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Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Wärmedehnzahl fester Werkstoffe
Zur
Messung sehr kleiner Bewegungen und Verschiebungen fester Körper gegeneinander sind
kapazitive Meßverfahren vorgeschlagen worden, bei denen die zu messenden Verschiebungen
durch Veränderung des gegenseitigen Abstandes der Beläge die Kapazität eines kleinen
Meßkondensators steuern. Von diesen kapazitiven Meßverfahren wird auch bei dem vorliegenden
Verfahren zum Bestimmen der Wärmedehnzahl (WDZ) fester Prüfkörper Gebrauch gemacht,
indem entweder der Abstand einander gegenüberstehender Beläge eines Meßkondensators
oder deren gegenseitige Überdeckung durch den sich in der Wärme ausdehnenden, vorzugsweise
stab- oder rohrförmigen Prüfkörper verändert wird. Aus den damit verbundenen Änderungen
der Kapazität dieses Meßkondensators oder aus den Frequenzänderungen eines Schwingkreises,
der den Meßkondensator als frequenzbestimmendes Glied enthält, kann auf die Größe
der Verschiebungen und damit auf die gesuchte WDZ des zu untersuchenden Werkstoffes
zurückgeschlossen werden.
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Obwohl die kapazitiven Meßverfahren im allgemei nen genaue Ergebnisse
ermöglichen, haftet ihnen doch der Nachteil an, daß bei den in der Regel sehr kleinen
Längenänderungen des sich ausdehnenden Prüfkörpers auch die Wärme<iehnungen der
Träger der Kondensatorbeläge und des Kondensatordielektrikums merkbar in die Messungen
mit eingehen und unter Um-
ständen das Meßergebnis fälschen. Sofern
das Dielektrikum des Meßkondensators nicht ausschließlich aus Luft besteht, beeinflußt
auch die Temperaturunabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante dieses Isolierstoffes
die Messungen störend.
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Das Verfahren nach der Erfindung sucht diese Nachteile durch geeignete
Maßnahmen zu vermeiden.
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Der erste Schritt zu diesem Ziel ist die gemeinsame Anordnung des
Prüfkörpers und der Meßeinrichtung samt deren Halterungen und Stützteilen in einem
auf regelbarer und gleichmäßiger Innenraumtemperatur gehaltenen, gegen die Umgebung
gut wärmeisolierten Behälter, so daß zwischen dem Prüfkörper und dem Meßkondensator
und deren Halterungen keine wesentlichen Temperaturunterschiede auftreten. Auf diese
Weise werden Änderungen in der Kapazität des Meßkondensators vermieden, die lediglich
auf ungleiche Erwärmungen des Prüfkörpers und der Meßanordnung zurückzuführen wären
und zu unrichtigen Messungen führen könnten. STatürlich dürften auch diejenigen
Kapazitätsänderungen nicht unberücksichtigt bleiben, die selbst bei einem vollkommenen
Temperaturausgleich durch die unvermeidlichen Wärmedehnungen der Aufbauteile für
die Meßanordnung bedingt sind.
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Diesem der genauen Messung nachteiligen Einfluß kann bis zu einem
gewissen Grade dadurch begegnet werden, daß man diese Aufbauteile, wie z. B. die
platten- oder rohrförmigen Träger der Kondensatorbelegungen, die Stützen dieser
Träger, die Einspannvorrichtungen für den Prüfkörper usw., aus Werkstoffen äußerst
geringer WDZ anfertigt. Darüber hinaus sieht die Erfindung vor, den Meßkondensator
.z. B. als rohrförmigen Schiebekondensator auszubilden, dessen Dielektrikum außer
aus einem unvermeidbaren engen Luftspalt zwischen zwei ineinander verschiebbaren
Rohren als Belagträger aus einem keramischen Isolierstoff besteht, der derart ausgewählt
wird, daß der Temperaturbeiwert seiner Dielektrizitätskonstante beim Erwärmen der
Meßeinrichtung Änderungen in der Kapazität des Meßkondensators zur Folge hat, die
entgegengesetzt sind den durch die Wärmedehnungen der Aufbauteile des Meßkondensators
und der gesamten Meßanordnung bedingten Änderungen dieser Kapazität. Auf diesem
Wege kann also eine durch die Wärmedehnungen der Aufbauteile verursachte Zu- oder
Abnahme der Kapazität des Meßkondensators durch eine entsprechende Verringerung
bzw. Vergrößerung der Dielektrizitätskonstante des Kondensatordielektrikums ausgeglichen
und somit die ganze Meßanordnnng wzitestgehend temperaturunabhängig gestaltet werden.
