Ueber die Messung hoher Temperaturen auf optischem Wege. Von Dr. Alfred R. Meyer in Berlin. (Schluß von S. 518 d. Bd.) MEYER: Ueber die Messung hoher Temperaturen auf optischem Wege. Nachdem wir uns so von den für die Temperatur-Messung auf optischem Wege notwendigen theoretischen Grundlagen eine genaue Kenntnis verschafft haben, wollen wir uns den in der Praxis üblichen Meßgeräten zuwenden. Als erstes Instrument dieser Art ist das Spektralphotometer zu erwähnen, bei dem die beiden zu vergleichenden Lichter, das des zu messenden Körpers und das einer Vergleichslichtquelle, so angeordnet werden, daß sie zwei am Apparat befindliche Spalte beleuchten. Das Licht beider Lichtquellen wird dann durch eine geeignete Optik senkrecht zueinander polarisiert, spektral zerlegt und durch ein eingeschaltetes Nikol eine Vergleichung der beiden spezifischen Intensitäten ermöglicht. Der Beobachter sieht einen von monochromatischem Licht erfüllten Kreis, dessen eine Hälfte vom Vergleichslicht, dessen andere vom zu messenden Körper beleuchtet ist. Bei Einstellung auf gleiche Helligkeit verhalten sich dann, wie aus der Optik bekannt, die beiden Helligkeiten umgekehrt wie die cos2 der zugehörigen Drehwinkel, also J1 : J2 = cos2 φ2 : cos2 φ1 oder, da sich φ1 und φ2 zu einem rechten Winkel ergänzen, und man am Teilkreis des Nikols nur φ1 abliest, J1 : J2 = tg2 φ1. J2 bedeutet dabei die für alle Messungen konstant bleibende Intensität des Vergleichslichts. Ein solches Spektralphotometer bietet bei seiner Benutzung den Vorteil, daß man bei einer einzigen Wellenlänge photometriert, und daß diese Photometrierung streng nach den oben angegebenen Gesetzen erfolgt. Alle Bedingungen der Wienschen Formel sind also erfüllt und das Instrument kann leicht geeicht werden. Textabbildung Bd. 328, S. 534 Abb. 2. Diese wertvollen Eigenschaften machen das Spektralphotometer zu einem vorzüglichen, besonders für wissenschaftliche Zwecke geeigneten Hilfsmittel. Seine verbreitetste Form stellt das im Handel befindliche WannerpyrometerWanner, Phys. Z. 3 (1901) 112. (Fabrikant Dr. R. Hase, Hannover) dar, dessen Optik auf die rote Wellenlänge 0,656 ρ, die Wasserstofflinie, eingestellt ist. Die Konstruktionsprinzipien des Instrumentes sind aus der Abb. 2 zu ersehen. Der Meßbereich der normalen Ausführung geht von 900 °C bis 2000 °C. Durch Vorschaltung eines Rauchglases, das mit Hilfe der ursprünglichen Anordnung geeicht werden kann, läßt sich der Meßbereich in genau berechenbarer Weise verändern. Eine modifizierte Form dieses Instrumentes wurde von NernstHildebrandt, Z. f. Elektrochemie 14 (1908) 349. angegeben und ermöglicht eine Messung bei jeder beliebigen Wellenlänge. In dieser Form ist das Instrument außerordentlich geeignet, um die Absorptionskurven farbiger Gläser und Filter, wie sie in der Pyrometrie vielfach Verwendung finden, in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu messen. Die Nachteile dieser Art spektralphotometrischer Instrumente liegen darin, daß das Licht des zu messenden Körpers nur bei genügend ausgedehnten Objekten den Photometerspalt voll ausfüllt, und daß man in der Hälfte des Gesichtsfeldes, die dem zu messenden Körper entspricht, stets nur ein Feld gleichmäßiger Helligkeit vor sich hat. Man kann daher Körper, deren Dimensionen eine gewisse Dicke unterschreiten, z.B. Glühlampenfäden, nicht damit messen; auch kann man bei Prozessen, die in einem Ofen vorgenommen werden, schnellen Lageänderungen des Körpers nur schwer folgen und kann erst durch zeitraubendes Probieren feststellen, ob man im Photometer das Licht des zu messenden Körpers