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Dehnungsmesser Die Erfindung bezieht sich auf als Dehnungsmesser bekannte
Geräte zum Messen von in Werkstücken auftretenden Spannungen, die mit mehreren aus
hartem Werkstoff bestehenden, an Füßen befestigten Meßspitzen auf eine Fläche des
zu prüfenden Werkstücks aufsetzbar sind und deren Füße innerhalb geringer Grenzen
elastisch gegeneinander verschwenkbar sind. Der Abstand der Spitzen bestimmt die
Länge einer Meßstrecke auf einer Werkstückfläche, mit deren durch Werkstoffspannungen
im Prüfling verursachter Änderung sich auch der Abstand der Spitzen und damit die
Stellung der schwenkbaren Füße zueinander ändert. Die Lageveränderungen der Füße
werden dazu ausgenutzt, meßbare Veränderungen in elektrischen Widerständen, Induktivitäten
oder Kapazitäten herbeizuführen, die ihrerseits ein Maß für die im Werkstück aufgetretenen
Spannungen oder Spannungsänderungen darstellen.
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Bekannte Dehnungsmesser dieser Art sind mit zwei schwenkbaren Füßen
versehen und daher nur zum Messen in einer einzigen Richtung geeignet. Eine gleichzeitige
Messung von in verschiedenen Richtungen an einer Werkstückfläche auftretenden Längenänderungen
erlaubt dagegen ein gleichfalls bekannter Dehnungsmesser mit drei im Dreieck angeordneten
Meßspitzen und drei diese Spitzen tragenden hebelartigen Füßen, von denen jeweils
zwei durch einen Z-förmigen Steg unmittelbar miteinander verbunden und um etwa die
Mitte dieses Steges gegeneinander verschwenkbar sind. Zwischen an den oberen Hebelarmen
je zweier Füße angeordneten, gegeneinander gerichteten Kontaktstücken befindet sich
dabei ein elektrischer Widerstand, der mit jeder Verlagerung dieser Füße und Kontaktstücke
zueinander seinen Wert ändert. Es leuchtet ein, daß jede Änderung des Abstandes
von nur zwei Spitzen außerdemVerschwenken der beiden sie tragenden Füße in ihrer
genin samen Ebene auch eine Lageänderung der oberen Hebelarme dieserFüße gegenüber
dem oberenHebelarm des dritten Fußes sowie den an diesem angebrachten Kontaktstücken
und damit eine Verlagerung sämtlicher paarweise zwischen je zwei Füßen gegeneinander
gerichteten Kontaktstücken zur Folge hat. Das bedeutet aber daß bei Oberflächenveränderungen
am Werkstück, die eine Veränderung des Abstandes von nur zwei Spitzen bewirken,
alle am Dehnungsmesser vorhandenen Widerstände ihre Werte ändern. Es wird also eine
zweidimensionale Flächenänderung angezeigt, auch wenn die Meßfläche sich nur in
einer Dimension ändert. Andererseits wird auch bei einer mehrdimensionalen Flächenändesung
das Meßergebnis verfälscht.
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Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Dehnungsmessers mit drei
im Dreieck angeordneten Meßspitzen, die an in verschiedenen, zueinander nicht parallelen
und zur Mehrfläche senkrechten Ebenen schwenkbaren und über Hebelarme wenigstens
einen elektrischen Stromkreis beeinflussende Meßelemente betätigenden Füßen sitzen,
der die geschilderten Nachteile bekannter Geräte dieser Art nicht aufweist. Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die die Meßspitzen tragenden hebelartigen
Füße derart an einem Zwisehenstück gelenkig befestigt sind, daß sie unabhängig voneinander
in verschiedenen, sich in der Achse des Gerätes schneidenden Ebenen schwenkbar sind.
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Infolge dieser Anordnung der Füße an einem Zwischenstück kann jeder
Fuß seine Lage gegenüber dem Zwischenstück und damit zu den anderen beiden Füßen
ändern, ohne daß deren Stellung zueinander beeinflußt wird.
