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Probengehäuse für Werkstoffprüfungen in Prüfmedien
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Faltenbalg-Gehäuse mit einer
Probe für Werkstoffprüfungen unter Belastung in ruhenden oder strömenden Prüfmedien
von bestimmter Temperatur und/oder Geschwindigkeit.
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Dieses Probengehäuse ist besonders geeignet für Werkstoffprüfungen
unter weitgehend konstanten Bedingungen in aggressiven, insbesondere heißen Prüfmedien,
wobei die Dehnung der eigentlichen Probe möglichst dicht an dieser abgegriffen werden
soll.
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In "Metallurgical Transactions, Volume 6A, Januar 1975 wird auf Seite
111 eine Prüfeinrichtung für Werkstoffproben in heißem, strömenden Natrium beschrieben.
Das «'atrium-führende Gehäuse hat im Vergleich zur Probe offensichtlich erhebliche
Abmessungen. Ein Gestänge, mit dem die Probe belastet wird, ist aus dem Gehäuse
herausgeführt und gegenüber dem Gehäuse mit einem Faltenbalg abgedichtet. Eine eventuelle
Dehnungsmessung der Probe scheint nur außerhalb des Gehäuses möglich zu sein, so
daß eine solche Dehnungsmessung mit erheblichen Ungenauigkeiten verbunden ist, weil
die Ausdehnungen des im heißen Natrium angeordneten Gestänges zwangsläufig mit gemessen
werden.
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In "Manual on low cycle fatigue testing" der American society for
testing and materials, Technical Publication 465 wird auf Seite 91 ein zylindrischer
Probenkörper beschrieben, der an beiden Enden ein kräftiges Gewinde aufweist und
jeweils zwischen diesen Gewindeenden und einem mittleren zylindrischen Bereich zwei
spitz auslaufende Kragen aufweist, zwischen denen die Dehnung des Probenkörpers
exakt gemessen werden kann. Auch bei dieser Probenform besteht aber das Problem,
daß die exakt gemessene Dehnung ohne wesentliche Meßfehler aufgrund der Temperatur
eines Prüfmediums nach außen übertragen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Faltenbalg-Gehäuse mit
einer Probe für Werkstoffprüfungen unter Belastung in ruhenden oder strömenden Prüfmedien
von bestimmter Temperatur und/oder Geschwindigkeit, wobei der Probenkörper etwa
in der Mitte seinen geringsten Querschnitt mit der Meßlänge hat und zur Begrenzung
der Meßlänge zwischen den beiden Einspannenden je einen Kragen aufweist. Das Gehäuse
zur Aufnahme des Prüfmediums soll gegenüber der umgebenden Atmosphäre absolut dicht
verschließbar sein und die Dehnung der Probe im Bereich der Meßlänge soll kontinuierlich
direkt an der Probe meßbar sein. Das für die Dehnungsmeßung notwendige Meßgestänge
soll nicht in das Prüfmedium eintauchen und die durch die Verformung eines Faltenbalges
verursachten Meßfehler sollen möglichst gering werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die beiden Kragen
mit den beiden Enden eines Faltenbalg-Gehäuses dicht verbunden sind. Dieses Faltenbalg-Gehäuse
besteht zunächst aus getrennten Teilen, die jeweils über die beiden Einspannenden
der Probe geschoben werden, auf einem entsprechenden Absatz an den beiden Kragen
zentriert werden
und erst dann miteinander und mit den beiden Kragen
der Probe dicht verbunden werden. Mit dieser Anordnung wird der geringst mögliche
Abstand zwischen dem Innendurchmesser des Faltenbalg-Gehäuses und dem größten Außendurchmesser
der Probe erreicht. Berechnungen haben nämlich erwiesen, daß unter im übrigen konstanten
Bedingungen die notwendige Auslenkkraft eines Faltenbalges um so geringer wird,
je kleiner sein Durchmesser ist. Damit aber die durch die Verformung eines Faltenbalges
auftretenden Meßfehler möglichst gering werden, soll die zu seiner Verformung notwendige
Auslenkkraft möglichst klein werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung für Werkstoffprüfungen in
ruhenden Prüfmedien wird vorgeschlagen, daß das Gehäuse zwischen den beiden Kragen
mindestens eine verschließbare Öffnung aufweist. Selbstverständlich ist es auch
möglich, vor dem endgültigen Zusammenbau des Gehäuses dieses mit einem gewünschten
Prüfmedium zu füllen. Zweckmäßiger ist es aber sicher, das Gehäuse mit einer verschließbaren
Öffnung zu versehen.
