Dehnungsmessstreifen
Die Erfindung betrifft Dehnungsmessstreifen zum Messen der Dehnung in einem unter veränderlicher Spannung stehenden Körper.
In dem Masse, in dem sich die Ingenieure immer mehr daran gewöhnt haben, mit Widerstandsdrähten oder Fäden ausgestattete Dehnungsmessstreifen zu verwenden, versuchten sie, diese ausserordentlich empfindlichen Instrumente unter immer ungünstige- ren Bedingungen einzusetzen. Solche Bedingungen sind z. B. sehr hohe und sehr niedrige Temperaturen, grosse Windgeschwindigkeiten und wässerige und korrodierende Medien. Ein solches Bestreben ist natür- lich, da die Ingenieure, die Dehnungen messen wollen, die durch solche Spannungen verursacht werden, wie sie bei der tatsächlichen Verwendung des Prüfkör- pers auftreten.
Der Ingenieur will also, die Dehnungs- messstreifen an Modellen anbringen, die im Wind- kanal geprüft werden, oder an Flugzeugen während des Fliegens, an Körpern, die Strahlungen ausgesetzt sind, z. B. an Reaktorgefässen, Raketen und dergleiohen sowie an anderen Konstruktionen z. B. an Schiffen, Unterseebooten und dergleichen, um die Dehnungen zu messen, die unter den wirklichen Betriebsbedingungen auftneten.
Wenn übliche Messstreifen für solche Anwendun- gen verwendet werden, dann ist sowohl die Zuver lässigkeit der Prüfungen insgesamt als auch die Genauigkeit angeblich erfolgreich durchgeführter Prüfungen nicht gesichert.
Unter den vor allem ins Auge fallenden Schwie rigkeiten, die bei solchen Prüfungen auftreten, ist das Versagen des verwendeten Schutzmediums und infolgedessen das Versagen des Messstreifens anzuführen, der dann den Verhältnissen der Umgebung direkt ausgesetzt ist. Wenn ein solches Versagen nur die Wiederholung einer Windkanalprüfung bedeutet, dann können die Kosten noch erträglich sein, wenn jedoch Prüfungen an Schiffen oder Unterseebooten vorgenommen werden, dann hat man ganz andere Verhältnisse vorliegen. Das grundlegende Problem besteht bei all diesen Verfahren darin, dass die Wirksamkeit des Einbaus des Dehnungsmessstrei- fens so lange nicht bekannt ist, bis die wirklichen Betriebsbadingungen vorliegen.
Ein Kriterium hierfür ist das Verfahren der sukzessiven Näherung.
Wenn Dehnungsmessungen unter ungünstigen Ver hältnissen durchgeführt werden müssen, dann ver suchen die Ingenieure natürlich die Gefahr eines Versagens zu vermeiden und treffen hierzu alle denkbaren Vorsichtsmassnahmn beim Aufbau der Messanlage. Der Aufbau dauert infolgedessen lange und wird kostspielig. So mussten einmal die Dehnun- gen an der Schraubenstrebe der USS Saratoga, eines s Flugzeugträgers der Forrestal-Klasse, während Versuchsfahrten auf hoher See gemessen werden.
Hierzu wurde, solange das Schiff im Trockendock lag, eine grosse Fläche der Strebe abgeschliffen, damit man eine brauchbare, glatte Oberfläche erhielt, dann wurden die Messstreifen aufgebracht und die Prüfung auf Wasserfestigkeit nach dem Dean Shim Cap -Verfahren (Verwendung einer Abdeckkappe) durchgeführt. Hierzu wurde der befestigte Messstreifen mit weichem Wachs, einer Lage aus selbstvulkanisierendem synthetischen Kautschuk, einer Abdeckkappe aus rostfreiem Stahl und dann einer weiteren Lage aus selbstvulkanisierendem, synthetischem Kautschuk abgedeckt. Ausgearbeitete und einzigartige Methoden zum Anschliessen der Kabel wurden entwickelt, und die Kosten waren infolgedessen beträchtlich.