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Die Meßspitzen liegen vorzugsweise an den Ecken eines gleichseitigen
Dreiecks. Ein fester Stand des Gerätes auf dem zu prüfenden Werkstück wird mit Hilfe
eines Magneten oder Saugkopfes erreicht. Derartige Festhaltevorrichtuingen erlauben
das Anbringen des Gerätes an auch stark geneigten Flächen sowie ein einfaches und
schnelles Versetzen des Gerätes in eine andere Stellung oder auf ein anderes Werkstück.
Die Festhaltevorrichtung ist vorzugsweise
am Zwischenstück angebracht,
woraus sich der besondere Vorteil ergibt, daß sie nur mit der von den Spitzen begrenzten
Meßfläche des Werkstücks zusammenwirkt.
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Die Erfindung sei an Hand eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben, bei dem die Bewegungen der Füße auf Freidrahtgeber,
d. h. auf vorgespannte elektrisch leitende Drähte, übertragen werden, deren Querschnitt
sich entsprechend den Veränderungen ihrer Länge ändert, wobei durch Veränderung
ihres elektrischen Widerstandes der durch die Geber fließende elekfrische Strom
beeinflußt wird.
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Das gezeichnete Ausfühnmgsbeispiel ist der Deutlichkeit halber vergrößert
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen in der Richtung A-A der Fig. 2 gesehenen Dehnungsmesser,
dessen Schutzhaube im Schnitt dargestellt ist, um die Teile des Gerätes sichtbar
zu machen; Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der LinieB-B in Fig. 1, Fig. 3 einen
Schnitt durch die Mittellinie C-C der Fig. 2 und Fig. 4 je einen Teilschnitt senkrecht
zur MittelachseD-D der Fig. 1 und 3 und längs der Linien E-E, F-F und G-G der Fig.
1; Fig. 5 bis 8 erläutern schematisch die Wirkungsweise des Dehnungsmessers, und
Fig. 9 zeigt ein elektrisches Schaltschema.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels ist angenommen, daß
das Gerät auf : einer waagerechten Fläche aufgestellt ist, obwohl es mit Hilfe einer
der Festhaltevorrichtungen in beliebiger Lage angebracht werden kann. Die Ausdrücke
»oben« und »unten« in der Beschreibung der Fig. 1 und 3 beziehen sich also lediglich
auf die gezeichnete Stellung des Ausführungsbeispiels.
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In Fig. 1 bis 4 bezeichnet 1 ein Zwischenstück für drei mit Hilfe
von Schrauben 2 daran befestigten Füßen 3, die an ihren unteren Enden mit Meßspitzein
4 versehen sind. Am oberen Ende eines jeden Fußes 3 und oberhalb des Zwischenstückes
1 ist auf der der MittelachseD-D zugekehrten Seite ein mit dem Fuß fest verbundener
Isolator 6 angebracht, der Stifte 7 trägt. Entsprechende, mit Stiften 9 versehene
Isolatoren 8 sind auch unterhalb des Zwischenstückes 1 an jedem Fuß 3 angebracht.
Die Stifte 7 und 9 sind so angeordnet, daß sie auf je zwei benachbarten Isolatoren
zueinander parallel sind (Fig 2 und 4). Die Füße 3 sind ferner an ihren oberen Enden
mit Stiften 10 und unterhalb des Zwischenstückes 1 mit Stiften 11 versehen, die
auf jeweils zwei benachbarten Füßen zueinander parallel sind.
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Um jedes Paar oberer und jedes Paar unterer paralleier Stifte 10
bzw. 11 ist je ein Geberdraht 12 bzw.
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13 so gespannt, daß er zwischen den Stiften eine Anzahl von im wesentlichen
zueinander paralleienflrahtteilen bildet, die unter einer gewissen Zugvorspannung
stehen. Die Enden je eines um zwei Stifte 10 gewickelten Geberdrahtes 12 sind an
zwei auf benachbarten Isolatoren 6 angebrachten Stiften 7 befestigt. In entsprechender
Weise sind die Enden je eines um zwei Stifte 11 gewickelten Geberdrahtes 13 mit
den Stiften 9 zweier benachbarter Isolatoren 8 verbunden. Die Stifte 10, 11 bestehen
aus Aluminium und sind auf ihrer Oberfläche oxydiert, um die Geber-
drähte von den
Füßen zu isolieren. Die Drähte sind ferner auf den Stiften 10, 11 bzw. 7, 9 festgeklebt,
so daß sie sich nicht verschieben können.
