Ueber die optische Messung hoher Temperaturen.Wir geben diese Arbeit mit gütiger Erlaubniss des Herausgebers und der Verlagshandlung nach der Physikalischen Revue (vgl. S. 24 dieses Heftes), Heft 7 S. 79, wieder. Von H. Le Chatelier.H. Le Chatelier, Journ. de phys., 1892 (3) Bd. 1 S. 185. Mit Abbildungen. Ueber die optische Messung hoher Temperaturen. Eine Messungsmethode, welche hohe Temperaturen zugleich einfach und genau zu bestimmen gestattet, würde für gewisse Industrien von unbestreitbarem Nutzen sein. Bei dem Härten des Stahles, beim Porzellangiessen, bei der Chlorfabrikation mittels des Deacon-Processes genügt ein Temperaturfehler von nur 20°, um vollständige Misserfolge herbeizuführen. Auch hat sich, seitdem ich angegeben habe, unter welchen Bedingungen die thermo-elektrischen Säulen zur genauen Messung hoher Temperaturen dienen können, die Anwendung dieser elektrischen Pyrometer schnell in der Industrie verbreitet. Man darf indessen nicht verkennen, dass so feine Instrumente, wie es die elektrischen Apparate sind, sich kaum dazu eignen, den Arbeitern in die Hand gegeben zu werden. Ich bin von verschiedenen Seiten ersucht worden, diese Frage, besonders vom Standpunkte der industriellen Bedürfnisse aus, wieder aufzunehmen; so entstanden die neuen Untersuchungen, welche ich über Pyrometrie angestellt habe. Ein Ueberblick über die verschiedenen Verfahren, die zur Messung hoher Temperaturen dienen können, zeigt, dass nur die optischen Verfahren eine befriedigende Lösung des Problems geben können. In der That ersparen sie uns den Gebrauch besonderer thermometrischer Substanzen, welche alle den in gewissen Oefen vorkommenden, hohen Temperaturen auf die Dauer nicht widerstehen können. Sie erfordern keine materielle Verbindung zwischen Ofen und Instrument, die immer schwer herzustellen wäre, da in der Fabrik Arbeiter und Apparate oft ihren Ort wechseln. Die Intensität der Lichtausstrahlung glühender Körper wächst mit der Temperatur, ihre Helligkeit nimmt zu. Diese Intensität wächst ungleichmässig für Strahlen von verschiedener Wellenlänge. Die Färbung des Körpers variirt also auch mit der Temperatur. Man kann nun aus Messungen der Helligkeit oder der Färbung eine Schätzung der Temperatur herzuleiten versuchen. Pouillet hat 1836 eine Tabelle der Temperaturen aufgestellt, welche diesen verschiedenen Graden von Helligkeit und Färbung entsprechen, welche er mit blossem Auge schätzte. Diese Tabelle, so wenig genau sie bei einem so rohen Verfahren auch nur sein konnte, wird heute noch benutzt. Edm. Becquerel hat 1864 in Folge seiner Untersuchungen über die Ausstrahlung glühender Körper ausgesprochen, es sei möglich, mittels photometrischer Messungen der Lichtintensität der von glühenden Körpern ausgesandten rothen Strahlen sich einen Begriff von den hohen Temperaturen zu machen. Er hat versucht, diese Methode zur Bestimmung des Schmelzpunktes von Palladium und Platin, der Temperatur von Kalk in einer Knallgasflamme und der Temperatur der Kohle im Voltabogen anzuwenden. Aber dieser Versuch schlug fehl wegen der unzureichenden Methode bei der Temperaturmessung und wegen der geringen Dehnbarkeit der angewandten photometrischen Methode, welche Experimente nur in einem Temperaturintervall von 250° gestattete. Seitdem ist die Ausführung dieser Methode nicht mehr versucht worden. Violle hat unterdessen einen wichtigen Schritt in unserer Frage vorwärts gethan, indem er die Ungenauigkeit