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Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Bestimmung der Temperatur
des Wechsels des physikalischen Zustands eines Körpers Priorität : Frankreich, vom
10. Juni 1965 und 23. Juli 1965 Die Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur schnellen Bestimmung der Temperatur zum Gegenstand, bei welcher sich der physikaliache
Zustand eines Körpers oder einer Substanz federt, insbesondere des Schmelzpunkts
oder des Sublimierungspunkts eines Körpers in festem Zustand oder des Siedepunkts
eines Körpers in flüssigem Zustand unter normalen Umgebungsbedingungen.
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In Laboratorien wird zur Identifizierung einer z. B unter normalen
Temperatur-und Druckbedingungen in festem Zustand befindlichen anorganischen oder
organischen chemischen
Substanz oder zur Bestimmung des Reinheitsgrades
derselben hauptsächlich die Bestimmung des Schmelzpunkts dieser Substanz benutzt.
Von den verschiedenen bekannten Methoden zur Messung des Schmelzpunkts wird häufig
die der Kapillarrohre benutzt.
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Diese Methode besteht darin, ein oder mehrere Kapillarrohre, welche
den untersuchten Stoff z.B. in Form von Kristallen enthalten, an dem Vorratsbehälter
eines Quecksilberthermometers zu befestigen, diesen die Kapillarrohre tragenden
VorratsbehäLter in ein z.B. durch Schwefelsäure gebildetes Bad zu tauchen, welches
sich zweckmässig in einem Kjehldahl-Gefäss o.dgl. mit einer Kapazität von etwa 50
bis 100 ml befindet, dieses Gefäss mittels eines Brenners oder eines Heizkissens
allmah*lich auf die vermutete Schmelztemperatur der untersuchten Kristalle zu bringen,
und unmittelbar die Angabe abzulesen, welche von dem Thermometer in dem Augenblick
geliefert wird, in welchem die beginnende Schmelzung der Kristalle beobachtet wird.
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Methode beruht in der verhältnismässig
langen Dauer der Bestimmung eines Schmelzpunkts. Es ist nämlich eine gewisse Zeit
zur Vorbereitung der Nessausrustung erforderlich, insbesondere zur Füllung und Befestigung
der Eapillarrohre. Ferner ist die Warmeträgheit eines Bades von 50 bis 100 ml im
Vergleich zu der Warmekapazität des Vorratsbehalters des Thermometers sowie zu der
der in den Kapillarrohren enthaltenen Kristalle beträchtlich. Da ausserdem die den
Mepzyklus bildenden Vorgang häufig wiederholt werden müssen, um die Genauigkeit
der Ablesung des Schmelzpunkts sicherzustellen, und da die Abkühlungsdauer des Bades
besonders lang ist, erfordert ein derartiger Meßzyklus etwa ein bis zwei Stunden,
so dass die Wiederholungsperiode
des Meßzyklus diesen Wert erreicht.
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Da die Schnelligkeit der Messungen gegenwärtig insbesondere in der
chemischen Industrie einen sehr wichtigen Faktor bei den im Laboratorium ausgeführten
Forschungsarbeiten bildet, hat man sich bemüht, neue Methoden zu entwickeln, welche
den Zyklus zur Messung des Schmelzpunkts von chemischen, insbesondere reinen organischen,
metallisch- organischen und anderen Stoffen beschleunigen. Es sind insbesondere
zwei Methoden entwickelt worden, welche die Dauer des Meßzyklus beträchtlich vercurzenX
Die erste sogen. Maquenne-Block-Methode besteht darin, das Ende eines rechteckigen
Metallblocks (von ungefahr" 30 cm Lange, 8 cm Breite und 2 cm Dicke), welcher den
untersuchten Körper trägt, zu erwärmen. Da der Block nur an einem Ende erwärmt wird,
entsteht langs der Heizfläche ein Temperaturgradient, dessen Wert mit wachsender
Entfernung von dem erwärmten Ende abnimmt. Hierdurch wird eine stetige Folge von
wachsenden oder abnehmenden Temperaturen verfügbar. Dieses Verfahren könnte ideal
erscheinen, da der ganze Temperaturbereich gleichzeitig verfügbar ist. Die Temperaturwerte
längs der Xeizflche müssen jedoch sehr häufig mit Hilfe von Bezugestoffen mit genau
bekannten Schmelzpunkten neu geeicht werden. Jede Veränderung der Raumtemperatur
des Laboratoriums erfordert daher eine entsprechende Kontrolle der verschiedenen
Temperaturen längs der Heizfläche. Die in einem Laboratorium z.B. durch die Offnung
eines Fensters oder einer Tür entstehende Luftströme erfordern eine Neueichung des
"Maquenne-Blocks". Ausser diesen Nachteilen ist diese bekannte Methode sehr ungenau
und dient nur zur angenäherten Bestimmung des Schmelzpunkts der zu untersuchenden
Stoffe.
