Bolometrische Widerstandsmessbrücke. Bolometrische Messanordnungen zur Mes sung von Strahlungsenergien sind schon in mannigfaltiger Form bekannt. Sie werden in der Regel benutzt, um sehr kleine Energie mengen zu bestimmen, und besitzen dement-_ sprechend Eigenschaften, die sie für die Mes sung grosser Mengen und zur Ausübung gro sser Kräfte ungeeignet machen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine bolometrisclie Widerstandsmessbrücke zu schaffen, bei welcher diese beiden Nachteile vermieden sind.
Um ein Bolometer für die Betriebspraxis dauernd verwendbar und gegen unerwünschte Alterungserscheinungen unempfindlich zu machen, ist in erster Linie erforderlich, hohe Temperaturen an jeder Stelle des Gerätes zu vermeiden. Erfindungsgemäss wird dies da durch erreicht, dass die aus temperaturemp findlichem Widerstandsmaterial hergestellten und auf Strahlungsänderungen reagierenden Teile nicht, wie bisher, klein gehalten, son- dern grossflächig ausgebildet sind.
Man ge winnt hierdurch gleichzeitig die Möglichkeit, in den Brückenwiderständen grosse elektrische Leistungen unterzubringen, so dass auch in einem in die Brücke geschalteten Relais grosse Leistungen bei kleinen Widerstandsänderun gen zur Verfügung stehen.
Der Erfindungsgegenstand ist auf der Zeichnung durch Ausführungsbeispiele und Detailvarianten veranschaulicht.
Fig. 1 und 2 zeigen schematisch im Quer schnitt zwei verschiedene Anordnungen von Widerständen; Fig. 3 bis 16 zeigen in Ansicht bezw. Querschnitt verschiedene Ausführungsformen des Widerstandes; Fig. <B>17</B> stellt schematisch eine einen Ka sten aufweisende Ausführungsform dar;
Fig. 18 zeigt eine Schaltung der Mess- brücke; Fig. 19 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform dar, und Fig. 20 bis 22 stellen verschiedene Schal tungen für die Betriebsüberwachung der Messbrücke dar.
Bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und 2 ist der Widerstand in der Weise gross flächig ausgebildet, dass er aus einer Anzahl Metallbänder hergestellt ist, die in Reihe oder parallel geschaltet sein können. Die Wi derstände sind in zwei oder mehreren, und zwar in Fig. 1 in drei und in Fig. \? in zwei Etagen untereinander so angeordnet, dass sie eine geschlossene Fläche in der Strahlungs projektion bilden und ihre Gesamtfläche nicht wesentlich verschieden von der Projektions fläche ist.- Diese geschlossene Projektions fläche bewirkt, dass kein Strahl durch sie hin durehtreten kann, aber auch kein Teil eines Bandes unbestrahlt bleibt.
Da bolo.metrische Messeinrichtungen, die für die Überwachung des Betriebszustandes von Gebäuden und dergleichen verwendet werden, so ausgebildet sein müssen, dass sie, unabhängig von der Intensität der Strah lungsquelle, im Gleichgewicht bleiben, würde ihre Ausserbetriebnahme sich nach aussen hin nicht bemerkbar machen, und es würde ein Schutz vorgetäuscht werden, der tatsächlich nicht vorhanden ist.
Um diesen Übelstand zu vermeiden, kön nen im Stromkreis des Wärmeempfängers oder in dem der Wärmequelle oder in beiden optische oder akustische Signaleinrichtungen vorgesehen sein, die den Arbeitszustand der Messeinriehtung überwachen, zum Beispiel anzeigen, da,ss die Messeinrichtung ausser Be trieb ist.
In Fig. 20 bedeutet 1 den Strahlungs sender, 2 und 2' den in der Brückenschaltung liegenden Strahlungsempfänger, 3 und 3' die unabhängigen Vergleichswiderstände, 4 das Anzeigeinstrument oder Relais, dessen Aus schlag oder Ansprechen Änderungen der Ab sorption auf dem Strahlungswege 5 und 5' anzeigt. Der Strahlungssender wird aus einer Spannungsquelle 6 über ein Ruhestromrelais 7 gespeist, während die Messbrücke ihren Strom aus einer Batterie 8 über ein zweites Ruhestromrelais 9 empfängt. Versagt die Stromzufuhr zum Strahlungssender, so spricht das Ruhestromrelais 7 an, und es er scheint das Schauzeichen 10.
