Elektrische Meßgeräte für hohe Temperaturen.Vgl. den Aufsatz: Elektrische Temperaturkontrolle in Dampfkesselbetrieben. Von G. Quaink, S. 69 bis 71 d. Bandes. Von Oberingenieur G. Bauschulte, Charlottenburg. BAUSCHULTE, Elektrische Meßgeräte für hohe Temperaturen. Während die Anwendung der Wärme für Bearbeitung von Rohstoffen so alt ist wie die menschliche Kultur, gehört die Erforschung der beim Erwärmen und Abkühlen von Stoffen auftretenden Veränderungen erst der neuesten Zeit an. Wohl hatte die Erfahrung von Jahrhunderten eine Menge von Tatsachen kennen gelehrt, deren richtige Verwertung den erstrebten Zweck der Wärmeverwendung sicher und verhältnismäßig schnell und einfach erreichen ließ. Aber viele dieser Erfahrungen waren, oft als Berufsgeheimnisse ängstlich gehütet, durchaus nicht Allgemeingut und mußten oft unter beträchtlichen Aufwendungen von Zeit und Mitteln neu erworben werden, wenn man ihrer außerhalb des Kreises von Eingeweihten bedurfte. Eine wissenschaftliche Ergründung aller der Vorgänge, die sich beim Abkühlen und Erwärmen abspielen, des Einflusses der Zeit hierauf, der Bedeutung der Wärme bei Aenderungen des Aggregatzustandes, beim Entstehen und Zerfallen von chemischen Verbindungen, des Verhaltens von flüssigen und festen Lösungen bei wechselnden Temperaturen konnte erst dann einsetzen, als man über Hilfsmittel verfügte, die Temperaturbestimmungen innerhalb sehr weiter Grenzen ermöglichten. Unter diesen Hilfsmitteln nehmen die elektrischen Temperaturmeßgeräte eine ganz besondere Stelle ein, einmal wegen der weit gesteckten Grenzen, innerhalb deren sie verwendbar sind, zum anderen aber auch deswegen, weil man mit ihnen steigende und fallende Temperaturen mit der gleichen Sicherheit und mit jedem gewünschten Genauigkeitsgrade verfolgen kann. Aus der Brauchbarkeit der elektrischen Wärmemesser für wissenschaftliche Zwecke ergab sich dann diejenige für die Praxis. War durch Forschungen an der wissenschaftlichen Arbeitsstätte festgestellt worden, in welcher Weise bei einem Arbeitsverfahren die Anwendung der Wärme zu regeln sei, um das Erzeugnis in besonders großer Menge oder mit besonders erwünschten Eigenschaften zu erhalten, so hatte die Praxis alle Veranlassung, die als die günstigsten erkannten Temperaturen während ihres Arbeitsganges genau einzuhalten. Das ließ sich am leichtesten, und einfachsten durch Temperaturmessungen machen. Allerdings war der Einfluß der Wärmebehandlung auch so den Praktikern nicht entgangen, und es gab und gibt in den verschiedenen Gewerben und Industrien mancherlei Merkmale, an denen ein geübter Beobachter die für einen Arbeitsgang günstigen Temperaturen erkennt. Aber ihre richtige Beurteilung wird nicht nur durch die Uebung des Beobachters, sondern auch durch mancherlei Nebenumstände beeinflußt, während ein gutes Meßinstrument von allen derartigen Nebenumständen unabhängig immer gleich zuverlässige Angaben macht. Eine Nachprüfung, ob während der Arbeit die vorgeschriebene Temperatur eingehalten ist, ist nicht möglich, wenn sich nicht aus dem Erzeugnis selbst ergibt, ob erhebliche Abweichungen stattgefunden haben. Was man von thermischen Meßinstrumenten überhaupt verlangen kann, leisten die elektrischen Temperaturmeßgeräte, die in der Form der thermoelektrischen Pyrometer zum Messen höherer Temperaturen immer mehr Verbreitung finden. Im Laboratorium wie in der Werkstatt hatten sich die Thermoelemente nach Le Chatelier am besten bewährt. Sie bestehen aus zwei Edelmetalldrähten (Platin und Platinrhodium), die an einem Ende miteinander verlötet und gut gegeneinander isoliert in einem feuerbeständigen Schutzrohr untergebracht sind. Die beiden Drähte, die Schenkel des Thermoelementes, endigen in einem Anschlußkopf, von dem Leitungen zu einem elektrisch sehr empfindlichen Meßinstrument führen. Wird die Lötstelle erwärmt, so fließt in den Drähten ein thermoelektrischer Strom, dessen elektromotorische Kraft von dem Unterschied der Temperaturen an der Lötstelle und an den freien Enden der Elementdrähte, der sogenannten kalten Lötstelle, abhängig ist und von dem Meßinstrument angezeigt wird. Sorgt man dafür, daß die kalte Lötstelle sich in annähernd gleichmäßiger Temperatur befindet, so entspricht jeder Zeigerstellung des Meßinstrumentes eine ganz bestimmte Temperatur der Lötstelle, und man kann die Instrumentskala deshalb unmittelbar nach Temperaturen teilen. Diese Meßeinrichtung bietet für den praktischen Gebrauch verschiedene, wesentliche Vorteile, besonders dann, wenn man das Schutzrohr des Elementes noch mit weiteren Hüllen umgibt, die bei der Einwirkung von Hitze und Gasen zuerst angegriffen werden. Zunächst geht schon aus der räumlichen Anordnung von Thermoelementen und dem als Temperaturzeiger dienenden Meßinstrument hervor, daß ohne weiteres Fernmessungen damit möglich sind. Da man zur Feststellung der Temperatur außer der Beobachtung des Temperaturzeigers (Abb. 1) nichts weiter vorzunehmen und die Meßstelle selbst nicht aufzusuchen braucht, so kann man das Element stets an derjenigen Stelle unterbringen, deren Temperatur für den Herstellungsgang am wichtigsten ist. Ob diese Stelle während des Betriebes zugänglich ist oder nicht, hat auf die Zuverlässigkeit des Messungsergebnisses keinen Einfluß. Da zudem das Ablesen der Zeigerstellung keinerlei Vorkenntnisse voraussetzt und auch einem in der Technik des Messens ungeübten Beobachter übertragen werden kann, so erscheint schon deswegen die Anwendung der thermoelektrischen Meßgeräte äußerst vorteilhaft. Textabbildung Bd. 332, S. 136 Abb. 1. Temperaturzeiger für Betriebsmessungen, Wandinstrument. Man kann dem Heizer eines Ofens, einer Kesselfeuerung durch Aufstellen eines mit einem Pyrometer verbundenen Temperaturzeigers Gelegenheit geben, sich jederzeit über die in der Anlage herrschende Temperatur zu unterrichten und sie danach zu regeln. An einem bei dem Leiter des Betriebes oder einer Betriebsabteilung untergebrachten Temperaturzeiger läßt sich sicher feststellen, ob die Heizer ihre Pflicht tun und die für die Temperaturregelung gegebenen Vorschriften befolgen. Wo es auf sehr genaues Einhalten von Temperaturen ankommt, wie etwa in der Metallgießerei dann, wenn von dem Gusse ganz bestimmte Eigenschaften verlangt werden, zum Beispiel beim Zinkguß, sind oft die thermoelektrischen Pyrometer diejenigen Meßinstrumente, die unmittelbar verwendbare Werte geben, deren Zuverlässigkeit weder durch die Eigenart des Beobachters noch durch sonstige Nebenumstände beeinträchtigt wird. Von großer Bedeutung ist es auch, daß man bei diesen Temperaturmeßeinrichtungen mit einem einzigen Temperaturzeiger auskommt, auch wenn man an mehreren voneinander entfernten Stellen Temperaturen zu beobachten hat. Man bringt dann an jeder Meßstelle ein Thermoelement unter und führt von diesem die Leitungen zu einer Schalteinrichtung, mit deren Hilfe man die einzelnen Thermoelemente nach Bedarf mit dem Temperaturzeiger verbindet. Das Wernerwerk der Siemens & Halske A.