DE102011051561A1 - Dilatometer zur Messung von metallischen Proben - Google Patents
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Abstract
Ein Dilatometer (1) zur Messung von metallischen Proben, umfassend einen Probenhalter (4, 14), an dem eine Probe (3) fixierbar ist, mindestens einer an der Probe (3) angeordneten Induktionsspule (5) zum Erhitzen der Probe (3) und mindestens einen Messfühler (11) zum Messen der Temperatur der Probe (3), wobei eine optische Messeinrichtung (6, 9) zur Erfassung einer Längenän derung der Probe (3) vorgesehen ist. Dadurch kann eine Längenänderung der Probe abhängig von der Temperatur exakt erfasst werden.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dilatometer zur Messung von metallischen Proben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Es gibt Dilatometer, bei denen eine metallische Probe in Längsrichtung zwischen zwei Stempeln eingespannt wird. Durch eine Induktionsspule wird die Probe aufgeheizt und die Längenänderung mit Hilfe der beiden Stempeln gemessen. Zudem wird die Probentemperatur in einem mittleren Bereich der Probe erfasst. Bei einem solchen Dilatometer ist nachteilig, dass an den Kontaktflächen zu den Stempeln Wärme aus der Probe abfließt und dadurch ein Temperaturgradient innerhalb der Probe entsteht, so dass die Korrelation zwischen gemessener Temperatur und Längenänderung beeinflusst wird. Insbesondere bei zu untersuchenden Phasenumwandlungen kann dies dazu führen, dass diese innerhalb der Probe nicht zeitgleich ablaufen, da die Phasenumwandlung z. B. in einem mittleren Bereich schon beendet ist, während sie in den Randbereichen der Probe erst startet. Ungleichförmigkeiten des Induktionsfeldes beeinflussen diesen Temperaturgradienten zusätzlich negativ. Die Messungen bei solchen Dilatometern ist, da die Phasenumwandlung nicht einwandfrei detektiert werden kann, mit Fehlern behaftet was sich gerade bei hohen Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten bemerkbar macht.
- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Dilatometer zur Messung von metallischen Proben zu schaffen, mittels dem eine exakte Messung der temperaturabhängigen Längenänderung möglich ist.
- Diese Aufgabe wird mit einem Dilatometer mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
- Erfindungsgemäß umfasst das Dilatometer eine optische Messeinrichtung zur Erfassung einer Längenänderung der Probe. Dadurch ist es möglich, eine berührungslose Messung einer Längenänderung vorzunehmen. Durch diese berührungslose Messung erfolgt kein Wärmeabfluss an der Messstelle. Zudem lässt sich die Längenänderung mit der optischen Messeinrichtung mit hoher Genauigkeit durchführen.
- Vorzugsweise erfasst die optische Messeinrichtung eine Längenänderung in einer Messebene und der Messfühler zum Messen der Temperatur der Probe misst die Temperatur im Bereich dieser Ebene. Dadurch kann dies selbst bei eines in Längsrichtung Vorliegenden Temperaturgradienten eine exakte Längenänderungsmessung durchgeführt werden, da die Messung der Temperatur im Bereich der Messung der Längenänderung stattfindet. Messung der "Längenänderung" bedeutet in diesem Zusammenhang nicht unbedingt eine Messung in Längsrichtung einer Probe, sondern in irgendeiner Richtung der Probe, vorzugsweise quer zu einer Längsrichtung der Probe. Der Messfühler kann die Temperatur im Bereich der Messebene der optischen Messeinrichtung erfassen, wobei im Bereich auch einen geringfügigen Abstand des Messfühlers von der Messebene erfassen soll, der die Messung nicht nachteilig beeinflusst.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die optische Messeinrichtung einen Sender und einen Empfänger und mindestens einen Messfühler zum Messen der Temperatur auf, welcher sich im Schatten der optischen Messeinrichtung an der dem Empfänger zugewandten oder abgewandten Seite der Probe befindet. Dadurch kann eine Temperaturmessung exakt in der Messebene erfolgen, wobei der Messfühler die optische Messeinrichtung nicht stört da er sich im Schatten oder der dem Sender zugewandten Seite befindet. Lediglich die durch die optische Messeinrichtung vermessenen Randbereiche der Probe sollten von dem Messfühler frei gehalten werden.
