DE3111060C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät für Längen­ messungen an einer äußeren Einwirkungen ausgesetzten Probe, mit einem zur Abstützung der Probe dienenden Probenhalter, einer mittels einer Führungseinrichtung gegenüber dem Proben­ halter verschiebaren Meßfühlervorrichtung, die einen zum Angriff an der Probe dienenden Fühler aufweist, einer Ein­ richtung zur Erzeugung eines der durch die äußeren Einwir­ kungen auf die Probe hervorgerufenen Verschiebung des an der Probe angreifenden Fühlers entsprechenden elektrischen Meß­ signals, und einer zur Einstellung der von dem an der Probe angreifenden Fühler auf diese ausgeübten Kraft dienenden elektromagnetischen Einrichtung.

Bei einem derartigen bekannten Gerät (US-PS 34 70 732), bei dem der Probenhalter als Spannklammer zum Einspannen der Probe an deren einem Ende und der Fühler ebenfalls als zum Angriff am anderen Ende der Probe dienende Spannklammer aus­ gebildet ist, um dadurch die Probe einer Zugspannung zu un­ terwerfen, ist die Führungseinrichtung für die den durch die betreffende Spannklammer gebildeten Fühler tragende Meßfüh­ lervorrichtung durch einen Führungsdraht gebildet, der in einem Grundgestell des Gerätes stationär eingespannt ist. Die gegenüber dem Führungsdraht verschiebbare Meßfühlervorrich­ tung weist eine den Führungsdraht in einem bestimmten radia­ len Abstand umgebende Rohranordnung auf, wobei in dieser Rohranordnung in einem verhältnismäßig großen axialen Abstand zwei Edelsteinlager vorgesehen sind, in deren Lagerbohrungen der Führungsdraht möglichst reibungsfrei gleiten soll. Damit erweist sich der Aufbau der Führungseinrichtung bei dem be­ kannten Gerät als äußerst aufwendig. Auch ist diese Führungs­ einrichtung verhältnismäßig empfindlich, da der in den beiden Edelsteinlagern gleitende Führungsdraht nur geringe quer zu seiner Längsrichtung wirkende Kräfte aufnehmen kann. Schließ­ lich läßt sich auch trotz der aufwendigen Ausbildung als Edelsteinlager weder die Haftreibung noch die Gleitreibung völlig ausschließen, so daß dadurch die Meßergebnisse beein­ trächtigt werden.

Bei einem anderen bekannten Gerät für Längenmessungen an einer äußeren Einwirkungen ausgesetzten Probe (US-PS 35 89 167) ist ein den Fühler tragendes, stabartiges Teil in zwei unter einem gegenseitigen axialen Abstand angeordneten Rol­ lenlagern axial verschieblich geführt. An dem stabartigen Teil greift eine Anordnung von Schwimmern an, wobei die Schwimmer in einen Flüssigkeitstank eintauchen und dadurch eine axiale Kompensationskraft auf das stabartige Teil aus­ üben. Auch hier ist also die Führungseinrichtung Gleit- und Haftreibungskräften ausgesetzt. Ferner läßt sich bei diesem bekannten Gerät die auf die Probe ausgeübte Kraft nicht auf elektromagnetischem Wege, sondern nur durch eine Änderung der von den Schwimmern hervorgerufenen Auftriebskräfte erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß bei einem einfachen und unempfindlichen Aufbau die Meßgenauigkeit ver­ bessert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Führungseinrichtung durch zwischen der Meßfühlervorrich­ tung und dem Probenhalter quer zur Verschieberichtung ange­ ordnete Biegelagerführungen gebildet ist und die zur Ein­ stellung der von dem Fühler auf die Probe ausgeübten Kraft dienende elektromagnetische Einrichtung zum Ausgleich der bei der Verschiebung auftretenden Federkräfte der Biegelager­ führungen von dem Meßsignal gesteuert ist.

Durch die bei dem erfindungsgemäßen Gerät vorgesehene Verwendung der Biegelagerführungen wird das Problem der Gleit- und Haftreibung völlig vermieden. Außerdem ergibt sich hierdurch ein besonders stabiler Aufbau, der auch starke seitliche Krafteinwirkungen aufnehmen kann. Gleichzeitig wird aber auch jeder störende Einfluß der Federkräfte der Biege­ lagerführungen ausgeschlossen, da die elektromagnetische Ein­ richtung durch das Meßsignal gerade derart gesteuert wird, daß der Einfluß der Federkräfte ausgeglichen wird. Somit kann die Kraft, mit der der Fühler der Meßfühlervorrichtung auf die Probe einwirkt, völlig unabhängig von den durch die Füh­ rungseinrichtung erzeugten Biegekräften sowie auch unabhängig vom Gewicht der Meßfühlervorrichtung und dem Meßweg stufenlos von Null an aufwärts eingestellt werden. Das bedeutet, daß sowohl völlig kräftefreie Messungen durchgeführt werden kön­ nen als auch Messungen, bei denen der Fühler die Probe mit einer gewünschten Kraft belastet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß das Gewicht der Meßfühlervorrichtung nur teilweise oder gar nicht kompensiert wird oder eine zusätzlich zum Gewicht der Meßfühlervorrichtung wirkende weitere Kraft eingestellt wird. Durch die Verwendung der Bie­ gelagerführungen kann das Gerät auch unabhängig von seiner Ausrichtung zur Schwerkraft arbeiten. Es kann also jede be­ liebige Stellung im Raum einnehmen, beispielsweise auch hori­ zontal betrieben werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ge­ räts sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gerätes wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Deren einzige Figur gibt eine vereinfachte schematische Darstellung der wesentlichen Teile des neuen Gerätes wie­ der.

