ÜBER FERNTHERMOMETER FÜR TECHNISCHE ZWECKE. Von Dr. A. Koepsel in Charlottenburg. KOEPSEL: Ueber Fernthermometer für technische Zwecke. Inhaltsübersicht. Es wird auseinandergesetzt, warum die elektrischen Thermometer für gewisse Zwecke vor den Quecksilberthermometern den Vorzug verdienen. Die Vorteile der Widerstandsthermometer vor den thermoelektrischen Thermometern werden erörtert, und die Forderungen für ein zu technischen Zwecken brauchbares Widerstandsthermometer aufgestellt. Endlich werden praktische Ausführungsformen solcher Thermometer namhaft gemacht und näher beschrieben, und zum Schluß ein kurzer Ueberblick über die Verwendungsgebiete derselben gegeben. –––––––––– Für die Messung von Temperaturen war man bisher auf die Ausdehnung der Gase oder der Metalle angewiesen. In der Technik hat sich das Wasserstoffthermometer, welches zwar die genauesten Resultate ergibt, nicht einbürgern können wegen der Unbequemlichkeiten, die mit seinem Gebrauch verbunden sind. Das Quecksilberthermometer hat für lange Zeit die Vorherrschaft innegehabt, weil es für die meisten Zwecke ausreichte und wegen seiner Einfachheit und Wohlfeilheit am ehesten allgemeine Verbreitung finden konnte. Immerhin war seine leichte Zerbrechlichkeit ein Faktor, der es wünschenswert erscheinen ließ, einen Ersatz dafür zu besitzen. Trotzdem hätte seine Vorherrschaft wohl noch länger angehalten, wenn nicht weitere Forderungen der Industrie hinzugetreten wären, welche das Quecksilberthermometer nicht wohl zu erfüllen imstande war. Hierher gehört in erster Linie das Bedürfnis der Messung hoher Temperaturen. Hier war dem Quecksilberthermometer bald eine Grenze gesetzt, denn da Quecksilber bereits bei 360° siedet, so mußte man, um den Siedepunkt künstlich zu erhöhen, in die Kapillare Gase mit hohem Druck hineinpressen. Aber auch hiermit kommt man höchstens auf Temperaturen von etwa 550° C, über welche hinaus selbst schwer schmelzbares Spezialglas die nötige Festigkeit verliert. Für die Messung hoher Temperaturen mußte man sich daher nach anderen Methoden umsehen. Hier setzte nun die Elektrotechnik ein und schuf Methoden und Apparate, welche nicht nur für hohe Temperaturen befriedigende und exakte Resultate ergaben, sondern auch in gleicher Weise für niedrige Temperaturen verwendbar sind. Die elektrischen Temperaturmessungen beruhen erstens auf der thermoelektromotorischen Kraft, welche an der Berührungsstelle zweier verschiedener Metalle bei Temperaturänderung entsteht und welche dieser Temperaturänderung nahezu proportional ist; zweitens auf der Veränderung des elektrischen Leitungswiderstandes reiner Metalle, welche durch Temperaturänderung entsteht und welche dieser Temperaturänderung ebenfalls nahezu proportional ist. Die erstere Methode eignet sich hauptsächlich für solche Fälle, wo große Temperaturdifferenzen in Frage kommen, weil einmal die therm. E. M. K. für die Temperatureinheit sehr gering ist, und weil zweitens diese Methode von der Temperatur des Beobachtungsraumes abhängig ist, und sich daher Temperaturänderungen der letzteren bei der Messung kleiner Temperaturdifferenzen viel störender bemerkbar machen, als wenn es sich um große Temperaturintervalle handelt. Die zweite Methode der Widerstandsmessung ist von diesen Mängeln frei und kann, da für Widerstandsmessungen sehr empfindliche Methoden existieren, sowohl für kleine, als auch für große Temperaturintervalle benutzt werden und gibt in beiden Fällen exaktere Resultate als die thermoelektrische Methode. Außerdem kann die Uebertragungsentfernung als fast unbegrenzt bezeichnet werden, was als ein besonderer Vorteil der elektrischen Thermometer betrachtet werden muß. Wir wollen uns daher mit der letzteren Methode als der exakteren und aussichtsvolleren beschäftigen. Die Widerstandsänderung der Metalle mit der