DE1648682B2 - Dehnungsmessanordnung zur kontinuierlichen messung und aufzeichnung sowie zur automatischen registrierung von dehnungsmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dehnungsmeßanordnung zur kontinuierlichen Messung und Aufzeichnung sowie zur automatischen Registrierung von Dehnungsmessungen mit einer Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1000 Ä in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen.

Es ist bekannt, daß Temperaturänderungen makroskopische Abmessungsänderungen bei Festkörpern verursachen und daß diese Abmessungsänderungen in direkter Beziehung zu der Änderung der Gitterkonstanten der Kristalle stehen, aus denen der Festkörper aufgebaut ist.

Wenn im Laufe einer thermischen Änderung keine Umwandlung der kristallinen Struktur auftritt, wird die thermische Ausdehnung ausreichend durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten wiedergegeben, der als die Längenänderung pro Längeneinheit und Temperatureinheit defbiert St

Wenn im Gegensatz dazu eine Änderung in der Art der kristallinen Struktur oder eine Neuerientie-,"» rung der kristallinen Struktur auftritt, ist die Äbmessungszunahme verschieden von dem Wert, der durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegeben ist

Die Dehnungsmessung ermöglicht im ersten Fall, ίο den Ausdehnungskoeffizienten in den verschiedenen Temperaturbereichen zu bestimmen, während sie im zweiten Fall zusätzlich zu der Bestimmung d<sr thermischen Ausdehnungskoeffizienten für ein beliebiges Kristallisationssystera die Bestimmung der BJiasenumwandlungstemperaturen und der betreffenden Umwandlungsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung muß die Bestimmung der Längenänderung eines Probestücks in Abhängigkeit von der Temperaturänderung erao möglichen. Gemäß dem Typ der verwendeten Vorrichtung ist es möglich, Messungen der Abmessungsänderungen unter verschiedenen Bedingungen auszuführen, z. B.

a) während ungleichmäßiger Temperaturänderungen,

b) während konstanten oder wechselnden Geschwindigkeiten der Temperaturänderungen,

c) während schneller Temperaturänderungen innerhalb fester Bereiche (Abschrecken),

d) bei konstanten Temperaturen in Abhängigkeit vom Zeitparameter.

Während für verschiedene Materialien die Ermittlung bzw. die Prüfung in Luft ausgeführt werden kann, ist es oftmals für besondere Materialien notwendig, daß sie entweder im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.

Gemäß der Art der Messung sind höhere oder niedere Grade der Empfindlichkeit und der Reproduzierbarkeit erforderlich. Die neuzeitlichen, im Handel befindlichen Dehnungsmesser genügen nur teilweise den obengenannten Bedingungen. Ihre Verstärkungsfaktoren besitzen relativ begrenzte Bereiche.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung zu schaffen, welche die Bestimmung der Längenänderung eines Probestücks in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ermöglichen, die gleichmäßig oder ungleichmäßig und mit wechselnder Geschwindigkeit innerhalb größerer Temperaturbereiche vonstatten gehen, wobei auch angestrebt wird in Vakuum oder Schutzgasatmosphäre zu arbeiten. Diese Aufgabe wurde gelöst durch folgende Vereinigung an sich bekannter Merkmale:

a) eine Dehnungsmeßeinrichtung mit einer Justiervorrichtung,

b) eine Heizvorrichtung,

c) eine Temperaturmeßeinrichtung,

d) ein mit Vakuum bzw. Schutzgas beaufschlagbares Gehäuse,

e) eine Probestückhalterung zum Auswechseln von Probestücken.