oder das der Ofenwandung der Messung unterwirft. Diese Nachteile, die sich in vielen Fällen der Praxis störend bemerkbar machen, sind der Grund, daß ein anderes Meßgerät, das sogen. Holborn-Kurlbaumsche PyrometerHolborn und Kurlbaum, Annalen der Phys. 10 (1903) 225., das insbesondere von dem zweitgenannten Fehler frei ist, in der Praxis eine viel stärkere Verbreitung gefunden hat. Ein weiterer Vorteil dieses Instruments ist der, daß der Beobachter bei groß dimensionierten glühenden Körpern seinen Standpunkt ohne Beeinträchtigung des Meßgenauigkeit in beträchtlicher, gegen strahlende Wärme usw. geschützter Entfernung wählen kann. Die Konstruktion dieses Instrumentes geht von dem Gesichtspunkt aus, daß der Faden einer in den Strahlengang zwischen dem glühenden Körper und unser Auge geschalteten kleinen Glühlampe bei einer bestimmten Farbe auf dem zu messenden Körper durch Einregulierung des Stromes der Lampe zum Verschwinden gebracht wird. Wir haben also auch hier das photometrische Prinzip, die Temperatur dadurch zu messen, daß wir Vergleichskörper und glühenden Körper auf die gleiche Flächenhelligkeit einstellen. Verwirklicht ist dieser Gedanke in der in Abb. 3 schematisch wiedergegebenen Anordnung. Auf den zur Messung dienenden Glühfaden wird mit Hilfe einer Linse ein Bild des glühenden Körpers geworfen und das nunmehr an derselben Stelle mit dem Faden befindliche Bild des in seiner Temperatur zu prüfenden Körpers mit Hilfe einer Lupe anvisiert. Vor dem Auge befindet sich ferner noch ein Farbglas, das dazu dient, die Vergleichung bei einer bestimmten Wellenlänge vorzunehmen. Es ist einleuchtend, daß die Güte dieses Farbglases ein entscheidender Punkt für die Brauchbarkeit des Pyrometers sein wird. Textabbildung Bd. 328, S. 534 Abb. 3. Prufen wir nämlich das Durchlässigkeitsvermögen eines solchen Glases in Abhängigkeit von der Wellenlänge, so finden wir, daß es, wie bekannt, nicht nur eine einzelne Wellenlänge, sondern eine große Zahl benachbarter mit hindurchläßt. Es wird das im Interesse monochromatischer Messung liegende Bestreben also dahin gehen, diesen Durchlässigkeitsbereich möglichst klein zu gestalten. Abgesehen nämlich von Definitionsgründen ist die Notwendigkeit hierzu um so zwingender, als sowohl die mit der Temperatur sich ändernde relative Intensität der bei den einzelnen Wellenlängen ausgesandten Energien zueinander, als auch die mit der Wellenlänge sich ändernde Empfindlichkeit des menschlichen Auges für Reize gleicher absoluter Stärke eine Verschiebung der sogen, „wirksamen“ Wellenlänge des Farbglases zur Folge haben können. Unter wirksamer Wellenlänge ist dabei die Wellenlänge zu verstehen, bei der man mit einem spektralphotometrischen Instrument dieselbe Messung erhalten würde. Es würde an dieser Stelle zu weit führen, die bei der Beurteilung eines Farbglases bezüglich seiner Brauchbarkeit für die Pyrometrie im einzelnen zu beobachtenden Gesichtspunkte zu erörtern; es genüge zu erwähnen, daß in den in der Praxis üblichen Instrumenten, wie sie von Siemens & Halske, Wernerwerk, in den Handel gebracht werden, ein Rotglas mit gut definiertem Durchlässigkeitsbereich Verwendung findet. Ein besonders brauchbares Glas dieser Art ist das Glas F4512, das von der Firma Schottu. Gen. hergestellt wird. Die entgegengesetzten Anforderungen haben wir an die Rauchgläser zu stellen, die wir bei zu starker Intensität der unser Auge treffenden Strahlen zur genaueren Messung vor dasselbe setzen bzw. die wir zur Aenderung des Meßbereiches unseres Pyrometers in den Strahlengang zwischen glühendem Körper und Temperaturmeßgerät