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Kapazitiver Dehnungsmeßaufnehmer mit thermischer
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Kompensation Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitiven Dehnungsmeßaufnehmer
nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Ein solcher Dehnungsre.3aunez-er ist
aus der 7?-x2 0 088 278 bekannt. Insbesondere bei der erwendung solcher Dehnungsmeßaufnehmer
zur Mes sunq cer Dehnungen von heißen Strukturen werden besonders ncne Ansprüche
an die Meßgenauigkeit gestellt. So sollen beispielsweise die mechanischen Beanspruchungen
eines 3*uteiis aus Sicherheitsgründen überwacht werden, ur Aussagen über die Lebensdauer
des Bauteiles zu gewinnen. Sind diese Bauteil außer mechanischen Beanspruzungen
auch wechselnden Temperaturen ausgesetzt, so Ist es oft erwünscht, daß die rein
thermische Ausdehlang, welche das Bauteil nicht beansprucht, kein Meßsignal liefern
soll, während Belastunqsderunaen möglichst präzise unabnängig von der Temperatur
der Struktur und des Dehnungsmeßaufnehmers gemessen werden sollen.
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Bei einer Temperaturerhöhung ohne das gleichzeitige Auftreten von
mechanischen Belastungen des Objektes sind verschiedene Effekte gleichzeitig zu
beachten.
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Bei einem Dehnungsmeßaufnehmer nach dem Stand der Technik bewirkt
die thermische Ausdehnung zunäcnst, daß sich die Kondensatorplatten etwas voneinander
entfernen.
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Andererseits dehnen sich auch die Kondensatorplatten und die Halterungen
aus, was diesem Effekt entgegenwirkt. Bei einer keramischen Halteruna der Kondensatorplatten
ist
auch der Ausdehnungskoeffizient der keramik zu berücksichtigen. Dies alles führt
dazu, daß man dem Dehnungsmeßaufnehmer einen integralen effektiven Ausdehnungskoeffizienten
geben kann, der experimentell oder theoretisch bestimmt wird. Bei der Einführung
dieses Koeffizienten wird so getan, als ob jede durch Temseraturänderungen entstehende
Kapazitätsänderung des Dennungsmeßaufnehmers nur durch eine Ueranc: rung des ?lattenabstandes,
d.h. des Abstandes der beiden Schenkel voneinander hervorgerufen würde.
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In vielen Anwendungsfällen ist es relativ einfach, die thermische
Kapazitätsänderung des Dehnungsmeßaufnehmers durch geeignete Wahl des Materials
der Befestigunaslaschen und durch geeignete Befestigungspunkte zu kccenseren. Dies
geht meist dann, wenn für die Befestigungslaschen ein Material mit einem größeren
Ausdehnungskoeffizienten als dem des zu messenden Objektes zu Verfügung steht. Man
wählt dann den Abstand zwischen den Schenkeln des Dehnungsmeßaufnehmers und den
Befestigungspunkten an den Befestigungslaschen, an denen diese mit dem zu messenden
Objekt verbunden sind, unter Berücksichtigung der Ausdehnungskoeffizienten von Befestigungslaschen
und Objekt gerade so, daß die Laschen durch ihre etwas grössere Ausdehnung gegenüber
dem Objekt die Kondensatorplatten bei Temperaturerhöhung wieder etwas zusammenschieben,
so daß die oben genannten Effekte gerade ausgeglichen werden.
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In einzelnen Anwendungsfällen, insbesondere bei zu messenden Objekten
aus austenitischem Stahl stehen für die Befestigungslaschen keine Materialien zur
Verfügung, welche einen genügend größeren Ausdehnungskoeffizienten haben. In diesen
Fällen ist bei Dehnungsmeßaufnehmern
nach dem Stand der Technik
eine vollständige thermische Kompensation im oben beschriebenen Sinne nicht möglich.
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In diesen Fällen hat eine Dehnungsmeßaufnehmer nach dem Stand der
Technik immer eine von reinen Temperaturänderungen abhängige Kapazität, was unerwünscht
ist. In manchen Fällen ist es auch erwünscht, daß die Verbindung zwischen zu messendem
Gegenstand und dem Dehnungsmeßaufnehmer nicht zwischen unterschiedlichen Materialien
hercestellt werden muß, weil das die Montage erschweren konnte. Auch in diesem Fall
ist eine thermische Kompensation schwierig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein kapazitiver Dehnungsmeßaufnehmer
mit einem Aufbau, welcher eine gute thermische Komper-lFion im Prinzip für jedes
zu messende ObJektmaterial zuläßt. Dabei sollen auch kleine herstellunqsbedingte
Unterschiede nicht ins Gewicht fallen. Der er-indul,sgemäße Dehnungsmeßaufnehmer
soll für Temperaturen von bis zu 7000 C oder auch darüber geeignet sein.
