DE8108303U1

DE8108303U1 - Geraet fuer thermoanalytische messungen

Info

Publication number: DE8108303U1
Application number: DE19818108303U
Authority: DE
Original assignee: METTLER INSTRUMENTE AG 8606 GREIFENSEE CH
Current assignee: METTLER INSTRUMENTE AG 8606 GREIFENSEE CH
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1981-10-01
Also published as: US4354764A; JPS578558U; JPS6318914Y2; FR2484644B1; DE3111060C2; FR2484644A1; DE3111060A1; CH648126A5

Description

Mettler Instrumente AG,
Greifensee, Schweiz

2. Aufgang (Kustermann-Passage) Telefon (089) 2603989 Telex 528191 lepatd Telegr.-Adr. Le in pat München

den 24. Juli 1981

(Neue) Beschreibungseinleitung:

Gerät für thermoanalytische Messungen

Die Neuerung betrifft ein Gerät für thermoanalytische Messungen an einer erwärmbaren Probe mittels einer variabel belastbaren Meßfühlervorrichtung, deren gewichtsmäßige Wirkung auf die Probe durch eine mit der Meßfühlervorrichtung mechanisch gekoppelte Kompensationseinrichtung beeinflußbar ist.

Geräte ddeser Art sind bekannt (US-Patentschrift 35 89 167). Sie werden im allgemeinen in Labors für Forschungs- und Kontrollzwecke verwendet, wobei die Anforderungen an die Meßgenauigkeit hoch sind. Sie dienen unter anderem zur Erfassung von thermisch bedingten Dilatationen an Meßproben sowie zur Bestimmung ebenfalls thermisch bedingter Veränderungen der Oberflächeneigenschaften von beschichteten und unbeschichteten Proben.

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Diese Proben sind in einem Probenhalter aufgenommen und lassen sich erwärmen oder kühlen. Ein Fühler einer Meßfühlervorrichtung tastet die Lage einer Meßfläche der Probe ab, welche sich unter thermi- i schem Einfluß gegenüber der ortsfesten Lage einer Referenzfläche verschiebt, oder er dringt in die durch thermische Wirkung weicher ]■ gewordene Probe ein.

Zur Erzielung eines einwandfreien Meßresultates muß verhindert werden, daß das Eigengewicht der Meßfühlervorrichtung auf die Probe wirkt. Einige Geräte weisen zu diesem Zweck Kompensationseinrichtungen auf, wobei die Meßfühlervorrichtung mit Auftriebskörpern \ verbunden ist, die in einen Flüssigkeitsbehälter eintauchen. Der Auftrieb dieser Körper dient dabei zur Kompensation des Eigenge- \ wichtes der Meßfühlervorrichtung. Eine solche Anordnung weist ver- ; schiedene Nachteile auf: Erstens kann das Gerät nur in einer be- J

stimmten Lage verwendet werden. Zweitens müssen austauschbare Meß- i fühlervorrichtungen, wie sie im allgemeinen zwecks Anpassung an die f jeweiligen Meßvarianten erwünscht sind, alle das gleiche Gewicht ^: aufweisen, oder die Auftriebskörper müssen mehr oder weniger eintauchbar ausgebildet werden, was zu umständlichen Konstruktionen führt.

Es ist auch möglich, zur Kompensation des Eigengewichtes der Meßfühlervorrichtung federbetätigte Mittel vorzusehen, welche aber im Hinblick auf die geforderte Meßgenauigkeit wegen der ihnen anhaftenden Nachteile unzweckmäßig sind, vor allem wegen ihrer wegabhängigen Wirkung.

