Titel: Siemens' elektrisches Pyrometer.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1873, Band 209, Nr. LXXII. (S. 419–424)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj209/ar209072

LXXII. Das elektrische Pyrometer von Dr. L. W. Siemens in London.

Nach Engineering, September 1873, S. 177.

Mit Abbildungen aus Tab. VI.

Höchst anziehend und in theoretischer sowie in praktischer Beziehung interessant ist die Collection elektrischer und telegraphischer Apparate und Materialien, welche die Gebrüder Siemens in England und die Firma Siemens und Halske in Berlin zur Wiener Weltausstellung geliefert haben. Dahin gehört unter Anderem auch das elektrische Pyrometer von Dr. C. W. Siemens in London.

Diesem Instrumente liegt das einfache Princip zu Grunde, daß der Widerstand eines reinen metallischen Leiters mit seiner Temperatur zunimmt. Diese Zunahme ist nicht gleichförmig; sie folgt einem genau bestimmten geometrischen Gesetz. Ist daher der Widerstand irgend eines Leiters bei 0° Cels. gegeben, so sind wir im Stande zu berechnen, wie groß derselbe bei 100°, 1000° oder 3000° ist; und umgekehrt, wenn der Widerstand bekannt ist, so können wir hieraus die Temperatur ableiten.

Der metallische Leiter, dessen man sich bedient, ist ein feiner Platindraht von bekanntem Widerstande. Er ist um einen Cylinder von feuerfestem Thon gewickelt, welcher behufs der Isolirung der Drahtwindungen mit einer schraubenförmigen Rinne versehen ist. Dieser ungefähr 3 Zoll lange und 1/2 Zoll im Durchmesser haltende Thoncylinder ist in einem Gehäuse eingeschlossen, dessen unterer conischer Theil je nach der zu ermittelnden Temperatur aus Platin, Kupfer oder Eisen besteht. Die beiden Enden der Platinspirale sind innerhalb dieser hervorragenden Röhre an dickere, sorgfältig isolirte Kupferdrähte befestigt. Diese erstrecken sich nach dem Meßinstrumente, welches je nach Umständen entweder |420| ein Differential-Galvanometer oder ein Differential-Voltameter seyn kann.

Die Methode, den elektrischen Leitungswiderstand durch das Differential-Galvanometer zu messen, erinnert an Wheatstone's Brücke. Zur Erläuterung möge die schematische Abbildung Figur 23 dienen. Der von der Batterie B ausgehende Strom theilt sich an dem metallenen Schieber oder Zeiger C; der eine Theil geht nach D, der andere nach E. Hier theilen sich diese Partialströme abermals. Bei D geht ein Theil durch das Galvanometer, der andere durch die Klemmschraube N und den Pyrometerdraht M nach den Schrauben O und P, wo er dem von E kommenden Theile, welcher durch den constanten Widerstand R gegangen war, begegnet; von P aus kehrt der Strom zur Batterie zurück. Wenn die Zweige E, P und D, N, M, O dem Strome gleiche Widerstände darbieten, so wird das Galvanometer nicht afficirt; ist jedoch der Widerstand des einen dieser Zweige größer, so erfolgt eine entsprechende Ablenkung der Nadel. Man führt die letztere sodann durch Verschiebung des Zeigers C auf Null zurück. Nachdem die Widerstandszunahme der Spirale bestimmt worden ist, kann die Temperatur berechnet werden, indem man auf der jedem Instrumente beigegebenen Tabelle diejenige Zahl aufsucht, welche der durch den graduirten Bogen bezeichneten Zahl entspricht. Mit Hülfe eines solchen Pyrometers lassen sich Temperaturen bis zu 4500° Fahr. registriren.

Eine charakteristische und schätzenswerthe Eigenschaft dieses Instrumentes besteht darin, daß mit seiner Hülfe Temperaturen entfernterer, schwer zugänglicher oder ganz und gar unzugänglicher Orte sich ohne Schwierigkeit ermitteln lassen, indem der eigentliche Indicator des Pyrometers in einer Entfernung bis zu 300 Yards von der Platinspirale angeordnet werden kann. Das elektrische Pyrometer ist von unschätzbarem Werthe für Kohlengruben oder Eisenwerke, indem es dem Eigenthümer den Wärmegrad seiner Grube oder seines Hohofens genau anzeigt ferner für Gasanstalten, da die Leuchtkraft des Gases durch die Destillationstemperatur der Kohle beeinflußt wird. Auch für den Naturforscher ist dasselbe eine kostbare Acquisition, indem er, ohne sich selbst der Ungunst des Wetters auszusetzen, die Temperatur eines hochgelegenen Ortes, oder die in der Tiefe eines See's oder Meeres herrschende Temperatur in seinem Zimmer ablesen kann. Professor Bolzani bediente sich dieses Pyrometers bei seinen Untersuchungen der Temperatur von Orten, die bedeutend oberhalb oder unterhalb der Erdoberfläche lagen, und ebenso Lowthian Bell bei seinen Studien über Hohöfen; Dr. Carpenter bediente sich einer Modification desselben bei seinen |421| Sondirungen tiefer See'n; Dr. Challenger endlich benutzt dasselbe bei seiner ausführlichen Behandlung eines der interessantesten Probleme der Hydrographie, nämlich des Problems, die Temperatur des atlantischen Oceans in verschiedenen Tiefen zu bestimmen.