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zur Lösung dieser Aufgabe wird ein kapazitiver Dehnungsmeßaufnehmer
nach dem Hauptanspruch vorgeschlagen. Er entspricht bis auf die Befestigung dem
Stand der Technik.
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Eine oder beide Befestigungslaschen sind jedoch mit gegenläufigen
Kompensationsstücken versehen, die einen anderen Ausdehnungskoeffizienten haben
als die Befestigungslaschen. Die Kompensationsstücke sind jeweils an dem einen Ende
mit einem Ende einer Befestigungslasche verbunden und verlaufen planparallel und
nahezu anliegend an dieser. Die Kompensationsstücke dienen zur Verbindung der Befestigungslaschen
mit den Schenkeln und/oder dem zu messenden Gegenstand. Die freie Länge der Kompensationsstücke,
d.h. die Länge zwischen ihren Befestigungspunkten, und der Ausdehnungskoeffizient
ihres Materials
sind so gewählt, daß rein thermische Dehnungen des
zu messenden Gegenstandes und der Teile des Dehnungsmeßaufnehmers keine Veränderung
des Meßwertes verursachen.
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Diese neue Art der Befestigung der Befestigungslaschen ermöglicht
auch in schwierigen Fällen eine genaue thermische Kompensation. Man braucht für
die Befestigungslaschen z.B. nun nicht mehr ein Material mit einem grösseren Ausdehnungskoeffizienten
als dem des zu messenden Objektes, sondern kann das gleiche Material oder sogar
ein Material mit einem etwas kleineren Ausdehnungskoeffizienten nehmen, da nun ein
Ausgleich durch das in entgegengesetzter Richtung wirkende Kompensationsstück möglich
ist. Man muß nur das Produkt aus Länge des Kcpensationsstückes multipliziert mit
der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von Befestigungslasche und Kompensationsstück
genügend groß machen Ein Dehnungsmeßaufneher nach dieser Bauart kann daher für alle
Anwendungsfälle nach entsprechenden Rechnungen oder Experimenten geeignet dimensioniert
werden, In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 2 vorgeschlagen,
das Material der Kompensationsstücke mit einem kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als dem der Befestigungslaschen zu wählen.
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Dies ist der Hauptanwendungsfall der Erfindung, da eine Kompensation
mit anderem Vorzeichen meist auch ohne Kompensationsstücke möglich ist.
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Weiterhin wird im Anspruch 3 speziell vorgeschlagen, die Kompensationsstücke
aus einer Platin-Legierung, insbesondere Platin-Iridium herzustellen, wobei gleichzeitig
die Befestigungslaschen aus dem gleichen Material wie der zu messende Gegenstand
bestehen.Das vorgeschlagene
Material weist günstige eigenschaften
in Bezug auf Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auf, läßt sich gut mit anderen
Materialien verschweißen und hat einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten Im Anspruch
4 wird vorgeschlagen, daß die Kompensationsstücke als Verbindung zwischen den Befestigungslaschen
und den Schenkeln angeordnet sein sollen. Diese anhand der Fig. 1 und 2 näher erlauterte
Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Kompensation thermischer Einflüsse,
ohne daß die Lage der Befestigungspunkte zwischen Befestigungslaschen und zu messende
flblekt eInCegrenzt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anspruch 5 vorgeschlagen,
daß bei einer Gesamtlänge der Kompensationsstücke, die größer als etwa der halbe
Abstand der Schenkel ist, die Befestigungslaschen und die Kompensationsstücke so
gestaltet und befestig werden, daß sie sich im Uberschneidungsbereich nicht in der
Bewegung behindern. Diese Ausgestaltung wird für viele Anwendungsfälle der Normalfall
sein, da der Abstand der Schenkel meist kleiner als die notwendige Kompensationslänge
sein wird. In diesem Falle kann der erfindungsgemäße Vorschlag nur dann verwirklicht
werden, wenn die Kompensationsstükke und die Befestigungslaschen jeweils nur an
einem Teilbereich der Schenkel befestigt sind, und zwar so, daß die Stabilität erhalten
bleibt, sich die Kompensationsstücke und Befestigungslaschen jedoch nicht gegenseitig
berühren oder in der Bewegung behindern.
