1912. Thi e m e, Messung schwgtchster Gleich- und ~Vechselstr6ine. 3 09 I. Bd. 7. Heft.

- cotg +, k __

J z~

wie man leicht aus C z e i j a s F igu r ablesen kann. Man finder also bei ,~ = 5o Per . /Sek:

E k = 121,2 J = 6,44 \V = 2-342 tg~, = o,I7O k = 5,88 98,5 7,92 234 ~ 0,266 3,75 78,2 7,24 17oo o,312 3,2I 62,7 7,29 1371 0,384 2,60

Bei ,~ = 4 6 Per . /Sek. war :

]E k = 125, 5 j = 7,16 ~V = 2696 tg~' = o,I64 k = 6,1o lOl,5 7,I2 2168 o,21o 4,77 84,8 7,41 I885 0,264 3,79 67 7,4 ~ 1487 0,332 3,Ol

= o , 1 7 9 q = 1,oo 3 o,145 o,975 O , I I A 3 C ,972

o,o93 o,963

v = o,223 q ~ o,994 o,177 0,992 o,1475 o,987 o,118 0,966

Die { )bere ins t immung ist also auch hier bei den hohen Wer t en der Spannung gut, w~ihrend bei den niedr igeren Spannungen sich Abweichungen von 3 bis 4 % ergeben.

Diese Abweichungen w~iren viel gr6Ber gewesen, wenn s t a t t des aus dem beobach-

Jk t e ten Winke l be rechne ten Verh~iltnisses k = cotg + die Ni iherungsformel k ~ J w + tg ?

geb rauch t worden w~ire. Bei indukt ionsf re ie r Be las tung und 5o Per ioden ist das Kurz- sch lugverh~l tn is fiir Erregungen, welche der K l e m m e n s p a n n u n g

Jk E = 121,2 Volt en~sprechen, nut J~vv -= 3'32' wXhrend cotg q~ = 5,88

98,5 2,i2 3 , 7 5

78,2 1,8o 3,21 62,7 1,43 2,6o

Die Eigenschwingungszah len w/irden also bier um e twa 33% zu klein aus dem Kurz- schlul3verh~iltnis berechnet werden, wghrend C z e i j a in seinem Beispiel nur 6 bis II~ zu kleine W e r t e fand.

Ein (ialvanometer zur Messung schwiichster (ileich, und Wechselstr6me.

V o n

Bruno Thieme-Berlin.

1: K r i t i k b e k a n n t e r M e l ? i n s t r u m e n t e fi ir s c h w ~ c h s t e W e c h s e l s / r S m e . D i e K o n -

s t r u k t i o n des E i n t h o v e n s c h e n S a i t e n g a l v a n o m e t e r s b rach te vSllig neue Ge- s i ch t spunk te f/it die Hers te l lung empfindl icher S t rommeBins t rumente . An die Stelle der b isher igen G a l v a n o m e t e r mi t ihrer empfindlichen, umfangre ichen und kompl iz ie r ten Aufs te l lung kamen r a u m s p a r e n d e I n s t r u m e n t < deren Meggenauigkei t v o n d e r Auf- s te l lung fast unabh~ingig war, und die keine feste Mont ie rung ver langten .

E i n sehr d/inner, s t romle i t ender F a d e n wird be im Sa i t enga lvanome te r in ein s ta rkes magnet i sches Fe ld gebracht , so dab die Kraf t l in ien den D r a h t senkrecht schneiden, Durchfliel3t dann ein S t rom den ausgespannten Drah t , so erfolgt eine Ausweichung des- selben in dem magne t i schen Fe lde ; diese Ausweichung wird mi t e inem mi t t e l s t a rken Mikroskop beobach te t und gemessen. Die Empf ind l ichke i t des Ga lvanomete r s geht bei aper iodischer E ins te l lung bis 4" Io-12. Die E ins te l lungsdauer des abge lenk ten F a d e n s

22*

310 Thierae, Messung schw~chster Gleich- und Wechselstr6me. Archiv ffir Elektrotechnik.

betr~gt dann ca. 5 - -6 Sekunden. Dutch st~rkeres Spannen des stromleitenden Fadens wird die Einstellungsdauer welt geringer, gleichfalls auch die Empfindlichkeit. So ist bei einer Einstellungsdauer yon o,oo 4 Sekunden die Empfindlichkeit nur noch Io-L Es ist ersichtlich, dab sich dieses Galvanometer wohl (wie z. B. in der E d e l m a n n s c h e n Form) vorziiglich zur R e g i s t r i e r u n g yon Wechselstr6men und Hochfrequenzstr6men eignet, sehr wenig dagegen zur d i r e k t e n subjektiven oder objektiven B e o b a c h t u n g schwacher Wechselstr6me, da wit es im Haupt te i l der Konstruktion mit einer schwingenden Saite zu tun haben.

