Vorrichtung zum Messen von Deformationen sowie Verfahren zu deren Herstellung.
Viele bekannte auf Verformung, Verschiebung oder Dehnung ansprechende Geräte sind so gebaut, dass sie mittels zweier Greifer, die die Messstrecke begrenzen, die Verformung auf dem Prüfling abgreifen und auf irgendeine Weise, sei es mechanisch, optisch oder elektrisch, in vergrössertem Massstabe sichtbar machen. Die bekannten Geräte befriedigen besonders dann nicht, wenn an einer grossen Zahl von Messstellen die Messung gleichzeitig durchzuführen, wenn das Befestigen des Gerätes an der Prüfstelle Schwierigkeiten bietet, wenn das Gewicht des Gerätes von Bedeutung ist oder wenn die zu untersuchenden Verformungen dynamischer Art sind, und wenn es darauf ankommt, den Prüfling in keiner Weise zu beschädigen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist mindestens einen elastisch deformierbaren, elektrischen Leiter auf, z. B. ein äusserst feines Drahtgitter, der auf seiner ganzen Länge mit einem Träger, z. B. einer Membran, verbunden und dazu bestimmt ist, Deformationen des Trägers in elektrische Widerstandsänderungen umzuformen. Dabei ist es völlig gleichgültig, ob die Verformung statisch oder dynamisch, Druck, Zug oder Verdrehung usw. ist. Der Leiter kann schon bei der Herstellung des zu prüfenden Körpers in demselben angebracht werden, oder er kann an seiner Oberfläche mit irgendeinem Bindemittel aufgeklebt werden, so dass er nach dem Trocknen des Bindestoffes ein Ganzes mit dem Prüfling bildet.
Dieser Leiter, nachfolgend Verformungsfühler genannt, vermeidet einerseits zahlreiche Unzulänglichkeiten der bisher bekannten elektrischen Dehnungsmesser, während er anderseits die grossen Vorteile des elektrischen Verfahrens zunutze zieht.
An Hand der beiliegenden Zeichnungen sind nachfolgend beispielsweise Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Pendelschlagmaschine,
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der Kraft und der durch sie verursachten Dehnung des Prüflings.
Fig. 3 zeigt in vergrössertem Ausmass den Dehnungsmesser.
Fig. 4 ist ein Längsschnitt nach der Linie 4 in Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie 5-5 in Fig. 7.
Fig. 6 ist eine Ansicht der Einrichtung zum Messen der Kraft.
Fig. 7 zeigt einen teilweisen Längsschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6.
Fig. 8 ist ein stark vergrösserter Axialschnitt durch die Kommutatorscheiben des Delmungsmessers.
Fig. 9 zeigt einen elektrischen Verfor mungsfühler, der einen Teil der Kraftmesseinrichtung bildet.
Fig. 10 zeigt ein Hilfsmittel, mit dem der dehnungsempfindliche Fühler hergestellt wird.
Fig. 11 zeigt ein vergrössertes Eckstück des in Fig. 10 dargestellten Hilfsmittels.
Fig. 12 zeigt einen stark vergrösserten Querschnitt durch die li : raftmesseinrichtung nach der Linie 12-12 in Fig. 6.
Fig. 13 zeigt die Ansicht einer andern Aus führnngsart des dehnungsempfindlichen Fühlers, welcher in der Art eines Teppichs gewoben ist.
Fig. 13A zeigt den dehnungsempfindlichen Fühler auf einen Zylinder gewickelt, der als Druckkraftmesselement verwendet werden kann.
Fig. 13B zeigt einen auf Biegung beanspruchten dünnen Stab, auf dessen Oberfläche der dehnungsempfindliche Fühler angebracht ist.
Fig. 130 zeigt einen auf Verdrehung beanspruchten Stab, auf dessen Oberfläche der Fühler angebracht ist, wobei jeweils zwei Drähte parallellaufen, in denen der elektrische Strom in entgegengesetzter Richtung fliesst, tun den Einfluss der Induktion zu vermeiden.
Fig. 14 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel des Verformungsfühlers zum Zwecke des Messens von Flüssigkeitsdrücken.
Fig. 15 bis 17 zeigen verschiedene Schaltkreise, die dem Gebrauch des Verformungsfühlers und des Kommutatortyps des Deh nlmgsmessers angepasst sind.
Fig. 18 zeigt ein Kraft-, Zeit- und Deh mmgsdiagramsn.
Fig. 19 stellt einen vereinfachten Schaltkreis eines Oszillographen und der Zubehörteile dar.
Fig. 20 und 21a zeigen in vereinfachter Form die Ansicht eines Projektilkraftmessers, in dem der Verformungsfühler eingebaut ist.
Fig. 22 und 22a zeigen in vereinfachter Form einen Torsionsmesser mit eingebautem Verformungsfühler (Fig. 22 bzw. 22a zeigt den Querschnitt bzw. die Ansicht).
Fig. 23 zeigt den an einen Gewehrlauf angebrachten Fühler.
Fig. 24 ist der Querschnitt eines Iaschi- nenindikators.
Fig. 25 und 25c zeigen eine Einrichtung zur Herstellung des Gitters des Verformungsfühlers.
Fig. 25d und 25e zeigen verschiedene Aus führungsformen des Drahtgitters.
Fig. 26 zeigt schematisch den Querschnitt von Kontrolleinrichtungen der Schnellschlag- v ersuchsmaschine.
Von den unzähligen Verwendungsmöglich- keiten haben wir einige wenige Beispiele angedeutet.
Wir greifen nun eines der Beispiele heraus, nämlich die Kraft und Verformlungsmes- sung beim Schlagversuch. Die Fig. 1 zeigt mehr oder weniger schematisch das bekannte P endelschlagwerk. Über einer Grundplatte 1. ist ein Rahmen 2 aufgebaut, an dem der Pendelhammer 4 hängt. Der Hammer 4 weist einen Schlitz auf. Schwingt der Hammer nach unten durch, dann schlägt er auf die Quertraverse 5 auf, in der das eine Ende des Prüflings 6 eingespannt ist. Das andere Ende des Prüflings ist über ein Rohr 9 und eine Mllt- ter 14 (Fig. 6) mit der Grundplatte 1 fest verbunden. Der fallende Hammer überträgt auf diese Weise den Schlag auf den Prüfling.
Bis dahin wurde die von der Probe verbrauchte Schlagarbeit gemessen als das Pro edukt aus der Höhe des Hammerschwerpunk- tes und dem Gewicht des Hammers. Der Einblick, den wir auf diese bekannte Weise in das Wesen des Schlagversuches erhalten, ist aber zum mindesten ungenügend. Der Verfor mrmgsfühler ermöglicht mm, die momentan im Rohr 9 auftretende Spannung mit grosser Genauigkeit zu messen, trotzdem sich der ganze Vorgang in kürzester Zeit, das heisst also mit sehr grosser Geschwindigkeit, abspielt.
Zum Messen der Schlagkraft bzw. Schlagspannung dient der Kraftmesser, bestehend aus der zylindrischen Stahlhülse 9 (Fig. 7), deren Ende im Gegenhalterblock 11 eingeschraubt ist. Dieser Gegenhalterblock 11 ist mittels des : Keils 12 und der Schrauben 13 mit der Grundplatte 1 (Fig. 1) fest verbunden.
Das andere Ende der Stahlhülse 9 hat ein Innengewinde, in das der eine Gewindekopf des Prüflings 6 eingeschraubt und durch die Gegenmutter 14 gesichert wird, während am andern Ende des Prüflings die Quertraverse 5 iestgeschraubt ist, auf deren Schulterflächen der Hammer aufschlägt. Auf diese Weise wird die Wirkung des Schlages direkt vom Prüfling auf das Kraftmesselement übertragen.
An der Stahihülse 9 ist ein Verformungsfühler 19 eingebaut, welcher aus einem feinen Gitter eines sehr dünnen Drahtes besteht. Der Draht kann beispielsweise aus Konstantan oder aus Stahl bestehen. Es kann irgendwel- eher Baustoff verwendet werden, der gute elektrisehe Widerstands- sowie gute 9eh- nungseigenschaften aufweist und dessen Abmessungen erlauben, Fühler in feinster Form und kleinsten Abmessungen herzustellen. Dabei kann der Drahtquerschnitt kreisförmig sein oder irgendeine andere Gestalt aufweisen.
Drähte im Durchmesser von 0,02 mm und darunter kommen für die Herstellung feinster Fühler in Frage. Es eignen sich zudem die verschiedensten Gitterformen. Die Fig. 13 zeigt beispielsweise das Gitter in Gestalt eines (Gewebes. Der Draht 15 ist als Schuss in einen Zettel 16 aus Seide eingewoben. Die Seidenfäden sind so dünn, dass die Drahtgitteroberfläche die äussere Begrenzungsebene des Fühlers bildet und sich somit beim Aufkleben auf die Messstelle in ihrer ganzen Ausdehnung restlos an die Oberfläche des Prüflings an schmiegt. Ein derartiges Gewebe kann beispielsweise um das Rohr 9 gewickelt werden, und zwar so, dass der Draht in axialer Rich- tung, in der die Hauptkraftwirkung entsteht, verläuft.
