ol Amp. Man hat also,
um die tatsachlichen Spannungen zu erhalten, samtliche GrijBen
noch durch 100 zu dividieren.
Iil
Ir,
0
0
A
E
0
0,Ol
A
0,09
E
A
0
1C
E
Pl
0
- 0,0005
0
- 0,005
0
0,005
-
p2
0
+ 0,005
+ 0,001
0,015
0,09
0,095
+
+
+
p2 - Pl
0,000
0,oo 1
0,001
0,002
0,090
0,100
€I.Hausraih.
142
K]
lC2
0,l
0
0,I
0,Ol
I;
A
E
0,7
0,04
a
E
A
E
0,9
0,09
a
E
PI
- 0,100
- 0,105
- 0,100
- 0,105
- 0,700
- 0,705
- 0,900
- 0,905
pa
+ O
0,005
+
+ 0,010
+ 0,015
I- 0,040
4- 0,045
+ 0,090
+ 0,095
P.
- PI
0,100
0,110
0,110
0,120
0,740
0,750
0,990
1,000
Die Tabelle zeigt, daB in der Tat durch Einstellung der
drei Doppelkontakte des Apparates eine stetige Variierung der
Spannungsdifferenz zwischen PI und P, erreicht wird, wahrend
der Widerstand zwischen diesen Punkten den konstanten Betrag von ca. 2,Ol Ohm besitzt. Die Abzweigungspunkte selbst
bleiben bei der Messung unberiihrt. Die eingangs genannten
Storungen , welche durch Verschieben der Kurbelkontakte an
den bekannten Xompensationsapparaten auftreten k8nnen, sind
beseitigt. Die an einen Kompensationsapparat zur Messung
von Thermoeffekten gestellten Forderungen erscheinen also
samtlich erfiillt. Ein Nachteil gegeniiber den bekannten
Appnraten besteht jedoch jedenfalls in dem Ubergangswiderstand der Stromzuleitung an MeBdrabten. Da jedoch der
Gesamtwiderstand der Kombination bei dem in Betracht
kommenden MeBbereich auf nahezu 50 Ohm gebracht werden
kann, selbst wenn man mit einem Akkumulator als Stromquelle auskommen und noch einen MeBwiderstand zur Kompensation des Westonelementes im Hauptkreis vorsehen will,
so scheint ein EinfluB des Ubergangswiderstandes gegeniiber
dem Gesam twiderstand bei geniigender Reinhaltung der Kontakte ausgeschlossen. Dabei ist zu berucksichtigen, daB die
DraEte den Durchmesser von beilaufig 5 mm erhalten und
dementsprechend starke und fest angepreBte Kontaktrollen
Verwendung finden kiinnen. D a m kommt, daB als Fehler
nur die Andernngen des Ubergangswiderstandes in Betracht
kommen, da der Absolutwert derselben nicht auf die Strornverteilung, sondern nur auf die Gesamtstromstarke EinfluB hat.
Es bedarf wohl keiner besonderen Erlauterung, da8 die
endliche QroBe der Kontaktflache an den MeBdrahten und die
dadurch verursachte Unstetigkeit der Stromdichte an der Zufuhrungsstelle bei der angewandten Methode der Abgleichung
afessung k k k T Temperaturdzfferenzene!c.
743
und Messung keinen EinfluB hat. Die fundamentalen Ubelstande der bekannten MeBdrahtkompensatoren liegen bei dem
vorliegenden nicht vor. Sein Querschnitt erhllt beilaufig den
tausendfachen Betrag gegeniiber diesen. Die Endfehler fallen
fort, da die Verbindungen des Drahtes mit den Schienen U,
iind U, aul3erhalb der Enden der Skala liegen; schlieBlich
ergeben die Ablesungen am MeBdraht uberhaupt erste die dritte
Dezimalstelle des Resultates. Dagegen nimmt der Apparat
an Clem Vorteil der MeBdrahtkompensatoren teil, da6 er innerhalb seines MeDbereiches eine stetige Einregelung ergibt. Bei
dem vorliegenden Kompensator sind deshalb nur drei Kurbeln
bez. Kontaktschlitten zu betatigen, wahrend die reinen Rheostatenkompensatoren deren funf erfordern.
Bei 0,Ol Amp. in jedem Zweig, also 0,02 Amp. im
Hauptzweig , sind rnit einem Thermoelement Temperaturdifferenzen bis zu 200° zu messen. Durch Einschalten eiries
Widerstandes von 50,95 Ohm in diesen Zweig erzielt man
also in ublicher Weise die Stromabgleichung mit Westonelement. Zur Herstellung kleinerer NeBbereiche laBt sich wie
am F r a n lr eschen MeBdrahtkompensator eine Kombination von
Vorschaltwiderstanden r und NebenschluBwiderstiden w verwenden, welche bei Konstanterhaltung der Hauptstromsfarke
die Spannung am Kompensator auf geignete Bruchteile zu
reduzieren gestattet. Das gleiche ist natiirlich auch durch Vorschaltwiderstande und einen Satz von MeBwiderstilnden fir des
Westonelement zu erreichen. Fur die gewahlten Verhaltnisse
fillt der grijBte MeBbereich auf die Spannung, bei welcher den
bekannten Appsraten der kleinste MeSbereich mit Regulierbarkeit
von 0,l Proz. gegeben wird. E r schlieDt sich also auch in dieser
Beziehung den ublichen Kompensationsapparaten praktisch an.
Werden zur Vermeidung von Thermoeffekten die Klatze P,
und P, aus Kupfer hergestellt, so geniigt die Anordnung offenbar allen gestellten Forderungen. Noch bleibende Starungen
kannen durch den beschriebenen thermoeffektfreien Kommutator eliminiert werden, mit dem prektisch der Kommutator
detj Hilfsstromes suf gleicher Achse drehbar kombiniert wird.
K a r l s r u h e , Elektrotechn. Inst. der Techn. Hochschule.
(Eingegangen 23. Msi 1905.)
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