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Die zweite bekannte Methode besteht darin, mittels eines elektrischen
Widerstands oder eines Transformators mit stetig regelbarer Sekundärwicklung eine
den zu untersuchenden Stoff tragende Unterlage zu erwärmen, welche die Form einer
Scheibe von etwa 5 cm Durchmesser und 2,5 cm Dicke hat und in ihrem Innern den Heizwiderstand
oder die elektrische Heizwicklung enthält. In der Dicke dieser Scheibe kann der
Vorratsbehälter eines Flüssigkeitsbhermometers untergebracht werden.
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Diese zweite Methode bietet den Vorteil, dass man das Schmelzen der
Kristalle beobachten und gleichzeitig den Durchgang der Quecksilbersäule durch den
dem Schmelzpunkt des untersuchten Stoffs entsprechenden Temperaturwert notieren
kann.
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Trotz gewisser unbestreitbarer Vorteile dieser zweiten Methode gegenüber
der ersten besitzt sie jedoch noch den Nachteil einer zu grossen Wärmeträgheit.
Die Dauer eines vollständigen Meßzyklus dieser zweiten Methode liegt noch bei etwa
15 bis 20 Minuten, was noch einen ernsthaften Nachteil unter den gegenwärtigen sehr
scharfen Anforderungen der Forschung bildet, wenn täglich routinemässig hunderte
von Messungen ausgeführt werden sollen. Hierzu tritt noch die unangenehme Notwendigkeit
einer häufigen Eichung des Instruments infolge des unvollkommenen thermischen Kontakts
zwischen dem Quecksilberbehal"ter des Thermometers und der den zu untersuchenden
Stoff tragenden Unterlage.
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Xhnliche Schwierigkeiten treten bei der Bestimmung des Sublimatiönspunkts
von festen Körpern oder des Siedepunkts von Körpern auf, welche sich unter normalen
Temperatur-uad Druckbedingungen in festem oder flüssigem Zustand befinden
Die
Erfindung bezweckt, den obigen Nachteilen durch Schaffung eines Verfahrens zur Messung
von Schmelzpunkten abzuhelfen, bei welchem die Dauer des Meßzyklus nicht drei Minuten
übersteigt. Bei diesem Verfahren wird wiederum eine thermisch leitende, wenigstens
eine Probe des zu untersuchenden Körpers unmittelbar oder mittelbar tragende Heizfläche
erwärmt, bis der Beginn der Zustandsänderung beobachtet wird, wobei unmittelbar
die Temperatur des Wärmeträgers gemessen wird, d.h. entweder der die Wärme übertragenden
Fläche oder des die Warme mitführenden Dampfs des untersuchten Körpers. Dieses Verfahren
ist insbesondere dadurch bomerkenswert, dass eine vorzugsweise verhaltnismässig
kleine Heizfläche mit geringer Wärmeträgheit benutzt wird, welche der Grösse der
Probe angepasst ist und dadurch erwärmt wird, dass ein Fluss von Strahlungswärme
durch Absorption der von einer äusseren Strahlungsquelle ausgesandten elektromagnetischen
Strahlung übertragen wird. Hierbei wird also vollstandig die Methode der Erwärmung
der die Heizfläche bildenden Unterlage durch ein Säureband oder durch elektrische
Heizung durch Joulesche Wärme mittels eines Widerstands verlassen.
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Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird die empfangene
Warmemenge, d.h. die Temperatur, optisch durch selektive Abblendung des Bündels
der einfallenden Strahlen geregelt. Dies gestattet, die Stärke der auf die Heizfläche
fallenden Strahlung zu verändern und so genau die von der den zu untersuchenden
Stoff tragenden Unterlage absorbierte Energiemenge einzustellen und so genau die
Durchgangsgeschwindigkeit des beweglichen Anzeigeteile des Temperaturmessgeräts
( (insbesondere der quecksilbersäule eines Quecksilberthermometers) durch den angenommenen
Wert des Punkts der Zustandsänderung des zu
untersuchenden Stoffs
zu regeln. Durch mehr oder weniger starke Abblendung des bündels der einfallenden
Warme strahlen kann man so praktisch ohne jede Wärmeträgheit, d.h. mit einer sehr
geringen oder vernachlässigbaren Ansprechzeit und mit grosser Genauigkeit, die Bewegung
der Quecksilbersäule bremsen oder beschleunigen.
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Bei der Messung von Schmelzpunkten werden die Proben des untersuchten
festen Körpers in an sich bekannter Weise in unmittelbare Berührung mit der Heizfläche
gebracht.