des Strahlungsgesetzes von Dulong nachwies, welches die Experimente von Edm. Becquerel zu bestätigen schienen. Crova suchte 1879 die Bestimmung hoher Temperaturen durch Messungen der relativen Intensitätsänderung verschiedener Strahlen (roth und grün) auszuführen, aber dieser Versuch misslang wegen seines Mangels an Genauigkeit und wegen der zu complicirten Apparate. Noch heute benutzt man die Strahlung glühender Körper nach dem Verfahren von Pouillet oder nach analogen Methoden; d.h. man schätzt die Intensität oder vielmehr die Färbung der Strahlen entweder mit blossem Auge, oder indem man das Auge mit einem Cobaltglase oder mit Quarz zwischen zwei Nicols (Nouel- und Mesuré-Lupe) bewaffnet, welche die Strahlen mittlerer Brechbarkeit abfangen und dadurch die Aenderung in der Farbennuance der glühenden Körper verstärken. Diese Methoden befähigen einige Arbeiter, ziemlich befriedigende Resultate zu erhalten, aber sie setzen die Beobachter, welche keine lange Lehrzeit hinter sich haben, Fehlern von mehreren Hundert Graden aus. (Vgl. 1889 272 * 361.) Um ein wirklich praktisches Pyrometer zu erhalten, muss man das Auge durch einen Messungsapparat unterstützen, der sehr genau und dennoch hinreichend einfach ist und zu seiner Anwendung keine lange Ausbildung erfordert. Das ist die Aufgabe, deren Lösung ich versucht habe. Die Messung der Aenderungen in der Farbennuance, d.h. der ungleichen Intensitätsänderungen verschiedener Strahlen kann, wie man sich leicht überzeugen kann, kein genaues Resultat liefern, weil die zu messende Erscheinung nur Aenderungen aufweist, welche die Beobachtungsfehler zu wenig an Grösse übertreffen. Nach Violle variirt das Intensitätsverhältniss der Strahlen λ = 656 (roth) und λ = 482 (blau) in dem Verhältniss 1 : 4,5 für ein Temperaturintervall von 700°. Nun kann die Unsicherheit in der Messung dieses Verhältnisses praktisch nicht unter 10 Proc. sein, was schon einen Fehler von 50° verursachen würde, ohne Rücksicht auf andere gleich beträchtliche Fehlerquellen, welche dieser Beobachtungsmethode anhaften. Die absolute Intensitätsänderung dagegen von Strahlen mit bestimmter Wellenlänge, z.B. der rothen Strahlen, erreicht für dasselbe Temperaturintervall – von 700° – zwischen 1000° und 1700° das Verhältniss 1 : 300. Es erhebt sich zwischen 600° und 1800° bis auf 1 : 1000000. Man erkennt also die ganze Empfindlichkeit, welche eine auf die absolute Messung der Strahlung basirte pyrometrische Methode erreichen kann. Wenn man sich seit Becquerel nicht mehr mit dieser Methode beschäftigt hat, so liegt das ohne Zweifel an den Fehlern, welche vom theoretischen Standpunkte aus sicher in Betracht kommen, welche aber in der Praxis die Bedeutung nicht haben, welche man hätte befürchten können. Kirchhoff hat festgestellt, dass die von einem glühenden Körper ausgesandten Strahlen nicht nur von seiner Temperatur abhängen, sondern auch von seiner Beschaffenheit, von dem Zustande seiner Oberfläche und überhaupt von der Temperatur der Hülle, welche ihn umgibt. Nur bei den schwarzen Körpern, d.h. bei den Körpern, deren Absorptionsvermögen und daher auch deren Emissionsvermögen ein Maximum ist, hängt der Glanz nur von der Temperatur ab. Nun findet man, wie ich unten feststellen werde, dass oxydirtes Eisen, das interessanteste der industriellen Producte und das bei pyrometrischen Messungen am meisten interessirte, ein ähnlicher schwarzer Körper ist. Ich hatte mich im Laufe dieser