Vor dem Anbringen muss die Aussen- fläche des Rohres mit einem zweckmässigen, elektrisch isolierenden Klebstoff bestrichen werden. Nun drückt man das Gitter in seiner ganzen Auüdehnung gut an die Oberfläche des Itohres, damit ein allseitiger Kontakt gewährleistet ist. Hierauf lässt man den Fühler gut trocknen. Das Trocknen kann an der Luft ge stehen oder künstlich etwa in einem Trocken- ofen oder durch Anblasen von Heissluft. Der Fühler maeht jede Art von Verformung des Prüflings ohne Kriecherscheinung mit. Dabei ist es selbstverständlich völlig belanglos, ob es sich um Verkürzungen oder Verlängerungen handelt. Der Fühler wirkt so, also ob er ein Bestandteil des Rohres 9 selbst sei.
In dem vorliegenden Beispiel ist das Fühlergitter als solches mit dem Prüfkörper ein Bestandteil.
Eine weitere beispielsweise Ausführungs. art des Fühlers zeigt Fig. 9. Hier wird ein Träger benützt, z. B. eine sehr dünne Papiermembran 12. Das Drahtgitter 10 wird mittels eines elektrisch isolierenden Bindemittels auf die dünne Papiermeinbran geklebt. Der Draht des Gitters kann beispielsweise leicht gespannt sein. Ein solcher Fühler kann beispielsweise mit Hilfe des Hilfsmittels in Fig. 10 hergestellt werden. Die Fläche desselben ist leicht konvex gekrümmt, und auf jeder Schmalseite ist eine auswechselbare Klemmplatte 22 angebracht, durch die ein Stück eines Drahtgeflechtes 23 festgeklemmt ist. Die vertikal laufenden Drähte des Geflechtes stehen etwas über die Fläche heraus.
Diese überragenden Drahtenden dienen als Endpfosten, zwischen denen nun der Draht des Fühlers hin und her geführt wird. Bevor das Wickeln des Drahtgitters begonnen wird, legt man auf die Oberfläche 21 die di-lne Trägermembran, beispielsweise ein dünnes Papier 18. Auf diese Weise kann man eine sehr fein gegliederte Wieklullg erhalten, wobei der Draht leicht gespannt ist, die einzelnen, aufeinanderfolgenden Windungen parallel sind und in engem Abstand aufeinander folgen, ohne sich aber zn berühren. Nach Beendigung des Wieklungs- vorganges wird das Gitter mit Bindemittel überstrichen. Nach dem Trocknen und Erhärten bricht man die überstehenden Zähne 25 des Geflechtes 23 ab und kann alsdann den gebrauchsfertigen Fühler mit dem Träger abnehmen.
Hierauf bestreicht man das Rohr 9 mit Bindemittel und wickelt den Fühler rund um das Rohr, so dass die Windungen axial zur Rohrachse verlaufen, wobei der Träger 18 der Wicklung aussen liegt (Fig. 12). Die elektrisehe Isolation des Gitters gegenüber der Priitlingsoberfläehe erfolgt durch das Bindemittel selbst. Die Montage des Fühlers kann auch so erfolgen, dass der Träger auf der in nern Seite, das heisst also zwischen Wicklung und Prüflingsoberfläche, liegt. Über das Ganze kann noch eine weitere Schutzwicklung, beispielsweise eine dünne Schnur, angebracht werden, die den Zweck hat, dem Verband des Fühlers mit dem Rohr 9 eine erhöhte Sicherheit zu geben. Die ganze Bandage kann dann noch mit Bindemittel bestrichen werden. Eine Notwendigkeit dieser zusätzlichen Bandage besteht aber nicht.
Ein anderes Hilfsmittel und eine andere Wicklungsart ist in den Fig. 25 und 25e dargestellt, die wir später näher erläutern.
Ein weiteres Beispiel einer Fühleranord nung zeigt Fig. 13a in der Gestalt einer Druckkraftmessvorrichtung. Der elektrische Widerstandsdraht 19' des Fühlers ist dabei direkt, zum Beispiel von Hand, auf den zylindrischen Teil 19" des Druckkörpers spiralförmig aufgewunden, nachdem die Oberfläche des Körpers mit Bindemittel bestrichen wurde. iIan kann an Stelle des nackten Drahtes auch einen isolierten Draht verwenden. Der im- erwünschte Einfluss von elektrischer Induktion kann umgangen werden, wenn man die Wicklung bifilar ausführt.
Im allgemeinen spricht der Verformungsfühler auf alle Arten von Verformungen an, wobei aber der Grad der Empfindiichkeit verschieden sein kann.
Wenn ein Körper irgendwelchen Form änderungen unterworfen ist, dann ändert sich von Punkt zu Punkt Grösse und Richtung der Formänderung. Es wird gewisse Stellen und Richtungen im Körper geben, wo die grössten Formänderungen auftreten. Solche Richtungen bezeichnet man als Hauptrichtungen.
Wir erhalten die grösste Ansprechempfindlichkeit, wenn der Fühler so auf dem Prüfling angebracht wird, dass die Richtung der aktiven Windungen mit der Hauptrich tnng der Verformung zusammenfällt. Bei Bie gungabeanspruchung eines Stabes wird man die Windungen 19a in der Längsrichtung des Stabes 19b (Fig. 13b) anordnen.
Die in Fig. 7 dargestellten Fühlerwindungen 19 sprechen mit der gleichen Empfindlichkeit an, wenii der Zylinder auf Druck oder auf Zug beansprucht wird, während der Einfluss einer Verbiegung weitgehend ausgeschaltet ist. Der Fühler in der Anordnung nach Fig. 13a, der auf Querkontraktion anspricht, die bei Stahl rund ein Drittel der Längen änderung beträgt, ist nur ein Drittel so empfindlich wie der Fühler 19 von Fig. 6, bei dem die Windungen in Richtung der axialen Län genänderlmg verlaufen. Grösste Empfindlichkeit im Falle eines Torsionskraftmessers erhält man dann, wenn man die Windungen unter 450 gegenüber der Verdrehungsachse anordnet. Ein solches Gitter kann beispielsweise mit dem Hilfsmittel gemäss Fig. 25e hergestellt werden.
Die Form und die Abmessungen des Ver formungsgitters, wie beispielsweise die Länge, die Breite, die Drahtabmessung, der Abstand zweier aufeinanderfolgender Drahtwindungen usw., hängt ab vom vorhandenen Platz, auf dem der Fühler angebracht werden soll, vom Charakter der Verformung, die dort auftritt, und zudem von der Möglichkeit, wie die Wärme weggeleitet wird, wenn sich der Fühler infolge des Stromdurchflusses erwärmt.
Die Ansprechempfindlichkeit des Gitters hängt im allgemeinen nicht von seiner geometrischen Gestalt ab. Bei allen Verformungsfühlern ist die verhältnismässige Änderung des elektrischen Widerstandes JR im Ver 1? gleich zur verhältnismässigen Längenänderung praktisch konstant. Es bedeutet dabei dR die Änderung des elektrischen Widerstandes R des Fühlergitters, Al die Längenänderung seiner Länge 1. Da der Verformungsfühler derart mit dem zu prüfenden Körper verbunden ist, dass er mit diesem ein Ganzes bildet, so ist Al die Längenänderung des Prüfkörpers, die vom Fühler abgegriffen wird. Die Verformung eines zu prüfenden, unter gewissen Belastungen stehenden Bauteils ist in der Regel von Punkt zu Punkt verschieden.
Aus diesem Grunde ist t daher je nach Lage des Fühlers die Ansprechempfindlichkeit verschieden, was wir bereits erwähnten.
Betrachtet man den Ausgangsstrom des Fühlers als Mass der Empfindlichkeit, so ist diese direkt proportional der Quadratwurzel der dem Fühler zugeführten Leistung. Anderseits ist bei konstanter Leistung die Spannung ein Mass der Empfindlichkeit, welche indirekt proportional der Quadratwurzel des Fühlerwiderstandes ist.
Anderseits bedingt aber ein hochohmiger Fühler eine hohe Betriebsspannung. Wird der Fühler mechanisch einer hohen Schwingungszahl ausgesetzt - Verwendung bei dynami schen Messungenso erfährt der Brückenwiderstand eine Parallelschaltung durch den kapazitiven Verlustwiderstand, was zu einer Verminderung der Empfindlichkeit führt.
Der Drahtdurchmesser bzw. Drahtquerschnitt ist grundsätzlich bestimmt durch seine elastischen Eigenschaften im Vergleich zur Elastizität des ihn umgebenden Bindemittels.
Feiner Draht ist trotz der Schwierigkeiten in Beschaffung und Verarbeitung zu Gittern dickem Draht vorzuziehen. Die Grenze der Verwendbarkeit dünner Drähte liegt praktisch bei einem Durchmesser von etwa 0,02 mm. Konstantan erweist sich als sehr geeignetes Material für Gitter.
Die Wahl von Drahtdurehmesser, Länge und Abstand zweier aufeinanderfolgender Windungen hängt von der zulässigen Wärmebelastung und dem gewünschten Widerstand ah. Was die Wieklungsanordnung betrifft, so ist diejenige Anordnung die zweckmässigste, bei der der grösste Wieklungsanteil in der Richtung der grössten Deformation liegt, wodurch sich die grösste Empfindlichkeit ergibt.