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Bei der Messung des Siedepunkts oder des Sublimationspunkts eines
ursprünglich festen oder flüssigen Körpers wird gemäss einem weiteren Kennzeichen
der Erfindung wenigstens eine Probe dieses Körpers in eine kleine Aufnahmekammer
gebracht, von welcher wenigstens ein Wandteil in unmittelbarer Berührung mit der
Heizfläche steht, wobei in an sich bekannter Weise die Temperatur des Dampfs in
dieser Kammer gemessen wird. Hieraus ergibt sich insbesondere der wesentliche Vorteil,
dass die gleiche Heizfläche beliebig zur Bestimmung und zur schnellen Messung von
Schmelzpunkten, oder von Siedepunkten oder Sublimationspunkten benutzt werden kann,
d.h. ganz allgemein der Temperaturen der Linderung des physikalischen Zustands von
Stoffen in festem oder flüssigem Zustand.
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Nach dem Meßvorgang und nach Unterbrechung der Wärmezufhur kühlt
sich die Heizfläche infolge ihrer geringen Masse oder Grösse und ihrer geringen
Warmekapazität auf natürliche Weise durch Strahlung und Konvektion schnell ab. Diese
natürliche Kühlung kann noch durch eine künstliche oder erzwungene Warmeabfuhr beschleunigt
werden, zsB durch Andrückung eines feuchten Gegenstands an die heisse Fläche, oder
auf beliebige
andere geeignete Weise (z,B, erzwungene Belüftung
oder Beblasen mit Luft).
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Da die Meßausrüstung, welche sehr geringe Abmessungen haben kann,
auf diese Weise schnell gekühlt wird, können die Meßvorgänge mit einer verhältnismässig
grossen, bisher unerreichten Frequenz wiederholt werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausübung des obigen
Verfahrens mit einer Unterlage, welche die einer Wärmequelle ausgesetzte Heifläche
bildet und mit dem wärmeempfindlichen Element eines Temperaturmessgeräts kombiniert
ist, insbesondere dem Vorratsbehälter eines Flüssigkeitsglasthermometers, vorzugsweise
eines Quecksilberthermometers.
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Diese Vorrichtung ist insbesondere dadurch bemerkenswert, dass die
Wärmequelle eine Strahlungsquelle ist, welche vorzugsweise reich an Infrarotstrahlen
ist.
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Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird die Strahlungsquelle
durch wenigstens eine an sich bekannte elektrische Glühlanipe o.dgl. gebildet. Eine
derartige Lampe kann z.B. eine Joddampflampe der laufend zur Beleuchtung von Kraftfahrzeugen
benutzten Art sein. Eine derartige Lampe besitzt einen Wolframglühfaden und arbeitet
mit einer absoluten Temperatur von etwa 34000 K. Sie besitzt den Vorteil eines sehr
geringen Platzbedarfs und einer ständigen Regenerierung des Glünfadens durch Zersetzung
des Wolframåodids, wodurch ihre Lebensdauer beträchtlich verlangert wird. Anstatt
einer elektrischen Glühlampe mit Joddampf, welche ggfs. mit einem äusseren getrennten
Reflektor kombiniert ist, kann auch eine elektrische Lampe mit Glünfaden der zur
kinematographischen ProJektion oder in optischen Geräten benutzten Art verwendet
werden bei welcher nur ein vor dem Glühfaden
liegender kreisförmiger
Oberflächenabschnitt der Wand durchsichtig ist, während der Rest der Wand der Birne
undurchsichtig ist und eine innere, einen eingebauten Reflektor bildende reflektierende
Ober fläche hat. Die absolute Betriebstemperatur einer derartigen Lampe beträgt
etwa 28500 K. Der hinter dem Glühfaden liegende Wandabschnitt hat dann zweckmässig
die Form eines Konkavspiegels, welcher die Strahlen auf einen Punkt konzentriert,
welcher eine Entfernung von etwa 33 bis 37 mm von dem Glühfaden hat. Das durchsichtige
Fenster kann z. B. ggfs. eine Lupe oder Linse zur Projektion des Strahlenbündels
bilden.
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Dieser Lampentyp ist ebenfalls sehr wirksam und mit der Joddampflampe
vergleichbar, welche jedoch teurer ist.
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Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist eine Blende mit
regelbarer dffnung oder verändertichem Umriss in die Bahn der einfallenden Strahlen
zwischen der Strahlungsquelle und der Unterlage eingeschaltet. Eine derartige Blende
kann zweekmässig durch eine gewöhnliche regelbare Blende (mit zusammenziehbarer
oder ausweitbarer Öffnung) der normalerweise in den Objektiven von Photoapparaten
benutzten Art gebildet werden, oder auch einfach durch eine undurchsichtige Scheibe,
welche um eine Achse drehbar und mit einem Schlitz versehen ist, dessen radiale
Öffnungsbreite sich Je nach der Drehrichtung der Scheibe stetig in wachsendem oder
abnehmendem Sinn ändert.
