DE2945236A1

DE2945236A1 - Geraet fuer hohlraummessungen

Info

Publication number: DE2945236A1
Application number: DE19792945236
Authority: DE
Inventors: Pietro Italiano; Ermete Riva; Giorgio Sisti
Original assignee: Carlo Erba Strumentazione SpA
Current assignee: Fisons Instruments SpA
Priority date: 1978-12-13
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1980-06-26
Also published as: FR2444270A1; IT7830787A0; DE2945236C2; CH636199A5; US4272983A; CA1139585A; IT1101535B; GB2039058B; BE880384A; NL7908266A; FR2444270B1; GB2039058A; JPS5582947A; JPS6234091B2

Description

DIPL.-ING. M. SC DIPC-PM VS. 13 f». DIPL.-PHVS. tag^u. HÖGER - STELLRECHT - GFIE3SBACM - PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

2345236

A 43 828 u Anmelder: CARLO ERBA STRUMENTAZIONE S.p.A.

u - 123 RODANO (Mllano», Italien

8. November 1979

'Gerät für Hohlraummessungen"

O30ü26/0590

294523ΤΓ

BESCHREIBUNG einer Erfindung mit dem Titel: "GERÄT FOR HOHLRAUMMESSUNGEN"

Antragsteller: CARLO ERBA STRUMENTAZIONE S.p.A., Rodano (Milano) Erfinder: Giorgio SISTI, Ermete RIVA, Pietro ITALIANE Angemeldet am: unter der Nr

Vorliegende Erfindung betrifft ein Porositäts-Messgerät, d.h. ein Gerät, das Volumen und Abmasse von mikrobisch kleinen Hohlräumen an festen Körpern feststellen kann und ein Shnlichkeitsverhältniss zwischen einem bestimmten radialen Mittelwert oder einem mittleren tlassbereich von Radien der Hohlräume und dem Volumen derselben herstellt. In anderen V/orten, das Gerät kann das Volumen von Hohlrämen bestimmen, die ein bestimmtes föittelmass der Radien besitzen und daraus die Hohlräume von Volumen immer kleinerer Durchmesser bestimmen.

Geräte dieser Art sind bereits bekannt} es handelt sich dabei um Geräte, die nach der Drake-Methode arbeiten und zwar wie folgt: der feste Körper wird in einem Behälter gegeben, dieser wird unter Vakuum gesetzt, dann wird der Behälter mit Quecksilber gefüllt und dieses steigenden Drücken ausgesetzt. Pur jeden bestimmten Druckwert kann ein Mittelmass der Kohlräme, in die das Quecksilber eindringt, bestimmt werden. In anderen V/orten, jedem bestimmten Druckwert entspricht ein Mittelwert der Radien von Hohlräumen; wird dieser Wert überschritten, füllen sich die Hohlräume des festen Körpers mit Quecksilber; das Quecksilber dringt aber nicht in jene Hohlräume die kleineren mittleren Radius besitzen.

Der mittlere Radius kann aus folgender Relation (nach Drake, Washbaum usw.) ermittelt werden:

Rm =

030026/0590

wobei Rm = der mittlere Radius (in %) der Hohlräume ist ^ = Dampfspannung des Quecksilbers bei 25⁰C (Teperatur

bei der das Messverfahren durchgeführt wird) $· = der Berührungswinkel zwischen Quecksilber und

dem zu prüfenden festen Korper. Dieser Winkelwert ist für jedes Material bekannt und liegt immer zwischen 130° bis 150°.
ρ = der jeweilige Betriebsdruck

Die Werte für Co und σ sind bekannt, der 7/ert für ρ kann abgelesen werden; die Errechnung von Rm ist also äusserst einfach.

Um das Verhältnis zwischen Hohlraumvolumen und den bezüglichen mittleren Radius Rm zu erhalten, muss für jeden Wert von Rm , d.h. bei jedem Druck ρ eine genaue Messung der Volumenveränderung des Quecksilbers in geanntem Behälter durchgeführt werden.