Untersuchungen zu beschäftigen mit: 1) der photometrischen Methode; 2) dem Emissionsvermögen; 3) dem Gesetz der Strahlung glühender Körper. Ich werde am Schlusse die Ergebnisse, welche ich in verschiedenen Hüttenwerken sowohl mit dem optischen, wie andererseits mit dem thermoelektrischen Pyrometer erhalten habe, mittheilen. Das Photometer. Der Zwang der industriellen Anwendung erfordert, dass man direct das Bild des zu untersuchenden Gegenstandes mit demjenigen einer Lichtquelle, welche als feste Einheit dient, vergleichen muss. Die Spectrophotometer, deren Aufstellung langwierig und delicat ist, sind nothwendiger Weise zu verwerfen; sie würden niemals die Beobachtung so flüchtiger Erscheinungen wie das Ablassen des Stahles, das Werfen einer Schiene beim Strecken gestatten. Um Lichtintensitäten, welche im Verhältniss 1 : 1000000 schwanken können, gleich zu machen, kann man an kein anderes Verfahren als den Gebrauch von Absorptionsgläsern denken, die in grösserer oder geringerer Anzahl an einander gelegt werden. Für die Aenderungen innerhalb des Intervalles der auf einander folgenden Gläser kann man sich Nicol'scher Prismen oder einer Irisblende bedienen. Das zweite Mittel allein erschien mir hinreichend genau und praktisch. Die schwierige Regulirung und das leichte Verderben der Nicol'schen Prismen, sowie die partielle Polarisation des von den leuchtenden Körpern ausgesandten Lichtes sind Gründe, von denen jeder hinreichen würde, den Gebrauch der Polarisatoren zu verwerfen. Textabbildung Bd. 286, S. 45Fig. 1.Photometer. Endlich ist es unerlässlich, bei diesen Vergleichungen mit einfarbigem Lichte zu arbeiten; die Strahlen müssen roth sein, weil die einzigen monochromatischen Gläser diese Farbe haben; die rothen Strahlen bieten andererseits den Vortheil, dass sie die ersten sind, welche sich bei glühenden Körpern entwickeln; ihre Anwendung erlaubt also die Messungen über das grösstmögliche Temperaturintervall zu erstrecken. Diese verschiedenen Einrichtungen, welche sich einem pyrometrischen Photometer aufdrängen, sind alle in dem Photometer von Cornu vereinigt; ich hatte also nur dieses Instrument zu nehmen, indem ich allein die äussere Form abänderte, um sie den Bedürfnissen der Hüttenwerke anzupassen.Dieser Apparat ist von Ph. Pellin construirt. Das Mikroskop, welches in dem Apparate von Cornu dazu dient, die Bilder des glühenden Körpers und der Lichtquelle anzuvisiren, ist durch ein einfaches Ocular G (Fig. 2) ersetzt worden. Die besondere Erdöllampe ist durch eine kleine tragbare Lampe L ersetzt worden derart, dass sie am Apparate befestigt und von einer Hülle, die sie gegen den Luftzug schützt, umgeben ist. Das Photometer bildet also eine tragbare Lupe, welche nach Belieben in der Hand gehalten oder von einem Fuss getragen werden kann. Ernste Schwierigkeiten boten sich sowohl bei der Wahl des rothen Glases, das vor dem Ocular G angebracht ist, als auch bei derjenigen der dunkeln Absorptionsgläser E vor der Irisblende D. Es gibt wenige rothe Gläser, welche für Messungen, welche sich auf sehr verschiedenes Licht erstrecken, hinreichend einfarbig sind, ohne gleichzeitig zu dunkel zu werden, um gute photometrische Messungen zuzulassen. Es glückte mir indessen, passende rothe Gläser ausfindig zu machen. Der Schwierigkeit, dunkle absorbirende Gläser zu finden, welche die Farbe der durchgehenden rothen Strahlen nicht beträchtlich ändern, bin ich mit Hilfe des Herrn Appert Herr