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@ Gemass einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird die Unterlage
durch eine kleine flache volle oder massive warmeleitende Platte oder Scheibe gebildet,
welche lösbar derart gehalten wird, dass wenigstens ein Abschnitt ihrer beiden gegenüberliegenden
Aussenflachen freigelassen wird.
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Gemäss einem weiteren Kennzeichen der Erfindung ist, insbesondere
in dem Fall der Messung des Schmelzpunkts eines festen Körpers, in der Dicke der
Unterlage eine offene Ausnehmung oder eine Blindbohrung zur Aufnahme des Vorratsbehalters
des Thermometers vorgesehen, wobei der ggfs. um diesen Vorratsbehälter herum zwischen
ihm und der Wand der Bohrung freibleibende Raum mit einem warmeleitenden, vorzugsweise
pastenförmigen Stoff ausgefüllt wird, dessen Siedepunkt über der gemessenen Temperatur
der Zustandsänderung liegt, im vor liegenden Fall des Schmelzpunkts des untersuchten
Körpers.
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Gemass einer Ausführungsabwandlung kann diese Unterlage auch durch
einen kleinen wärmeleitenden flachen Kasten oder eine hohle Kapsel gebildet werden,
welche mit einem warmeleitenden Stoff gefüllt ist, in welchen der Vorratsbehal"ter
des durch eine oeffnung des Kastens oder der Kapsel tretenden Thermometers eintaucht.
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Bei der Messung des Sublimationspunkts eines festen Körpers oder
des Siedepunkts eines gewöhnlich festen oder flüssigen Körpers weist gemäss einem
weiteren Kennzeichen der Erfindung die Vorrichtung einen kleinen geschlossenen Behälter
auf, welche rz.B. aus Glas besteht, eine Birne, eine Flasche, einen Becher o.dgl.
bildet und zur Aufnahme der Probe des zu messenden festen oder flüssigen Stoffs
bestimmt ist. Dieser Behälter besitzt einen unteren flachen Boden mit vorzugsweise
glatter optisch ebener AusseLfläche, welche auf der glatten ebenen Oberseite der
Unterlage ruht, wobei der Behälter mit wenigstens einer OSfnung oder einem seitlichen
Stutzen versehen ist, durch welchen das Ende des Thermometers tritt, derart, dass
sein wa"rmeempfindliches Element oder sein Quecksilberbeha"lter sich innerhalb dieses
Behälters über der festen oder fl2seigen
Phase des untersuchten
Körpers befindet.
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Diese Ausbildung besitzt somit den Vorteil, die Benutzung ein und
derselben Grundvorrichtung sowohl zur Bestimjung und Messung der Schmelzpunkte von
festen Stoffen als auch zur Bestimmung und Messung des Siedepunkts oder des Sublimationspunkts
von festen oder flüssigen Jiörpern, oder allgemeiner zur Bestimmung und Messung
der Temperaturen, bei welchen ein Wechsel des physikalischen Zustands von Stoffen
auftritt, zu gestatten, wobei das für jeden Messfall benutzte Gesamtmaterial sich
je nachdem durch den einfachen Zusatz oder Fortfall eines kleinen Spezialbehälters
zur aufnahme der festen oder flüssigen Proben des untersuchten Körpers und durch
die verschiedene Lage des Thermometers unterscheidet.
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Die die Messanordnung bildende erfindungsgemässe Vorrichtung bietet
also den Vorteil sehr geringer Abmessungen, eines sehr einfachen Aufbaus und somit
einer sehr wirtschaftaichen Fertigung, und einer sehr leichten Handhabung. Das hier
vorzugsweise benutzte emperaturmersgerät wird durch ein Glasquecksilberthermometer
gebildet, dessen Anwendungsgebiet bei den heutigen Thermometern von etwa 350 o bis
+7500 C reicht.
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Anstelle eines Quecksilberthermometers kann natürlich auch ein beliebiges
anderes mit der thermischen Ausdehnung einer Flüssigkeit arbeitendea Thermometer
benutzt werden, oder noch allgemeiner jedes Messgerät mit Anzeige durch ein bewegliches
vor einer festen Teilung spielendes Anzeigeglied, oder auch ein beliebiges Mss3gerat,
welches vorzugsweise eine analoge Anzeige für unmittelbare Ablesung liefert, obwohl
natürlich auch Registriergeräte benutzt werden können, welche über einen Verstärker
und einen Messertwandler mit dem warmeempfindlichen Element verbunden sind, welches
an der Mepatelle oder auch auf oder in dem zu messenden
Gegenstand
angeordnet ist.
