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Kontakt-Dehnungsmess er und Verfahren zu seiner Herstellung und Eichung
Zur Ermittlung des Spannungszustandes und des Is raftverlaufes an Werkstoft-Probestäben
und Maschinenteilen werden u. a. elektrische Dehnungsmeßverfahren angewandt. Dazu
werden elektrische, isolierte Widerstandsdrähte mitfdem Prüfkörper so verbunden,
daß sie zusammen mit dem Prüfkörper verformt werden und dadurch ihren Widerstand
(bzw. bei Verwendung von Kondensatoren die Kapazität) proportional zur Formänderung
verändern.
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Es ist auch bekannt, zur Ermittlung von statischen Belastungsänderungen
elektrische Kontakte auf dem Früfkörper anzuordnen, welche durch die Formänderung
des Prüfkörpers geöffnet bzw. geschlossen werden.
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Die erstgenannten Widerstands- (bzw. Kapazitäts-) Dehnungsmeslser
sind zwar geeignet, dynamische Bel astungsvorgänge aufzunehmen, haben aber den Nachteil,
daß sie komplizierte Verstärkereinrichtungen erfordern, wodurch ihre Anwendung für
Betriebsmessungen stark eingeschränkt ist.
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Beim Messen an bewegten Teilen besteht der weitere Nachteil, daß bei
der Stromabnahme vom bewegten Prüfkörper veränderliche Übergangswiderstände entstehen,
welche den an sich schwachen Meßstrom fälschen.
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Der Kontakt-Dehnungsmesser hat demgegenüber den Vorteil, daß er keine
Verstärkereinrichtung erfordert. Die bisher bekannten Ausführungen nehmen jedoch
verhältnismäßig großen Raum ein, so
daß es nicht möglich ist, eine
größere Anzahl von ihnen an einer Meßstelle unterzubringen, was aber erforderlich.
ist, umdynamische Spannungsverläufe an Bauteilen aufzunehmen.
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Die Erfindung betrifft einen Kontakt-Dehnungsmesser mit sehr geringem
Raumbedarf und vereinigt die obengenannten Vorteile der Kontakt-Dehnungsmesser mit
denen der Widerstands-Dehnungsmesser. Die Erfindung besteht da.rin, daß in Kontakt-Dehnungsmessern
zur Ermittlung von Spannungszuständen und Kraftverläufen an Prüfkörpern und Maschinenteilen
bei statischer und dynamischer Last im elastischen Bereich als elektrische Kontaktgeber
Drähte, metallisch leitende Schichten od. dgl. verwendet werden, die eine oder mehrere
Trennstellen aufweisen und am Prüfkörper so befestigt sind, nötigenfalls gegen den
Prüfkörper isoliert, daß sich die Trennstellen unter Laständerung des Prüfkörpers
öffnen bzw. schließen.
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Als elektrische Kontaktgeber können beispielsweise ein oder mehrere
in Lackfolien eingebettete Drähte verwendet werden, die an einer Stelle unterbrochen
sind. Ein Verfahren zur Herstellung solcher Kontaktgeber besteht z. B. darin, daß
ein in eine Lackfolie eingebetteter und auf dem Prüfkörper befestigter Draht durchschnitten
wird und daß die Breite der Trennstelle zum Zwecke der Eichung durch mechanischeVerformung
z. B. durch Walzen der Drahtenden verändert wird, so lange, bis die Breite der Trennstelle
einen gewünschten Wert erreicht hat. Die Breite der Trennstelle kann aber auch durch
galvanischen Auftrag von Metall verändert werden.
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Die Drähte mit ihren Trennstellen nehmen geringen' Raum ein und können
daher in größerer Zahl an einer einzigen Meßstelle angeordnet werden. Bei verschiedener
Eichung der einzelnen Trennstellen ist es nun möglich, einen zeitlich veränderlichen
Spannungsverlauf, wenn auch nur stufenweise, beispielsweise mit einem Schleifenoszillographen,
aufzuzeichnen, und zwar gemäß der Erfindung dadurch, daß mehrere dicht beieinander
liegendeKontal-Dehnungsmesser unterVerwendung von Meßwiderständen in einem Meßstromkreis,
beispielsweise in Serienschaltung, vereinigt sind. Dabei können die Meßwiderstände
der einfachen Herstellung wegen mit den Kontaktdrähten in derselben Lackfolie eingebettet
sein.
