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Dokumentenidentifikation DE3527709C2 02.03.1989
Titel Tieftemperaturwegaufnehmer
Anmelder Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH, 7500 Karlsruhe, DE
Erfinder Nyilas, Arman, Dr.;
Raber, Hanspeter, 7513 Stutensee, DE
DE-Anmeldedatum 02.08.1985
DE-Aktenzeichen 3527709
Offenlegungstag 12.02.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 02.03.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.03.1989
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01B 7/16   
Zusammenfassung Wegen der zunehmenden Bedeutung der Tieftemperaturtechnologie müssen die Werkstoffgrößen wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung den weiten Temperaturbereich zwischen 293 K und 4 K ermittelt werden. An genormte Werkstoffproben 7 werden Wegaufnehmer mit zwei Meßschneiden 3, 4 angeklemmt, wobei die Änderung des Abstandes der Meßschneiden 3, 4 mittels auf eine Meßfeder 8 applizierter Dehnungsmeßstreifen in ein Spannungssignal umgesetzt wird. Die Meßfeder 8 eines erfindungsgemäßen TT-Wegaufnehmers, auf der die Dehnungsmeßstreifen appliziert sind, ist aus einem kryogen-stabilen Material gefertigt. Eine speziell konstruierte Klemmvorrichtung 5, 6 mit auswechselbaren Klemmköpfen 15 und einer einstellbaren Klemmkraft gewährleistet eine sichere Befestigung des TT-Wegaufnehmers an die Werkstoffprobe.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Tieftemperaturwegaufnehmer (TT-Wegaufnehmer) nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannt sind Wegaufnehmer mit zwei Schneiden, die in einem vorbestimmten Abstand auf eine Werkstoffprobe geklemmt werden. Der bei Belastung der Werkstoffprobe sich ändernde Schneidenabstand wird über eine, an geeigneter Stelle applizierte DMS-Brücke in ein Spannungssignal umgesetzt.

Derartige Wegaufnehmer dienen der Ermittlung von Werkstoffgrößen wie Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung.

Wegen der zunehmenden Bedeutung der Tieftemperaturtechnologie werden Wegaufnehmer benötigt, mit denen Werkstoffe in dem Temperaturbereich zwischen 293 K und 4 K untersucht werden können.

Ein Tieftemperaturwegaufnehmer der im Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Art ist in der DE-PS 32 10 256 beschrieben.

Danach erfolgt die Befestigung des TT-Wegaufnehmers am Prüfobjekt mittels einarmiger Klemmvorrichtung nach dem Scherenprinzip, wobei die Anklemmkraft von zwei federnden Klammern erzeugt wird.

Federnde Klammern haben den Nachteil des nicht eindeutigen Kraftflusses vom Klemmpunkt zur Meßschneide (Torsion etc.). Einarmige Klemmvorrichtungen bringen in vielen Fällen, wenn die Prüfobjekt-Klemmkraft-Beziehung nicht optimiert ist - was aufgrund der Abkühlung der Proben auf 4 K noch erschwert wird - einen ungleichmäßigen Kraftfluß und dadurch eine Beeinflussung der Meßfeder. Dieses Konstruktionsprinzip schränkt die Verwendung des Wegaufnehmers auf Werkstoffproben mit angepaßten Dimensionen ein.

Schließlich fand im bekannten TT-Wegaufnehmer das Problem, die Blattfeder, auf der die DMS appliziert sind, aus kryogenstabilem Material zu fertigen, keine zufriedenstellende Lösung. Die verwendeten Materialien wie Federstahl 55 Si 7 oder ausgehärtete Cu-Be-Legierungen haben sich nicht bewährt.

Gewalzte und anschließend gehärtete dünne Bleche beinhalten Eigenspannungen, Texturen und Welligkeiten, die die darauf applizierten Dehnungsmeßstreifen in ihrer Wirkung negativ beeinflussen und Meßwerte vortäuschen, umso mehr, als die Messungen unter extrem schlechten Temperaturbedingungen vorgenommen werden müssen.