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Die erfindungPsgemäsße Vorrichtung besitzt den bemerkenswerten Vorteil,
die Grösse der zu messenden Temperatur nicht zu verändern, wobei sie die erforderlichen
Eigenschaften hinsichtlich der Genauigkeit, der Reproduzierbarkeit, der Empfindlichkeit
und des Auflösungsvermögens besitzt, welche heutzutage auf ihrem Anwendungsgebiet
verlangt werden.
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Schliesslich betrifft die Erfindung auch die verschiedenen Anwendungen,
welche sich aus der Ausübung des Verfahrens und der Anwendung der erfindungsgemässen
Vorrichtung ergeben, insbesondere auf Messungen und auf die physikalischen Methoden
zur Identifizierung einer chemischen Substanz oder zur Bestimmung der Reinheit derselben.
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Die Hauptvorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen
Vorrichtung sind die sehr grosse Messgeschwindigkeit, welche die Vornahme von zahlreichen
routinemässigen Auswahimessungen ermöglicht, die hohe bei der Handregelung erzielte
Messgenauigkeit, welche die Stabilisietung und die Kontrolle der Heiztemperatur
ermöglicht, und ihre wirtschaftliche Herstellung und Benutzung.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beispielshalber erläutert.
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Fig. 1 ist eine langsogeschnittene Seitenansicht einer Ausführngsform
einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Messung des Schmelzpunkts, wobei die Unterlage
durch eine Scheibe gebildet wird.
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Fig. 2 zeigt eine gleiche Darstellung einer anderen Ausführungsform
der Unterlage zur Messung der Schmelzpunkte mit eingebautem Thermömeter, wobei die
Unterlage durch
einen kleinen flachen Kasten gebildet wird.
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Fig. 3 zeigt schaubildlich die Messunterlage der Fig. 2 mit ihrem
Thermometer.
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Fig. 4 ist eine Draufsicht einer Ausführungsabwandlung der Blende,
bei welcher diese durch eine drehbare Scheibe mit einer Offnung mit veranderlichem
Umriss gebildet wird.
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Fig. 5 ist ein lotrechter Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemässen
Vorrichtung zur Messung des Siegepunkts oder des sublimationspunkts eines Körpers.
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Bei dem in Sig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die im
Ganzen mit 1 bezeichnete erfindungsgemässe Messvorrichtung zur Bestimmung des Schmelzpunkts
eines gewöhnlich festen Körpers aus einer Unterlage 2, welche vorzugsweise von unten
beheizt wird und auf ihrer Oberseite 3 eine oder mehrere Proben 4 des zu untersuchenden
Körpers trägt, welche z.B. die Form von Teilchen, Stückchen, Kristallen, Körnern
usw. haben. Die Unterlage besteht aus einem wärmeleitenden Werkstoff, z.B. aus Metall,
wie Aluminium oder eine Leichtlegierung, und besitzt vorzugsweise eine zylindrische
runde Form.
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Die Unterlage 2 ist so angeordnet, dass ihre Längssymmetrieachse oder
Umdrehungsachse lotrecht liegt und wird zweckma"ssig von einem ausgesparten Halter
5 aus einem thermisch isolierenden Werkstoff getragen, in welchen die Unterlage
2 entfernbar eingesetzt ist. Dieser Halter besteht z. B. aus einer wärmeisolierenden
waagerechten Platte mit einer Bohrung 6, welche oben eine nach innen vorspringende
Schulter 7 bildet, auf welcher die Unterlage ruht.
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Die untere Endfläche 8 der Unterlage, welche den Varmestrahlen ausgesetzt
werden soll, besitzt eine vorzugsweise
matte geschwärtz Aussenfläche,
um ihr ein grosses Absorptionsvermögen für die empfangene Strahlung zu erteilen.
Die Schärzung der Oberflache kann entweder durch Schwefelung, oder durch Oxydation
oder auch durch Aufbringung einer feinen Schicht eines schwarzen matten Sacks erfolgen.
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Die Unterlage 2 wird zweckmässig durch eine kleine Platte oder volle
Scheibe gebildet, welche einen offenen Hohlraum 9 aufweist, welcher z. B. durch
eine Blindbohrung gebildet wird, welche radial durch die Seitenwand der Scheibe
tritt. In diese Blindbohrung 9 ist mit einem gewissen Spiel das Ende des Rohrs eines
Glasquecksilberthermometers 10 so eingesetzt, dass der Quecksilberbehälter 11 desselben
vollständig innerhalb der Blindbohrung liegt. Um wenigstens einen Teil der durch
die Absorption der empfangenen Strahlung durch die Unterseite 8 der Unterlage entwickelten
Warme durch Wrarmeleitung auf den Quecksilberbehälter 11 zu übertragen, ist der
um diesen herum zwischen ihm und der Innenwand der Bohrung 9 freigebliebene Zwischenraum
mit einem wärmeleitenden Stoff 12 gefüllt, welcher mit der Unterlage 2 und dem QuecksilberbehaMlter
11 in unmittelbarer Berührung steht.
