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Technisches Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer
Längenänderung
einer Probe, wobei die Vorrichtung zumindest zwei nebeneinander
in einer Messebene angeordnete Messstäbe, einen Lagerblock, in dem
die Messstäbe
in getrennten ersten Lagerungen um parallele erste Drehachsen drehbar
gelagert sind, die senkrecht zur Messebene verlaufen, eine Aufhängung für den Lagerblock,
in der der Lagerblock in einer zweiten Lagerung um eine zweite Drehachse
drehbar gelagert ist, die parallel zu den ersten Drehachsen verläuft, und einen
Messsensor zur Erfassung einer Änderung
eines Abstandes zwischen den Messstäben umfasst. Derartige Vorrichtungen
sind auch unter dem Begriff Extensometer bekannt.
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In
der Werkstoffprüfung
ist die Messung des Kraft-Verformungs-Verhaltens
erforderlich, um Aussagen zum Dehnungsverhalten, zum Elastizitätsmodul,
zum Hystereseverhalten, zur Bruchdehnung und zur Lebensdauer eines
Werkstoffes unter thermomechanischer zyklischer oder statischer
Beanspruchung zu erhalten. Viele Werkstoffe werden bei ihrem Einsatz
mit hohen Temperaturen, wechselnden Temperaturen und/oder hohen
Frequenzen belastet. In der Werkstoffprüfung müssen demnach Messsysteme verfügbar sein,
die eine Ermittlung von Längenänderungen
einer Probe als Basis für
die Berechnung der genannten Werkstoffeigenschaften auch bei wechselnden
Temperaturen, hohen Temperaturen und/oder hohen Belastungsfrequenzen
ermöglichen.
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Stand der Technik
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Neben
Messsystemen auf Basis von Dehnmessstreifen sowie berührungslosen
optischen Messsystemen werden für
die Messung der Längenänderungen
auch Extensometer eingesetzt, die einen direkten Kontakt zur Probe
erfordern. Bei diesen kontaktierenden Extensometern geben zwei Messstäbe, die über eine
reibschlüssige
Verbindung direkt an der zu messenden Probe anliegen, die Längenänderung
direkt an einen weiter entfernt von der Probe angeordneten Sensor
weiter, der eine Abstandsänderung
der Messstäbe
misst.
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Grundsätzlich besteht
bei bekannten Extensometern das Problem, dass diese entweder für die Messung
bei hohen Frequenzen oder bei hohen Temperaturen ausgelegt sind.
Messungen bei hohen Temperaturen erfordern in der Regel lange Messstäbe, um die
Wärmeübertragung
auf die Lagerungen und den Sensor zu reduzieren. Durch längere Stäbe steigen
jedoch die zu bewegenden Massen, so dass ein Einsatz derartiger
Extensometer für
Messungen bei hohen Belastungsfrequenzen nicht geeignet ist.
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Die
EP 0697095 B1 beschreibt
ein für
hohe Temperaturen geeignetes Extensometer, bei dem die beiden Messstäbe kardanisch
aufgehängt
sind. Um die Anforderungen an hohe Temperaturen zu erfüllen, sind
die Messstäbe
bei diesem Extensometer vorzugsweise aus keramischen oder faserkeramischen
Werkstoffen gebildet. Weiterhin ist das Extensometer mit einer Kühlein richtung
versehen, um Teile des Extensometers kontrolliert zu kühlen. Eine
derartige Kühlung
ist allerdings relativ aufwendig.
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Aus
der
US 4823473 ist ein
Extensometer zur Messung der Längenänderung
einer Probe bekannt, das zwei nebeneinander in einer Messebene angeordnete
Messstäbe
aufweist, die in einem Lagerblock in getrennten Lagerungen um parallele
erste Drehachsen drehbar gelagert sind, die senkrecht zur Messebene
verlaufen. Weiterhin ist eine Aufhängung für den Lagerblock vorgesehen,
in der der Lagerblock in einer Lagerung um eine zweite Drehachse
drehbar gelagert ist, die parallel zu den ersten Drehachsen liegt.