- Bei der optischen Messeinrichtung kann als Sender eine Lichtquelle mit einem Kollimator zur Erzeugung eines parallelen Strahlenganges eingesetzt werden.
- Als Empfänger können Sensoren eingesetzt werden, die das Schattenbild der Probe erfassen, beispielsweise ein Hochgeschwindigkeits- Linear-CCD-Sensor. Der Messfühler zum Messen der Temperatur kann daher im "Schattenbereich" der optischen Messeinrichtung die Probe kontaktieren und behindert so nicht die Messung einer Längenänderung.
- Vorzugsweise ist der Messfühler als Thermoelement ausgebildet, das mit der Spitze an der Probe fixiert ist. Aufgrund des geringen Querschnittes der Leiter der Thermoelemente beeinflussen diese nicht nachhaltig die Temperatur der Probe.
- Die mindestens eine Induktionsspule weist in einem mittleren Bereich vorzugsweise einen Spalt auf und eine Messebene der optischen Messeinrichtung ist im Bereich dieses Spaltes angeordnet. Dadurch kann die Messebene senkrecht zu einer Längsrichtung der Probe ausgerichtet werden, wobei lediglich die Steigung der Induktionsspule in dem Bereich des Spaltes geringfügig erhöht wird, um Platz für eine Messebene der optischen Messeinrichtung zu schaffen. Die mindestens eine Induktionsspule kann beliebige Formen besitzen. Vorzugsweise werden Rundspulen, aber auch Flachspulen und speziell angepasste Spulen verwendet, welche für die optische Messeinrichtung im mittleren Bereich einen Spalt auf weisen damit der Messstrahl ungehindert die Längenänderung der Probe erfassen kann. Es ist zudem auch möglich, eine spiralförmige Induktionsspule mit einer gleichmäßigen Wicklung zu versehen und die Messebene im Wesentlichen parallel zu der Steigung der Wicklung auszurichten, so dass auf die Anordnung eines breiteren Spaltes im Bereich der Induktionsspule verzichtet werden kann.
- Vorzugsweise umfasst der Probenhalter zwei Stempel bzw. Übertragungsstangen, zwischen denen die Probe in eine Längsrichtung einspannbar ist. Dabei kann über die Übertragungsstangen auch eine Längenänderung in Längsrichtung der Probe erfassbar sein. Zusätzlich kann die optische Messeinrichtung dann eine Messung im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung durchführen.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Dilatometers; -
2 eine vergrößerte Detailansicht des Dilatometers der1 im Bereich der Probe; -
3 eine vergrößerte Ansicht der Probe im Bereich des Probenhalters mit einem Temperaturprofil; -
4 eine Ansicht des Dilatometers der1 mit einem modifizierten Probenhalters, und -
5 eine Ansicht des Dilatometers der4 im Bereich der Probe. - Ein Dilatometer
1 umfasst einen Probenraum2 innerhalb eines Gehäuses, wobei eine metallische Probe3 in einem Probenhalter eingespannt ist, der durch einen ersten Stempel4 und einen zweiten Stempel14 gebildet ist. Die Probe3 kann ein zylindrischer Stab, Rohr, Quader, Polygon oder ein anderer geometrischer Körper sein. Nachfolgend wird als Längsrichtung die Richtung verstanden, die entlang der Längsachse der Stempel4 und14 verläuft. - Der Probenraum
2 kann mit einem Schutzgas und/oder Vakuum werden, thermisch isoliert sein und andere Funktionalitäten haben, die hier nicht näher beschrieben werden. - Zur Messung einer Längenänderung der Probe
3 ist eine optische Messeinrichtung mit einem Sender6 und einem Empfänger9 vorgesehen. Der Sender6 umfasst eine Lichtquelle, beispielweise eine Hochleistungs-GaN-LED, die ein Licht mit konstanter Wellenlänge ausstrahlt, das dann über ein optisches System, beispielsweise mit einem Kollimator und einem Diffusor, auf die Probe3 gerichtet wird. Dadurch wird ein bandförmiger Strahlengang7 von dem Sender6 emittiert, der in einem mittleren Bereich der Probe3 auftrifft, also in einem Bereich zwischen ca. 30 % und 70 % der gesamten Länge der Probe3 . - Auf der der Probe
