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Thermostat Die neue Entwicklung der Vergütung von Metallen, insbesondere
der Leichtmetalle, hat die Ansprüche an die Genauigkeit und Konstanz der in den
Vergütungsöfen innezuhaltenden Temperaturen wesentlich gesteigert. So- wird z. B.
bei Temperaturen von 5oo bis 6oo'C eine Regelgenauigkeit von 3'C als unbedingt notwendig
angesehen, bei metallographischen Versuchen zur Bestimmung von Haltepunkten, den
wichtigsten metallphysikalischen Untersuchungsmitteln, ist eine Genauigkeit von
i'C wünschenswert.
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Es steht fest, daß zur Zeit die Thermoelemente diese Genauigkeit nicht
aufweisen. Es wird beim Messen und Regeln nach der Kompensationsmethode die Gesamtgenauigkeit
praktisch allein durch das Therrnoelement bestimmt, d. h. aber, da die Fehler
der Regler bzw. der selbsttätigen Kompensatoren etwa um eine Größenanordnung geringer
sind als die der Thermoelemente, daß die Genauigkeit der Thermoelemente und der
Regler, insbesondere der Kompensationsregler, in einem schreienden Mißverhältnis
zueinander stehen. Um dies an einem Beispiel zu erläutern, sei darauf hingewiesen,
daß für die Konstanz und Reproduzierbarkeit der Thermoelemente im allgemeinen nicht
mehr als JL 5 bis -#- i5'C garantiert werden, während bei einem Meßbereich
von 2oo'C und einer Meßgenauigkeit von o,2 (l/, der Kompensator eine Fehlertoleranz
von 0,4'C beansprucht. Dieses Mißverhältnis vergrößert sich gewöhnlich infolge der
zunehmenden
Fehler der Elemente durch Abbrand und' Rekristallisation.
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Zur Steigerung der Genauigkeit der Therinoelemente im Betriebe empfiehlt
sich, die Toleranz, die für die individuelle Abweichung der Thermoelemente bisher
ausgenutit wurde, aus dem Meßfehler auszuschließen, d. h. zu einer individuellen
Eichung der Thermoelemente zu kommen, die es gestattet, auch Nacheichungen während
des Bet:riebes einfach und mit großer Genauigkeit durchzuführen. In der Kompensationsschaltung
ist nämlich die Berücksichtigung der individuellen Empfindlichkeit des Thermoelementes
möglich, wenn jedem Thermoelement ein individueller Kompensationsstrom zugeordnet
wird, der durch einen geeichten Vor- oder Nebenwiderstand zur Kornpensationsschaltung
dargestellt wird und dessen Schleifdrahtstellung der Empfindlichkeit des Thermoelementes
zugeordnet ist. Es bleibt dann als Fehler des Thermoelementes nur die- zeitliche
Veränderung der EMK, welche auf andere Weise, z. B. durch künstliche Alterung und
insbesondere durch häufiges Neueichen des Elementes, ausgeschaltet werden kann.
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Ein weiteres Mittel, um die durch die Ungenauigkeit der Thermoelemente
bedingten Fehler weitgehend zu verkleinern, ist folgendes: Im allgemeinen werden
mit Thermoelementen Temperaturen über 400'C gemessen. Es wird daher zur Zeit der
durch die Toleranz des Thermoelementes bedingte !Fehler im Gebiet von 2,o bis 400'C
in die Messung aufgenommen, einfach, weil die sogenannte kalte Lötstelle nahe der
Zimmertemperatur gehalten wird. Dazu ist eigentlich kein Grund vorhanden. Legt man
nämlich den Bezugs-. punkt, den die zweite Lötstelle darstellt, nahe an den Punkt
der Temperaturskala, den man mit möglichst geringem Fehler messeir will, so verringert
sich der Fehler des Thermoelementes im Verhältnis A TI T, wenn T die Temperatur
der heißen Lötstelle in Grad Celsius und A T die Abweichung zwischen ihr
und der kalten Lötstelle darstellt. Mit anderen Worten, ein Meßbereich von 40o bis
6oo'C, der beispielsweise wegen Veränderung der EMK des Thermoelementes uni 1 0/,
einen Fehler von 6'C ergibt, wenn die kalte Lötstelle Zimmertemperatur aufweist,
ergibt für die Meßbereichgrenzen von 40o bis 6oo'C einen Fehler von maximal nur
i'C, wenn die kalte Lötstelle 5oo'C ,warm wäre, bzw. einen Fehler von o bei
500'C. Man muß nämlich damit rechnen, daß die Änderung der EMK eines Thermoeleinentes
z. B. durch langen Gebrauch proportional der herrschenden Temperaturdifferenz ist.
