Text-Bild-Ansicht Band 334

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3. Das Hirschsohn-Braunsche Pyrometer.

Die Hauptfehlerquelle, welche von dem aus verschiedenen Umständen veränderlichen Reflexionsvermögen des Spiegels herrührt, ist bei einem neuen, von Hirschsohn8) konstruierten und von der Firma P. Braun & Co. in den Handel gebrachten Strahlungspyrometer dadurch vermieden worden, daß die Strahlung direkt (ohne Vermittlung eines reflektierenden oder brechenden Systems) auf den wärmeempfindlichen Teil des Pyrometers fällt, der sich am Ende eines langen, engen Rohres befindet. Die Angaben des Instrumentes sind unabhängig von der Entfernung, solange der Strahlenkegel, welcher seine Spitze an dem Rohrende hat, und der durch die vordere Oeffnung des Pyrometers begrenzt ist, in seiner Verlängerung noch ungehindert durch die Schauöffnung des Ofens hindurchgeht (und auch noch der ganze Kegelmantel das zu messende Stück trifft).

Statt des Thermoelementes des Féry-Pyrometers verwendet Hirschsohn ein Bolometer; dieses kann man im Prinzip als ein Widerstandsthermometer ansehen, welches nicht direkt an den Ort gebracht wird, dessen Temperatur gemessen werden soll, sondern das nur der von ihm kommenden Strahlung ausgesetzt wird und seine Temperatur durch deren Absorption erhöht.

Man verwendet auch hier eine Wheatstonesche Brückenschaltung (Fig. 5), bestrahlt aber nicht nur den Widerstand 1, sondern, um eine stärkere Widerstandsänderung und damit einen größeren Galvanometerausschlag zu erzielen, auch den ihm diagonal gegenüberliegenden Widerstand 4. Die beiden Widerstände 2 und 3 werden gegen die Strahlung geschützt. Bekanntlich fließt durch den Galvanometerzweig kein Strom, wenn die Beziehung besteht

W1 • W4 = W2 • W3.

Textabbildung Bd. 334, S. 284

Damit diese (bei unbestrahltem Instrument) für beliebige Außentemperatur erfüllt ist, müssen die vier Widerstände aus demselben Material (mit gleichen Temperaturkoeffizienten) bestehen.

Durch die auffallende Strahlung erwärmen sich nun die aus kleinen Drahtspiralen bestehenden Zweige 1 und 4 und ändern damit ihren Widerstand, wodurch eine Störung des Gleichgewichts in der Brücke eintritt, welche in dem Galvanometer einen dem Strom i entsprechenden Ausschlag erzeugt. Ganz allgemein ist der Strom i, wenn man die Widerstände der einzelnen Kreise mit W1, W2, W3, W4, den des Elementenkreises mit W, den des Galvanometerkreises mit w und die Spannung der Meßbatterie mit E bezeichnet.

,

wo N den Wert hat

N = Ww (W1 + W2 + W3 + W4) + W (W1 + W2) (W3 + W4)

+ w (W1 + W3) (W2 + W4) + W1 W3 (W2 + W4)

+ W2 W4 (W1 + W3)

Setzt man die einander gleichen Widerstände W1 und W4 gleich R und W2 und W3 gleich r so wird

.

Da sich nun der Widerstand der Zweige 1 und 4 nur wenig ändert, so kann man setzen R = r + dr und es wird (ohne Berücksichtigung des Vorzeichens)

.

Bezeichnet man nun den Temperaturkoeffizienten des Materials mit α, seine Temperaturerhöhung mit t, so ist dr = rαt; für t = 5° (den höchsten bei den Braunschen Pyrometern vorkommenden Wert) und

wird dr angenähert
. Unter Vernachlässigung eines Fehlers von 2 v. H. kann man also in der obigen Gleichung das Glied r + dr durch r ersetzen, dann wird

.

Bei einem gegebenen Instrument sind nun die Widerstände W, w und r konstant, solange sich die Temperatur nicht ändert. Wird nun auch die Spannung konstant gehalten, so ist die Stromstärke i und damit auch der Galvanometerausschlag proportional der Widerstandsänderung und damit auch proportional zu der Temperaturerhöhung t des Bolometers. Nun ist ferner in erster Annäherung die Temperaturerhöhung eines geschwärzten Streifens nach dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz proportional der vierten Potenz der absoluten Temperatur. Auch bei dem Bolometer muß somit der Galvanometerausschlag angenähert proportional der vierten Potenz der absoluten Temperatur sein, so daß die Skala dieses Instruments, ebenso wie die des Féry-Pyrometers, nicht linear, sondern mit nach höheren Temperaturen hin schnell wachsender Ausdehnung verlaufen muß. In der Tat zeigt die Skala des Braunschen Pyrometers auch erst von 500° ab eine, und zwar hier gleichfalls sehr eng beieinander liegende Zehnerteilung. Wird das Instrument als Ganzes auf höhere Temperaturen (etwa durch die von den Ofenwänden ausgehende Strahlung) erwärmt, so muß nach der letzten Gleichung, da alle Widerstände hierbei größere Werte annehmen, die Stromstärke i und, damit der Ausschlag abnehmen. Man wird praktisch unabhängig hiervon, wenn man die Widerstände W und w aus einem Material von sehr geringem Temperaturkoeffizienten herstellt und sie so groß und r so klein wählt, daß gegenüber dem Produkt 2 Ww die andern Glieder des Nenners zu vernachlässigen sind.

Voraussetzung für die richtigen Angaben des Instrumentes ist nun, daß die Spannung der Batterie konstant bleibt. Diese muß also (wie beim Widerstands-Thermometer) kontrolliert und von Zeit zu Zeit eingestellt werden, worin, wie oben erwähnt, eine Fehlerquelle liegt, die sich namentlich bei laufenden Beobachtungen bemerkbar machen wird. Weiterhin muß aber auch darauf geachtet werden, daß die vier Widerstände W1 bis W4 bei Abschluß des das eigentliche Bolometer (W1 und W4) enthaltenden Rohres stets gleiche Temperaturen haben. Dies ist in sehr einfacher Weise dadurch erreicht, daß die vier Widerstände in einen Kopf eingebaut sind und daß parallel zu dem die Strahlung aufnehmenden Rohre ein zweites Rohr angebracht ist, welches aber an seinem dem Ofen zugewandten Ende stets verschlossen bleibt; beide Rohre sind hochglanz poliert und vernickelt. Selbstverständlich ist auch noch darauf zu achten, daß die Leitungen vom Bolometer zum Ableseinstrument stets denselben Wert haben. Es werden zu diesem Zweck zwei in diese einzuschaltende Widerstandsspiralen mitgegeben, von denen soviel Widerstand abzunehmen ist, als dem Widerstände der Leitungsdrähte entspricht.

Um bei Aufbau des Instrumentes die Erfüllung der Bedingung leicht kontrollieren zu können, daß seine Vorderöffnung nichts von der strahlenden Fläche ab schirmt, wird ein kleines, an seinem einen Ende offen an seinem andern dagegen bis auf ein kleines Loch von

8)

F. Hirschsohn, Z. d. V. d. I. 62, 552, 1918.