Entsprechend würde bei einem Ausbleiben des Stromes am Strahlungsempfänger das Schauzeichen 1.1 des Ruhestromrelais 9 erscheinen.
Besonders einfach gestaltet sich die Über wachungseinrichtung, wenn man nach Fig. 21 den Strahlungsempfänger mit dem Strah lungssender in Reihe schaltet, also die Strah lungsempfangseinrichtung als Vorschalt- widerstand vor den Strahlungssender legt, da dann nur die Überwachung eines einzigen Stromkreises durch das Ruhestromrelais 12 finit dem Schauzeichen 13 erforderlich wird. Die Bezeichnungen der übrigen Teile der Fig. 21 sind mit denen der Fig. 20 identisch.
Um die Sicherheit der Anordnung zu er höhen und zu erreichen., dass die Ruhestrom- rela.is bezRr. die Signaleinrichtungen nur dann <B>C</B> ansprechen, wenn während des Betriebes der Einrichtung eine unbeabsichtigte Unterbre chung eintritt, kann man nach Fig. 22, deren Bezeichnungen wieder in den Hauptteilen identisch sind mit denen der Fig. 20 und 21, so vorgehen. dass das Ruhestromrelais 12 den Kontakt 14 eines Hilfsstromkreises schliesst, der aus einer besonderen Batterie 15 über ein Sehaltmesser 16 gespeist wird.
In diesem Stromkreis befindet sich ein Alarmsignal beliebiger Art, beispielsweise eine Klingel 17. Das Schaltmesser 16 ist mit einem Schalt- ine_sser 18 gekuppelt, das zur Einschaltung des Hauptstromkreises des Strahlungssenders und Strahlungsempfängers dient. Die Über wachungseinrichtung, bestehend aus dem Ruhestromkreis 12 und dem Schutzstrom kreis 14, 1.5, 16, 17, tritt also nur dann in Tätigkeit, wenn der Hauptstromkreis über das Schaltmesser 18 geschlossen ist.
Der Schutzstromkreis wird also automatisch durch den Hilfskontakt 16 eingeschaltet, so bald durch Einschaltung des Schalters 18 die l?berw achungseinrichtung in Betrieb genom- inen wird. An Stelle einer Kupplung mit dem Schalter 18 des Stromkreises der Schutz einrichtung kann auch eine Kupplung mit einem Schalter im Stromkreis der zu über wachenden elektrischen Maschine, beispiels weise mit dem Erregungsschalter der zu über wachenden Maschine, vorgesehen sein.
Eine Beeinträchtigung der Zuverlässig keit der Messeinrichtung könnte auch dadurch eintreten, dass der als Strahlungssender aus gebildete Teil versagt, zum Beispiel dadurch, dass die zum Senden von Wärme- oder Licht strahlen benutzte elektrische Lampe durch brennt.
Dieser Gefahr lässt sich dadurch begeg nen, dass man eine Messeinrichtung in den Stromkreis des Strahlungssenders legt, durch die entweder dessen Betriebszeit oder die ge samte Energiemenge kontrolliert wird, die durch ihn hindurchgeflossen ist. Bei Errei chung einer einstellbaren Grenzzeit kann die Auslösung eines Signals vorgesehen sein, das auf die notwendige Auswechslung der Lampe, bevor ein Durchbrennen der Lampe in Frage kommt, aufmerksam macht.
Da die Messung der Strahlungsenergie auf dem Umweg über die ihr entsprechende Temperaturerhöhung des Widerstandsmate rials erfolgt und mit jeder Temperatur erhöhung des Materials eine Formänderung durch die Wärmedehnung verbunden ist, ent stehen, wie sich praktisch gezeigt hat, durch diese Formveränderung des wärmeempfind- liehen Widerstandsmaterials besonders bei Verwendung von Grossflächen-Bolometern Schwierigkeiten und Ungenauigkeiten in der Messung und Anzeige.