Temperatur ist in hohem Grade von der Reinheit derselben abhängig, und zwar ist sie um so größer, je reiner das Metall ist, so daß der sogenannte Temperaturkoeffizient d.h. die Widerstandsänderung für die Einheit der Temperaturänderung direkt als ein Kriterium für die Reinheit des Metalls betrachtet werden kann. Temperaturkoeffizient und Leitungsfähigkeit stehen ebenfalls in einem Abhängigkeitsverhältnis zueinander, und zwar ist bei ein und demselben Metall der Temperaturkoeffizient um so höher, je höher die Leitungsfähigkeit des Metalls ist. Die geringe Verschiedenheit des Temperaturkoeffizienten reiner Metalle, welche sich zwischen den Grenzen 0,0037 und 0,0044 bewegt, scheint darauf hinzudeuten, daß wirklich reine Metalle ein und denselben Temperaturkoeffizienten von etwa 0,0042 haben und daß Abweichungen davon gewissen Verunreinigungen zuzuschreiben sind, z.B. der hohe Koeffizient des Eisens der Gegenwart von Kohlenstoff, der geringe des Platins der Gegenwart von Wasserstoff. Legierungen, welche hohen Widerstand besitzen, zeigen fast durchweg kleinen Temperaturkoeffizienten. Eine Ausnahme davon machen einige Nickelstahllegierungen, welche bei sehr hohem spezifischem Widerstand Temperaturkoeffizienten von der Größe desjenigen der reinen Metalle aufweisen. So z.B. zeigt ein Nickelstahl mit 48 v. H. Nickel bei einem Widerstand von 0,5 (Hg = 1) einen Temperaturkoeffizienten von 0,0031 pro 1° C und ein solcher mit 57 v. H. Nickel bei einem Widerstand von 0,4 (Hg = 1) einen Temperaturkoeffizienten = 0,0033 pro 1° C, und es dürfte nicht ausgeschlossen sein, daß gewisse Nickelstahllegierungen höhere Temperaturkoeffizienten zeigen könnten als die reinen Metalle, ein Ziel, das für die Thermometrie als erstrebenswert bezeichnet werden muß. Das Bestreben der Technik, mit möglichst unempfindlichen Meßinstrumenten auszukommen, dem die Erfahrung zu Grunde liegt, daß die unempfindlichen Meßinstrumente meist die einfachsten, haltbarsten und last not least billigsten sind, führt bei elektrischen Widerstandsthermometern zu der Forderung eines möglichst hohen Temperaturkoeffizienten. Als ein glücklicher Umstand ist es hierbei zu betrachten, daß die höchsten Temperaturkoeffizienten auch den reinsten Metallen angehören, denn sie werden daher auch die konstantesten sein, da ein Metall Molekularveränderungen durch Erhitzung und Wiederabkühlung usw. um so weniger unterworfen sein wird, je reiner es ist. Man wird daher für Widerstandsthermometer reine Metalle verwenden. Da mit der Erhitzung und Wiederabkühlung meist Oxydationserscheinungen verbunden sind, die den Widerstand des Thermometers verändern, so muß man sich nach solchen Metallen umsehen, bei denen diese Gefahr nicht besteht, d.h. es müßten Edelmetalle gefordert werden. Für die Technik tritt hier der Preis als störender Faktor hervor. Man wende hier nicht ein, daß ja die Dicke des Drahtes beliebig klein gewählt werden kann, so daß der Preis des Materials keine Rolle spiele. Dem ist entgegenzuhalten, daß man mit der Dicke des Drahtes nicht wohl unter eine bestimmte Grenze gehen kann, wenn man nicht den Vorteil der unempfindlichen Meßinstrumente aufgeben will, den die Technik nicht entbehren kann; denn der durch das Thermometer fließende Meßstrom erwärmt dasselbe; diese Erwärmung ist aber der Masse des als Thermometer dienenden Widerstandes umgekehrt proportional. Man wird daher dem Thermometer eine solche Masse geben müssen, daß bei den in der Technik nicht zu unterschreitenden Stromstärken die Eigenerwärmung des Thermometers unter der Grenze bleibt, welche als zulässiger Fehler des Instrumentes betrachtet werden kann, d.h. die Eigenerwärmung darf höchstens einige Zehntel Grad über die Umgebungstemperatur betragen. Unter Zugrundelegung dieser Forderung ergibt sich indessen für das Thermometer eine Masse, für