Nachdem Hg inkompressibel ist, bedeutet jede feststellbare Volumenveränderung das Eindringen von Quecksilber in die Hohlräume des festen Korpers. Es wird ein Graph erstellt (dieser kann zwar nur aufgrund von Versuchswerten statistisch ermittelt werden), der die Beziehung der Volumenwerte und der mittleren Hohlraum-Radi en darst eilt.

In der Praxis ist genannter Behälter eine Ampulle, z.B. aus Glas, die in einem Autoklaven, in Plnsigkeit gebettet, untergebracht ist.

Nachdem der Autoklav geschlossen wird, wird genannte Flüssigkeit unter Druck gesetzt; diesen steigenden Druckwerten entsprechen negative Druckveränderungen des Quecksilbers innerhalb der Ampulle und diese können somit gemessen werden.

030026/0 59 0

Sas grosste Problem, das bei der beschriebenen D -Methode eintreten kann, ist gerade die Messung der Volumenveranderung des Quecksilbers in der Ampulle.

Bei bekannten Geraten dieses Fabrikats loste man genanntes Problem teilweise mittels eines Kapillare von konstantem Durchmesser; Mittels Nivellsierungsmessung am Kapillar wird dann genannte Volumenveranderung ermittelt· Letztgenannte Messung wird bei den bekannten und herkömmlichen Geräten folgendermassen ermöglicht: der Boden der Ampulle wird mit einer metallischen Sonde, die den Ampullenboden durchquert, an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen; der Autoklav wird mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt und der elektrische Schaltkreis schliesst sich mit dem Quecksilber der Ampulle und einer Tastnadel, die in das Kapillar-Rohrchen bis zur Berührung des Quecksilbers eintaucht·

Die Tastnadel ist auf einer Führung montiert, die in einer Gewindeführung schraubbar angebracht ist; jeder Drehung der Führung entspricht eine Vorschubbewegung der Nadel und dieser Vorschubbewegung entspricht wiederum eine Volumenveranderung des Quecksilbers·

Das Prüfverfahren wird schrittweise durchgeführt: die Nadel wird bis zur Berührung der Quecksilberoberfläche gebracht und der elektrische Schaltkreis schliesst sich; nun bleibt die Nadel in dieser Stellung und der Druck kann ansteigen bis der Schaltkreis bei Absinken des Quecksilber- Meniskus wieder unterbrochen wird; indem die Druckerhöhung unterbrochen und die Nadel weitergeschraubt wird, wiederholt sich der Zyklus bis die max. Druckwerte erreicht worden sind.

Diese Beschreibung genügt, um die augenscheinlichsten Kachteile genannter und bereits bekannter Gerate anzuführen.

030026/0590

Vor allem kann man feststellen, dass die Messgenauigkeit eng an die konstruktive Genauigkeit der Schraub-Vorschubvorrichtung gebunden ist; aus diesem Grunde ist die Ausfuhrung genannter Gerate eine äusseret komplizierte, wenn man bedenkt, welche Probleme nur die Abdichtung der Tastnadel, die hohen Drucken (2000-2500 atu) ausgesetzt ist, mit sich bringt· Aus s er dem entstehen ernste Bedenken bezüglich der Messgenauigkeit, die mit solchen herkömmlichen Geraten erreicht werden kann, da die Volumenanderungen sehr klein sind. Diese geringe Messgenauigkeit wird dazu noch durch den negativen Einfluss der Oberflachenoxydation des Quecksilbers, die den Oberflächen-Meniskus verändert, beeinflusst.

Zuletzt muss noch erwähnt werden, dass die beschriebene Hess-Methode nicht linear-systematisch erfolgen kann, und somit die Messergebnisse statistisch ausgearbeitet werden müssen, um das Schaubild des Volumen —mittlerer Durchmesser—Verhältnisses aufzuzeichnen; auf diese Weise erfordert beschriebenes Analysesystem ausserordentlich viel Zeit.

