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Vorrichtung zur Bestimmung des linearen Ausdehnungskoeffizienten
von Probestäben Will man den linearen Ausdehnungskoeffizienten von Probestäben bestimmen,
so wird die Messung ihrer Länge bei zwei unterschiedlichen Temperaturen vorgenommen.
Handelsübliche, für Laborai>rien geeignete Geräte sind bisher nicht bekanntgeworden.
Die interessierte Wissenschaft und Technik war auf den Selbstbau geeigneter Hilfsmittel
angewiesen. Der Probekörper mußte hierbei eine beträchtliche Länge von 25 bis IOO
cm aufweisen, um die bei den unterschiedlichen Temperaturen erfolgenden Mit ausdehnungen
der Längenmeßeinrichtung nur wenig in Erscheinung treten zu lassen. Weiter mußten
die stabförmigen Probekörper an ihren beiden Stirnenden planparallel geschliffen
werden. Sodann erfolgte eine umständliche Berechnung des linearen Ausdehnungskoeffizienten
nach der Formel:
Darin bezeichnet Lta die Länge des Probekörpers bei der tieferen Temperatur, Ltb
die Länge des Probekörpers bei der höheren Temperatur, ta die tiefere Temperatur,
tb die höhere Temperatur.
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Die Erfindung will zunächst das Maß des Probestabes wesentlich kleiner
und handlicher (etwa 45 mm lang) halten, die planparallele Bearbeitung der Enden
des
Probestabes vermeiden, überhaupt die bisher erferderliche Längenmessung des Probekörpers
vor dem Versuch umgehen. Sie will weiter jede Rechnung dadurch ausschalten, daß
die Anzeige des Meßresultates am Ende des Versuches direkt an einer in Einheiten
des linearen Ausdehnungskoeffizienten (,B- IO-6) geteilten Skala des Meßwerkes abgelesen
wird, und schließlich noch die Darstellung der Meßtemperaturen o und 1000 in einfacher
Weise ohne Verwendung von Thermostateneinrichtungen realisieren.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird zunächst dadurch gelöst, daß innerhalb
eines Temperiergefäßes der zu messende Stab von dem einen Arm eines U-förmigen Bügelkörpers
mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten und vorzugsweise geringem Wärmeleitvermögen
getragen wird und daß dieser Bügelkörper teilweise innerhalb und teilweise außerhalb
des Temperiergefäßes liegt und der innerhalb liegende Arm senkrecht zur Meßachse
verläuft, während der außerhalb des Temperiergefäßes liegende Teil des Bügelkörpers
gebogen ist und mit seinem anderen Ende parallel zum innerhalb des Temperiergefäßes
befindlichen Arm ausläuft, so daß jede Änderung der Meßtemperatur ohne Einfluß auf
eine Abstandsänderung der beiden Enden des Bügelkörpers bleibt, und daß der innerhalb
des Temperiergefäßes liegende Arm eine Spannvorrichtung für den waagerecht liegenden
Probestab und der außerhalb des Temperiergefäßes liegende Arm einen Längenmesser
trägt und Mittel vorgesehen sind, die die Ausdehnung des freien Stabendes auf den
Längenmesser übertragen.
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Die Haltevorrichtung kann als Ringspannfutter ausgebildet sein, und
die Mittel, die die Längenausdehnung des Probestabes übertragen, können in einem
verschiebbar gelagerten Fühler bestehen, der sich unmittelbar oder mittelbar mit
einem Ende an das Ende des Probestabes und mit dem anderen Ende an die Meßvorrichtung
anlehnt.
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Wesentlich ist, daß der Abstand zwischen den Schneiden des Ringspannfutters
und dem freien Ende des verschiebbaren Fühlers eine bestimmte Meßlänge ausmacht,
so daß schon beim Einspannen und Einlegen des Probestabes die für die Teilung des
Längenmessers zugrunde gelegte Meßlänge erreicht wird.
