DE2543126C2 - Vorrichtung zur Messung von Längenänderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Längenänderungen eines insbesondere auf Tieftemperivtur gekühlten Körpers mit einem U-förmigen Federelement, das zwei elastische, jeweils als spitzwinkliges, gleichschenkliges Dreieck gestaltete Biegefedern aus Titan oder einer Titanlegierung mit gleichmäßiger Randfaserdehnung enthält, auf deren Flachseiten mindestens je ein Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt oder aufgeschweißt ist, und das ein starres Verbindungselement vorgegebener Länge aus Titan oder einer Titanlegierung enthält, an dessen Stirnseiten die Biegefedern eingespannt sind, und das an den freien Enden seiner Biegefedern mit dem Körper mechanisch verbunden ist.

Für Werkstoffe, die in Einrichtungen der Tieftemperaturtechnik verwendet werden sollen, sind in vielen Fällen vorbestimmte Festigkeitswerte bei statischen, dynamischen und stoßartigen Beanspruchungen erforderlich. Es müssen deshalb die Grenzen der Belastbarkeit dieser Werkstoffe ermittelt werden, und diese Grenzwerte sind dann bei der Dimensionierung und Gestaltung der Einrichtungen zu berücksichtigen.

Zur Bestimmung dieser Grenzwerte kann man eine Spannungsanalyse des Werkstoffs der Einrichtung vornehmen. Spannungen in einem Werkstoff sind jedoch nicht direkt meßbar. Es werden deshalb beispielsweise Dehnungsmeßstreifen zur Bestimmung von Längenänderungen bei Beanspruchungen des zu untersuchenden Werkstoffes verwendet. Nach dem Hookeschen Gesetz läßt sich nämlich die Spannung in einem Werkstoff mit Hilfe seines Elastizitätsmoduls aus seiner Längenänderung berechnen. Ferner kann auch der temperaturabhängige Elastizitätsmodul des Werkstoffes eines Werkstückes aus der mittels eines Dehnungsmeßstreifens registrierten Längenänderung des Werkstücks bestimmt werden, die sich unter Einwirkung einer vorbestimmten Kraft ergibt. Da beispielsweise metallische Werkstoffe einen verhältnismäßig hohen Elastizitätsmodul haben, der mit tieferer Temperatur zunimmt, sind die bei den zulässigen, üblichen Beanspruchungen auftretenden Längenänderungen entsprechend klein. Es sind deshalb empfindliche Meßtechniken erforderlich.

Für Messungen bei Raumtemperatur können solche kleineren Längenänderungen verhältnismäßig einfach mit Hilfe optischer, elektrischer oder magnetischer Meßwertverstärker sehr genau ermittelt werden. Im Falle tiefer Temperaturen, beispielsweise nahe dem absoluten Nullpunkt, sind jedoch diese Verfahren sehr kompliziert und erfordern einen verhältnismäßig großen Aufwand. Sie werden im allgemeinen nur dann angewandt, wenn sehr hohe Meßgenauigkeiten erforderlich sind, wie z. B. für die Ermittlung des differentiellen linearen oder kubischen thermischen Dilatationskoeffizienten eines Werkstoffes.

Auf dem Gebiet der Tieftemperaturmaterialprüfung ist es bekannt, zur Ermittlung der mechanischen Spannungen eines tiefgekühlten Probekörpers die zu messenden Längenän.derungen mittels mechanischer Gestänge zunächst auf Raumtemperatur zu übertragen und dann mit Hilfe üblicher Meßwertverstärker zu bestimmen. Ein solches Verfahren ist jedoch, insbesondere bei Langzeitmessungen, mit verhältnimäßig großen Meßfehlern behaftet, da das Übertragungsgestänge thermischen Schrumpfungen unterliegt, insbesondere dann, wenn zur Kühlung des Probekörpers verflüssigte Gase verwendet werden, deren Flüssigkeitsspiegel innerhalb vorbestimmter Grenzwerte schwankt.