Eine Probe 10 befindet sich in einem Probenhalter 12. Dieser ist im allgemeinen auswechselbar ausgebildet, zur Aufnahme verschiedenartig geformter Proben 10. Eine nicht dargestellte Beheizungsvorrichtung dient zur Erwärmung der Probe 10. Ein Fühler 14 einer Meßfühlervorrichtung 16 ist so angeordnet, daß er an einer Meßfläche 11 der Probe 10 anliegt und deren Verschiebung bezüglich einer ortsfesten Referenzfläche 9 folgt, oder daß er unter Ein­ fluß einer Kraft in die Meßfläche 11 eindringt. Der Fühler 14, der Probenhalter 12 und/oder die Meßfühler­ vorrichtung 16 sind zur Anpassung an verschiedene Proben 10 und Meßerfordernisse austauschbar gestaltet. Die Meßfühlervorrichtung 16 ist quer zur Bewegungsrich­ tung des Fühlers 14 mittels parallelogrammartig angeordneten Bie­ gelagerführungen 18 abgestützt. An ihrem Ende weist die Meßfühlervorrichtung 16 einen magnetisch aktiven oder aktivierbaren Körper 20 auf, welcher sich in einem elek­ trischen Feld einer stromdurchflossenen Spulenanordnung 22 befindet, die als Differentialtransformator arbeitet. An diese sind elektrische Meß- und Anzeigegeräte 24 an­ geschlossen.

Die Wirkungsweise der bisher beschriebenen Teile ist die folgende:
Bei einer Erwärmung der Probe 10 dehnt sich diese bei­ spielsweise aus. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen der ortsfesten Referenzfläche 9 und der Meß­ fläche 11. Der Fühler 14 wird verschoben, und mit ihm zusammen verschiebt sich die gesamte Meßfühlervorrich­ tung 16. Die Biegelagerführungen 18 werden dabei leicht aus­ gelenkt. Die Verschiebung des Körpers 20 in der ortsfesten Spulenanordnung 22 hat eine Veränderung der elektrischen Größen des Stromkreises der Spulenanordnung 22 zur Fol­ ge. Diese wird von den Meß- und Anzeigegeräten 24 re­ gistriert und angezeigt. Die Dilatation der Probe 10 ist dadurch in eine elektrische Größe verwandelt worden und somit ablesbar und auswertbar.

Bei einem Gerät, das der obigen Beschreibung entspricht, würde die Probe 10 durch den Fühler 14 mit dem Eigenge­ wicht der Meßfühlervorrichtung 16 belastet. Für die Er­ langung exakter Meßresultate kann es aber nötig sein, möglichst kräftefrei zu messen, d. h. den Fühler 14 un­ belastet an der Meßfläche 11 anliegen zu lassen, oder mit anderen Worten das Eigengewicht der Meßfühlervor­ richtung 16 zu kompensieren. Bei andersartigen Messungen, welche die Eindringtiefe des Fühlers 14 in die Meßfläche 11 zum Gegenstand haben, kann es auch erforderlich sein, den Fühler 14 mit einer gewissen, sich gegebenenfalls auch zeitlich ändernden Kraft zu belasten, welche aber im allgemeinen natürlich nicht dem Gewicht der Meßfüh­ lervorrichtung 16 entspricht, sondern größer oder klei­ ner als diese sein kann. Zur Kompensation des Eigenge­ wichtes der Meßfühlervorrichtung 16 bzw. zur Erzeugung einer durch den Fühler 14 auf die Meßfläche 11 wirken­ den Kraft wird daher folgende Maßnahme getroffen:

Über eine mechanische Kopplung 32 ist eine weitere Spu­ lenanordnung 30 mit der Meßfühlervorrichtung 16 verbun­ den. Diese Spulenanordnung 30 befindet sich in einem ma­ gnetischen Feld, welches durch eine elektromagnetische Einrichtung oder durch Permanentmagnete erzeugt sein kann. Die Wirkungsweise dieser Teile ist folgende:

Legt man eine Spannung an die weitere Spulenanordnung 30, so un­ terliegt diese einer Kraft in Richtung ihrer Längsachse. Diese Kraft überträgt sich durch die Kopplung 32 auf die Meßfühlervorrichtung 16, sie verändert somit die Kraft, mittels welcher der Fühler 14 auf die Meßfläche 11 ein­ wirkt. Um eine annähernd kräftefreie Dilatationsmessung zu erhalten, muß die Spannung für die weitere Spulenanordnung 30 so gewählt werden, daß das Eigengewicht der Meßfühler­ vorrichtung 16 durch eine entgegengesetzt zur Erdanzie­ hung gerichtete Kraft aufgehoben wird. Die Federkräfte der Biegelagerführungen 18 werden aufgrund der Auslenkung der Meßfühlervorrichtung 16 mit Hilfe des Meßsignals 24 eines Reglers 33 und der weiteren Spulenanordnung 30 ebenfalls kompensiert.