einschalten. Im Gegensatz zu den Farbgläsern, bei denen wir auf einen möglichst schmalen Durchlässigkeitsbereich mit ausgeprägtem Maximum Wert legen, soll das gute Neutralglas für alle Wellenlängen das gleiche Durchlässigkeitsvermögen besitzen. Für die praktisch auftretenden Bedürfnisse wird man sich naturgemäß mit der leichter zu erfüllenden Bedingung begnügen, daß das Rauchglas diese Eigenschaft in dem Wellenlängenbereiche besitzt, in dem das benutzte Farbfilter durchlässig ist. In allen Fällen ist das Prinzip zu wahren, daß eine genaue Pyrometrie nur bei genauer Definition und Konstanthaltung der wirksamen Wellenlänge möglich ist. Als ein für die Zwecke der Pyrometrie sehr geeignetes Rauchglas hat sich das von der eben genannten Firma hergestellte Neutralglas F 3815 erwiesenv. Pirani und Meyer, Verh. d. D. Phys. Ges. 13 (1911) 540.. In der Praxis sind auch vielfach Anordnungen in Gebrauch, bei denen statt eines Rauchglases, die erst neuerdings in Aufnahme kommen, ein Absorptionsprisma vor das Pyrometer geschaltet wird. Die genaue Eichung eines derartigen Meßgerätes wird eine Aufgabe sein, die des öfteren in der Praxis auftreten wird; sie wird in folgender Weise gelöst: Man nimmt z.B. einen elektrisch geheizten Kohlerohrwiderstandsofen, der bei möglichst geringem Durchmesser eine ausreichende Länge besitzt, um in seiner Mitte als schwarzer Körper zu wirken. Daß dies zutrifft, kann man roh feststellen, indem man in der Mitte zwei recht verschieden strahlende Materialien, z.B. ein Stückchen Kohle und ein Stückchen Aluminiumoxyd oder Porzellan aufstellt. Während an den vorderen Stellen des glühenden Ofens die Kohle stets heller erscheint, verschwinden diese Unterschiede in der Mitte völlig und zeigen den Grad der Schwärze des Ofens an. Legt man dann in das Innere des Ofens ein Quarzrohr, in dessen Mitte man ein kleines, dachförmig gestaltetes Plättchen aus Gold, Palladium und PlatinDie Bestimmung des Platinschmelzpunktes ist auf diesem Wege nur mit dickwandigen Quarzrohren möglich, da der Quarz bei etwa 1700 °C zu erwelchen beginnt. so aufstellt, daß man die breite Fläche des Daches anvisieren kann, und beobachtet man bei langsamer Temperatursteigerung des Ofens den Punkt, an dem die genannten Metalle schmelzen, so kann man die bekannten Schmelztemperaturen der genannten Materialien im Pyrometer festlegen. Das Quarzrohr dient in diesen Fällen lediglich als Schutzrohr gegen die von dem Kohlerohr ausgehenden, den Metallen schädlichen Kohleoxydgase. – Man kann auch in der Weise verfahren, daß man ein Thermoelementschutzrohr in den Ofen legt, in dessen Innerem sich ein geeichtes Platin-Platinrhodium-Thermoelement befindet, und durch Anvisieren der Kuppe des Schutzrohres und gleichzeitiges Ablesen der Thermokraft die Eichung vornehmen. Auch bei dieser Art der Eichung ist darauf zu achten, daß die Temperatur des Ofens nicht zu schnell gesteigert wird, damit das Thermoelement tatsächlich dieselbe Temperatur wie seine umgebende Hülle hat. Ein dritter Weg ist endlich der, daß man in einer Thermoelementschutzhülle die beiden Drähte eines Thermoelementes oder eventuell auch zwei gleiche, hohe Temperaturen aushaltende Drähte, z.B. Platin, unterbringt und die im Innern des Ofens befindlichen Enden der Drähte durch ein kleines Drähtchen aus Gold, Palladium usw. verbindet. Hat man dann an das andere Ende der Drähte ein Millivoltmeter oder eine Kontaktvorrichtung angeschlossen, so zeigt das plötzliche Aufhören des Ausschlages oder des Kontaktes das Durchschmelzen des Prüfdrähtchens an. Man kann also auch auf diese Weise durch