Bei gewissen Messungen, welche im Zusammenhang mit der Feststellung der Oberflächenhärte einer Probe stehen, kann es erwünscht sein, den Fühler der Meßfühlervorrichtung mit einer gewissen veränderbaren Kraft auf die Probe aufzusetzen. Dies wurde dadurch erreicht, daß eine Aufnahmefläche für Gewichtsstücke mit der Meßfühlervorrichtung verbunden war. Die Gewichtsstücke wurden dabei manuell . je nach Bedarf auf die Aufnahmefläche gesetzt. Dabei geschahen sehr oft Irrtümer, welche die Meßresultate wertlos machen, außerdem ist es nicht möglich, die Meßfühlervorrichtung stufenlos und während eines Meßvorganges variabel zu belasten. |

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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Geräte besteht
darin, daß die Abstützung der Meßfühlervorrichtung quer zur Bewegungsrichtung des Fühlers mittels üblicher Lager.vorgenommen wird. Diese weisen verhältnismäßig hohe Haft- bzw. Gleitreibung auf und beeinträchtigen damit die Meßresultate.

Aufgabe der Neuerung ist es, dem gegenüber das Gerät der eingangs genannten bekannten Art so weiterzubilden, daß bei erleichterter
Bedienung eine höhere Genauigkeit des Meßresultates erzielt wird.

Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst,- daß die Kompensationseinrichtung aus einer in einem Magnetfeld angeordneten
Spulenanordnung besteht. Die Spulenanordnung wird dabei zweckmäßig an einem Auslegearm der Meßfühlervorrichtung befestigt. Besonders einfach wird der Aufbau, wenn die Spulenanordnung im Luftspalt
eines Permanentmagneten sitzt.

Die Vorteile dieses neuen Gerätes sind im wesentlichen die folgenden:

Die Kraft, mit welcher der Fühler der Meßfühlervorrichtung an oder in die Meßfläche der Probe gedrückt wird resp. eine eingespannte
Probe einer Zugkraft unterworfen werden kann, ist, unabhängig vom Gewicht der Meßfühlervorrichtung und vom Meßweg, stufenlos von
Null an aufwärts wählbar. Es ist also in einfacher Weise möglich, das Ge-

(Fortsetzung mit Seite 4 der Ursprungsunterlagen)

wicht der Messfühlervorrichtung zu kompensieren und eine kräftefreie Messung durchzuführen, oder aber den Fühler mit einer gewissen Kraft zu belasten, indem das Gewicht der Messfühlervorrichtung nur teilweise oder gar nicht kompensiert wird, oder indem zusätzlich zum Gewicht der Messfühlervorrichtung eine weitere Kraft ausgeübt werden kann.

Die Verwendung von Federn entfällt, ebenso die Verwendung von Auftriebskörpern und Flüssigkeitsbehältern und die irrtumsträchtige Manipulation der Gewichtsstücke.

Die Bedienung vereinfacht sich erheblich und das Gerät kann so ausgebildet werden, dass es eine beliebige Stellung im Räume einnehmen, also z.B. auch horizontal arbeiten kann.

Durch die Verwendung von Biegelagerführungen anstelle der bisher üblichen Lagerungen werden die auftretenden Reibungskräfte wesentlich verkleinert und somit die Messgenauigkeit erheblich verbessert. Die Federkräfte der Biegelager werden durch die elektromagnetische Kraft kompensiert.

Ein Ausführungsbeispiel des neueirurigsgemßeiälir;^',. Gerätes wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Deren einzige Figur gibt eine vereinfachte schematische Darstellung der wesentlichen Teile des neuen Gerätes wieder.

Eine Probe 10 befindet sich in einem Probehalter 12. Dieser ist im allgemeinen auswechselbar ausgebildet, zur Aufnahme verschiedenartig geformter Proben. Eine nicht dargestellte Beheizungsvorrichtung dient zur Erwärmung

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der Proben. Ein Fühler 14 einer Messfühlervorrichtung 16 ist so angeordnet, dass er an einer Messfläche 11 der

Probe 10 anliegt und deren Verschiebung bezüglich einer

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ortsfesten Referenzfläche folgt, oder dass er unter Einfluss einer Kraft in diese Messfläche eindringt. Dieser Fühler 14₇ der Probehalter 12 und/oder die Messfühlervorrichtung 16 sind zur Anpassung an verschiedene Proben und Messerfordernisse austauschbar gestaltet.
Die Messfühlervorrichtung 16 ist quer zur Bewegungsrichtung des Fühlers mittels einer parallelogrammartigen Biegelagerführung 18 abgestützt. An ihrem Ende weist die
Messfühlervorrichtung 16 einen magnetisch aktiven oder
aktivierbaren Körper 20 auf, welcher sich in einem elektrischen Feld einer stromdurchflossenen Spulenanordnung

22 befindet, die als Differentialtransformator arbeitet. An diese sind elektrische Mess- und Anzeigegeräte 24 angeschlossen.

Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Teile ist die folgende:

Bei einer Erwärmung der Probe 10 dehnt sich diese beispielsweise aus. Dadurch vergrössert sich der Abstand
zwischen der ortsfesten Referenzfläche 9 und der Messfläche 11. Der Fühler 14 wird verschoben, und mit ihm
zusammen verschiebt sich die gesamte Messfühlervorrich-

tung 16. Die Biegelagerführungen werden dabei leicht ausgelenkt. Die Verschiebung des Körpers 20 in der ortsfesten Spulenanordnung 22 hat eine Veränderung der elektrischen Grossen des Stromkreises der Spulenanordnung 22 zur Folge. Diese wird von den Mess- und Anzeigegeräten 24 re-

gistriert und angezeigt. Die Dilatation der Probe 10 ist in eine elektrische Grosse verwandelt worden und somit
ablesbar und auswertbar.

Bei einem Gerät, das der obigen Beschreibung entspricht, würde die Probe 10 durch den Fühler 14 durch das Eigengewicht der Messfühlervorrichtung 16 belastet. Für die Erlangung exakter Messresultate kann es aber nötig sein, möglichst kräftefrei zu messen, d.h. den Fühler 14 unbelastet an der Messfläche 11 anliegen zu lassen, oder mit anderen Worten das Eigengewicht der Messfühlervorrichtung 16 zu kompensieren. Bei andersartigen Messungen, welche die Eindringtiefe des Fühlers 14 in die Messfläche 11 zum Gegenstand haben, kann es auch erforderlich sein, den Fühler 14 mit einer gewissen, sich gegebenenfalls auch zeitlich ändernden Kraft zu belasten, welche aber im allgemeinen natürlich nicht dem Gewicht der Messfühlervorrichtung 16 entspricht, sondern grosser oder klei- \ ner als diese sein kann. Zur Kompensation des Eigenge- ]■ wichtes der Messfühlervorrichtung 16 bzw. zur Erzeugung ' einer durch den Fühler 14 auf die Messfläche 11 wirkenden Kraft wird daher folgende Massnahme getroffen: _;

üeber eine mechanische Kopplung 32 ist eine weitere Spu- |

j lenanordnung 30 mit der Messfühlervorrichtung 16 verbun- \

den. Diese Spulenanordnung 30 befindet sich in einem ma- ·'

gnetischen Feld, welches durch eine elektromagnetische |

Einrichtung oder durch Permanentmagnete erzeugt sein ; kann. Die Wirkungsweise dieser Teile ist folgende:

Legt man eine Spannung an die Spulenanordnung 30, so unterliegt diese einer Kraft in Richtung ihrer Längsachse. Diese Kraft überträgt sich durch die Kopplung 32 auf die Messfühlervorrichtung 16, sie verändert somit die Kraft, mittels welcher der Fühler 14 auf die Messfläche 11 einwirkt. Um eine annähernd kräftefreie Dilatationsmessung zu erhalten, muss die Spannung für die Spulenordnung 30 so gewählt werden, dass das Eigengewicht der Messfühler-

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vorrichtung 16 durch eine entgegengesetzt zur Erdanziehung gerichtete Kraft aufgehoben wird. Die Federkräfte der Biegelager (18) werden aufgrund der Auslenkung der Messfühlervorrichtung 16 mit Hilfe des Messsignals( 24,) eines Reglers 3g und der Spulenanordnung 30 ebenfalls kompensiert.