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Dieser wärmeleitende Stoff 12 wird durch eine Substanz gebildet,
welche vorzugsweise eine dicke oder visköse Konsistenz hat und z.B. durch eine Paste
gebildet wird, welche aus Glyzerin oder Butylphtalat oder Fettsäuren o. dgl. besteht,
in welche ein wärmeleitender Körper in fein verteiltem Zustand eingearbeitet ist,
z.B. Silber- oder Aluminiumpulver. Diese wärmeleitende Paste 12 gewahrleistet die
thermische innige Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter des Thermometers und der
Unterlage 2. Es können auch zweckmässig silikonhaltige Elastomere
benutzt
werden, welche selbstpolymerisierbar oder mittels eines geeigneten Katalysators
polymerisierbar sind.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsabwandlung der Unterlage, bei welcher
diese durch einen kleinen flachen Kasten 13 gebildet wird, welcher z. B. aus zwei
kreisförmigen parallelen Böden 14 und 15 besteht, welche die Grundseiten des Zylinders
bilden und miteinander durch einen seine Seitenwand bildenden ringförmigen Mantel
16 vereinigt sind. Die beiden Böden 14 und 15 bestehen zweckmässig aus Silber, wahrend
der Mantel 16 z. B. aus Nickel sein kann. Der obere Boden 14 des Kastens soll auf
seiner Aussenfläche die Proben des zu untersuchenden körpers tragen, während der
untere Boden 15 des Kastens eine matte geschwärtze Aussenfläche hat.
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Die Seitenwand 16 des Kastens 13 enthält eine Offnung 17, durch welche
das Rohr des Thermometers 10 tritt, so dass der Quecksilberbehälter 11 des Thermometers
in dem Hohlraum des Kastens liegt. Um wenigstens einen Teil der durch die Absorption
der von der unteren Seite 15 des Kastens empfangenen Strahlung entwickelten Warme
gleichzeitig durch Wärmeleitung auf den oberen Boden 14 und den Queckailberbehälter
11 übertragen zu können, ist der Kasten vollstandig mit dem warmeleitenden Stoff
12 gefüllt, welcher sich zwischen den beiden Böden 14 und 15 des Kastens befindet
und in unmittelbarer Berührung mit allen Wanden desselben und mit dem Quecksilberbehalter
11 steht.
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Die Gesamtabmessungen der Unterlage 2 oder 13 können verhältnismässig
klein sein, da sie z.B. einen Durchmesser von 18 bis 20 mm und eine Hohe von etwa
4 mm haben kann.
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Der Siedepunkt der warmeleitenden Paste 12 muss natürlich über
der
den zu messenden Schmelzpunkten entsprechenden Höchsttemperatur liegen.
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Die Aussenseite 3 bzw. 14 der Unterlage 2 bzw. 13 trägt zweckmässig
einen von dem zu untersuchenden Stoff nicht angegriffenen Schutzüberzug (z. B. aus
Rhodium), wodurch diese Seite gegen eine etwaige Korrosionswirkung geschützt wird.
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In Fig. 1 wird die Wärmequelle durch eine elektrische Glühlampe 18
gebildet, welche mit einem durch eine elektrische Energiequelle (Trockenelemente,
Akkumulatoren, Generatoren oder Netz) gespeisten Stromkreis verbunden ist.
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Diese Lampe ist unter der Unterseite 8 bzw. 15 der Unterlage 2 bzw.
13 dieser gegenüber in einem gewissen Abstand von derselben angeordnet. Um den von
der Lampe 18 ausgesandten Strahlen eine Richtwirkung zu geben, wird zweckmässig
ein Reflektor 19, welcher vorzugsweise die Form eines Abschnitts eines elliptischen
Zylinders hat, hinter der Strahlenquelle 18 so vorgesehen, dass er das reelle Bild
der Strahlenquelle (d.h. des Glühfadens) auf die zugewandte Aussenseite des unteren
Bodens der Unterlage projiziert. Wie oben bereits angegeben, kann die Lampe 18 z.
B. eine Joddampflampe sein (wobei dann der Reflektor 19 von der Birne getrennt ist
und ausserhalb derselben liegt) oder die für kinematographische Projektionen benutzte
Bauart aufweisen (wobei dann der Reflektor in die Birne eingebaut ist und hinter
dem Glühfaden derselben liegt, welche ggfs. ein eingebautes optisches Kollimations-
oder Fokussierungssystem auSweist).
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Zwischen der Lampe 18 und'der Unterseite 15 der Unterlage 2 bzw.