Zur Messung der Effektivwerte yon schwachen Wechselstr6men eignet sich schon besser das V a k u u r n t h e r m o e l e m e n t mit Hitzdrahtl) . Das Element gibt bei einem Hitzdrahtwiderstande yon ca. 45 Ohm und einem Thermoelementwiderstand yon ca. IO Ohm im Thernoelement eine elektromotorische Kraf t yon ca. 8 Millivolt, wenn im Hitzdraht ein Strom von Io Milliampere flieBt. Da die EMK. des Thermoelementes ungefiihr wie das Quadrat der Stromst~rke im Hitzdraht steigt, so ist die Messung ftir steigende Stromst~rk6n sehr giinstig, fiir schw~chere Str6me aber unvorteilhaft; denn einem Strome im Hitzdraht yon I Milliampere entspr~che nur eine elektromotorische Kraf t des Thermoelementes yon h/Schstens o,I Millivolt. Ftir die Messung yon Wechsel- str6men, deren St~rke fioch welt unter der Gr613e von I Milliampere bleibt, ist also auch das Vakuumthermoelement, trotz seiner sonstigen Vorzflge, nicht geeignet.

2. Prinzip eines neuen Instrumenles. Anl~tl31ieh einer marinetechnischen Erfindung wurde ein empfindliches Galvanometer verlangt, das ohne jede Zeigervorrichtung arbeiten sollte und doch genfigend empfindlich zu sein hatte, um selbst sehr schwache Str/Sme zu messen ; wenn m6glich sollte sogar ein Galvanometer geschaffen werden, das die in irgend- einer Form abg?gebene Energie allerschw~ehster Str6rne sammelte und summierte, um schlieBlich, wenn ein gewisser Energiebetrag erreicht war, eine Wirkung zu zeigen. Wenn dieser letzten Bedingung entsprochen werden sollte, kam nut eine Konstruktion in Frage, die auf der W~rmewirkung des elektrischen Stromes beruhte.

Da die yon schwachen Str6men abgegebene W~rmemenge sehr gering ist, muBte sie am Abfliegen verhindert werden, wenn es gelingen sollte, dem stromdnrchflossenen Drahte und seiner Umgebung eine merkliche Temperaturerh6hung beizubringen. Der Heizdraht mul3te also in einem m6glichst kleinen Gef~Branm untergebracht werden, der gegen W~irmeabgabe nach aul3en geschtitzt war.

Sollte die auf diese Weise in dem kleinen Gef~iB yore Hitzdraht abgegebene W~rme zur Strommessung dienen, so mul3te ihr Vorhandensein nach auBen lain auf irgendeine Weise kenntlich gemacht werden. Das gegebene Mittel war das Thermoelement, welches einen Strom gibt, wenn sich die Temperatur seiner L6tstelle gegen die Temperatur des tibrigen Drahtes ~indert. Da der entstandene Strom aber seine Energie dem in dem kleinen

Gef~iBe vorhandenen W~rmevorrat entnimmt, muBte das c, c~ Bestreben dahin gehen, den aus dem Thermoelement ent-

nommenen Strom m/Sglichst klein zu machen, da dann auch die Energieentnahme am geringsten ist. Wird nach einem der bekannten Kompensationsverfahren nur die Spannung des Thermoelementes gemessen, so wird dem Element / iber- haupt kein Strom entnommen, so daf3 die Vorbedingungen fiir ein empfindliches Element gegeben sin&

Nach einem an sich nicht neuen Verfahren wird dann der Heizdraht dicht um die Thermoelementl6tstelle herum-

Fig. ~. gefiihrt, so eine gute W~rmeleitung bildend, ohne jedoch die L6tstelle zu berfihren.

Die schlieglich verwendete Konstruktion zeigt Fig. I.

