DD151023A3

DD151023A3 - Vorrichtung zur messung temperaturabhaengiger laengenaenderungen

Info

Publication number: DD151023A3
Application number: DD21616279A
Authority: DD
Inventors: Gerd Jaeger; Rainer Gruenwald; Klaus Irrgang; Michael Laubstein; Matthias Geyer
Original assignee: Gerd Jaeger; Rainer Gruenwald; Klaus Irrgang; Michael Laubstein; Matthias Geyer
Priority date: 1979-10-11
Filing date: 1979-10-11
Publication date: 1981-09-30
Also published as: DE3026298A1; CS231567B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhaengiger Laengenaenderungen.Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhaengiger Laengenaenderungen zu schaffen, die in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und kleine Meszunsicherheiten besitzt. Mehrere parallel angeordnete Quarzhaltestaebe sind auf der einen Seite mit einer Quarzplatte verschmolzen und auf der anderen Seite mit einem Quarzwinkel verbunden. Am Quarzwinkel sind der Teilerwuerfel und der Referenzreflektor eines fotoelektrischen Interferometers fest angebracht. Der Pruefling wird mittels einer gefuehrten Quarzschubstange angetastet. Am anderen Ende der Quarzschubstange ist ein kippinvarianter Reflektor befestigt. Der Meszeinsatz eines Widerstandsthermometers besitzt die gleiche Laenge wie die Probe,ist unmittelbar neben u.parallel zu dieser u. in gleicher Hoehe wie die Probe angeordnet. Die Erfindung kann zur Ermittlung von Stoffeigenschaften fester Koerper angewendet werden.

Description

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Titel der Erfindung

¥orrichtung . zur Messung temporaturabhängiger

Längenänderungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung, die für * die Messung temperaturabhängiger Längenänderungen, beispielsweise bei optischen und technischen Gläsern, eingesetzt werden kann·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bekannten Dilatometer benutzen zur Temperaturmessung meist Thermoelemente, die in der Nähe der Probe angebracht werden.

Da Thermoelemente die Temperatur punktförmig messen, müßte die Temperatur der Probe in allen Teilen gleich sein· Dies ist in der Praxis in der Regel nicht der Fall, sondern es tritt längs der Probe immer ein Temperaturgefälle auf. Selbst die Verwendung mehrerer Thermoelemente, die längs der Probe angeordnet werden, liefern nicht die gewünschte integrale Temperatur über der Probe·

Die Messung der temperaturabhängigen Längenänderung erfolgt bei den bekannten Dilatometern in vielen Fällen mittels induktiver Geber bzw. Differentialtransformatoren· Nach DT-PS 2 331 113 ist eine Differential-Induktionsspule von einem Ringkörper umgeben, der sich über eine Feder einerseits auf einer Hülse und andererseits gegen eine Verstellschraube

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für die Nulleinsteilung abstützt.

Solche Geräte zeichnen sich durch einen rubusten Aufbau aus, sind jedoch wegen der induktiven Längenmessung nicht für Präzisionsmessungen geeignet. ' . . Aus diesem Grunde wurde versucht, interferometrische Längenmeßverfahren, welche zur Zeit die genauesten Längenmess.ungen erlauben, für dilatometrische Zwecke zu nutzen. Nach DT-OS 2 344 822 ist die reflektierende Bezugsfläche im Inneren der thermostatischen Kammer angeordnet und ein Prüflingshalter besitzt eine Anlagefläche für die die Bezugsseite bildende Stirnfläche des Prüflings·

Es ist ferner nach DT-OS 2 502 086 bekannt, daß auf die Probekörper aufgelegte Spiegelkörp'er optisch angetastet werden. Die am Probekörper reflektierten Strahlen und entsprechende Referenzstrahlen werden zur Interferenz gebracht und das Interferenzbild ausgewertet.

Mit solchen Anordnungen ergeoen sich zwei wesentlich© Nachteile« An die Meßflächen der Probekörper werden hohe Anforderungen gestellt, die bei Serienmessungen nicht erfülltwerden können· Bei Verlagerungen des Probekörpers sowie der optischen Teile des Interferometers, was bei großen Temperaturänderungen nicht Z.U vermeiden ist, entstehen erhebliche Fehler. Weiter ist eine Vorrichtung nach DT-OS der Offenlegungsschrift 1648 24? bekannt, die einen Probenhalter bestehend aus Quarzstäben und Quarzplatten, die durch Schliffstopfen verbunden sind, beschreibt.

Bei schweren Prüflingen, großen Meßkräften und hohen Temperaturänderungen besteht die Gefahr, daß sich die Verbindung mittels Schliffstopfen löst.

