Titel: | ÜBER FERNTHERMOMETER FÜR TECHNISCHE ZWECKE. |
Autor: | A. Koepsel |
Fundstelle: | Band 327, Jahrgang 1912, S. 722 |
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ÜBER FERNTHERMOMETER FÜR TECHNISCHE
ZWECKE.
Von Dr. A. Koepsel in
Charlottenburg.
KOEPSEL: Ueber Fernthermometer für technische Zwecke.
Inhaltsübersicht.
Es wird auseinandergesetzt, warum die elektrischen Thermometer für
gewisse Zwecke vor den Quecksilberthermometern den Vorzug verdienen. Die Vorteile
der Widerstandsthermometer vor den thermoelektrischen Thermometern werden erörtert,
und die Forderungen für ein zu technischen Zwecken brauchbares
Widerstandsthermometer aufgestellt. Endlich werden praktische Ausführungsformen
solcher Thermometer namhaft gemacht und näher beschrieben, und zum Schluß ein kurzer
Ueberblick über die Verwendungsgebiete derselben gegeben.
––––––––––
Für die Messung von Temperaturen war man bisher auf die Ausdehnung der Gase oder der
Metalle angewiesen. In der Technik hat sich das Wasserstoffthermometer, welches zwar
die genauesten Resultate ergibt, nicht einbürgern können wegen der
Unbequemlichkeiten, die mit seinem Gebrauch verbunden sind. Das
Quecksilberthermometer hat für lange Zeit die Vorherrschaft innegehabt, weil es für
die meisten Zwecke ausreichte und wegen seiner Einfachheit und Wohlfeilheit am
ehesten allgemeine Verbreitung finden konnte. Immerhin war seine leichte
Zerbrechlichkeit ein Faktor, der es wünschenswert erscheinen ließ, einen Ersatz
dafür zu besitzen.
Trotzdem hätte seine Vorherrschaft wohl noch länger angehalten, wenn nicht weitere
Forderungen der Industrie hinzugetreten wären, welche das Quecksilberthermometer
nicht wohl zu erfüllen imstande war.
Hierher gehört in erster Linie das Bedürfnis der Messung hoher Temperaturen. Hier war
dem Quecksilberthermometer bald eine Grenze gesetzt, denn da Quecksilber bereits bei
360° siedet, so mußte man, um den Siedepunkt künstlich zu erhöhen, in die Kapillare
Gase mit hohem Druck hineinpressen. Aber auch hiermit kommt man höchstens auf
Temperaturen von etwa 550° C, über welche hinaus selbst schwer schmelzbares
Spezialglas die nötige Festigkeit verliert.
Für die Messung hoher Temperaturen mußte man sich daher nach anderen Methoden
umsehen.
Hier setzte nun die Elektrotechnik ein und schuf Methoden und Apparate, welche nicht
nur für hohe Temperaturen befriedigende und exakte Resultate ergaben, sondern
auch in gleicher Weise für niedrige Temperaturen verwendbar sind.
Die elektrischen Temperaturmessungen beruhen erstens auf der thermoelektromotorischen
Kraft, welche an der Berührungsstelle zweier verschiedener Metalle bei
Temperaturänderung entsteht und welche dieser Temperaturänderung nahezu proportional
ist; zweitens auf der Veränderung des elektrischen Leitungswiderstandes reiner
Metalle, welche durch Temperaturänderung entsteht und welche dieser
Temperaturänderung ebenfalls nahezu proportional ist.
Die erstere Methode eignet sich hauptsächlich für solche Fälle, wo große
Temperaturdifferenzen in Frage kommen, weil einmal die therm. E. M. K. für die
Temperatureinheit sehr gering ist, und weil zweitens diese Methode von der
Temperatur des Beobachtungsraumes abhängig ist, und sich daher Temperaturänderungen
der letzteren bei der Messung kleiner Temperaturdifferenzen viel störender bemerkbar
machen, als wenn es sich um große Temperaturintervalle handelt.
Die zweite Methode der Widerstandsmessung ist von diesen Mängeln frei und kann, da
für Widerstandsmessungen sehr empfindliche Methoden existieren, sowohl für kleine,
als auch für große Temperaturintervalle benutzt werden und gibt in beiden Fällen
exaktere Resultate als die thermoelektrische Methode. Außerdem kann die
Uebertragungsentfernung als fast unbegrenzt bezeichnet werden, was als ein
besonderer Vorteil der elektrischen Thermometer betrachtet werden muß. Wir wollen
uns daher mit der letzteren Methode als der exakteren und aussichtsvolleren
beschäftigen.
