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Dokumentenidentifikation DE10063262B4 28.10.2004
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe
Anmelder MAN Technologie AG, 86153 Augsburg, DE
Erfinder Lampl, Johann, 85250 Altomünster, DE
Vertreter Dr. Werner Geyer, Klaus Fehners & Partner GbR, 80687 München
DE-Anmeldedatum 19.12.2000
DE-Aktenzeichen 10063262
Offenlegungstag 04.07.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.2004
IPC-Hauptklasse G01N 25/72
IPC-Nebenklasse G01N 27/02   G01K 7/16   B01L 7/00   G05D 23/24   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur, mit einer Abkühleinrichtung zum Abkühlen der Probe auf die vorbestimmte Temperatur und einer einen Probenaufnahmebereich aufweisenden Meßeinrichtung zum Messen der Eigenschaft der Probe. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur.

Die Messung einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur wird beispielsweise bei Materialuntersuchungen von Materialien für die Raumfahrt benötigt, da diese Materialien im praktischen Einsatz tiefen Temperaturen ausgesetzt werden.

Solche Untersuchungen werden herkömmlicherweise in Bad- oder Verdampferkryostaten durchgeführt, wobei bevorzugt flüssiges Helium als Kühlmittel eingesetzt wird. Bei solchen Kryostaten ist die Abdichtung des Probenraums sehr wichtig, was zu einem aufwendigen und damit auch zeitintensiven Ein- und Ausbau der Probe führt.

Bei Badkryostaten, die mit flüssigem Helium arbeiten, müssen alle im Helium-Bad befindlichen Teile abgekühlt werden, was insbesondere aufgrund der geringen Wärmekapazität von flüssigem Helium sehr aufwendig ist.

Auch bei den Verdampferkryostaten ist ein hoher Zeitaufwand notwendig, um die gewünschte Probentemperatur, die bei Verdampferkryostaten frei einstellbar ist, zu erreichen.

Die US 4,762,424 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur, mit einer Abkühleinrichtung zum Abkühlen der Probe auf die vorbestimmte Temperatur und einer einen Probenaufnahmebereich aufweisenden Meßeinrichtung zum Messen der Eigenschaft der Probe. Die Meßeinrichtung umfaßt ein Probenrohr, in dem die Probe sitzt, wobei das Probenrohr innerhalb der Probenkammer angeordnet ist. Der Probenkammer ist ein gasförmiges Wärmeübertragungsmedium zugeführt, wobei die Abkühlung der Probe mittels Wärmeleitung über das Wärmeübertragungsmedium hin zur Probe bewirkt wird.

Die DE 197 25 612 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen von mehrachsigen, instationären Spannungszuständen in einer rohrförmigen Werkstoffprobe, wobei die Innenseite der rohrförmigen Werkstoffprobe mittels Prallkühlung abgekühlt und die Außenseite mittels Hochleistungs-Infrarot-Heizvorrichtungen erwärmt wird.

Die DE 197 00 862 A1 beschreibt eine Einrichtung zum Messen der Abkühlwirksamkeit eines Abschreckmittels, wobei unter dem Abschrecken verstanden wird, daß ein erhitztes Teil in ein Abschreckmittel (beispielsweise Öl oder Wasser), das die gewünschte Temperatur aufweist, untergetaucht wird.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannte Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur so zu verbessern, daß die Messung der Probeneigenschaft leicht und schnell möglich ist. Zudem soll ein Verfahren zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur so verbessert werden, daß die Messung der Eigenschaft leicht und schnell durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß die Abkühleinrichtung eine vom Probenaufnahmebereich beabstandete Beaufschlagungseinrichtung enthält, mit der auf eine im Probenaufnahmebereich angeordnete Probe Kühlmittel aufbringbar ist, wobei zum Aufbringen des Kühlmittels auf die Probe mindestens ein Kühlmittelstrahl aus der Beaufschlagungseinrichtung direkt auf die im Probenaufnahmebereich angeordnete Probe gerichtet ist. Dadurch trifft das Kühlmittel direkt auf die abzukühlende Probe, wodurch sehr gezielt nur das abgekühlt wird, was unbedingt abgekühlt werden muß, nämlich die Probe selbst. Durch dieses gezielte Abkühlen von nur der Probe wird ein sehr schnelles und effizientes Abkühlen möglich. Wenn als Kühlmittel eine Flüssigkeit verwendet wird, wie z. B. flüssiges Helium, ist die Abkühlung der Probe aufgrund des hohen Wärmeübergangs zwischen der Flüssigkeit und der Probe schnell möglich. Da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Probe schnell und zuverlässig abgekühlt werden kann, ist insgesamt eine schnelle Messung möglich. Dies führt zu geringen Prüfzeiten, wodurch auch insbesondere ein hoher Probendurchsatz verwirklichbar ist. Ferner führen die geringen Prüfzeiten auch zu geringen Prüfkosten.

