Das Photometrieren der gebräuchlichen elektrischen Glühlampen. Von Dr. Alfred R. Meyer, Berlin-Siemensstadt. MEYER: Das Photometrieren der gebräuchlichen elektrischen Glühlampen. Die photometrischen Methoden, nach denen verschiedene Lichtquellen bewertet werden, wechseln naturgemäß entsprechend den Anforderungen, die sich aus dem jeweiligen Stande der Technik der betreffenden Lampenart von selbst ergeben. Für die elektrischen Glühlampen ist es möglich gewesen, die anfängliche Methode der Messung Jahrzehnte lang beizubehalten, obwohl 1905 neben die Kohlefadenlampe die Tantallampe trat, und obwohl beide einige Jahre später durch die Wolfram- oder Einwattlampe immer mehr in den Hintergrund gedrängt wurden. Der Grund dafür war der, daß sich das von den genannten Lampenarten ausgestrahlte Licht bei allen in fast völlig gleicher Weise auf die verschiedenen Ausstrahlungsrichtungen verteilte, wie dies die Abb. 1 veranschaulicht. Wir ersehen aus ihr, daß sich die Lichtverteilungskurven (Polardiagramme) der bezeichneten Lampenarten nur wenig unterscheiden, daß sie alle ein Maximum der Lichtstärke in der Horizontalebene, senkrecht zur Lampenachse also, aufweisen, daß die Lichtstärke unter der Lampe in Richtung ihrer Achse wesentlich geringer ist, und daß sie je nach der Lampenart rund 20 bis 50 v. H. des erwähnten Höchstwertes beträgt. Dabei ist noch zu erwähnen, daß jede der Kurven nur im Prinzip die betreffende Lampenart darstellt, und daß sich daher die Polardiagramme verschiedener Lampensorten gleicher Lampenart voneinander mitunter ebenso viel unterscheiden können, wie es bei den für die Kohlefadenlampen, die Tantallampen und die Wolframlampen gezeichneten Kurven der Fall ist. Textabbildung Bd. 331, S. 213 Abb. 1.Lichtverteilungskurven normaler Wolfram-, Tantal- und Kohlefadenlampen Zwar gab es unter den gebräuchlichen Lampentypen einige, für die nicht die gezeichneten Lichtverteilungskurven galten; indessen handelte es sich dabei in erster Linie um Lampen für besondere Zwecke, und außerdem war ihre Zahl prozentisch so gering, daß die für die Bewertung der Lampen benutzte Methode der Messung ihnen keine Rechnung zu tragen brauchte. Lag somit die Verteilung des Lichtes auf die einzelnen Richtungen fest, so fiel jeder Grund fort, jedesmal diese Lichtverteilung aufs neue festzustellen, und man konnte sich damit begnügen, die Messungen in einer einzigen ausgezeichneten Richtung vorzunehmen. Als solche ergab sich von selbst die Richtung senkrecht zur Lampenachse, da sie gleichzeitig mit dem Maximalwert zusammenfiel, und da bei ihr, wie die Lichtverteilungskurve zeigt, durch geringe Abweichungen in der Richtung prozentisch die kleinsten Meßfehler bedingt werden. Textabbildung Bd. 331, S. 214 Abb. 2.Lichtverteilungskurve von normalen Wolframlampen bzw. von Wotan-Zentralampen Man war daher gewöhnt, unter der Lichtstärke einer elektrischen Glühlampe schlechthin die wagerechte oder, richtiger gesagt, die mittlere wagerechte Lichtstärke zu verstehen. Die letztgenannte wählte man, um auch noch die möglichen, im allgemeinen geringen Ungleichmäßigkeiten zu berücksichtigen, welche die Lichtverteilung in der Horizontalebene aufweist. Aus dieser Festlegung ergab sich zwanglos die bei den praktischen Messungen benutzte Meßmethode. Entweder ließ man nämlich die zu photometrierenden Lampen um ihre Achse mit passend gewählter Geschwindigkeit rotieren (Rotationsmethode), oder man setzte hinter die ruhende Lampe einen 120°-Spiegel (Methode der Winkelspiegel). Die erste Methode braucht nicht näher erläutert zu werden; die zweite beruht darauf, daß auf den Schirm des Photometerkopfes das Licht der Lampe direkt, sowie dasjenige zweier Spiegelbilder gelangt, die ihr Licht aus Richtungen erhalten, welche um je 120° gegen die erstgenannte Richtung versetzt sind. Beim Photometrieren nimmt man infolgedessen das Mittel aus diesen drei Richtungen und erhält dadurch, da bei den in Frage kommenden Lampenarten die Abweichungen der Lichtstärke in der Horizontalebene an sich gering sind, tatsächlich einen Wert, der mit dem mittleren Horizontalwert genügend übereinstimmt. Es leuchtet ein, daß man bei der Messung nach dieser zweiten Methode das Licht der Normallampe entsprechend verstärken muß; man setzt daher hinter sie ebenfalls einen gleichartigen Spiegel und umgeht damit gleichzeitig eine Bestimmung der Spiegelabsorption, die bei einseitiger Anwendung des Winkelspiegels nötig sein würde. Die auf den dargelegten Ueberlegungen aufgebaute Methode der Messung und Bewertung der gebräuchlichen elektrischen Glühlampen behielt so lange ihre Berechtigung, als die in Betracht kommenden Lampen die genannten Vorbedingungen erfüllten, und verlor sie naturgemäß, als Lichtquellen in den Handel kamen, die dem Bedürfnis nach einer völlig andersartigen Lichtverteilung Rechnung trugen. Solche Lampen waren die Fokuslampen und die unter den verschiedensten Bezeichnungen bekannt gewordenen Spiraldrahtlampen, bei denen man die Leuchtsysteme so gewählt hatte, daß der Hauptanteil des Lichtes in der Richtung der Lampenachse ausgestrahlt wurde, daß also bei senkrecht hängenden Lampen die größte Beleuchtung nicht mehr in wagerechter, sondern in senkrechter Richtung nach unten vorhanden war. Die Lichtverteilung einer Lampe dieser Art ist in der Abb. 2 wiedergegeben, und es ist zum Vergleiche nochmals die vorher übliche Lichtverteilung mit eingetragen. Man erkennt auf den ersten Blick, daß die frühere Methode der Messung und Bewertung hier ohne Berechtigung ist. Noch unhaltbarer aber wurde dieser Zustand, als neben diesen immerhin ihrer Gesamtzahl nach anfangs nicht sehr ins Gewicht fallenden Lampentypen die gasgefüllten Glühlampen in den Handel kamen. Nicht allein, daß nun noch andere, von den gezeichneten abweichende Lichtverteilungskurven vergleichbar bewertet werden mußten, die Kurven wechselten auch von Lampenart zu Lampenart bei Erzeugnissen desselben Herstellers, und Lampen gleicher Sorte waren oft durchaus unvergleichbar, da die Leuchtsysteme und entsprechend die Lichtverteilungskurven bei verschiedenen Fabrikanten voneinander abwichen. Der einzige Ausweg aus diesen Schwierigkeiten war der, eine Meßmethode zu wählen, bei der man das Licht nicht nur in einer einzigen Richtung mißt, sondern auch den in anderen Richtungen ausgesandten Lichtstrom bewertet. Dies geschieht, wenn man die mittlere sphärische Lichtstärke als Vergleichsgröße zugrunde legt. Sie ist bekanntlich durch diejenige Lichtstärke definiert, die sich ergeben würde, wenn der gesamte Lichtstrom von der betreffenden Lampe nach allen Richtungen hin gleichmäßig ausgesandt würde. Die übliche im Polardiagramm dargestellte Lichtverteilungskurve ist also in der gleichen Darstellung durch einen Kreis ersetzbar, dessen Radius der angegebenen mittleren sphärischen Lichtstärke entspricht. Die Frage der vergleichbaren Bewertung verschiedener Glühlampen ist durch diese Ueberlegungen auf die Messung ihrer