Bei Messungen mit Dehnungsmeßstreifen, die auf den Probekörper aufgeklebt sind, treten diese Schwierigkeiten nicht auf. Die Meßwertübertragung erfolgt nämlich über elektrische Leitungen. Bei diesen Meßverfahren kann der Einfluß der Meßleitungen auf das Mcßsignal kompensiert werden.

Bei Überdehnung des Probekörpers werden jedoch die auf ihm aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen beschädigt oder zerstört. Es sind deshalb Dehnungsmeßvorrichtungen entwickelt worden, die auf den zu untersuchenden Probekörper aufgesetzt werden können und die sich bei Überdehnung der Oberfläche von dieser ablösen.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Messung von Längenänderungen eines auf Tieftemperatur gekühlten Probekörpers ist beispielsweise aus der Veröffentlichung »Advances in Cryogenic Engineering«, Vol. 7 (1962), S. 433 bis 439, bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein etwa U-förmig gestaltetes Rahmenelement, das zwei annähernd parallele Schenkel enthält, die an den Stirnseiten eines senkrecht dazu starren, quaderförmigen Verbindungselementes angeschraubt sind. Die freien Enden der Schenkel mit einem durch die Länge des Verbindungselementes vorgegebenen Ausgangsabstand können an dem zu untersuchenden Probekörper angeklemmt werden. Als Schenkel sind jeweils eine elastische, als spitzwinkliges, gleichschenkliges Dreieck geformte Biegefeder gleichmäßiger Randfaserdehnung vorgesehen. Auf einer der beiden Flachseiten jeder

Biegefeder ist ein Dehnungsmeßstreifen angeordnet. Die Biegefedern und das Verbindungselement können aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen. Diese Materialien sind unmagnetisch und deshalb auch für Messungen bei hohen Magnetfeldern geeignet. Ferner behalten sie bei tiefen Temperaturen gute elastische Federeigenschaften. Darüber hinaus ist ihre spezifische Dichte und sumit ihre abzukühlende Masse verhältnismäßig klein, so daß ein entsprechend geringer Kühlmittelbedarf und eine entsprechend kurze Abkühlzeit erforderlich sind.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich die auf solchen Biegefedern aus Titan oder einer Titanlegierung aufgebrachten, beispielsweise aufgeklebten Dehnungsmeßstreifen insbesondere nach einer Abkühlung auf tiefe Temperaturen ablösen können. Auch Lei mechanischen Beanspruchungen der Biegefedern schon bei Raumtemperatur, bei denen die Metalloberfläche der Biegefedern gedehnt oder gestaucht wird, kann die innige Verbindung zwischen dem Metalluntergrund und dem Dehnungsmeßstreifen unterbrochen werden. Es besteht dann die Gefahr, daß die Meßergebnisse entsprechend verfälscht werden.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die bekannte Meßvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß diese Schwierigkeiten nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird für eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Flachseiten der metallisch blanken Biegefedern mit einer dünnen oxydationshindernden Schicht versehen sind.

Die Vorteile dieser Maßnahme bestehen insbesondere darin, daß bereits bei Raumtemperatur die Ausbildung einer Titanoxydschicht auf den Teilen aus Titan oder Titanlegierungen verhindert wird. Diese Oxydschicht hat nämlich einen vom Titanmetall verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten, so daß sie bei Abkühlung auf tiefe Temperaturen leicht vom Metalluntergrund abplatzen kann. Durch die oxydationshindernde Schicht wird so eine gute Haftgrundvorbereitung erreicht und eine ausreichende Adhäsion eines Klebers auf der Metalloberfläche ermöglicht.