geworden, welcher nach meinen Angaben eine Reihe von Glascompositionen versuchte, und dem es gelang, eine zu finden, welche ausgezeichnete Resultate gibt. Die färbenden Oxyde sind ein Gemisch von Eisen- und Kupferoxyd mit einer kleinen Menge Mangan- und Nickeloxyd. Um die Lichtintensitäten auszudrücken, muss man als Einheit ein bestimmtes Lichtmaass annehmen, welches leicht anzuwenden und zu reproduciren ist. Die Carcel-Lampe ist sehr complicirt für den Gebrauch in Fabriken und ihre Flamme zeigt eine sehr unregelmässige Helligkeit. Die kleine Normallampe mit Amylacetat habe ich versucht, aber für die Praxis ist sie zu verwerfen. Mit der grössten Sorgfalt regulirt, gibt sie vielleicht befriedigende Resultate, aber ohne besondere Vorsichtsmaassregeln angewandt, kann sie nur eine sehr unregelmässige Intensität liefern, die Metallampe bedeckt sich rasch mit Grünspan, der Docht imprägnirt sich mit Kupfersalz und lässt keine Flüssigkeit aufsteigen; endlich muss man das Acetat selbst präpariren, um seiner Reinheit sicher zu sein. Für industrielle Versuche gibt eine gewöhnliche Kerze oder eine kleine Lampe mit Petroleumäther eine viel stetigere Lichtintensität. Ich habe bei meinen Versuchen als Visirpunkt den hellsten Theil der axialen Gegend genommen und die Nähe der Ränder beiseite gelassen, bei denen die Intensität rasch wechselt. Textabbildung Bd. 286, S. 45Fig. 2.Cornu's Photometer mit Mikroskop. So habe ich für verschiedene Lichtquellen die folgenden Resultate erhalten: Amylacetat.StearinkerzeGaskerze Pigeon-Lampemit Petroleum-äther Carcel-Lampe Gaslampe,Bengal.Sugg. Platin,in einer Knall-gasflammeschmelzend 1 1,10 1,9 0,74 15 Das auf Platin bezügliche Ergebniss ist ein wenig unsicher wegen der eigenen Helligkeit der Flamme des Knallgasgebläses, welches ich anwandte. Intensitätsmessungen. Um mit diesem Photometer eine Intensitätsmessung auszuführen, verfährt man folgendermaassen: Man muss nötigenfalls mit der Regulirung des Spiegels mittels dreier Stellschrauben beginnen, so dass das Lichtbündel, welches aus der Lampe kommt und vom Spiegel reflectirt wird, und dasjenige, welches direct vom anvisirten Objecte herkommt, vollständig in das Auge dringen. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die vom Ocular gelieferten Bilder der beiden Objective sich über einander lagern und in der Achse des Rohres liegen. Man verificirt das, indem man diese beiden Bilder, welche sich ein wenig hinter dem Ocularring bilden, mit einer Lupe ansieht. Selbstverständlich muss man beide Objective, um sie sichtbar zu machen, beleuchten, und zwar das eine mit der Lampe, das andere mit einer beliebigen Lichtquelle. Wenn die Uebereinanderlagerung nicht vorhanden ist, stellt man sie mit den drei Schrauben her, welche den Spiegel befestigen. Der Apparat muss, wenn er keine Stösse erhält, beliebig lange regulirt bleiben. Die Vergleichslampe des Photometers muss, um constante Helligkeit zu geben, eine regelmässige Flammenhöhe haben, z.B. gleich der Höhe des rechteckigen Fensters, welche vor der Lampe aufgestellt wird. Ihr Bild muss durch die Spiegelkante genau in zwei Theile geschnitten werden, was man durch Drehen der Lampe in ihrem Gestelle, in welchem sie excentrisch sitzt, erreicht. Endlich muss man vor Beginn der Messung etwa 10 Minuten warten, bis die Lampe ihre beharrende Erwärmung angenommen hat; nur dann gibt die Flamme eine stetige Helligkeit. Um eine Messung auszuführen, visirt man durch