Für die hierzu erforderlichen, als Dielektrika des Meßkondensators zu verwendenden
keramischen Sondermassen negativen bzw. positiven Temperaturbeiwertes der Dielektrizitätskonstante
können titandioxydhaltige Werkstoffe bzw. magnesiumsilikathaltige oder tonsubstanz-magnesiumsilikathaltige
Werkstoffe verwandt werden. Die zweckentsprechende Auswahl des als Dielektrikum
in jedem Einzelfall zu benutzenden keramischen Werkstoffes und dessen passende Bemessung
und Formung zum Erreichen einer möglichst vollkommenen Temperaturunabhängigkeit
des Meßkondensators und der ganzen Meßeinrichtung ist eine dem Fachmann geläufige
Aufgabe.
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Die nachfolgend beschriebenen und im Schema dargestellten Beispiele
von Anordnungen und Geräten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
dessen Einzelheiten und weitere Merkmale der Erfindung erkennen. Es zeigt Bild I
eine Meßeinrichtung zum Bestimmen der WDZ an Prüfstäben oder Rohren begrenzter Längen
und Querschnitte, Bild 2 eine gleichartige Meßeinrichtung zum gleich zeitigen Bestimmen
der WDZ einer größeren Anzahl stab- oder rohrförmiger Prüfkörper, Bild 3 eine unter
Ausführung des Meßkondensators als rohrartigen Schiebekondensators zweckmäßige Meßeinrichtung
für Prüfkörper beliebiger Längen und Querschnitte, Bild 4 in schaubildlicher Darstellung
die Kapazitätsänderungen des Meßkondensators, die sich bei den Längenänderungen
der Prüfstäbe oder Rohre in den vorbezeichneten Meßeinrichtungen nach Bild I oder
2 ergeben.
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Das Wärmedehnungsmeßgerät nach Bild I ist samt dem zwischen einer
festen Körnerspitze 29 und einer in der Achsrichtung verschiebbaren, an die Kondensatorscheibe
26 angeformten Körnerspitze 34 gelagerten Prüfstab 27 in einem zweiteiligen Behälter,
beispielsweise in einer aufklappbaren, zylindrischen Blechtrommel, untergebracht,
deren Oberteil 22 rückseitig angeordnete Scharniere mit dem Unterteil 44 verbinden.
Die zum Zwecke der elektrischen Abschirmung zu erdenden Trommelwandungen sind innen
mit einer Wärmeschutzmasse 2r, z. B. mit Korund, belegt und bergen die wahlweise
in Reihen-oder Nebeneinanderschaltung zu benutzenden Heizwicklungen 24, durch die
der Behälterinhalt rasch und gleichmäßig erwärmt werden kann. Um nach Beendigung
einer Meßreihe mit ansteigender Temperatur den Innenraum der Trommel schnell kühlen
zu können, werden zweckdienlich in den Trommelwandungen durch Klappen verschließbare
Öffnungen angebracht, die auch ein Einblasen von Kaltluft ermöglichen. Die auf diese
Weise regelbare Innenraumtemperatur wird mit einem Thermometer oder, besonders längs
der Oberfläche des Prüfstabes 7, mit Thermoelementen gemessen, wozu im Trommeloberteil
eine Einführungsöffnung 20 freigelassen ist.
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Im Trommelunterteil 44 sind ebenfalls Öffnungen angeordnet. Durch
diese werden, mit einem nachgiebigen Wärmeschutzmittel 35, z. B. Asbest oder Schlackenwolle
u. dgl., abgedichtet, die aus keramischem Werkstoff sehr geringer WDZ bestehenden
Stützsäulen 37, 46 und 48 hindurchgeführt. Diese sind mittels der Fußflansche 39
und 50 auf einer flachen Kühlwanne 54 befestigt, die entweder aus Metall oder besser
aus tonsubstanz-magnesium-silikathaltigen Werkstoffen mit kleinem linearem Ausdehnungskoeffizienten
besteht und der den Kondensatoraufbau und die Halterungen für den Prüfstab trägt.
