DE3643724A1 - Dehnungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dehnungen von Werkstoffproben mit zwei im Abstand gegen die Probe gedrückten biege­ steifen Fühlern, die im Abstand von der Probe über ein biegeweiches Profil miteinander verbunden sind, auf dem Dehnungsmeßstreifen (DMS) angeordnet sind.

Derartige Meßvorrichtungen sind erforderlich, um die Dehnungen von Pro­ ben zu ermitteln, die in Materialprüfungsversuchen unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt sind. Insbesondere für den Gasturbinenbau ist es erforderlich, die Güte der dort eingesetzten Werkstoffe bei hohen Tem­ peraturen bis über 1000°C zu prüfen. Bei diesen Temperaturen kommt eine direkte Befestigung von DMS auf der Probe nicht mehr in Frage. Für diese Zwecke sind daher Dehnungsmeßvorrichtungen der gattungsgemäßen Art bekannt, welche gegen die Probe gepreßt werden und die Dehnung der Probe dadurch messen, daß sich der Abstand der Auflagepunkte von den Fühlern verändert, wodurch das Profil zwischen den Fühlern verformt wird. Diese Verformung wird von den daran befestigten DMS registriert und von einem angeschlossenen Meßgerät ausgewertet.

Damit die Fühler während des Meßvorganges nicht auf der Probe ver­ rutschen, sind diese an ihrem probenseitigen Ende mit Schneiden verse­ hen. Die Schneide eines Fühlers ist dabei entweder parallel zur Proben­ achse angeordnet, so daß Linienberührung zwischen Fühler und Probe besteht, oder sie steht senkrecht zur Probenachse, wodurch sich Punktberührung ergibt. Im Fall von Linienberührungen besteht die Gefahr, daß die Fühler auf der runden Probe nach einer Seite hin abrutschen, und es sind daher hohe Anforderungen an die Positionierung der Meßvor­ richtung zu stellen. Die Schneiden stehen außerdem nicht senkrecht zur Dehnungsrichtung, so daß hierbei Meßverfälschungen entstehen und ein Verrutschen in Probenachsrichtung möglich ist.

Die Schneiden werden durch einen am anderen Ende des Fühlers angeordne­ ten Feder- und Hebelmechanismus gegen die Probe gedrückt. Dies hat den Nachteil, daß die gesamte Anordnung unter Druckspannung steht und dabei Reibkräfte bzw. Hystereseeffekte auftreten und dies bei ungenauer Ein­ stellung zu Verfälschungen der Meßergebnisse führen kann. Außerdem wird im Fall von Punktberührung die Probe häufig gekörnt, um ein Verrutschen während des Meßvorganges besser zu unterbinden.

Die Körnung der Probe hat einen negativen Einfluß auf die Probenei­ genschaften (Kerbspannungen), die sich bei den hohen thermischen und mechanischen Belastungen im Versuch gravierend auswirken können.

Während des Versuchsablaufes treten vereinzelt Biegeverformungen der Probe auf, welche zu Meßfehlern führen, da die Auflagepunkte der Schneiden nicht in der Ebene der neutralen Biegefaser angeordnet sind.

Bei starker Erhitzung der Probe in einem Ofen kann es zu einer Erwär­ mung des hinteren Endes der Dehnungsmeßvorrichtung kommen, wodurch ebenfalls Meßverfälschungen auftreten können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die eine einfache, schnelle und dennoch exakte Montage erlaubt und eine Messung hoher Genauigkeit ermöglicht , wobei ins­ besondere die Gefahr des Verrutschens der Meßfühler beseitigt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die beiden Fühler an ihrem probenseitigen Ende einen V-förmigen Einschnitt aufweisen, dessen als Schneiden ausgeführte Flanken gegen die Werkstoffprobe gezo­ gen sind.

Beim Andrücken des V-förmigen Einschnittes gegen die Probe hat der Fühler eine Zweipunktberührung mit der Probe, wodurch ein Verrutschen des Fühlers und die dadurch bedingten Meßfehler nicht mehr möglich sind. Eine Körnung der Probe und die damit verbundenen Nachteile ist ebenfalls nicht mehr erforderlich. Aufgrund der Zweipunktberührung zwischen Fühler und Probe erfolgt der Abgriff näher an der neutralen Biegefaser, so daß die durch Biegung der Probe bedingten Meßfehler kleiner sind.

Vorzugsweise beträgt dabei der Winkel zwischen den Schneiden 90 bis 120 Grad. Aufgrund der Zweipunktberührung der Meßschneiden und der dadurch bedingten exakten Zentrierung ist auch eine sehr genaue und schnelle Kalibrierung des Aufnehmers möglich.