gleichzeitiges Anvisieren der Schutzrohrkuppe die Schmelzpunkte der benutzten Materialien auf dem optischen Pyrometer festlegen. In welcher Weise wir nun auch verfahren, wir erhalten in jedem Falle mehrere Ströme, abgelesen an einem Präzisionsstromzeiger, zu denen bestimmte Temperaturen gehören. Hat man zahlreiche Messungen mit einem geeichten Thermoelement vorgenommen, so ist dadurch eine vollständige Eichung des Pyrometers gegeben; hat man indessen nur an zwei oder drei Punkten gemessen, so muß man den Zusammenhang zwischen Strom und Temperatur kennen, um auch die Eichung für die anderen Temperaturen angeben zu können. Solche gesetzmäßigen Zusammenhänge sind in den verschiedensten Formen aufgestellt worden, so z.B. i = a + b t + c t2 i = a' + b' t2 u.a.m.Holborn und Kurlbaum, a. a. O. Darin sind unter i die abgelesenen Ströme, unter t die zugehörigen Celsius-Temperaturen zu verstehen. Neuerdings ist auch eine andere Form dieser Gleichungen angegeben worden, die besonders für Eichungen an wenigen Punkten, es genügen dazu zwei, unter Verwendung bestimmter Lampen geeignet ist. Es ist nämlich gezeigt wordenv. Pirani, Verh. d. D. Phys. Ges. 12 (1910) 301., daß dem Stefanschen Gesetze entsprechend bei einem Glühlampenfaden, dessen Länge so bemessen ist, daß die Verluste durch Wärmeleitung an den Enden nicht gegen die von dem Faden aufgenommene Energie in Betracht kommen – Wärmeverluste durch Konvektion kommen ebenfalls nicht in Frage, da sich die Glühlampenfäden im Vakuum befinden – die dem Faden zugeführte Energie E in Abhängigkeit von der absoluten schwarzen Temperatur T desselben in der Form log E = a + b log T dargestellt werden kann. Weiter wurde gezeigtMeyer, Verh. d. D. Phys. Ges. 13 (1911) 680., daß bei Materialien, bei denen sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur so ändert, daß er als Exponentialfunktion der absoluten Temperatur dargestellt werden kann, diese Gleichung zu der weiteren Konsequenz führt log i = a' + b' log T worin i den den Faden durchfließenden Strom bedeutet. Auf die Pyrometrie angewandt, führt dies zu der weiteren FolgerungPirani und Meyer, Z. f. wissenschaftliche Photogr. 10 (1911) 135., daß man bei Benutzung hinreichend langer Fäden für die pyrometrischen Zwecke durch Eichung der Lampe an zwei Punkten und geradlinige Verbindung der in logarithmischem Maßstabe aufgetragenen i T-Werte eine vollkommene Eichung der Lampe erhält. Nimmt man noch einen dritten Punkt auf, so hat man eine weitere Kontrolle für die Richtigkeit der gewonnenen Eichung. Textabbildung Bd. 328, S. 536 Abb. 4. Welchen der oben angegebenen Wege man auch einschlägt, man erhält eine Eichung der Pyrometerlampe. Diese für die erstmalige Festlegung der Temperaturen notwendige Methode krankt für dauernde Nachkontrolle an dem Uebelstand, daß man sich jedesmal erst wieder den schwarzen Körper mit allen Hilfsapparaten aufbauen muß. Man tut daher besser, wenn die erste Eichung ausgeführt ist, sich nunmehr ein Zwischennormal zu schaffen. Ein solches ist eine sogen. Bandlampe, wie sie in der Abb. 4 wiedergegeben ist. Nachdem wir diese Lampe, wie man sagt, gealtert haben – dieses Altern ist für alle Lampen erforderlich, die man für pyrometrische Zwecke benutzen will; man erreicht es durch etwa 100-stündiges Brennen der Lampen mit normaler Spannung – stellen wir den Zusammenhang auf zwischen dem Strom der Bandlampe und der mit unserem Pyrometer gemessenen Temperatur. Wir haben dann eine bei der Wellenlänge unseres Pyrometers ausgeführte Eichung der Bandlampe auf schwarze Temperatur und können diese nun stets bei allen Kontrollen und