Dieser Nachteil kann durch Anordnun gen beseitigt werden, mit deren Hilfe. der schädliche Einfluss der Formveränderung des Widerstandes ausgeschaltet wird. Zu diesem Zweck können die als Draht oder Band her gestellten Elemente des grossflächig ausgebil deten Widerstandes eine derartige Abfede rung erhalten, dass die der Wärmeausstrah lung ausgesetzte Fläche stets die gleiche Wärmemenge empfängt und nur eine geringe Flächenvergrösserung, nicht aber eine Aus biegung oder Ausknickung erleidet. Hierbei ist es möglich, auch die Flächenvergrösserung dadurch unschädlich zu machen, dass man die Enden den Bandes bezw. der Bänder gegen die Bestrahlung abdeckt.
In den Fig. 3 bis 16 sind verschiedene Ausführungsformen eines derartigen Wider standes dargestellt.
In Fig. 3 bedeutet a ein dünnes metal lisches Band, das entweder selbst den gesam ten Bolometerwiderstand darstellen kann oder mit andern ähnlichen Bändern in Reihen- oder Parallelschaltung liegt. Dieses dünne Band u würde sich bei fester Einspannung zwischen den Befestigungsstellen b und c bei Erwärmung verwerfen, wie es in Fig. =t in der Seitenansicht dargestellt ist.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist eine Abfederung i.n der Aufhängung mit Hilfe von Schrauben federn d und e vorgesehen, durch welche er reicht wird, dass das Band bei Erwärmung stets straff gehalten wird und nur eine ge wisse Verlängerung in Richtung des Feder zuges erfährt. f und g sind feste Abspan- nungen, an deren Stelle unter Umständen ähnliche Federn wie bei c angebracht werden könnten. Selbstverständlich ist es möglich, die Federn nicht trapezförmig, sondern pa rallel zueinander anzubringen.
In Fig. 5 ist eine andere Anordnung eines metallischen Bandes a. in der Seitenansicht dargestellt. An den beispielsweise durch Schienen gebildeten Befestigungsstellen b und c des Bandes sind Blattfedern h, <I>i</I> auf geschraubt, zwischen denen das Band a des Bolometerwiderstandes ausgespannt ist. Diese Federn erhalten eine derartige Vorspannung, dass sie auch bei der grössten betriebsmässig vorkommenden Erwärmung noch schwach angespannt bleiben. An Stelle des Bandes u könnte auch ein Draht als grossflächiger Wi derstand verwendet werden.
Die Abfederung braucht nicht, wie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt, an den Enden des Bandes zu liegen, sie kann auch derart erfol gen, dass gemäss Fig. 6 eine Federung k in der Mitte des Bandes a vorgesehen ist, wäh rend die Befestigung an den Punkten b und c starr ist. Auch braucht die Richtung der Federzugkraft nicht in der Bandebene zu lie gen. Nach Fig. 7 kann zum Beispiel au einem beliebigen Punkt des Bandes seitlich eine Federung l angreifen, die bei Verände rung der Bandlänge das Band stets straff hält.
Es lässt sich auch das Band selbst als Fe der ausbilden, indem man an ihm zum Bei spiel gemäss Fig. 8 eine Vorrichtung anord net, durch die es in seiner Längsrichtung an gespannt werden kann. Die eine durch ein Widerlager c gebildete Befestigungsstelle des Bandes<I>a</I> trägt einen eingesetzten Stellring<I>m,</I> der es mit Hilfe eines Schraubengewindes n gestattet, das Band a mehr oder weniger fest anzuziehen. - Das Band muss durch die Vor spannung dann so weit angezogen werden, dass auch bei der höchsten betriebsmässig vor kommenden Erwärmung noch eine Restspan nung in ihm verbleibt.
Wenn das Band selbst keine genügende Federkonstante besitzt, um eine soweit gehende Regulierung zu gestat ten, kann es auch gebogen oder geriffelt sein, wie Fig. 9 und 7.0 in der Seitenansicht zeigen.
