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Vorrich.tung zum Messen der absoluten Wärmeausdehnung von festen Stoffen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die zum Messen kleinster Längenänderungen
bei Temperaturen zwischen -500 bis + sooO dient und die es ermöglicht, insbesondere
bei höheren, nur in geschlossenen Öfen erzeugbaren Temperaturen außerhalb des Ofenraumes
absolute Längenänderungen der Prüfkörper zu bestimmen.
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Eine Vorrichtung zum Messen der Wärmeausdehnung fester Körper mit
einem neben dem Prüfstab angeordneten Vergleichsstab und zwei an diese beiden Stäbe
angesetzten, auf die Anzeige- oder Registriervorrichtung einwirkenden Körpern mit
einander gleichem oder nahezu gleichem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist bekannt.
Von diesem Bekannten unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand dadurch, daß die
nach dem bisher bekannten Verfahren die Längenänderungsanzeige der Meßvorrichtung
verfälschende Wärmeausdehnung des Vergleichsstabes dadurch ausgeschaltet wird, daß
zwischen Prüfkörper und Registriervorrichtung entweder vor oder hinter dem Prüfstab
oder in Kompensationsschaltung parallel zwischen Vergleicbsstab und Prüfkörper noch
ein Körper angeordnet ist, dessen Länge sich zur Länge des Vergleichsstabes umgekehrt
verhält wie der Wärmeausdehnungskoeffizient dieses Körpers zum Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Vergleichsstabes.
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Die Abb. I zeigt ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Ein Prüfkörper I der Länge L, dessen Längenänderung in Abhängigkeit
von
der Temperatur bestimmt werden soll, befindet sich in einem rohrförmigen Ofen 2.
Die beiden Enden des Ofens 2 sind mit Stopfen aus Asbest oder Schlackenwolle 3 und
3' gegen Wärmeverluste abgedichtet.
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Die Längenmeßeinrichtung besteht erfindungsgemäß aus drei Hauptteilen.
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Der erste Teil besteht aus Körpern unterschiedlicher Wärmeausdehnung
in gegenläufiger Anordnung: ein langer Körper 4 mit der Länge l1 und mit einem kleinen
Wärmeausdehnungsbeiwert ß1 wird in seiner Wärmeausdehnung durch einen kürzeren Körper
5 mit der Länge l2 und hohem Wärmeausdehnungsbeiwert in ausgeglichen. Die Längen
der Wörper 4 und 5 verhalten sich umgekehrt wie ihre Ausdehnungsbeiwerte. Es gilt
also die Beziehung: l1/l2=ß2/ß1 Der zweite Teil der Vorrichtung besteht aus zwei
gleich langen Fühlern 6, 7 von gleicher Wärmeausdehnung. Diese Vorrichtung gleicht
bei einer Durchschreitung von Zonen unterschiedlicher Wärmegrade, abnehmend von
der Prüftemperatur bis zur Raumtemperatur, jegliche Wärmeausdehnung selbst ans,
indem also zwischen ihrer Temperaturniveaufläche keine Wärmeausdehnungsdifferenzen
auftreten.
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Der dritte Teil der Vorrichtung zeichnet die Unterschiede der Längenänderungen
bei der Fühlhebel als absolute Ausdebnungswerte des Prüfkörpers auf. Er besteht
dann aus einem am oberen Fühler 6 drehbar befestigten und vom unteren Fühler 7 gesteuerten
Spiegel 8; dieser lenkt einen aus einer Lampe 9 kommenden Lichtstrahl so ab. daß
die Längenänderung des Prüfkörpers an der Skala 10 unmittelbar abgelesen werden
kann.
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Beträgt die Änderung der Länge L des Prüfkörpers 1 den Betrag di
und nimmt dieser mehr als 0,1% der Länge L zu, so werden die Fehler in der Bestimmung
der Wärmeausdehnung wieder größer, da dieser Betrag ## dann nicht mehr kompensiert
wird. Es ist dann zweckmäßig, nach Abb. 2 die Fühler 6 und 7 aus dem gleichen Werkstoff
herzustellen wie den Körper 4.