3 abgewandten Seite trifft ein bandförmiger Strahlengang8 auf einen Empfänger9 auf, wobei der bandförmige Strahlengang8 ein Schattenbild der Probe3 in den Empfänger9 projiziert. Als Empfänger kann ein optischer Sensor zur exakten Erfassung der Länge der Probe3 im Bereich der Messebene angeordnet sein, wobei die Messebene durch den bandförmigen Strahlengang7 und8 gebildet ist. Die Messebene der optischen Messeinrichtung ist dabei im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Probenhalter4 und14 ausgerichtet. - Um die Probe
3 ist in dem Probenraum2 eine Induktionsspule5 angeordnet, die sich in Längsrichtung über die Probe3 hinaus erstreckt. Über die Induktionsspule5 kann die Probe3 mit hoher Geschwindigkeit beheizt werden, beispielsweise mit über 1.000 K/s. - Ferner kann beim Erhitzen oder Abkühlen der Probe
3 eine Längenänderung in Längsrichtung der Probe3 erfasst werden, da ein Wegaufnehmer10 vorgesehen ist, der mit dem zweiten Stempel14 verbunden ist, wobei eine Bewegung des zweiten Stempels14 gemessen wird. Der erste Stempel4 ist feststehend ausgebildet. - Wie in der vergrößerten Ansicht der
2 gezeigt ist, befindet sich an der Probe3 ein Messfühler11 in Form eines Thermoelementes, das mit einer Spitze an der Probe3 festgelegt ist, beispielsweise durch Punktschweißen. Das Thermoelement11 umfasst einen ersten Leiter12 und einen zweiten Leiter13 , deren Querschnitte im Verhältnis zur Probe3 sehr gering ausgebildet sind, so dass ein Wärmeabfluss durch die Leiter12 und13 vernachlässigbar ist. - Die Spitze des Thermoelementes
11 ist im Schattenbereich der Probe3 im Bereich der Messebene der optischen Messeinrichtung angeordnet, die dem Empfänger9 zugewandt ist. Dadurch wird die Temperatur der Probe3 relativ exakt an der Position erfasst, an dem auch die Messung der Längenänderung durch die optische Messeinrichtung erfolgt. Vorzugsweise ist der Thermofühler11 exakt im Bereich der Messebene angeordnet. - Zum Erhitzen der Probe
3 ist die Induktionsspule5 um die Probe3 gewickelt, wobei auch Flachspulen oder andere der Situation angepassten Spulenformen eingesetzt werden können. Im Bereich der optischen Messeinrichtung bzw. der Messebene zwischen zwei benachbarten Wicklungen der Induktionsspule5 ist ein Spalt L ausgebildet. In diesem Spalt L ist die Steigung der Wicklung etwas größer gewählt, damit der Strahlengang7 in einer Ebene auf die Probe3 auftreffen kann und zudem der Strahlengang8 ohne Beeinflussung einer Wicklung vom Empfänger9 empfangen werden kann. Es wäre auch möglich, die Messebene der optischen Messeinrichtung durch den Strahlengang7 und8 leicht geneigt auszurichten, um den Spalt L zwischen zwei Wicklungen der Induktionsspule5 zu verringern. Dann wäre die Messebene nicht mehr exakt senkrecht zur Längsrichtung des Probenhalters ausgerichtet. - In
3 ist die Probe3 zwischen dem ersten Stempel4 und dem zweiten Stempel14 des Probenhalters eingespannt. Die Probe3 wurde durch die Induktionsspule5 erhitzt, und wie zu erkennen ist, besitzt die Probe3 in einem mittleren Bereich eine Temperatur von 1.000 °C, wäh rend in den Randbereichen ein Wärmeabfluss an dem ersten Stempel4 und dem zweiten Stempel14 erkennbar ist, so dass dort lediglich eine Temperatur von 995 °C vorhanden ist. Diese Temperaturdifferenz dT kann bei dem vorliegenden Dilatometer zu keinen Messungenauigkeiten führen, da die Messebene der optischen Messeinrichtung und der Messfühler zum Messen der Temperatur der Probe in einem mittleren Bereich der Probe3 angeordnet sind, in dem kein Temperaturabfluss an den Probenhalter4 und14 mehr vorliegt. Dadurch kann gerade bei der Phasenumwandlung einer metallischen Probe z. B. zwischen Hochtemperaturphase (Austenit) und Niedrigtemperaturphase (Martensit) eine exakte temperaturabhängige Längenänderungsmessung erfolgen. - Während das Dilatometer