-G. ordnet in solchen Fällen Schalteinrichtung und Meßinstrument auf einer Schalttafel an und stellt die Verbindung zwischen den Thermoelementen und dem Temperaturzeiger durch Tastenschalter her, die sich durch Druckknöpfe einschalten lassen. Abb. 2 zeigt eine derartige Tafel, die oben den Temperaturzeiger und unten die Druckknöpfe trägt. Ein Schildchen neben jedem Druckknopf gibt an, an welcher Stelle das zu ihm gehörende Thermoelement zu finden ist. Drückt man auf einen der Knöpfe, so wird augenblicklich das entsprechende Thermoelement eingeschaltet, und der Zeiger des Meßinstrumentes stellt sich sofort auf dessen Temperatur ein. Der Zeiger bleibt so lange eingestellt, bis entweder durch einen anderen Knopf ein neues Thermometer eingeschaltet oder durch einen besonderen Auslöseknopf jede Verbindung zwischen Temperaturzeiger und Thermoelement aufgehoben wird. Das Ablesen auch einer größeren Anzahl von Pyrometern nimmt deshalb nur eine verschwindend geringe Zeit in Anspruch. Textabbildung Bd. 332, S. 136 Abb. 2. Schalttafel mit Temperaturzeiger und Druckknöpfen. Ein anderer Vorteil thermoelektrischer Meßinstrumente ist der, daß man statt des anzeigenden Temperaturzeigers auch einen schreibenden verwenden kann (Abb. 3), der den Gang der Temperatur als Kurve auf einen Papierstreifen zeichnet und so eine Uebersicht über alle Veränderungen der Temperatur bietet, die im Laufe einer gewissen Zeit an einer bestimmten Stelle eingetreten sind. Daß man dadurch nachträglich feststellen kann, welche Temperaturen auf ein bestimmtes Erzeugnis während seiner Herstellung eingewirkt haben, ist vor allem dann wertvoll, wenn Beanstandungen oder besonders guter Ausfall einer Ware Veranlassung geben, nachzuprüfen, unter welchen Bedingungen sie hergestellt worden ist. Noch größeren Wert hat die Verwendung der Temperaturkurve als Betriebsvorschrift. Vielfach ist es ja für das gute Ausfallen eines Fabrikates ausreichend, wenn die Temperatur während einer gewissen Zeit gleichmäßig auf einer bestimmten Höhe gehalten wird. In anderen Fällen ist jedoch ein vorgeschriebener Gang der Temperatur einzuhalten, wird ein allmähliches Ansteigen bis zu einer genau bemessenen Grenze oder ein langsameres oder schnelleres Abfallen verlangt. Zeichnet man nun den durch die Erfahrung als den günstigsten erwiesenen Gang der Temperatur gewissermaßen als Leitkurve auf dem Registrierpapier vor, so kann man auf ein gutes Erzeugnis rechnen, wenn die Temperaturregelung der Leitkurve entspricht, wenn also die vom Temperaturschreiber aufgezeichnete Kurve mit der vorgezeichneten zusammenfällt. Mit dieser Verwendung der Temperaturschreiber hat man besonders dann gute Erfahrungen gemacht, wenn man durch Aussetzen von Preisen für gute Wärmeführung die Heizer anspornte, auf möglichst genaue Uebereinstimmung zwischen den beiden. Kurven aufzupassen. Daß schon das Vorhandensein einer registrierenden Temperaturmeßeinrichtung die Leistungen der Heizungswärter günstig beeinflußt, weil ihre Arbeit in jedem Augenblick durch eine unparteiische Einrichtung überwacht wird, sei nur beiläufig erwähnt. Textabbildung Bd. 332, S. 137 Abb. 3 Trommelregistrierapparat. Bei den technischen Wärmeanlagen gehen die Temperaturänderungen im allgemeinen ziemlich langsam vor sich. Im Gegensatz zu anderen registrierenden Instrumenten ist deshalb beim Temperaturschreiber keine ununterbrochene Aufzeichnung erforderlich, es genügt vielmehr, wenn in gleichmäßigen Zwischenräumen ein Punkt der Kurve