In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein eine Kammer bildendes Gehäuse vorgesehen, in dem der Probenaufnahmebereich liegt und die Beaufschlagungseinrichtung angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß das Kühlmittel, auch nachdem es auf die Probe getroffen ist, noch im näheren Bereich um die Probe verbleibt, wodurch auch der Kühlmittelverbrauch verringert werden kann. Wenn als Kühlmittel eine Flüssigkeit, insbesondere flüssiges Helium verwendet wird, führt das dazu, daß das flüssige. Helium, das an der Probe verdampft, im gasförmigen Zustand in der Kammer verbleibt, wobei es zu Verwirbelungen und dadurch zu einem zusätzlichen Umströmen der Probe mit dem gasförmigen Helium kommt. Dies trägt auch zu einem schnellen Abkühlen der Probe bei. Ferner dient das Gehäuse auch noch zur thermischen Isolierung der Kammer gegenüber der Umgebung, wodurch das Abkühlen effizienter wird. Das Gehäuse kann, muß aber nicht, abgedichtet sein. Insbesondere kann es auch relativ einfach aufgebaut sein, beispielsweise durch Blechteile und/oder Isolierschaumstoffe. Dadurch ist die Herstellung des Gehäuses preisgünstig und einfach möglich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Meßeinrichtung eine Einspannvorrichtung umfaßt, die zumindest teilweise in der Kammer angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß die Einspannvorrichtung auch auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt werden kann, so daß die Probe über ihre gesamte Länge die vorbestimmte Temperatur aufweist. Dies trägt vorteilhaft zu reproduzierbaren und aussagekräftigen Meßergebnissen bei.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die Beaufschlagungseinrichtung ein Rohr, das zum Abgeben des Kühlmittels mehrere, voneinander beabstandete Bohrungen aufweist, die sich quer zur Längsrichtung des Rohrs erstrecken. Alternativ kann das Rohr auch eine oder mehrere schlitzförmige Auslaßöffnungen aufweisen. Solche Rohre sind einfach und kostengünstig herzustellen und stellen dabei ein gleichmäßiges Abkühlen der Probe sicher, da aufgrund der Bohrungen bzw. des oder der Schlitze mindestens ein Kühlmittelstrahl erzeugt werden kann, der auf die Probe trifft. Das Rohr wird bei stangenähnlichen bzw. länglichen Proben, die untersucht werden sollen, bevorzugt parallel zu diesen Proben angeordnet, so daß diese Proben über ihre gesamte Länge gleichmäßig abgekühlt werden können.