1) Dr. V6ge, Elektrotechn. Zeitschr. S. 467; z9o6.

19t2. T h i e m e, Messung schwgchs te r Gleich- und Wechse l s t r 6me . 3 1 1 I. Bd. 7. Heft.

Der zu messende Strata durchfliel3t fiber die Klemmen K 1 und K~ den Draht h, der in einen kleinen Glask6rper C eingef/ihrt ist; innerhalb dieses Glask6rpers iibernimmt ein ~uBerst d/inner, spiralig gewundener blanket Draht van hohem spezifischen Widerstande die Stromleitung. Gleichfalls in den Glask6rper C ist das empfindliche Thermoelement T eingeschmolzen, dessen Dr~ihte zu den Klemmen G1 ur~d G 2 f/ihren. Der Heizdraht im Glask6rper C umgibt die L6tstelle des Thermoelementes in mgglichst engen Windnngen, ohne sie j edoch zu ber/ihren.

Der Glask6rper C ist mittels der Glasr6hren, welche die Thermoelementdr~ihte ein- schliel3en, in einer weiten Glaskugel A eingeschmolzen, nachdem zuvor der Glaskarper C auBen versilbert warden ist, um einen EinfluB ~iuBerer Strahlung auf das Innere van C zu vermeiden. Dabei ist zu beachten, dab der Silberbelag keinen KurzschluB f/ir den inneren Heizdraht bilden darf. Die Glaskugel A wird nun mit der rotierenden Quecksilberluft- pumpe evakuiert, so dab der GlaskarperC van dem VakuumraumV umgeben ist, und dann augen gleichfalls versilbert. Das Ganze ruht dann in einem Holzgeh~use, durch Watte-

: lagerung gegen grobe St6Be gesch/itzt. Die W i r k u n g s w e i s e des Instrumentes ist dann so zu denken, dab ein den Draht h

durchfliegender Gleich- oder Wechselstrom eine gewisse W~rme erzeugt, die van dem in C enthaltenen Gase zu der Thermoelementl6tstelle geleitet wird und dart eine elektromoto- rische Kraft erzeugt, die nun ihrerseits in einem Millivoltmeter gemessen oder zur Bet~iti- gung eines Relais oder dgl. verwendet wird. Da die erzeugte W~irrne durch den evakuierten Raum V am AbflieBen gehindert ist, wird sich bei l~ngerem StromfluB fast die gesamte im Draht erzeugte W~rme aufspeichern, bis der Glask6rper C ann~hernd die Temperatur des Heizdrahtes angenommen hat. Die Warmeableitung dutch die in C eingef/ihrten Dr~ihte mug dutch Verwendung angemessen d/innen Materiales maglichst gering gemacht werden.

3. Herstellung des Instrumentes. Die Herstellung dieses Instrumentes im Labora- torium ist wegen der Feinheit der verwendeten Materialien eine ~uBerst schwierige und m/ihsame.

Als T h e r m o e le m e n t wurde ein Platin-Konstantandraht-Element mit einer Draht- dicke van o,I mm genommen, das gen/igend groBe EMK. bei kleinen Temperaturerh6hungen ergab. Fig. 2 zeigt die Abh~ngigkeit der elektromotorischen Kraft dieses Elementes ~ [ i / / ~

VOnnormalender Temperatur der L{Ststelle bei einer 800oc / I i / i / Klemmentemperatur van I7 ~ Es /

/

Z.O0 ! i

i , I / ,oo I I i ,

erwies sich, dab der in dem Glasgeh~use C liegende Teil des Thermoelementes auch nach dem Einschmelzen gentigend homogen war. Diese Eigenschaft ist in diesem Falle sehr wichtig, da das Element durchaus nicht in j ein Bad van gieichm~iBiger Temperatur ein 2 ~ - / taucht, f/ir das die Temperaturdifferenzen 0 ~ / ! im Draht selbst 5

dv = o Fig . 2.

/ /

Ig.- Vail 10

w~iren. Es kann im Gegenteil dc groBe Werte annehmen, umsomehr als C vom Vakuum mngeben ist ; denn hierbei liegt die Gefahr der Entstehung wilder und sch~dlicher Thermo- str6me, deren elektromotorische Kraft E gegeben ist durch

E = S e . d %

wenn e den thermoelektrischen Spannungskoeffizient vorstellt, besonders nahe (T h o m s o n- effekt).