Dies vorausgesetzt mochte man hiermit ein neues Porositats-Messgerät vorstellen, das zwar immer noch nach der genannten Drake-Methode arbeitet und bei der ebenfalls mittels Kapillar und Hivellierungsmessung die Volumenänderung ermittelt wird, aber bei der genannte Messung nicht durch das negative Vorhandensein von beweglichen Teilen verfälscht werden kann.

Die konstruktiven Nachteile sind somit ausgeschlossen und wie noch besser beschrieben wird, kann die Kessung ohne Zeitverlust, stufenlos und bei weit grosserer Messgenauigkeit durchgeführt werden; ausserdem fällt der negative Einfluss einer Oberflächenoxydation weg und die Messergehnisse können auf einer Digital-Anzeige abgelesen werden.

Zusammenfassend können genannte und andere Vorteile bei Anwendung

030026/0590

des Gerätes der Erfindung folgendermassen erzielt werden: das Gerät besitzt einen Behälter, der den festen Körper aufnimmt, wobei derselbe in Quecksilber gebettet ist; der Behälter kann gesteuerte Druckunterschiede aufnehmen und ist mit Vorrichtungen ausgerüstet, die das Quecksilber zu einem elektrischen Leiter machen; der Halsteil des Behälters ist ein Kapillar-Rohr mit kalibriertem Innendurchmesser, indem sich der Quecksilber-Meniskus während der verschiedenen Druckbedingungen des Messvorganges befindet; genanntes Gerät ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens das Kapillar-Rohr aus dielektrischem Material gefertigt ist, dass die Wandstärke desselben kalibriert ist und dass das Kapillar-Rohr mit einer elektrischleitenden Aussenummantelung umgeben ist; genannte Ummantelung ist ausserhalb des Druckbereiches angebracht und an einem elektrischen Schaltkreis mit Stromzufuhr sowie an einem Kapazität^—Messgerät des Quecksilber-Kondensators angeschlossen; genannter Kondensator formt sich im Kapillar-Rohr zwischen der Ummantelung und den dielektrischen Wänden des Rohres selbst.

Man konnte feststellen, dass gebannter Quecksilber-Kondensator, und die Messung der Kapazitätsänderung alle bereits beschriebenen Nachteile der herkömmlichen Geräte ausschliessen und eine Llessgenauigkeit, die 50 bis 400mal grosser ist als die bei herkömmlichen Geräten, erlauben; genannte Liessgenauigkeit wird ausserdem von den Oxydations-Erscheinungen des Quecksilber-Meniskus nicht beeinflusst.

Die Messung wird ausserdem bei geringem Zeitaufwand ausgeführt und die Erarbeitung eines Schaubildes, das die mittleren Radien in Abhängigkeit des Hohlraumvolumens darstellen, stellt kein Problem mehr dar.

030026/0590
CO0Y

_9- 294S236

Wenn nach dem bekannten Verfahren, genannter Behälter eine Glasampulle ist, die in einem mit dielektrischer Flüssigkeit gefüllten Autoklaven eingeführt wird, so ist es von grosser Wichtigkeit, dass diese Flüssigkeit ein konstantes dielektrisches Verhalten aufweist; für den Zweck bestens geeignet ist dielektrisches öl für Transformatoren«

Diese und andere Eigenschaften sowie die Vorteile vorliegender Erfindung werden nun unter Zuhilfenahme der beiliegenden Zeichnungen im Detail erklart:

Abb. 1 ist ein Schema des Gerätes für Hohlraummessungen laut Erfindung.

Abb,^:r~2_-ist ein Schnitt längs der Achse des Autoklaven und der der ^eingeführten Ampulle.

Abb. /3 ist ein Teilschnitt in vergrossertem Hasse des Ampullenhalses·

Unter Anwendung der Drake'sehen Hessmethode wird das Gerät laut Erfindung folgendermassen bedient: der zu analysierende Prüfkörper wird in die Ampulle (10), die aus Glas oder anderem Material gefertigt ist, eingeführt; im Inneren der Ampulle wird ein Vakuum erzeugt und dann wird sie bis zur Einmündung (12) mit Quecksilber gefüllt; genannte Einmündung ist ein Kapillar, dessen Kiveaustellen in Abb. 3 mit (14) bezeichnet sind.