Sodann erscheint eine Wicklung mit langen Windungen besser als eine mit kurzen Windungen, da die freien Enden keinen Beitrag zur Erhöhung der Empfindlichkeit ergeben. sondern bloss den Gesaritwiderstand des Fühlers erhöhen. Der Abstand zweier aufeinan derfolgender Windungen wird vor allem durch konstruktive Gesichtspunkte bestimmt.
Bei der Wicklung auf einem Zylinder besteht keine Einschränkung. Doch sollte der Drahtabstand mindestens einige Drahtdurchmesser betragen, damit sich die mechanischen Spanzungen im Bindemittel besser ausgleichen können.
Der Widerstand ausgeführter Deforma- tionsfühler lag zwischen 17 Q für einen Biegungsmesser und 10 000 Q für einen Quarz kolbendruckmesser. Der Fühler des in Fig. 2 dargestellten und zu Materialprüfzweeken gebrauchten Dehnungsmessers hat einen Widerstand von 910 Q und besteht aus 0,075 mm Konstantandralit. Jede Schlaufe ist 28,5 mm lang. Im ganzen sind 10,3 m gleichmässig um einen Zylinder von 19 mm Durchmesser aufgewickelt.
Die zylindrische Wicklung des oben erwähnten Quarzgerätes hat annähernd einen Widerstand von 10 000 Ohm und besteht aus 10,4 m Draht vom Durchmesser 0,025 mm.
Der Draht ist spiralförmig auf einem Zylinder von 19 mm aufgewickelt, wobei die ganze Wicklung zylindrisch eine Höhe von ungefähr 25 mm erreichte. Bei den meisten Fühlern erhält man bei voller Beanspruchung eine Widerstandsänderung von etwa 3 %.
Um beispielsweise die Belastung eines Prüflings 6 zu ermitteln, wird das Kraftmesselement, das heisst das Rohr 9, mit dem deh nungsempfindlidien Fühler geeicht. Das Wraftmesselement wird mittels einer Material prüfmaschine schrittweise belastet und gleichzeitig die entsprechende Widerstandsänderung des Fühlers beispielsweise mit einer normalen Wheatstoneschen Brücke bestimmt.
Fig. 16 zeigt eine solche Brücke. Diese Brükkenanordnung kann sowohl zu statischen wie dynamischen Messungen verwendet werden.
Die Fühlerwieklung ist schematisch bei 27 angedeutet. Es können gleichzeitig auch zwei und mehr Fühler in den Brückenkreis eingeschaltet werden. Beispielsweise können zwei Fühler 27 und 27'vorgesehen sein, wobei sich beide in ihrer Wirkung unterstützen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn auf der untern Seite des Biegestabes in Fig. 13b ein zweiter Fühler angebracht wird. Wir erreichen damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit. Das Galvanometer 28 zeigt auf Null, wenn der Brük- kenstrom auf Nnll ausgeglichen ist.
Für die Messung rascher Belastungsände ringen ist eine Anzeigeeinrichtung erforderlich, die trägheitslos arbeitet. Diese Bedin gung wird am besten durch einen Oszillographen erfüllt. Der Messkreis (Fig, 15) umfasst eine 130-Volt-Glleiehstrombatterie 29, den Füh ler 30 und einen Eompensationswiderstand 31.
Letzterer könnte auch durch eine Regelschaltung irgendwelcher Art zur Konstanthaltung des Stromes ersetzt werden. In diesem Falle könnte man auch die Kompensation des Frequenzganges erreichen. Ein Kondensator 32 wird in den Kreis eingeschaltet und hält die Gleichspannung vom Verstärker 33 und dem nachfolgenden Oszillographen 34 fern. Die Aufzeichnung des Oszillographen kann mit einer geeigneten Einrichtung photographiert werden. Dies ist beim Schlagversnch unerlässlich, da man nur so die äusserst schnellen Kraftänderungen verfolgen kann.
Um bei Messungen, die sich über längere Zeiten erstrecken, Änderungen in den Eichergebnissen auszuschalten, die sich infolge Änderungen im Verstärker oder im Oszillographen einerseits, durch Temperatureinflüsse auf die Widerstände des Fühlers und Einflüsse der Batteriespannungsänderungen einstellen könnten, wird ein veränderlicher Präzisionswiderstand 35, dem ein niederohmiger Drucklmopfschal- ter 36 parallel geschaltet ist, zum Dynamometer hinzugefügt. Der Widerstand 35 besteht aus einigen abgeglichenen Widerständen, die den Widerstandsänderungen des Dynamometers im Bereich der zur Anwendung gelangenden Kräfte entsprechen.
Wird die Oszillographenablenkung und gleichzeitig Schalter 36 betätigt, so entsteht ein Oszillogramm 90 in Fig. 18, worin der Abstand 91 einer ent sprechenden Widerstandsänderung des Dynamometers entspricht. Wenn man die Eichlinie auf jedes Oszillogramm mitaufnimmt, so genügt es, wenn lediglich der Eichkreis 35, 36 und das Dynamometer zeitlich konstant sind.
Um den ddmungsempfindiichen Fühler auch zu statischen oder langsam veränderlichen Messungen verwenden zu können, wird die Wheatstonesche Gleichstrombrücke gemäss Fig. 16 verwendet, in welcher der dehnungs- empfindliche Fühler 27 den einen Brückenarm bildet und das Instrument 28 die Daten anzeigt oder aufzeichnet. Ein Wechselstrombrückenkreis, wie ihn Fig. 17 zeigt, mit beispielsweise einem Deformationsfühler 30 in einem Zweig und einer Wechselspannungs- quelle 38, dient für dynamische Messungen für alle Frequenzen von Null an aufwärts.
Die Ausgangsspannung ist eine modulierte Wechselspannung mit der Wechselspannung der Quelle 38 als Träger. Die Modulationshüllkurve entspricht dabei den Widerstands änderungen des Deformationsfühlers. Diese Spannung kann durch einen beliebigen Wechselspannungsverstärker 39 auf jedes wünschenswerte Mass verstärkt werden, um Anzeigegeräte oder Nufzeichnungsgeräte 40 zu betätigen, wie beispielsweise im vorliegenden Fall einen Oszillographen.
Um die Längenänderung des Körpers 6 in Fig. 7 zu bestimmen, ist ein Längenänderungsmesser 42 vorgesehen. Dieser besteht aus einer Grundplatte 43 (Fig. 4 und 7), die eine zylindrische Bohrung 44 aufweist, in der ein kollektorartiger Schalter 45 angeordnet ist.
Auf einer Welle 46, die durch zwei Büchsen 47 getragen ist, sind eine Anzahl Scheiben eingespannt, die wechselweise aus Isoliermaterial und elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Zelluloid und Aluminium oder Kondensatorpapier und Zinnfolien, bestehen.
Mit Hilfe der beiden Muttern 49 sind diese Scheiben zusammengespannt. Die elektrisch leitenden Scheiben stehen mit der Welle 46 in Verbindung. Die Welle 46 (Fig. 4) wird durch isolierende Büchsen 50' und Scheiben 52' von der Grundplatte 43 getrennt. Alle diese Teile sind in der Bohrung 44 der Grundplatte (Fig. 5) angeordnet. Die Lagerschilder 52 (Fig. 4 und 3) sind durch Schrauben 53 am Körper 43 (Fig. 3) befestigt. Die Bohrung der Lagerschilder 52 ist gross genug, damit die mutter 49 durch diese hindurchgesteckt werden kann. Die Montage des Schalters 45 kann somit vor dem Einbau in den Körper 43 stattfinden. Auf der obern Seite des Körpers 43 ist ein Schlitz 54 parallel der Schalterachse angebracht.
Die Lager 51 haben flache Führungen, die sich nach hinten bis unter die Kanten des Schlitzes 54 erstrecken. Diese Flä chen führen ein schmales, biegsames Metallband 57 (Fig. 7), dessen Ende bei 58 lösbar mit dem Querstück 5 befestigt ist. Das andere Ende kann sich unter den Kanten des Schlitzes 54 verschieben (Fig. 5). Im Band 57 steckt eine Nadel 59 (Fig. 5), deren Ende die Schalterlamellen berührt. Dieses Verschiebungsmess- element wird auf der Grundplatte 1 des Pendelschlagwerkes nach Fig. 1 mittels einer Schraube 60 (Fig. 2) oder andern geeigneten Mitteln festgeschraubt.
Mit der aus den Fig. 1, 2 und 7 ersichtlichen Anordnung kann beim Aufschlagen des Fallgewiehtes 4 auf die Quertraverse 5 die im Rohr 9 auftretende Beanspruchung im Oszillographen 34 (Fig. 15) festgestellt werden.
Da die Widerstandsänderung im Deformationsfühler proportional den Kräften ist und durch die Eichung der Kraftmassstab ermittelt wurde, kann die Kraftamplitude abgelesen werden. Die Koordinatenaxen des Diagrammes sind dann die Zeit und die Kraft.
Ein solches Oszillogramm ist in Fig. 18 dargestellt. Das Kraft-Zeit-Diagramm ist mit 62 bezeichnet. Die Ordinaten entsprechen den Kräften. Um die Abszissenachse als Zeitaxe zu eichen, wird ein Kathodenstrahl ohne vertikale Ablenkung in bestimmten Zeitintervallen betätigt. Dadurch entstehen dann die Zeit marken 92. I, Um nun in dieses Kurvenbild die Dehnung des Prüflings hineinzubringen, werden die Sehalterwelle 46 und die Quertraverse 5 miteinander gekuppelt (Fig. 19), und zwar in Serie mit der Batterie 74 und dem Widerstand 75.