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Die gleiche Wirkung wie mehrere auf kleinem Raum vereinigte Drahtkontaktgeber
erzielt man auch durch Verwendung einer auf einer Isolierschicht, beispielsweise
Lackschicht aufgebrachten, leitenden Pulverschicht, auf welcher dann eine weitere
Metallschicht galvanisch aufgebracht werden kann. Solche Schichten bilden bekanntermaßen
unter Formänderung Risse, welche als Trennstellen für die Kontaktgabe gemäß der
Erfindung yerwendet werden. -Die Eichung einer auf einer leitenden-~Pulverschicht
galvanisch aufgetragenen dünnen Metallschicht wird dadurch ermöglicht, daß die Sprödigkeit
der leitenden Schicht durch Änderung des galvanischen Prozesses bestimmt wird. Es
entstehen dann bei der ersten Belastung der fertigen Kontaktschicht bei bestimmten
Belastungsstufen Risse in bestimmten Abständen, und damit eine Anzahl von Trennstellen.
Die so entstandenen Abschnitte der leitenden Schicht werden entsprechend der beschriebenen
Anordnung mehrerer Kontaktdrähte in einen Meßstromkreis geschaltet. Im Betriebe
öffnen sich dann die einzelnen Trenustellen beim Auftreten der entsprechenden, bei
der Eichung festgelegten Belastungsstufen.
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Um die so geeichte Trennstelle vor weiteren Veränderungen zu schützen,
wird sie nach der Erfindung luftdicht abgeschlossen, beispielsweise durch Verkleben
mit Papier, Isolierband od. ä. Das Abschließen kann. auch in einer Schutzgasatmosphäre,
beispielsweise in Stickstoff, vorgenommen werden, um jede Möglichkeit der Korrosion
durch eingeschlossene Luft auszuschließen. Der Korrosionsschutz beim Eichen durch
galvanischen Auftrag kann durch Verwendung eines korrosionsfesten Auftragmetalls,
z. B. Silber, erreicht werden.
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Die leitende Schicht kann auch auf einem vorgespannten Prüfkörper
aufgebracht werden. Es ist dann möglich, Druckspannungen zu messen.
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Um Meßfehler infolge Wärmeausdehnung des Prüfkörpers und Kontaktgebers
auszuschalten, wird ein Kontaktwerkstoff gewählt, dessen lineare Wärme-Ausdehnnngszahl
etwas größer oder gleich der des Prüfkörperwerkstoffes ist. Dadurch wird erreicht,
daß sich bei Temperaturveränderung der Prüfkörper und der Kontaktgeber gleichmäßig
ausdehnen bzw. zusammenziehen, und die Spaltbreite an der Trennstelle in den für
die Erreichung ausreichender Meßgenauigkeit erforderlichen Grenzen bleibt.
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Eine weitere Maßnahme zum Ausgleich von Formänderungen durch Temperaturänderung
besteht nach der Erfindung darin, daß die Kontaktdrähte in an sich bekannter Weise
Haarnadel- oder ähnliche Form haben. Auch hierbei wird erreicht, daß die Breite
der Kontaktstelle unabhängig von Temperaturänderungen wird.
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Die Kontaktdrähte können auch mit zwei Zweigen ausgeführt werden,
von denen einer unterbrochen ist und als Kontakt dient, während der andere Zweig
als Vorschaltwiderstand verwendet wird.
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An Hand der Zeichnung sei der Erfindungsgegenstand näher erläutert.
Es zeigt Abb. I einen Prüfkörper im Grundriß mit darauf angeordneten Kontakten,
Widerständen und Anschluß drähten, Abb. 2 den Prüfkörper im Längsschnitt nach der
Linie A-B gemäß Abb. 1, Abb. 3 einen Kontaktdraht mit Wärmeausgleich, = Abb. 4 einen
Kontaktdraht mit Vorwiderstand, Abb. 5 das Schaltschema einer Meßanordnung mit Schleifenoszillographen
und Abb. 6 eine Zeit-Spannungskurve.