Die Messstäbe
bestehen aus einem hochtemperaturbeständigen Material, das einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von ≤ 10
–5 K
–1 aufweist.
Die Lagerungen für
die Messstäbe
und den Lagerblock sind bei dieser Druckschrift als Zapfenlagerungen
ausgebildet.
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Die
DE 3714185 C3 betrifft
ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung der axialen Dehnung eines Probestabes
mit zwei im Abstand und annähernd
parallel zueinander angeordneten und gegen den Probestab mittels
Federkraft andrückbaren
Messstäben, die
an jeweils einem Bauteil der Messvorrichtung schwenkbar gelagert
sind. Die Messstäbe
sind hierbei in einer einfachen Weise mittels Schwenklager, die
in Nieten bestehen können,
mit dem Gestell verbunden.
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Bei
dem Extensometer der
US
5083465 A sind die beiden Messstäbe ebenfalls über einfache Drehlagerungen mit
einem Lagerblock verbunden, der wiederum an einer Federaufhängung gelagert
ist.
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Die
US 4939445 zeigt ein Extensometer,
bei dem zwei Arme, deren Enden zur Kontaktierung der Probe ausgebildet
sind, über
ein Drehgelenk miteinander verbunden sind.
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Die
US 4884456 beschreibt ein
aufwendig aufgebautes Extensometer, bei dem ein parallelogrammartiger
Lagerrahmen für
die beiden Messstäbe
vorgesehen ist. Die Rahmenteile sind über Biegeverbindungen miteinander
verbunden, um eine ungehinderte Bewegung der beiden Messstäbe entlang ihrer
Längsachse
zu ermöglichen.
Auch eine Schwenkbewegung der Messstäbe wird durch Biegeverbindungen
ermöglicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kontaktierendes
Extensometer anzugeben, das einfach aufgebaut und für den Einsatz
bei hohen Temperaturen geeignet ist. Das Extensometer soll weiterhin
für eine
Messung bei hohen Frequenzen geeignet sein oder zumindest auf einfache
Weise angepasst werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die
vorgeschlagene Vorrichtung umfasst zumindest zwei nebeneinander
in einer Messebene angeordnete Messstäbe, die in getrennten ersten
Lagerungen in einem Lagerblock um parallele erste Drehachsen drehbar
gelagert sind, die senkrecht zur Messebene verlaufen. Der Lagerblock
ist in einer zweiten Lagerung in einer Aufhängung um eine zweite Drehachse
drehbar gelagert, die parallel zu den ersten Drehachsen verläuft. Die
Vorrichtung umfasst weiterhin zumindest einen Messsensor zur Erfassung
einer Änderung
eines Abstandes zwischen den Messstäben, die bei der Messung in
reibschlüssigem
Kontakt mit der Probe stehen. Die beiden Messstäbe sind aus einem hochtemperaturbestän digen Material,
vorzugsweise für
Temperaturen ≥ 1000° C, mit einem geringen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ≤ 10·10–6 K–1 gebildet.
Die Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die ersten
Lagerungen und die zweite Lagerung als Prismenlagerungen ausgebildet
sind.
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Durch
die Wahl von Prismenlagerungen für die
Lagerung der Messstäbe
und des Lagerblocks besteht nur ein punktueller Kontakt zu den Messstäben. Die
beiden Messstäbe
weisen hierbei unabhängig
von der Temperatur jeweils einen gleich bleibenden Abstand an den
Positionen der Lagerung auf, da der Wärmeübergang durch den nur punktuellen
Materialkontakt in der Prismenlagerung minimiert ist, so das eine
Erwärmung
des Lagerblocks durch die Wärmeleitung
in den Stäben
nahezu ausgeschlossen werden kann. Eine Verklemmung oder Änderung
der Position aufgrund einer erhöhten
Wärmeleitung durch
die Stäbe
in die Lagerung und damit eine Verfälschung des Messergebnisses
kann daher nicht auftreten. Dies gilt auch für Einflüsse wechselnder Temperaturen.