Die Spannung am Widerstand 75 wird dem Steuergitter des Kathodenstrahloszillographen zugeführt, damit der Strahl unter beochen wird. Solange dieser Strom konstant fliesst, zeichnet der Oszillograph ein gleichmässiges Kraft-Zeit-Diagramm 62. Wird aber der Strom kurzzeitig unterbrochen, indem die iJadcl 59 über den Kollektorzylinder gleitet, so entspreehen den Unterbrechungen 63 die Dicken der Isolierseheiben.
Ist also die Dehnung und die Belastung des Prüflings in Funktion der Zeit bekannt, so kann man den Wert der Dehnung und der Kraft aus der Aufzeichnung ablesen und das bekannte Dehnungsspannungsdiagramm aufzeichnen, trotzdem die Sehlagbeanspruchung und der Bruch des Prüflings in einem Bruchteil einer Sekunde vor sieh geht. Nach jedem Versuch wird der Kollektorzylinder etwas verdreht, damit die Nadel wieder über eine noch nicht verkratzte Stelle gleiten kann.
Es ist zweckmässig, den Oszillographen erst kurz vor Beginn des Schlagvorganges einzuschalten. Um den Einsehaltmoment festzulegen, ist eine Steuerung vorgesehen, die gleichzeitig den Schlag auslöst.
Diese Steuerung kann beispielsweise folgendermassen ausgeführt sein: Der in der Quertraverse 5 gleitend gelagerte Stift 65 (Fig. 6) steht etwas über die Schlagfläche vor. Das fallende Gewicht 4 trifft zuerst auf den Stift 65 auf und löst dabei den Oszillographen mit dem nachfolgend beschriebenen Stromkreis (Fig. 19) aus. Zinn oder ein ähnliches weiches Material eignet sich als Material des Stiftes 65 zur sicheren Kontaktgabe beim Aufschlag des Gewichtes 4 besonders gut.
Das Gewicht 4 ist durch eine Leitung 66' geerdet, der Stift 65 ist so angeschlossen, dass er den Kondensator 69 über den Widerstand die in 205 verstärkt. und auf die Horizontalablenkplatten übertragen werden, um eine lineare Zeitaxe zu erhalten, Zum Registrieren von rasch ablaufenden Vorgängen ist ein weiterer Oszillator und Verriegelungskreis notwendig, bestehend aufs, der Röhre 206, den Spulen 207 und 208, dem Gitterkondensator 209 und Kopphmgswiderstand 210. Die zugehörigen Spannungsquellen sind als Batterien gezeichnet, obwohl in Wirklichkeit Gleichrichter mit Widerstands-Kondensatorsiebket- ten die Speisung besorgen.
Die Spannung am Kondensator 202 und damit die Anodenspanomg des Thyratrons 200 ist durch den Gitterstrom der Röhre 206 und den Widerstand 201 mitbestimmt. Die Kathodenspannung 211 wird so gewählt, dass die Spannung am Kondensator 202 etwa 60 Volt beträgt. Die Gittervorspannung des Thyratrons ist nun so festgelegt, dass bei dieser Spannung keine Zündung eintritt. Unter den obigen Bedingungen bleibt die Spannung am Kondensator 202 konstant. Der Oszillator mit der Röhre 206 schwingt gleichmässig.
Eine Sekimdärspide 208 ist induktiv mit der Oszillatorspule 207 gekoppelt und auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt. Die Spannung an der Spule 208 wird durch die Diode 212 gleichgerichtet und ergibt eine Gleiehspan- nung am Widerstand 213. Diese Spannung ist mit der Gittervorspannung 214 der Kathodenstrahlröhre 215 in Serie geschaltet. Die Grösse und Polarität der gleichgerichteten Spannung ist so, dass der Kathodenstrahl gesperrt wird. Da die Kathode der Braunschen Röhre mit den zugehörigen Stromkreisen normalerweise mehrere tausend Volt gegenüber dem Chassis aufweist, ist eine Verbindung ihres Steuergitters mit auf Erdpotential liegenden Geräten nicht durchführbar.
Der oben beschriebene, induktiv gekoppelte Hochfre- quenzkreis ermöglicht ohne weiteres die Isolation des Oszillographenstromkreises gegen über dem Chassis. Die Oszillatorfrequenz beträgt zum Beispiel 10 MHz, was in bezug auf Kopplungen, Siebung und Interferenzen zu keinen Schwierigkeiten Anlass gibt. Im Ruhezustand soll der Lichtfleck des Kathodenstrahls durch das Zentriersystem auf die eine Seite verschoben werden.
Die Steuerung arbeitet nun wie folgt: Ein durch das geerdete Gewieht 4 am Stift 65 ausgelöster Impuls erzeugt am Widerstand 70 eine Spannung. Diese wird von der Verstärkerstufe mit der Röhre 216 verstärkt und aut das Thyratron 200 übertragen. Wie oben er wähnt, ist dessen Gittervorspannung etwas unter dem kritischen Wert, so dass der positive Spannungsimpuls die Zündung des Thyratrons eingleitet, wodurch sich der Kondensator 202 entlädt.
Da die im Verstärker 205 verstärkte Kon densatorspannung den Horizontalablenkplat- ten der Bramischen Röhre zugeführt wird, erfährt der Lichtpunkt plötzlich eine Ablenkung auf die andere Schirmseite. Gleidizeitig erzeugt die Spannungsabnahme am Kondellsator 202 eine negat-ive Spannung, welche den Oszillator 206 blockiert.
Damit versehwindet die von diesem an die Kathodenstrahlröhre gelieferte Vorspannung, so dass der normale Strahlstrom einsetzt und einen Lichtstrahl er zeugt Nach der Entladung wird nun aer Kondensator 202 nach Massgabe der Eapazität von 202, des Widerstandes 201 und der Span nimg 203 wieder langsam und gleichmässig aufgeladen. Der annähernd lineare Spannungsanstieg des Kondensators 202 wird durch den Verstärker 205 verstärkt. Diese verstärkte, auf die Horizontalablenkplatten übertragene Spannung bewirkt den Ausschlag des Lichtstrahls in annähernd linearer Abhängigkeit von der Zeit.
Wenn der Konden- sator 202 erneut nahezu seine Endspannung erreieht hat, so setzt der Oszillator wieder ein und unterdrückt den Strahl der Braunschen Röhre.
Ausser dem Sperren des Strahls, wenn die Zeitablenkung nicht arbeitet, ist es wünschenswert, die Intensitätsmodulation des Strahls dazu zu benützen, einen weiteren Parameter in das Diagramm hineinzubringen. Eine Entkopplungsdiode 217 und ein Ableitwiderstancl 218 bieten eine Möglichkeit, mit negativen Impulsen den Strahl zu modulieren, ohne Rückwirkung auf das beschriebene Sperrsystem.
Eine Verstärkerröhre 220 verstärkt die vom oben beschriebenen Unterbrecher 48 des Dehnungsmessers gelieferten Spannungen. Die Anordnung ist so zu treffen, dass sich negative Impulse an der Diode 217 ergeben. Eine Schaltanordnung 221 ermöglicht, die Zeit achse mit einem Oszillator zu eichen.
Vermittels der Diode 217 ist es also möglich, weitere Stromkreise ohne störende Beein- flussung ihres Blockierkreises an das eine Steuergitter der Kathodenstrahlröhre anzukoppeln.
Die Fig. 20, 20a, 21 und 21a zeigen andere Ausführungsbeispiele eines Kraftmesselementes, die durch fliegende Geschosse betätigt werden. Der Prüfling 80 (Fig. 20) weist eine zylindrische Bohrung auf, in die das fliegende Geschoss eintritt. Die eine Seite des Prüflings ist zu einem Flansch 80c erweitert. Der verdickte Teil 80d trägt den Deformationsfühler 80f. Die Wicklungsschlaufe verläuft zickzackartig in axialer Richtung. Die Fig. 20a und 21a zeigen eine andere Ausführungsweise der Wicklung, bei welcher der Draht in Gestalt einer Spirale 81 bzw. 82a auf die zylindrische Oberfläche 80d bzw. 82 des verdickten Teils gewickelt ist. Der Prüfling wird bis an die Elastizitätsgrenze geeicht.
Die Fig. 21 zeigt eine etwas andere Anordnung dieses Kraftmesselementes. Der Flansch 80c stützt sich gegen eine Unterlagscheibe 82, deren Umfang mit dem Deformationsfühler 82a in Gestalt einer induktionsfreien Wicklung versehen ist. Diese Anordnung hat ge genüber der Ausführung nach Fig. 20 den Vorteil, dass der Deformationsfühler keinen Schaden erleidet, wenn etwa der Prüfling 80 in die Brüche geht.