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Es ist vorteilhaft, zwischen dem Probestab und dem Fühlerstab desWegemessers
einen Zwischenstab in einer Büchse anzuordnen, die von dem Arm des U-Bügels getragen
wird und wie der Zwischenstab ebenfalls aus wenig oder nicht wärmedehnbarem Werkstoff
besteht und vermöge eines sein abgesetztes Ende gabelförmig umgreifenden, radial
verschiebbaren Riegels vorübergehend dem Probestab bei der Einstellung zum Einspannfutter
als Anschlag dient. Auf diese Weise wird also die für den Versuch gebrauchte Länge
des Probestabes ein für allemal festgelegt. Hernach wird dieser Riegel entfernt,
damit der Zwischenstab sich in Richtung auf den Wegemesser bzw. seinen Fühlerstab
ungehindert bewegen kann. Damit nun aber das freie Ende des Probestabes noch vor
der Einspannung genau auf den Zwischenstab ausgerichtet werden kann, d. h. im vorliegenden
Falle der Probestab genau waagerecht eingestellt werden kann, wird eine ihn umgreifende
Unterstützung vorgesehen, die mit Hilfe einer Stellschraube auf bestimmte Höhe je
nach dem Durchmesser des Probestabes eingestellt werden kann.
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Die Spannvorrichtung selbst muß natürlich fest zugreifen. Man wird
sie als konzentrisch spannendes Mehrbackenfutter mit Schneiden oder nach Art einer
Irisblende ausbilden. Der Zwischenstab selbst, der die Wandung des Temperiergefäßes
durchtritt, wird in einer einen Druchbruch der Gefäßwandung ab schließenden elastischen
Membran, z. B. aus hochelastischem Buna-S, gelagert, damit kein die Längsdehnungskraft
und das Meßergebnis beeinträchtigender Widerstand entsteht.
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Das Temperiergefäß selbst ist mit einer gefrierbaren Temperierflüssigkeit,
z. B. Wasser, gefüllt und besitzt einen Doppelmantelraum, der mit Äther, Dichloräthylen
oder einem sonstigen Stoff gefüllt ist, dem durch Verdampfung Wärme entzogen wird.
Dadurch wird das Wasser für die Tieftemperaturmessung auf o" gebracht. Für diese
Verdampfung sind nur geringe Unterdrucke erforderlich, z. B. für Äther bei o° etwa
200 Torr. In den Doppelmantelraum ist ein Rohr eingeführt, welches aus dem oberen
Teil den Ätherdampf abzusaugen gestattet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
bildet dieses Rohr den Bestandteil einer Wasserstrahlpumpe, welche die Dämpfe absaugt.
Da die Konzentration des Äthers im Abflußwasser nur etwa o,p5 0/, beträgt und schon
Wasser mit einem Äthergehalt von 60/o bei Wasser leitungstemperatur keinen Äther
mehr äußerlich wirksam werden läßt, so bestehen hiergegen keinerlei Bedenken. Auf
diese Weise kann die für den Versuch erforderliche niedere Temperatur einfach und
billig erreicht werden.
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Innerhalb des Temperierbehälters und unterhalb des Probestabes in
der Temperierflüssigkeit ist außerdem ein elektrischer Heizkörper vorgesehen, um
die höhere Temperatur herbeizuführen, die für die zweite Messung gebraucht wird.
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Als Wegemesser dient ein Meßgerät mit einer Skala, die unmittelbar
in Einheiten des linearen Ausdehnungskoeffizienten (ß- Io-6) geteilt ist. Diese
Skala ist gegenüber dem Gehäuse des Wegemessers frei verdrehbar, so daß der Nullpunkt
der Skala auf die Nullstellung des Zeigers bei der Tieftemperaturmessung eingestellt
werden kann.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung teils
im Schnitt, teils in Ansicht veranschaulicht.
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Eine Grundplatte I trägt einen U-förmigen Bügel 2 aus einem Stoff
mit einem sehr niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten (Quarzglas = 0,5 oder
einer metallischen Speziallegierung wie Superinvar = o... o,I). Der eine Arm 2a
durchtritt den Boden eines Temperiergefäßes 3, welches dort und an einem großen
Teil des Umfanges mit einem Doppelmantel 3, 3b umgeben ist. An der Durchtrittsöffnung
3 ist eine Verkettung vorgenommen. Der Arm 2a trägt außerdem ein konzentrisch spannendes
Mehrbackenfutter 4, welches verhältnismäßig scharf in den Umfang des Probestabes
5 einschneidet, wenn es geschlossen wird. Das freie Ende des Probestabes 5 wird
von einer diesen etwa ringförmig umgreifenden Unter-
stützung 6
getragen, die am oberen Ende als Schraube 6, mit einer Einstellskala ausgebildet
und durch eine Stellmutter 6b beeinflußbar ist, damit der Stab waagerecht gelagert
werden kann, bevor das Spannfutter 4 geschlossen wird.