aufgezeichnet wird. Das Wernerwerk verwendet hierzu eine Fallbügelregistrierung, bei der der Zeiger des Instrumentes in längeren öder kürzeren Zeitabschnitten durch einen Fallbügel herabgedrückt wird, und seine Stellung sich als Punkt auf dem Registrierpapier abzeichnet. Diese Anordnung ist dadurch wertvoll, daß der Zeiger durch keine Schreibfeder oder ähnliche Vorrichtung beschwert wird, die durch ihr Gewicht oder durch Reibung auf dem Papier die Genauigkeit der Anzeige beeinträchtigen könnte. Die Zeit, die zwischen den Aufzeichnungen zweier benachbarter Punkte einer Temperaturkurve vergeht, kann man, da der Zeiger fast augenblicklich jeder Temperaturänderung folgt, dazu benutzen, um Punkte aus anderen Temperaturkurven aufzunehmen. Das Wernerwerk baut für solche Fälle eine selbsttätige Umschaltevorrichtung, die nacheinander die verschiedenen, an einen Temperaturschreiber angeschlossenen Pyrometer mit diesem verbindet. Die Aufzeichnungen erscheinen dann als deutlich voneinander unterschiedene Kurven auf demselben Registrierblatt (Abb. 4). Durch eine andere Anordnung kann man auch, besonders wenn es sich um verhältnismäßig kleine Temperaturschwankungen handelt, erreichen, daß die Kurven nebeneinander auf demselben Blatt erscheinen. Textabbildung Bd. 332, S. 137 Abb. 4. Mehrtypenschreiber. Die Bevorzugung der Edelmetallpyrometer hatte ihren Grund vornehmlich darin, daß sie gegen chemische Einwirkungen wenig empfindlich sind, einen sehr hoch liegenden Schmelzpunkt haben und ihre elektrischen Eigenschaften auch bei starken Temperaturschwankungen und mit längerem Gebrauch nicht ändern. Als Mißstand wurde nur der verhältnismäßig hohe Preis empfunden. Aus diesem Grunde hatten bereits vor dem Kriege Bestrebungen eingesetzt, an Stelle des Platins andere, billigere Metalle für die Thermoelemente zu verwenden. Die Bestrebungen führten bald zu der Erkenntnis, daß ein Erfolg nur dann zu erwarten sei, wenn es gelänge, die Ersatzmetalle ausreichend chemisch rein und entsprechend beständig in ihren Eigenschaften darzustellen. Die Erfolge blieben denn auch nicht aus, und sie gewannen um so mehr an Bedeutung, als durch die Beschlagnahme von Platin dessen Verwendung auf solche Fälle beschränkt werden mußte, in denen das Platin durchaus zu entbehren und zu ersetzen ist. Auf der anderen Seite war das Bedürfnis nach guten Temperaturmeßgeräten gewachsen, weil sich wegen der Einberufung erfahrener Arbeiter, wegen der Verwendung von Ersatzstoffen, die eine von der gewohnten abweichende Wärmebehandlung erfahren mußten, und auch wegen gesteigerter Ansprüche an die Güte des Erzeugnisses sorgfältige Temperaturmessungen als notwendig in solchen Fällen erwiesen hatten, in denen man bisher ohne sie ausgekommen war. Textabbildung Bd. 332, S. 138 Abb. 5. Optisches Pyrometer in Tragkasten ohne Batterie und Strommesser. Ist es nun auch schon wegen des hoch gelegenen Schmelzpunktes der Edelmetalle nicht möglich, diese durchweg durch nicht edele zu ersetzen, so kann man doch damit rechnen, daß in etwa 80 v. H. aller für die Praxis bedeutungsvollen Fälle Elemente aus nicht edlen Metallen an Stelle solcher aus Platin vollauf genügen. So reichen bekanntlich, wenn es sich um Temperaturen bis etwa 500° C handelt, Elemente aus Kupfer und Konstantan aus. Insbesondere haben sich Elemente, deren einer Schenkel aus Konstantan besteht, während den anderen ein den ersten Schenkel umhüllendes Kupferrohr bildet, nicht nur bei Temperaturmessungen in Dampfkesselbetrieben bewährt, sondern ließen sich auch beim Ueberwachen von Anlaßtemperaturen mit Erfolg benutzen. Erstreckt sich der Bereich der Temperaturmessungen bis 900° C, wie etwa in Härtereien, Verzinkungsanlagen, Zinkgießereien, Messingglühöfen oder bei Rauchgastemperaturen im Fuchs, so sind Elemente aus Eisen und Konstantan durchaus empfehlenswert Für noch höhere Temperaturen, etwa bis 1100° C, haben sich die vom Wernerwerk der Siemens & Halske A.