sphärischen Lichtstärke zurückgeführt, und es braucht daher nur noch darauf eingegangen zu werden, wie man diese Messung in technisch befriedigender Weise schnell ausführt. Zum Verständnis der angewendeten Methode ist es notwendig, kurz auf die Grundlagen einzugehen, auf denen sich die Bestimmung des sphärischen Lichtwertes einer Lichtquelle aufbaut. Wie nach den vorhergehenden Erörterungen einleuchtend, ist die Lichtverteilungskurve einer Lampe diejenige Angabe, durch die der gesamte von ihr ausgehende Lichtstrom bestimmt ist, und aus der er berechnet werden kann. Zur Vereinfachung unserer Ueberlegungen setzen wir voraus, daß es sich um eine in bezug auf die Lichtverteilung achsialsymmetrische Lichtquelle handele, bei der wir daher in jeder durch ihre Achse gelegten Ebene dieselbe Lichtverteilungskurve erhalten. Dieser Annahme genügen die gebräuchlichen Glühlampen fast durchgängig, wie sich dies aus den vorhergehenden Erörterungen ergibt, und wie es auch aus der Tatsache hervorgeht, daß man überhaupt von der Lichtverteilungskurve einer bestimmten Glühlampen- oder Lampenart spricht. Liegt die Aufgabe vor, aus einer solchen Lichtverteilungskurve die mittlere sphärische Lichtstärke der betreffenden Lampe zu berechnen, so haben wir zu beachten, daß es nicht zulässig ist, die Intensitäten in bestimmten Gradabständen abzulesen und daraus das Mittel zu bilden, daß vielmehr der gleiche Lichtwert in verschiedenen Ausstrahlungsrichtungen verschieden zu bewerten ist. Diese Tatsache wird verständlich, wenn wir uns um den Mittelpunkt der Lampe eine Kugel von beliebigem Durchmesser gelegt denken. Dann ergibt sich nämlich die Beleuchtung, die jedes Flächenelement dieser Kugel erhält, aus der in der betreffenden Richtung ausgestrahlten Intensität dividiert durch das Quadrat des Kugelhalbmessers. Aus dieser Ueberlegung sehen wir sofort, daß eine in der Aequatorialebene der Lampe vorhandene Lichtstärke 100, die in dem Winkel 90 bis 85° der Gradeinteilung der beiden Abbildungen konstant ist, auf der entsprechenden Zone unserer gedachten Kugel dieselbe Beleuchtung erzeugt wie die gleiche nahe der Richtung der Achse, beispielsweise zwischen 5 und 0°, vorhandene Lichtintensität auf der zugehörigen Kugelkalotte, die aber an Fläche wesentlich kleiner ist. Es leuchtet ein, daß dieser Unterschied bei der Bewertung in der Weise in Rechnung gestellt werden kann, daß man die einzelnen Intensitäten nicht mit den abgelesenen Werten einsetzt, sondern daß man sie mit einem entsprechenden Faktor multipliziert. Mathematisch ist dieser Faktor nichts anderes als der Kosinus des Winkels zwischen der betreffenden Richtung und der durch die Lampe gelegten Horizontalebene. Es würde zu weit führen, die verschiedenen dabei angewendeten Methoden an dieser Stelle in ihren Einzelheiten zu erläutern. Es genüge die Angabe,Näheres darüber siehe Liebenthal, Prakt. Photometrie, Braunschweig 1907; Uppenborn-Monasch, Lehrbuch der Photometrie, München-Berlin 1912. daß man praktisch neben anderen Verfahren besonders die rechnerische Methode von Liebenthal, die graphische Methode von Rousseau (das sogen. Rousseausche Diagramm) und ein von Bloch angegebenes Näherungsverfahren benutzt, bei dem man nur den arithmetischen Mittelwert aus den Intensitäten zu bilden braucht, die man auf einer Reihe in das Polardiagramm eingezeichneter Hilfslinien abliest. Die Möglichkeit, auf diesem Wege die mittlere sphärische Lichtstärke zu ermitteln, beruht darauf, daß die genannten