welche die Verwendung von Edelmetallen sich als zu kostspielig herausstellen würde, wenigstens, wenn man Instrumente mit einem Gütefaktor von mindestens 0,15\,\frac{\mbox{Drehmoment}}{\mbox{Spulengewicht}} verwenden will, die für die Technik noch als zulässig erachtet werden können. Fernthermometersysteme, welche dieser Forderung nicht genügen, müssen als für die Technik unbrauchbar bezeichnet werden. Wohl oder übel wird man sich also nach einem Metall umsehen müssen, welches mit nicht zu hoher Leitungsfähigkeit den Vorteil der schweren Oxydierbarkeit verbindet, und welches in genügender Reinheit und Konstanz erhältlich ist. Ein solches Metall ist Nickel. Es besitzt ungefähr den gleichen Widerstand wie Platin, ist in genügender Reinheit (99,5 v. H.) erhältlich, besitzt dabei einen Temperatur-Koeffizienten von 0,0042 pro 1° C, ist schwer oxydierbar und ungefähr 800 mal wohlfeiler als Platin. Das vorher Gesagte bezieht sich natürlich nur auf solche Fernthermometer, welche zur Messung kleinerer Temperaturintervalle von etwa 50° C bestimmt sind. Für Temperaturintervalle, welche sich auf mehrere Hundert Grad erstrecken, können indessen vom ökonomischen Standpunkte aus ebensowohl Edelmetalle Verwendung finden, weil hier die Widerstandsänderungen so groß sind, daß man mit so kleinen Stromstärken auskommt, daß auch sehr dünne Drähte nicht nennenswert erwärmt werden und doch die Verwendung relativ unempfindlicher Apparate gestatten. Bei so hohen Temperaturen also, wo die Benutzung unedler Metalle wegen deren Oxydierbarkeit ausgeschlossen ist, leistet das Widerstandsthermometer aus Edelmetall auch in ökonomischer Hinsicht noch vorzügliche Dienste, trotzdem ihm hier das Thermoelement wegen seiner Einfachheit den Rang streitig machen kann, weil hier die Schwankungen der Raumtemperatur, von denen das Widerstandsthermometer fast frei ist, keine so große Rolle spielen, als es bei der Messung kleiner Temperaturintervalle der Fall ist. Fragen wir nun, welche Vorteile die elektrische Temperaturmessung, welche doch in jedem Falle umständlicher und kostspieliger ist als die mit dem Quecksilberthermometer, überhaupt besitzt, um trotz dieser scheinbaren Nachteile doch begehrenswert zu erscheinen, so sind es in der Hauptsache drei Punkte, welche als überwiegender Vorteil dieser Methode zu betrachten sind. Diese bestehen darin, daß erstens das elektrische Thermometer über die ganze Temperaturskala hin von etwa – 260° C bis + 2000° C gebraucht werden kann, während das Quecksilberthermometer nur ein Intervall von etwa – 30° C bis + 500° C umfaßt; zweitens das elektrische Thermometer eine Konstanz besitzt, welche vom Quecksilberthermometer nicht erreicht wird, trotzdem hier in jüngster Zeit durch die bahnbrechenden Arbeiten der Firma Schott & Gen. in Jena viel gebessert worden ist; drittens, und das ist wohl die Hauptsache, daß die Angaben des elektrischen Thermometers mühelos auf weite Entfernungen übertragen werden können. Die elektrischen Thermometer werden daher in erster Linie als Fernthermometer ihren Rang behaupten, und da gerade in jüngster Zeit für viele industrielle Betriebe die Fernmessung von Temperaturen geradezu ein Bedürfnis geworden ist, so erhält diese Art der Temperaturmessung eine immer steigende Bedeutung und immer umfangreichere Verwendung. Infolgedessen entstand auf diesem Gebiete ein neuer Industriezweig, welcher sich die Aufgabe stellte, den Bedürfnissen der Technik nach Temperaturfernmeßapparaten nachzukommen. Die Firma Dr. A. Koepsel, G. m. b. H., in Charlottenburg, hat sich speziell mit der Ausbildung derartiger Anlagen für industrielle und behördliche Betriebe befaßt und eine Reihe von Spezialkonstruktionen ausgeführt, welche den technischen Bedürfnissen in weitgehendster Weise entsprechen. Im nachfolgenden sollen einige dieser