Ein weiterer Wegaufnehmer mit an die Probe anklemmbaren Meßschneiden ist aus der US-PS 37 89 508 bekannt, bei welchem Lageänderungen der Probe über Meßschenkel auf ein biegeelastisches Element in Form einer Blattfeder übertragen werden, welches mit den Meßstreifen besetzt ist und dessen Verformung ein Maß für die Verformung der Probe darstellt. Durch die Art der Anbringung an die Probe und die Ausbildung der die Wegänderung von den Meßschneiden zu den Dehnmeßstreifen übertragenden Elemente ist dieser Wegaufnehmer jedoch für die Anwendung bei tiefen Temperaturen, wie sie in der Tieftemperaturtechnik vorkommen, weniger geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen TT-Wegaufnehmer zu entwickeln, der eine sichere Befestigung der zwei Meßschneiden mit einer stufenlos einstellbaren Klemmkraft ermöglicht und einen unidirektionalen Kraftfluß von dem Klemmkopf zu den Meßschneiden gewährleistet. Die Meßfeder soll keine Eigenspannungen besitzen, damit eine hohe Linearität der DMS-Signale erreicht wird. Der Kraftaufwand zur eindeutigen Biegung der Blattfedern soll reduziert werden.

Diese Aufgabe wird bei einem TT-Wegaufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4.

Die mit dem vorgeschlagenen TT-Wegaufnehmer erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein mit auswechselbaren Klemmköpfen ausgestattetes Andrückkopfsystem und ein stufenlos einstellbarer Kraftschluß (Anklemmkraft) den Einsatzbereich des TT-Wegaufnehmers wesentlich erweitert. Es können Prüfobjekte wie Drähte, Zugproben und Flachzugproben gemessen werden, ungeachtet deren Dicke und Geometrien. Ein unidirektionaler Kraftfluß vom Klemmkopf zu den Meßschneiden und damit eine sichere Befestigung ist gewährleistet. Diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Klemmvorrichtung ist von besonderer Bedeutung, da immerhin der TT-Wegaufnehmer an der Werkstoffprobe bei Raumtemperatur befestigt und anschließend mit der Probe auf eine Temperatur von 4 K abgekühlt wird.

Die neue Meßfeder aus kryogen-stabilem Material zeichnet sich aus durch eine hohe Sicherheitsgrenze aufgrund der hohen Streckgrenze und des kleinen E-Moduls, geringe Drift und hohe Linearität und erlaubt bei zyklischen Untersuchungen höhere Lastzahlen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Meßfeder aus dem kryogen-stabilen Werkstoff Ti-6Al-4V mit dem E-Modul ca. 100 GPa und wurde mittels Funkenerosion aus einem Vollmaterial herausgearbeitet. Bewährt haben sich auf diese Weise hergestellte 0,4 mm bzw. 0,6 mm dicke Meßfedern, die keine nennenswerte Restspannung und Welligkeiten aufweisen, womit eine hohe Federung bei geringer Kraft, eine reproduzierbare hohe Genauigkeit, hohe Empfindlichkeit und hohe Linearität der Meßanordnung erreicht wurde.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht des TT-Wegaufnehmers,

Fig. 1a zeigt den Ausschnitt A der Fig. 1,

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht des TT-Wegaufnehmers,

Fig. 3 zeigt ein Dehnungs-Spannungs-Diagramm der für die Meßfeder verwendeten Werkstoffe.