Hilfslinien das Polardiagramm nicht in gleichen Gradabständen durchsetzen, sondern daß sie so verteilt sind, daß sie zu den Mitten flächengleicher Zonen unserer um die Lichtquelle umschrieben gedachten Kugel führen. Infolgedessen liest man bei hinreichender Unterteilung auf einer jeden die Intensität ab, die die mittlere Beleuchtung der zugehörigen Zone hervorruft, und erhält daher in dem Mittelwert der Einzelablesungen mit genügender Genauigkeit die mittlere sphärische Lichtstärke. Wegen der Wichtigkeit der Aufgabe, aus einer gegebenen Lichtverteilungskurve die mittlere sphärische Lichtstärke zu ermitteln, sei eine solche Rechnung unter Benutzung des an letzter Stelle genannten Blochschen Verfahrens durchgeführt. Als Beispiel wählen wir die in Abb. 2 mit dargestellte Lichtverteilungskurve der normalen Wolframdrahtlampe, die in Abb. 3 für eine 50-kerzige Lampe nochmals wiedergegeben ist, und benutzen zur besseren Verdeutlichung des Verfahrens nicht eins der im Handel erhältlichen Hilfslinienblätter, sondern konstruieren uns die Hilfslinien selber. Zu dem Zwecke denken wir uns um unsere Lichtquelle eine Kugel von beliebigem Durchmesser umschrieben, die in der Abb. 3 durch den Kreis vom Radius OA verdeutlicht sei, und teilen sowohl die obere wie die untere Halbkugel in eine Anzahl flächengleicher Zonen. Dies geschieht, wenn wir die verschiedenen Zonen höhengleich machen, d.h. also, wenn wir die Strecken OAund OB in die gewählte Anzahl gleicher Teile teilen. Die Zahl dieser Teile hängt einerseits von der verlangten Genauigkeit, andererseits von der Art der Lichtverteilungskurve ab, da naturgemäß bei großen Ungleichmäßigkeiten in der Lichtverteilung die Unterteilung größer sein muß. Bei den meisten Glühlampen erreicht man eine für die praktischen Zwecke ausreichende Genauigkeit, wenn man die beiden Halbkugeln in je zehn Zonen teilt; sind dagegen sehr ungleichmäßige Polardiagramme auszuwerten, so wird man bis zu 40 Teilen in jeder Halbkugel gehen. Textabbildung Bd. 331, S. 216 Abb. 3.Hilfslinienverfahren nach Bloch zur Bestimmung der mittleren sphärischen Lichtstärke einer Lichtquelle aus der gegebenen Lichtverteilungskurve In der Abb. 3 ist die Zehntelteilung gewählt; OA und OB sind daher in je zehn Teile unterteilt. Durch die Mitten dieser Teile sind Senkrechte zur Richtung OA gelegt, die bis zum Schnitt mit dem Kreise vom Radius OA geführt sind, und es sind diese Schnittpunkte mit dem Mittelpunkte O verbunden. Die so erhaltenen Geraden sind dann nichts anderes als die vorher erwähnten Hilfslinien, auf denen wir die Intensitätswerte im Schnittpunkte mit der auszuwertenden Lichtverteilungskurve ablesen, um in der angegebenen Weise die mittlere sphärische Lichtstärke der betreffenden Lichtquelle zu erhalten. Führen wir die Rechnung für unser Beispiel durch, so erhalten wir als mittlere Lichtstärke in der oberen Halbkugel 39,3 HK, in der unteren Halbkugel 39,9 HK und als mittlere sphärische Lichtstärke 39,6 HK. So wertvoll die genannten Methoden für die genaue Ermittlung des sphärischen Lichtwertes einer genau zu eichenden Lampe sind, so umständlich wäre es, wenn man die eine große Anzahl einzelner Messungen erfordernden Verfahren bei der fabrikationsmäßigen Ermittlung der sphärischen Lichtstärke von Glühlampen anwenden wollte. Wollte man es doch tun, so müßte man sich damit begnügen, für jede einzelne Lampenart den Umrechnungsfaktor festzustellen, der sich bei einer größeren Anzahl von Lampen für das