Als Schichtmaterial kann vorteilhaft Rein-Aluminium oder Gold vorgesehen sein, das im Hochvakuum auf den Biegefedern auf elektrostatischem Wege abgeschieden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 und 2 eine Meßvorrichtung gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Die in F i g. 1 als Teilschnitt dargestellte Meßvorrichtung enthält zwei gleichgroße, dreiecksförmige Biegefedern 2 und 3, deren Gestalt aus F i g. 2 näher hervorgeht. Diese Biegefedern sind jeweils an ihrem einen Ende einseitig an einem starren, quaderförmigen Verbindungselement 5 lösbar befestigt, vorzugsweise zwischen den Stirnflächen dieses Verbindungselementes und entsprechenden Halteplatten 7 bzw. 8 mittels einer Schraube 9 und einer Mutter 10 fest eingespannt. In ihrer Ausgangslage sind die Biegefedern parallel zueinander in einem durch die Länge L des Verbindungselementes S vorbestimmten Absland io angeordnet. Auf den freien Flachseiten der beiden Biegefedern 2 und 3 ist jeweils ein Dehnungsmeßstreifen fest angebracht, beispielsweise aufgeklebt oder aufgeschweißt. Die Dehnungsmeßstreifen sind in der Figur nur angedeutet und mit 12 bis 15 bezeichnet. Eise Übersicht über verschiedene Bauformen solcher Dehnungsmeßstreifen ist beispielsweise in der Zeitschrift »messen + prüfen«, Juli/August 1975, S. 326, gegeben.

Die im Querschnitt U-förmig ausgebildete Meßvorrichtung kann an den beiden freien Enden 17 bzw. 18 ihrer beiden Biegefedern 2 und 3 an einem auf Längenänderungen zu untersuchenden, in der Figur nicht dargestellten Probekörper befestigt werden. Bei Längenänderungen des Probekörpers gegenüber dem Ausgangsabstand L₀ der beiden freien Enden der Biegefedern werden diese entsprechend deformiert, entweder auseinandergebogen oder aufeinander zu gebogen. Hierbei wird jeweils eine der Flachseiten jeder Biegefeder gedehnt, während die gegenüberliegende Flachseite gestaucht wird. Diese Dehnungen und Stauchungen rufen ein entsprechendes Signal der Dehnungsmeßstreifen in Form einer Widerstandsänderung hervor. Fließt dabei durch die Dehnungsmeßstreifen ein Strom, so liefert die entsprechende Änderung des Spannungsabfalls über dem betreffenden Dehnungsmeßstreifen eine Aussage über die mechanische Längenänderung der betreffenden Flachseite. Mit einer geeigneten elektrischen Schaltung der einzelnen Dehnungsmeßstreifen, insbesondere mit einer Brückenschaltung, erhält man ein der Längenänderung des Probekörpers entsprechendes Signal.

Die Meßvorrichtung gemäß der Erfindung kann vorteilhaft mittels einer entsprechenden Klemmvorrichtung an dem Probekörper so befestigt werden, daß sie sich bei Bruch, Überdehnung oder übermäßiger Stauchung dieses Körpers von diesem lösen kann. Hierzu können beispielsweise die äußeren Enden 17 und 18 der beiden Biegefedern mit Kerben 19 bzw. 20 versehen sein, in die entsprechende Teile einer an dem Probekörper befestigten Klemmvorrichtung eingreifen können.

Da sich das Verbindungselement 5 gegen andere entsprechende Elemente beliebiger Länge L austauschen läßt, kann der Ausgangsabstand L₀ zwischen den beiden Enden der Biegefedern entsprechend vorgegeben werden.