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An dieser Öffnung kann beispielsweise ein kurzes Rohrende angeschweißt
oder angelötet sein, das nach dem Füllen mit dem gewünschten Prüfmedium zugeklemmt
und/oder zugeschweißt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung für Werkstoffprüfungen in
strömenden tledien wird vorgeschlagen, daß dieses Gehäuse mindestens einen Zu- und
einen Abfluß für das Prüfmedium enthält. Von gewissen Prüfmedien, beispielsweise
heißem Natrium, ist bekannt, daß ihre korrosiven Eigenschaften durch ihre Strömungsgeschwindigkeit
beeinflußtwerden. Außerdem ist es für die Einhaltung einer konstanten Prüftemperatur
zweckmäßig, wenn das Prüfmedium im Kreislauf von der Probe zu einem Thermostaten
und von da aus zu einem regelbaren Wärmetauscher fließt:
In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in dem Gehäuse ein bei der Montage
geteilter Strömungsleitkörper vorhanden ist, dessen lichter Durchmesser kleiner
ist, als der Außendurchmesser der beiden Kragen. Wenn man die Oberseite dieses Strömungsleitkörpers
mit dem Zufluß und seine Unterseite mit dem Abfluß für das Prüfmedium verbindet,
kann man innerhalb der realisierbaren Fertigungstoleranzen nahezu jede gewünschte
Geschwindigkeit des Prüfmediums an der Probe erreichen.
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In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß
dieser Strömungsleitkörper an seiner Innenseite mindestens eine schraubenlinienartige
Nut aufweist. In vielen Fällen ist es nicht notwendig, daß an der gesamten Außenfläche
der Probe eine konstante Strömungsgeschwindigkeit erreicht wird. Zur Beantwortung
der Erage, ob aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit eines Prüfmediums eine Korrosion
zu erwarten ist, genügt es, wenn an einer Stelle der Probe eine definierte maximale
Strömungsgeschwindigkeit auftritt. Bei gegebenen Gesamtdruckverlust des Prüfmediums
im Gehäuse wird innerhalb der schraubenlinienartigen Nut die höchste Strömungsgeschwindigkeit
erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß außen
am Gehäuse und zwar oberhalb und unterhalb des Faltenbalgs je zwei einander gegenüberliegende
Kerben vorhanden sind, an denen die Dehnung gemessen werden kann.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, das Meßgestänge am Gehäuse
anzuschweißen oder auf entsprechende, am Gehäuse angedrehte Schneiden aufzusetzen.
Die einfachste Montage des Meßgestänges und den geringsten radialen Abstand von
der Probe erhält man aber, wenn man in das Gehäuse Kerben einarbeitet.
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Die Figuren 1 bis 3 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Figur 1 zeigt in etwa zweifacher Vergrößerung ein Faltenbalg-Cehäuse
mit einer Probe für Werkstoffprüfungen.
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Figur 2 zeigt im gleichen Maßstab ein Faltenbalg-Gehäuse mit einer
Probe und mit eingebautem Strömungsleitkörper.
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Figur 3 zeigt in wesentlich größerer Darstellung den in Figur 2 dargestellten
Strömungsleitkörper mit einer darin eingearbeiteten schraubenlinienartigen Nut zur
örtlichen Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit.