Die Widerstandsänderung der Metalle mit der Temperatur ist in hohem Grade von der
Reinheit derselben abhängig, und zwar ist sie um so größer, je reiner das Metall
ist, so daß der sogenannte Temperaturkoeffizient d.h. die Widerstandsänderung für
die Einheit der Temperaturänderung direkt als ein Kriterium für die Reinheit des
Metalls betrachtet werden kann. Temperaturkoeffizient und Leitungsfähigkeit
stehen ebenfalls in einem Abhängigkeitsverhältnis zueinander, und zwar ist bei ein
und demselben Metall der Temperaturkoeffizient um so höher, je höher die
Leitungsfähigkeit des Metalls ist.
Die geringe Verschiedenheit des Temperaturkoeffizienten reiner Metalle, welche sich
zwischen den Grenzen 0,0037 und 0,0044 bewegt, scheint darauf hinzudeuten, daß
wirklich reine Metalle ein und denselben Temperaturkoeffizienten von etwa 0,0042
haben und daß Abweichungen davon gewissen Verunreinigungen zuzuschreiben sind, z.B.
der hohe Koeffizient des Eisens der Gegenwart von Kohlenstoff, der geringe des
Platins der Gegenwart von Wasserstoff.
Legierungen, welche hohen Widerstand besitzen, zeigen fast durchweg kleinen
Temperaturkoeffizienten. Eine Ausnahme davon machen einige Nickelstahllegierungen,
welche bei sehr hohem spezifischem Widerstand Temperaturkoeffizienten von der Größe
desjenigen der reinen Metalle aufweisen. So z.B. zeigt ein Nickelstahl mit 48 v. H.
Nickel bei einem Widerstand von 0,5 (Hg = 1) einen Temperaturkoeffizienten von
0,0031 pro 1° C und ein solcher mit 57 v. H. Nickel bei einem Widerstand von 0,4 (Hg
= 1) einen Temperaturkoeffizienten = 0,0033 pro 1° C, und es dürfte nicht
ausgeschlossen sein, daß gewisse Nickelstahllegierungen höhere
Temperaturkoeffizienten zeigen könnten als die reinen Metalle, ein Ziel, das für die
Thermometrie als erstrebenswert bezeichnet werden muß.
Das Bestreben der Technik, mit möglichst unempfindlichen Meßinstrumenten auszukommen,
dem die Erfahrung zu Grunde liegt, daß die unempfindlichen Meßinstrumente meist die
einfachsten, haltbarsten und last not least billigsten sind, führt bei elektrischen
Widerstandsthermometern zu der Forderung eines möglichst hohen
Temperaturkoeffizienten. Als ein glücklicher Umstand ist es hierbei zu betrachten,
daß die höchsten Temperaturkoeffizienten auch den reinsten Metallen angehören, denn
sie werden daher auch die konstantesten sein, da ein Metall Molekularveränderungen
durch Erhitzung und Wiederabkühlung usw. um so weniger unterworfen sein wird, je
reiner es ist.
Man wird daher für Widerstandsthermometer reine Metalle verwenden. Da mit der
Erhitzung und Wiederabkühlung meist Oxydationserscheinungen verbunden sind, die den
Widerstand des Thermometers verändern, so muß man sich nach solchen Metallen
umsehen, bei denen diese Gefahr nicht besteht, d.h. es müßten Edelmetalle gefordert
werden. Für die Technik tritt hier der Preis als störender Faktor hervor.
Man wende hier nicht ein, daß ja die Dicke des Drahtes beliebig klein gewählt werden
kann, so daß der Preis des Materials keine Rolle spiele. Dem ist entgegenzuhalten,
daß man mit der Dicke des Drahtes nicht wohl unter eine bestimmte Grenze gehen kann,
wenn man nicht den Vorteil der unempfindlichen Meßinstrumente aufgeben will, den die
Technik nicht entbehren kann; denn der durch das Thermometer fließende Meßstrom
erwärmt dasselbe; diese Erwärmung ist aber der Masse des als Thermometer dienenden
Widerstandes umgekehrt proportional. Man wird daher dem Thermometer eine solche
Masse geben müssen, daß bei den in der Technik nicht zu unterschreitenden
Stromstärken die Eigenerwärmung des Thermometers unter der Grenze bleibt, welche als
zulässiger Fehler des Instrumentes betrachtet werden kann, d.h. die Eigenerwärmung
darf höchstens einige Zehntel Grad über die Umgebungstemperatur betragen.
