DD151023A3 - DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE-RESISTANT LENGTH CHANGES - Google Patents
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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.The invention relates to a device for measuring temperature-dependent Laengenaenderungen.Ziel the invention is to provide a device for measuring temperature-dependent Laengenaenderungen that can be used in a wide temperature range and has small Meszunsicherheiten. Several quartz holders arranged in parallel are fused on one side to a quartz plate and connected on the other side to a quartz angle. At the quartz angle, the splitter cube and the reference reflector of a photoelectric interferometer are fixedly mounted. The Pruefling is touched by a guided quartz push rod. At the other end of the quartz push rod a tilt-inverted reflector is attached. The measuring insert of a resistance thermometer has the same length as the sample, is next to u.parallel to this u. arranged at the same height as the sample. The invention can be used to determine material properties of solid bodies.
Description
2 1 61 62 -2 1 61 62 -
Titel der Erfindung Title of the invention
¥orrichtung . zur Messung temporaturabhängiger¥ direction. for measuring temporal dependent
Längenänderungenchanges in length
Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung, die für * die Messung temperaturabhängiger Längenänderungen, beispielsweise bei optischen und technischen Gläsern, eingesetzt werden kann·The invention relates to a device which can be used for * the measurement of temperature-dependent changes in length, for example in optical and technical glasses.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Ch arakteristik the known technical solutions
Die bekannten Dilatometer benutzen zur Temperaturmessung meist Thermoelemente, die in der Nähe der Probe angebracht werden.The known dilatometers mostly use thermocouples for temperature measurement, which are placed close to the sample.
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·Since thermocouples measure the temperature in a punctiform manner, the temperature of the sample would have to be the same in all parts. This is generally not the case in practice, but a temperature gradient always occurs along the sample. Even the use of multiple thermocouples placed along the sample does not provide the desired integral temperature over the sample.
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 VerstellschraubeThe measurement of the temperature-dependent change in length is in the known dilatometers in many cases by means of inductive sensors or differential transformers · According to DT-PS 2,331,113 a differential induction coil is surrounded by a ring body, which on a spring on the one hand on a sleeve and on the other hand against a adjusting
2 1 6 1 6 2 -*- '2 1 6 1 6 2 - * - '
für die Nulleinsteilung abstützt.supported for the Nulleinsteilung.
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·Such devices are characterized by a rubusten structure, but are not suitable for precision measurements because of the inductive length measurement. '. , For this reason, it has been attempted to use interferometric length measuring methods, which currently allow the most accurate Längenmess.ungen, for dilatometric purposes. According to DT-OS 2 344 822, the reflective reference surface is disposed inside the thermostatic chamber and a Prüflingshalter has a contact surface for the reference side forming end surface of the specimen ·
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.It is also known from DT-OS 2 502 086 that mirror bodies placed on the specimens are optically scanned. The beams reflected at the specimen and corresponding reference beams are made to interfere and the interference pattern is evaluated.
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.With such arrangements, two are essential © Disadvantages «At the measuring surfaces of the specimens high demands are made, which can not be satisfied in serial measurements · With displacements of the specimen and the optical parts of the interferometer, which can not be avoided with large temperature changes, considerable errors , Next is a device according to DT-OS of the publication 1648 24? known, which describes a sample holder consisting of quartz rods and quartz plates, which are connected by ground stoppers.
Bei schweren Prüflingen, großen Meßkräften und hohen Temperaturänderungen besteht die Gefahr, daß sich die Verbindung mittels Schliffstopfen löst.With heavy test specimens, large measuring forces and high temperature changes, there is a risk that the connection will be released by means of ground stoppers.
In der DT-OS 260^264 wird eine Präzisionsführung mit 2 kompliziert gestalteten Blattfedern zur Führung sowohl des Kerns als auch der Spule beschrieben.In the DT-OS 260 ^ 264 a precision guide with 2 complicated designed leaf springs for guiding both the core and the coil is described.
Diese Blattfedern sind sehr aufwendig und fertigungstechnisch schwer herstellbar.These leaf springs are very expensive and difficult to produce.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Ermittlung \'on Längenänderungen sowie auftretender Temperaturänderungen mitThe inventive solution allows the determination \ 'on length changes and temperature changes occurring with
16162-5-16162-5-
hoher Genauigkeit. Daraus ergeben sich Messungen von thermischen Ausdehnungskoeffizienten fester Stoffe mit einer hohenhigh accuracy. This results in measurements of thermal expansion coefficients of solids with a high
ι—Λ-,ι-Λ-,
Auflösung.Resolution.
Darlegung des Wesens der Erfindung . Explanation of the essence of the invention .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung,The invention is based on the object, a device,
,. ; 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.. ; to provide for the measurement of temperature-dependent changes in length, which can be used in a wide temperature range and has small measurement uncertainties. According to the invention the object is achieved in the following manner: The sample holder consists of a plurality of parallel quartz holding rods, which are fused at their ends on one side with a quartz plate and fixed on the other side with a quartz angle, z. B. by terminals connected. At this quartz angle, the splitter cube and the reference reflector of a known type of interferometer are fixedly mounted.