Die Messstäbe
selbst sind aufgrund der Prismenlagerung spielfrei gelagert. Die
spielfreie Lagerung bietet insbesondere Vorteile bei einer Lastumkehr,
d. h. bei Messungen an Proben unter zyklischer Beanspruchung. Auf
der anderen Seite bietet die Wahl einer Prismenlagerung den Vorteil
eines einfachen, robusten und somit störungsunempfindlichen Aufbaus
des Extensometers.
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Das
vorliegende Extensometer ist unempfindlich gegenüber Veränderungen der Probenoberfläche infolge
hoher Temperaturen, bspw. durch Verzunderung, und kann aufgrund
der kompakten Bauweise bei geeigneter Wahl der Dimensionen der Messstäbe auch
für Messungen
bei hohen Frequenzen eingesetzt werden. Hierzu werden Messstäbe aus einem
Leichtbaumaterial, d.h. vorzugsweise mit einer Dichte von ≤ 4 g/cm3, gewählt
und/oder die Messstäbe
in Leichtbauweise ausgeführt.
Unter der Ausführung
in Leichtbauweise ist hierbei die geometrische Gestaltung der Stäbe zu verstehen,
die dann nicht aus einem Vollmaterial gebildet sind, sondern ein
entsprechendes Leichtbauprofil aufweisen, bspw. in Form eines dünnwandigen
Rohres oder mit einer unterbrochenen Tragstruktur ausgebildet sind.
Für eine
Messung bis zu einer Frequenz von 100 Hz sind die Messstäbe hierbei
so ausgebildet, dass ihre Eigenfrequenz deutlich oberhalb von 100
Hz liegt. Vorzugsweise wird die Länge der Stäbe hierbei sehr kurz, beispielsweise
zwischen 100 mm und 180 mm gewählt.
Aufgrund der Wahl aus einem Material mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
in Kombination mit den Prismenlagerungen kann trotz dieser kurzen
Stäbe eine
Messung bei Temperaturen oberhalb von 1000° C erfolgen. Auch die Wahl des Messsensors
muss hierbei selbstverständlich
so erfolgen, dass dieser den Temperaturen standhält, denen er während der
Messung ausgesetzt ist. Vorzugsweise wird hierbei ein kapazitiver
Messsensor eingesetzt.
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Als
geeignete Materialien für
die Messstäbe sind
bspw. keramische Materialien, Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid
geeignet. Vorzugsweise besteht auch der Lagerblock aus einem derartigen
Material mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, wie
bspw. einem keramischen Material.
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Durch
die Wahl einer sich selbst justierenden doppelten spielfreien Prismenlagerung
in Kombination mit den genannten Materialien wird ein universeller
Einsatz des vorliegenden Extensometers ermöglicht. Das Extensometer ist
aufgrund seines einfachen Aufbaus sehr robust und kostengünstig herzustellen.
Es eignet sich bei geeigneter Wahl der Materialien für die Messung
der Verformung einer Probe unter mechanischer Beanspruchung bei
hohen Temperaturen von bis zu 1600° C und hohen Frequenzen bis
oberhalb von 100 Hz. Gegebenenfalls kann eine Erwärmung des
Lagerblocks durch Strahlungs- und Konvektionswärme durch den zusätzlichen
Einbau von Wärmeschutzblechen
verringert werden. Das Extensometer ist besonders für die Vermessung
von Proben unter wechselnden Bedingungen geeignet, wie sie bspw.