Die oben beschriebenen, in Fig. 3 bis 10 dargestellten Anordnungen haben den Nach teil, dass die Löt- oder Verbindungsstellen unter dem Zug der Federkraft oder der Nach spannkraft stehen. Dieser Nachteil, der zu einem Versagen der Einrichtung führen kann, ist bei der in Fig. 11 in Seitenansicht dargestellten Ausführungsform des Wider standes vermieden, bei welcher die Verbin dungsstelle selbst vom Zug entlastet ist.
In dieser Figur bedeutet a das ausgespannte Band oder den ausgespannten Draht; b und c sind die beiden als Widerlager ausgebildeten Befestigungsstellen desselben, deren vordere Teile bi, c' zur Verschlechterung der Wärme abfuhr von Band a aus schlecht wärmeleiten dem Material bestehen. . Das Band ist über die abgerundeten Kanten der Teile b1, cl aus gespannt und auf ihnen durch Schrauben oder Stifte o, p befestigt. Während der Be festigung wird durch Federn q, <I>r</I> oder durch eine dieser Federn, die an den Widerlagern b, c befestigt sind, dem Band die zur Straff haltung erforderliche Spannung erteilt.
Es ist auch möglich, die Teile b1, cl so auszu- bildent dass sie in sich federn. Eine derartige Ausbildung zeigt Fig. 12; b1 ist der wärme isolierende Teil des Widerlagers, der sich nach vorn in eine Blattfeder s fortsetzt, über die das auf b' befestigte Band a sich legt.
Man kann. um dem Band die zur Ver meidung unerwünschter Bewegungen erfor derliche Steifigkeit zu geben, zum Beispiel auch so vorgehen, dass man ihm durch Pres sen eine Musterung aufprägt, die zur Er höhung des Biegungsmomentes dient. Bei spiele hierfür zeigen im Querschnitt bezw. Ansicht die Fig. 13 bis 16.
An Stelle der erwähnten Federungen kön nen auch Gewichtsbelastungen der Bänder vorgesehen sein.
Die bisher üblichen bolometrischen Strah- lungsmesseinrichtungen besitzen den Nachteil, dass man nach ihrer Einschaltung erst län gere Zeit warten muss, bis sich Temperatur gleichgewicht eingestellt hat, ehe man mit den eigentlichen Messungen beginnen kann. Sie besitzen fernerhin den Nachteil, dass auch nach langen Betriebszeiten der Nullpunkt der Messanordnung nicht konstant bleibt, sondern zum Beispiel in Abhängigkeit von der Aussentemperatur nachreguliert werden muss. Sie sind auch auf Wärmezufuhr aus andern Richtungen als der Richtung der Strahlung empfindlich und müssen deshalb unter be sonderen Vorsichtsmassregeln benutzt werden.
Die im nachstehenden beschriebenen Aus führungsformen sollen dazu dienen, die Ab hängigkeit der Messei'nrichtungen von äussern Einflüssen zu beseitigen.
Zu diesem Zweck werden die beiden Zweige einer Widerstandsmessbrüeke, die als Bolometermessgerät dienen, in einem gemein samen Gehäuse oder Kasten untergebracht, die vom Aussenraum vollständig abgeschlos sen ist. Der Kasten, in dem sich die Bolo- rneterwiderstände befinden, wird so stark ausgeführt und aus so gut wärmeleitendem Material hergestellt, dass Temperaturdifferen zen an verschiedenen Punkten des Aussen raumes sich im Innern nicht mehr bemerkbar machen. Hierbei ist es vorteilhaft, den Hohl raum des Kastens nur wenig höher zu wäh len, als. die Widerstände beanspruchen.
U m die dem Bolometer teils durch Strali- lung, teils durch den Messstrom zugeführte Wärme schnell an die Aussenluft abzugeben, kann dabei der Kasten mit Kühlrippen ver sehen werden, oder man kann ihn auch in ein beliebiges Kühlmittel hineinsetzen oder an seiner Rückseite fortwährend eine Kühl flüssigkeit vorbeiführen.