Nach bereits genannter Methode ist Ampulle (10) in einem Autoklaven Abb. 2 untergebracht; der Autoklav (16) ist mit einem dichtverschraubten Anschlusstück (18) verschlossen, die Dichtungen werden mit {20) bezeichnet; der Autoklav enthält eine Elektrode (22), welche an dem konischen Sitz (24) angeschlossen ist; die Elektrode ist vom Anschlusstück (18) mit (26) abisoliert.

Die Elektrode (22) ist im Anschlussteil (18) mit einer Stopfbuchse

030026/0590
COPY

(28) und (30) abgedichtet. Die Ampulle (10) hat im Boden einen Leiter (32) eingesetzt, der den elektrischen Schaltkreis über das Quecksilber und der Elektrode (22) mit einem Quecksilbertropfen (34), im konischen Teil (24) schliesst.

Die Ampulle (10) sitzt im Korper (16) des Autoklaven, der mit einem Kopfteil (36) verschlossen wird; genannter Kopfteil ist mit Dichtungen (38) versehen und mittels einer Schraubenmutter (40) am Korper festgeschraubt.

Das Kopfteil (36) ist im Bereich der oberen öffnung (42) mit einer Entlüfter-Vorrichtung (44) ausgerüstet. Der obere Teil (42) des Kopf teils (36) ist dem Ampmllenhals (10) angepasst.

Im unterschied zu den herkömmlichen Geräten kannder Kopfteil (36) geschlossen ausgeführt sein, weil beim Gerat laut Erfindung die Tastnadel mit ihren Dichtungsproblemen wegfällt.

Im abgebildeten Beispiel ist mit (46) ein Gewinde bezeichnet, in dem ein xeil dicht eingeschraubt werden kann. Genanntes Teil, das in Sitz (46) eingeschraubt wird, kanifconstruktiv so ausgelegt sein,wie das Bodenteil, allenfalls muss es imstande sein den hohen Druckanforderungen zu widerstehen und zwar unter der Voraussetzung, dass die elektischleitenden Teile gegenüber Teil (16) und (36) abisoliert sind.

Der abgebildete Autoklav ist im Teil (16) mit einem Anschlussgewinde (48) und Leitung (50) nach dem Innenraum (52) desselben geöffnet} an diesem Anschluss kann eine Druckflüssigkeit-Speise— stelle (nicht abgebildet) angeschlossen werden.

Wahrend der Messung, d.h. nachdem die Ampulle (10) in den Autoklav eingeführt und derselbe verschlossen wurde, wird der Innenraum (52) des Autoklaven über obengenannten Anschluss mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt, so dass diese die Ampulle (10)

030026/0590

umgibt injden Hals (12) derselben bis zum Quecksilberstand (14) eindringt, WahrenJtder Einfuhrung der Flüssigkeit wird die im Inneren des Autoklaven enthaltene Luft über den Entlüfter (44) abgelassen; nach der Entlüftung wird (44) wieder verschlossen·-

Nach diesen vorbereitenden Arbeitsgangen wird die eigentliche Messung wie folgt durchgeführt: die über Öffnung (48) eingeführte Flüssigkeit wird unterschiedlichen Drücken ausgesetzt; jeder Druckänderung entspricht eine Volumenveränderung innerhalb der Ampulle (10), diese Volumenveranderung ist durch die Niveauveränderung des Quecksilberstandes (14*)_f (14*^f) und (14¹¹¹) am Ampullenhals messbar· Indem die Nivellierungs-Messergebnisse des Quecksilber-Meniskus (14) mit den Druckwerten in Verbindung gebracht weden und bei Anwendung einiger Verwandlungsformeln erhält man eine Reihe von Werten, die den mittleren Radius und das jeweilige Volumen der gemessenen Hohlräume darstellen.