In allen den genannten Fällen sind lange Leitungsdrähte nöthig. Da nun beide Zweige des Stromkreises durch diese hinzukommenden Längen möglicherweise nicht gleichmäßig afficirt werden möchten, so könnte dieser Umstand zu Irrthümern Anlaß geben, welche die Zuverlässigkeit der Beobachtung wesentlich beeinträchtigen würden. Aber eine sinnreiche Vorkehrung beseitigt diese Quelle der Ungenauigkeit vollständig. Es ist nämlich ein dritter Leitungsdraht angeordnet. Einer der oben erwähnten Partialströme nimmt seinen Weg von der Batterie durch einen der Leitungsdrähte nach der Pyrometerspirale, von da durch den zweiten Leitungsdraht, und das Galvanometer (oder nach Umständen das Voltameter) zurück nach der Batterie. Der zweite Partialstrom circulirt durch die constante Widerstandsvorrichtung und den dritten Leitungsdraht zurück nach dem Galvanometer und der Batterie. Auf diese Weise bestehen beide Zweige des Schließungsbogens aus gleichen Drahtlängen, und alle durch die Temperaturveränderungen veranlaßten Widerstandsänderungen afficiren beide Seiten der Gleichgewichtslage auf gleiche Weise.

Es könnte den Anschein haben, als ob die Leitungsfähigkeit des Platins dadurch, daß es so häufig einer intensiven Hitze ausgesetzt ist, alterirt werde. Allein Dr. Siemens hat durch eine lange Reihe von Versuchen nachgewiesen, daß die elektrische Leitungsfähigkeit eines Metalles für einen gegebenen Wärmegrad – von den durch Oxydation verursachten Aenderungen abgesehen – eine constante Größe ist. Eisen und Kupfer oxydiren leicht, vergrößern dadurch den Widerstand und machen die Ablesung unzuverlässig. Solches ist jedoch mit dem Platin nicht der Fall; dieses bleibt unverändert, es sey denn, daß es außergewöhnlich hohen Temperaturen direct ausgesetzt wird. Umschließt man aber die Spirale mit einer Platinhülle, so nimmt sie nur die strahlende Wärme auf, und da 4 oder 5 Minuten zu einer genauen Ablesung genügen, so können Temperaturen welche sich dem Schmelzpunkte des Platins nähern, leicht gemessen werden.

Der zweite Apparat zur Messung des elektrischen Widerstandes ist das Differential-Voltameter. Dieser schöne und sinnreiche Apparat ist in Fig. 24 in einer perspectivischen Ansicht abgebildet. Er besteht aus zwei gut kalibrirten ungefähr 3/25 Zoll im Durchmesser haltenden Röhren, welche an eine Scale befestigt sind, deren Graduirung |422| aus irgend einer Anzahl unter sich gleicher, sonst willkürlicher Theile besteht. Die oberen Enden dieser Röhren sind durch Kautschukkissen, welche durch belastete Hebel in ihrer Lage gehalten werden, die unteren erweiterten Enden durch Holzstöpsel geschlossen, welche behufs der Aufnahme beider Elektroden durchbohrt sind. Zwei mit angesäuertem Wasser gefüllte Glascylinder stehen durch Kautschukröhren mit jenen erweiterten Röhrenenden in Communication. Wenn man die oberen Enden öffnet, und die Glascylinder in ihren verticalen Führungen in die Höhe schiebt, so steigt nach dem physikalischen Princip der communicirenden Gefäße die Flüssigkeit in den Röhren, bis ihre Oberfläche in den letzteren und in den erwähnten Glascylindern in gleichem horizontalem Niveau steht.