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Auch kann, wenn beispielsweise der Bereich gleicher Temperatur im
Ofen nicht hinreichend ausgedehnt ist, nach Abb. 3 der Körper 5 der Vorrichtung
nach Abb. I zwischen Teile des Körpers 4 der Abb. I so eingeschaltet werden, daß
die Gesamtlängenänderung ron 4 und 11 Abb. 3) gleich der Längenänderung von 4 nach
Abb. I ist.
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Abb. 4 zeigt als praktische Anwendung ein besonderes Dilatometer.
Ein Prüfkörper I, z. B. ein Stahlstück, wird in ein auf einer Seite zugeschmolzenes
Quarzrohr vor (Abb.4a) oder hinter (Abb. 4b) einem aus austenitischem Chromnickelstahl
bestehenden Ausgleichkörper 5 gelagert. Ein Fühler 7 aus Quarz, also von der gleichen
Wärmeausdehnung wie das Quarzrohr, dreht bei Längenänderung des Prüfkörpers I den
Spiegel 8.
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Es kaml nun der Fall eintreten, daß nach der Vorrichtung gemäß Abb.
2 der Fühler 4 wegen seiner größeren Nähe an der Heizwandung des Ofens in jedem
seiner Teilabschnitte eine höhere Temperatur bat als der andere Fühler 7 in seinen
gegenüberliegenden Teilabschnitten. Die dadurch bedingte Fehlanzeige der Prüfeinrichtung
kann aller ausjeglichen werden. indem einerseits der Ausgleichkörper 5 entsprechend
verlängert wird, andererseits indem man dem Fühler 7 ent sprechende Mengen eines
Stoffes mit höherer Wärmeausdehnung nach der Mischungsregel zulegiert.
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Bei der Aufnahme von Kurven der absoluten Längenänderung während
der Abkühlung kann der Fall eintreten. daß der Körper 4 kälter bleibt als Teil 7
@ Abb. 2). Dann wird man entweder den Körper 5 verkürzen oder die Zusammensetzung
der Körper 4 und 7 gemäß ihrer unterschiedlichen Wärmeausdehnung wählen.
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Durch Versuche an Eichkörpern, deren NVärmeausdehnungskurve bekannt
war oder röntgenographisch bestimmt wurde, kann das richtige und genaue Arbeiten
der Gesamtprüfvorrichtung eingestellt werden.
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Nach der Erfindung dient eine ähnliche Vorriehtung dazu. Längenänderungen
eines Zerreißstabes mit Hilfe einer temperaturunempfindlichen AIeßeinrichtung nach
Art eines Martensschen Spiegelapparates aufzuzeichnen oder durch die Drehbewegung
der Spiegelschneide einen Be- bzw. Entlastungsmotor der Prüfmaschine so zu steuern,
datl die Meßlänge L immer konstant bleibt, auch wenn sich die Temperatur des Prüfstahes
dauernd ändert.
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Abb. 5 zeigt eine derartige Vorrichtung.
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Die Einzelteile haben die gleiche Bezeichnung und Bedeutung wie die
in den vorhergehenden Abbildungen dargestellten Teile.
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Bekanntlich läßt sich Quarz mit Eisenteilen nicht so leicht verbinden
daß ein fehlerfreies Arbeiten der Vorrichtung ermöglicht wird.
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Es werden daher an Stelle von Quarzstäben Ouarzrohre verwendet. Diese
Rohre sind auf Eisenstäben 12 und I3 geführt. Durch den Druck von Schraubenfedern
14, die sich außerhalb des Ofens befinden, um der Wirkung einer hohen Ofentemperatur
entzogen zu sein, werden die Einzelteile der AIeßvorrichtung zusammengehalten.