In den Fig. 22 und 22a ist eine Vorrichtung mit einem Deformationsfühler zum Messen der Torsionsbeanspruchung dargestellt, wobei die Belastung beispielsweise schlagartig erfolgen kann. Der Prüfling 83 ist mittels eines Vierkantkopfes in einem S-förmigen Halter 83a eingesetzt, der mittels Schrauben an einem feststehenden Block 83b befestigt ist. Der Übergang der Halternabe zu den Befestigungsplatten erfolgt durch je eine dünnwandige Lamelle, die je einen Deformationsfühler 84 und 84' tragen. Am andern Ende des Prüflings ist ein zweiarmiger Hebel 83c befestigt, durch den die Belastung des Prüflings erfolgt. Das auf diese Weise dem Prüf. ling zugeführte Drehmoment erzeugt Zugoder Druckspannungen in den Lamellen, die von den Fühlern aufgenommen werden.
Fig. 14 zeigt eine Vorrichtung zum Messen von Flüssigkeits- oder Gasdrücken. Das Fühlergitter 72 ist auf der Aussenseite eines Hohlkörpers 71 angebracht. Der Baustoff des Körpers muss hinsichtlich seiner elastischen und thermischen Eigenschaften zweckmässig ausgewählt werden. Die Wanddicke ist möglichst dünn zn wählen, damit eine möglichst grosse Verformung bei der Druckänderung entsteht.
Das Gas oder die Flüssigkeit wird durch die Öffnung 73 ins Innere des Hohlkörpers geleitet. Die Vorrichtung kann auch als Differen tialmessvorrichtung ausgebildet werden. Zu diesem Zweck umgibt man den Hohlkörper 71 mit einem Mantel 71', so dass auch die Aussenseite des Hohlkörpers 71 durch Gas oder Flüs sigkeftsdruck belastet werden kann. Die Verformung des Hohlkörpers entspricht dann der Differenz des Druckes im Innern und auf der Aussenseite. Für dynamische Druekmessungen verbindet man den Verformungsfühler beispielsweise mit einem Oszillographen. Die ganze Messeinrichtung ist in zweckmässiger Weise zu eichen.
In Fig. 23 ist ein weiteres Anwendungs- beispiel des Verformungsfühlers dargestellt. und zwar betrifft dies das Messen der Beanspruchung des Geschützrohres beim Feuern.
Der Verformungsfühler 85 ist beispielsweise über den vollen Umfang an verschiedenen Stellen des Geschützrohres 86 gewickelt. Jeder Verformungsfühler wird zum voraus geeicht, indem man die Rohrbohrung stufenweise unter hydraulischen Druck setzt und für jede Druckstufe die Widerstandsänderung des Fühlers ermittelt. Beim Schiessversuch werden die Fühler beispielsweise mit einem Mehrschleifenoszillographen verbunden, der also gleichzeitig die Beanspruchung an mehreren Stellen aufzeichnet. Die verschiedenen elektrisehen Messkreise können etwa in gleicher Weise aufgebaut sein, wie dies beim Schlag- versuch bereits erläutert wurde.
Um die Registriereinrichtung kurz vor der Zündung des Geschosses in Betrieb zu setzen, ist eine besondere Auslösevorrichtung vorzusehen, die beispielsweise in Fig. 26 angedeutet ist. Diese Vorrichtung wird am Geschützverschluss aufgeschraubt und geerdet. Der Stift 250' ist mit dem Abzughebel verbunden. Beim Abziehen wird der Schlagkopf 250 freigegeben. Nach Durcheilen des Zwischenraumes schlägt der Kopf 250 auf die Zündnadel 251, deren Ende in die Zündkapsel des Geschosses eindringt, wodurch die Explosion ausgelöst wird. Im Moment der Berührung von Schlagkopf 250 und Ende der Nadel 251 wird der Stromkreis geschlossen, und die Apparatur zur Aufzeichnung des Vorganges ist eingeschaltet.
Diese Vorrichtung hat also den nämliehen Zweck wie der Stift 65 in Fig. 19 beim Schlagversuch.
Verschiedene Maschinenindikatoren für schnellaufende Maschinen, wie Dieselmotoren usw., benützen piezoelektrische Messvorrichtungen, die aber zahlreiche Nachteile aufweisen, wie beispielsweise Verlustmöglichkeit der Ladung, insbesondere bei langsam sich abwiekelnden Vorgängen. Der Deformationsfüh ler ermöglicht, in einfachster Weise geeignete Indikatorelemente herzustellen, indem man beispielsweise den Fühler direkt in den Maschinenkolben einbaut.
Die Fig. 24 zeigt einen Druckindikator, der in die Maschinenzylinderwand 88c eingeschraubt ist. Das eigentliche Druckmesselement besteht aus einem zylindrischen Kolben 88a, der mittels einer I(opfschranbe mit der einsehraubbaren Fassung 88b fest verbunden ist. Die B : olbenfläehe fällt mit der Innenfläche des Masehinenzylinders zusammen, so dass keine Volumenänderung durch Anbringen dieses Druekindikators entsteht. Auf einer Eindrehung der : Kolbenoberfläche ist die Füh- lerwicklung 87 angebracht.
Um die Fühlerwicklung vor Einfluss hoher Temperaturen zu schützen, kann beispielsweise die Oberfläche der Kolbeneindrehung mit einer silikathaltigen Schicht versehen werden, auf der dann die Fühlerwiekllmg angebracht wird. Diese Wicklung kann dann ihrerseits wieder mit einer nämlichen Schicht überdeckt werden, so dass also die ganze Wiekllmg in einer wärmeisolierenden Schicht eingebettet ist. Die Wicklung kann als induktionsfreie Wicklung in Gestalt einer Spirale auf den Zylinder gewunden werden, so dass sie bei der Druckwirkung auf Zug beansprucht wird. Die Wicklung kann aber auch in asial verlaufenden Schleifen angelegt sein, wobei jeweils zwei benachbarte parallele Drähte eine Schlaufe in entgegengesetzter Richtung bilden.
Diese Wicklung wird auf Druck beansprucht entsprechend der Zusammendrüekung des Zylinders.
Ein Hilfsmittel zur Hersteflung von Dc- formationsfühlern zeigt beispielsweise die Fig. 25 bis 25C: in der die Stifte 102, über die das Wickeln erfolgt, beweglich sind. Diese Ausführungsart kann sowohl für die maschinelle wie für die Fabrikation von Hand benützt werden. Eine längliehe Leiste 100 wird an den beiden Längsrändern mit Bohrungen versehen, in denen die Stifte 102 gleitend angeordnet sind. Die Stiftenden 103 stehen an fänglich unter der Leistenoberfläche, und erst im Verlaufe des Wickelvorganges werden sie angehoben. Dadurch wird das Wickeln erheblich erleichtert gegenüber einer Anordnung, bei der die Stiftenden schon zu Beginn alle über die Oberfläche herausstehen.
Das Wikkein geschieht in folgender Weise: Der Draht wird vermittels einer besonderen Führlmgs- vorrichtung 106 gehalten. Den um den Stift a gelegten Draht führt man quer über die Leiste, fährt tun den über die Leistenfläche hochgezogenen Stift b, um den Draht 107 alsdann wieder über die Leistenbreite nach unten zu ziehen (Fig 25b). Nun hebt man den Stift c, so dass sein Ende über die Leistenoberfläche ragt, umfährt diesen Stift und zieht den Draht erneut über die Leistenbreite gegen den Stift d, der anzuheben ist. Durch Fortsetzen dieses Vorganges erhält man ein Gitter.
Hierauf bestreicht man das Gitter mit Bindemittel. Gleichzeitig überstreicht man mit dem Bindemittel eine membranartige Trägerfolie 108, beispielsweise einen sehr dünnen Papierstreifen, die man mittels eines konvex geformten Halters gegen die Wicklung legt, wie das in Fig. 95c ersiehtlich ist. Das Bindemittel wird nun getrocknet oder in einem Erhitzungsofen eingebrannt, wobei der Zwischenraum 112 die Luftzirkiilation und damit den Trocknungsvorgang erleichtert. Hierauf zieht man die Stifte zurück, und das fertige Gitter kann abgehoben werden. Gitter mit schräg verlaufenden Windungen 110 (Fig. 25e) können in ähnlicher Weise hergestellt werden.
Das Herstellen von Gittern mit spiralförmigem Verlauf der Windung 105 ist in Fig. 25d angedeutet. Die Nadelenden 102 werden mit fortschreitender Wicklung über die Oberfläche der Grundplatte angehoben. Die Nadelenden 104 liegen noeh unter der Oberfläche.
Die beschriebene Vorrichtung zum Messen von Deformationen besitzt eine grosse elektrische Empfindlichkeit, Genauig, keit, grosses nnsprechvermögen mit höchstem Mass von Unveränderlichkeit hinsichtlich des Eichungswertes, wodurch eine hohe Reproduzierbarkeit der Resultate und Unabhängigkeit von atmosphärischen Einflüssen gewährleistet ist. Fehlmessungen infolge Hysteresis und Nullpunktverschiebungen werden vermieden.
Device for measuring deformations and methods for their production.
Many known devices that respond to deformation, displacement or expansion are built in such a way that they grasp the deformation on the test object by means of two grippers that limit the measuring distance and make it visible in some way, be it mechanical, optical or electrical, on a larger scale. The known devices are particularly unsatisfactory if the measurement is to be carried out simultaneously at a large number of measuring points, if fastening the device at the test point presents difficulties, if the weight of the device is important or if the deformations to be examined are dynamic, and when it is important not to damage the test object in any way.