Spezialkonstruktionen besprochen und an Hand von Abbildungen erläutert werden. Textabbildung Bd. 327, S. 723 Fig. 1. Das Grundprinzip dieser Konstruktionen bildet die Wheatstonesche Brücke (Fig. 1). Die Widerstände abc sind konstant und mit der Temperatur nicht veränderlich. Der Widerstand t, welcher das Thermometer bildet, ist mit der Temperatur veränderlich. Verhalten sich die Widerstände a : b wie c : t, so fließt kein Strom durch das in den Brückenzweig eingeschaltete Galvanometer. Aendert sich nun t mit der Temperatur, während ab Fig. 1. und c konstant bleiben, so zeigt das Galvanometer einen Strom an, welcher der Widerstandsänderung von t nahezu proportional ist. Da nun die Widerstandsänderung von t der Temperaturänderung proportional ist, so ist der Ausschlag des Galvanometers der Temperaturänderung proportional, d.h. der Ausschlag des Galvanometers ist ein direktes Maß für die Temperaturänderung. Wenn abct die Widerstände der vier Zweige sind, G der Widerstand des Galvanometers, E die E. M. K. der Batterie, so ist der durch das Galvanometer fließende Strom i=\frac{E\,(a\,t-b\,c)}{G\,(a+b)\,(c+t)+a\,b\,(c+t)+c\,t\,(a+b)}. Wie man sieht ist i von der E. M. K. der Batterie abhängig, da indessen letztere mit der Zeit etwas abnimmt, z.B. bei Verwendung von Akkumulatoren bis zu 10 v. H., so würde die Anzeige des Galvanometers nach längerem Gebrauch bis zu 10 v. H. fehlerhaft sein können. Um diesem Uebelstande vorzubeugen, gibt es zwei Mittel: entweder, man versieht das Galvanometer mit einem Nebenschlußwiderstand, welcher dem Rückgange der E. M. K. der Batterie entsprechend erhöht werden kann, so daß ein entsprechend höherer Prozentsatz des Stromes durch das Galvanometer fließt; oder man versieht das Galvanometer mit einem magnetischen Nebenschluß, welcher gestattet, das magnetische Feld des Drehspulengalvanometers dem Rückgange der E. M. K. der Batterie entsprechend zu vergrößern. Der letztere Weg ist der einfachere und genauere, denn durch die Aenderung des magnetischen Feldes wird die Empfindlichkeit des Galvanometers über die ganze Skala hinweg gleichmäßig verändert, während der Widerstand des Instrumentes konstant bleibt, außerdem ist eine Beeinträchtigung der Angaben durch Uebergangswiderstände an Schleifkontakten, die beim Nebenschlußwiderstand leicht auftreten kann, ausgeschlossen. Es gibt auch noch eine dritte Methode, die Veränderung der E. M. K. der Batterie ohne Regulierung gänzlich auszuschalten, d. i. die Differentialschaltung mit gekreuzten Spulen, bei welcher das Galvanometer kein Direktionsmoment besitzt. Hierbei wird die Zeigerstellung durch das Verhältnis zweier Stromkomponenten bestimmt, welches Verhältnis von der E. M. K. der Batterie unabhängig ist. Diese Methode erfordert indessen Spezialinstrumente und besitzt daher den Nachteil größerer Kostspieligkeit, welcher in der Technik eine nicht zu unterschätzende Rolle spielt. Wir wollen uns daher nur mit der zweiten Methode als der vorteilhaftesten beschäftigen. Um die Angaben des Galvanometers trotz Herabgehens der E. M. K. der Batterie konstant zu erhalten, wird folgendermaßen verfahren. Ein mit der Temperatur nicht veränderlicher Widerstand wird statt des Thermometers in den Stromkreis eingeschaltet; dieser Widerstand wird so gewählt, daß er gleich dem Widerstand des Thermometers bei einer bestimmten Temperatur, z.B. 30°, ist, dann muß sich, wenn die E. M. K. der Batterie unverändert geblieben ist, das Galvanometer auf 30° C einstellen. Ist aber die E. M. K. der Batterie zurückgegangen, so wird der Zeiger unter 30° C stehen bleiben. Will man nun erreichen, daß das Galvanometer trotzdem wieder richtig zeigt, so verstärkt man mittels des magnetischen Nebenschlusses das magnetische Feld so, daß sich der Zeiger wieder auf 30° C einstellt. Auf diese Weise werden auch sämtliche