Andere Schwirigkeiten,'denen. die Ingenieure ge genüberstehen, wenn sie Dehnungsmessstreifen unter ungünstigen Verhältnissen verwenden wollen, be- stehen darin, dass durch den Einbau die Eigenschaf- ten des Messstreifens geändert werden können. Der Widerstand gegen Masse, die elektrische und me- chanische Abschirmung, die Temperaturkompensation und die Kapazität zwischen den Leitern können durch den Einbau beeinflusst werden. Obwohl durch Änderungen dieser Eigenschaften kein Versagen der Anlage verursacht wird, so können doch falsche Ergebnisse aufgezeichnet werden, die dann noch mehr ernstliche Folgeerscheinungen verursachen kön- nen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Dehnungs- messstreifen mit einem langgestreckten, auf Dehnun- gen ansprechenden Element und daran befestigten Leitungsdrähten, welcher dadurch'gekennzeichnet ist, dass das Element und die Leitungsdrähte in einem Metallgehäuse untergebracht sind, zum Zweck, das Gehäuse oder den das Element enthaltenden Teil des Gehäuses über seine Länge mit einem. Prüfkörper verschweissen zu können.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwen- dung dieses Dehungsmessungsstreifens an einem Prüfkörper, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse des Dehnungsmessstreifens über mindestens einen Teil seiner Länge mit dem Prüfkörper verschweisst ist.
Beispielswoise Ausführungsformen der Erfindung sowie die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile werden im folgenden anhand der Zeichnung erläu- tert, in der :
Fig. 1 und 2 einen Längs-bzw. Querschnitt durch ein Grundelement eines Dehnungsmessstreifens darstellen, das insbesondere so ausgebildet ist, dass , der erfindungsgemässe, dichte, Leitungsdrähte und Messelement enthaltende Dehnungsmessstreifen daraus hergestellt werden kann.
Fig. 3 bis 6 sind Teilscnitte, die einzelne Stufen beim Zusammenbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Dehnungsmessstreifens zeigen.
Fig. 8 bis 12 sind Teilschnitte durch andere Ausführungsformen von erfindungsgemässen Deh nungsmessstreifen. die für spezielle Anwendungsgebiete bestimmt sind.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Dehnungsmess- streifen weist als Grundelement ein röhrenförmiges Gehäuse 1 auf, das vorzugsweise aus rostfreiem Stahl besteht, ferner einen Stützflansch 2, der ebenfalls aus rostfreiem Stahl hergestellt sein kann. Wenn die Mess- anordnung später für Aluminiumkörper verwendet werden soll, dann sollte der Flansch 2 aus einer Gold-Nickel-Legierung bestehen, z. B. aus Brazaloy (Warenzeichen) oder aus einer anderen Legie- rung, die leicht mit Aluminium verschweisst werden kann.
Ein auf Dehnungen ansprechendes Widerstandselement oder ein Faden 3 ist schlieifenförmig in dem röhrenförmigen Gehäuse 1 angeordnet und mit den Leitungsdrähten 4 verbunden, die einen grösseren Durchmesser haben. In der Praxis können der Draht 3 und die Leitungsdrähte 4 durch elektro- lytische oder chemische Ätzung des Mittelteils eines einteiligen Drahtes hergestellt werden. Es ist von Bedeutung, dass es beim Aufbau des Dehnungsmess- streifens häufig erforderlich ist, dass der Faden 3 und die Leitungsdrähte 4 weiter in den Dehnungs- streifen eingeführt sind, als dtes normalerweise not wendig wäre, was später im einzelnen bei der Be schreibung der Fig. 8 begründet wird.
Die erste Stufe bei der Herstellung das hier aufgezeigten Dehnungsmessstreifens, wie sie durch die Fig. 1 und 2 erläutert wird, besteht normalerweise darin, dass ein Stöpsel aus rostfreiem Stahl genommen wird, der mit Silberlot überzogen ist. und der in das vordere Ende des röhrenförmigen Gehäuses eingesetzt wird, worauf das Gehäuse und der Stöpsel umgebördsit werden, so dass der vordere Teil des Dehnungsmess- streifens verschlossen wird, wie dies bei 7 gezeigt ist.
Der Faden 3 und, die Lsitungsdrähte 4 werden dann . eingesetzt, und ein zusammendrückbares Isolierpul- ver 5 wird beispielsweise durch Zentrifugieren. um diese Drähte herum eingeführt. Der Stützflansch 2 ist durch Punktschweissngen 8 and em röhrenförmigen Gehäuse 1 befestigt, jedoch ist es wichtig, dass diese Punktschweissung nicht über die genze Strecke bis zum Anschlussende des Messstreifens verläuft.