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In Fig. i sind diese Verhältnisse graphisch dargestellt. Auf der Abszisse
sind die zu messenden Temperaturk in Grad Celsius, auf der Ordinate die Fehler ebenfalls
in Grad Celsius aufgetragen. Die Ordinate a stellt den Fehler des Thermoelementes
dar für den Fall, daß die Vergleichstemperatur der kalten Lötstelle auf 2o'C, die
Ordinate b denFehler eines Thermoelementes für den Fall, daß die Vergleichstemperaturder
kalten Lötstelle auf 500'C liegt.
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Auch bei größerem Meßbereich läßt sich derFehler durch Anwendung höherer
Temperaturen für die Vergleichslötstelle weitgehend vermindern. Es ist jedoch, um
j eglichen Fehler auszuschließen, immer erforderlich, daß die Bezugstemperatur
der kalten Lötstelle möglichst genau konstant gehalten wird oder mindestens möglichst
genau bekannt ist.
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Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß der Schmelzpunkt
von reinen Metallen nicht nur hoch genug liegt, sondern bekanntlich auch eine Genauigkeit
besitzt, die um Größenordnungen genauer ist, als für den vorliegenden Fall benötigt
wird. Benutzt man ein solches Metall als Widerstandsmaterial für einen kleinen elektrischen
Ofen, so regelt sich an dem Schmelzpunkt dessen Temperatur von selbst mit auffallender
Genauigkeit, Der Grund dafür ist darin zu suchen, daß die meisten Metalle am Schmelzpunkt
einen Sprung des Widerstandes etwa im Verhältnis i: ?, aufweisen, wobei, sobald
das Metall der Ofenwicklung durch die elektrische Heizung völlig flüssig wird, die
aufgenommene Leistung bei konstanter Spannung im Verhältnis 1: 2 zurückgeht. Es
stellt sich daher ein Gleichgewicht ein, bei dem je nach der Betriebsspannung
und den Wärmeverlusten ein bestimmter Bruchteil des Metalls flüssig ist und damit
die Leistung zur Aufrechterhaltung der Schmelztemperatur herabgesetzt wird.
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Fig. 2 läßt diese Verhältnisse klar erkennen, In dem Diagramm ist
als Abszisse die Temperatur T mit dem Schmelzpunkt s, als Ordinate die Leistung
aufgetragen. Die Kurve a stellt die Leistungsaufnahme der Heizwickhing für konstante
Spannung, die Kurve b die Wärmeverhiste der Heizwicklung dar. Am Schmelzpunkt
s fällt die Leistungsaufnahme des Heizwiderstandes plötzlich um etwa die Hälfte
ab. Da die aufgenommene Leistung im Schmelzpunkt in einem ziemlich großen Intervall,
dem senkrecht verlaufenden Kurventeil, schwanken kann, ergibt sich ein automatisch
wirkender Ausgleich nüt der abgegebenen Leistung,- nämlich den Wärmeverlusten, der
eine sehr genau und stabil wirkende selbsttätige Regelung auf die jeweilige Schmelztemperatur
des verwendeten Metalls zur Folge hat. Die Regelung muß um so genauer sein,
je steiler der Abfall der aufgenommenen Leistung ist, d. h.
je einheitlicher das Metall schmilzt. Die Regelgenauigkeit ist enorm groß,
weil außerdem am Schmelzpunkt die Schmelzwärme des Metalls etwa 3oomal so groß ist
wie die spezifische Wärme, d. h. das Schmelzintervall, das je nach
Reinheit des Metalls 0,05 bis o,oi'C beträgt, hinsichtlich des Wärmeinhaltes
3001C entspricht. Es wird also mit anderen Worten zur Regelung das sogenannte
Haltepunktprinzip benutzt.