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In Abb. I bedeutet I einen Prüfstab, der im dargestellten Beispiel
eine Wechselbiegespannung erfährt. 2 bis 8 sind Kontaktdrähte mit ihren Zu-
führungen.
Die Kontaktdrähte sind auf der Oberfläche des Prüfstabes gegen diesen isoliert befestigt,
und zwar sind 2, 4, 6, 8 Drähte mit im spannungslosen Zustand geschlossenen Kontaktstelleng,
IO, II, I2. Die Drähte 3, 5, 7 dagegen sind solche mit im spannungslosen Zustand
offenen Kontaktstellen I3, I4, 15. Erstere sprechen auf Zugspannungen, letztere
auf Druckspannungen an.
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DieZeichnung ist unmaßstäblich. Praktisch können die Kontaktdrähte
wesentlich dichter beieinander liegen, um die Spannungen an einer möglichst eng
umgrenzten Meßstelle ermitteln zu können.
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Zwischen den Kontaktdrähten sind Vorschaltwiderstände I6, I7, I8,
I9, 20 angeordnet. Außerdem liegen in der Nähe der Meßstelle die beiden thermischen
Ausgleichswiderstände 23 und 24. Die Vorschaltwiderstände können auch als leitende
Schichten ausgeführt und über oder unter den Kontaktdrähten angeordnet sein.
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Gemäß Abb. 2 erfährt der Prüfkörper 1 eine Wechselbiegebeanspruchung.
2 ist der Kontaktdraht mit der geschlossenen Kontaktstelle 9, der in der Lackschicht
21 eingebettet ist.
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Bei dem haarnadelförmigen Kontaktdraht 22 mit einer Trennstelle 25
und den beiden Zuführungsdrähten 26 und 27 (Abb. 3) wird eine im Betrieb eintretende
Erwärmung des einen Schenkels 28 durch die ebenso große Gesamtausdehnung der heiden
Teile 29 und 30 des anderen Schenkels ausgeglichen. Die Breite der Trennstelle bleibt
also gleich groß bei jeder Betriebstemperatur des Kontaktdrahtes. An einem solchen
Kontaktdraht kann gemäß Abb. 4 ein Zweig 34 kalibriert sein und als Nebenschlußwiderstand
verwendet werden. Die Trennstelle ist hier mit 3I, und die beiden Zuführungsdrähte
sind mit 32 bzw. 33 bezeichnet.
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Die Breite des Spaltes 3I ist auch hier bei jeder Temperatur gleich
groß.
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In dem Schaltschema für die in Abb. I und 2 dargestellte Meßstelle
stellen 9, IO, II, I2 die auf Zugspannungen ansprechenden Kontakte und I3, 14, I5
die auf Druckspannungen ansprechenden Kontakte dar. Beide Gruppen sind in Reihe
geschaltet mit einer Stromquelle 35 und einem Schleifenoszillographen 36, der in
Null-Stellung dargestellt ist. Diese entspricht dem spannungslosen Zustand des Prüfkörpers
I (Abb. I). Parallel zu den Kontakten 10, II, I2 liegen die Widerstände I6, I7,
I8, parallel zu den Kontakten I4, 15 die Widerstände I9, 20. Außerdem liegt in jedem
der leiden Meßkreise ein thermischer Ausgleichswiderstand 23 und 24.
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Die mit der vorstehend beschriebenen Meßanordnung aufgenommene stufenförmige
Zeit-Spannungs-Kurve ist mit 37 bezeichnet (Abb. 6).
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Die einzelnen Schwellenwerte der gemessenen Spannung sind jeweils
unter dem zugehörigen Kontakt eingezeichnet, der auf den betreffenden Spannungswert
anspricht. Oberhalb der waagerechten Zeitachse t sind Druckspannungen (+), unterhalb
davon Zugspannungen ) aufgetragen.
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Die Schwellenwerte sind durch einen gestrichelten Kurvenzug 38 miteinander
verbunden, der zwar den tatsächlichen Spannungsverlauf nur punktweise wiedergibt,
diesem jedoch um so näher kommt, je mehr Kontakte an einer Meßstelle angeordnet
werden können. Der geringe Raumbedarf von Kontaktgebern nach der Erfindung ermöglicht
daher eine sehr genaue Aufzeichnung von dynamischen Spannungsverläufen durch punktförmige
Aufnahme.