Um genannte Messungen durchzuführen wird laut Erfindung eine Ampulle (10) verwendet, dessen Hals (12) einen kalibrierten Innendurchmesser (54) besitzt und dessen Wandung (56) aus einer dielektrischen Beschichtung gefertigt ist; diese ist mit einer metallischen Ummantelung (58) umgeben, so dass sich zwischen dem Quecksilber (62), der dielektrischen Beschichtung (56) und der metallischen Ummantelung (58) ein Kondensator bildet, dessen Kapazität in Funktion des Meniskus-Standes (I4) im Kapillar variiert.

An der Aussenseite der metallischen Ummantelung (58) ist eine Beschichtung (60) aus reibungshemmenden Material, vorzugsweise Polytetrafluorethylen, angebracht, und zwar um die Ampulle (10) zentrisch in der Kopföffnung (36) positionieren zu können.

Es wird vorausgesetzt, dass die Volumenmessung, d. h. die Nivellierungsmessung des Quecksilberstandes (14) in der Ampulle (10) sicher und zuverlässig ist; ausserdem muss festgesetzt werden,

030026/0590

dass die Massgenauigkeit des Durchmessers (54) und der Wandstarke (56) raft der Ampulle (10) den Anforderungen entsprechen müssen; aber ausser genannten Pflichten muss das Wandmaterial (56) und vor allem die Ampulle (10) vorzugsweise aus Glas gefertigt sein und zwar so, dass genannte Bausteine allen Druck- und Temperaturanforderungen widerstehen; ausserdem muss die dielektrische Flüs·- sigkeit, welche den Innenraum des Autoklaven ausfüllt und in den Hals der Ampulle (10) bis zum Quecksilber-Meniskus (14) eindringt, eine Flüssigkeit mit konstanten dielektrischen Eigenschaften sein und das bei allen Druckverhältnissen, die vom atmosphärischen Druck bis 2000-2500 atü reichen. Bezugnehmend auf obengenannte Forderung konnte man feststellen, dass dielektrisches Trafo-Öl den genannten Anforderungen bestens entspricht· Fur die Messung der Kapazitätsvariation des Kondensators (60), (56) und (58) wird laut Erfindung ein Schaltkreis, wie in Abb. 1 dargestellt, vorgesehen.

Bezugnehmend auf diese Abbildung wird die Elektrode (22) mittels Leitung (64) an die Stromzufuhr (66) angeschlossen, letztere ist ein Oszillograph mit quadratischem Wellenverlauf, dessen Ausgangsleitung in (68) über der Leitung (70) zusammen mit Teil (16) des Autoklaven geerdet ist.

Die Ummantelung (58) des Kondensators wird über Leitung (72) an ein Diodenpaar (74)» (76) angeschlossen, welches wiederum mittels Leitung (78) an den Oszillograph (66) angeschlossen ist; dieser Schaltkreis bildetjeine sogenannte "Dioden-Pumpe".

In diesem spezifischen Anwendungsbereich ist die Frequenz des Oszillographen (66) konstant und die Kapazität ändert sich mit der Nivellierung des Quecksilber-Meniskus (14). Ein Integrierungskondensator (80) richtet den Wechselstrom, der aus dem Verstärker (82) kommt, gleich und man erhält somit einen

030026/0590

-V73-

Spannungswert, der direkt proportional zur Kondensator-Kapazität

Die Anwendung der "Kondensator-Pumpe" ist dadurch gerechtfertigt, dass sie "parsffiitäre" Kondensator-Kapazitäten auschliesst, die die Messung negativ beeinflussen könnten.

Wir mochten hier nochmals die Vorteile des Messgerätes laut Erfindung anführen: vor allem wird das Vorhandensein von beweglichen Tastern zur Kessung des Quecksilberstandes im Kapillar (12) der Ampulle (10) ausgeschlossen. Die Messung kann stufenlos erfolgen mit dem Vorteil, dass das Schaubild des mittleren Radius in Abhängigkeit des Volumens der Hohlräume mit grösserer Geschwindigkeit als bei herkömmlichen Geräten aufgezeichnet werden kann. Spannungsunterschiede werden nämlich schon bei Zehntel von Mikro-Ampere wahrgenommen, d.h. Standunterschiede des Quecksilber-Meniskus (14) von 1/10 mm entsprechen 17

/UA,

Eine solche Messempfindlichkkeit entspricht einer 50 bis 400 fachen grösseren Messgenauigkeit als jene,die bei herkömmlichen Geräten erzielt werden kann.

