DE4315388C1 - High temp. displacement indicator for thermal deformation measurement - uses quartz glass measuring element contacting measured object and inductive measuring system - Google Patents

High temp. displacement indicator for thermal deformation measurement - uses quartz glass measuring element contacting measured object and inductive measuring system

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DE4315388C1 DE19934315388 DE4315388A DE4315388C1 DE 4315388 C1 DE4315388 C1 DE 4315388C1 DE 19934315388 DE19934315388 DE 19934315388 DE 4315388 A DE4315388 A DE 4315388A DE 4315388 C1 DE4315388 C1 DE 4315388C1
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Abstract

The displacement indicator uses a measuring element (1) of quartz glass incorporating cooling channels, allowing its use in a range extending from room temp. to 2300 degrees C. The measuring element is coupled via a straight line interface with a non-magnetic rod (6), with an attached armature (4) displaced relative to a coil housing (5). The movement of the rod is guided via at least two spring guides, each with upper and lower springs. Pref. the tip (2) of the measuring element contacting the thermally-loaded measuring object (28) is made of a material with a higher thermo-viscosity limit, e.g. sapphire. ADVANTAGE - Provides accurate measurement under transient conditions, with wide working temp. range.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum eindimensionalen Messen der Ver­ formung von thermisch hochbelasteten Meßobjekten in Längsrichtung eines Meßtasters. Der Einsatzbereich des erfindungsgemäßen Wegaufnehmers reicht von Raumtemperatur bis ca. 2300°C, der bevorzugte Arbeitsbereich liegt zwischen ca. 700°C und 1800°C. Der zulässige Umgebungsdruck reicht vom Vakuum bis ca. 100 bar; der Einsatz ist in allen gasförmigen Medien möglich, bei aggressiven Medien müssen zusätzliche material- und konstruktionsbezogene Anforderungen erfüllt werden.The invention relates to a device for one-dimensional measurement of the Ver shaping of objects subject to high thermal loads in the longitudinal direction of a probe. The field of application of the displacement transducer according to the invention ranges from room temperature to about 2300 ° C, the preferred Working range is between approx. 700 ° C and 1800 ° C. The permissible ambient pressure ranges from vacuum to approx. 100 bar; it can be used in all gaseous media, with aggressive media, additional material and construction-related Requirements are met.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch Wegaufnehmer mit induktiven Tauchspulen (DE-PS 10 94 988) sowie mit Nullpunktstabilisierung (DE-AS 13 00 305), die aber einer einschneidenden Forderung bzw. Einschränkung unterliegen: Die Temperaturverteilung von Meßobjekt bis Meßaufnehmer muß homogen und konstant sein. Eine weitere Schwäche beim derzeitigen Stand der Technik ist, daß die Meßtasterführung für Einsätze in hohen Temperaturbereichen, und diese reichen bisher nur bis ca. 800°C, nicht zufriedenstellend gelöst ist. Außerdem sind keine Anwendungen von Meßtastmaterialien bekannt, bei denen die versuchsbedingte thermische Ausdehnung der Meßtaster vernachlässigt oder exakt bestimmt werden kann.The state of the art is characterized by displacement sensors with inductive plungers (DE-PS 10 94 988) and with zero point stabilization (DE-AS 13 00 305), but which are subject to a drastic requirement or restriction: The temperature distribution from the object to the sensor must be homogeneous and constant. Another weakness with the current one State of the art is that the probe guide for Use in high temperature ranges, and these are enough so far only up to approx. 800 ° C, not solved satisfactorily is. In addition, there are no applications of probe materials known in which the experimental thermal Extension of the probe is neglected or exactly determined can be.