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Infolge Wärmestrahlung und -leitung von dem über diesen Kasten angeordneten
mehr oder weniger erwärmten Meßgerätebehälter und bei Zunahme der Umgebungstemperatur
würde sich auch dieser Kasten
erwärmen und dabei immerhin merkliche
Längen ausdehnungen erfahren können, die sich über die auf dem Kasten befestigten
Stützsäulen auf die im Innern des Behälters befindliche Meßeinrichtung übertragen
und die Messung beeinträchtigen könnten. Um diesen überstand zu vermeiden, wird
der Kasten daher während der Messungen auf einer unveränderten Temperatur, z. B.
auf etwa 30° C, gehalten. Zu diesem Zweck wird, wie aus dem Bild I ersichtlich durch
den Kasten mittels der Zu- und Ablaufstutzen 43 und 52 eine durch einen Flüssigkeitswärmeregler
in ihrer Temperatur geregelte Kühlflüssigkeit 4I, z. B.
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Wasser, hindurchgeleitet und somit die Temperatur des Kastens dauernd
auf der vorgeschriebenen Höhe gehalten.
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Der Meßkondensator ist in diesem Beispiel mit Luft als Dielektrikum
ausgeführt. Er besteht aus den beiden keramischen Kreisscheiben 23 und 26, die auf
den einander zugewandten Oberflächen metallisch belegt, z. B. für den- Gebrauch
bei Wärmedehnungsmessungen bis etwa 80" C, mit aufgebrannten Silberbelägen als Kondensatorbelegungen
25 und 28 versehen sind. Die Anschlüsse 3I und 40 an diese Belegungen sind durch
die Kreisscheiben hindurchgeführt. Sie können zusätzlich mit den Belegungen 25 und
28 durch aufgebrannte, metallisch leitende Belagstreifen verbunden sein, die über
den Rand der Kreisscheiben bis auf deren Rückseite hinwegführen.
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Die vom Trommelteil 44 isolierten Leitungen 33 und 42 verbinden den
Kondensator mit einem Kapazität meßgerät oder einem Hochfrequenzmeß schwingkreis,
aus dessen Frequenzänderungen während des Versuches auf die WDZ des zu prüfenden
Werkstoffes zurückgeschlossen werden kann. Die Kondensatorscheibe 26 hat rückseitig
einen zylindrischen Lagerzapfen 36, der in einem an die Stützsäule 46 angeformten
Halslager 38 waagerecht verschiebbar geführt ist. Damit die Zügigkeit dieser Lagerung
durch das einseitig wirkende Eigengewicht der Kondensatorscheibe 26 nicht beeinträchtigt
wird, ist ein Gegengewicht 32 mit dem Ende des Lagerzapfens 36 verbunden.
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Zwischen dem Halslager 38 und der Kondensatorscheibe 26 ist ferner
eine Druckfeder 30 eingefügt, die die Kondensatorscheibe 26 gegen die ihr zugewandte
Kondensatorscheibe 23 zu schieben trachtet.
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An Stelle der im Bild I angeführten Führung der Kondensatorplatte
26 mittels des Zapfens 36 in der Bohrung 38 der Halterung 46 kann auch eine besser
geeignete Anordnung benutzt werden, nach der der Zapfen 34 der Kondensatorplatte
26 in einem auf der Halterung 46 angebrachten Prisma läuft. Um eine Verdrehung der
Kondensatorplatte zu verhindern, ist an dem Führungszapfen 36 ein nach unten gerichteter
kleiner Stift einglasiert, der in einer entsprechenden Nut des Prismas geführt wird.
Da das Eigengewicht der Kondensatorplatte 26 größer ist als das des Führungszapfens
36, ist in diesem Zapfen oben noch ein Stift einglasiert, der dadurch, daß er in
einer entsprechenden Bohrung eines auf den Führungszapfen 36 aufgesetzten Belastungsgewichtes
eingreift. ein Abkippen der Kondensatorplatte 26 verhindert.