Verhältnis einer bestimmten, z.B. der wagerechten beziehungsweise der achsialen, Lichtstärke zum mittleren sphärischen Lichtwerte ergibt. Man würde dann die jeweilige sphärische Lichtstärke ermitteln, indem man die Lampe in der gewählten Richtung mißt und den gemessenen Wert mit dem ermittelten mittleren Umrechnungsfaktor multipliziert. Durch Stichproben würde man sich dann von Zeit zu Zeit davon zu überzeugen haben, daß in dem fortlaufenden Bau der betreffenden Lampenart keine ungewollte Aenderung eingetreten ist, die den genannten Umrechnungsfaktor geändert hat. Noch angenehmer ist naturgemäß eine Vorrichtung, die den sphärischen Lichtwert mit einer einzigen Messung zu ermitteln erlaubt, und die allen Anforderungen an schnelles Messen, wie es z.B. in der Glühlampentechnik verlangt wird, genügt. Es ist dies die Ulbrichtsche Kugel, in Verbindung mit einer Photometereinrichtung oft kurz Kugelphotometer genannt, die als ein integrierendes Meßgerät anzusprechen ist, da sie die oben geschilderten Rechenoperationen selbsttätig vornimmt. Zu ihrer Eichung ist stets eine Lampe notwendig, deren sphärischer Lichtwert nach einem der oben geschilderten absoluten Verfahren gewonnen worden ist. Die Ulbrichtsche Kugel (Abb. 4) besteht, wie ihr Name besagt, aus einer Hohlkugel, in deren Inneres die zu messende Lampe eingeführt wird. Die Innenwand der Kugel ist zum Zwecke der Messung der Lampe mit einem stark diffus reflektierenden weißen Anstrich versehen, für den man nach neueren Untersuchungen von UtzingerUtzinger, Elektrot. Zeitschr. 36 (1915) S. 137. am besten Zinkweiß wählt. Dieser Anstrich bewirkt, daß durch die wiederholte diffuse Reflexion des von der Lampe nach allen Richtungen ausgesandten Lichtes auf der Innenfläche der Kugel überall eine gleichmäßige Beleuchtung erzielt wird. Diese Beleuchtung ist der mittleren sphärischen Lichtstärke der eingehängten Lampe proportional, da das Licht aller Richtungen zu ihrer Erzeugung in einer unseren vorhergehenden Ueberlegungen entsprechenden Weise beiträgt. Hängen wir daher verschiedene Lampen in eine solche Kugel ein, so verhalten sich die erzielten Beleuchtungen wie die mittleren sphärischen Lichtstärken der betreffenden Lampen. Wir brauchen daher die Kugel nur mit einer anderweitig auf ihre mittlere sphärische Lichtstärke geprüften Lampe zu eichen, wie man sagt, die Kugelkonstante zu bestimmen, und können dann die sphärische Lichtstärke einer beliebigen Lampe durch Messung der von ihr auf der Innenfläche der Kugel erzeugten Beleuchtung ermitteln. Zur Ausführung dieser Messung verfährt man so, daß man in der Kugel eine Meßöffnung läßt, in die man entweder direkt den Tubus irgend eines Photometers, beispielsweise Weberscher Art, einführt, oder die man durch eine Milchglasscheibe verschließt, deren Beleuchtung man ermittelt. In jedem Falle muß man durch eine passend gewählte, weiße Blende dafür sorgen, daß auf diese Oeffnung bzw. Mattscheibe kein direktes Licht von der Lampe fällt. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß diese Vorrichtung eine außerordentliche Vereinfachung darstellt, da sie zahlreiche Photometrierungen und zeitraubende Rechnungen durch eine einzige Messung ersetzt. Bei der Eichung ist zweckmäßig noch darauf zu achten, daß die Bestimmung der Kugelkonstanten mit einer Lampe gleicher Lichtfarbe vorgenommen wird, wie sie die zu messenden Lampen aufweisen, damit nicht geringe Ungleichmäßigkeiten im Reflexionsvermögen des Anstriches für Licht verschiedener Wellenlängen das Ergebnis beeinflussen können. Textabbildung Bd. 331, S. 217 Abb. 4.Schematische Darstellung einer Ulbrichtschen Kugel mit angesetztem Photometer Weberscher Art Aus den vorstehenden Betrachtungen haben wir gesehen, daß die andersartigen Lichtverteilungskurven der neueren Glühlampen eine Aenderung der Art ihrer photometrischen Bewertung bedingt haben, und daß man an die Stelle einer lange Zeit gültigen Meßmethode eine neue setzte, die der alten infolge ihrer wissenschaftlich umfassenderen Grundlage überlegen ist. Man müßte danach annehmen, daß dem Uebergang zu der neuen Art der Bewertung der Lampen nichts mehr im Wege stände. Dies ist nun nicht der Fall, wie ein Blick auf die Preislisten der führenden Glühlampenfirmen lehrt, und wie dies in den Darlegungen von SalomonSalomon, Elektrot. Zeitschr. 36 (1915) S. 216. in einer Sitzung des Elektrotechnischen Vereins näher zum Ausdruck kommt. An dieser Stelle sei auf die betreffenden Fragen nicht erschöpfend eingegangen, und es seien nur einige der wesentlichsten Gesichtspunkte herausgegriffen, die die vorhandenen, hauptsächlich durch verkaufstechnische Ueberlegungen bedingten Schwierigkeiten erklären. Zunächst läßt es nämlich die jahrzehntelange Gewöhnung der Verbraucher an bestimmte, nach ihrer wagerechten Lichtstärke abgestufte Glühlampen unangebracht erscheinen, diese Art der Bewertung da, wo sie nach wie vor ihre Berechtigung hat, völlig fallen zu lassen. Anderseits ist die neue Art der Messung da am Platze, wo die gasgefüllten niederkerzigen Glühlampen mit den früheren Lampenarten in Wettbewerb treten. Endlich gilt auch diese Behauptung nicht allgemein, da die höherkerzigen gasgefüllten Lampen, die sogenannten Halbwattlampen, den Bogenlampen den Platz streitig machen und man bei diesen daran gewöhnt ist, die mittlere untere hemisphärische Lichtstärke zum Vergleich zugrunde zu legen. Neben diesen allgemeinen Punkten ist bei einer recht erheblichen Zahl von Lampen die weitere Tatsache zu berücksichtigen, daß sie absichtlich für eine besonders gute Lichtausbeute in einer bestimmten Richtung bzw. eine bestimmte Lichtverteilung gebaut sind. In allen Fällen ist also neben der sphärischen Lichtstärke noch die Angabe einer anderen Maßzahl erwünscht. Zu diesen in der Sache selbst begründeten -Schwierigkeiten kommen noch als weitere Punkte hinzu, daß unser geltendes Leuchtmittelsteuergesetz die Lampen nach ihrer Leistung in bestimmte Klassen teilt, die man infolgedessen beim Bau der Lampen berücksichtigen muß, und daß endlich das Ausland zu einem großen Teil eine andere, um 11 v. H. höhere Lichteinheit angenommen hat. Alle diese Gesichtspunkte, zu denen sich noch wirtschaftliche Ueberlegungen gesellen, ließen es angebracht erscheinen, einen anderen, von diesen Fragen unabhängigen Einteilungsgrund zu wählen, als den man die Lampenleistung annahm. Infolgedessen werden die von den Glühlampenfabriken hergestellten neueren Lampentypen fast durchgängig nach dem Verbrauch in Watt angeboten und verkauft. Diese Art der Unterteilung bedeutet scheinbar den Verzicht, die vorher an dieser Stelle gegebenen Ueberlegungen in die Praxis zu übersetzen. In Wirklichkeit aber trifft dies nicht zu; vielmehr geben die Fabriken fast ausnahmslos in ihren Listen für jede der nach dem Verbrauch in Watt gestaffelten Lampenarten die mittleren sphärischen Lichtstärken an, so daß damit tatsächlich den neueren Anschauungen die berechtigte Würdigung zuteil wird.