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Die Wirkungsweise der Meßanordnung ist folgende: Im dargestellten
spannungslosen Zustand der Kontaktdrähte 2 bis 8 befindet sich die Oszillographenschleife
36 in ihrer Null-Stellung. Dieser entspricht dem Null-Punkt der Zeit-Spannungs-Kurve
37.
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Im Stromkreis der Kontakte 9, IO, II, 12 fließt durch den Oszillographen
ein Strom, dessen Größe durch den Widerstand des Instrumentes und den Ausgleichswiderstand
23 bestimmt ist und der so groß ist, daß das Instrument Null anzeigt.
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Sobald dem Prüfkörper eine Wechsel-Biegespannung aufgedrückt wird,
erfährt die Meßstelle am Prüfkörper nach Verlauf einer gewissen Zeit t eine Formänderung,
beispielsweise eine Dehnung, die verursacht wird durch die dort herrschende Zugspannung
a (-).
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Nach einer Zeit t, hat diese Zugspannung den ersten Schwellenwert
Ol erreicht, welcher der Eichspannung des Kontaktes 12 entspricht. Dann öffnet sich
der Kontakt I2, und es fließt ein Meßstrom durch die Kontakte 9, IO und II und die
Widerstände 18 und 23, der geringer ist als der Null-Strom. Das Meßinstrument schlägt
daher nach links aus. Nach Verlauf der Zeit t2 wird der nächste Schwellenwert o2
erreicht. Es öffnet sich der Kontakt II, der Meßstrom verringert sich weiter durch
Hinzutreten des WMerstandes I7. Der Ausschlag des Oszillographen 36 vergrößert sich
weiter, bis schließlich eine Spannung 04 erreicht ist, welche dem Eichwert des Kontaktes
9 entspricht. Dieser öffnet sich und damit den Meßkreis für die Zugspannungen, und
das Instrument geht in seine (-) -Endstellung.
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In umgekehrtem Sinne verläuft dann der Anzeigevorgang, wenn die Spannung
auf Null zurückgeht und positive (Druck-)Werte annimmt. Nach Durchlaufen der Spannungswerte
d5 und o6 wird schließlich nach Ablauf der Zeit t7 die größte Druckspannung a7 erreicht,
welche dem Eichwert des Kontaktes I5 entspricht. Dieser schließt sich und damit
sind sämtliche Kontakte 13, 14 und I5 geschlossen. Der Meßstrom fiießt lediglich
durch den Widerstand 24 und das Anzeigegerät 36, welches in die (+)-Endstellung
geht.
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Der Meßvorgang verläuft dann in der vorstehend beschriebenen Weise,
wenn der Prüfkörper I die Normaltemperatur hat. Das ist die Temperatur, bei welcher
die Richtung der Kontakte vorgenommen wurde. Weicht die Meßtemperatur von der Eichtemperatur
ab, ist sie z. B. um einen bestimmten Betrag höher als diese, und ist der Ausdehnungskoeffizient
der Kontaktdrähte größer als der des Prüfkörperwerkstoffes, so sprechen die Kontakte
nicht bei ihren Eichwerten
an, sondern bei Spannungswerten, die
für die Zugseite um einen g]eichbleibenden Betrag zu hoch, für die Druckseite um
den gleichen Betrag zu niedrig sind. Diese Fehlanzeige wird dadurch ausgeglichen,
daß die Widerstände 23 und 24 aus einem Leitungswerkstoff mit positivem, elektrischem
Temperaturbeiwert bestehen. Dies bewirlit, daß der Widerstand beider Meßkreise erhöht
und der Meßstrom um einen bestimmten Betrag verringert wird. Dadurch verschieben,
sich der Nullpunkt der Anzeige und sämtliche Meßpunkte um den gleichen Betrag nach
links. Es wird statt der Kurve 37 (Abb. 6) die gestrichelte Kurve 37' aufgezeichnet,
welche dem tatsächlich auftretenden Spannungsverlauf bei der betreffenden Meßtemperatur
entspricht.