Ziel der Erfindung ist es, einen Hochtemperatur-Wegaufnehmer bereitzustellen, der auch unter transienten Temperaturbedingungen, also z. B. auch in der Aufheizphase, zuverlässige Meßergebnisse liefert, und der ferner in deutlich höheren Temperaturbereichen, nämlich bis ca. 2300°C arbeitet, und der vom Vakuum bis ca. 100 bar unabhängig vom athmosphärischen Druck einsetzbar ist.The aim of the invention is to provide a high-temperature displacement sensor to provide, even under transient temperature conditions, so z. B. also in the heating phase, reliable Provides measurement results, and also clearly higher temperature ranges, namely up to approx. 2300 ° C, and that from vacuum to approx. 100 bar regardless of atmospheric pressure can be used.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert: Als Meßtaster 1 wird ein Quarzglasstab verwendet; im Bereich hoher Temperaturen empfehlen sich spezielle Quarzgläser, z. B. der Firma Raesch, Geesthacht. Oberhalb von ca. 1400°C Dauertemperatur ist eine Kühlung des Quarzglasstabes erforderlich. Diese kann durch Kanäle im Inneren des Stabes erfolgen, durch die gasförmige oder flüssige Kühlmittel geleitet werden. Als Spitze 2 des Quarzglasstabes ist ein Material mit noch besse­ ren Hochtemperatureigenschaften erforderlich, z. B. Saphir, weil dieser einen hohen Transmissionskoeffizienten und eine geringe Wärmeleitfähigkeit hat. Der Saphir ist mit einem Hochtemperaturkleber, vorzugsweise auf keramischer Basis, auf das untere Ende des Quarzstabes aufgeklebt.This object is achieved with the features in claim 1. Exemplary embodiments of the invention are explained below in conjunction with the drawings: a quartz glass rod is used as the probe 1 ; in the area of high temperatures, special quartz glasses are recommended, e.g. B. from the company Raesch, Geesthacht. Cooling of the quartz glass rod is necessary above a continuous temperature of approx. 1400 ° C. This can be done through channels inside the rod through which gaseous or liquid coolants are passed. As tip 2 of the quartz glass rod, a material with even better high-temperature properties is required, e.g. B. sapphire because it has a high transmission coefficient and low thermal conductivity. The sapphire is glued to the lower end of the quartz rod with a high-temperature adhesive, preferably on a ceramic basis.

Die Meßsignale werden von einem induktiven Wegaufnehmer bekannter Bauart erzeugt. Jedoch muß die Forderung konstruk­ tiv erfüllt sein, daß der Tauchanker 4 berührungsfrei in dem Spulengehäuse 5 geführt ist, um Wärmeleitungseffekte vom Tauchanker 4 auf das Spulengehäuse 5 zu verhindern und um Wärmeübertragungseffekte zu minimieren. Diese berührungsfreie Führung, bei der nur sehr geringe Seitenabweichungen zulässig sind, wird wie folgt realisiert:The measurement signals are generated by an inductive displacement sensor of a known type. However, the requirement must be met constructively that the plunger 4 is guided in the coil housing 5 without contact in order to prevent heat conduction effects from the plunger 4 on the coil housing 5 and to minimize heat transfer effects. This contact-free guidance, in which only very slight lateral deviations are permitted, is implemented as follows:

Der Taucher 4 sitzt fest auf einem Stab 6 aus nichtmagnetischem Material, der die geradlinige Verlängerung des Meßtasters 1 bildet (Fig. 1). Dieser Stab 6 ist oberhalb und unterhalb des Kühlgehäuses 11 in je einer federnden Halterung gelagert und geführt. Zwei Blattfederpaare 9, deren Blattfedern 9a und 9b jeweils paarweise konkav zu konvex an­ geordnet sind, bilden die Stabführung 8 (Fig. 3), wobei die beiden oberen Blattfedern 9a jeweils fest mit dem Stab 6 ver­ bunden sind. Die beiden unteren Federn 9b weisen mittig eine Bohrung 10 auf, durch die der Stab 6 geführt ist, sie sind mit dem Tasterführungsrahmen 7 fest verbunden (Fig. 2 und 3). Diese Art der Aufhängung bedingt einen Anpreßdruck der Meßtasterspitze auf die Probe.The diver 4 sits firmly on a rod 6 made of non-magnetic material, which forms the straight extension of the probe 1 ( Fig. 1). This rod 6 is mounted and guided in a resilient holder above and below the cooling housing 11 . Two leaf spring pairs 9 , the leaf springs 9 a and 9 b of which are arranged in pairs concave to convex, form the rod guide 8 ( FIG. 3), the two upper leaf springs 9 a each being firmly connected to the rod 6 . The two lower springs 9 b have a central bore 10 through which the rod 6 is guided, they are firmly connected to the button guide frame 7 ( Fig. 2 and 3). This type of suspension requires the probe tip to be pressed against the sample.

Es ist jedoch auch eine andere Anordnung der Blattfedern 9 in der Weise möglich, daß z. B. die beiden innenliegenden Fe­ dern mit dem Stab 6 fest verbunden sind, und die jeweils äußeren Blattfedern die Bohrung für den Stab 6 aufweisen und am Tasterführungsrahmen 7 fixiert sind, oder umgekehrt. Diese Anordnung ist z. B. dann vorteilhaft, wenn die Spitze des Meß­ tasters 1 mit der Probe verbunden ist, beispielsweise durch Klebung mit Hochtemperaturklebern auf keramischer Basis.However, a different arrangement of the leaf springs 9 is possible in such a way that, for. B. the two inner Fe are firmly connected to the rod 6 , and the respective outer leaf springs have the bore for the rod 6 and are fixed to the push button guide frame 7 , or vice versa. This arrangement is e.g. B. advantageous if the tip of the probe 1 is connected to the sample, for example by gluing with high-temperature adhesives on a ceramic basis.