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In spezieller Ausgestaltung wird dazu im Anspruch 6 vorgeschlagen,
daß die eine Befestigungslasche im über schneidungsbereich in zwei oder mehr Arme
gegabelt sein
soll. Die andere Befestigungslasche ist in diesem
überschneidungsbereich dann so geformt, daß sie mit etwas Abstand zwischen den Armen
der ersten Befestigungslasche verläuft. Die Kompensationsstücke sind in ihren Formen
in etwa den Formen der Arme der Befestigungslaschen im Uberschneidungsbereich angepa13t.
Diese anhand des Ausführungsbeispiels naher erläuterte Form ist eine einfache und
stabile Ausführung auch bei relativ lang gewählten Kompensationsstücken.
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Im Anspruch 7 wird alternativ vorgeschlagen, die Kompensationsstücke
als Verbindungsstücke zwischen Befestigungslasche und dem zu messenden Gegenstand
auszuführen, gegebenenfalls unter Einbeziehung weiterer Verbindungsteile. Diese
Ausführungsform, welche anhand der Fig. 3 - 6 noch näher erläutert wird, ermöglicht
eine besonders hysteresefreie thermische Kompensation.
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Auch werden komplizierte Formen im überschneidungsbereich unterhalb
der Schenkel des Dehnungsmeßaufnehmers vermieden.
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Im Anspruch 8 wird in besonderer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
daß eine oder beide Befestigungslaschen an ihren Enden einen rechteckigen Ausschnitt
aufweisen sollen. Über dem Ausschnitt liegt ein U-förmiges Kompensationsstück, welches
an seiner Basis mit den Enden der Befestigungslaschen verbunden ist. Die Schenkel
des U-förmigen Kompensationsstückes sind an einem im Inneren des rechteckigen Ausschnitts
in der Befestigungslasche liegenden rechteckigen Übergangsstück befestigt. Das Ubergangsstück
besteht dabei vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der zu messende Gegenstand
und ist mit Hilfe eines Schweißpunktes
oder dergleichen mit den
Gegenstand verbindbar, wobei dieser Schweißpunkt wegen der U-Form des Kompensationsstückes
gut zugänglich ist. Diese Ausführungsform ermöglicht insbesondere bei Verwendung
von hochpräzisen Laserschweißgeräten eine exakte Vorfertigung mit genau abgestimmter
Kompensationslänge. Die Befestigung des ganzen Aufnehmers an dem zu messenden Gegenstand
ist dann unkritisch, da es auf die genaue Lage des Verbindungspunktes zwischen Übergangs
stück und Geaenstand nicht ankommt. Auch ist eine Verbindung zwischen gleichen Materialien
meist besonders einfach herstellbar.
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Im Anspruch 9 wird eine spezielle etwas vereinfachte Ausführungsform
für die Kompensationsstücke vorgeschlagen, welche anhand der Fig. 5 und 6 näher
erläutert wird. Dabei liegt das Kompensationsstück unterhalb des Endes der Befestigungslaschen
und diese weisen einen sich kreisförmig erweiternden Einschnitt auf, Das eine Ende
des Kompensationsstückes ist mit dem Ende der Befestigungslasche verbunden, und
es kann durch den kreisförmigen Ausschnitt hindurch eine Verbindung zwischen Kompensationsstück
und zu messendem Gegenstand hergestellt werden. Diese Ausführungsform eignet sich
für einfachere Anwendungsfälle, hat jedoch den Nachteil, daß die Befestigungslaschen
nicht überall auf dem zu messenden Gegenstand aufliegen und durch Verbiegungen der
Meßwert verfälscht werden kann.
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Die erfindungswesentlichen Teile des Dehnungsmeßaufnehmers sind in
der Zeichnung anhand verschie-
dener Ausführungsheispiele dargestellt
und zwar zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Dehnungsme.aufnehmer,
Fig. 2 eine Ansicht von oben mit einem Schnitt II-II durch die Schenkel unterhalb
der Kondensatorplatten, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Dehnungsmeßaufnehmer
mit anderer Anordnung der Kompensationsstücke, Fig. 4 eine Ansicht von oben mit
einem Schnitt entlang der Linie IV-IV, Fig. 5 eine weitere Variante der Kompensationsstücke
und Fig. 6 eine Ansicht dieser Variante von oben mit Schnitt entlang der Linie VI-VI.