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Um die Druckfeder 30 den ihr nachteiligen Wärme einwirkungen zu entziehen,
kann sie besser auch außerhalb des Wärmeschutzbehälters angeordnet werden, wobei
der Lagerzapfen 36 entsprechend verlängert und durch die linke Seitenwand der Trommel
nach außen hindurchgeführt werden muß. Die Druckfeder 30 kann auch als Wendelfeder
aus federndem keramischem Werkstoff, z. B. aus Porzellan, gefertigt sein, dessen
Spannkraft auch bei stärkerer Erwärmung kaum nachläßt. Die an der Stützsäule 48
befestigte, mit dieser z. B. auch zweckmäßig aus dem Ganzen bestehenden Kondensatorscheibe
23 ist mit einer Mittelöffnung versehen, durch die der beispielsweise zylindrische
Prüfstab 27 hindurchgesteckt und zum Zwecke der Ausdehnungsmessungen zwischen zwei
keramischen Körnerspitzen 34 und 29 in das Meßgerät eingefügt wird. Die Körnerspitze
34 ist in einer mittleren Vertiefung auf der Vorderseite der Kondensatorscheibe
26 und die Körnerspitze 29 am oberen Ende der Stützsäule 37 angebracht. Dehnt sich
der in dieser Weise gelagerte Prüfstab 27 mit zunehmender Erwärmung aus, dann wird
er die Kondensatorscheibe 26 gegen die Wirkung der Druckfeder 30 zurückschieben,
so daß sich unter Vergrößern des gegenseitigen Abstandes a der Kondensatorbelegungen
25 und 28 die Kapazität des Meßkondensators verringert. Ohne grundsätzliche Änderung
des Meßverfahrens könnte die Anordnung auch derart getroffen werden, daß diese Kapazität
sich bei der Wärmeausdehnung des Prüfstabes 27 nicht vermindert, sondem zunimmt.
Die vorbeschriebene Ausführung des Meßgerätes hat sich jedoch als besonders zweckmäßig
erwiesen.
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Bezeichnet L = L0 die Länge des in das Meßgerät eingesetzten Prüfstabes
27 bei einer bestimmten Anfangstemperatur t0, und aO den sich dabei ergebenden gegenseitigen
Abstand der Kondensatorbeläge 25 und 28, deren Fläche F sei, so berechnet sich die
auch am Kapazitätsmeßgerät abzulesende Kapazität CO des Meßkondensators ohne der
infoIge Randeinwirkung auftretenden Streukapazität in bekannter Weise zu: F ~~~~~~~~
Farad const Co = . Farad = (I) 4 z aO 9. 1011 aO Mit der Erwärmung des Prüfstabes
um dt auf die Temperatur t1 dehnt sich dieser um die Strecke dL auf die Länge L1
aus, und er schiebt dabei die Kondensatorscheibe 26 um Zla = AL gegen die Wirkung
der Feder 30 zurück, wobei sich der Abstand zwischen den vorgenannten Kondensatorbelägen
auf a, vergrößert. Infolgedessen verringert sich die Kapazität um C auf den Wert:
const C1 = (2) a1 Es folgt:
d. h. die Längenänderungen des Prüfstabes bei seiner Erwärmung sind dem- Unterschied
der Kehrwerte der
sich in der Anfangs- und Endstellung der Kondensatorbeläge
ergebenden Kapazität verhältnisgleich.
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Damit berechnet sich die WDZ des Prüfstabes zu: a in mm
Bei dem aus Raumersparnis gedrängten Aufbau des Meßgerätes nach Bild 1 mit gegebenem
Achsenabstand der Stützsäulen 37 und 48 kann die Stablänge durchaus so gewählt werden,
daß der Forderung genügt wird, auch bei Prüfung von Werkstoffen äußerst geringer
WDZ noch gut meßbare Kapazitätsänderungen G zu erhalten. Abhängig von den Wärmedehnungen
AL des Prüfstabes und damit auch von den Änderungen des Belagabstandes a verlaufen
die Kapazitätsänderungen dC nach der Gesetzmäßigkeit einer im rechtwinkligen Koordinatensystem
mit a als Abszisses und C als Ordinate in Bild 4 eingezeichneten gleichseitigen
Hyperbel, wobei besonders in deren steil emporsteigenden Ast, d. h. also bei geringen
Belagabständen a, kleinen Abstandänderungen Aa verhältnismäßig große und daher gut
meßbare Kapazitätsänderungen AG entsprechen. Um vor Beginn der Messungen einen für
deren Genauigkeit günstigen Bereich der Kapazitätsänderungen dC einstellen zu können,
wird die Stützsäule 37 in Richtung des Achsenabstandes A um einige Millimeter, z.