anderen Stellungen proportional korrigiert, d.h. das Instrument zeigt in allen Stellungen wieder richtig. Nun ist aber noch ein Hauptpunkt zu beachten, welcher die Angaben des Thermometers beeinflussen kann; das sind die Zuleitungen. In ausgedehnten Fernthermometeranlagen kommen Zuleitungen von 100 m Länge und mehr in Betracht, deren Widerstand nicht vernachlässigt werden darf, zumal wenn man bedenkt, daß wegen der Kostspieligkeit solcher Leitungen der Querschnitt so klein gewählt werden muß, als es deren Festigkeit zuläßt, d.h. es kommen Widerstände hierbei in Betracht, welche sich auf mehrere Ohm belaufen und welche daher die Angaben des Thermometers um viele Grade beeinflussen würden. Außerdem erleiden diese Zuleitungen ebenfalls eine Veränderung mit der Temperatur, welche ebenfalls zur Fälschung der Resultate beitragen würden. Um ersteren Einfluß zu beseitigen, wird vor jedes der Fernthermometer t noch ein konstanter Widerstand r geschaltet, welcher so groß gewählt wird, als dem Widerstand der zu erwartenden längsten Leitung entspricht. Um das Gleichgewicht der Brücke zu erhalten, wird vor c ein Widerstand \frac{a}{b}\,r geschaltet. Der Apparat wird nun mit diesen Widerständen unter Verwendung kurzer Zuleitungen, deren Widerstand vernachlässigt werden kann, geeicht. Wird nun an Ort und Stelle ein Thermometer mit langen Zuleitungen angeschaltet, so zeigt der Apparat eine dem zusätzlichen Widerstand der Zuleitungen entsprechende höhere Temperatur an und es wird nun der vorgeschaltete Widerstand r um so viel verkleinert, als dem Widerstände der Zuleitung entspricht; dann enthält der Thermometerzweig wieder genau denselben Widerstand t + r wie bei der Eichung und das Thermometer zeigt daher richtig. Um hierbei eine Widerstandsmessung der Zuleitungen oder die Temperaturmessung des Raumes zu umgehen, kann man statt des Thermometers eine mit der Temperatur unveränderliche Widerstandsspule einschalten, deren Wert gleich dem Widerstand des Thermometers bei einer bestimmten Temperatur, z.B. 30° C, ist, und man reguliert nun durch Verkleinerung des Hilfswiderstandes r das Galvanometer auf diese Temperatur (30° C) ein. Wird dann obige Widerstandsspule durch das Thermometer ersetzt, so zeigt es richtig. Der zweite Einfluß, die Widerstandsänderung der Zuleitungen mit der Temperatur, ließe sich vollständig nur durch Verwendung zweier weiterer Zuleitungen zum Widerstand c, welche neben die Thermometerzuleitungen gelegt werden, vollständig kompensieren. Da dies indessen zu kostspielig sein würde, so begnügt man sich mit einer angenäherten Kompensation, welche darin besteht, daß man den Thermometerwiderstand groß macht im Verhältnis zum Widerstand der Zuleitungen. Bei den Fernthermometern der Firma Dr. A. Koepsel, G. m. b. H., beträgt der Thermometerwiderstand 60 Ohm, der Verschaltwiderstand zum Ausgleich der Zuleitungen 6 Ohm. Mit Zuleitungen von 1 qmm Querschnitt kann also die Temperatur auf eine Entfernung von etwa 180 m übertragen werden und die Temperaturänderung der Zuleitungen geht nur mit etwa 8 v. H. in die Messung ein, da der Temperaturkoeffizient des Kupfers nur etwa 80 v. H. von dem des reinen Nickels ist. Bedenkt man, daß Fehler dieser Größe nur bei der längsten Zuleitung von 180 m in Betracht kommen und daß die Zuleitungen meist in Räumen liegen, deren Temperaturschwankungen 5 bis höchstens 10° nicht übersteigen, so dürfte der hierdurch involvierte Fehler im Durchschnitt nur einige Zehntel Grad betragen. Wo größere Genauigkeit gewünscht wird, kann dieser Fehler durch Vergrößerung des Thermometerwiderstandes oder des Querschnittes der Zuleitungen noch beliebig reduziert werden. Für die meisten technischen Zwecke reicht indessen ein Thermometerwiderstand von 60 Ohm und ein Querschnitt der Zuleitungen von 1 qmm vollständig aus. (Schluß folgt.)