The inventive device has at least one elastically deformable electrical conductor, for. B. an extremely fine wire mesh, which along its entire length with a carrier, z. B. a membrane and is intended to transform deformations of the support into electrical resistance changes. It is completely irrelevant whether the deformation is static or dynamic, pressure, tension or twisting, etc. The conductor can be attached to the body to be tested when it is manufactured, or it can be glued to its surface with any kind of binding agent so that it forms a whole with the test object after the binding material has dried.
This conductor, hereinafter called the deformation sensor, on the one hand avoids numerous shortcomings of the previously known electrical strain gauges, while on the other hand it takes advantage of the great advantages of the electrical method.
Exemplary embodiments of the device according to the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
Fig. 1 shows a pendulum impact machine,
FIG. 2 shows a device for measuring the force and the elongation of the test object caused by it.
3 shows the extensometer on an enlarged scale.
FIG. 4 is a longitudinal section along line 4 in FIG. 3.
FIG. 5 is a section along line 5-5 in FIG. 7.
Fig. 6 is a view of the means for measuring force.
FIG. 7 shows a partial longitudinal section along the line 7-7 in FIG. 6.
8 is a greatly enlarged axial section through the commutator disks of the delimitation knife.
Fig. 9 shows an electrical deformation sensor which forms part of the force measuring device.
Fig. 10 shows an aid with which the strain-sensitive sensor is manufactured.
FIG. 11 shows an enlarged corner piece of the aid shown in FIG. 10.
FIG. 12 shows a greatly enlarged cross section through the force measuring device along the line 12-12 in FIG. 6.
Fig. 13 shows a view of another embodiment of the stretch-sensitive sensor which is woven in the manner of a carpet.
13A shows the strain-sensitive sensor wound on a cylinder which can be used as a compressive force measuring element.
Fig. 13B shows a thin rod subjected to bending stress, on the surface of which the strain-sensitive probe is mounted.
130 shows a rod which is subjected to torsional stress and on the surface of which the sensor is attached, two wires running parallel in each case, in which the electric current flows in the opposite direction, to avoid the influence of induction.
Fig. 14 shows another application example of the deformation sensor for the purpose of measuring liquid pressures.
Figures 15-17 show various circuits adapted for the use of the strain gauge and the commutator type of strain gauge.
18 shows a force, time and strain diagrams.
Figure 19 illustrates a simplified circuit diagram of an oscilloscope and its accessories.
20 and 21a show, in simplified form, a view of a projectile force meter in which the deformation sensor is installed.
22 and 22a show, in simplified form, a torsion meter with a built-in deformation sensor (FIGS. 22 and 22a show the cross section and the view).
23 shows the feeler attached to a gun barrel.
Fig. 24 is a cross-section of a machine indicator.
Figs. 25 and 25c show a device for making the grid of the strain sensor.
25d and 25e show different embodiments of the wire mesh.
26 shows schematically the cross section of control devices of the rapid impact test machine.
We have indicated a few examples of the innumerable possible uses.
We will now pick out one of the examples, namely the force and deformation measurement in the impact test. Fig. 1 shows more or less schematically the known P end hammer mechanism. A frame 2 on which the pendulum hammer 4 hangs is built up over a base plate 1. The hammer 4 has a slot. If the hammer swings downwards, then it strikes the cross member 5 in which one end of the test piece 6 is clamped. The other end of the test object is firmly connected to the base plate 1 via a tube 9 and a cylinder 14 (FIG. 6). In this way, the falling hammer transmits the impact to the test object.
Until then, the impact energy consumed by the sample was measured as the product of the height of the hammer's center of gravity and the weight of the hammer. The insight that we get into the nature of the impact test in this known way is at least insufficient. The deformation sensor enables mm to measure the voltage currently occurring in the pipe 9 with great accuracy, despite the fact that the entire process takes place in the shortest possible time, that is to say at a very high speed.
The dynamometer, consisting of the cylindrical steel sleeve 9 (FIG. 7), the end of which is screwed into the counter-holder block 11, is used to measure the impact force or impact stress. This counter-holder block 11 is firmly connected to the base plate 1 (FIG. 1) by means of the wedge 12 and the screws 13.
The other end of the steel sleeve 9 has an internal thread into which the threaded head of the test item 6 is screwed and secured by the lock nut 14, while at the other end of the test item the cross-member 5 is screwed and the hammer strikes its shoulder surfaces. In this way, the impact of the impact is transmitted directly from the test object to the force measuring element.
A deformation sensor 19, which consists of a fine grid of a very thin wire, is installed on the steel sleeve 9. The wire can be made of constantan or steel, for example. Any building material can be used which has good electrical resistance and good elongation properties and the dimensions of which allow sensors to be manufactured in the finest form and with the smallest dimensions. The wire cross-section can be circular or have any other shape.
Wires with a diameter of 0.02 mm and below can be used for the production of the finest sensors. A wide variety of grid shapes are also suitable. Fig. 13 shows, for example, the grid in the form of a (fabric. The wire 15 is woven as a weft into a slip 16 made of silk. The silk threads are so thin that the wire grid surface forms the outer boundary plane of the sensor and thus when glued to the The entire extent of the measuring point nestles completely against the surface of the test object.This type of fabric can be wrapped around the tube 9, for example, in such a way that the wire runs in the axial direction in which the main force is created.
Before attaching, the outer surface of the pipe must be coated with a suitable, electrically insulating adhesive. Now you press the entire extension of the grid well against the surface of the ear so that all-round contact is guaranteed. Let the feeler dry well. Drying can be done in the open air or artificially, for example in a drying oven or by blowing hot air. The sensor measures any type of deformation of the test object without creeping. It is of course completely irrelevant whether it is shortened or lengthened. The sensor acts as if it were part of the pipe 9 itself.
In the present example, the sensor grid as such is part of the test body.
Another example of execution. type of probe is shown in Fig. 9. Here a carrier is used, e.g. B. a very thin paper membrane 12. The wire mesh 10 is glued to the thin paper membrane by means of an electrically insulating binder. The wire of the grid can for example be slightly tensioned. Such a sensor can be produced, for example, with the aid of the aid in FIG. 10. The surface of the same is slightly convexly curved, and on each narrow side an exchangeable clamping plate 22 is attached, through which a piece of wire mesh 23 is clamped. The vertical wires of the braid protrude slightly from the surface.
These protruding wire ends serve as end posts, between which the wire of the sensor is now guided back and forth. Before starting the winding of the wire mesh, the thin support membrane, for example a thin paper 18, is placed on the surface 21. In this way, a very finely structured Wieklullg can be obtained, the wire being slightly tensioned, the individual, consecutive turns are parallel and closely spaced, but without touching each other. After the weighing process is complete, the grid is coated with binding agent. After drying and hardening, the protruding teeth 25 of the mesh 23 are broken off and the ready-to-use sensor with the carrier can then be removed.
The pipe 9 is then coated with binding agent and the sensor is wound around the pipe so that the windings run axially to the pipe axis, the carrier 18 of the winding being on the outside (FIG. 12). The electrical insulation of the grid from the sample surface is done by the binding agent itself. The sensor can also be installed in such a way that the carrier is on the inner side, that is, between the winding and the surface of the test object. A further protective winding, for example a thin cord, can be attached over the whole, which has the purpose of giving the association of the sensor with the tube 9 increased security. The whole bandage can then be coated with binding agent. However, there is no need for this additional bandage.
Another aid and another type of winding is shown in FIGS. 25 and 25e, which we will explain in more detail later.
A further example of a Fühleranord arrangement is shown in FIG. 13a in the form of a compressive force measuring device. The electrical resistance wire 19 'of the sensor is wound directly, for example by hand, onto the cylindrical part 19 "of the pressure body in a spiral, after the surface of the body has been coated with binding agent. An insulated wire can also be used instead of the bare wire. The undesired influence of electrical induction can be avoided if the winding is bifilar.
In general, the deformation sensor responds to all types of deformation, but the degree of sensitivity can vary.
If a body is subject to any shape changes, then the size and direction of the shape change change from point to point. There will be certain places and directions in the body where the greatest changes in shape occur. Such directions are called main directions.
We get the greatest responsiveness when the sensor is placed on the test object in such a way that the direction of the active turns coincides with the main direction of the deformation. When a rod is subjected to bending stress, the turns 19a will be arranged in the longitudinal direction of the rod 19b (FIG. 13b).
The sensor windings 19 shown in FIG. 7 respond with the same sensitivity when the cylinder is subjected to compression or tension, while the influence of a bending is largely eliminated. The sensor in the arrangement according to FIG. 13a, which responds to transverse contraction, which is around a third of the length change in steel, is only a third as sensitive as the sensor 19 of FIG. 6, in which the turns in the direction of the axial length genänderlmg run. The greatest sensitivity in the case of a torsion force meter is obtained when the windings are arranged at 450 to the axis of rotation. Such a grid can be produced, for example, with the aid according to FIG. 25e.
The shape and dimensions of the deformation grid, such as the length, the width, the wire dimension, the distance between two consecutive wire windings, etc., depend on the space available on which the sensor is to be installed, on the nature of the deformation that occurs there , and also of the possibility of how the heat is dissipated when the sensor heats up as a result of the current flowing through it.
The sensitivity of the grating does not generally depend on its geometrical shape. For all deformation sensors, the relative change in electrical resistance JR is in Ver 1? practically constant equal to the relative change in length. It means dR the change in the electrical resistance R of the sensor grid, Al the change in length of its length 1. Since the deformation sensor is connected to the body to be tested in such a way that it forms a whole with it, Al is the change in length of the test body that is caused by Sensor is tapped. The deformation of a component to be tested that is subject to certain loads usually differs from point to point.
