DE1648682C3 - Dehnungsmeßanordnung zur kontinuierlichen Messung und Aufzeichnung sowie zur automatischen Registrierung von Dehnungsmessungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Dehnungsmeßanordnung zur kontinuierlichen Messung und Aufzeichnung sowie zur automatischen Registrierung von Dchnungsmessungen mit einer Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1000 A in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen.

Es ist bekannt, daß Temperaturänderungen makroskopische Abmessungsänderungen bei Festkörpcm verursachen und daß diese Abmessungsänderungen in direkter Beziehung zu der Änderung der Gitterkonstanten der Kristalle stehen, aus denen der Festkörper aufgebaut ist.

Wenn im Laufe einer thermischen Änderung keine Umwandlung der kristallinen Struktur auftritt, wird die thermische Ausdehnung ausreichend durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten wiedergegeben, der als die Längenänderung pro Längeneinheit und Temperatureinheit definiert ist.

Wenn im Gegensatz dazu eine Änderung in der Art der kristallinen Struktur oder eine Neuorientierung der kristallinen Struktur auftritt, ist die Abmessungszunahme verschieden von dem Wert, der durch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegeben ist.

. Die Dehnungsmessung ermöglicht im ersten Fall, den Ausdehnungskoeffizienten in den verschiedenen Temperaturbereichen zu bestimmen, während sie im zweiten Fall zusätzlicii zu der Bestimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten für ein beliebiges Kristallisationssystem die Bestimmung der Phasenumwandlungstemperaturen und der betreffenden Umwandlungsgeschwindigkeiten ermöglicht.

Eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung muß die Bestimmung der Längenänderung eines Probestücks in Abhängigkeit von der Temperaturänderung ermöglichen. Gemäß dem Typ der verwendeten Vorrichtung ist es möglich, Messungen der Abmessungsänderungen unter verschiedenen Bedingungen auszuführen, z. B.

a) während ungleichmäßiger Temperaturänderungen,

b) während konstanten oder wechselnden Geschwindigkeiten der Temperaturänderungen,

c) während schneller Temperaturänderungen innerhalb fester Bereiche (Abschrecken),

d) bei konstanten Temperaturen in Abhängigkeit vom Zeitparameter.

Während für verschiedene Materialien die Ermittlung bzw. die Prüfung in Luft ausgeführt werden kann, ist es oftmals für besondere Materialien notwendig, daß sie entweder im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgefühlt werden.

Gemäß der Art der Messung sind höhere oder niedere Grade der Empfindlichkeit und der Reproduzierbarkeit erforderlich. Die neuzeitlichen, im Handel befindlichen Dehnungsmesser genügen nur teilweise den obengenannten Bedingungen. Ihre Verstärkungsfaktoren besitzen relativ begrenzte Bereiche.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung zu schaffen, welche die Bestimmung der Längenänderung eines Probestücks in Abhängigkeit von Temperaturänderungen ermöglichen, die gleichmäßig oder ungleichmäßig und mit wechselnder Geschwindigkeit innerhalb größerer Temperaturbereiche vonstatten gehen, wobei auch angestrebt wird in Vakuum oder Schutzgasatmosphäre zu arbeiten. Diese Aufgabe wurde gelöst durch folgende Vereinigung an sich bekannter Merkmale:

a) eine Dehnungsmeßeinrichtung mit einer Justiervorrichtung,

b) eine Heizvorrichtung,

c) eine Temperaturmeßeinrichtung,

d) ein mit Vakuum bzw. Schutzgas beaufschlagbares Gehäuse,

e) eine Probestückhalterung zum Auswechseln von Probestücken.

Es ist bekannt, daß der empfindliche Teil eines Dehnungsmessers durch Verwendung von drei verschiedenen Meßmethoden, eine mechanische, optische und elektrische (oder die Kombination von die-

sen) verwirklicht werden kann. Jede dieser Methoden zeigt Vor- und Nachteile.

Es ist auch bekannt, daß die mechanische Hinrichtung, abgesehen von den vorhandenen Schwierigkeiten bei der Übertragung der Verschiebung, das Probestück Belastungen unterwirft, die nicht ganz vernachlässigt werden können. Demgegenüber ist ein optischer Anzeiger schwierig zu bauen, zu unterhalten und zu betätigen, selbst wenn sehr genaue Verschiebungsmessungen vorgesehen werden.

Die Hauptschwierigkeit bei elektrischen Einrichtungen liegt in der Aufrechterhaltung einer perfekten Stabilität über lange Zeiträume. Dieser Nachteil kann jedoch entweder durch ein System überwunden werden, das mit einer kontinuierlichen .Null-Einstellung durch Kompensation ausgerüstet ist, oder durch die Verwendung besonderer Einrichtungen bei den Versorgungs- und Meßstromkreisen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält daher die Dehnungsmeßauordnung einen Dehnungsmeßkopf mit einem induktiven Meßumformer und einen Gleichrichter und besteht die Justiervorrichtung aus einer Vorrichtung zur Änderung der Stellung der Meßumformspule gegenüber ihrem Kern.