Die Elementdr~hte wurden in d~nne Glasr6hrchen eingelassen und dann mit dem Geh~tuse C verschmolzen. Trotz der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten (Glas

3 1 2 Thielne, 5{essung schw/ichster Gleich- und Wechselstr6me. Archly far Elektrotechnik.

o,ooo oo 7 8 [XVI], Platin o,ooo oo8 9, Konstantan o,ooo Ol 5 2) und der wechselnden Er- w~irmung wurde doch keine Verschlechterung des Vakuums oder der Konstanten des Instrumentes bemerkt.

Als H e iz d r ~ h t e wurden feinste Platindr~ihte (E d e 1 m a n n) gew~hlt. Die versilberten Quarzf~iden, wie sie E i n t h o v e n in seinem Galvanometer verwendet, erweisen sich nicht als gtinstig, da bet einer Fadendicke yon ~ ~ die Dicke der Silberschicht !/G ~ betr~igt, was auf 2o mm Fadenl~inge den groBen Widerstand yon 5ooo f2 ergibt, wobei die Strom- st~rke den Wert 4" Io-5 Ampere nicht tiberschreiten darf; augerdem ist Silber sehr hygroskopisch und ein gnter Elektrizit~tsleiter, welch letztere Eigenschaft in diesem Falle nicht gtinstig ist.

Da sich die erzeugte W~rme berechnet aus

q = o,ooo 24 i 2 wt Kilogrammkalorien

(i = Stromst~rke, w = Widerstand, t = Zeit), kSnnen wir unser Ziel durch Verwendung von Dr~hten aus hohem spezifischen Widerstand erreichen.

Wegen seiner Konstanz wurde daher Platin gew~ihlt. Der Draht hatte einen Durch- messer yon 2,3 ~ und auf eine L~tnge von 3 ~ mm einen Widerstand yon ca. ~y5o Ohm.

Er wurde in drei Windungen yon ca. 3 mm Durchmesser in das Glasgeh~iuse C ein- gebracht und mit feinen Pinzetten elektrisch versehweigt, indem die beim 0ffnen eines Stromkreises entstehenden Selbstinduktionsfunken zum SchweiBen benutzt wurden. Nach l~ngerem Bemtihen gelang die Befestigung.

Da der Draht normal noch ca. io -6 Ampere vertrug, was ftir unsere Zwecke zu viel war, wurde er mit schwachem KSnigswasser noch einige Zeit lang bearbeitet Sein Wider- stand stieg dabei auf 6ooof~1). Um das Geh~use C zu verschlieBen, wurde ein gelbrotg!tihen- des Glaspl~itchen an den ebenfalls gltihenden offenen Rand yon C angepreBt. Um das feine Platinheizdr,,thtchen nicht durch eine Flamme zu gef~hrden, wurden die zu ver- kittenden Glasteile gegen ein steifes, elektrisch weiBgltihend gemachtes Platinblech ge- drtickt, und so fast nur an den Beriihrungsfl~chen erhitzt.

Die Frage, welches Gas in dem inneren GlaskSrper verwendet werden sollte, wurde f/Jr Luft entschieden, da Luft in der GrSBe seiner Konstanten und bet den sonst ent- stehenden Konstrnktionsschwierigkeiten sehr passend ist.

4. Schaltung des MeBinstrumentes. Die Klemmen K~ und K~ des fertiggestellten Elementes werden mit den Polen der betreffenden Gleichstrom- oder Wechselstrom-

Fig. 3"

17v

quelle verbunden. Das Thermoelement T kommt in die L i n d e c k s c h e Kompensationsschaltung (Fig. 3).

Diese Schaltung macht die Ergebnisse unab- hfingig von denWiderst~nden des Thermoelementes und des Galvanometers, da sie nieht die Span- nungen, sondern die elektromotorische Kraft yon T zu bestimmen gestattet. A ist ein Akkumulator, W ein Regulierwiderstand, M ein Pr~tzisionsmilli- amperemeter yon z ~ Widerstand; der Abzweig- widerstand W 1 hat zweckm~Big die GrSBe o,i f2, das Galvanometer G den Widerstand 25 f2.