Es können auch mehr als ein Rohr vorgesehen werden. Wenn beispielsweise die Probe zwischen zwei Rohren angeordnet ist, kann ein schnelleres Abkühlen erreicht werden. Die Form und Anordnung der jeweiligen Beaufschlagungseinrichtung hängt dabei im wesentlichen von der Form der zu untersuchenden Probe ab. Wesentlich ist dabei jedoch immer, daß das aus der Auslaßöffnung austretende Kühlmittel direkt auf die abzukühlende Probe trifft. Durch dieses direkte Abkühlen der Probe kann mit relativ wenig Kühlmittel ein sehr effizientes Abkühlen der Probe verwirklicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, daß die Abkühleinrichtung eine Vorrichtung zum Feststellen, ob die Probe auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt wurde, aufweist, die einen Temperaturfühler, der ein Trägerplättchen und einen darauf befestigten Dehnungsmeßstreifen enthält, und eine mit dem Temperaturfühler verbundene Auswerteeinrichtung umfaßt, die eine Aufnahmeschaltung zum Messen des Widerstandswertes des Dehnungsmeßstreifens und eine Einrichtung zum Feststellen, ob der gemessene Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens mit einem Referenzwiderstandswert übereinstimmt, den der Dehnungsmeßstreifen aufweist, wenn die Temperatur des Trägerplättchens der vorbestimmten Temperatur entspricht, aufweist. Dadurch ist es möglich, in einfacher Art und Weise festzustellen, wann die Probe auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt wurde, so daß direkt danach mit der Messung begonnen werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß der Temperaturfühler aus kostengünstigen und zuverlässigen Komponenten aufgebaut ist und somit zuverlässig das Erreichen der Probentemperatur feststellen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Dehnungsmeßstreifen mit einer thermisch isolierenden Abdeckung versehen. Damit wird gewährleistet, daß der Dehnungsmeßstreifen nicht direkt mit dem Kühlmittel beaufschlagt wird. Der Dehnungsmeßstreifen mißt also lediglich die Ausdehnung des Trägerplättchens, das beim Abkühlen der Probe in wärmeleitendem Kontakt mit der Probe steht. Dieser wärmeleitende Kontakt wird bevorzugt mittels einer Wärmeleitpaste hergestellt. Die Abdeckung kann so ausgebildet werden, daß auch die Bereiche und Seiten des Trägerplättchens abgedeckt und damit thermisch isoliert sind, die beim Feststellen der vorbestimmten Probentemperatur nicht in wärmeleitendem Kontakt mit der Probe stehen. Damit werden Umgebungseinflüsse beim Einstellen der vorbestimmten Probentemperatur ausgeschlossen, so daß sicher und zuverlässig die vorbestimmte Probentemperatur erkannt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, daß das Trägerplättchen aus einem Material gebildet ist, das eine möglichst große Längenänderung bei Temperaturen im Bereich der vorbestimmten Temperatur zeigt. Dieses Material kann Metall sein, wie beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Damit wird das Feststellen der vorbestimmten Probentemperatur leichter, da die Signaländerung im Bereich der vorbestimmten Temperatur relativ groß ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen einer Eigenschaft einer Probe bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur wird die Probe durch Anströmen mit einem Kühlmittel auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt und nach Erreichen der vorbestimmten Temperatur wird die Eigenschaft der Probe gemessen, wobei das Kühlmittel als mindestens ein Kühlmittelstrahl direkt auf die Probe gerichtet ist. Durch das Anströmen der Probe wird die Probe effektiv abgekühlt, da im wesentlichen die Probe und sonst keine weiteren Teile abgekühlt werden und da laufend neues Kühlmittel, das noch nicht mit der Probe in Kontakt stand, auf die Probe trifft. Die Probe wird somit beim Abkühlen kontinuierlich mit Kühlmittel beaufschlagt. Dies führt zu einem schnellen Abkühlen, und damit wird auch das Messen der Eigenschaft der Probe schneller möglich, wodurch sich die Kosten für die Messung verringern und der Probendurchsatz erhöht werden kann. Der Kühlmittelstrahl kann bevorzugt ein kontinuierlicher oder ein diskontinuierlicher Strahl sein. Durch das direkte Richten des Kühlmittelstrahls auf die Probe wird ein sehr schnelles Abkühlen der Probe erzielt

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, daß die Probe auch während der Messung der Eigenschaft der Probe mit Kühlmittel angeströmt wird. Dadurch wird die Probe auch während der Messung sicher auf der vorbestimmten Temperatur gehalten, wodurch zuverlässige und reproduzierbare Meßergebnisse erhalten werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dabei der Kühlmittelstrom im Vergleich zu dem während des Abkühlens verringert wird, da dadurch einerseits der Kühlmittelverbrauch verringert werden kann, was zu einer Kostensenkung führt. Andererseits wird gleichzeitig sichergestellt, daß die Probe auf der vorbestimmten Temperatur gehalten wird, da die notwendige Kühlleistung während der Messung sehr viel geringer ist als während des Abkühlens der Probe. Dies ist darin begründet, daß während der Messung nur noch eine mögliche Erwärmung der Probe verhindert werden muß und kein Abkühlen von der Raumtemperatur auf die tiefe Temperatur, die bei flüssigem Helium als Kühlmittel bei ungefähr 4 K liegt, erfolgen muß.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Kühlmittel eine Flüssigkeit, insbesondere flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff – etwa zum Vorkühlen – verwendet, mit der die Probe angespritzt wird. Anstelle von flüssigem Helium kann bei ähnlichen Temperaturen auch flüssiger Wasserstoff, anstelle von flüssigem Stickstoff auch Sauerstoff verwendet werden, jedoch wäre wegen der Gefährlichkeit von Wasserstoff und Sauerstoff ein hoher Sicherheitsaufwand nötig, der für Helium und Stickstoff entfallen kann. Die Verwendung einer Flüssigkeit und insbesondere die Verwendung von flüssigem Helium führt aufgrund des hohen Wärmeübergangs zwischen der Flüssigkeit und der Probe zu einem schnellen Abkühlen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Kühlmittel mit einer der vorbestimmten Temperatur entsprechenden Temperatur auf die Probe gerichtet wird. Dadurch ist keine komplizierte Steuerung des Abkühlens notwendig, da die Probe lediglich lang genug mit dem Kühlmittel beaufschlagt werden muß. Somit ist das Verfahren besonders einfach.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft noch dadurch weitergebildet werden, daß festgestellt wird, ob die Probe auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist. Dazu wird bevorzugt ein Trägerplättchen, auf dem ein Dehnungsmeßstreifen befestigt ist, in wärmeleitenden Kontakt mit der Probe gebracht, der Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens gemessen und festgestellt, ob der gemessene Widerstand des Dehnungsmeßstreifens mit einem Referenzwiderstandswert übereinstimmt, den der Dehnungsmeßstreifen aufweist, wenn die Temperatur des Trägerplättchens die vorbestimmte Temperatur ist. Dadurch kann die temperaturbedingte Längenänderung des Trägerplättchens, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Probe steht, und somit die gleiche Temperatur wie die Probe aufweist, über den Dehnungsmeßstreifen gemessen werden. Solche Dehnungsmeßstreifen, die insbesondere bei tiefen Temperaturen geeignet sind, sind kostengünstige und zuverlässige Bauelemente, so daß das Verfahren insgesamt zuverlässig ist und in einfacher Art und Weise durchgeführt werden kann. Da die Temperatur der Probe selbst gemessen wird, und nicht etwa die Temperatur in der näheren Umgebung der Probe, kann auch schnell und zuverlässig das Erreichen der vorbestimmten Temperatur beim Abkühlen der Probe ermittelt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Ermittlung des Referenzwiderstandswerts das Trägerplättchen mit dem Dehnungsmeßstreifen vor dem Inkontaktbringen mit der Probe auf die vorbestimmte Temperatur gebracht und bei deren Erreichen wird der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens gemessen. Durch diese Schritte kann der Referenzwiderstandswert leicht und einfach ermittelt werden.