bei thermomechanischen Ermüdungsversuchen
(Zyklierung der Temperatur und/oder der mechanischen Belastung)
oder bei vorgegebenen Lastzyklen, bspw. der Überlagerung von low-cycle-fatigue
(lcf) und high-cycle-fatigue (hcf) vorliegen. Durch die spielfreie
Lagerung ist die Genauigkeit der Messsignale hoch. Damit kann das
Extensometer auch zur Steuerung von Prüfmaschinen, bspw. durch Vorgabe
einer zu erreichenden Längenänderung, verwendet
werden. Bei nicht spielfreier Lagerung würde dies durch geringe Ungenauigkeiten
bei der Richtungsumkehr (von Stauchung zu Dehnung oder umgekehrt)
erschwert oder unmöglich
gemacht. Die Spielfreiheit der Lager wird durch den vorliegenden Aufbau
des Extensometers auch bei Temperaturänderungen aufrechterhalten.
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In
bevorzugten Ausgestaltungen der vorliegenden Vorrichtung sind die
Gleitflächen
der Prismenlagerung zusätzlich
mit einer reibungsmindernden Beschichtung versehen, um einen geringeren Anpressdruck
der Messstäbe
an die Probe realisieren zu können.
Weiterhin kann der Lagerblock weitere Prismenlagerungen aufweisen,
in denen die Messstäbe
ebenfalls gelagert werden können.
Durch geeignete Anordnung dieser weiteren Prismenlagerungen lässt sich
dann der Abstand der Messstäbe
stufenweise einstellen, um unterschiedliche Messlängen wählen zu
können.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
vorliegende Vorrichtung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen
Schutzbereichs nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
die Ausgestaltung der Prismenlagerung für die Messstäbe im Lagerblock
in zwei Schnittdarstellungen;
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2 ein
Beispiel für
die Ausgestaltung der Prismenlagerung des Lagerblocks in der Aufhängung in
zwei Schnittdarstellungen;
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3 eine
Gesamtdarstellung des Extensometers ohne Messsensor; und
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4 ein
Beispiel für
einen Lagerblock mit zusätzlichen
Prismenlagerungen zur gestuften Einstellung von Tastabständen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Im
vorliegenden Beispiel wird eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen
Extensometers beschrieben, die eine Messung bei hohen Temperaturen
von bis zu 1650° C
und hohen Frequenzen von mindestens 100 Hz ermöglicht.
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3 zeigt
eine Gesamtdarstellung dieses Extensometers, bei der allerdings
der hierbei eingesetzte kapazitive Messsensor nicht dargestellt
ist. Das Extensometer weist die beiden Messstäbe 1 auf, die mit
ihren in der Figur sichtbaren Spitzen an einer zu messenden Probe
angelegt werden. An den gegenüberliegenden
Enden der Messstäbe 1 sind
diese mit dünnen
Stiften 2 durchbohrt. Diese Stifte 2 sind fest
mit den Messstäben 1 verbunden,
bspw. in entsprechende Bohrungen der Messstäbe 1 eingeklebt. Die
Stifte 2 bilden die Drehachsen, um die die Messstäbe 1 drehbar
sind. Die dünnen
Stifte 2 werden durch Federn 4 in einer Prismenaufnahme 3 des
Lagerblocks 5 gehalten. Damit sind diese Stifte 2 und indirekt
auch die Messstäbe 1 spielfrei
im Lagerblock 5 gelagert. 1 zeigt
hierzu eine Detaildarstellung einer derartigen Prismenlagerung in
zwei Schnittansichten von vorne und von der Seite.
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Auf
den beiden Messstäben 1 wird
je ein Teil eines kapazitiven Messsensors im Bereich zwischen dem
Lagerblock 5 und den an der Probe anliegenden Spitzen der
Messstäbe 1 angebracht.
Die Position des Messsensors auf den Messstäben 1 ist je nach gewünschter
Messgenauigkeit und erforderlicher Temperaturbeständigkeit
frei wählbar.