Unter Zugrundelegung dieser Forderung ergibt sich indessen für das Thermometer eine
Masse, für welche die Verwendung von Edelmetallen sich als zu kostspielig
herausstellen würde, wenigstens, wenn man Instrumente mit einem Gütefaktor von
mindestens 0,15\,\frac{\mbox{Drehmoment}}{\mbox{Spulengewicht}}
verwenden will, die für die Technik noch als zulässig erachtet werden können.
Fernthermometersysteme, welche dieser Forderung nicht genügen, müssen als für die
Technik unbrauchbar bezeichnet werden.
Wohl oder übel wird man sich also nach einem Metall umsehen müssen, welches mit nicht
zu hoher Leitungsfähigkeit den Vorteil der schweren Oxydierbarkeit verbindet, und
welches in genügender Reinheit und Konstanz erhältlich ist.
Ein solches Metall ist Nickel. Es besitzt ungefähr den gleichen Widerstand wie
Platin, ist in genügender Reinheit (99,5 v. H.) erhältlich, besitzt dabei einen
Temperatur-Koeffizienten von 0,0042 pro 1° C, ist schwer oxydierbar und ungefähr 800
mal wohlfeiler als Platin.
Das vorher Gesagte bezieht sich natürlich nur auf solche Fernthermometer, welche zur
Messung kleinerer Temperaturintervalle von etwa 50° C bestimmt sind. Für
Temperaturintervalle, welche sich auf mehrere Hundert Grad erstrecken, können
indessen vom ökonomischen Standpunkte aus ebensowohl Edelmetalle Verwendung finden,
weil hier die Widerstandsänderungen so groß sind, daß man mit so kleinen
Stromstärken auskommt, daß auch sehr dünne Drähte nicht nennenswert erwärmt werden
und doch die Verwendung relativ unempfindlicher Apparate gestatten. Bei so hohen
Temperaturen also, wo die Benutzung unedler Metalle wegen deren Oxydierbarkeit
ausgeschlossen ist, leistet das Widerstandsthermometer aus Edelmetall auch in
ökonomischer Hinsicht noch vorzügliche Dienste, trotzdem ihm hier das Thermoelement
wegen seiner Einfachheit den Rang streitig machen kann, weil hier die Schwankungen
der Raumtemperatur, von denen das Widerstandsthermometer fast frei ist, keine so
große Rolle spielen, als es bei der Messung kleiner Temperaturintervalle der Fall
ist.
Fragen wir nun, welche Vorteile die elektrische Temperaturmessung, welche doch in
jedem Falle umständlicher und kostspieliger ist als die mit dem
Quecksilberthermometer, überhaupt besitzt, um trotz dieser scheinbaren Nachteile
doch begehrenswert zu erscheinen, so sind es in der Hauptsache drei Punkte, welche
als überwiegender Vorteil dieser Methode zu betrachten sind. Diese bestehen darin,
daß erstens das elektrische Thermometer über die ganze Temperaturskala hin von etwa
– 260° C bis + 2000° C gebraucht werden kann, während das Quecksilberthermometer nur
ein Intervall von etwa – 30° C bis + 500° C umfaßt; zweitens das elektrische Thermometer eine
Konstanz besitzt, welche vom Quecksilberthermometer nicht erreicht wird, trotzdem
hier in jüngster Zeit durch die bahnbrechenden Arbeiten der Firma Schott & Gen. in Jena viel gebessert worden ist;
drittens, und das ist wohl die Hauptsache, daß die Angaben des elektrischen
Thermometers mühelos auf weite Entfernungen übertragen werden können.
Die elektrischen Thermometer werden daher in erster Linie als Fernthermometer ihren
Rang behaupten, und da gerade in jüngster Zeit für viele industrielle Betriebe die
Fernmessung von Temperaturen geradezu ein Bedürfnis geworden ist, so erhält diese
Art der Temperaturmessung eine immer steigende Bedeutung und immer umfangreichere
Verwendung.
Infolgedessen entstand auf diesem Gebiete ein neuer Industriezweig, welcher sich die
Aufgabe stellte, den Bedürfnissen der Technik nach Temperaturfernmeßapparaten
nachzukommen.
Die Firma Dr. A. Koepsel, G. m. b. H., in Charlottenburg,
hat sich speziell mit der Ausbildung derartiger Anlagen für industrielle und
behördliche Betriebe befaßt und eine Reihe von Spezialkonstruktionen ausgeführt,
welche den technischen Bedürfnissen in weitgehendster Weise entsprechen.
Im nachfolgenden sollen einige dieser Spezialkonstruktionen besprochen und an Hand
von Abbildungen erläutert werden.