-G. hergestellten Thermoelemente aus Nickel und Nickelchrom seit langem als zuverlässig und haltbar erwiesen, sie können deshalb zum Beispiel bei allen Glühprozessen, bei Temperaturmessungen am Heißwind für Feuerungen jeder Art mit Winderhitzung, die Platin-Elemente vollkommen ersetzen. Elemente aus nicht edlen Metallen sind jedoch nicht nur als gewöhnlicher Ersatz für solche aus Edelmetallen als brauchbar anzusehen; sie entwickeln in der Regel eine weit größere thermoelektrische Kraft als diese. Das ist vor allem besonders für die Art des als Temperaturzeigers benutzten Meßinstrumentes bedeutungsvoll. Man hat nicht nötig, bei ihm zuerst auf eine möglichst hohe elektrische Empfindlichkeit zu sehen, sondern kann sich mit einer geringeren begnügen, die jedoch für Betriebsmessungen immer noch mehr als ausreichend ist. Elektrisch weniger empfindliche Instrumente lassen sich aber auch mechanisch kräftiger und widerstandsfähiger und dabei billiger herstellen, was für ihre Verwendung in Betriebsräumen nur vorteilhaft ist. Textabbildung Bd. 332, S. 138 Abb. 6. Optisches Pyrometer im Gebrauch Selbst wenn es sich um höhere Temperaturen als 1100° C handelt, sind für Temperaturmessungen Platin-Thermoelemente nicht unbedingt erforderlich, besonders dann nicht, wenn keine selbsttätige Aufzeichnung der Temperaturen verlangt wird, und wenn die Stelle, deren Temperatur gemessen werden soll, wenigstens dem Auge des Beschauers unmittelbar zugänglich ist. In solchen Fällen ist das bekannte optische Pyrometer nach Holborn und Kurlbaum (Abb. 5) am Platze, dem Siemens & Halske eine wesentlich verbesserte Form gegeben haben. Bei diesem Meßgerät betrachtet man bekanntlich die Strahlung der Stelle, deren Temperatur bestimmt werden soll, durch ein Fernrohr und vergleicht mit ihr die Strahlung eines im Gesichtsfeld des Fernrohres ausgespannten, elektrisch erhitzten glühenden Fadens. Regelt man die durch den glühenden Faden fließende Stromstärke so, daß das Fadenbild verschwindet, so weit es mit der beobachteten glühenden Stelle zusammenfällt, so kann man annehmen, daß beide gleiche Temperatur haben, und diese aus der aufgewandten Stromstärke feststellen. Die Verbesserungen an der Meßeinrichtung bestehen in der Hauptsache darin, daß die zur Regelung der Stromstärke benutzten Widerstände, die früher in einem besonderen Kasten untergebracht waren, ringförmig um das Fernrohr selbst angeordnet sind. Man kann deshalb Grob- und Feinregulierungen leicht vornehmen, während man das Rohr mit beiden Händen auf die Meßstelle gerichtet hält (Abb. 6). Der Meßbereich ohne Abschwächungsmittel ist nach oben vergrößert, weil statt des Kohlenfadens ein Metallfaden als Vergleichslichtquelle benutzt wird. Da das neue optische Pyrometer fast gar keiner Abnutzung unterliegt, keiner umständlichen Kontrolle bedarf und seine Meßgenauigkeit zudem von der Größe und Entfernung des zu prüfenden Gegenstandes gänzlich unabhängig ist, bietet es in einer ganzen Reihe von Fällen einen brauchbaren Ersatz für thermoelektrische Pyrometer aus Platin.