Zuletzt wird noch erwähnt, dass die an den Klemmen (86) analogen Messergebnisse von 0 bis 10 V leicht in digitale liessergebnisse umgewandelt werden können.

V/ir v/eisen darauf hin, dass die hier beschriebene Ausführung vorliegender Erfindung einer bevorzugten Ausführungsart entspricht, die allerdings verschiedenen Änderungen bzw. Konstruktionsvarianten unterworfen werden kann.

030026/0590

Leerseite

Claims

PATENTANSPH&CHE:

I)J Gerat für Porositäts-Messungen, mit einem Behälter für die Aufnahme eines in Quecksilber getauchten Prüfmusters, der kontrollierten Druckänderungen ausgesetzt werden kann, wobei genannter Behälter Bausteine enthält, die es ermöglichen das Quecksilber über einen elektrischen Schaltkreis nach aussen zu verbinden und der mit einem Hals, in Form eines Kapillare mit kalibrierten Durchmesser ausgerüstet ist, in dem ein Quecksilber-Meniskus in den verschiedenen Druckverhältnissen des Messvorganges zu liegen kommt, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens genanntes Kapillar kalibrierte Wandstärke besitzt und aussen von einer elektrisch leitenden Ummantelung umgeben ist; diese ist nach aussen h±± zusammen mit Verbindungselementen des Quecksilbers im Behälter an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen, welcher eine Stromzufuhr und ein Messgerät der Kapazitätänderung des Quecksilberkondensators, bestehend aus Kapillar - Quecksilber und Ummantelung, enthält.
2) Gerät wie in Anspruch 1, d.h. in dem der genannte Behälter eine Glasampulle ist, die in einen mit Flüssigkeit gefüllten Autoklaven eingeführt wird, wobei genannte Flüssigkeit bei Druckveränderung teilweise in den Ampullenhals eindringt, gekennzeichnet dadurch, dass genannte Flüssigkeit konstante dielektrische Eigenschaften bei allen Druckveränderungen des Llessvorganges aufweist.
3) Gerät wie Anspruch 2 gekennzeichnet dadurch, dass genannte Flüssigkeit dielektrisches Trafo-Öl ist.
4) Gerät wie Anspruch 2 oder 3 gekennzeichnet dadurch, dass genanntes Kapillar aus Glas gefertigt ist und dass die Abmasse desselben sich bei Wärmeeinwirkung nicht verändern.

030026/0590
5) Gerat wie Anspruch 4 gekennzeichnet dadurch, dass ausserhalb der metallischen Ununantelung ein Zentrierteil, aus reibungshemmenden Material, für die zentrische Aufnahme des Kapillare im Autoklaven, angebracht ist.
6) Gerat wie Anspruch 1 gekennzeichet dadurch, dass die Stromzuführung ein Oszillograph mit quadratischem Wellenverlauf ist und dass genannter regelbarer Quecksilber-Kondensator im Schaltkreis, der von obengenannten Oszillographen gespeist wird, zusammen mit einer Diöden-Pumpe, die bei konstanter Frequenz und variabler Kapazität wirkt, eingebaut ist.
7) Gerat wie Anspruch 6 gekennzeichnet dadurch, dass die genannte Dioden-Pumpe über einen Integrations-Kondensator einen Gegenstrom-Verstärker speist, an dessen Klemmen eine Potential-Differenz gemessen wird, die proportional zur Quecksilberkondensator-Kapazität ist.

δ) Gerät nach wenigstens einem der genannten Ansprüche, .gekennzeichnet dadurch, dass seine Ausführung vorliegender Beschreibung und anliegenden Zeichnungen entspricht.

030026/0590