13 ist eine regelbare Blende 20 angeordnet, durch deren ffnung 21 die von der Lampe
ausgesandte Heizstrahlung
tritt. Wie bereits ausgefuhrt, kann
diese Blende die in Photoapparaten benutzte Bauart aufweisen, oder auch einfach
entsprechend Fig. 4 ausgebildet sein, in welcher sie durch eine undurchsichtige
waagerechte Scheibe 20 gebildet wird, welche um ihre lotrechte Achse 22 drehbar
und mit einer oeffnung 23 versehen ist, deren Umriss sich so ändert, dass man den
Flächeninhalt der der Bohrung 6 des Halters 5,d.h. der Unterlage gegenüberliegenden
freien Durchtrittsfläche stetig ändern und durch Drehung der Scheibe in dem entsprechenden
Sinn vergrössern oder verkleinern kann.
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Eine vorzugsweise längliche Beleuchtungslampe 24 (z.B. eine Leuchtro"hre)
wird zweckmässig hinter oder unter der Teilung des Thermometers 10 so angeordnet,
dass diese durchleuchtet und so die Ablesung erleichtert wird. Ein längliches Vergrösserungsglas
25 (Fig. 3) kann vor oder auf der, Teilung des Thermometers zur Vergrösserung des
abgelesenen Teilstrichs angeordnet werden.
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Die Arbeitsweise dieser Messanordnung ist folgende. Es werden kleine
Proben 4 des Körpers, dessen Schmelzpunkt schnell bestimmt werden soll, auf die
Oberseite 3 besw. 14 der Messunterlage 2 bzw. 13 gebracht, und die Rampen 18 und
24 werden eingeschaltet. Die Speisespannung der Heizlampe wird z.B. mittels eines
Spartransformators mit regelbarem t'bersetzungsverhältnis eingestellt. Wenn die
von dem Thermometer 10 angezeigte Temperatur in die Nähe des vermuteten Werts des
Schmelzpunkts des untersuchten Körpers kommt, wird die Öffnung 21 oder 23 der Blende
20 so verkleinert, dass der einfallende Wärmeenergiefluss verringert wird, um so
die Vorschubsbewegung der Quecksilbersäule zu verlangsamen und bequem die beginnende
Schmelzung der Teilchen 4 (ggfs. mittels einer Beobachtungslupe)
beobachten
und gleichzeitig die so erreichte Schmelztemperatur ablesen zu können. Um einen
neuen Messvorgang zu beginnen, la"sst man die Messanordnung 1 genügend abkühlen,
wobei eine derartige natürliche Abkühlung durch Konvektion infolge der sehr geringen
Wärmeträgheit des Systems 1 sehr schnell erfolgt. Gggfs. kann diese Kühlung noch
dadurch beschleunigt werden, dass ein Strom vonRauml uft auf die Messunterlage durch
erzwungene Belüftung oder Beblasung gerichtet wird.
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Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, welches zur
Messung des Siedepunkts oder des Sublimationspunkts eines Körpers bestimmt ist,
weist die im Ganzen mit 101 bezeichnete Messvorrichtuung die Unterlage 102, ihren
Halter 103, die Quelle der Strahlungswärme oder elektrische Glühlampe 107 mit einem
Lichtreflektor 108, welcher unmittelbar in die Lampe 107 eingebaut oder ausserhalb
derselben getrennt von dieser angeordnet ist, und die Blende 109 auf. Die Unterseite
105 der Unterlage ist zweckmässig matt und geschwärzt, während ihre Oberseite 106
vorzugsweise geschliffen ist oder eine sehr sorgfältige Fertigbearbeitung aufweist,
so dass sie praktisch eben und glatt ist. Die Unterlage 102 kann vollständig voll
und massiv sein.
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Der Halter 103, die Glühlampe 107, der Reflektor 108 und die Blende
109 sind praktisch mit den in Pig. 1 mit 5, 18, 19 und 20 bezeichneten Teilen identisch
oder wenigstens diesen sehr ähnlich. Die Heizunterlage kann hier entweder durch
eine Spezialunterlage 102 der oben beschriebenen Art gebildet werden, welche einfach
die Unterlage 2 der Fig. 1 in dem Halter 5 ersetzt, es kann jedoch auch die Unterlage
2 der Fig. 1 Unmittelbar benutzt werden, aber nachdem das Thermometer 10
herausgezogen
und die Bohrung 9 in der Seitenwand der Unterlage mit dem wärmeleitenden Stoff 12
ausgefüllt wurde.
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Auf die Oberseite 106 der Unterlage 102 ist einkleiner Behälter 110
aufgesetzt, welcher vorzugsweise aus einem durchsichtigen Werkstoff, z.B. Glas,
besteht, fast vollständig geschlossen ist und einen unteren ebenen Boden 111 besitzt,
dessen Aussenfläche vorzugsweise geschliffen oder so bearbeitet ist, dass sie optisch
eben ist. Dieser Behälter ist zur Aufnahme einer Probe 112 des zu untersuchenden
körpers bestimmt, welcher sich in flüssigem Zustand befindet oder anfänglich fest
ist und schmelzen soll, wobei diese Probe zum Sieden gebracht werden soll. Poröse
Körner o.dgl. 113 sind zweckmässig auf dem Boden des Behälters 110 angeordnet, um
jede Verzogerung des Siedens zu verhindern.