das Rohr das leuchtende Object derartig an, dass sein Bild von der Spiegelkante durchschnitten und so mit dem Bilde der Flamme in Contact gebracht wird. Man verändert mittels des unten angebrachten Knopfes die Oeffnung der Irisblende, bis die gleiche Intensität der Bilder erreicht ist. Es sei n die Anzahl der Theilstriche, welche die Oeffnung der Irisblende in diesem Augenblicke angeben; es sei n' die entsprechende Anzahl bei dem Anvisiren der Amylacetat-Normallampe, die gemessene Intensität ist dann J=\left(\frac{n'}{n}\right)^2, d.h. gleich dem umgekehrten Verhältniss der Oeffnungen der Irisblende. Wenn, was im Allgemeinen der Fall ist, die anvisirten Objecte nicht den gleichen Abstand haben und daher verschiedene Einstellung erfordern, so erhält man, wenn man f und f' die Focalabstände der Bilder des Objectes und der Normallampe nennt, J=\right(\frac{n'}{n}\right)^2\,\left(\frac{f}{f'}\right)^2. Wenn endlich zur Ergänzung der Irisblende die dunkeln Absorptionsgläser nöthig sind, muss man mit der Bestimmung ihrer Absorptionscoefficienten beginnen. Dazu visirt man gegen ein Object von geeigneter Helligkeit, indem man ein dunkles Glas vor die Irisblende einschiebt oder nicht. Es sei N die Oeffnung der Irisblende ohne dunkles Glas und N' mit einem solchen; der Absorptionscoefficient des Glases wird dann K=\left(\frac{N'}{N}\right)^2. Bei einer Messung mit p Gläsern vor der Irisblende wird die Helligkeit J=\left(\frac{n'}{n}\right)^2\,\left(\frac{f}{f'}\right)^2\,\left(\frac{1}{K}\right)_p sein. Wenn es sich im Gegentheile um ein weniger helles Object handelt und die Gläser vor die Lampe geschoben werden müssen (in der Fassung, welche das rechteckige Fenster trägt), wird die Intensität durch die Formel J=\right(\frac{n'}{n}\right)^2\,\left(\frac{f}{f'}\right)^2\,K^P gegeben. Wenn man sehr kleine Objecte anvisiren will, ist es vortheilhaft, um ein hinreichend grosses Bild zu erhalten, sich sehr nahe aufzustellen; man bringt dann vor der Irisblende in die Fassung der dunkeln Gläser eine zweite, dem Objectiv des Photometers ähnliche Linse an. Man kann dann, indem man das anvisirte Object in ihren Hauptbrennpunkt bringt, in dem Photometer ein Bild in richtiger Grösse erhalten. So verfuhr ich bei allen Graduirungsversuchen, über welche unten berichtet wird. Diese Hilfslinse absorbirt ungefähr 10 Proc. der Lichtintensität. Emissionsvermögen. Bevor man die Graduirung eines solchen optischen Pyrometers, d.h. das Verhältniss, welches zwischen der Strahlungsintensität der glühenden Körper und ihrer Temperatur besteht, festzustellen versucht, ist es unerlässlich, deren Emissionsvermögen zu prüfen. Das Emissionsvermögen ist das Verhältniss der Intensität der von einem glühenden Körper in eine kalte Umhüllung ausgesandten Strahlen zu der Intensität der von demselben Körper ausgesandten Strahlen, wenn er mitten in eine Umhüllung von gleicher Temperatur gestellt wird, wobei die Intensität durch ein unendlich kleines in diese Umhüllung gebohrtes Loch beobachtet wird. Ich habe anfangs versucht, dieses Verhältniss zu ermitteln, indem ich die Helligkeit einer Löthstelle eines Thermoelementes mass, die mit verschiedenen Körpern bedeckt war und entweder in der Flamme eines Bunsenbrenners erwärmt wurde, oder in der Mitte einer von aussen geheizten Thonröhre. Der Bunsenbrenner realisirt wegen der Transparenz seiner Flamme für leuchtende Strahlen den Fall der kalten Umhüllung; aber diese Methode gibt