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Der
Lagerblock 5, in dem sich die Prismenlagerung mit der Prismenaufnahme 3 für die Stifte 2 und
damit für
die Messstäbe 1 befindet,
ist in ähnlicher
Weise wie die Messstäbe 1 in
einer Prismenlagerung 6 einer Wippe 7 drehbar
gelagert. Dadurch wird ein Längenausgleich
der Messstäbe 1 ermöglicht. 2 zeigt
diese Prismenlagerung 6 des Lagerblocks 5 in zwei
Schnittdarstellungen von vorne und von der Seite.
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Die
Wippe 7 ist an einer Halterung 8 einseitig drehbar
befestigt und wird durch Federn 9 gegen einen Anschlag
gedrückt.
Die Federn 9 bestimmen je nach Auslenkung die Anpresskraft
der Messstäbe 1 gegen
die Probe. Weiterhin ist in der 3 noch eine Justageeinheit 10 zu
erkennen, die der Justage der Messstäbe 1 vor Beginn der
Messung dient. Diese Justageeinheit 10 kann im vorliegenden
Beispiel abgenommen werden.
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In
einer alternativen Ausgestaltung wird die Anpresskraft der Messstäbe 1 an
die Probe nicht über
Federn sondern über
ein oder mehrere Gewichte definiert eingestellt. Hierzu können die
in der 3 dargestellten Haltestifte für die Federn 9 genutzt
werden. Das Gewicht wird an einem dünnen Seil befestigt, das um
einen dieser Haltestifte geführt
und am anderen Haltestift befestigt wird.
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Um
die Anforderungen an die hohen Temperaturen und hohen Frequenzen
zu erfüllen,
werden im vorliegenden Beispiel Messstäbe 1 aus Aluminiumoxid
als dünnwandige
Rohre mit einer Länge
im Bereich zwischen 100 bis 180 mm ausgeführt. Der Lagerblock 5 wurde
aus einem keramischen Material hergestellt, das ebenfalls einen
sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Durch
die Wahl des Lagerblocks 5 aus einem derartigen Material
wird der Einfluss von Temperaturwechseln auf die Messung zusätzlich verringert.
Mit dem dargestellten Extensometer konnte eine Messgenauigkeit von < 0,1 μm erzielt
werden.
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Das
gesamte Extensometer lässt
sich auch in Vakuum, in Schutzgas, unter Druck sowie in Kammern
einsetzen, die unter erhöhter
Temperatur stehen. Die maximale Temperatur wird durch die Wahl der
Konstruktionsmaterialien und die elektrischen Zuleitungen für den oder
die Messsensoren bestimmt. Die Weiterverarbeitung der Messsignale
erfolgt in bekannter Weise wie bei Extensometern gemäß dem Stand
der Technik.
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Während in
dem Beispiel der 1 bis 3 der Lagerblock 5 für jeden
der Messstäbe 1 eine
doppelte (d.h. beidseitige) Prismenlagerung aufweist, kann ein derartiger
Lagerblock auch mit weiteren Prismenlagerungen versehen sein. Dies
ist schematisch in 4 angedeutet, die die parallel
gegeneinander versetzten Prismenaufnahmen 3 der Prismenlagerungen
mit eines derartigen Lagerblocks 5 zeigt. Durch eine derartige
Anordnung der Prismenlagerungen lassen sich die Messstäbe 1 in
unterschiedlichem Abstand zueinander einsetzen, so dass die Messlänge in Stufen,
beispielsweise in Stufen von 5 mm bis zu einer maximalen Messlänge von
50 mm, eingestellt werden kann.
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Unter
Messlänge
wird hierbei der Abstand der beiden Spitzen der Messstäbe auf der
Probe verstanden.
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- 1
- Messstäbe
- 2
- Stifte
- 3
- Prismenaufnahme
- 4
- Feder
- 5
- Lagerblock
- 6
- Prismenlagerung
- 7
- Wippe
- 8
- Halterung
- 9
- Feder
- 10
- Justageeinheit