B. IO bis 20mm, verschiebbar angeordnet und erst nach dieser Einstellung auf der
Kühlwanne 54, ihrer Unterlage, festgespannt.
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Schließlich ist es für die Genauigkeit der Messungen wichtig, daß
die Kondensatorscheibe 23 derart mit ihrer Stützsäule 48 verbunden wird, daß die
Kondensatorbelegungen 25 in einer durch die mittlere Längsachse dieser Säule geführten
Ebene liegt. Auch soll das freie Ende der keramischen Lagerspitze 34 in der Ebene
des Kondensatorbelages 28 liegen und die Körnerspitze 29 in der Achsenebene der
Stützsäule 37 enden. Auf diese Weise wird es vermieden, daß bei Temperaturerhöhungen
auftretende Ausdehnung der Kondensatorscheiben und auch die Dickenausdehnung der
Stützsäulen die Messungen störend beeinflussen. Die axiale Ausdehnung dieser Säulen
hat dagegen auf die Messungen keine wesentlich merkbaren nachteiligen Wirkungen,
sofern dadurch lediglich der waagerecht gelagerte Prüfstab 27 und die Kondensatorscheiben
23 und 26 um annähernd den gleichen Betrag geringfügig gehoben werden. Im übrigen
lassen sich durch etwa verschiedenartige Wärmedehnungen der Kondensatorscheiben
und der Stützsäulen bedingte Meßfehler durch eine zweckentsprechende Eichung der
Meßeinrichtung berichtigen. Dadurch wird es möglich, sowohl bei steigender als auch
bei fallender Temperatur des Prüfstabes mit diesem neuartigen Meßgerät rasch und
zuverlässig die Versuchswerte aufzunehmen, aus denen die WDZ zu den untersuchenden
festen Baustoffen im allgemeinen mit Genauigkeiten bis zu etwa 01o ermittelt werden
können. Unter Verwendung hinreichend empfindlicher Kapazitäts- oder Frequenzmeßgeräte
lassen sich bei den Messungen auch hierüber hinausgehende Genauigkeiten erzielen.
Meßfehler, die durch das Ausdehnungsverhalten der Bauteile des Meßgerätes hervorgerufen
werden könnten, lassen sich am besten dadurch vermeiden, daß die Träger der Kondensatorbeläge
und deren Stützen sowie die übrigen Halterungsteile des Gerätes sowie die Kühlwanne
aus tonsubstanz-magnesium-silikathaltigen keramischen Stoffen sehr geringer Wärmedehnung
hergestellt werden, deren WDZ nur I,O IoNs r,4.Io-6mm0C beträgt.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Bild 2 schematisch in Aufsicht
eine der Ausführung nach Bild 1 grundsätzlich entsprechende Anordnung, mit der die
WDZ nicht nur eines einzigen, sondern gleichzeitig mehrerer, z. B. von fünf Prüfstäben
57, 67, 77, 87 und 97 ermittelt werden kann. Wie aus dem Bild 2 ersichtlich ist,
sind die Prüfstäbe in wechselseitiger Anordnung in dem der Erwärmung, dem Wärmeschutz
und der elektrischen Abschirmung dienenden aufklappbaren Behälter nebeneinander
zwischen keramischen Körnerspitzen gelagert. Dieser Behälter ist ebenfalls wärmeisoliert,
mit elektrischen Heizdrähten versehen und gegen die äußere Umgebung elektrisch abgeschirmt.
Die Meßleitungen von den Kondensatorscheiben zum Kapazitätsmeßgerät oder Hochfrequenzmeßschwingkreis
werden z. B. seitlich durch die Behälterwandungen, zweckdienlich über einen Umschalter,
geführt, mit dessen Hilfe die einzelnen Meßkondensatoren bei den Messungen nacheinander
mit dem Kapazitätsmeßgerät oder dem Meßschwingkreis verbunden werden können.