Um die elektromotorischeKraft E desThermo- elementes zu messen, wird W reguliert, bis im Galvanometer G kein Strom mehr flief3t.

Dann ist E : O,I" i.

1) Ein t{tickschluB yon dem Widerstand auf die Drahtdicke l~Bt sich wegen der aufliegenden Feuchtigkeitsschicht nicht machen.

1912. T l a i e m e, M e s s u n g s chwachs t e r Gleich- u n d Wechse l s t r6me . 3 1 3 I. Bd. 7. Heft.

i ist die bei M abgelesene Stromst~rke in Ampere. Allgemein gilt

E = W l . i .

Die Empfindlichkeit l~iI3t sich durch Kommutieren des Akkumulatorenstromes bei der Galvanometerablesung verdoppeln.

5. Eichung. I)a das Galvanometer sehr schwache Str6me messen soll, so sind auch die zu messenden elektromotorischen Krafte nur klein, u n d e s gilt daher, in der Schaltung der Fig. 3 die Apparategr6Ben passend zu w~hlen. Fig. 4 zeigt uns den ersten Teil der Kurve der Fig. 2 in gr6Berem Magstabe.

Wir erkennen daran, daft 4 0 Celsius der elektromotorischen Kraft von 1/10 .'Killivolt ent- sprechen. Lassen wir den Akkumutatorenstrom (nach Fig. 3) durch Widerst~nde von 2oo g2 und I f2 gehen, so haben wir in unser Schaltung eine nutzbare Spannung Von ca. o,ox Volt, so dab wir zur Erreichung einer Stromst~irke yon

i = o,oooi Ampere

einen Regulierwiderstand W yon IOO Ohm ben6tigen. Fliel3t der Strom

i = o,ooi Ampere,

so berechnet sich in den Gr6gen unserer Schaltung

frO0 [ E : O , I " i F I o~ I / zu o,oooI Volt, und diese 'entsprechen, wie wir

] sahen, einer Temperatursteigerung unseres /

Elementes um ca. 4 0 Celsius. /

' l 1 I i I 300

/ I , qOD

1 I o 0 r MlVoN 2 iO r -~ r

Fig. 4. F ig . 5.

Zur Messung der Stromst~rken im Heizdrahte gelangte ein Panzergalvanometer (wg = 2o0o Ohm, Empfindlichkeit bei Iooo mm Skalenabstand 2,7. io -11 Ampere fiir I m m Ausschlag) zur Verwendung. Der Strom war der Gleichstrom eines Akkumulators und floB I2o Sekunden lang, bevor die einzelnen Punkte der Messung aufgenommen wurden. Gemessen wurde die Temperatur Jm Glasgeh~use C (Fig. I) von IOO ~ zu Ioo ~ dutch die Best immung der elektromotorischen Kraft des Elementes T. (Wenn der Strom im Heiz- draht 6o Sekunden lang floB, ~nderte sich die EMK. des Elementes nicht mehr ersichtlich). Die Punkte der Kurve wurden mit steigender und fallender Stromstarke gewonnen. Fig. 5 zeigt die Mittelwerte durch eine Kurve verbunden.

Die Temperatur des Heizdrahtes fiber 300 o hinaus zu steigern, erscheint nicht geraten und hat auch keinen Weft, da dann l~ingst gew6hnliche Galvanometer den gleichen Zweck erffillen. Die Extrapolat ion der Kurve tiber io -12 Ampere hinaus, wie sie Fig. 5 zeigt, ist ziemlich gewagt, da sie sich auf die H~lfte der L~nge ihrer Projektion erstreckt; jedoch ergaben Versuchsanordnungen ungef~hr die gleichen Resultate (die Stromst~rke im Heizdrahte wurde aus den Versuchsgr6Ben berechnet !). Demnach entspr~iehe bei dem beschriebenen Ins t rument eine Temperatur des Geh~iuses yon 25 o Celsius bei I70 Klemmen- temperatur dem Strom IO -15 Ampere.

314: T h i e m e Messung schw~chster Gleich- und V~rechselstrSme. Archly fiir ' Elektroteehnik.

Es wurde dann noch untersueht, wie sich die Zeiten der erreichten Konstanz der elektromotorischen Kraft des Thermoelementes zu den Stromst~rken im Heizdraht verhielten. Es ergaben sich bei dem Ins t rument Werte naeh Fig. 6.