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Der Erfindungsgedanke kennzeichnet sich demnach dadurch, daß ein Metallthermostat
geschaffen wird, bei welchem eiii durch elektrische Heizung zum Schmelzen gebrachtes
reines Metall verwendet wird, das sich selbsttätig durch seinen Widerstandssprung
am Schmelzpunkt mit großer Genauigkeit auf konstante Temperatur regelt.
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Anstatt des Schmelzpunktes können prinzipiell auch andere geeignete
Umwandlungsprodukte des Widerstandsmaterials benutzt werden.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Als Träger und Isolator für die flüssigen oder festen Heizleiter kommt praktisch
nur Glas oder Quarz in Frage, Glas etwa nur bis 5oo'C. Bei Glas
lassen
sich Zuführungen aus Eisenchrom derart einschmelzen, daß, sie bei Betrieb des Ofens
vollkommen in ungeschmolzenem Leitermaterial eingebettet sind, wodurch eine Legierungsbildung
des schmelzenden Leitermaterials verhindert wird. Die Stromdurchführung muß dazu
eine gute Wärmeableitung nach außen erhalten und einen geringen Widerstand besitzen.
Für derartige in Glas gefertigte Thermostaten kommt Zink mit einem Schmelzpunkt
von 419,4'C in Frage, dessen Widerstand am Schmelzpunkt sich im Verhältnis i
: 2,o8 ändert. Es ist in größter Reinheit erhältlich, und die Temperatur
liegt etwa an der höchsten Grenze für Glas.
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Dementsprechend zeigt Fig. 3 ein einseitig geschlossenes Glasrohr
i, in welches der Leiter in Form einer Wicklung 2, aus Zink bestehend, eingebracht
ist. Die Zuführungen für die Wicklung sind mit 3 und 4 bezeichnet. In den
Hohlraum 6 des Glasrohres wird das Thermoelement eingeführt. Außen ist das
Glasrohr durch eine Wärmeisolationsschicht 5 geschützt. Bei der praktischen
Herstellung dieses elektrischen Ofens wird zweckmäßigerweise so verfahren, daß ein
etwa 2o cm langes Glasrohr von 8 mm Durchmesser ein Gewinde von etwa oß mm
Tiefe und 3 mm Windungsabstand erhält, wobei das Glasrohr mit einem Glasmantel
auf seiner ganzen Oberfläche verschmolzen wird. Das Metall wird unter Vakuum in
das Gewinde eingegossen. Die Heizstromstärke beträgt etwa 5 Amp. bei etwa
6 V.
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Eine andere Möglichkeit, einen solchen Thermostaten herzustellen,
besteht darin, daß als Mittelteil des Thermostaten ein hohlez Glasdorn vorgesehen
wird, auf welchem von vornherein ein Wickel aus dünnem Messingrohr aufgeschmolzen
ist. Außen wird ein Glasrohr aufgeschmolzen; das Messingrohr wird sodann durch Salpetersäure
aufgelöst, worauf die Füllung mit dem gewünschten Widerstandsmaterial erfolgen kann.
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Für höhere Temperaturen kommen Aluminium und Silber in Frage, mit
den Schmelzpunkten 658 und 961'C. Da die Herstellung von metallischen Durchführungen
durch Quarz große Schwierigkeiten macht, ist für diese Art von Thermostaten das
Prinzip des Hochfrequenzofens vorteilhaft, womit eine direkte elektrische Beheizung
wie in Fig. 3 vermieden ist, Bei Thermostaten für tiefe Temperaturen kommt
als Metall Kalium in Frage mit einem Schmelzpunkt von 62,5'C und einem relativ hohen
Sprungwert des elektrischen Widerstandes am Schmelzpunkt. In diesem Falle kann man
auch eine Wirbelstromheizung mit einer Frequenz von 5o Hz für den völlig in Glas
eingeschmolzenen elektrodenlosen Leiter entsprechend Fig. 4 benutzen.