Eine weitere Variante der federnden Stabführung, die den Vorteil einer besonders flachen, raumsparenden Bauart hat, zeigt Fig. 5: Fig. 5 shows another variant of the resilient rod guide, which has the advantage of a particularly flat, space-saving design:

In eine Platine 19, vorzugsweise aus Federstahl, sind Schlitze so eingestanzt, daß als Funktionsprinzip zwei ge­ genläufig wirkende Federzungen 20 und 21 entstehen. Der Stab 6 ist im Punkt A, die Platine am Tasterführungsrahmen in den Punkten B fixiert. Bei richtigem Verhältnis von l1 : l2 und s1 : s2 (1 : 2) ist eine gegen seitliche Biegebewegungen sehr steife zentrische Stabführung gegeben.In a circuit board 19 , preferably made of spring steel, slots are punched in such a way that two GE counteracting spring tongues 20 and 21 arise as a functional principle. The rod 6 is fixed in point A, the circuit board on the push button guide frame in points B. With the correct ratio of l 1 : l 2 and s 1 : s 2 (1: 2), the rod guide is very stiff against lateral bending movements.

Zur Funktionsweise der federnden Aufhängung: Wenn der Meßtaster 1 und damit der Stab 6 in Längsrichtung verschoben wird, wird diese Meßbewegung vom Stab 6 über die Ankopplung 12 auf die jeweils oberen Blattfedern 9a und über die jeweils unteren Blattfedern 9b auf den orts­ festen Tasterführungsrahmen 7 übertragen, ohne daß der Stab 6 eine Seitwärtsverschiebung erfährt. Aus Stabilitätsgründen ist es zweckmäßig, das obere und das untere Blattfedernpaar um 90°gegeneinander zu versetzen. Ferner empfiehlt es sich, die Blattfedernpaare gegen den Tasterführungsrahmungen um je­ weils 45° zu versetzen, um die Blattfedern 9 in genügender Länge bei kompakter Gerätebauweise ausbilden zu können.How the resilient suspension works: If the probe 1 and thus the rod 6 is moved in the longitudinal direction, this measuring movement is from the rod 6 via the coupling 12 to the upper leaf springs 9 a and the lower leaf springs 9 b on the fixed probe guide frame 7 transmitted without the rod 6 undergoes a sideways displacement. For reasons of stability, it is advisable to offset the upper and lower pair of leaf springs by 90 °. It is also advisable to offset the pairs of leaf springs against the push button guide frame by 45 ° each, in order to be able to form the leaf springs 9 in sufficient length with a compact device design.

Um den Tauchanker 4 und das Spulengehäuse 5 auf konstanter und niedriger Temperatur zu halten, ist das Spulengehäuse 5 gekühlt, vorzugsweise durch eine Wasserkühlung. Ferner ist zwischen der Oberfläche des Meßobjektes 28 und dem Interface 14 eine Strahlungsblende 22 vorgesehen.In order to keep the plunger armature 4 and the coil housing 5 at a constant and low temperature, the coil housing 5 is cooled, preferably by water cooling. Furthermore, a radiation shield 22 is provided between the surface of the measurement object 28 and the interface 14 .

Ob das Kühlgehäuse 11 mit Kanälen für das Kühlmittel verse­ hen ist oder ob die Kühlung durch Wärmeleitung zum wasser­ gekühlten Befestigungsgestänge 13 mit dessen Kühlkanälen 3 ausreicht oder ob Luftkühlung mit Kühlrippen ausreichend ist, hängt vom Einsatzzweck ab.Whether the cooling housing 11 with channels for the coolant is hen or whether the cooling by heat conduction to the water-cooled mounting rod 13 with its cooling channels 3 is sufficient or whether air cooling with cooling fins is sufficient depends on the intended use.