Der Batteriestrom theilt sich, wie oben bemerkt, in zwei Arme, wovon der eine in den nach dem Pyrometer führenden Drähten und einer der Voltameterröhren einen bekannten Widerstand erfährt, während der andere die Leitungsdrähte, die Platinspirale und die zweite Voltameterröhre durchläuft. Die Messung des Widerstandes beruht auf zwei bekannten Gesetzen, dem Faraday'schen und dem Ohm'schen Gesetz. Faraday hat gezeigt, daß das in einem Voltameter in irgend einem vielfachen oder aliquoten Theile einer gewählten Zeiteinheit T entwickelte Gasvolumen V der Stromstärke S proportional ist. Demgemäß ist

V = ST, mithin S = V/T.

Ohm hat bewiesen, daß die Stromstärke der elektromotorischen Kraft direct, dem Leitungswiderstande aber umgekehrt proportional ist, d.h. daß

S = E/R.

Durch Gleichsetzung dieser beiden Verhältnisse hat man also

V/T = E/R, und somit

V = ET/R,

oder das Volumen des in jeder der beiden Röhren entwickelten Gasgemisches ist der elektromotorischen Kraft und der Zeit direct, dem Widerstande aber umgekehrt proportional. Hier sind zwei Elemente der Ungenauigkeit vorhanden: die elektromotorische Kraft und die Zeit. Die erstere unterliegt in Folge der Polarisation, der Temperatur und des Concentrationsgrades der Säure fortwährenden Veränderungen; und was die Zeit anbelangt, so ist es in den meisten Fällen schwierig, hierüber exacte Beobachtungen anzustellen. Diese Elemente der Ungenauigkeit |423| mußten beseitigt werden, bevor jene Formel irgend eine praktische Verwendung finden konnte. Es wurde daher die zweite Voltameterröhre hinzugefügt, und der Schließungsbogen, wie oben beschrieben, in zwei besondere Stromkreise abgetheilt. Nennen wir V¹ das Volumen des in dem zweiten Voltameter gesammelten Gasgemisches und R¹ den Leitungswiderstand im Schließungsbogen, so haben wir nach dem Ohm'schen Gesetz:

V¹ = ET/R¹

da aber

V = ET/R,

so folgt die Proportion

V : V¹ = R¹ : R

und hieraus

R' = R × V/V¹

d.h. der Widerstand der pyrometrischen Spirale ist gleich einem constanten R multiplicirt mit dem Volumverhältniß der in den beiden Röhren entwickelten Gase. Diese Formel ist, wie man sieht, von der elektromotorischen Kraft, von der Zeit und Temperatur unabhängig. Die einzige etwa noch übrig bleibende Fehlerquelle wäre etwa der feuerfeste Thon selbst, dessen isolirende Eigenschaft von einer gewissen Temperaturgrenze an sich vermindert. Der hieraus resultirende Fehler ist jedoch so gering, daß er praktisch vernachlässigt werden kann. Das angesäuerte Wasser sollte 10 Proc. Schwefelsäure enthalten. Die Auswahl des Platindrahtes für die Spirale erfordert einige Sorgfalt; denn aus einem und demselben Etablissement zeigten einzelne Proben bei 0° C. das 4,7 fache, andere dagegen das 8,2 fache Leitungsvermögen des Quecksilbers.

Die Manipulation mit dem in Rede stehenden Pyrometer ist folgende. Man adjustire das Niveau in den Röhren auf die oben beschriebene Weise, bringe den conischen Theil des langen Schutzcylinders in den Ofen, dessen Temperatur ermittelt werden soll, und stelle durch geeignete Drehung des Commutators die Verbindung mit der Batterie her. Zur Vermeidung einer ungleichen Polarisation an den Elektroden kehre man den Strom während der Beobachtung öfters um, unterbreche denselben, wenn das angesäuerte Wasser in der weniger beeinflußten Röhre ungefähr um 40 Theilstriche gesunken ist, und lese die Niveau's der Flüssigkeit auf den mit V und V' bezeichneten Scalen ab. Hierauf |424| suche man in der erwähnten Tabelle diese Zahlen in den gleichfalls mit V und V' bezeichneten Columnen. An dem Durchschnitte zweier von diesen Zahlen gezogenen imaginären Linien findet man alsdann den Widerstand der Spirale und die entsprechende Temperatur des Ofens mit rothen und schwarzen Ziffern markirt.

Bei dem von uns in der Wiener Ausstellung geprüften Pyrometer beträgt der constante Widerstand 17 Siemens'sche Einheiten und der Widerstand des Platindrahtes bei 0° C. 10 solcher Einheiten.

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