In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Wegaufnehmer in seiner Draufsicht und in Fig. 2 in seiner Seitenansicht dargestellt. Ein Tragschenkel 1 ist an einem seiner Enden mit einer auswechselbaren ersten Meßschneide 3, am anderen Ende mit einem Anschlußblock 28 und dazwischen mit einem Lagerblock 29 versehen. Der Lagerblock 29 weist beidseitig mit Gewinden versehene Bohrungen 30 auf. Zwei gegenüberliegende Bohrungen 30 sind mit Schrauben 31 versehen, die mit den in einem Meßschenkel 2 seitlich eingebrachten Lochpaaren 32 als Spitzenlager ausgebildet sind. Mit der Auswahl der Lochpaare 32 in Verbindung mit den auswechselbaren Meßschneiden 3,4 wird die Empfindlichkeit des TT- Wegaufnehmers eingestellt. Der so reibungsarm spitzengelagerte Meßschenkel 2 ist an einem seiner Enden mit einer auswechselbaren zweiten Meßschneide 4 und am anderen Ende mit einem Klemmstück 33 versehen, das eine Abschrägung 34 aufweist. Die Dehnungsmeßstreifen 9 sind auf eine Meßfeder 8 appliziert, deren eines der Enden über den Anschlußblock 28 elektrisch isoliert mit dem Tragschenkel 1 fest und deren freies Ende über die Abschrägung 34 mit dem Meßschenkel 2 gleitend verbunden ist. Jede Änderung des Abstandes der beiden Meßschneiden 3,4 wird vom Meßschenkel 2, der wie eine Wippe mit den Schrauben 31 reibungsarm gelagert ist, über die Abschrägung 34 gleitend auf die Meßfeder 8 übertragen. Die Durchbiegung der Meßfeder 8 wird von den Dehnungsmeßstreifen 9 in einer Brückenschaltung in ein Meßsignal umgesetzt, das proportional zu der Abstandsänderung der Meßschneide 3, 4 ist.

Sowohl der Tragschenkel 1 als auch der Meßschenkel 2 weisen an den mit Meßschneiden 3, 4 versehenen Enden identische Ausleger 10 auf, die jeweils mit zwei auswechselbaren Führungsschienen 12 für die Klemmvorrichtung 5,6 versehen sind.

Eine Werkstoffprobe 7 wird mit einem auswechselbaren, der jeweiligen Geometrie und Dicke der Werkstoffprobe 7 angepaßten Klemmkopf 15 gegen die Meßschneide 3, 4 angedrückt. Der Klemmkopf 15 kann u.a. als Klemmschneide, Klemmkugel oder Klemmnut ausgebildet sein und wird in einer Bohrung 17 einer Positionstraverse 13 geführt, wobei mittels Andrückfeder 14, z.B. ein Kupfer-Beryllium-Draht, gegen die Positionstraverse 13 abgestützt. Auf der der Meßschneide 3, 4 abgewandten Seite der Positionstraverse 13 ist über zwei auswechselbare Distanzhülsen 18 ein Druckaufnehmer 19 mit einer drehbar gelagerten Spindel lösbar verbunden. Die Spindel 23 ist über ein Gewinde 26 mit einer Traverse 21 verbunden.

Bei der Befestigung des TT-Wegaufnehmers wird, nachdem die Meßschneiden 3,4 an die Werkstoffprobe 7 angesetzt wurden, die Positionstraverse 13 mit den an beiden Enden ausgesparten Nuten 35 zwischen die Führungsschienen 12 geschoben und die Traverse 21 mit den an den beiden Enden ausgebildeten Widerlagern 22 in den Aussparungen 20 der Führungsschienen 12 abgestützt. Mit der Spindel 23 wird nun die Klemmkraft eingestellt, mit der die Andrückfeder 14 die Werkstoffprobe 7 mittels Klemmkopf 15 gegen die Meßschneide 3 bzw. 4 drückt. Der Abstand zwischen der Stirnseite des Spindelkopfes 24 und dem Klemmkopf 15 ist ein Maß für die Klemmkraft. Zur reproduzierbaren Einstellung der Klemmkraft dient die Meßgröße 27.

Fig. 3 zeigt ein Spannungs-Dehnungsdiagramm verschiedener für die Meßfeder verwendeten Werkstoffe:

a: Stahl E ca. 200 GPa

b: Cu-Be E ca. 120 GPa

c: Ti-6Al-4V E ca. 100 GPa

Die gestrichelte, senkrechte Linie schneidet alle Graphen bei gleicher Dehnung und zeigt deutlich die dabei auftretenden unterschiedlich hohen Spannungen der verschiedenen Werkstoffe. Die kleinste Spannung des Werkstoffes c = Ti-6Al-4V bedeutet, daß die daraus gefertigte Meßfeder eine hohe Sicherheitsreserve hat und mit geringerer Kraft gebogen werden kann.