In weiterer Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß Einrich­ tungen vorgesehen sind, welche die Dehnungsmeßvorrichtung gegen die Probe ziehen. Vorzugsweise bestehen diese aus die Probe umgreifenden Haltegabeln, die an den Fühlern und über Zugfedern an einer Halterung befestigt sind.

Dabei sind vorzugsweise die Haltegabeln mit widerhakenartigen Ausspa­ rungen versehen, in welchen an den Federn befestigte Stifte eingehakt sind. Dadurch ist eine schnelle und trotzdem genaue Montage der Meßvor­ richtung möglich, da die Fühler nur noch in die Haltegabeln eingehakt werden müssen, und sich aufgrund der V-förmigen Schneiden an der Probe selbst zentrieren. Außerdem wird die Anpreßdruckbelastung in Schnei­ dennähe in die Fühler eingeleitet, und die restliche Meßvorrichtung bleibt - im Gegensatz zu den herkömmlichen Anpreßdruckerzeugern - be­ lastungsfrei.

In einer alternativen Ausführungsform für niedrige Temperaturen und für Kalibrierungszwecke besteht die Einrichtung aus einer elastischen Fe­ der, die die Probe umschließend in an den Fühlern angebrachten Stiften eingehakt sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Dehnungsmeßvorrichtung ausschließlich an der Probe befestigt ist.

Vorteilhafterweise sind die Fühler für Versuche bei Temperaturen über 600°C aus keramischen Werkstoffen, insbesondere AL O gefertigt.

Die Ausführung des Profils als Doppel-T Profil mit im Übergangsbereich radienartiger Verstärkung bewirkt vorteilhafterweise eine störungsfreie Verformung des Verbindungsblechs beim Meßvorgang, ohne daß an den Über­ gangsstellen nachteilige Kerbwirkungen auftreten. Hohe Meßempfindlich­ keit und hysteresefreies Messen erlaubt extreme Meßgenauigkeit.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zum Zweck der Abschirmung des verbindungsseitigen Endes von den Einflüssen der Strahlungswärme aus der Probenumgebung Wärmeabschirmein­ richtungen, vorzugsweise in Form von reflektierenden oder spiegelnden Schutzschilden vorgesehen sind. Vorteilhafterweise sind zwei hinter­ einanderliegende Schutzschilde im Abstand voneinander an den Fühlern befestigt.

Durch die Anordnung eines Gebläses, welches das Profil und den Raum zwischen den Schutzschilden mit kühler Umgebungsluft umspült, werden meßverfälschende Einflüsse der Hitze vermieden. Zweckmäßigerweise sind aus dem gleichen Grund vier wärmekompensierte DMS auf dem Mittelflansch des Profils befestigt und als Vollbrücke zusammengeschaltet.

Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen wird auf die weiteren Unteransprüche verwiesen.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachfolgend weitererläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht der Dehnungsmeßvorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt des probenseitigen Abschnittes eines Meßfühlers mit U-förmiger Haltegabel,

Fig. 3 einen Querschnitt des probenseitigen Abschnittes eines Meßfühlers mit elastischer Feder.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Dehnungsmeßvorrichtung 1 an einer Werkstoffprobe 22 angebracht. Die Werkstoffprobe 22 befindet sich auf einem nicht dargestellten Belastungsprüfstand und wird dabei in einem Ofen 23 erwärmt. Die Dehnungsmeßvorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus zwei parallelen Fühlern 2, 3, welche an die Werkstoffprobe 22 gezogen werden. Am anderen Ende sind die Fühler 2, 3 an einem Dop­ pel-T-förmigen Profil 14 mittels Schrauben 25 befestigt. Am Mittel­ flansch 26 des Profils 14 sind auf beiden Seiten DMS 15, 16 aufgebracht, welche über Signalleitungen 17 mit einem nicht dargestellten Meßgerät verbunden sind. Zur Abschirmung der Dehnungsmeßvorrichtung 1 von der innerhalb des Ofens 23 herrschenden Hitze ist ein Schlitz 24, durch welchen die Fühler 2, 3 in den Ofen 23 hineinragen, mit hitzebestän­ digem, watteähnlichem Dichtungsmaterial 27 abgedichtet. An den Fühlern 2, 3 sind zum gleichen Zweck zwei hintereinanderliegende Schutzschilder 18, 19 befestigt. Ein Gebläse 21 versorgt diesen Teil der Dehnungsmeß­ vorrichtung 1 mit Umgebungskühlluft.

Zum Begrenzen der maximalen Auslenkung der Fühler 2, 3 um plastische Verformungen des Mittelflansches 26 und Beschädigung der DMS zu vermei­ den, ist eine aus zwei ineinandergreifenden U-Profilen 37, 38 bestehen­ de Einrichtung vorgesehen. Die maximale Auslenkung der Fühler 2, 3 läßt sich durch eine Stellschraube 39 regulieren.