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In Fig.. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemänen Dehnungsmeßaufnehmer
in der Ebene der Kondensatorplattenzuleitungen dargestellt. An einer nach dem Stand
der Technik bekannten Grundstruktur aus zwei Schenkeln 1, 2 und einem Biegeabschnitt
3 sind mit Hilfe einer keramischen Durchführung 4, 5 zwei Kondensatorplatten 6,
7 befestigt. Die Kondensatorplatten sind rund, wobei die eine Kondensatorplatte
6 einen etwas größeren Durchmesser als die andere Kondensatorplatte 7 hat. Die Außenkanten
11 der Kondensatorplatten 6, 7 sind abgeschrägt. Von der Rückseite der Kondensatorplatten
6, 7 führen Zuleitungen 8 durch die keramische Durchführung 4, 5 nach außen. Kondensatorplatten
6, 7 und Zuleitungen 8 sind vorzugsweise aus Platin und miteinander verschweißt
oder als je ein einziges
Drehteil ausgeführt. Die keramischen Halterunasteile
4, 5 sind mit einer Innenbohrung versehene rotationssyr£netrische Körper, vorzugsweise
Ringe mit rechteckigem Querschnitt.
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Mit Hilfe einer Feder 9 und einer Gegenplatte 10 werden die Kondensatorplatten
6, 7 an ihren Zuleitungen 8 verspannt, wobei die Keramikteile 4, 5 gleichzeitig
Halterung und elektrische Isolierung gegenüber den Schenkeln 1, 2 bilden. Entsprechende
Aussparungen in den Schenkeln 1, 2 ermöglichen eine feste reproduzierbare alterung.
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An den Halteplatten 10 werden die eletrischen Zuführunen befestigt,
vorzugsweise angeschweißt oder zwischen reder 9 und Halteplatte 10 verklemmt. Die
elektrischen Zuführungen sollen möglichst dünn und flexibel sein, dait die Bewegung
der Kondensatorplatten nicht behindert wird. An beiden Seiten der Dehnungsmeßvorrichtung
sind Abschirmplatten 12 vorhanden, welche an jeweils einem er Schenkel 1 bzw. 2
befestigt sind. Sie ragen über den jeweils anderen Schenkel 2 bzw. 1 soweit hinaus,
das sie ale Klemmvorrichtung 8, 9, 10 und einen Teil der effiekriechen Zuführungen
abscnirmen und in gewissen Grenzen auch vor r:cnanischen Einflüssen und Schmutzeintritt
zwischen die Kondensatorplatten schützen.
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Die Art der Verbindung der U-förmigen Grundstruktur 1, 2, 3 mit einem
zu messenden Objekt ist aus Gründen der thermischen Kompensation in besonderen Fällen
mit einem erhöhten Aufwand verbunden. Die Befestigungslaschen 13, 14 sind dazu nicht
direkt an den Schenkeln 1, 2 befestigt, sondern über Kompensationsstücke 15, 16a,
16b.
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Die genaue Anordnung von Befestigungslaschen und Kompensationsstücken
wird anhand von Fig. 2 näher erläutert.
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Es sei dabei darauf hingewiesen,daß die ganze Vorrichtung außerordentlich
klein ist, d.h. die Schenkel 1, 2 haben eine Länge von etwa 12 mm und die Befestigungslaschen
sind zusammen etwa 30 mm lang. Dementsprechend
sind die im folgenden
angegebenen fügetechnischen Verbindungspunkte vorzugsweise lasergeschweißt, da in
dieser Größe andere Verfahren kaum noch angewendet werden können. Die Befestigungslasche
14 ist gegabelt in zwei Arme 14a und 14b, welche unter beiden Schenkeln 1, 2 hindurchführen.
Die andere Befestigungslasche 13 weist in ihrer Verlängerung einen Arm auf, welcher
ebenfalls hunter den beiden Schenkeln 1, 2 hindurchführt und zwischen den beiden
Armen 14a und 14b der anderen gegabelten Befestigungslasche 14 mit einem geringen
Abstand liegt. Auf diese Weise können sich beide Befestigungslaschen 13, 14 entsprechend
den Dehnungen der Struktur gegeneinander ohne Behinderung verschieben. Die Verbindung
zwischen der Befestigungslasche 13 und dem Schenkel 2 wird durch ein Kornpensationsstück
15 hergestellt. Dieses Kopensationsstc ist mit VerbindungspunKten 17 an dem Schenkel
2 befestigt und mit VerbindungspunKten 18 an der Befestigungslasche 13. Das Kompensationsstück
15 weist einen geringeren Ausdehnungskoeffizlenten auf als die Befestigungslasche
13. Die Arme 14a, 14b der Befestigungslasche 14 sind ebenfalls über Xompensationsstücke
16a, 16b mit dem Schenkel 1 verbunden. Dabei sind die Kompensationsstücke 16a, 16b
mit Schweißpunkten 19 an dem Schenkel 1 befestigt und mit Verbindungspunkten 20
an den Armen 14a bzw. 14b der Befestigungslasche 14.