Es ist bekannt, daß der empfindliche Teil eines Dehnungsmessers durch Verwendung von drei verschiedenen Meßmethoden, eine mechanische, optische und elektrische (oder die Kombination von die-

sen) verwirklicht werden kann. Jede dieser Methoden formerwicklu.ng hinsichtlich des Kerns, entsprechend zeigt Vor- uqd Nachteile. der Länge des. zu untersuchenden Probestücks,

Es ist auch bekannt, daß die mechanische Einricll· F i g. 2 die Anordnung des Meßumformers auf

tung, abgesehen vqn deu vorhandenen Schwierigkei- einer Bapk mit zwei Öfen in Auf- und Seitenansicht, ten bei der Überträgung der Verschiebung, das Pro- 5 Fig.3 eine Schnittansicht von einer ersten Ausbestück Belastungen unterwirft, die nicht ganz ver- führungsfprm eines Probenhalters,
nachlässigt werden können, Demgegenüber ist ein F i g. 4 eine teilgeächniitene Ansicht einer zweiten

optiseher Anzeiger schwierig zu bauen., zu unterhal- Ausführungsform eines Probenhalters und
tea und zu betätigen, selbst wenn, sehr genaue Ver- F i g. 5 ein B,lqckscba.ltbild der gesamten Anlage.

Schiebungsmessungen vorgesehen werden. xo F i g. 1 zeigt eine allgrneine Skizze des Dehnungs-

Die Hauptschwierigkeit bei elektrischen Eiprich- meßkppfes ί, der im wesentlichen aus einer zyhntungen lieg* in der Aufrechterhaltung einer perfektep drischen Muffe 2 besteht, die nut einem Thermostat Stabilität über lange Zeiträume. Dieser Nachteil kann nut einem Umlauf einer geeigneten Flüssigkeit (z, B. jedoch entweder durch ein System überwunden wer- Wasser) ausgerüstet ist, \un die Temperatur spwqb.! den, das rn.it einer konthuyerlicheq Null-Einstellung 15 des Meßumformers als auch des Gleichrichters gut durch Kompensation ausgerüstet ist, oder durch die konstant zu halten,

Verwendung besonderer Einrichtungen bei den Ver- Der Dehnungstneßkopf weist mehrere verschi^

sorgungs- und Meßstromkreisen. dene Öffnungen auf Pie erste, mit 4 bezeichnet,

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungs- dient zur Anordnung des Probestückhalters §, die form enthält daher die Pehnungsmeßanordnung 20 zweite für den Anschluß an die Vakuumpumpe 6 und einen Dehnungsmeßkopf mit einem induktiven Meß- die dritte für die Einstellung der Meßumformerstelumformer und einen Gleichrichter und besteht die Jung in bezug auf den Kern 7 entsprechend der Justiervorrichtung aus einer Vorrichtung zur Ände- Länge des zu untersuchenden Probestücks. Eine rung der Stellung der Meßumformspule gegenüber vierte öffnung dient zur Durchführung der elektriihrem Kern. 25 sehen Kabel und des Thermoelementes 8.

Das elektrische System hat den Vorteil, daß es Der Probestückhalter ist mit dem Kopf durch

einen weiten Meßbereich mit kontinuierlich verän- Schrauben oder bekannte gleichwertige Einrichtunderlichen Verstärkungsfaktoren erlaubt und die gen verbunden.

Möglichkeit einer leichten Verwendung unter Va- Die Quarzröhre ist an den Probestückhalter ange-

kuum auf Grund des begrenzten Volumens des Meß- 30 schweißt. Das Auswechseln der Probestücke findet elementes gibt. deshalb in der Praxis durch Abnahme des Probe-

Um Dehnungsmeßbestimmungen sowohl mit kon- stückhalters und durch Einsetzen des neuen, zu untinuierlichen als auch gesteuerten Temperaturände- tersuchenden Probestücks statt,
rangen durchzuführen und um eine Abschreckung Wenn Probestücke von verschiedenen Längen ver-

zwischen zwei beliebigen Temperaturen zu erhalten, 35 wendet werden, ist es notwendig, die Wicklung der sind vorteilhafterweise zwei miteinander austausch- Meßumformerspule in bezug auf den Kern zu verbare Öfen verschiedenen Typs angebracht. schieben, um den Null-Punkt des Meßumformers