Bei der schw~ehsten Stromst~rke, die zur Bestimmnng gelangte (ca. lO -15 Ampere) dauerte die Einste]lung, wie bereits erw~hnt, nicht l~nger als 60 Sekunden; doch sind diese

Werte stark yon der Dicke der Gef~Bwand, ~ek / / f I " " " dem inneren Luftdruck und der GrSBe des Ab- 50 standes der Windungen sowohl voneinander

J als auch yon der LStstelle abhfmgig. Die bisherigen Galvanometer zeigen nur

~o / immer den Grad der Stromwirkung auf irgend- ein System zu einer g e n a u b e g r e n z t e n Z e i t , so dab schwache StrSme der Beobachtung ent-

~a z0gen werden. Der i m vorangehenden be- schriebene Apparat h~uft gewissermaBen dievon

~a-e r ,4~z ~a "~ einem Heizstrom abgegebene Energie auf, um Fig. 6. sie beina Erreichen einer gewissen GrSge anzu-

zeigen; :so wird z. B. der Strom yon lO -15 Am- pere, der mit einem gewShnlichen Galvanometer unbemerkbar bleibt, nach hSchstens 6o Sekunden yon dem Apparat angezeigt. Das Vorhandensein eines Stromes iiber- haupt wurde yon dem beschriebenen Inst rument schon nach ca. 2o Sekunden angezeigt, da naeh dieser Zeit ein angelegtes Millivoltmeter zu steigen begann.

Der Grund ftir die Empfindlichkeit des Galvanometers ist darin zu suchen, dab mit dem Heizdrahte keine w~irmeableitenden Metatlkapazit~iten verbunden sind.

Wird das Ins t rument mit kommutier tem Gleichstrom geeicht, so ist es auch zur Messung schw~chster WechselstrSme verwendbar, solange eben der den Heizdraht durch- flieBende Strom tiberhaupt eine Heizwirkung austibt.

Durch Vervollkommnung der Herstellungstechnik wird auch die Sicherheit der Konstanten des Galvanometers zunehmen. Eine Grenze in der ErhShung der Empfindlich- keit wird im DurcMtzen des verwendeten Heizdrahtes liegen.

6. Anwendungsgebiet des neuen Instrumentes, Zufolge der langsamen Einstellung des Instrumentes auf seinen Maximalwert ist es naturgem~ig nicht zur Aufnahme schnell verlanfender Vorgiinge, wie sie besonders bei der Kurvenbest immung von Wechsel- strSmen auftreten, geeignet. Dagegen gelangt es mit Vorteil bei der Bestimmung schwacher GleiehstrSme und der Effektivwerte von schwachen WechselstrSmen zur Anwendung, wo der Strom l~tngere Zeit hindurch fliegt und die gleichen Werte beibeh~tlt. Das ist z. B. bei feinsten Isolationsmessungen oder bei der GrSBenmessung wilder ThermostrSme im Gebiete der Temperaturmessung der Fall. Dann kann es auch zur Best immung des Vor- handenseins feinster kontinuierticher oder periodisch bzw. zeitweise auftretender Er- schtitterungen nach der elektro-induktiven Methode 1) dienen. In dem vorliegenden Falle, ftir den das Ins t rument konstruiert wurde, handelte es sich um die Feststellung yon indu- zierten schw~ichsten GleichstromstSBen. Das Thermoelement setzte hier ein feines Relais und dieses einen Alarmapparat in Bewegung, so dab damit eine ftir die Marine brauchbare Form gegeben war, wo keine empfindliche Apparatur verwendet zu werden brauchte, die sich sonst - - bei Verwendung eines Zeiger- oder Saitengalvanometers - - nicht h~itte vermeiden lassen.

Zusammenfassung. Es wird ein Heizdrahtgalvanometer beschrieben, das sehr schwache Gleich- und WechselstrSme zu best immen gestattet und die von schw~chsten StrSmen abgegebene W~rmemenge aufspeichert, bis die dadurch entstandene Temperatur- erhShung imstande ist, auf ein Thermoelement zu wirken.

Berlin, Privatlaboratorium, im September I912.

1) Vgl. z. t3. G r u n m a c h , Ann. der Phys ik (4), 30, p. 951; 19o9.