Die Verbindung des Meßtasters 1 mit dem Stab 6 erfolgt über ein Interface 14, das so ausgebildet ist, daß die Wärmeüber­ tragung von 1 auf 6 möglichst gering ist. Dazu wird das In­ terface 14 so gestaltet, daß der Meßtaster 1 in einer wär­ meisolierenden Hülse 15, z. B. aus Teflon, geführt wird. Der Meßtaster 1 weist an seinem oberen Ende eine Goldsputterung auf, um Wärmestrahlungen im Stabinneren zu reflektieren. Die Einspannung des Meßtasters 1 in das Interface muß wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der verwendeten Materialien elastisch erfolgen. Deshalb wird eine Kugel 16 mit einer Schraube 17 über eine Feder 23 federnd in eine Kerbe 18, die sich im Meßstab 1 befindet, gedrückt (Fig. 4).The connection of the probe 1 to the rod 6 takes place via an interface 14 which is designed so that the heat transfer from 1 to 6 is as low as possible. For this purpose, the interface 14 is designed so that the probe 1 in a heat-insulating sleeve 15 , z. B. made of Teflon. The measuring probe 1 has gold sputtering at its upper end in order to reflect heat radiation inside the rod. The clamping of the probe 1 in the interface must be elastic because of the different thermal expansion of the materials used. Therefore, a ball 16 with a screw 17 is resiliently pressed via a spring 23 into a notch 18 which is located in the measuring rod 1 ( FIG. 4).

Um die Handhabung des Wegaufnehmers zu vereinfachen und um die Anfangsbedingungen reproduzierbar zu halten, empfiehlt es sich, eine Tasterarretierung 25 sowie eine Vorrichtung zum Grobanfahren 26 (z. B. Schlitten) vorzusehen. Eine Feinein­ stellung 27 (z. B. Schraube), ermöglicht die mechanische Null­ punkteinstellung (Fig. 1 und Fig. 3).In order to simplify the handling of the displacement transducer and to keep the initial conditions reproducible, it is advisable to provide a button lock 25 and a device for rough start-up 26 (e.g. slide). A fine adjustment 27 (e.g. screw) enables the mechanical zero point adjustment ( Fig. 1 and Fig. 3).

Die vom Tauchanker 4 im Spulengehäuse 5 erzeugte Induktions­ spannung wird in bekannter Weise verstärkt und z. B. über Meß­ wertschreiber protokolliert.The generated by the plunger 4 in the coil housing 5 induction voltage is amplified in a known manner and z. B. logged on measurement recorders.