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Wie eingangs bereits hervorgehoben, kann der Meßkondensator auch
als ein in seiner Kapazität veränderbarer Schiebekondensator ausgeführt sein, wie
dies schematisch z. B. im Bild 3 dargestellt ist. Der Kondensator besteht in diesem
Fall aus dem einseitig durch einen Boden 14 verschlossenen keramischen Rohr, das
auf seiner äußeren Mantelfläche den aufgebrannten metallischen Kondensatorbelag
I2 trägt. In diesem Rohr ist der ebenfalls aus keramischem Werkstoff gefertigte
Kolben 13 entgegen der Wirkung der z. B. keramischen Wendelfeder 16 in Richtung
der Längsachse leicht und zügig verschiebbar.
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Diese Wendelfeder stützt sich gegen den Boden 14 des Rohrkörpers IO.
Der Kolben I3 ist mit dem aufgebrannten Kondensatorbelag II versehen. Er hat ferner
an seiner äußeren Stirnseite eine keramische Körnerspitze 19, die der im Meßgerät
abgestützten keramischen Körnerspitze 15 in einer waagerechten Ebene gegenübersteht.
Bei den Ausdehnungsmessungen wird der Prüfstab I7, der bei Raumtemperatur to die
an sich beliebige Länge L = L0 habe, zwischen diese beiden Körnerspitzen eingefügt
und der Kolben I3 50 weit in das Rohr IO hineingeschoben, daß sich die beiden Kondensatorbeläge
II und 12 gegenseitig um die Strecke SO überdecken.
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Bezeichnet r2 das Verhältnis des Außenhalbr1 messers r2 zum Innenhalbmesser
r1 des Rohres 10, r1 das Verhältnis dieses Innenhalbmessers zum r3 Halbmesser r3
des Kolbens I3 und 5 die Dielektrizitätskonstante des festen Werkstoffes des aus
der keramischen Wandung des Rohres 10 und einem sehr
dünnen Luftspalt
zwischen der Innenwandung dieses Rohres und dem Kolbenbelag II bestehenden, geschichteten
Dielektrikums, so ergibt sich die Kapazität CO des Kondensators nach bekannten Regeln
zu:
| CO = 5. so 9. Ioi Farad = const So (5) |
| 2«111Ä + In Ä) |
Bei einer Erwärmung des Prüfstabes 17 um von t0 auf die Temperatur t1 dehnt sich
dieser um auf die Länge L1 aus und schiebt dabei den Kolben Ì3 um dieselbe Strecke
AL = dS weiter in das Rohr IO hinein, so daß sich die Überdeckung der Beläge II
und I2 von SO auf S, vergrößert. Die Kapazität des Kondensators nimmt dabei den
Wert: C1 = const x S, (6) an: aus (I) und (2) folgt: AG = G1 - G0 = const x (S,
- S,) = const x AL (7) d. h. die Kapazitätsänderungen sind in diesem Fall den Längenänderungen
des Prüfstabes verhältnisgleich. Damit ergibt sich die WDZ des Prüfstabes I7 aus
dessen bekannter Länge L,, der zu messenden Temperaturerhöhung dt und der am Kapazitätsmeßgerät
festgestellten -Kapazitätsänderung dC zu: a in mrn°C = AL 1 = ist AG 1 (8) At L0
mm"C = -- zu - = const At . L0 Natürlich müssen bei einer solchen Ausführung des
Meßgerätes außer der Streukapazitäten des Kondensators auch seinen Belagträgern
und den übrigen Aufbauteilen der Meßanordnung eigene Wärmedehnungen berücksichtigt
werden, die bei ihrer Erwärmung im Sinne teils einer Vergrößerung, teils einer Verringerung
der Kapazität wirken. Am Meßergebnis sind daher noch Berichtigungen anzubringen,
deren Größenwerte und Vorzeichen durch eine sorgfältige Eichung der ganzen Versuchsanordnung
ohne in diese eingesetzten Prüfstab ermittelt werden können.