Es hat sich gezeigt, dass ein zweckmässiges Verfah- ren zum Anschweissen. des Gehäuses. an der Unterlage das Rollectrode (Warenzeichen)-Verfahren ist, das in der US-Patenstschrift Nr. 2 945 939 beschrie- ben ist. Das Grundelement wird durch Einfügen einer geeigneten Abdichtung 6 an das leitungsende des . Messstreifens und durch Bördeln des Röhrengehäuses gegen den Flansch zum Zusammendrücken des Pul- vers fertiggestellt. Die genaue Beschaffenheit des Isolierpulvers 5 und der Abdichtung 6 hängen vom Temperaturbereich ab, in dem der Messstreifen verwendet werden soll.
Die Fig. 1 und 2 zeigen nur eine beispielsweise Ausführungsform eines Grundelements ; jedoch kön- nen auch an ! dere Grundelemente,. andere Anordnun- gen der Fäden und. dergleichen ebenfalls verwendet werden. Einige andere Ausführungsformen werden im folgenden ausführlicher beschrieben.
Der wirkliche Aufbau eines Ausführungsbeispie- les des erfindungsgemässen Dehnungsmessstreifens ist in den Fig. 3 bis 7 im einzelnen dargestellt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist das Leitungsende des Grundelements links dargestellt, die Anschlussdräht 9 (niedriger Widerstand) sind ohne Isolation 10 dargestellt, und sie sied an den Leitungsdrähten 4 des Grundelements mit Silberlot 11 oder mit einem anderen geeigneten Verbindungsmittel befestigt. Eine mit einem Flussmittel kombinierte Silberlotlegierung (Fusion Engineering 1400 ) erweise sich als bruchbar. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind drei Anschlussdrähte wünschenswert, wovon zwei an einen Leitungsdraht angeschlossen sind.
Die nächste Stufe bei der Herstellung des Dehnungsmessstreifens ist in Fig. 4 gezeigt, aus der ersichtlich ist, dass eine mit einem Siliconlack im prägnierte Glasfadenisolierung 12 um einen der freiliegenden, angeschlossenen Drähte herumgewickelt ist. Diese Isolierung muss den Draht über idie gesamte Strecke von der Anschlussdrahtisolierung 10 bis zu der Abdichtung 6 des Grundelements bedecken.
Anschliessend wird dann ein weiterer Glasfaden 12 um alle Drähte herumgewickelt, einschliesslich des vorher bereits überzogenen, wie dies in Fig. 5 ge- zeigt ist. Zu diesem Zeitpunkt ist es empfehlenswert, die Glasfadenisolierung zu erhitzen, so dass eventuell vorhanserne Gase, brennbare Stoffe oder Feuchtig- keit, ausgetrieben werden. Dadurch wird auch ein hoher Widerstand gegen Masse erzielt. Wenn die gesamte Leitungsführung. kurz sein soll, dann kann auch nur ein einziger Draht für alle Zwecke, für den Faden 3, die Leitungsdrähte 4 und die Anschlussdrähte 9 verwendet werden, so dass jegliche Verbin- dung vermieden wird.
Bei der letzten Stufe des Zusammenbaus, dargestellt in den Fig. 6 und 7, wird der unverschweisste Teil des Stützflansches 2 leicht nach unten gebogen an der Stelle 13 und ein Silberlottropfen eingebracht.
Die Anschlussdrähte werden dann in ein rohrenförmi- gas Gehäuse 14 aus rostfreiem Stahl eingeführt, das am Ende leicht abgeflacht ist, so dass es über die gesamte Anondnung des Dehnungsmessstrei- fens geschoben werden kann. Für spezielle Anwen- dungszwecke kann ein Gehäuse aus Blei oder aus einem anderen Material von Vorteil sein. Das Gehäuse 14 für die Anschlussdrähte wird dann rings um das Ende des Messstreifens gebördelt und daran angelötet.
Die angewendete Wärme hat auch die Wirkung, dass auch der Tropfen des vorher zwischen dem Rohr 1 und dem Flansch 2 eingebrachten Lotes schmilzt, so dass durch die kombinierte Wirkung der Lötung innen und aussen eine feste Bindung erzielt wird, wie dies bei 13 in Fig. 7 angedeutet ist. Gleich- zeitig mit Durchführung dieses Arbeitsgangas wird auch Wärme auf das vordere Ende des Messstreifens (vergleiche Fig. 1) gegeben, so dass das Lot (Silber) schmilzt, das vor dem Einsetzen des Stopfens 7 aus rostfreiem Stahl auf diesen Stopfen. aufgebracht wurde.