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Die Kompensationsstücke 16a und 16b weisen ebenfalls einen geringeren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf als die Befestigungslasche 14. An Stellen,
an denen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
mit mehr als einem Verbindungspunkt untereinander verbunden sind, können geeignete
Dehnungsschlitze vorgesenen werden. An jeweils einem der Schenkel 1 bzw. 2 sind
Abschirmbleche 12 mit Befestigungspunkten 21 bzw. 22 befestigt, welche über den
jeweils anderen
Schenkel 2 bzw. 1 hinausraqen. Der ganze Dehnungsmeßaufnehmer
kann mit Hilfe von Befestigungspunkten 23, 24 an einem zu messenden Objekt befestigt
werden, dessen Dehnung sich dann über Befestigungslaschen 13, 14 und Kompensationsstücke
15, 16a, 16b auf die Schenkel 1, 2 des Dehnungsmeßaufnehmers überträgt und in einer
Kapazitätsänderung bemerkbar macht. Die Kapazitätsänderuna entspricht den mechanischen
Dehnbeanspruchungen des Objaktes, wobei durch geeignete Wahl der Ausdehnungs efizienten
der Kompensationsstücke 15, 16a, 16b und der freien Länge 11 dieser Kompensationsstücke
der Einfluß von rein thermischen Dehnungen vollkommen kompensiert werden kann.
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Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung der Kompensationsstükke 32 bei
sonst gleichem Aufbau des Dehnungsmeßaufnenr..crs 1 - 12. Anhand der Fig. 4 wird
die genaue Lage der inlteile dieser Version verdeutlicht. Die Befestigungslaschen
30 mit Dehnungsschlitzen 37 sind direkt an den Schenkeln 1, 2 befestigt 33. An dem
äußeren Ende der Befestigungslasche 30 ist ein etwa rechteckiges Stück ausgespart.
In der Aussparung liegt mit etwas Spiel zu den Seiten ein etwas kürzeres rechteckiges
Übergangsstück 31.Befestigungslasche30 und Übergangsstück 31 sind durch ein darüberliegendes
U-förmiges Kompensationsstück 32 verbunden. Das Kompensationsstück 32 hat einen
kleineren Ausdehnungskoeffizienten als die Befestigungslasche 30 und ist mit dieser
durch die Schweißpunkte 35 verbunden. Mit dem Ubergangsstück 31 ist das Kompensationsstück
32 durch die Schweißpunkte 36 verbunden. Die Schweißpunkte 35, 36 sind vorzugsweise
mit einen Laser hergestellt, wobei eine Genauigkeit der Position von ca. 0,1 mm
erreicht werden kann. Die Kompensationslänge 12 ist daher bei der FertiiTJncr genau
einstellaar.e Befestigung der ganzen Vorrichtung
an dem nicht eingezeichneten,
zu messenden Objekt kann dann mit Hilfe des Schweißpunktes 34 erfolgen, wobei dessen
Position und Anbringung weniger kritisch ist, insbesondere dann, wenn - wie bevorzugt
- das Ubergangsstück 31 aus dem gleichen Material wie das zu messende Objekt besteht.
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Fig. 5 un6 zeigen eine weitere Variante für die Anordnung der erfindungsgemäßen
Kompensationsstücke 51 bei sonst gleichem Aufbau des Dehnungsmeßaufnehmurs 1 - 12.
Die Befestigungslaschen 50 mit Dehnungsschlitzen 57 sind direkt an den Schenkeln
1, 2 befestigt 53. Die Befestigungslasche 50 weist an ihrem Ende einen sich kreisförmig
erweiternden Schlitz 52 auf. Unter dem Schlitz 52 liegt ein Kompensationsstück 51,
welches am Ende der Befestigungslsche 50 mit Schweißpunkten 55 befestigt ist. Die
Verbindung der ganzen Vorrichtung mit dem zu messenden Gegenstand kann mit einem
Schweißpunkt 54 erfolgen, welcher weqen der kreisförmigen Erweiterung des Schlitzes
52 gut zugänglich und in Grenzen variabel ist. Die genaue Lage des Schweißpunktes
54 bestimmt die Kompensationslänge 13.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäße Kompensationsstücke
an einer oder an beiden Befestigungslaschen je nach insgesamt erforderlicher Kompensationslänge
vorgesehen werden können. Auch Kombinationen der verschiedenen Varianten sind bei
Bedarf möglich. Die Erfindung eignet sich besonders für hochpräzise pressungen an
mechanisch beansnruchten Strukturen bei Temperaturen bis 7000 C oder auch darüber.