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Die Anordnung des Meßverfahrens in der Form nach Abb. 3 hat noch
den besonderen Vorzug, daß Stäbe und Bruchstücke des zu untersuchenden Materials
verschiedenen Durchmessers und verschiedener Länge gemessen werden können. Bei den
bisher verwandten Apparaturen zur Messung der WDZ wurde es immer als besonderer
Nachteil empfunden, daß für diese Geräte bestimmte Prüfkörper mit nur kleinen Toleranzen
für die Abmessungen hergestellt werden mußten. Dieses Verfahren ist besonders für
die keramische Industrie und die Glasherstellung von Nachteil, denn sehr oft ist
es äußerst wichtig, die WDZ von Teilen zu wissen, für die nicht gleichzeitig ein
entsprechender Prüfstab zur Messung der WDZ angefertigt worden ist. Nachträglich
können auch keine Prüfstäbe hergestellt werden, da die Brandführung bei der Keramik
bzw. die Temperaturhaltung beim Glas von wesentlichem Einfluß auf die WDZ sein können.
Es müssen also aus diesen Teilen, von denen die WDZ interessiert, Bruchstücke von
beliebigen Formen herausgeschnitten werden, die dann auf der nach Bild 3 angegebenen
Meßapparaturausführung ohne Schwierigkeiten gemessen werden können.
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Aus den Gleichungen (5) bis (8) ist ersichtlich, daß die Änderungen
dC der Kapazität des Meßkondensators mit den Längsänderungen AL des Prüfstabes um
so größer sind, je höher die Dielektrizitätskonstante e des Kondensatordielektrikums
ist und je mehr das Verhältnis r2 der Belaghalbmesser sich r1 der Einheit nähert.
Um auch bei der Prüfung von Werkstoffen sehr geringer Wärmedehnung, z. B. bei bestimmten
keramischen Sondermassen, noch gut meßbare Kapazitätsänderungen zu erhalten, wird
zweckmäßig der Rohrkörper IO möglichst dünnwandig aus einem titandioxydhaltigen
Werkstoff mit hoher Dielektrizitätskonstante angefertigt. Dieser Isolierstoff hat
einen negativen Temperaturbeiwert der Dielektrizitätskonstante, was zur weiteren
Veryollkommnung der Meßanordnung, wie bereits erwähnt, dazu benutzt werden kann,
die infolge Wärmedehnungen des Rohres 10 und des Kolbens 13 bedingten Änderungen
der Kapazität des Meßkondensators durch die negativen Änderungen der Dielektrizitätskonstante
seines festen Dielektrikums bei der Erwärmung auszugleichen. Statt oder außer den
titandioxydhaltigen Werkstoffen kann dieses Dielektrikum aber auch aus einer oder
mehreren mittig übereinander angeordneten zylindrischen Schichten magnesiumtitanat-
oder tonsubstanz-magnesiumsilikathaltige Isolierstoffe oder aus einer sonstigen
geeigneten keramischen Masse zusammengesetzt sein, je nachdem die besonderen Bedingungen
der Temperaturunabhängigkeit der Meßanordnung dies erfordern.
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Bei der Prüfung von Werkstoffen mit Halbleitereigenschaften können
die Prüfstäbe ausschließlich oder zusätzlich mittels eines durch sie hindurchgeleiteten,
den Meßtemperaturen entsprechend geregelten elektrischen Stromes erwärmt werden,
wobei natürlich ebenfalls für einen Temperaturausgleich zwischen den Prüfkörpern
und der erfindungsgemäßen Meßanordnung zu sorgen ist. Soll die WDZ der zu untersuchenden
Werkstoffe bei tiefen, z. B. unter dem Gefrierpunkt liegendenTemperaturen ermittelt
werden, so wird der Innenraum des die Prüfstäbe und die Meßanordnung aufnehmenden
Wärmeschutzbehälters zweckmäßig mit Kühlschlangen in bekannter Weise ausgerüstet.
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Im übrigen lassen sich die Meßanordnungen nach der Erfindung auch
mit Einrichtungen verbinden, die alleTemperatur-, Kapazitäts- und Frequenzänderungen
während der Messung fortlaufend selbsttätig aufzeichnen.
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Gegenüber anderen bekannten Verfahren zum Bestimmen der WDZ fester
Werkstoffe, z. B. auf mechanischem Wege, durch Fühl- oder Tasthebel oder
durch
Beobachtungen mikrometischer Art oder mit Hilfe von Lichtinterferenzen, zeichnet
sich das neue Verfahren durch größere Einfachheit und Schnelligkeit in der Bedienung
der Meßgeräte aus und ist besonders für technische Messungen vorzüglich geeignet,
die laufend in größerer Anzahl durchzuführen sind.