In Fig.2 ist eine Seitenansicht der Meßvorrichtung nach F i g. 1 veranschaulicht. In der Figur sind deshalb entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen. In der dargestellten Ansicht ist nur eine der beiden Biegefedern, nämlich die Biegefeder 2 nach F i g. 1, zu erkennen. Die Biegefeder hat im wesentlichen die Form eines spitzwinkeligen, gleichschenkeligen Dreiecks gleicher Dicke und ist über die kurze Grundseite hinaus zu einem rechteckigen Befestigungsteil verlängert, das zwischen einer Stirnseite des Verbindungselementes 5 und einer entsprechenden Halteplatte 7 mittels einer Schraube 9 lest eingespannt ist. Das freie Ende 17 der Biegefeder ist hammerförmig aufgeweitet, um eine sichere Befestigung der Meßvorrichtung an dem Probekörper, beispielsweise mittels einer in der Figur nicht näher ausgeführten Klemmvorrichtung, zu ermöglichen. Die Biegefeder dehnt sich bei Auslenkung aus der Ausgangslage über ihre gesamte Dreiecksfläche gleichmäßig aus. Es ist somit nicht erforderlich, auf ihren Flachseiten die Dehnungsmeßstreifen, von denen in der Figur der Dehnungsmeßstreifen 12 dargestellt ist, entsprechend dem Meßort einzujustieren.

Für Messungen nahe dem absoluten Nullpunkt eignet sich als Material für die Biegefedern sowie für den Verbindungskörper vorteilhaft Titan oder eine Titanlegierung. Diese Materialien überziehen sich jedoch leicht

mit einer Oxydationsschicht, so daß bei einem Aufkleben der Dehnungsmeßstreifen auf diesen Biegefedern der innige Koniakt zwischen dem Dehnungsmeßstreifen und der Oberfläche der Biegefeder unterbrochen werden kann. Es ist deshalb vorteilhaft, metallisch blanke Titanoberflächen herzustellen und mit einer oxydationshindernden dünnen Schicht zu überziehen. Als Schichtmaterial kann zweckmäßig Gold oder Rein-Aluminium verwendet werden, das beispielsweise im Hochvakuum auf der Biegefeder nach bekannten Verfahren wie beispielsweise der Kathodenzerstäubung abgeschieden wird. Diese Materialien oxydieren nicht so leicht und haften fest an dem Titan, so daß bei einem Aufkleben der Dehnungsmeßstreifen auf diesen Schichten nicht die Gefahr besteht, daß der innige Kontakt zwischen dem Dehnungsmeßstreifen und der Oberfläche dieser Schicht bzw. der Titanoberfläche verlorengehl.

Neben dem Hauptanwendungsgebiet, der Materialprüfung bei tiefen Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunkts, kann die Dehnungsmeßvorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhaft auf anderen Anwendungsgebieten der Tieftemperatur- und Supraleitungstechnik wie beispielsweise für supraleitende

ίο Kabel oder große Supraleitungsmagnetc zur Überwachung von Schrumpfungsvorgängen verwendet werden Ferner kann diese Dehnungsmeßvorrichtung auch füi Einrichtungen auf Raumtemperatur oder noch höherer Temperaturniveaus vorgesehen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung von Längenänderungen eines insbesondere auf Tieftemperatur gekühlten Körpers mit einem U-förmigen Federelement, das zwei elastische, jeweils als spitzwinkliges, gleichschenkliges Dreieck gestaltete Biegefedern aus Titan oder einer Titanlegierung mit gleichmäßiger Randfaserdehnung enthält, auf deren Flachseiten mindestens je ein Dehnungsmeßstreifen aufgeklebt oder aufgeschweißt ist, und das ein starres Verbindungselement vorgegebener Länge aus Titan oder einer Titanlegierung enthält, an dessen Stirnseiten die Biegefedern lösbar eingespannt sind, und das an den freien Enden seiner Biegefedern mit dem Körper mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachseiten der metallisch blanken Biegefedern (2, 3) mit einer dünnen oxydationshindernden Schicht versehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungskoeffizienten der oxydationshindernden Schichten und der Biegefedern (2,

3) wenigstens annähernd gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydationshindernden Schichten aufgedampft oder aufgespritzt sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydationshindernden Schichten im Hochvakuum auf elektrostatischem Wege auf den Biegefedern (2, 3) abgeschieden sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daii als Schichtmaterial Rein-Aluminium oder Gold vorgesehen ist.