Textabbildung Bd. 327, S. 723
Fig. 1.
Das Grundprinzip dieser Konstruktionen bildet die Wheatstonesche Brücke (Fig. 1). Die
Widerstände abc sind konstant und mit der Temperatur
nicht veränderlich. Der Widerstand t, welcher das
Thermometer bildet, ist mit der Temperatur veränderlich. Verhalten sich die
Widerstände a : b wie c : t, so fließt kein Strom durch das in den Brückenzweig
eingeschaltete Galvanometer. Aendert sich nun t mit der
Temperatur, während ab
Fig. 1. und c konstant
bleiben, so zeigt das Galvanometer einen Strom an, welcher der Widerstandsänderung
von t nahezu proportional ist. Da nun die
Widerstandsänderung von t der Temperaturänderung
proportional ist, so ist der Ausschlag des Galvanometers der Temperaturänderung
proportional, d.h. der Ausschlag des Galvanometers ist ein direktes Maß für die
Temperaturänderung.
Wenn abct die Widerstände der vier Zweige sind, G der Widerstand des Galvanometers, E die E. M. K. der Batterie, so ist der durch das
Galvanometer fließende Strom
i=\frac{E\,(a\,t-b\,c)}{G\,(a+b)\,(c+t)+a\,b\,(c+t)+c\,t\,(a+b)}.
Wie man sieht ist i von der E. M. K. der Batterie
abhängig, da indessen letztere mit der Zeit etwas abnimmt, z.B. bei Verwendung von
Akkumulatoren bis zu 10 v. H., so würde die Anzeige des Galvanometers nach
längerem Gebrauch bis zu 10 v. H. fehlerhaft sein können. Um diesem Uebelstande
vorzubeugen, gibt es zwei Mittel: entweder, man versieht das Galvanometer mit einem
Nebenschlußwiderstand, welcher dem Rückgange der E. M. K. der Batterie entsprechend
erhöht werden kann, so daß ein entsprechend höherer Prozentsatz des Stromes durch
das Galvanometer fließt; oder man versieht das Galvanometer mit einem magnetischen
Nebenschluß, welcher gestattet, das magnetische Feld des Drehspulengalvanometers dem
Rückgange der E. M. K. der Batterie entsprechend zu vergrößern.
Der letztere Weg ist der einfachere und genauere, denn durch die Aenderung des
magnetischen Feldes wird die Empfindlichkeit des Galvanometers über die ganze Skala
hinweg gleichmäßig verändert, während der Widerstand des Instrumentes konstant
bleibt, außerdem ist eine Beeinträchtigung der Angaben durch Uebergangswiderstände
an Schleifkontakten, die beim Nebenschlußwiderstand leicht auftreten kann,
ausgeschlossen.
Es gibt auch noch eine dritte Methode, die Veränderung der E. M. K. der Batterie ohne
Regulierung gänzlich auszuschalten, d. i. die Differentialschaltung mit gekreuzten
Spulen, bei welcher das Galvanometer kein Direktionsmoment besitzt. Hierbei wird die
Zeigerstellung durch das Verhältnis zweier Stromkomponenten bestimmt, welches
Verhältnis von der E. M. K. der Batterie unabhängig ist. Diese Methode erfordert
indessen Spezialinstrumente und besitzt daher den Nachteil größerer Kostspieligkeit,
welcher in der Technik eine nicht zu unterschätzende Rolle spielt.
Wir wollen uns daher nur mit der zweiten Methode als der vorteilhaftesten
beschäftigen. Um die Angaben des Galvanometers trotz Herabgehens der E. M. K. der
Batterie konstant zu erhalten, wird folgendermaßen verfahren. Ein mit der Temperatur
nicht veränderlicher Widerstand wird statt des Thermometers in den Stromkreis
eingeschaltet; dieser Widerstand wird so gewählt, daß er gleich dem Widerstand des
Thermometers bei einer bestimmten Temperatur, z.B. 30°, ist, dann muß sich, wenn die
E. M. K. der Batterie unverändert geblieben ist, das Galvanometer auf 30° C
einstellen. Ist aber die E. M. K. der Batterie zurückgegangen, so wird der Zeiger
unter 30° C stehen bleiben. Will man nun erreichen, daß das Galvanometer trotzdem
wieder richtig zeigt, so verstärkt man mittels des magnetischen Nebenschlusses das
magnetische Feld so, daß sich der Zeiger wieder auf 30° C einstellt. Auf diese Weise
werden auch sämtliche anderen Stellungen proportional korrigiert, d.h. das
Instrument zeigt in allen Stellungen wieder richtig.