For this reason, the response sensitivity varies depending on the position of the sensor, which we have already mentioned.
If you consider the output current of the sensor as a measure of the sensitivity, this is directly proportional to the square root of the power supplied to the sensor. On the other hand, with constant power, the voltage is a measure of sensitivity, which is indirectly proportional to the square root of the sensor resistance.
On the other hand, however, a high-resistance sensor requires a high operating voltage. If the sensor is mechanically exposed to a high number of vibrations - used for dynamic measurements, the bridge resistor is connected in parallel through the capacitive loss resistance, which leads to a reduction in sensitivity.
The wire diameter or wire cross-section is basically determined by its elastic properties compared to the elasticity of the binding agent surrounding it.
Fine wire is preferable to thick wire in spite of the difficulties in procurement and processing into grids. The limit of the usability of thin wires is practically at a diameter of about 0.02 mm. Constantan turns out to be a very suitable material for grids.
The choice of wire diameter, length and distance between two consecutive turns depends on the permissible thermal load and the desired resistance ah. As far as the rocking arrangement is concerned, that arrangement is the most expedient in which the greatest amount of rocking is in the direction of the greatest deformation, which results in the greatest sensitivity.
Then a winding with long turns appears better than one with short turns, since the free ends do not contribute to increasing the sensitivity. but only increase the total resistance of the feeler. The distance between two consecutive turns is mainly determined by design considerations.
There are no restrictions on winding on a cylinder. However, the wire spacing should be at least a few wire diameters so that the mechanical cuts in the binding agent can better balance each other.
The resistance of deformation sensors implemented was between 17 Ω for a flexure meter and 10,000 Ω for a quartz piston pressure meter. The sensor of the extensometer shown in FIG. 2 and used for material testing purposes has a resistance of 910 Ω and consists of 0.075 mm constantandralite. Each loop is 28.5 mm long. In total, 10.3 m are evenly wound around a cylinder 19 mm in diameter.
The cylindrical winding of the quartz device mentioned above has a resistance of approximately 10,000 ohms and consists of 10.4 m of wire with a diameter of 0.025 mm.
The wire is spirally wound on a cylinder of 19 mm, the entire winding reaching a height of approximately 25 mm cylindrically. With most sensors, a change in resistance of around 3% is obtained under full load.
For example, in order to determine the load on a test object 6, the force measuring element, that is to say the pipe 9, is calibrated with the strain-sensitive sensor. The force measuring element is loaded step by step by means of a material testing machine and at the same time the corresponding change in resistance of the sensor is determined, for example with a normal Wheatstone bridge.
Fig. 16 shows such a bridge. This bridge arrangement can be used for both static and dynamic measurements.
The sensor function is indicated schematically at 27. Two or more sensors can be switched into the bridge circuit at the same time. For example, two sensors 27 and 27 'can be provided, both of which support each other in their effect. This is the case, for example, when a second sensor is attached to the lower side of the bending rod in FIG. 13b. We thus achieve an increase in sensitivity. The galvanometer 28 points to zero when the bridge current is balanced to Nnll.
To measure rapid changes in load, a display device is required that works without inertia. This condition is best met with an oscilloscope. The measuring circuit (FIG. 15) comprises a 130-volt residual current battery 29, the sensor 30 and a compensation resistor 31.
The latter could also be replaced by a control circuit of some kind to keep the current constant. In this case one could also achieve compensation of the frequency response. A capacitor 32 is switched on in the circuit and keeps the DC voltage away from the amplifier 33 and the subsequent oscilloscope 34. The recording of the oscilloscope can be photographed with suitable equipment. This is indispensable for Schlagversnch, as this is the only way to follow the extremely rapid changes in force.
In order to switch off changes in the calibration results in measurements that extend over longer times, which could occur as a result of changes in the amplifier or in the oscilloscope on the one hand, due to temperature influences on the resistances of the sensor and influences of the battery voltage changes, a variable precision resistor 35, the a low-resistance Drucklmopfschal- switch 36 is connected in parallel, added to the dynamometer. The resistor 35 consists of a few balanced resistances which correspond to the changes in resistance of the dynamometer in the range of the forces used.
If the oscillograph deflection and switch 36 are operated at the same time, an oscillogram 90 is produced in FIG. 18, in which the distance 91 corresponds to a corresponding change in resistance of the dynamometer. If the calibration line is included on every oscillogram, it is sufficient if only the calibration circle 35, 36 and the dynamometer are constant over time.
In order to be able to use the insulation-sensitive sensor also for static or slowly changing measurements, the Wheatstone direct-current bridge according to FIG. 16 is used, in which the extension-sensitive sensor 27 forms one bridge arm and the instrument 28 displays or records the data. An AC bridge circuit, as shown in FIG. 17, with, for example, a deformation sensor 30 in one branch and an AC voltage source 38, is used for dynamic measurements for all frequencies from zero upwards.
The output voltage is a modulated alternating voltage with the alternating voltage of the source 38 as a carrier. The modulation envelope corresponds to the changes in resistance of the deformation sensor. This voltage can be amplified to any desirable level by any AC voltage amplifier 39 in order to operate display devices or recording devices 40, such as an oscilloscope in the present case.
In order to determine the change in length of the body 6 in FIG. 7, a length change meter 42 is provided. This consists of a base plate 43 (FIGS. 4 and 7) which has a cylindrical bore 44 in which a collector-like switch 45 is arranged.
A number of disks are clamped on a shaft 46, which is carried by two bushings 47, which consist alternately of insulating material and electrically conductive material, such as celluloid and aluminum or capacitor paper and tin foils.
With the help of the two nuts 49, these washers are clamped together. The electrically conductive disks are connected to the shaft 46. The shaft 46 (FIG. 4) is separated from the base plate 43 by insulating sleeves 50 'and washers 52'. All of these parts are arranged in the bore 44 of the base plate (FIG. 5). The end shields 52 (Figs. 4 and 3) are attached to the body 43 (Fig. 3) by screws 53. The bore of the end shields 52 is large enough that the nut 49 can be inserted through it. The assembly of the switch 45 can thus take place before the assembly into the body 43. On the upper side of the body 43 a slot 54 is made parallel to the switch axis.
The bearings 51 have flat guides that extend rearwardly below the edges of the slot 54. These surfaces lead a narrow, flexible metal band 57 (FIG. 7), the end of which is releasably attached to the crosspiece 5 at 58. The other end can slide under the edges of the slot 54 (Fig. 5). In the band 57 is a needle 59 (Fig. 5), the end of which touches the switch blades. This displacement measuring element is screwed onto the base plate 1 of the pendulum hammer mechanism according to FIG. 1 by means of a screw 60 (FIG. 2) or other suitable means.
With the arrangement shown in FIGS. 1, 2 and 7, when the falling weight 4 hits the cross member 5, the stress occurring in the tube 9 can be determined in the oscilloscope 34 (FIG. 15).
Since the change in resistance in the deformation sensor is proportional to the forces and the force scale was determined by calibration, the force amplitude can be read off. The coordinate axes of the diagram are then time and force.
Such an oscillogram is shown in FIG. The force-time diagram is designated by 62. The ordinates correspond to the forces. In order to calibrate the abscissa axis as the time axis, a cathode ray is actuated without vertical deflection at certain time intervals. This then creates the time markers 92. I, In order to bring the expansion of the test object into this graph, the holder shaft 46 and the cross member 5 are coupled to one another (Fig. 19), in series with the battery 74 and the resistor 75.
The voltage across resistor 75 is fed to the control grid of the cathode ray oscilloscope so that the beam is undergone. As long as this current flows constantly, the oscilloscope draws a uniform force-time diagram 62. If, however, the current is briefly interrupted by the iJadcl 59 sliding over the collector cylinder, the interruptions 63 correspond to the thickness of the insulating washers.
If the elongation and the load on the test specimen are known as a function of time, the value of the elongation and the force can be read from the recording and the known elongation stress diagram can be recorded, despite the fact that the shear stress and breakage of the test specimen can be seen in a fraction of a second goes. After each attempt, the collector cylinder is rotated a little so that the needle can slide over an area that has not yet been scratched.
It is advisable to switch on the oscilloscope shortly before the start of the striking process. In order to set the lock-in moment, a control is provided which simultaneously triggers the impact.
This control can be implemented as follows, for example: The pin 65 (FIG. 6), which is mounted so as to slide in the cross member 5, protrudes slightly over the striking surface. The falling weight 4 first hits the pin 65 and thereby triggers the oscilloscope with the circuit described below (FIG. 19). Tin or a similar soft material is particularly suitable as the material of the pin 65 for making reliable contact when the weight 4 hits.
The weight 4 is grounded by a line 66 ', the pin 65 is connected in such a way that it amplifies the capacitor 69 via the resistor in 205. and transferred to the horizontal deflection plates in order to obtain a linear time axis. To register rapidly running processes, a further oscillator and locking circuit is necessary, consisting of the tube 206, the coils 207 and 208, the grid capacitor 209 and coupling resistor 210. The associated Voltage sources are shown as batteries, although in reality rectifiers with resistor-capacitor filter chains provide the power.