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In Figur 1 besteht der rotationssymmetrische Probenkörper aus einem
mittleren annähernd zylindrischen Teil 1, das an beiden Enden mit einer Abrundung
in die beiden Kragen 2 und 3 iibergeht, die wiederum abgerundet in die mit einem
Gewinde versehenen Einspannstellen 4 und 5 übergehen. Am oberen Kragen 2 ist über
einen zentrierenden Absatz das obere Gehäuseteil 6 angeschweißt, das mit zwei Rohrstutzen
7 und 8 verschweißt ist und am unteren Kragen 3 ist ebenfalls über einen zentrierenden
Absatz das untere Gehäuse 10 verschweißt. Zwischen den Gehäuseteilen 6 und 15 ist
der mit Anschweißringen 12 und 13 versehene Faltenbalg 14 angeschweißt. Sowohl das
obere Gehäuse 6 als auch das untere Gehäuse 10 haben in gleicher Ebene zwei einander
gegenüberliegende Kerben 15, die gegenüber den am oberen Gehäuseteil 6 dargestellten
Rohrstutzen 7 und 8 versetzt sind. An diesen Kerben 15 wird ein nicht näher beschriebenes
und an sich bekanntes mit Schneiden versehenes Meßgestänge angeklemmt zur Messung
der Dehnung der Probe. Die Montage und Verschweißung des Gehäuses erfolgt in folgender
Reihenfolge: Zuerst wird der dünne Faltenbalg 14 an seinem oberen Ende zwischen
dem äußeren Anschweißring 12 und dem inneren Zwischenring 9 verschweißt, und an
seinem unteren Ende zwischen dem äußeren Anschweißring 13 und dem Gehäuseteil 10
verschweißt.
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Dann wird das obere Gehäuseteil 6 von oben und das untere Gehäuseteil
10 mit dem Faltenbalg 14 von unten über die Einspannenden 4 und 5 auf den Probenkörper
1 geschoben und auf den beiden Kragen 2 und 3 zentrierend angeschweißt. Dann wird
der Zwischenring 9 mit dem oberen Gehäuse 6 verschweißt. Zum Schluß werden die beiden
Rohrstutzen 7 und 8 mit dem oberen Gehäuse 6 verschweißt.
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Figur 2 zeigt mit denselben Bezeichnungen wie -in Figur 1 einen Probenkörper,
der wie in Figur 1 mit einem Faltenbalg-Gehäuse dicht verschweißt ist. Anstelle
des in Figur 1 dargestellten oberen Gehäuseteils 6 ist hier ein aus zwei Teilen
20 und 21 zusammengesetzter Strömungsleitkörper vorgesehen, der wie in Figur 1 mit
je einem Rohrstutzen 7 und 8 verschweißt ist. Das bei 7 in diesen Strömungsleitkörper
eintretende Prüfmedium wird gezwungen, mit hoher Geschwindigkeit durch einen engen
ringförmigen Querschnitt 22 zwischen dem Probenkörper 1 und dem Strömungsleitkörper
20/21 hindurch nach unten zu strömen und von dort aus außerhalb des Strömungsleitkörpers
20/21 nach oben und durch den Rohrstutzen 8 nach außen. Die Montage erfolgt in gleicher
Reihenfolge wie bei Figur 1 beschrieben, nur muß der Strömungsleitkörper 20/21 geteilt
um die Probe herum montiert werden. Zunächst werden die beiden Teile zusammengepreßt
und mit dem Kragen 2 verschweißt und danach die beiden Längsnähte zwischen den Teilen
20 und 21 verschweißt. Die übrige Montage erfolgt dann wie bei Figur 1 bereits beschrieben.
Der aus den Teilen 20 und 21 bestehende Strömungsleitkörper kann in an sich bekannter
Weise aus zwei Blöcken hergestellt werden, die zunächst plangeschliffen und dann
mit einem Weichlot miteinander verlötet werden. Danach werden die gewünschten Konturen
dieses Strömungsleitkörpers ausgebohrt bzw.
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gedreht und die beiden Teile durch Erhitzen wieder entlötet. Mit Ausnahme
der-Rohrstutzen und der beiden Längsnähte am Strömungsleitkorper hat sich hier das
Elektronenstrahlschweißen als zweckmäßig gezeigt.
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Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung den in Figur 1 bereits gezeigten
Strömungsleitkörper 20/21, der aber bei sonst gleichen Abmessungen zusätzlich eine
eingängige schraubenlinienartige Nut 23 aufweist. Durch diese Nut läßt sich ohne
Durchsatzerhöhung und ohne zusätzlichen Druckverlust allein durch Anderung dieses
Strömungsleitkörpers bei heißem Natrium etwa um das Dreifache höhere Reynolds-Zahlen
erreichen.
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L e e r s e i t e