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.The illumination of the interferometer is carried out by means of a laser and a telescope for beam widening. · The tilt-inverted reflector of the interferometer is attached by means of a holder to a push rod made of quartz, which runs parallel to the quartz support rods. To transmit the temperature-dependent change in length of the sample, the push rod is guided in a leaf spring guide known type. In order to replace the samples or to be able to measure samples of different lengths, the leaf spring guide in turn can be moved by means of a dovetail guide. The push rod mechanically probes the sample on one side. · On the other side, the sample is supported by a quartz stud fused to the quartz plate.
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 WiderstandsthermometerFor temperature measurement, a resistance thermometer is used whose measuring insert has the same length as the sample. The measuring insert is arranged parallel to the sample so that both are symmetrical to the center of the radial temperature field of the furnace, in particular symmetrical to the axis of symmetry of the furnace. The resistance thermometer
2 1 6 1 6 2 -¥-2 1 6 1 6 2 - ¥ -
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. ·relies on a quartz stud, which is also fused with the quartz plate. The resistance thermometer is followed by an A / D converter, which is connected to the central processing unit. ·
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.The interferences are mapped to photoelectric receivers that drive corresponding pulse shaping stages. The output signals of the pulse shaper stages control a forward-reverse counter, which is also connected to the evaluation unit.
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.The sample holder is placed so that the sample and the measuring insert of the resistance thermometer are in the center of a controllable furnace, while the upper part of the quartz push rod with tilt-invariant reflector, the quartz angle with divider cube and J reference reflector, the optical imaging system, the photoelectric receiver and the Impulsformerstufen in one thermostatic housing.
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.If the temperature in the controllable furnace is changed, a temperature gradient always forms along the sample, ie in the direction of the inlet opening of the furnace. Characterized in that the measuring insert of the resistance thermometer is arranged directly next to the sample and parallel to this and also has the same length as the sample, the same temperature distribution is formed in the measuring insert as in the sample. Thus, regardless of the type of axial temperature distribution, the mean temperature of the sample is measured.
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-The temperature-dependent change in length of the sample is transmitted by means of the push rod on the tilt-inverted reflector and thus causes a corresponding change in retardation in the interferometer. By a photoelectric evaluation of the interference pattern with downstream front-to-back counter, a quantitative detection of the path difference. Both the digital signals of the length changes and the temperature measurements, which are obtained by means of an A / D converter, reach a central processing unit, in which the measurement result is formed photoelectric receiver and the pulse shaper
I O II O I
stufen sich in einem thermo st at iert em Gehäuse befinden, wird eine hohe Funktionssicherheit erreicht. If they are located in a thermostated housing, a high degree of functional reliability is achieved.
Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings show:
Fig. 1: Gesamtaufbau der Vorrichtung Fig. 2: Führungssysteme der Schubstange.Fig. 1: Overall structure of the device Fig. 2: guide systems of the push rod.
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.According to FIG. 1, a plurality of quartz holding rods 1 arranged parallel to one another are fused at their ends on one side to a quartz plate 2 and fixedly connected to a quartz angle 5 on the other side. Fixedly attached to the quartz angle 5 are the splitter cube 6 and the reference reflector 7. The tilt-invariant reflector 11 is fastened to the quartz push rod 9 by means of a holder 10. The quartz push rod 9 is guided by Fig. 2 by a leaf spring guide 14, which in turn can be moved in a dovetail guide 15. As shown in FIG. 1, the quartz push rod 9 mechanically scans the sample 8 on the one side. On the other side, the sample 8 is supported on a quartz stud 3, which is fused with the quartz plate 2. The resistance thermometer 12 is arranged so that its measuring insert 13 eggs has the same length as the sample 8, is located immediately adjacent to the sample 8 and parallel to this. The resistance thermometer 12 is supported on the quartz pin 4, which is also fused with the quartz plate 2. The illumination of the interferometer by means of the laser 25 and a telescope 24 * The optical imaging system 1? forms the interference phenomenon on the photoelectric receiver 18 from which pulse shaping stages 19 and a back-and-forth counter 21 are connected downstream. The up-down counter 21 and the resistance thermometer 12 downstream A / D converter 22 are connected to the central processing unit 23.
Die Probe 8 und der Meßeinsatz 13 befinden sich im Zentrum eines steuerbaren Ofens 16, während der obere Teil der Quarz-The sample 8 and the measuring insert 13 are located in the center of a controllable furnace 16, while the upper part of the quartz
16 16 2-6-16 16 2-6-
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. . . ·Push rod 9 with kippinvariantem reflector 11, the quartz angle 5 Diit divider cube 6 and reference reflector 7 "the optical imaging system 17" the photoelectric receiver 18 and the Impulsformer stages 19 are in the thermostated housing 20. , , ·
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