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Die Wandung des Temperierbehälters 3 weist eine Öffnung 3d auf, die
durch eine hochelastische Membran 3e z. B. aus Buna-S verschlossen wird. In deren
mittlerer Öffnung ist ein Zwischenstab 7 z. B. aus Quarz gelagert, dessen rückwärtiges
Ende 7G abgesetzt ist. Dieser Zwischenstab führt sich in einer ebenfalls aus Quarz
hergestellten Büchse 2G, die am Arm 2b des Bügels 2 befestigt ist. Ein radial verstellbarer
Bügel 8 mit einem inneren gabelförmigen Ende umgreift den abgesetzten Zapfen 7a
und bildet bei der Einstellung ein Widerlager für den Zwischenstab 7, gegen den
der Probestab 5 dicht angelehnt wird, bevor das Spannfutter 4 angezogen wird. Alsdann
wird der Riegel 8 von Hand entsprechend weit zurückgeschoben, und der Zwischenstab
7 kann sich unter dem Einfluß einer Wärmedehnung des Probestabes 5 in Richtung auf
den Fühlerstab 9a des Wegemessers g bewegen. Dieser Fühlerstab wurde vorher durch
eine Stellschraube 10 bis zur Berührung des Zwischenstabes 7 verstellt. Die Skala
9b des Wegemessers g ist in Einheiten (ß. Io-6) unterteilt und lose auf dem Gehäuse
drehbar, so daß ihr Nullpunkt auf die Zeigerstellung 9G eingestellt werden kann.
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Das Temperiergefäß 3 ist mit Wasser gefüllt. Unterhalb des Probestabes
befindet sich ein elektrischer Heizkörper II, mit dem es zum Sieden gebracht werden
kann (I00°). Im Raume innerhalb des Doppelmantels 3b befindet sich ein Kältemittel,
z. B.
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Äther oder Dichloräthylen. Ein Rohr 12 endet oberhalb der Füllung
und gestattet die Absaugung von Dämpfen durch eine Wasserstrahlpumpe I3 oder ein
ähnliches Mittel. Dadurch läßt sich die Temperierflüssigkeit im Behälter 3 nach
etwa I5 Minuten der Absaugung zu etwa zwei Drittel zum Gefrieren bringen. Der zentrale
Rest der Wasserfüllung besitzt die am Thermometer 14 ablesbare Temperatur von o"
ebenso wie der Probekörper 5. Der Probekörper wird nun von Hand nach rechts gegen
den noch durch den Riegel 8 fixierten Zwischenstab 7 gediängt und die Spannvorrichtung
4 angezogen. Die Länge des Probekörpers (40mm) ist also für den Anfang der Messung
fixiert. Nach Entriegelung des Zwischenstabes 7 durch Entfernen des Schiebers 8
wird das Meßwerk mittels der Schraube 10 zur Messung vorbereitet und der drehbare
Skalenträger 9b so eingestellt, daß der Wert o mit der Zeigerstellung des Zeigers
9G übereinstimmt.
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Nunmehr wird der Heizkörper II eingeschaltet und die Temperierflüssigkeit
zum Sieden gebracht.
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Dadurch tritt die Längsdehnung des Probestabes 5 ein, und der Zeiger
9G schlägt aus. Der im Augenblick des Siedens ermittelte Wert ergibt den für den
Probestab gebildeten Ausdehnungskoeffizienten.
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Bei temperaturempfindlichen Probekörpern, z. B.
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Harzen, Kunststoffen mit niedrigem Erweichungspunkt, kann man mit
einer niedrigeren Endtemperatur, z. B. 50 oder 250, arbeiten und dann den linearen
Ausdehnungskoeffizienten unmittelbar ablesen, sofern man ihn mit IOO multipliziert
und durch die Endtemperatur dividiert. Wo infolge niedrigen Barometerstandes die
Siedetemperatur nicht genau 1000 beträgt, werden dem Wasser kleine Mengen einer
siedepunkterhöhenden Substanz, z. B. Zucker, zugefügt, bis genau 1000 erreicht sind.
Wo Messungen an hochgelegenen Orten mit abnorm tiefem Barometerstand und demgemäß
besonders niedrigem Siedepunkt des Wassers durchgeführt werden sollen, wird mit
normalem Wasser gearbeitet und die Ausdehnung durch eine einfache lineare Temperaturtabelle
berichtigt.