Nun ist aber noch ein Hauptpunkt zu beachten, welcher die Angaben des Thermometers
beeinflussen kann; das sind die Zuleitungen. In ausgedehnten Fernthermometeranlagen
kommen Zuleitungen von 100 m Länge und mehr in Betracht, deren Widerstand nicht
vernachlässigt werden darf, zumal wenn man bedenkt, daß wegen der Kostspieligkeit
solcher Leitungen der Querschnitt so klein gewählt werden muß, als es deren
Festigkeit zuläßt, d.h. es kommen Widerstände hierbei in Betracht, welche sich auf mehrere Ohm
belaufen und welche daher die Angaben des Thermometers um viele Grade beeinflussen
würden. Außerdem erleiden diese Zuleitungen ebenfalls eine Veränderung mit der
Temperatur, welche ebenfalls zur Fälschung der Resultate beitragen würden.
Um ersteren Einfluß zu beseitigen, wird vor jedes der Fernthermometer t noch ein konstanter Widerstand r geschaltet, welcher so groß gewählt wird, als dem
Widerstand der zu erwartenden längsten Leitung entspricht. Um das Gleichgewicht der
Brücke zu erhalten, wird vor c ein Widerstand
\frac{a}{b}\,r geschaltet. Der Apparat wird nun mit diesen
Widerständen unter Verwendung kurzer Zuleitungen, deren Widerstand vernachlässigt
werden kann, geeicht. Wird nun an Ort und Stelle ein Thermometer mit langen
Zuleitungen angeschaltet, so zeigt der Apparat eine dem zusätzlichen Widerstand der
Zuleitungen entsprechende höhere Temperatur an und es wird nun der vorgeschaltete
Widerstand r um so viel verkleinert, als dem
Widerstände der Zuleitung entspricht; dann enthält der Thermometerzweig wieder genau
denselben Widerstand t + r wie bei der Eichung und das Thermometer zeigt daher
richtig.
Um hierbei eine Widerstandsmessung der Zuleitungen oder die Temperaturmessung des
Raumes zu umgehen, kann man statt des Thermometers eine mit der Temperatur
unveränderliche Widerstandsspule einschalten, deren Wert gleich dem Widerstand des
Thermometers bei einer bestimmten Temperatur, z.B. 30° C, ist, und man reguliert nun
durch Verkleinerung des Hilfswiderstandes r das
Galvanometer auf diese Temperatur (30° C) ein. Wird dann obige Widerstandsspule
durch das Thermometer ersetzt, so zeigt es richtig.
Der zweite Einfluß, die Widerstandsänderung der Zuleitungen mit der Temperatur,
ließe sich vollständig nur durch Verwendung zweier weiterer Zuleitungen zum
Widerstand c, welche neben die Thermometerzuleitungen
gelegt werden, vollständig kompensieren. Da dies indessen zu kostspielig sein würde,
so begnügt man sich mit einer angenäherten Kompensation, welche darin besteht, daß
man den Thermometerwiderstand groß macht im Verhältnis zum Widerstand der
Zuleitungen. Bei den Fernthermometern der Firma Dr. A.
Koepsel, G. m. b. H., beträgt der Thermometerwiderstand 60 Ohm, der
Verschaltwiderstand zum Ausgleich der Zuleitungen 6 Ohm. Mit Zuleitungen von 1 qmm
Querschnitt kann also die Temperatur auf eine Entfernung von etwa 180 m übertragen
werden und die Temperaturänderung der Zuleitungen geht nur mit etwa 8 v. H. in die
Messung ein, da der Temperaturkoeffizient des Kupfers nur etwa 80 v. H. von dem des
reinen Nickels ist. Bedenkt man, daß Fehler dieser Größe nur bei der längsten
Zuleitung von 180 m in Betracht kommen und daß die Zuleitungen meist in Räumen
liegen, deren Temperaturschwankungen 5 bis höchstens 10° nicht übersteigen, so
dürfte der hierdurch involvierte Fehler im Durchschnitt nur einige Zehntel Grad
betragen. Wo größere Genauigkeit gewünscht wird, kann dieser Fehler durch
Vergrößerung des Thermometerwiderstandes oder des Querschnittes der Zuleitungen noch
beliebig reduziert werden. Für die meisten technischen Zwecke reicht indessen ein
Thermometerwiderstand von 60 Ohm und ein Querschnitt der Zuleitungen von 1 qmm
vollständig aus.
(Schluß folgt.)