kein genaues Resultat, weil die kleinste Unsicherheit in der Temperaturmessung grosse Veränderungen der zu vergleichenden Lichtintensitäten nach sich zieht. Ausserdem ist es unmöglich, im Laboratorium Umgebungen von streng gleichförmiger Temperatur herzustellen; die Temperaturungleichheiten ziehen für Körper mit schwachem Emissionsvermögen und folglich mit starkem Diffusionsvermögen beträchtliche Helligkeitsänderungen nach sich. Z.B. wurden in einem Thonröhre bei der Temperatur von 800° folgende Ergebnisse erhalten: Strahlende Körper Lichtintensität      Fe3O4 1 Pd     1,32 Ag   1,9 Die Helligkeiten dieser drei Körper haben also vom einfachen zum doppelten variirt, und entgegengesetzt als man bei einer raschen Ueberlegung vermuthen könnte, ist es das Silber, ein Körper mit schwachem Emissionsvermögen, welches die grösste Helligkeit hat. Das zeigt einfach an, dass es durch wärmere Theile der Hülle, als es selbst war, zum Leuchten gebracht wurde. In derselben Weise ergab ein kleines, schmelzendes Stück Platin mir merklich die gleiche Helligkeit, ob es in freier Luft oder in einer Kalkröhre erhitzt wurde. Um dieses Resultat zu erklären, genügt die Annahme, dass die Kalkhülle eine um 300° niedrigere Temperatur hatte als das Platin. Dies ist vollkommen zulässig mit Rücksicht auf die äussere Abkühlung der Hülle. Um die Emissionsvermögen zu messen, habe ich die folgende Bemerkung von Kirchhoff benutzt. Das Innere der Spalten eines Körpers lässt sich so auffassen, als sei es von einer Hülle von gleichförmiger Temperatur umgeben, natürlich vorausgesetzt, dass die Oeffnung der Spalten hinreichend klein ist. Das Emissionsvermögen eines Körpers ist also bei der betrachteten Temperatur gleich dem Verhältnisse der Lichtintensität der Oberfläche zu derjenigen des Bodens im Innern tiefer Spalten. Um Messungen des Emissionsvermögens auszuführen, benutzte ich kleine Kugeln oder kleine Cylinder von 5 mm Durchmesser, in welche längs eines Durchmessers ein Loch von 1 mm Durchmesser und 4 mm Tiefe gebohrt war. Ich habe folgende Ergebnisse für rothe Strahlen bei ungefähr 1300° erhalten. Körper Emissionsvermögen Fe3O4, C 1 Pd   0,6 Pt matt   0,4 Pt polirt, weisser Thon     0,25 MgO   0,1 Diese Zahlen zeigen, dass man für rothes Eisen, welches an seiner Oberfläche stets oxydirt ist, das Emissionsvermögen als der Einheit gleich ansehen darf. Die Intensität der Strahlung ist deshalb unabhängig von der Temperatur der Umgebung und von dem Glänze der Oberfläche, eine für die optischen Temperaturmessungen werthvolle Eigenschaft. Im Laufe dieser Untersuchungen habe ich eine interessante Bestätigung der Theorien Kirchhoff's beobachtet. Für feste Körper wie für Gase sind die mit grösserer Intensität ausgesandten Strahlen auch diejenigen, welche am energischsten absorbirt werden, derart, dass die Farbe eines glühenden Körpers in gewissem Grade zu der Farbe complementär ist, welche er vor weissem Lichte beleuchtet zeigt. Zinkoxyd, welches von weissem Lichte beleuchtet gelb erscheint, wenn es etwas erhitzt ist, Magnesia u.s.w. erschienen blau, als sie bis zur Weissglut gebracht waren. Man erkennt die specifische Färbung eines Körpers sehr leicht, wenn man die Farbe der Oberfläche des in einer transparenten Flamme erwärmten Körpers mit der Farbe vergleicht, welche die Tiefe der Spalten zeigt, welche von der Temperatur allein abhängt und von der Beschaffenheit des betrachteten Körpers unabhängig ist. (Schluss folgt.)