1 in den1 und2 in einem Abschreckmodus gezeigt ist, bei dem sich die Probe3 infolge einer Temperaturänderung ausdehnt oder zusammenzieht, ist in4 das Dilatometer1 der1 in einem Deformationsmodus dargestellt. Dabei sind dieselben Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Im Deformationsmodus wird als Probenhalter ein erster Stempel 4' und ein zweiter Stempel14' eingesetzt, die einen gegenüber der Probe3 deutlich größeren Querschnitt besitzen. Dadurch kann die Probe3 bei beliebigen Temperaturen gestaucht und anschließend rasch abgekühlt werden, um beispielsweise ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubild zu erzeugen. Durch die Induktionsspule5 kann die Probe3 erhitzt werden, während durch ein Umspülen der Probe3 mit Gas, abgekühlt werden. Durch die optische Messeinrichtung mit dem Sender6 und dem Empfänger9 kann eine Längenänderung abhängig von der Temperatur gemessen werden. - Im Bereich der Messebene ist ein Temperaturfühler
11 vorgesehen, der entsprechend2 ausgebildet ist und auf der Seite des Senders6 angeordnet ist, allerdings in einem mittigen Bereich der Probe3 und nicht in den Randbereichen, die von der optischen Messeinrichtung erfasst werden.
Claims (8)
- Dilatometer (
1 ) zur Messung von metallischen Proben, umfassend: a) einen Probenhalter (4 ,14 ), an dem eine Probe (3 ) fixierbar ist, b) mindestens einer an der Probe (3 ) angeordneten Induktionsspule (5 ) zum Erhitzen der Probe (3 ), c) mindestens einen Messfühler (11 ) zum Messen der Temperatur der Probe (3 ), dadurch gekennzeichnet, dass d) eine optische Messeinrichtung (6 ,9 ) zur Erfassung einer Längenänderung der Probe (3 ) vorgesehen ist. - Dilatometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung (
6 ,9 ) eine Längenänderung in einer Messebene erfasst und der Messfühler (11 ) die Temperatur der Probe (3 ) genau im Bereich dieser Ebene misst. - Dilatometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung einen Sender (
6 ) und einen Empfänger (9 ) aufweist und der Messfühler (11 ) zum Messen der Temperatur an der dem Empfänger (9 ) zugewandten Seite die Probe (3 ) kontaktiert. - Dilatometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (
11 ) als Thermoelement ausgebildet ist, das mit der Spitze an der Probe (3 ) fixiert ist. - Dilatometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Induktionsspule (
5 ) in einem mittleren Bereich einen Spalt (L) aufweist und eine Messebene der optischen Messeinrichtung im Bereich des Spaltes (L) angeordnet ist. - Dilatometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter zwei Stempel (
4 ,14 ;4' ,14' ) umfasst, zwischen denen die Probe (3 ) in eine Längsrichtung einspannbar ist. - Dilatometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebene der optischen Messeinrichtung (
6 ,9 ) im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung ausgerichtet ist. - Dilatometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Probenhalter (
4 ,14 ) auch eine Längenänderung in eine Längsrichtung der Probe (3 ) erfassbar ist.
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