Dadurch erhält man eins völlig undurchlässige Abdichtung an der Spitze des Messstreifens. Es hat sich gezeigt, dass dieses Abdichtungsverfahren für die Spitze wesentlich besser ist, als wenn man das Gehäuse 1 ieinfaoh umböndelt und, dann einen Tropf- fen Lot auf das frei, e, labgeflachte Ende des Rohres gibt, da dieses Lot, wie sich gezeigt hat, bei einer plötzlichen Temperaturänderung abblättert. Durch den Stopfen wird auch ein Verlust an Scherkräften vermindert, da eine grössere Dehnung auf den oberen Teil des röhrenförmigen Gehäuses übertragen wird.
Beim praktischen Gebrauch ist es oft wünschens- wert, sowohl das die Anschlussdrähte enthaltende Gehäuse 14 als auch das Gru, ndelement iam Prüfkör- per anzuschweissen. Bei solchen Anwendungen benötigt man eine etwas abgeänderte Ausbildung des Dehnungsmessstreifens, wie sie beispielsweise in Fig.
8 idargesbellt ist. Zuerst wird ein Stützflansch 15 am Gehäuse 14 befestigt, damit die Befestigung des Gehäuses am Prüfkörper erleichtert wird. Dieser Stützflansch 15 kann ebenso wie der Stützflansch 2 des Grundelements ausgebildet sein, oder es kann ein Band oder irgendein anderer Körper verwendet werden. Eine starre Befestigung des Gehäuses für die Anschlussdrähte an den. Prüfkörper ergibt eine mögliche Quelle für eine Ungenauigkeit des Mess- streifens, da das Gehäuse wenigstens in geringem Ausmass den Eichfaktor verändern kann, indem eine mechanische Spannung auf das Gehäuse des Mess- streifens übertriagen wird.
Dieses Gefahr kann besei- tigt oder wenigstens so weit vermindert werden, dass sie vernachlässigt werden kann, indem man eine U-förmige Einbuchtung vorsieht. Obwohl es sich hierbai um einen verhältnismässig einfachen Herstel lungsvorgang handelt, Iso ist es doch notwendig,, dass die Biegung so gelegt wird, dass sie in denjenigen Teil des Messstreifens zu liegen kommt, der die dickeren Leitungsdrähte 4 enthält, nicht aber in das Gebiet des Drahtes 3, weil sonst der Endzweck der Biegung zunichte gemacht wird und der Faden 3, wenn er so verformt ist, brechen kann, wodurch der Messstreifen zerstört wird. Es ist daher empfehlens- wert, die Leitungsdrähte 4 weiter in den Messstreifen zu führen, als dies normalerweise gemacht würde, wie oben bereits erwähnt wurde.
Nach einer anderen Ausführungsform kann auch eine Metall-Faltenbalg- konstruktion gewählt werden, die flexibel ist und keine Spannungen überträgt.
Die Einbuchtung des Gehäuses 14 der Leitungsdrähte dient, wie in Fig. 8 gezeigt ist, zum Schutz des Messstreifens und seiner Anschlüsse vor mechanischen Kräften, d. h. vor einem Zug lauf die Leitungsdrähte, was zu einer Schädigung oder zu einem Bruch des Messelements führen könnte, und eine solche Einbuchtung ist in jedem Fall empfehlens- wert.
In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die insbesondere für Verwen- dung bei hoher Temperatur geeignet ist. Bei dieser Ausfühnmgsform sind sowohl das Gehäuse des Mess- streifens selbst als auch das Gehäuse 14 für die Anschlussdrähte mit einem keramischen, isolierenden Pulver gefüllt. Dadurch werden die Abdichtung 6 und die Glasfadenisolation 12, die oben beschrieben wurden, überflüssig. Obwohl bei manchen Ausfüh- rungsformen der Erfindung das die Leitungsdrähte enthaltende Gehäuse 14 beliebig lang sein kann, so wäre für diese Ausführungsform ein zu langes Gehäuse natürlich nicht zweckmässig.
Noch eine weitere Ausführungsform ist in Fig.