Der Verstärkungsfaktor der Dehnungsmeßanord- wieder einstellen zu können. Dies geschieht durch die nung ist von 1 bis 20 000 kontinuierlich veränderbar, Schub-Zugstange 9, die unter Vakuum arbeitet. Die und die Temperaturmessung weist bis zu 1000° C 40 Drehung des Griffs 10 ermöglicht die notwendige eine Genauigkeit von mindestens ± 1 ° C auf. Die Verschiebung der Wicklung. Die Verschiebung auf Dehnungsmeßanordnung besitzt eine hohe Empfind- Grund der Dilatation des Probestücks wird durch die lichkeit in der Größenordnung von 1000 A, eine Re- Stange 11 innerhalb der Quarzröhre 12 auf den Kern produzierbarkeit innerhalb derselben Größenord- übertragen.

nung der Empfindlichkeit, eine Möglichkeit der 45 Ein geeignetes System von Löchern erlaubt, daß Durchführung von Messungen an Probestücken von der Raum, in dem das Probestück enthalten ist, und wechselnder Größe innerhalb gewisser Grenzen (von ebenso der Durchgang des Thermoelements 8 mit Va-1 bis 10 cm in der Länge und von 0,5 bis 2 cm im kuum beaufschlagt ist. Der Wasserdurchlauf für die Durchmesser), ist unter den oben angeführten thermostatische Regelung erfolgt durch spezielle Lö-Druck- und Temperaturverhältnissen bei Abkühlge- 5" eher.

schwindigkeiten zwischen 0,1 und 300° C/Minute Das Ganze ist auf einer Bank (F i g. 2) angebracht,

und konstanten Abkühlgeschwindigkeiten zwischen aui deren unterem Teil zwei öfen 22, 23 zusammen 0,1 und 10° C/Minute leicht zu bedienen und kann mit ihrem Austauscher angeordnet sind. Als Heizung die Temperatur mit einer Genauigkeit von minde- können zwei öfen verschiedenen Typs angebracht stens ± 1°C und die Dilatation automatisch auf 55 werden. Der erste Ofen 22 ist vom »Adamek-Typ demselben X-Y-Schreiber oder auf einem X,-X₂- mit einem durch eine Nocke angetriebenen Tempera-Schreiber, ausgerüstet mit einem erweiterten Maßstab, turregler. Mit diesem Ofentyp ist es möglich, gesteuaufzeichnen. erle Abkühlungsgeschwindigkeiten innerhalb des Be-

Die Dehnungsmeßanordnung wird besonders für reiches zwischen 0,4 und 10° C/Minute zu erhalten, die genaue physikalisch-metallurgische Untersuchung 60 innerhalb dieses Bereiches ist die Temperaturändevon metallischem Uran und seinen Legierungen ver- rung bezüglich der Zeit vollkommen linear,
wendet. Der zweite Ofen 23 ist ein Badofen, der Blei ent-

Einc bevorzugte, beispielsweise Ausführungsform hält, das auf eine feste Temperatur gebracht werden der vorliegenden Erfindung wird im folgenden an kann.
Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt 65 Die metallische Platte 21, auf der beide öfen an-

F i g. 1 einen Dehnungsmeßkopf bestehend aus geordnet sind, ist in der Ebene der F i g. 2 frei beeinem Meßumformer, einem Gleichrichter und einer weglich und ihre Bewegung wird durch den Schlitz Einrichtung zur Änderung der Stellung der Meßuin- 24 geführt.

Es ist deshalb möglich, die Öfen schnell auszutau- geeigneten Zeitverzögerungen öffnen und schließen,

sehen, wobei man auf diese Weise eine isotherme wobei durch diese beiden der Lufteinlaß in den hei-

Abschreckung erhält. ßen Teil und die Ölansaugung der Kreiselpumpe in

Es ist ebenfalls möglich, an Stelle des Bleis eine den Kreis des hohen Vakuums verhindert wird.