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Der Thermostat besteht aus einem Eisenkern 2, auf welchem die von
dem Wechselstromnetz (5o Hz) gespeiste Wicklung i sitzt. Diese induziert über den
Eisenkern in der in einem Glaskörper 3 eingeschmolzenen Kurzschlußwicklung
4 elektrische Ströme, welche das Metall zum Schmelzen bringen. Der Glaskörper 4
kann zweckmäßig zylindrische Walzenform erhalten; er besitzt auf einer Seite einen
zylindrischen Kanal 5, welcher zur Aufnahme des Thermoelementes bestimmt
ist. Für den erfindungsgemäßen Thermostaten ergeben sich folgende vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten:
Zunächst kann der Meßbereich des Thermoelementes abgekürzt und der Meßfehler wesentlich
verringert werden, dadurch, daß die zweite Lötstelle des Thermoelementes in einem
Thermostaten angeordnet wird, dessen Temperatur nahe der Meßtemperatur liegt, Dies
hat den großen Vorteil, daß der absolute Fehler, der durch die Inkonstanz oder wechselnde
Empfindlichkeit des Thermoelementes bedingt ist, sehr klein wird. Eine schematische
Ausführung dieser Anordnung ist der in Fig. 5 gezeigten Meßschaltung zu entnehmen.
Hier weist das Thermoelement i eine der Meßtemperatur ausgesetzte warme Lötstelle
a, auf, die zweite Lötstelle b, ist in dem Thermostaten 4 angeordnet, der
durch Wahl eines entsprechenden Widerstandsmaterials auf einer Temperatur gehalten
wird, welche nahe der Meßtemperatur liegt.
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Der erfindungsgemäße Thermostat kann ferner dazu dienen, mit Thermoelementen
eine äußerst konstante Kompensationsspannungsquelle (Normalelement) zu schaffen.
Zu diesem Zweck ist es erforderlich, einen Thermostaten für hohe und einen Thermostaten
für tiefe Temperatur vorzusehen, wobei in dem einen Thermostaten die warme und in
dem anderen Therniostaten die kalte Lötstelle angeordnet wird; dadurch werden die
beiden Lötstellen auf sehr konstanten Temperaturen gehalten. Ein Ausführungsbeispiel
für diese Anordnung zeigt die Meßschaltung gemäß Fig. 5,
welche einen selbsttätigen
Kompensationsregler darstellt. Als konstante Spannungsquelle (Normalelement) der
Kompensationsspannung liegt an dem Kompensationswiderstand 6 über dem Vorwiderstand
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das Thermoelement 2. Dieses weist die beiden Lötstellen a. und
b, auf, von denen die warme Lötstelle a,
in einem Metallthermostaten
4 für hohe Temperatur und die zweite Lötstelle b2 in einem Metallthermostaten
5 für tiefere Temperatur angeordnet ist. Die zu messende Spannung wird von
dem Thermoelement i geliefert und über ein Nullgalvanometer 8 dem Kompensationswiderstand
6 in der üblichen Weise zugeführt. Der Thermostat für die warme Lötstelle
des Kompensationselementes wird vorzugsweise gleichzeitig für die Vergleichslötstelle
des Meßthermoelementes benutzt. Das Galvanometer 8 regelt in bekannter Weise
den Abgriff 9 am Kompensationswiderstand 6. Die Stellung des Abgriffs
stellt sodann ein Maß der zu messenden Spannung dar. Man kann die mit dieser Anordnung
zu erzielende Genauigkeit auf zweierlei Weise erreichen.