Das elektrische System hat den Vorteil, daß es einen weiten Meßbereich mit kontinuierlich veränderlichen Verstärkungsfaktoren erlaubt und die Möglichkeit einer leichten Verwendung unter Vakuum auf Grund des begrenzten Volumens des Meßelementes gibt.

Um Dehnungsmeßbestimmungen sowohl mit kontinuierlichen als auch gesteuerten Temperaturänderungen durchzuführen und um eine Abschreckung zwischen zwei beliebigen Temperaturen zu erhalten, sind vorteilhafterweise zwei miteinander austauschbare Öfen verschiedenen Typs angebracht.

Der Verstärkungsfaktor der Dehnungsmeßanordnung ist von 1 bis 20 000 kontinuierlich veränderbar, und die Temperaturmessung weist bis zu 1000⁰C eine Genauigkeit von mindestens ± 1 ° C auf. Die Dehnungsmeßanordnung besitzt eine hohe Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1000 A, eine Reproduzierbarkeit innerhalb derselben Größenordnung der Empfindlichkeit, eine Möglichkeit der Durchführung von Messungen an Probestücken von wechselnder Größe innerhalb gewisser Grenzen (von 1 bis 10 cm in der Länge und von 0,5 bis 2 cm im Durchmesser), ist unter den oben angeführten Druck- und Temperaturverhältnissen bei Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 0,1 und 300° C/Minute und konstanten Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 0,1 und 10° C/Minute leicht zu bedienen und kann die Temperatur mit einer Genauigkeit von mindestens :t 1°C und die Dilatation automatisch auf demselben X-Y-Schreiber oder auf einem X₁-X.,-Schreiber, ausgerüstet mit einem erweiterten Maßstab, aufzeichnen.

Die Dehnungsmeßanordnung wird besonders für die genaue physikalisch-metallurgische Untersuchung von metallischem Uran und seinen Legierungen verwendet.

' Eine bevorzugte, beispielsweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 einen Dehnungsmeßkopf bestehend aus einem Meßumformer, einem Gleichrichter und einer Einrichtung zur Änderung der Stellung der Meßumformerwicklung hinsichtlich des. Kerns, entsprechend der Länge des zu untersuchenden Probestück'..,

Fig. 2 die Anordnung des Meßumformers auf einer Bank mit zwei öfen in Auf- und Seitenansicht, F i g. 3 eine Schnittansicht von einer ersten Ausführungsform eines Probenhalters,

Fig.4 eine teilgeschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines Probenhaltcrs und

F i g. 5 ein Blockschaltbild der gesamten Anlage.

ίο F i g. 1 zeigt eine allgmeine Skizze des Dehnungsmcßkopfes 1, der im wesentlichen aus einer zylindrischen Muffe 2 besteht, die mit einem Thermostat mit einem Umlauf einer geeigneten Flüssigkeit (z.B. Wasser) ausgerüstet ist, um die Temperatur sowohl des Meßumformers als auch des Gleichrichters gut konstant zu halten.

Der Dehnungsmeßkopf weist mehrere verschiedene Öffnungen auf. Die erste, mit 4 bezeichnet, dient zur Anordnung des P^obestückhalters 5, die

zweite für den Anschluß an die Vakuumpumpe 6 und die dritte für die Einstellung der Meßumformerstellung in bezug auf den Kern 7 entsprechend der Länge des zu untersuchenden Probestücks. Eine vierte Öffnung dient zur Durchführung der elektri-

»5 sehen Kabel und des Thermoelementes 8.

Der Probestückhalter ist mit dem Kopf durch Schrauben oder bekannte gleichwertige Einrichtungen verbunden.

Die Quarzröhre ist an den Probestückhalter angeschweißt. Das Auswechseln der Probestücke findet deshalb in der Praxis durch Abnahme des Probestückhalters und durch Einsetzen des neuen, zu untersuchenden Probestücks statt.

Wenn Probestücke von verschiedenen Längen verwendet werden, ist es notwendig, die Wicklung der Meßumformerspule in bezug auf den Kern zu verschieben, um den Null-Punkt des Meßumformers wieder einstellen zu können. Dies geschieht durch die Schub-Zugstange 9, die unter Vakuum arbeitet. Die Drehung des Griffs 10 ermöglicht die notwendige Verschiebung der Wicklung. Die Verschiebung auf Grund der Dilatation des Probestücks wird durch die Stange 11 innerhalb der Quarzröhre 12 auf den Kern übertragen.