Als besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Wegaufnehmers ist zu erwähnen, die die Temperaturverteilung von der Meßtasterspitze 2 bis zur Tauchankerspule 4 inhomogen sein darf und daß durch die Art des Aufbaus, durch die Mate­ rialauswahl und durch die Kühlung des den Tauchanker 4 enthal­ tenden Gehäuses der Arbeitsbereich von Raumtemperatur bis ca. 1800°C reicht und Messungen bis Spitzentemperaturen von ca. 2300°C noch möglich sind. Viele Bauteile sind handelsüblich oder einfach zu fertigen, so daß der erfindungsgemäße Wegauf­ nehmer sehr preiswert herzustellen ist. Er ist ferner leicht, gut transportabel, robust und leicht zu bedienen, und er kann unter jedem Einbauwinkel eingesetzt werden.As a particular advantage of the high-temperature transducer according to the invention is to be mentioned that the temperature distribution from the probe tip 2 to the plunger armature coil 4 may be inhomogeneous and that by the nature of the structure, by the material selection and by the cooling of the plunger armature 4 containing housing the Working range from room temperature to approx. 1800 ° C and measurements up to peak temperatures of approx. 2300 ° C are still possible. Many components are commercially available or easy to manufacture, so that the Wegauf subscriber according to the invention is very inexpensive to manufacture. It is also light, easy to transport, robust and easy to use, and it can be used under any installation angle.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum eindimensionalen Messen der Verformung von thermisch hochbelasteten Meßobjekten (28) in Längs­ richtung eines Meßtasters (1) mittels induktivem Weg­ aufnehmer mit folgenden Merkmalen:
  • - zur Bewegungsaufnahme ist der Meßtaster (1) aus Quarzglas vorhanden, der Kühlkanäle aufweist;
  • - der Einsatzbereich reicht von Raumtemperatur bis ca. 2300°C;
  • - ein Stab (6) aus nichtmagnetischem Material mit daran befestigtem Tauchanker (4) ist über ein Interface (14) in gerader Linie mit dem Meßtaster (1) verbunden;
  • - der Tauchanker (4) ist in Längsrichtung des Stabes (6) berührungslos in einem Spulengehäuse (5) bewegbar;
  • - es sind wenigstens zwei federnde Stabführungen (8) vorhanden.
1. Device for one-dimensional measurement of the deformation of thermally highly loaded measuring objects ( 28 ) in the longitudinal direction of a probe ( 1 ) by means of inductive displacement transducers with the following features:
  • - The movement sensor ( 1 ) made of quartz glass is available, which has cooling channels;
  • - The application range extends from room temperature to approx. 2300 ° C;
  • - a rod (6) of non-magnetic material affixed plunger (4) is connected via an interface (14) in a straight line with the probe (1);
  • - The plunger ( 4 ) can be moved in the longitudinal direction of the rod ( 6 ) without contact in a coil housing ( 5 );
  • - There are at least two resilient rod guides ( 8 ).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle des Meßtasters (1) in Längsrichtung verlaufen. 2. Device according to claim 1, characterized in that the cooling channels of the probe ( 1 ) extend in the longitudinal direction. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (2) des Meßtasters (1) aus einem Material mit höherer Thermoviskositätsgrenze als Quarzglas, vorzugsweise aus Saphir, besteht.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the tip ( 2 ) of the probe ( 1 ) consists of a material with a higher thermo-viscosity limit than quartz glass, preferably of sapphire. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßtasterspitze (2) mit Hochtemperaturklebern, vorzugsweise auf keramischer Basis, aufgeklebt ist.4. The device according to claim 3, characterized in that the probe tip ( 2 ) with high-temperature adhesives, preferably on a ceramic base, is glued. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtaster (1) an seinem oberen Ende abgeflacht und mit einer reflektierenden Schicht, vorzugsweise mit einer Goldsputterung, versehen ist.5. The device according to claim 1, characterized in that the probe ( 1 ) is flattened at its upper end and is provided with a reflective layer, preferably with a gold sputtering. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der federnden Stabführungen (8) aus je einer konkaven und einer konvexen Blattfeder (9a, 9b) besteht, von denen jeweils eine mit dem Meßtaster (1) und die jeweils andere, versehen mit einer mittigen Bohrung zu berührungsfreien Durchtritt des Meßtasters (1), fest mit einem Tasterführungsrahmen (7) verbunden ist.6. The device according to claim 1, characterized in that each of the resilient rod guides ( 8 ) consists of a concave and a convex leaf spring ( 9 a, 9 b), each of which with the probe ( 1 ) and the other, Provided with a central hole for non-contact passage of the probe ( 1 ), is firmly connected to a probe guide frame ( 7 ). 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der federnden Stabführungen (8) aus je einer Platine (19), vorzugsweise aus Federstahl, besteht, die eine innenliegende federnde Zunge (20) und eine diese gegenläufig umschließende Zunge (21) aufweist. 7. The device according to claim 1, characterized in that each of the resilient rod guides ( 8 ) consists of a plate ( 19 ), preferably made of spring steel, which has an internal resilient tongue ( 20 ) and a tongue ( 21 ) enclosing this in opposite directions . 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulengehäuse (5) von einem Kühlgehäuse (11) mit Kühlmittelkanälen umgeben ist.8. The device according to claim 1, characterized in that the coil housing ( 5 ) is surrounded by a cooling housing ( 11 ) with coolant channels. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgehäuse (11) mit Kühlrippen für Luftkühlung versehen ist.9. The device according to claim 8, characterized in that the cooling housing ( 11 ) is provided with cooling fins for air cooling. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Interface (14) eine wärmeisolierende Hülse (15), vorzugsweise aus Teflon, zur Führung des Meßtasters (1) aufweist.10. The device according to claim 1, characterized in that the interface ( 14 ) has a heat-insulating sleeve ( 15 ), preferably made of Teflon, for guiding the probe ( 1 ). 11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Fixieren des Meßtasters (1) im Interface (14) der Meßtaster (1) eine Vertiefung, vorzugsweise eine Kerbe (18), aufweist, in die eine Kugel (16) tangential eingreift, die von einer einstellbaren Schraube (17) über ein federndes Element, vorzugsweise eine zylindrische Schraubfeder (23), angedrückt wird.11. The device according to claim 1, characterized in that for fixing the probe ( 1 ) in the interface ( 14 ) of the probe ( 1 ) has a recess, preferably a notch ( 18 ), in which a ball ( 16 ) engages tangentially, which is pressed by an adjustable screw ( 17 ) via a resilient element, preferably a cylindrical helical spring ( 23 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tasterarretierung (25) vorhanden ist.12. The apparatus according to claim 1, characterized in that a button lock ( 25 ) is present. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Meßobjekt (28) und dem Interface (14) eine Strahlungsblende (22) vorhanden ist.13. The apparatus according to claim 1, characterized in that a radiation diaphragm ( 22 ) is present between the measurement object ( 28 ) and the interface ( 14 ).
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