10 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform tritt an Stelle des die Anschlussdrähte enthaltenden Gehäu- ses 14 ein Anschlussstück 18 aus rostfreiem Stahl, das in das Ende eines handelsüblichen mehrfach verwickelten Drahtes 20 eingesetzt ist. Das oben beschriebene Verfahren zum Verbinden der Leitungs- drähte mit dem Messelement (Fig. 3 bis 7) wäre in diesem Fall für die Produktion unzweckmässig, und es wird ein anderes Verfahren angewendet. Eine zerbrechbare, keramische, in der Zeichnung nicht dargestellte Perlschnur mit zwei Durchführungen wird über die Leitungsdrähte geschoben, die dann mit t den Anschlussdräten verbunden werden. Die Einsteckhülse 18 wird dann dicht aufgebracht und an das Messelement angelötet.
Durch den Druck werden die Perlen dann zerbrochen, und bssdlen das lsolierpulver 19. Auf die verbundenen Drähte kann jedoch auch ein Überzug aus einem Isoliermaterial aufgesprüht werden.
Zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 11 ist das oben be schriebene, die Leitungsdrähte enthaltende Gehäuse 14 aus rostfreiem Stahl durch eine Einstekhülse 18 ersetzt, an die ein biegsamer Schlauch 22 ange schlossen ist. Hierfür kamn ein wasserechter Schlauch ein Schlauch mit Metallüberzug oder irgendein an dererSchlauch verwendet werden, wobei die Wahl dieses Schlauches von dem beabsichtigten Verwen- dungszweck abhängt. Auis dieser Fig. 11 ersieht man, dass die Einsteckhülse bei diesem Ausführungsbei- spiel mit einem Flansch versehen ist, über den der Schlauch geschoben ist, und diese Verbindung wird mit einer Metallklammer 21 abgedichtet.
Fig. 12 zeigt eine ähnliche Auszbildung, ausser dass an Stelle des Schlauches, durch den die Anschlussdrähte geführt sind, ein handelsübliches Mehrfachkabel verwendet wird, das einen wasserdichtem Gummiüber- zug auf weist. Die Einsteokhülse 18 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit Innenrippen ausgestattet, so dass das Kabel festgehalten wird. Es können natürlich auch andere Befestigungsmittel verwendet werden. Bei den beiden zuletzt beschriebenen Aus führungsformen wind, die sglleiche Verbindungsbechnik angewendet, wie sie bei der Erläuterung der Fig. 3 bis 7 beschrieben wurde.
Diese Ausführungsformen können mit Vorteil bei Unterwassermessungen verwendet werden und der Schlauch oder ! das Kabel kann leicht an dem Prüfkörper vermittels dünner Matqlbänder und Punktschweissung verwendet werden. Es besteht keine Gefahr, dass die Genauigkeit 'des Messstreifens beeinflusst wird, wenn man so verfährt.
Bei anderen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausfiiihrungsformen der Erfindung wird in das die Leitungsdrähte enthaltende, aus rostfreiem Stahl bestehenden Gehäuse ein T-Stück eingesetzt, damit Gas unter hohem Druck und/oder veiner vorgege- benen Temperatur rings um die Leitungsdrähte gehalten werden kann. Es kann jedoch auch Gas in das Leitungsdraihtgehäuse unter einem bestimmten Druck eingepumpt und das Rohr dann verschlossen werden. Bei beiden Ausführungsformen muss das offene EndedesLeitungsdDahtgehäuses mit einem entsprechenden Klebmittel verschlossen werden.
Die Erfindung kann jedoch auch auf Messstrei- fen mit mehreren Elemente angewendet werden oder auf Anordnungen, die Blindspulen für die Temperaturkompensation, kombinierte Dehnungs-und Tem peraturmesselemente, Messanondnungen, die eine vollständige, viergliedrige Brückensohaltung enthalten, Messeinrichtungen mit negativem Eichfaktor (schraubenförmiger Draht), Messanordnungen mit pulverförmigen Widerstandselementen sowie Messanord- nungen enthalten, die gewalzte, folienförmige Fäden enthalten.
Obwohl die Erfindung leicht auf Mess- streifen angewendet werden kann, Die in üblicherer Weise ausgabildet sind und bei denen die Drähte aus beiden und nicht nur aus einem Ende herausgeführt sind, so scheint eine solche Ausführungsform vom praktischen Standpunkt aus doch nicht wünschenswert zu sein. Fur spezielle Anwendungen können auch Halbletterfäden verwendet werden.