Das Andrücken bzw. Heranziehen der Dehnungsmeßvorrichtung 1 an die Werkstoffprobe 22 geschieht dadurch, daß jeder Fühler 2, 3 über einen Verbindungsstift 11, 12 mit einer die Werkstoffprobe 22 umgreifenden Haltegabel 6, 7 gekoppelt ist. Die an den Haltegabeln 6, 7 angebrachten Stiele 28, 29 ragen durch entsprechende Bohrungen 30, 31 durch die Wand des Ofens 23 hindurch und sind dahinter über Zugfedern 8, 9 mittels Ha­ ken 33 an ihren Enden an Verstelleinrichtungen 40, 41 angebracht, wel­ che wiederum an einer festen Halterung 10 befestigt sind. Die Haltega­ beln 6, 7 weisen widerhakenartige Aussparungen 13, 32 auf, in denen die Stifte 11, 12 auf einfache Weise ein- und ausgehakt werden können.

Wie in Fig. 2 am Beispiel des oberen Fühlers 2 zu sehen ist, ist dieser mit zwei V-förmig zueinanderstehenden Schneiden 4, 5 versehen, durch welche der Fühler 2 an zwei Punkten auf der Werkstoffprobe 22 aufliegt. Der Stift 11 ist in einer Bohrung 34 des Fühlers 2 gelagert. Über einen Stift 33 ist der Stiel 28 der Haltegabel 6 an der Zugfeder 8 befestigt.

Fig. 3 zeigt eine alternative Einrichtung zum Andrücken der Dehnungs­ meßvorrichtung 1 an die Probe 22. Dabei ist eine elastische Feder 35 an den Stift 11 beidseitig des Fühlers 2 eingehakt.

Claims (21)

1. Vorrichtung zum Messen der Dehnungen von Werkstoffproben mit zwei im Abstand gegen die Probe gedrückten biegesteifen Fühlern, die im Abstand von der Probe über ein biegeweiches Profil miteinander verbunden sind, auf dem Dehnungsmeßstreifen (DMS) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fühler (2, 3) an ihrem pro­ benseitigen Ende einen V-förmigen Einschnitt aufweisen, dessen als Schneiden (4, 5) ausgeführte Flanken gegen die Werkstoffprobe gezo­ gen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Schneiden (4, 5) 90°-120° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche die Dehnungsmeßvorrichtung (1) gegen die Probe ziehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtungen als mit den Fühlern (2, 3) verbundene Haltegabeln (6, 7) ausgeführt sind und über Zugfedern (8, 9) an einer Halterung (10) befestigt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltegabeln (6, 7) mit widerhakenartigen Aussparungen (13) versehen sind, in welchen an den Fühlern (2, 3) gelagerte Stifte (11, 12) eingehakt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ richtungen als an jedem Fühler (2, 3) angebrachte elastische Feder (35) ausgeführt ist, die die Probe (22) umschließend in an den Fühlern (2, 3) angebrachten Stiften (11, 12) eingehakt ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (2, 3) aus Hartmetall bes­ tehen.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fühler (2/3) und/oder Haltegabeln (6, 7) aus Keramik bestehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Keramik gefertigten Fühler (2, 3) und/oder Haltegabeln (6, 7) aus Al₂O₃ bestehen.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (14) als Doppel-T-förmiges Profil ausgeführt ist, das im Übergangsbereich radienartig ver­ stärkt ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das Profil (14) als U-förmiges Profil ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (2, 3) und das Profil (14) aus einem Stück sind.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten eines Mittelflan­ sches (26) des Profils (14) DMS (15, 16) befestigt sind, die über Signalleitungen (17) mit einem Meßgerät verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des Mittelflansches (26) je zwei DMS befestigt sind, die zu einer Vollbrücke zusammengeschaltet sind.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeabschirmeinrichtungen für das Profil (14) vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabschirmeinrichtungen aus einem oder mehreren Schutzschilden (18, 19) bestehen, die zwischen den Schneiden (4, 5) und dem Ver­ bindungsblech (14) an der Dehnungsmeßvorrichtung (1) befestigt sind.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschilder (18, 19) im Abstand hintereinander angeordnet sind und reflektierende oder spiegelnde Oberflächen besitzen.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläse (21) vorgesehen ist, welches die Schutzschilder (18, 19), die Fühler (2, 3) und das Profil (14) mit kühler Umge­ bungsluft umspülen.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (36) zur Begren­ zung der Verformung der Dehnungsmeßvorrichtung (1) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (36) aus zwei an den Fühlern (2, 3) befestigten in­ einandergreifenden U-Profilen (37, 38) besteht.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßkraft der Dehnungsmeßvor­ richtung (1) durch die Verstelleinrichtungen (40, 41) durch Verän­ derung der Zugfederspannungen verändert wird.