Mischung von geeigneten Salzen zu verwenden, um 5 Das Blockschaltbild der gesamten Anlage ist in

den Betriebstemperaturbereich auszudehnen. Fig. 5 gezeigt. Dieses Schaltbild besteht aus einer

Es wurde festgestellt, daß für kontinuierliche Ab- Kreiselpumpe 51 und aus einer Diffusionspumpe 52,

kühlung bei einer Geschwindigkeit schneller als wobei diese Pumpen erforderlich sind, um das Va-

10°C/Minute die Zeit-Temperaturkurven nicht lan- kuum in dem Probestückhalter 53 aufzubauen, und

ger linear verlaufen, da es nicht möglich ist, den io wobei sie durch die Schalttafel 54 gesteuert werden

Ofen zu steuern. Diese Geschwindigkeiten werden und durch die Einrichtungen 55, 56 und 57 geschützt

entweder durch Abschalten des Ofens oder durch bzw. gesichert sind.

Abkühlen in Luft erreicht. Beide Behandlungen kön- Die Vakuummessung wird durch die Einrichtun-

nen unter Vakuum oder in einer Atmosphäre eines gen 58 und 59 durchgeführt. Der Meßumformer 60

inerten Gases, z. B. Argon, durchgeführt werden. 15 mit seinem Gleichrichter 61 wird durch den Oszilla-

Es wurden zwei verschiedene Arten eines Probe- tor 62 erregt. Das gleichgerichtete Signal wird wie-

stückhalters verwendet, um sowohl eine kontinuier- derum an den Schreiber 63 angelegt. Die öfen 22, 23

liehe als auch eine stufenweise Dehnungsmessung werden durch die Einrichtung 66, 67 gesteuert, und

auszuführen. das Thermoelement 68 zusammen mit seiner KaIt-

Der Probestückhalter für die kontinuierliche Deh- 20 verbindung 69 ist an den Z-Y-Schreiber 63 ange-

nungsmessung ist in Fig. 3 dargestellt. Das Probe- schlossen. Die gesamte Anlage ist durch die Schaltta-

stück ist in einer Quarzröhre enthalten, von der ein fei 55 gesichert.

Ende 31 geschlossen ist, während das andere fest mit Die Messung der Höhe des Vakuums wird an

dem Flansch 32 verbunden ist. Das Ganze ist voll- Hand eines Anzeigers durchgeführt, der eine AbIe-

kommen vakuumdicht. 25 sung bis zu 10-" mm Hg ermöglicht

Die Quarzstange 33 überträgt die Probestückdila- Für erne exakte Auswertung der Dehnungsmeß-

tation auf den Kern. Die Löcher 34 dienen zur Was- kurven ist es notwendig, einige wesentliche Parame-

serzirkulation. ter mit einer guten Genauigkeit zu kennen.

Dieser Typ des Probestückhalters wird für die Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient

kontinuierliche Dehnungsmessung verwendet. Im 30 eines Materials gemessen werden soll, sind die wich-

Falle des Abschreckens erlaubt ein derartiger Probe- tigen Parameter die Temperatur und die Dilatation,

stückhalter keine ausreichend schnelle Abkühlung Wenn sich im Gegensatz dazu die Untersuchung

des Probestücks. auch auf die Beobachtung eventueller Phasen-Um-

Es war deshalb notwendig, einen Probestückhalter wandlungskinetik erstreckt, ist der Parameter »Zeit« ohne die zwischen dem Probestück und dem Bleibad 35 von wesentlicher Wichtigkeit.