Eichungen benutzen. Es bleibt danach nur übrig, noch einiges über die Genauigkeit und den Meßbereich dieser Instrumente zu sagen. Die untere Grenze der Messung liegt bei etwa 600 °C; bei dieser Temperatur kann man das vor das Auge gesetzte Rotglas weglassen, da der glühende Körper ja fast nur rote Strahlen aussendet. Die obere Grenze, die dadurch gegeben ist, daß man die im Pyrometer befindliche Glühlampe zweckmäßig nicht durch Ueberlastung der Gefahr einer Aenderung aussetzt, befindet sich bei einer Wolframpyrometerlampe bei etwa 2000 °C. Von da an bedient man sich zweckmäßig vorgesetzter Rauchgläser von gemessenem Absorptionsvermögen, um in berechenbarer Weise den Meßbereich zu erhöhen. Die durch die verwandten Meßinstrumente gegebene Genauigkeit – der Stromverbrauch der verwandten Lampen beläuft sich gewöhnlich auf 0,5 bis 1 Amp. – beträgt bei 1500 °C etwa 2 bis 3°; wegen der Unsicherheit der verschiedenen erwähnten und bei der Eichung in Betracht kommenden Faktoren beträgt die bei Verwendung eines technischen Pyrometers vorhandene Gesamtunsicherheit bei 1500 °C etwa 10°. Tabelle 3. Thermometrische Substanzund beobachtete Erscheinung Tem-peraturin °C Un-sicherheitin °C Repro-duzierbar-keit in °C Wasserstoff-Siedepunkt – 252,7 0,2 0,05 Sauerstoff-Siedepunkt – 182,9 0,1 0,03 Quecksilber-Schmelzpunkt – 37,7 0,1 0,05 Wasser-Schmelzpunkt 0 0 0,001 Wasser-Siedepunkt 100 – – Zinn-Schmelzpunkt 231,85 0,1 0,05 Schwefel-Siedepunkt 444,6 0,1 0,03 Na Cl-Schmelzpunkt 800 2,0 1,0 Gold-Schmelzpunkt 1063 2,0 1,0 Palladium-Schmelzpunkt 1549 10 3,0 Platin-Schmelzpunkt 1755 15 5 Aluminiumoxyd-Schmelzpunkt 2000 30 20 Wolfram-Schmelzpunkt 3000 100 25 Sonnentemperatur 6000 500 100 Damit wären alle wesentlichen Einzelheiten über das Holborn-Kurlbaumsche Pyrometer erwähnt. Als weiteres Instrument dieser Art wäre nur noch das vor kurzem angegebene Henningsche SpektralphotometerHenning, Z. f. Instrumentenkunde 30 (1910) 61. zu nennen, das im Prinzip auf der Kombination eines Holborn-Kurlbaumschen Pyrometers mit einem Spektralphotometer beruht. Wie das Nernstsche Pyrometer kommt auch dieses Instrument nur für die Verwendung bei wissenschaftlichen Präzisionsmessungen in Frage. Außer den genannten Instrumenten gibt es noch eine Reihe anderer, weniger verbreiteter, von denen an dieser Stelle nur noch auf eine wissenschaftlich sehr interessante Anwendungsmethode des Flicker-Photometers, die von Lummer und Pringsheim angegeben wurde und ebenfalls auf dem Wien sehen Gesetz beruht, hingewiesen seiThürmel, Ann. d. Phys. 33 (1910) 1139.. Auf die Einzelheiten dieses sowie anderer Instrumente ähnlicher Art einzugehen, sei hier unterlassen, da wir uns nur auf die wichtigsten Pyrometrierungsprinzipien beschränken wollten Eine sehr eingehende und gute Zusammenstellung darüber finden wir in dem Werke von Burgeß und Le Chatelier, das unter dem Titel „Measurement of high temperatures“ 1912 erschienen ist. Die Anwendung der im vorstehenden ausgeführten Prinzipien an der Hand einiger Beispiele moderner Temperaturmessung näher zu erläutern, würde an dieser Stelle zu weit führen und sei daher einem besonderen Artikel vorbehalten. Das Bild des heutigen Standes der Pyrometrie sei nur noch durch die auch auf niedrige Temperaturen ausgedehnte Tab. 3Burgeß, Ber. des Internationalen Kongresses für angewandte Chemie 22 (1912) 53. ergänzt, in der wir eine Zusammenstellung einiger heute mit genügender Genauigkeit bekannter Fixpunkte finden, und in der gleichzeitig die Unsicherheit dieser Punkte in Celsiusgraden sowie ihre Reproduzierbarkeit im gleichen Maße angegeben ist.