Auch ist es möglich, die Wä,rmeabfuhr- verhältnisse von den Bolometerwiderständen selbst zu ändern und in geeigneter Weise zu beeinflussen, zum Beispiel dadurch, dass der von der Aussenluft abgeschlossene Raum, in dem der Wärmeempfänger untergebracht ist, mit einer Flüssigkeit oder auch einem Gas unter beliebigem Druck gefüllt wird. Das Einfüllen eines gut wärmeleitenden Gases, zum Beispiel Wasserstoff, das man zur Ver besserung der :Kühlung wählen könnte, bietet ausserdem den Vorteil, dass die Metallober fläche in ihm dauernd gleichmässig erhalten --,vird und nicht durch Oxydation leidet.
Zur Erhöhung der Empfindlichkeit kann man den Raum, in dem sich der Apparat befin det, auch evakuieren oder zur Begünstigung der Wärmeabfuhr unter innern Überdruck setzen.
Der Einfluss äusserer Temperaturdifferen zen und äusserer Strömungsvorgänge macht sich naturgemäss besonders stark an dem Fen ster bemerkbar, durch das die Strahlung in den Innenraum gelangt. An dieser Stelle ist der oben vorgeschlagene Weg, das Abschluss- material dick und ausserdem gut wärmeleit fähig zu wählen, nicht mehr gangbar;- denn die hierfür erforderlichen strahlungsdurch- lässigen Materialien sind sämtlich schlecht wärmeleitend und müssen zudem besonders dünn gehalten werden, damit sie nicht allzu grosse Beträge der zu messenden Strahlung absorbieren.
Dieser Teil des die Bolometerwiderstände umgebenden Kastens kann dadurch besonders gegen. die äussern Einflüsse geschützt werden, dass man ihn mit einer Vorkammer versieht.
Eine Ausführungsform mit einer solchen Vorkammer zeigt Fig. 17. In dieser bedeutet t' den dickwandigen Kasten aus gut wärme leitendem Material, zum Beispiel Rotguss, iri den die grossflächig ausgebildeten Bolometer- widerstände a2 und a3 eingesetzt sind. Das Gehäuse t' ist auf der vordern Seite durch eine dünne Platte u' aus strahlungsdurchläs sigem Material, zum Beispiel Glas, Quarz oder dergleichen, abgedeckt.
An dem Ge häuse t1 ist ein zweites Gehäuse t2 ange bracht, das an ersterem in beliebiger Weise befestigt sein kann und eine zweite Ab schlussscheibe u2 aus strahlungsdurchlässigem Material trägt. Durch diese Anordnung ent stellt zwischen den beiden Fenstern u1 und eil ein Hohlraum z, der für einen guten Tem peraturausgleich sorgt.
Um den Temperaturausgleich zu verbes sern, ist es noch möglich, Mittel vorzusehen, um in dem Hohlraum eine Umwälzung der darin untergebrachten Luft oder des einzLi- führenden Fremdgases oder einer in ihr st(#- henden Flüssigkeit zu bewirken. Dies kann in einfachster Weise zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass man den Hohlraum i, oben und unten mit je einer Öffnung ver sieht und den natürlichen Zug durch die Er wärmung gegebenenfalls noch durch einen aufgesetzten Schornstein verstärkt. um eine ständige Lufterneuerung im Innern zu be wirken.
Wenn die Anordnung einer einzigen Vor kammer nicht ausreicht, kann man auch meh rere solche Kammern vorsehen.
Eine noch weitere Unabhängigkeit von äussern Vorgängen für die Bolometerwider- stände lässt sich dadurch erzielen, dass man einen derartigen Hohlraum il nicht nur an der Fensterseite des Gehäuses vorsieht, son dern um das Gehäuse t1 ein zweites Gehäuse herumlegt. Zwischen den beiden Gehäusen, die nur durch schlecht wärmeleitfähige Stüt zen mit geringem Querschnitt miteinander verbunden sind, entsteht dann ein Isolier- raum.
Die Ruhestellung des an die Bolometer- messbrücke angeschlossenen Null- oder Kon taktinstrumentes ist aber selbst unter diesen Verhältnissen noch nicht durchaus gewähr leistet. Insbesondere treten beim Ein- und Ausschalten der Messspannung grosse Verän derungen des Brückengleichgewichtes auf, die dadurch hervorgerufen sind, dass die bei den Bolometerwiderstände, die je einen Brük- kenzweig bilden, nicht ganz gleichmässig ihre Endtemperatur annehmen und auch nicht durchaus gleichmässige Temperaturkoeffizien ten besitzen.