Soll hingegen eine Messung die Eindringtiefe des Fühlers 14 in die Probe 10 zum Gegenstand haben, so muss diese Spannung so gewählt werden, dass dieses Eigengewicht nur teilweise oder gar nicht kompensiert wird, oder dass zusätzlich zum Eigengewicht der Messfühlervorrichtung eine in gleicher Richtung wie das Eigengewicht wirkende Kraft über den Fühler auf die Messfläche ausgeübt wird.

Es ist also in einfacher Weise und mit einer einzigen Einrichtung möglich, sowohl das Eigengewicht der Messfühlervorrichtung ganz oder teilweise zu kompensieren als auch eine Zusatzkraft zum Eigengewicht zu erzeugen. Dabei können die jeweils erforderlichen Kraftwerte durch Einstellen eines Potentiometers 34 vorgewählt werden, so dass die jeweils in der Spulenanordnung 30 wirksame Stromstärke sich aus dem vorgewählten und dem vom Regler 33 bestimmten Anteil zusammensetzt.

Durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 34 kann die Stromstärke so bemessen werden, dass für einen Probenwechsel der .fühler 14 von der Messfläche 11 abhebt.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass für die Vorgabe der Kraftwerte ein Mikrocomputer verwendet werden kann: Nach numerischer Eingabe der gewünschten Werte steuert dieser dann das Potentiometer oder entsprechende

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Stromstufen an.

Durch eine Umkehrung der Anordnung Probe/Messfühler (nicht gezeichnet), bei welcher der Fühler an der Probe , zieht, können auch Kontraktionen z.B. an Schrumpfschlauchen gemessen werden.

Mit dem neuerungsgemäßen ν Gerät lassen sich verschiedene thermomechanische Messungen in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zeit durchführen, beispielsweise

- Messungen unter einer vorbestimmten Auflagekraft (ohne Haftreibung), also Messungen der Längenänderung bei konstanter Kraft, woraus z.B. der Ausdehnungskoeffizient abgeleitet werden kann;

- Messungen von Längenänderungen bei sich -einmalig oder zyklisch, z.B. mit Frequenzen zwischen 0,1 und 1 Hz verändernder Kraft, woraus z.B. die Elastizität ermittelt werden kann;

- Messungen von Oberflächeneigenschaften, beispielsweise Erweichung.

Ausser Messungen bei sich ändernden Temperaturen sind auch solche unter isothermen Bedingungen durchführbar, wenn beispielsweise das Quellverhalten bei bestimmten ümgebungsbedingungen (z.B. Feuchte) untersucht werden soll.

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Bezugszeichenaufstellung

9	Referenzfläche
10	Probe
11	Meßflache
12	Probehalter ·
14	Fühler
16	MeßfUhlervorrichtung
18	Biegelaqerführung
20	Körper
22	Spulenanordnung
24	Mofl- und Anzoigogorilt
30	Spulenanordnung
32	Kopplung
33	Bcqler
34	Potentiometer

Claims

Patentanwalt*.:-, Ijlnweber & Zimmermann Rosental 7 jIL Auf g. Mühn 2 B-βθθθ Mettler Instrumente AG, 8606 Greifensee r r C « (Neue) Schutzansprüche :

1. Gerät für thermoanalytische Messungen an einer
erwärmbaren Probe mittels einer variabel belastbaren Meßfühlervorrichtung, deren gewichtsmäßige Wirkung auf die Probe durch eine mit der Meßfühlervorrichtung mechanisch gekoppelte Kompensationseinrichtung beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung aus einer in einem Magnetfeld angeordneten Spulenanordnung (30) besteht.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spulenanordnung (30) an einem Auslegearm (32) der Meßfühlervorrichtung (16) befestigt ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spulenanordnung (30) im Luftspalt eines Permanentmagneten sitzt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlervorrichtung (16) und die Kompensationseinrichtung (30, 32) an quer zu ihrer Verschieberichtung angeordneten Biegelagerführungen (18) abgestützt ist.