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Nimmt man an, daß das Meßthern-loelement und das Kompensationselement
sich in der gleichen Weise ändern, wenn im Laufe der Benutzung beider Elemente eine
Oxydation oder Rekristallisation der Elementschenkel stattfindet, so mißt man bei
festgehaltener Stellung des Regulierwiderstandes 3 die Meßspannung als bestimmten
Bruchteil der Kompensationsspannung unabhängig von der Empfindlichkeit der Thermoelemente
stets mit der Genauigkeit, mit der die drei bzw. zwei Thermostate ihre Temperatur
konstant halten. Der einzige zusätzliche Fehler wird durch das Kompensationsmeßgerät
bzw. durch die Stufung des Kompensationswiderstandes erzeugt. Um die oben
gemachte
Annahme restlos zu verwirklichen, ist es nur nötig, von Zeit zu Zeit die beiden
Thermoelemente zu vertauschen, damit beide im Mittel der gleichen thermischen Belastung
ausgesetzt sind.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, das Kornpensationstherinoelement
therrnisch oder hinsichtlich Korrosionsmöglichkeitenwenigerstarkzubeanspruchen als
das Hauptelement. Dies kann dadurch geschehen, daß es vakuumdicht eingeschlossen
wird und mit Schutzgas oder in Vakuum angeordnet ist. Es kann aber auch um viele
Größenordnungen konstanter als das Hauptelement gehalten werden, dadurch, daß die
höchste Temperatur, der es ausgesetzt wird, um 2oo bis 300' C tiefer gewählt
wird als die zu messende Temperatur. Versuche haben gezeigt, daß unter diesen Bedingungen,
insbesondere wenn die Temperatur der Lötstellen voraussetzungsgemäß sehr konstant
gehalten ist, eine Änderung der Empfindlichkeit überhaupt nicht mehr nachzuweisen
ist. Es ist dies auch ohne weiteres verständlich, da bekannt ist, daß die Reaktionsgeschwindigkeiten
chemischer Prozesse, zu denen auch Rekrisiaffisation und Gefügeänderungen von Legierungen
rechnen, im allgemeinen bei einer Temperaturerhöhung um 2o bis 30' C sich
verdoppeln. Daraus errechnet sicheine Verminderung der Therrnokraftänderung im Verhältnis
i # 2111 bzw. i::z1,61 für eine Verminderung der maximalen Temperatur des Kompensationsthermoelementes
um 2oo' C. Die Konstanz ist daher rund iooo- bzw. ioofach höher als die des
höher beanspruchten Meßthermoelementes.
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Will man die veränderliche Thermokraft des Meßelementes bei unveränderlich
angenommener Thermokraft des Kompensationselementes im Betrieb leicht einstellbar
gestalten, - so wird im Stromkreis der Kompensationsspannung ein Regulierwiderstand
3 vorgesehen, der bei bestimmter Stellung des Abgriffes die Kompensationsspannung
nach Maßgabe der individuellen Empfindlichkeit des Hauptelementes i veränderbar
macht.
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- Letzteres wird in folgender Weise für die betriebsmäßige
Eichung bzw. Nachjustierung des Meßelementes i benutzt. Die entsprechende Schaltung
zeigt Fig. 6. Bei der hier dargestellten Eichschaltung wird zur Feststellung
der individuellen Eichkonstante des Meßthermoeleinentes i, z. B. zur Hebung der
evtl. gesunkenen Eichkurve, die warme Lötstelle a, zusammen mit der warmen Lötstelle
a, des Vergleichsthermoelementes in dem Metalffhermostaten für hohe Temperatur angeordnet
und die kalte Lötstelle b, des Haupteleinentes zusammen mit der kalten Lötstelle
b,
des Vergleichselementes in den Metallthermostaten für tiefe Temperatur
gebracht. Beide Thermoelemente sind gegeneinander über den Kompensationswiderstand
und das Nulänstrument geschlossen. Sodann wird mit Hilfe des Abgriffs io am Regulierwiderstand
3
die Kompensationsspannung am Kompensationswiderstand 6 so eingestellt,
daß sich bei Einstellung des Kompensationsabgriffes auf den durch die Temperaturdifferenz
der beiden Thermostaten gegebenen Skalenwert durch den Beobachter Stromlosigkeit
im Kompensationsgalvanorneter ergibt. Die Stellung des Regulierwiderstandes
3 ergibt dann die der individuellen Empfindlichkeit des Meßthermoelementes
zu-
gehörige Kompensationsstromstärke des Kompensationselementes. Durch Anwendung
von Mehrfachelementen oder solcher höherer Empfindlichkeit kann man stets dafür
sorgen, daß die Spannung für den Kompensationsstromkreis höher ist als die des Meßelementes
bei gleicher Temperaturdifferenz, so daß die Einstellung des Regulierwiderstandes
mit endlichen positiven Werten dieses Widerstandes möglich ist.