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Die drei oberen Geber 12 verbinden die oberen Enden zweier Füße 3
miteinander, während die drei unteren Geber 13 die unteren Enden zweier Füße miteinander
verbinden. Die Drahtenden an den Stiften 7 bzw. 9 sind an Leitungen angeschlossen,
die durch eine Schutzhaube 17 nach außen zu einem Anzeige- oder Reigistrierinstrument
geführt sind. Diese Leitungen sind in den später zu beschreibenden Fig. 8 und 9
gezeigt.
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Wenn die am Zwischenstück 1 festgeschraubten Füße 3 unbeeinflußt
von Verstellkräften sind, stehen sie parallel zueinander und zur Mittelachse D-D.
Sie sind jedoch so ausgebildet, daß sie je in einer durch die Mittelachse D-D gehenden
Ebene federnd schwenkbar sind. Zu diesem Zweck hat jeder Fuß 3 zwei durch Einschnitte
3 c gebildete Seitenteile 3 b, deren oberer Teil 14 zur federnden Aufhängung der
Füße im Querschnitt geschwächt ist.
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Im Zwischenstück 1 ist ein nach unten gerichteter Dauermagnet 5 angeordnet,
dessen unteres Ende sich etwas oberhalb der Meßfläche befindet, auf die der Dehnungsmesser
aufgestellt ist und die somit nur von den drei Meßspitzen 4 berührt wird. Der Luftspalt
18 zwischen dem Magneten 5 und der Meßfläche soll so klein wie möglich sein. Durch
die Anziehungskraft zwischen Magnet und Unterlage werden die Meßspitzen genügend
kräftig an die Meßfläche angedrückt und ein Gleiten der Füße verhindert.
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Ein mit einem Magneten versehener Dehnungen messer eignet sich natürlich
nur zur Prüfung von Baustoffen mit magnetischen Eigenschaften. Für Messungen an
nichtmagnetischen Werkstücken kann der Dehnungsmesser mit einem nach unten offenen
Unterdruckbehälter versehen sein, der beispielsweise mit Hilfe eines Gummirings
gegenüber der Meßfläche abgedichtet ist. Wenn im Behälter ein Unterdruck erzeugt
wird, werden die Meßspitzen durch den äußeren Luftdruck an die Unterlage angedrückt.
Diese Vorrichtung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann beispielsweise
als Saugnapf ausgebildet sein.
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Die Wirkungsweise des Dehnungsmessers ist aus den schematischen Perspektivbildern
der Fig. 5 bis 7 sowie der Fig. 8 ersichtlich. In Fig. 5 sind die wesentlichen Teile
des Gerätes nach den Fig. 1 bis 4 schematisch und ungefähr in ihren relativen Lagen
zueinander wiedergegeben. Es bezeichnet 5 die am mit 1 angedeuteten Zwischenstück
angeordnete Festhaltevorrichtung, 3 die e Füße, 4 deren Spitzen und 14 die Schwenkpunkte
der Füße, die-den geschwächten Teilen 14 in Fig. 1 entsprechen. Die oberen Geberdrähte
sind mit 12, die unteren mit 13 bezeichnet. Sie sind, wie erwähnt, von den Füßen
3 isoliert. Für einen der oberen Geber sind in Fig. 5 die zu einem im Schaltschema
der Fig. 9 gezeigten Anzeigeinstrument führenden Anschlußleitungen 12 a und 12 b
angedeutet.
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Entsprechende Anschlußleitungen sind auch für die fünf übrigen Geberdrähte
vorgesehen.