liegende Quarzschicht zu konstruieren. Um die obengenannten Parameter zu messen, In F i g. 4 ist dieser Probestückhalter schematisch wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei dargestellt. Die äußere Quarzröhre ist offen und des- Schreiberpotentiometern mit verschiedenen Eigenhalb ist das Innere dieser Röhre nicht mit Vakuum schäften ausgerüstet: Ein Schreiberpotentiometer des beaufschlagt, jedoch ist innen im Ofen ein Behälter 40 Typs X₁-X₂ für die Auswertung der Zeiten und ein angeordnet. Darüber hinaus war es notwendig, mit Schreibpotentiometer X-Y für die Auswertung der einem System zur schnellen Aufhebung des Vakuums Um™andhmgstemperaturen.

durch die in F i g. 4 gezeigte Einrichtung zu arbeiten. Weiterhin wurden geeignete Gleichstromgenerato-Sie besteht aus Tombak, versehen mit einem Flansch ren in den Bereich des Thermoelements eingesetzt, 41, wobei der Flansch an einem Vakuumbehälter 42 45 um den Temperaturmaßstab zu verstärken bzw. zu in der Weise festhaften kann, daß der vakuumdichte vergrößern, wobei von diesen Generatoren ein geAbschluß ohne die Notwendigkeit einer Bolzenver- eichtes Signal abgenommen werden kann, um es dem schraubung ermöglicht wird. vom Thermoelement oder vom Wandler kommender Die Oberführungszeit des Probestücks von hoher Signal gegenüberzustellen. Ein geeigneter Zeitgebei Temperatur in das Bleibad ist so kurz, daß die Oxy- 5° ermöglicht, den Parameter Zeit auch wiederum au' dierung vernachlässigbar ist. den .Z-Y-Schreiber zu bringen.

Die Vakuumanlage ist von konventioneller Art. Die Dehnungsmeßanordnung verwendet einen in

Das Ventil, das die Diffusion anhält bzw. unter- duktiven Meßumformer. In diesem wird die Ver

bricht, ist von der Art eines Balgs. Schiebung auf Grund der thermischen Dilatation dei DiegesamteAnlage ist von einer eventuellenStrom- 55 Probestücks in ein elektrisches Signal umgewandelt

unterbrechung im Versorgungsnetz in dem Sinne das, in geeigneter Weise gleichgerichtet, an eb

geschützt, daß zwei elektromagnetische Ventile mit Schreiberpotentiometer weitergegeben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dehnungsmeßanordnung zur kontinuierlir chen Messung und Aufzeichnung sowie zur automatischen Registrierung von Dehnungsmessungen mit einer Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1000 A in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen, gekennzeichnet durch folgende Vereinigung an sich bekannter Merkmale:

a) eine Dehnungsmeßeinrichtung mit einer Justiervorrichtung;

b) eine Heizvorrichtung;

c) eine Temperaturmeßeinrichtungj

d) ein mit Vakuum bzw. Schutzgas beauf schlagbares Gehäuse;

e) eine Probestückhalterung zum Auswechseln von Probestücken.

2. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßanordnung einen Dehnungsmeßkopf mit einem induktiven Meßumformer und einen Gleichrichter enthält, und die Justiervorrichtung aus einer Vorrichtung (9, 10) zur Änderung der Stellung der Meßumformerspule gegenüber ihrem Kern besteht.

3. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Vakuum beaufschlagbare Gehäuse mit einer Vakuumpumpe (6) und einer Vorrichtung zum Aufbaueu einer Schutzgasatmosphäre verbunden ist.

4. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aus zwei miteinander vertauschbaren Öfen (22, 23) verschiedenen Typs besteht.

5. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßkopf (1) vier verschiedene öffnungen aufweist, von denen die erste für die Anordnung der Probenhalterung, die zweite für den Anschluß an die Vakuumpumpe (6), die dritte für die Einstellung der Stellung der Meßumformerspule bezüglich des Kerns (7) entsprechend der Länge des zu untersuchenden Probestücks und die vierte für den Anschluß der Temperatunneßeinrichtung (8) dient.