In der DT-OS 260^264 wird eine Präzisionsführung mit 2 kompliziert gestalteten Blattfedern zur Führung sowohl des Kerns als auch der Spule beschrieben.

Diese Blattfedern sind sehr aufwendig und fertigungstechnisch schwer herstellbar.

Ziel der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Ermittlung \'on Längenänderungen sowie auftretender Temperaturänderungen mit

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hoher Genauigkeit. Daraus ergeben sich Messungen von thermischen Ausdehnungskoeffizienten fester Stoffe mit einer hohen

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Auflösung.

Darlegung des Wesens der Erfindung .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung,

,. ; zur Messung temperatur abhängiger längenänderungen zu schaffen, die in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar ist und kleine Meßunsicherheiten besitzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in folgender Weise gelöst: Der Probenhalter besteht aus mehreren parallel angeordneten Quarzhaltestäben, die an ihren Enden auf der einen Seite mit einer Quarzplatte verschmolzen sind und auf der anderen Seite mit einem Quarzwinkel fest, z. B. durch Klemmen, verbunden sind. An diesem Quarzwinkel sind der Teilerwürfel und der Referenzreflektor eines Interferometers bekannter Bauart fest angebracht.

Die Beleuchtung des Interferometers erfolgt mit Hilfe eines Lasers und eines Teleskops zur Strahlaufweitung· Der kippinvariante Reflektor des Interferometers ist mittels eines Halters an einer Schubstange aus Quarz, die parallel zu den Quarzhaltestäben verläuft, befestigt. Zur Übertragung der temperaturabhängigen Längenänderung der Probe ist die Schubstange in einer Blattfederführung bekannter Bauart geführt. Um die Proben auswechseln bzw. Proben unterschiedlicher Längen messen zu können, kann die Blattfederführung ihrerseits mittels einer Schwalbenschwanzführung,verschoben werden. Die Schubstange tastet die Probe auf der einen Seite mechanisch an· Auf der anderen Seite stützt sich die Probe auf einen Quarzbolzen ab, der mit der Quarzplatte verschmolzen ist.

Zur Temperaturmessung wird ein Widerstandsthermometer verwendet, dessen Meßeinsatz die gleiche Länge besitzt wie die Probe. Der Meßeinsatz ist parallel neben der Probe so angeordnet, daß sich beide symetrisch zum Zentrum des radialen Temperaturfeldes des Ofens befinden, insbesondere symmetrisch zur Symmetrieachse des Ofens. Das Widerstandsthermometer

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stützt sich auf einen Quarzbolzen ab, der auch mit der Quarzplatte verschmolzen ist. Dem Widerstandsthermometer ist ein A/D-Wandler nachgeschaltet, der mit der zentralen Verarbeitungseinheit verbunden ist. ·

Die Interferenzen werden auf fotoelektrische Empfänger abgebildet, die entsprechende Impulsformerstufen ansteuern. Die Ausgangssignale der Impulsformerstufen steuern einen Vor-Rückwärts-Zähler, der auch an die Auswerteeinheit angeschlossen ist.

Der Probenhalter wird so angeordnet, daß Probe und Meßeinsatz des Widerstandsthermometers sich im Zentrum eines steuerbaren Ofens befinden, während der obere Teil der Quarzschubstange mit kippinvariantem Reflektor, der Quarzwinkel mit Teilerwürfel und JReferenzreflektor, das optische Abbildungssystem, die fotoelektrischen Empfänger sowie die Impulsformerstufen sich in einem thermostatischem Gehäuse befinden.

Wird im steuerbaren Ofen die Temperatur verändert, bildet sich immer längs der Probe,also in Richtung zur Eintritteöffnung des Ofens ein Temperaturgefälle aus. Dadurch, daß der Meßeinsatz des Widerstandsthermometers unmittelbar neben der Probe und parallel zu dieser angeordnet ist und außerdem die gleiche Länge wie die Probe besitzt, wird sich im Meßeinsatz die gleiche Temperaturverteilung wie in der Probe ausbilden. Damit wird unabhängig von der Art der axialen Temperaturverteilung die mittlere Temperatur der Probe gemessen.