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In Fig. 5 stehen die Füße 3 parallel zueinander, und die auf der
zu prüfenden Fläche 15 ruhenden Spitzen 4 liegen an den Ecken eines gleichseitigen
Dreiecks 16.
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Fig. 6 zeigt die parallelen Stellungen der Füße 3 in je einer von
drei lotrechten Ebenen X, Y, Z, die alle durch die gemeinsame MittelachseD-D gehen.
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Infolge der beschriebenen Aufhängungsvorrichtung ist jeder der Füße
3 nur in einer dieser Ebenen schwenkbar.
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Wenn die Fläche 15 zu einem Werkstück gehört, das zwecks Spannungsmessung
einer kontrollierten Belastung unterworfen wird, so entstehen in ihm Zug-oder Druckspannungen,
die ein Dehnen oder Zusammenziehen dieser Fläche auch in dem von den Meßspitzen
beriihrten Bereich hervorrufen. Die Meßspitzen nehmen an diesen Verformungen der
Fläche teil, wobei sich ihr gegenseitiger Abstand ändert. Die Größe dieser Änderungen
im Verhältnis zum ursprünglichen Spitzenabstand steht in einer gewissen Beziehung
zu den im Werkstück vorhandenen Spannungen. Für Metalle liegt im allgemeinen ein
linearer Zusammenhang vor, und zwar nach dem sogenannten verallgemeinerten Hookeschen
Gesetz. Fig. 7 zeigt in übertriebenem Maßstab die Schwenkung der in den X- und Y-Ebenen
schwenkbaren Füße während einer Dehnungsmessung. Es sei angenommen, daß der in der
Z-Ebene schwenkbare Fuß seine Lage unverändert beibehält.
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Fig. 8 zeigt in Draufsicht auf die Ebene 15 die Verschiebung der
Meßspitzen gemäß dem angenommenen Beispiel. Die Spitze des X-Fußes hat sich von
X nach X' und die Spitze des Y-Fußes von Y nach Y' bewegt.
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Fig. 9 zeigt das elektrische Schaltschema des Dehnungsmessers und
der dazugehörigen Anzeigeinstru-
mente. Eine gemeinsame elektrische Stromquelle 19
speist drei parallelgeschaltete Meßbrücken XY, XZ undYZ, von denen jede einen oberenGeberl2,
einen unteren Geber 13, Widerstände 20, 21 und ein Anzeigeinstrument 22 enthält.
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Bei einer Dehnungsmessung gemäß dem Beispiel nach Fig. 7 und 8 wird
der Widerstand der Geber XZ-12 und YZ-13 größer und der Widerstand der Geber XZ-13
und YZ-12 kleiner. Diese Änderungen verursachen einen Stronrfluß durch die Instrumente
XZ-22 und YZ-22, an denen er abgelesen werden kann. Im angegebenen Beispiel fließt
durch das Instrument XY-22 kein Strom, falls der Abstand zwischen den Spitzen der
X- und Y-Füße unverändert geblieben ist, obwohl diese Füße in ihren Ebenen X bzw.
Y geschwenkt worden sind.
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Die abgelesenen Stromstärken werden in bekannter Weise in Dehnungen
in drei Richtungen umgerechnet, die miteinander Winkel von 1200 bilden.
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Die Dehnungen werden dann unter Berücksichtigung des Zusammenhanges
zwischen Spannung und Dehnung des betreffenden Werkstoffs in entsprechende Hauptspannung
umgerechnet, deren Richtung dann ebenfalls bekannt ist. Für die meisten metallischen
Stoffe besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen. Dabei
gelten die folgenden Gleichungen zur Bestimmung der Hauptspannungen und Hauptspannungsrichtungen
aus den gemessenen Dehnungen :
wobei ol und s., Hauptspannungen und Ca, ED, e, die gemessenen Dehnungen in den
Meßrichtungen a, b und c bezeichnen. Mit ga sind die Winkel zwischen der Meßrichtung
a und den Hauptspannungs.richtungen bezeichnet.
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An Stelle der beschriebenen, durch Widerstandsänderungen wirkenden
Geber können induktive oder kapazitive Geber verwendet werden.