Soll hingegen eine Messung die Eindringtiefe des Fühlers 14 in die Probe 10 zum Gegenstand haben, so muß diese Spannung so gewählt werden, daß dieses Eigengewicht nur teilweise oder gar nicht kompensiert wird, oder daß zu­ sätzlich zum Eigengewicht der Meßfühlervorrichtung 16 eine in gleicher Richtung wie das Eigengewicht wirkende Kraft über den Fühler 14 auf die Meßfläche 11 ausgeübt wird.

Es ist also in einfacher Weise und mit einer einzigen Einrichtung möglich, sowohl das Eigengewicht der Meßfüh­ lervorrichtung 16 ganz oder teilweise zu kompensieren als auch eine Zusatzkraft zum Eigengewicht zu erzeugen. Da­ bei können die jeweils erforderlichen Kraftwerte durch Einstellen eines Potentiometers 34 vorgewählt werden, so daß die jeweils in der weiteren Spulenanordnung 30 wirksame Strom­ stärke sich aus dem vorgewählten und dem vom Regler 33 bestimmten Anteil zusammensetzt.

Durch entsprechende Einstellung des Potentiometers 34 kann die Stromstärke so bemessen werden, daß für einen Probenwechsel der Fühler 14 von der Meßfläche 11 ab­ hebt.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß für die Vorgabe der Kraftwerte ein Mikrocomputer verwendet wer­ den kann: Nach numerischer Eingabe der gewünschten Werte steuert dieser dann das Potentiometer 34 oder entsprechende Stromstufen an.

Durch eine Umkehrung der Anordnung Probe/Meßfühler (nicht gezeichnet), bei welcher der Fühler an der Probe zieht, können auch Kontraktionen z. B. an Schrumpfschläu­ chen gemessen werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät lassen sich verschiede­ ne thermomechanische Messungen in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zeit durchführen, beispielsweise

• - Messungen unter einer vorbestimmten Auflagekraft (ohne Haftreibung), also Messungen der Längenänderung bei konstanter Kraft, woraus z. B. der Ausdehnungskoeffizi­ ent abgeleitet werden kann;
• - Messungen von Längenänderungen bei sich einmalig oder zyklisch, z. B. mit Frequenzen zwischen 0,1 und 1 Hz, verändernder Kraft, woraus z. B. die Elastizität ermit­ telt werden kann;
• - Messungen von Oberflächeneigenschaften, beispielsweise Erweichung.

Außer Messungen bei sich ändernden Temperaturen sind auch solche unter isothermen Bedingungen durchführbar, wenn beispielsweise das Quellverhalten bei bestimmten Umgebungsbedingungen (z. B. Feuchte) untersucht werden soll.

Claims (4)

1. Gerät für Längenmessungen an einer äußeren Einwirkungen ausgesetzten Probe, mit einem zur Abstützung der Probe (10) dienenden Probenhalter (12), einer mittels einer Führungsein­ richtung gegenüber dem Probenhalter (12) verschiebbaren Meß­ fühlervorrichtung (16), die einen zum Angriff an der Probe (10) dienenden Fühler (14) aufweist, einer Einrichtung (20, 22, 24) zur Erzeugung eines der durch die äußeren Einwirkungen auf die Probe (10) hervorgerufenen Verschiebung des an der Probe (10) angreifenden Fühlers (14) entsprechenden elektrischen Meßsignals, und einer zur Einstellung der von dem an der Probe (10) angreifenden Fühler (14) auf diese ausgeübten Kraft dienenden elektromagnetischen Einrichtung (30, 33, 34), dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung durch zwischen der Meßfühlervorrichtung (16) und dem Probenhalter (12) quer zur Verschieberichtung angeordnete Biegelagerführungen (18) gebildet ist und die zur Einstellung der von dem Fühler (14) auf die Probe (10) ausgeübten Kraft dienende elektromagne­ tische Einrichtung (30, 33, 34) zum Ausgleich der bei der Ver­ schiebung auftretenden Federkräfte der Biegelagerführungen (18) von dem Meßsignal gesteuert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Einrichtung ein zur Einstellung eines vorgewählten Anteils der von ihr auf den Fühler (14) ausge­ übten Kraft dienendes Potentiometer (34) aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der numerischen Eingabe des vorgewählten Anteils der Kraft dienender Mikrocomputer vorgesehen ist, durch den das Potentiometer gesteuert ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zur Erzeugung des Meßsignals dienende Einrichtung durch einen Differentialtransformator gebildet ist, der einen mit der Meßfühleranordnung (16) gekoppelten magnetisch wirksamen Körper (20) in einer das Meßsignal lie­ fernden stromdurchflossenen Spulenordnung (22) aufweist.