Die temperaturabhängige Längenänderung der Probe wird mittels der Schubstange auf den kippinvarianten Reflektor übertragen und somit eine entsprechende Gangunterschiedsänderung im Interferometer bewirkt. Durch eine fotoelektrische Auswertung des Interferenzbildes mit nachgeschaltetem Vor-Rückwärts-Zähler erfolgt eine quantitative Erfassung des Gangunterschiedes. Sowohl die digitalen Signale der Längenänderungen als auch die der Temperaturmessung, welche mittels eines A/D-Wandlers gewannen werden, gelangen zu einer zentralen "Verärbeitungseinheit, in der das Meßergebnis gebildet wird. Dadurch, daß alle optischen Teile des Interferometers, die Führungen, die fotoelektrischen Empfänger und die Impulsformer-

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stufen sich in einem thermo st at iert em Gehäuse befinden, wird eine hohe Funktionssicherheit erreicht.

AusführunKSbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Gesamtaufbau der Vorrichtung Fig. 2: Führungssysteme der Schubstange.

Entsprechend der Fig. 1 sind mehrere parallel zueinander angeordnete Quarzhaltestäbe 1 an ihren Enden auf der einen Seite mit einer Quarzplatte 2 verschmolzen und auf der anderen Seite mit einem Quarzwinkel 5 fest verbunden. Fest am Quarzwinkel 5 angebracht sind der Teilerwürfel 6 und der Referenzreflektor 7< Der kippinvariante Reflektor 11 ist mittels eines Halters 10 an der Quarzschubstange 9 befestigt. Die Quarzschubstange 9 ist nach Figo 2 durch eine Blattfederführung 14 geführt, welche ihrerseits in einer Schwalbenschwanzführung 15 bewegt werden kann. Wie in Fig. 1 dargestellt, tastet die Quarzschubstange 9 die Probe 8 auf der einen Seite mechanisch an* Auf der anderen Seite stützt sich die Probe 8 auf einen Quarzbolzen 3 ab, der mit der Quarzplatte 2 verschmolzen ist. Das Widerstandsthermometer 12 ist so angeordnet, daß sein Meßeinsatz 13» eier die gleiche Länge wie die Probe 8 besitzt, sich , unmittelbar neben der Probe 8 und parallel zu dieser befindet. Das Widerstandsthermometer 12 stützt sich auf den Quarzbolzen 4 ab, der auch mit der Quarzplatte 2 verschmolzen ist. Die Beleuchtung des Interferometers erfolgt mittels des Lasers 25 und eines Teleskops 24* Das optische Abbildungssystem 1? bildet die Interferenzerscheinung auf die fotoelektrischen Empfänger 18 ab, denen Impulsformerstufen 19 und ein Vor-Rückwärts-Zähler 21 nachgeschaltet sind. Der Vor-Rückwärts-Zähler 21 und der dem Widerstandsthermometer 12 nachgeschaltete A/D-Wandler 22 sind mit der zentralen Verarbeitungseinheit 23 verbunden.

Die Probe 8 und der Meßeinsatz 13 befinden sich im Zentrum eines steuerbaren Ofens 16, während der obere Teil der Quarz-

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Schubstange 9 mit kippinvariantem Reflektor 11, der Quarzwinkel 5 Diit Teilerwürfel 6 und Referenzreflektor 7» das optische Abbildungssystem 17» die fotoelektrischen Empfänger 18 sowie die Impulsformerstufen 19 sich in dem thermostatiertem Gehäuse 20 befinden. . . ·

Claims

Erfindung s an sp ruch;

Vorrichtung, zur Messung temperaturabhängiger

Längenänderungen, bestehend aus Proben - Quarzhalter, Quarzschubstange, Widerstandsthermometerι steuerbarem Ofen und Quarzhaltestäbe, die an ihrem einen Ende mit einer Quarzplatte verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzplatte (2) mit parallel zu den Quarzhaltestäben (1) verlaufenden Quarzbolzen (3, 4) verbunden ist, daß die Quarzhaltestäbe (1) an ihrem einen Ende fest mit einem Quarzwinkel (5) verbunden sind, daß ein Teilerwürfel (6) und ein Referenzreflektor (7) fest am Quarzwinkel (5) engeordnet sind, daß sich, die Probe (8) im mechanischen Kontakt mit dem Quarzbolzen (3) befindet, daß am anderen Ende d.er bekannten Quarzschubstange (9) mittels eines Halters (10) ein kippinvarianter Reflektor (11) fest angebracht ist, das Widerstandsthermometer (12) sich auf dem Quarzbolzen (4) abstützt und der Meßeinsatz (13) des Widerstandsthermometers (12) parallel neben der Probe (8) angebracht ist und daß sich Probe (8) und Meßeinsatz (13) symmetrisch zum Zentrum des radialen Temperaturfeldes des Ofens (16) befinden.

Hierzu_j*L$eiten Zeichnungen