Ein geeignetes System von Löchern erlaubt, daß der Raum, in dem das Probestück enthalten ist, und ebenso der Durchgang des Thermoelements 8 mit Vakuum beaufschlagt ist. Der Wasserdurchlauf für die thermostatische Regelung erfolgt durch spezielle Löeher.

Das Ganze ist auf einer Bank (F i g. 2) angebracht, auf deren unterem Teil zwei öfen 22, 23 zusammen mit ihrem Austauscher angeordnet sind. Als Heizung können zwei öfen verschiedenen Typs angebracht werden. Der erste Ofen 22 ist vom »Adamel«-Typ mit einem jurch eine Nocke angetriebenen Temperaturregler. Mit diesem Ofentyp ist es möglich, gesteuerte Abkühlungsgeschwindigkeiten innerhalb des Bereiches zwischen 0,4 und i0°C/Minu;e zu erhalten.

6j Innerhalb dieses Bereiches ist die Temperaturänderung bezüglich der Zeit vollkommen linear.

Der zweite Ofen 23 ist ein Badofen, der Blei enthält, das auf eine feste Temperatur gebracht werden kann.

Die metallische Platte 21, auf der beide öfen angeordnet sind, ist in der Ebene der F i g. 2 frei beweglich und ihre Bewegung wird durch den Schlitz 24 geführt.

Hs ist deshalb möglich, die öfen schnell auszutauschen, wobei man auf diese Weise eine isotherme Abschreckung erhält.

Hs ist ebenfalls möglich, an Stelle des Bleis eine Mischung von geeigneten Salzen zu verwenden, um ilen Hctricbstcmpcraturbcrcich auszudehnen.

Hs wurde festgestellt, daß für kontinuierliche Abkühlung bei einer Geschwindigkeit schneller als IO C/Minutc die Zeit-Temperaturkurven nicht langer linear verlaufen, da es nicht möglich ist, den Ofen zu steuern. Diese Geschwindigkeiten werden entweder durch Abschalten des Ofens oder durch Abkühlen in Huft erreicht. Beide Behandlungen können unter Vakuum oder in einer Atmosphäre eines inerten Gases, z. B. Argon, durchgeführt werden.

Hs wurden zwei verschiedene Arten eines Probestückhaltcrs verwendet, um sowohl eine kontinuierliche als auch eine stufenweise Dehnungsmessung auszuführen.

geeigneten Zeitverzögerungen öffnen und schließen, wobei durch diese beiden der Lufteinlaß in den heißen Teil und die ölansaugung der Kreiselpumpe in den Kreis des hohen Vakuums verhindert wird.

Das Blockschaltbild der gesamten Anlage ist in F i g. 5 gezeigt. Dieses Schaltbild besteht aus einer Kreiselpumpe 51 und .aus einer Diffusionspumpe 52, wobei diese Pumpen erforderlich sind, um das Vakuum in dem Probestückhalter 53 aufzubauen, und

ίο wobei sie durch die Schalttafel 54 gesteuert werden und durch die Einrichtungen 55, 56 und 57 geschützt bzw. gesichert sind.

Die Vakuummessung wird durch die Einrichtungen 58 und 59 durchgeführt. Der Meßumformer 60 mit seinem Gleichrichter 61 wird durch den Oszillator 62 erregt. Das gleichgerichtete Signal wird wiederum an den Schreiber 63 angelegt. Die öfen 22, 23 werden durch die Einrichtung 66, 67 gesteuert, und das Thermoelement 68 zusammen mit seiner KaIt-

Der Probestückhalter für die kontinuierliche Deh- ao verbindung 69 ist an den Jf-y-Schreiber 63 ange-

nungsmessung ist in F i g. 3 dargestellt. Das Probestück ist in einer Quarzröhre enthalten, von der ein Ende 31 geschlossen ist, während das andere fest mit dem Plansch 32 verbunden ist. Das Ganze ist vollkommen vakuumdicht.

Die Quarzstange 33 überträgt die Probcstückdilatation auf den Kern. Die Löcher 34 dienen zur Wasserzirkulation.

Dieser Typ des Probestückhalters wird für die

g g

schlossen. Die gesamte Anlage ist durch die Schalttafel 55 gesichert.

Die Messung der Höhe des Vakuums wird an Hand eines Anzeigers durchgeführt, der eine AbIesung bis zu 10~° mm Hg ermöglicht.

Für fine exakte Auswertung der Dehnungsmeßkurven ist es notwendig, einige wesentliche Parameter mit einer guten Genauigkeit zu kennen.

Wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient

kontinuierliche Dehnungsmessung verwendet. Im 3° eines Materials gemessen werden soll, sind die wich-FaIIe des Abschreckens erlaubt ein derartiger Probe- tigen Parameter die Temperatur und die Dilatation.

sich

stückhalter keine ausreichend schnelle Abkühlung des Probestücks.

Es war deshalb notwendig, einen Probestückhalter ohne die zwischen dem Probestück und dem Bleibad liegende Quarzschicht zu konstruieren.

In F i g.'4 ist dieser Probestückhalter schematisch dargestellt. Die äußere Quarzröhre ist offen und deshalb ist das Innere dieser Röhre nicht mit Vakuum Wenn sich im Gegensatz dazu die Untersuchung auch auf die Beobachtung eventueller Phasen-Umwandlungskinetik erstreckt, ist der Parameter »Zeit« von wesentlicher Wichtigkeit.

Um die obengenannten Parameter zu messen, wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei Schreiberpotentiometern mit verschiedenen Eigenschaften ausgerüstet: Ein Schreiberpotentiometer des

beaufschlagt, jedoch ist innen im Ofen ein Behälter 4° Typs X_x-X₂ für die Auswertung der Zeiten und ein angeordnet. Darüber hinaus war es notwendig, mit Schreibpotentiometer X-Y für die Auswertung der einem System zur schnellen Aufhebung des Vakuums
durch die in F i g. 4 gezeigte Einrichtung zu arbeiten.

Sie besteht aus Tombak, versehen mit einem Flansch Umwandlungstemperaturen.

Weiterhin wurden geeignete Gleichstromgeneratoren in den Bereich des Thermoelements eingesetzt,

41, wobei der Flansch an einem Vakuumbehälter 42 45 um den Temperaturmaßstab zu verstärken bzw. zu in der Weise festhaften kann, daß der vakuumdichte vergrößern, wobei von diesen Generatoren ein geAbschluß ohne die Notwendigkeit einer Bolzenver- eichtes Signal abgenommen werden kann, um es dem schraubung ermöglicht wird. vom Thermoelement oder vom Wandler kommenden

Die Überführungszeit des Probestücks von hoher Signal gegenüberzustellen. Ein geeigneter Zeitgeber Temperatur in das Bleibad ist so kurz, daß die Oxy- 50 ermöglicht, den Parameter Zeit auch wiederum auf dierung vernachlässigbar ist. den Z-y-Schreiber zu bringen.

Die Vakuumanlage ist von konventioneller Art. Die Dehnungsmeßanordnung verwendet einen in-

Das Ventil, das die Diffusion anhält bzw. unter- duktiven Meßumformer. In diesem wird die Verbricht, ist von der Art eines Balgs. Schiebung auf Grund der thermischen Dilatation des

Die gesamte Anlage ist von einer eventuellen Strom- 55 Probestücks in ein elektrisches Signal umgewandelt unterbrechung im Versorgungsnetz in dem Sinne das, in geeigneter Weise gleichgerichtet, an eir geschützt, daß zwei elektromagnetische Ventile mit Schreiberpotentiometer weitergegeben wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Dehnungsmeßanordnung zur kontinuierlichen Messung und Aufzeichnung sowie zur auto- s matischen Registrierung von Dehnungsmessungen mit einer Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1000 A in verschiedenen Druck- und Temperaturbereichen, gekennzeichnet durch folgende Vereinigung an sich bekannter Merkmale:

a) eine Dehnungsmeßeinrichtung mit einer Justiervorrichtung;

b) eine Heizvorrichtung;

c) eine Temperaturmeßeinrichtung; '⁵

d) ein mit Vakuum bzw. Schutzgas beaufschlagbares Gehäuse;

e) eine Probestückhalterung zum Auswechseln von Probestücken.

2. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeßanordnung einen Dehnungsmeßkopf mit einem induktiven Meßumformer und einen Gleichrichter enthält, und die Justiervorrichtung aus einer as Vorrichtung (9, 10) zur Änderung der Stellung der Meßumformerspule gegenüber ihrem Kern besteht.

3. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Vakuum beaufschlagbare Gehäuse mit einer Vakuumpumpe (6) und einer Von chtung zum Aufbauen einer Schutzgasatmosphäre verbunden ist.

4. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 1,

2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung aus zwei miteinander vertauschbaren öfen (22, 23) verschiedenen Typs besteht.

5. Dehnungsmeßanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßkopf (1) vier verschiedene Öffnungen aufweist, von denen die erste für die Anordnung der Probenhalterung, die zweite für den Anschluß an die Vakuumpumpe (6), die dritte für die Einstellung der Stellung der Meßumformerspule bezüglich des Kerns (7) entsprechend der Länge des zu untersuchenden Probestücks und die vierte für den Anschluß der Temperaturmeßeinrichtung (8) dient.