Bezugszeichenliste

1 - Tragschenkel

2 - Meßschenkel

3 - erste Meßschneide

4 - zweite Meßschneide

5 - erste Klemmvorrichtung

6 - zweite Klemmvorrichtung

7 - Werkstoffprobe

8 - Meßfeder

9 - Dehnungsmeßstreifen

10 - erster Ausleger

11 - zweiter Ausleger

12 - Führungsschienen

13 - Positionstraverse

14 - Andrückfeder

15 - Klemmkopf

16 - Schaft

17 - Bohrung

18 - Distanzhülse

19 - Druckaufnehmer

20 - Aussparung

21 - Traverse

22 - Widerlager

23 - Spindel

24 - Spindelkopf

25 - Bohrung

26 - Gewinde

27 - Meßgröße

28 - Anschlußblock

29 - Lagerblock

30 - Bohrungen

31 - Schraube

32 - Lochpaare

33 - Klemmstück

34 - Abschrägung

35 - Nut


Anspruch[de]
  1. 1. Tieftemperaturwegaufnehmer zum Messen der Längenänderung einer bei kryogenen Temperaturen bis 4 K in einer Werkstoffprüfmaschine auf Zug belasteten Werkstoffprobe, mit den Merkmalen:
    1. a) ein Tragschenkel (1) und ein Meßschenkel (2) sind mit ihren jeweils eine Meßschneide (3, 4) aufweisenden Enden mittels Klemmvorrichtung (5, 6) an eine Werkstoffprobe (7) angeklemmt;
    2. b) eine durch die Längenänderung der Werkstoffprobe (7) erzeugte Auslenkung einer der Meßschneiden (3, 4) wirkt über den Meßschenkel (2) auf eine Meßfeder (8), die mit vier in Brückenschaltung angeordneten Dehnungsmeßstreifen (9) appliziert ist;
    3. c) das Ausgangssignal der Brückenschaltung ist proportional der Änderung des Abstandes zwischen den beiden Meßschneiden (3, 4);
  2. gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. d) die Meßschneiden (3, 4) sind auswechselbar;
    2. e) der ersten Meßschneide (3) ist eine erste Klemmvorrichtung (5) und der zweiten Meßschneide (4) ist eine zweite, von der ersten unabhängig wirksame Klemmvorrichtung (6) zugeordnet;
    3. f) sowohl der Tragschenkel (1) als auch der Meßschenkel (2) sind an den mit Meßschneiden (3, 4) bestückten Enden jeweils mit einem Ausleger (10, 11) versehen, der mit zwei Führungsschienen (12) eine mechanisch stabile Verbindung zu den jeweils zugehörigen Klemmteilen der Klemmvorrichtungen (5, 6) herstellt;
    4. g) zwischen den Führungsschienen (12) befindet sich eine entlang der Schienen (12) bewegliche Positionstraverse (13), die auf der der Meßschneide (3, 4) zugewandten Seite einen mit einer Andrückfeder (14) versehenen Klemmkopf (15) aufweist, der mit seinem Schaft (16) in einer Bohrung (17) der Positionstraverse (13) gleitend gelagert ist und dessen Verschiebung als Meßgröße (27) zur reproduzierbaren Einstellung der Klemmkraft dient;
    5. h) auf der, der Meßschneide (3, 4) abgewandten Seite der Positionstraverse (13) ist über auswechselbare Distanzhülsen (18) ein Druckaufnehmer (19) befestigt;
    6. i) die Führungsschienen (12) sind mit Aussparungen (20) versehen, in die eine Traverse (21) mit den als Widerlager (22) ausgebildeten Enden eingehängt ist;
    7. j) eine Spindel (23) zur Klemmkrafteinstellung ist mit ihrem Spindelkopf (24) in einer Bohrung (25) des Druckaufnehmers (19) drehbar gelagert und über ein Gewinde (26) mit der Traverse (21) verbunden;
  3. 2. Tieftemperaturwegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmkopf (15) auswechselbar ist.
  4. 3. Tieftemperaturwegaufnehmer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückfeder (14) aus Kupfer-Beryllium besteht.
  5. 4. Tieftemperaturwegaufnehmer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfeder (8) aus Ti-6Al-4V besteht.






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