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Der Behälter 110 weist wenigstens eine seitliche oeffnung oder einen
seitlichen Stutzen 114 auf, durch welchen der wärmeempfindliche Teil 115 eines Präzisionsthermometers
116 eingeführt werden kann, s. B. der Quecksilberbehälter eines Quecksilberthermometers.
Dieser seitliche Stutzen 114 liegt auf einer solchen Höhe über dem unteren Boden
des Behälters 110, dass der Quecksilberbehalter 115 des Thermometers über der Probe
112 des zu untersuchenden Körpers liegt, insbesondere über der freien Oberfläche
der durch die Probe gebildeten Flüssigkeit. In dem Fall eines Quecksilberthemometers
116 ist das Rohr desselben zweckmässig z. B. schrag nach oben an einer Stelle 116
gekröpft, welche in der Nahe seines Austritts aus dem Stutzen 114 des Behälters
liegt. Die Teilung des Thermometers liegt dann erheblich höher als der Messbehälter
115,
was die Ablesung des Teilstrichs betrachtlich erleichtert.
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Die Teilung des Thermometers wird zweckmassig von einer lan"glichen
durchsichtigen Platte 117 überdeckt, welche gleichzeitig eine Vergrösserungslupe
und einen Schutzschirm für das Thermometer bildet. Die Teilung des Thermometers
wird zweckmässig von unten durch eine Xeuchtröhre 118 erleuchtet, welche unter der
Teilung parallel zu dieser angeordnet ist.
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Der Scheitel 119 des Behälters 110 ist vorzugsweise nach aussen gewölbt
und weist auf seiner Innenfläche wenigstens eine längliche vorspringende Oberflächenunreglemässigkeit
120 auf, welche z. B. durch eine nach innen vorspringende Rippe o.dgl. gebildet
wird, welche schräg liegt und sich an die Innenfläche der Seitenwand des Behal"ters
110 anschliesst.
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Diese Oberflächenunregelmässigkeit soll verhindern, dass die Flüssigkeitstro"pfchen,
welche sich durch Kondensation des Dampfs an der oberen Wand 119 des Behälters bilden,
auf den wa"rmeempfindlichen Teil fallen, im vorliegenden Fall auf den Quecksilberbehilter
115 des Thermometers, wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung beeintrchtigt
wird. Alle so an dem oberen Gewölbe des Behilters gebildeten Tröpfchen fliessen
längs der Rippe 120 der Wand ab, um so die Seitenwand des Behälters zu erreichen
und längs dieser nach unten zu fliessen.
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Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist höchst einfach und ohne weiteres
klar. Zunächst wird eine Probe des untersuchten Körpers in den unteren Boden des
Behälters 110 durch den Stutzen 114 gebracht, aus welchem vorher das Thermometer
116 herausgezogen wurde. Hierauf wird das warmeempfindliche Ende 115 des Thermometers
durch den Stutzen
114 in den Behälter eingeführt. Der Behalter
110 wird auf die Unterlage 102 gestellt, diese wird durch Einschaltung der Glühlampe
107 erwärmt, und der einfallende Strahlungsfluss wird mittels der beweglichen Blende
109 entsprechend eingestellt. Diese Erwärmung wird bis zum Sieden des in dem-Behälter
110 enthaltenen Stoffs fortgesetzt, welcher, wenn er sich ursprünglich in festem
Zustand befindet, zunächst durch Schmelzen in den flüssigen Zustand übergeht. Es
genügt dann, die freie Oberfläche der Flüssigkeit sorgfältig zu beobachten, um das
Auftreten des Siedevorgangs festzustellen, so dass nur noch an der Teilung des Thermometers
116 die wirkliche Temperatur des Dampfs des zu untersuchenden Körpers abgelesen
zu werden braucht, welcher während des Siedens der Probe des Körpers entweicht.
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Die Kapazität des unteren Teil des Behälters 110 muss gross genug
sein, um z.B. ein Volumen von etwa höchstens 1,5 cm3 der Probe des zu untersuchenden
Stoffs, z. B. ein geschmolzenes Salz, in flüssigem Zustand aufnehmen zu können.
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Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung
ermöglichen so die Vornahme von sehr genauen Messungen (mit einem relativen Fehler
von weniger als 2/1000) mit sehr geringen Mengen von festen oder flüssigen Stoffen,
deren zustandsänderungspunkt bestimmt werden soll.