Um diesen Nachteil auszugleichen, kön nen mindestens in einem der Brückenzweige, in denen die temperaturabhängigen, gross flächig ausgebildeten Widerstände liegen, veränderliche, aber temperaturunabhängige Widerstände eingebaut werden, durch deren Abgleichung es möglich ist, das Brücken gleichgewicht unabhängig von der Brücken spannung aufrechtzuerhalten. In der Fig. 18 sind zwei Ausführungsmöglichkeiten für diese Anordnung gegeben, und zwar ist in Reihe mit Widerstand w' ein Zusatzwider stand w= dargestellt, der durch eine Kurz schlussbrücke w', w 4 mehr oder weniger kurz geschlossen werden kann.
In Reihe mit dem Widerstand w' ist eine andere Ausführungs form dargestellt. Der Zusatzwiderstand w6 ist konstant, durch Verschiebung des Schie bers w7 wird er jedoch mehr oder weniger auf die Seite des Widerstandes w oder auf die Seite des festen Brückenwiderstandes eo$ ge legt. x bedeutet das Anzeigeinstrument oder das Relais in der Brücke.
Ausser dieser durch die nicht absolute Gleichheit der Temperaturkoeffizienten be dingten Verschiedenheit können auch noch Gleichgewichtsänderungen infolge verschie dener Wärmeträgheit der beiden Bolometer- widerstände vorkommen. Zu ihrer Beseiti- gung kann eine Veränderung der Wärme trägheit eines oder beider Bolometerwider- stä.nde durch Zusatzkörper vorgesehen sein.
Diese Zusatzkörper können entweder unmit telbar an den Widerstandsbändern befestigt sein und somit als Wärmeballastkörper die nen, oder sie können in der Nähe der Wider stände angebracht sein, um ihnen als Kühl- körper Wärme zu entziehen oder als Strahl- flächen Wärme zuzuführen. Auch ist es mög lich, durch Einsetzen von Füllstücken in den Raum, in dem die Widerstände unterge bracht sind, eine Unsymmetrie hervorzurufen, die zur Kompensation der Verschiedenheit der beiden Teile dient.
Auf jeden Fall ist es angebracht, selbst dann, wenn zum Zwecke, eine absolute Tren nung der beiden Strahlwege zu erreichen, die Bestrahlung der beiden Bolometerzweig,, durch verschiedene Rohre hindurch erfolgt, die Bolometerwiderstände in einem gemein samen Kasten, der gemäss den obigen Prin zipien gebaut ist, unterzubringen. Gegensei tige Beeinflussung der beiden Zweige vermei det man, indem man zwischen sie eine dünne Trennwand setzt, die an den Stellen, an denen eine direkte Bestrahlung unmöglich ist, un terbrochen ist, so dass die beiden Räume mit einander kommunizieren.
Besonders günstig erweist sich in solchem Falle die in Fig. <B>19</B> dargestellte Anordnung, bei der die Bestrah lung von zwei verschiedenen Seiten- aus er folgt und der Kasten E' mit den beiden gross flächig ausgebildeten Bolometerwiderständen a2 und a' in der Mitte liegt.
y1 und y" sind die beiden Rohre, durch die von den Strahl quellen z1 und z2 aus Wärmestrahlung auf die Bolometerwiderstände geworfen wird, die in dem gemeinsamen Kasten r untergebracht sind.
Zur Vermeidung von Störungen empfiehlt es sich, die Einschaltung der Bolometermess- brücke nicht plötzlich mit der vollen Span nung vorzunehmen, sondern die Spannung in der Messbrücke durch Verwendung eines Stu-,- fenschalters oder eines regelbaren Vorschalt- widerstandes nur langsam auf den vollen Wert ansteigen zu lassen.
Auch ist es mög lich, durch mechanische oder elektrische Ar retierung des Anzeigeinstrumentes während des Schaltvorganges oder durch besonders starke Dämpfung dieses Instrumentes die beim Ein- und Ausschalten hervorgerufenen plötzlichen Zustandsänderungen in ihrer Aus wirkung unschädlich zu machen.