The voltage at the capacitor 202 and thus the anode voltage of the thyratron 200 is also determined by the grid current of the tube 206 and the resistor 201. The cathode voltage 211 is selected such that the voltage across the capacitor 202 is approximately 60 volts. The grid bias of the thyratron is now set so that no ignition occurs at this voltage. Under the above conditions, the voltage across capacitor 202 remains constant. The oscillator with the tube 206 vibrates evenly.
A secondary spide 208 is inductively coupled to the oscillator coil 207 and tuned to the oscillator frequency. The voltage at the coil 208 is rectified by the diode 212 and results in a DC voltage at the resistor 213. This voltage is connected in series with the grid bias voltage 214 of the cathode ray tube 215. The size and polarity of the rectified voltage is such that the cathode ray is blocked. Since the cathode of the Braun tube with the associated circuits normally has several thousand volts compared to the chassis, it is not possible to connect your control grid to devices that are at ground potential.
The inductively coupled high-frequency circuit described above easily enables the oscilloscope circuit to be isolated from the chassis. The oscillator frequency is, for example, 10 MHz, which does not give rise to any difficulties with regard to coupling, filtering and interference. In the idle state, the light spot of the cathode ray should be shifted to one side by the centering system.
The control now works as follows: A pulse triggered by the grounded weight 4 on pin 65 generates a voltage on resistor 70. This is amplified by the amplifier stage with the tube 216 and transmitted to the thyratron 200. As mentioned above, its grid bias is slightly below the critical value, so that the positive voltage pulse initiates the ignition of the thyratron, as a result of which the capacitor 202 discharges.
Since the capacitor voltage amplified in amplifier 205 is fed to the horizontal deflection plates of the Bramische tube, the point of light suddenly experiences a deflection to the other side of the screen. At the same time, the decrease in voltage at condenser 202 generates a negative voltage which blocks oscillator 206.
The bias voltage supplied by this to the cathode ray tube disappears, so that the normal beam current begins and a light beam is generated.After the discharge, the capacitor 202 is now slowly and evenly charged again according to the capacitance of 202, the resistor 201 and the voltage 203 . The approximately linear voltage rise of the capacitor 202 is amplified by the amplifier 205. This increased voltage transmitted to the horizontal deflection plates causes the light beam to deflect in an approximately linear dependence on time.
When the capacitor 202 has again almost reached its final voltage, the oscillator starts up again and suppresses the beam from the Braun tube.
In addition to blocking the beam when the time sweep is not working, it is desirable to use the intensity modulation of the beam to bring another parameter into the diagram. A decoupling diode 217 and a discharge resistor 218 offer the possibility of modulating the beam with negative pulses without affecting the blocking system described.
An amplifier tube 220 amplifies the voltages provided by the strain gauge breaker 48 described above. The arrangement is to be made in such a way that negative pulses result at the diode 217. A switching arrangement 221 enables the time axis to be calibrated with an oscillator.
By means of the diode 217 it is thus possible to couple further circuits to one control grid of the cathode ray tube without interfering with their blocking circuit.
FIGS. 20, 20a, 21 and 21a show other exemplary embodiments of a force measuring element which are actuated by flying projectiles. The test object 80 (FIG. 20) has a cylindrical bore into which the flying projectile enters. One side of the test object is expanded to form a flange 80c. The thickened part 80d carries the deformation sensor 80f. The winding loop runs zigzag in the axial direction. 20a and 21a show another embodiment of the winding, in which the wire is wound in the form of a spiral 81 or 82a on the cylindrical surface 80d or 82 of the thickened part. The test specimen is calibrated up to the elastic limit.
21 shows a somewhat different arrangement of this force measuring element. The flange 80c is supported against a washer 82, the circumference of which is provided with the deformation sensor 82a in the form of an induction-free winding. This arrangement has the advantage over the embodiment according to FIG. 20 that the deformation sensor is not damaged if, for example, the test specimen 80 breaks.
A device with a deformation sensor for measuring the torsional stress is shown in FIGS. 22 and 22a, the stress being able to take place suddenly, for example. The test piece 83 is inserted by means of a square head in an S-shaped holder 83a which is fastened to a stationary block 83b by means of screws. The transition from the holder hub to the mounting plates is made by a thin-walled lamella, each of which has a deformation sensor 84 and 84 '. At the other end of the test piece, a two-armed lever 83c is attached, through which the test piece is loaded. That way to the test. The torque applied generates tensile or compressive stresses in the lamellas, which are absorbed by the sensors.
14 shows an apparatus for measuring liquid or gas pressures. The sensor grille 72 is attached to the outside of a hollow body 71. The building material of the body must be appropriately selected with regard to its elastic and thermal properties. The wall thickness should be selected as thin as possible so that the greatest possible deformation occurs when the pressure changes.
The gas or the liquid is passed through the opening 73 into the interior of the hollow body. The device can also be designed as a differential measuring device. For this purpose, the hollow body 71 is surrounded by a jacket 71 ', so that the outside of the hollow body 71 can also be loaded by gas or liquid pressure. The deformation of the hollow body then corresponds to the difference in pressure on the inside and on the outside. For dynamic pressure measurements, the deformation sensor is connected to an oscilloscope, for example. The entire measuring device is to be calibrated in an appropriate manner.
In FIG. 23, another example of the application of the deformation sensor is shown. This concerns the measurement of the stress on the gun barrel when firing.
The deformation sensor 85 is wrapped, for example, over the full circumference at different points of the gun barrel 86. Each deformation sensor is calibrated in advance by gradually placing the pipe bore under hydraulic pressure and determining the change in resistance of the sensor for each pressure step. When trying to shoot, the sensors are connected, for example, to a multi-loop oscilloscope, which records the stress at several points at the same time. The various electrical measuring circuits can be constructed in approximately the same way as was already explained in the impact test.
In order to put the registration device into operation shortly before the projectile is ignited, a special triggering device must be provided, which is indicated in FIG. 26, for example. This device is screwed onto the gun breech and grounded. The pin 250 'is connected to the trigger. When pulling off, the impact head 250 is released. After rushing through the gap, the head 250 strikes the firing needle 251, the end of which penetrates the primer of the projectile, causing the explosion to be triggered. At the moment the impact head 250 and the end of the needle 251 come into contact, the circuit is closed and the apparatus for recording the process is switched on.
This device has the same purpose as the pin 65 in FIG. 19 during the impact test.
Various machine indicators for high-speed machines, such as diesel engines, etc., use piezoelectric measuring devices, which, however, have numerous disadvantages, such as the possibility of loss of charge, in particular in the case of slowly rolling processes. The Deformationsfüh ler makes it possible to manufacture suitable indicator elements in the simplest possible way, for example by installing the sensor directly in the machine piston.
Figure 24 shows a pressure indicator screwed into the machine cylinder wall 88c. The actual pressure measuring element consists of a cylindrical piston 88a, which is firmly connected to the screw-in socket 88b by means of a head screw. The piston surface coincides with the inner surface of the machine cylinder, so that no change in volume occurs when this pressure indicator is attached The sensor winding 87 is attached to the piston surface.
In order to protect the sensor winding from the influence of high temperatures, the surface of the piston turning can be provided with a silicate-containing layer, on which the sensor heating element is then attached. This winding can then in turn be covered with the same layer, so that the whole winding is embedded in a heat-insulating layer. The winding can be wound onto the cylinder as an induction-free winding in the form of a spiral, so that it is subjected to tension when the pressure is applied. However, the winding can also be laid out in asial loops, with two adjacent parallel wires forming a loop in opposite directions.
This winding is subjected to pressure according to the compression of the cylinder.
FIGS. 25 to 25C show, for example, an aid for the production of dc formation sensors: in which the pins 102, via which the winding takes place, are movable. This type of design can be used for both mechanical and manual production. An elongated bar 100 is provided on the two longitudinal edges with holes in which the pins 102 are slidably arranged. The pin ends 103 are initially under the bar surface, and only in the course of the winding process they are raised. This makes winding much easier compared to an arrangement in which the pin ends all protrude above the surface from the start.
This is done in the following way: The wire is held by means of a special guide device 106. The wire placed around the pin a is led across the bar, then the pin b pulled up over the bar surface is moved in order to then pull the wire 107 down again over the width of the bar (Fig. 25b). Now you lift the pin c so that its end protrudes over the bar surface, bypass this pin and pull the wire again over the bar width against the pin d, which is to be lifted. By continuing this process, a grid is obtained.
The grid is then coated with binding agent. At the same time, the binding agent is coated over a membrane-like carrier film 108, for example a very thin paper strip, which is placed against the winding by means of a convex holder, as can be seen in FIG. 95c. The binding agent is then dried or baked in a heating oven, the space 112 facilitating air circulation and thus the drying process. The pins are then withdrawn and the finished grid can be lifted off. Grids with sloping turns 110 (FIG. 25e) can be made in a similar manner.
The production of grids with a spiral course of the turn 105 is indicated in FIG. 25d. The needle ends 102 are raised above the surface of the base plate as the winding progresses. The needle ends 104 are still below the surface.
The described device for measuring deformations has great electrical sensitivity, accuracy, speed, great responsiveness with the highest degree of immutability with regard to the calibration value, which ensures high reproducibility of the results and independence from atmospheric influences. Incorrect measurements due to hysteresis and zero point shifts are avoided.