Weiterhin kann beim erfindungsgemäßen Verfahren in einer vorteilhaften Weiterbildung das Trägerplättchen mit seiner dem Dehnungsmeßstreifen abgewandten Seite in wärmeleitenden Kontakt mit der Probe gebracht werden. Dadurch weist das Trägerplättchen immer exakt die Temperatur der Probe auf, wodurch das Erreichen der vorbestimmten Temperatur sicher und genau ermittelt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet werden, daß die Kontaktierung des Trägerplättchens an der Probe mittels eines Reibsitzes erfolgt. Dieser Reibsitz ist bevorzugt so ausgebildet, daß sich bei senkrechter Probenposition das seitlich an der Probe befestigte Trägerplättchen mit dem Dehnungsmeßstreifen aufgrund der Schwerkraft nicht relativ zur Probe nach unten bewegt. Der Reibsitz dient vielmehr dazu, daß eine Abmessungsänderung der Probe, wie sie z. B. bei einem Zug- oder Zerreißversuch an der Probe auftritt, zu keiner Abmessungsänderung des Trägerplättchens führt, da dieses quasi auf der Probe gleitet. Aber auch die beim Abkühlen der Probe bedingten Abmessungsänderungen der Probe werden nicht auf das Trägerplättchen übertragen, so daß man immer nur die temperaturbedingte Längenänderung des Trägerplättchens mißt, wodurch eine sichere und genaue Feststellung der vorbestimmten Temperatur erreicht wird.

Besonders vorteilhaft kann dieser Reibsitz (bzw. Gleitsitz) durch eine Wärmeleitpaste zwischen Trägerplättchen und Probe verwirklicht werden. Die Wärmeleitpaste stellt einerseits einen sehr gut wärmeleitenden Kontakt sicher. Andererseits wird auch der gleitende Kontakt des Trägerplättchens an der Probe gewährleistet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Dehnungsmeßstreifen mittels eines heißhärtenden Zweikomponenten-Epoxidharzklebers auf dem Trägerplättchen befestigt. Dadurch wird eine dauerhafte Fixierung des Dehnungsmeßstreifens auf dem Trägerplättchen gewährleistet, wodurch jede temperaturbedingte Längenänderung des Trägerplättchens genau durch den Dehnungsmeßstreifen auch in einer Vielzahl von Versuchen erfaßt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens durch eine Brückenschaltung, insbesondere eine Wheatstonesche Brückenschaltung, gemessen wird. Durch dieses Meßverfahren ist eine einfache und genaue Messung des Widerstandes des Dehnungsmeßstreifens und somit auch ein sicheres Feststellen, ob die Probe die vorbestimmte Temperatur aufweist, möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann besonders vorteilhaft noch dadurch weitergebildet werden, daß ein weiterer Dehnungsmeßstreifen direkt an der Probe befestigt wird, wobei der Widerstand des weiteren Dehnungsmeßstreifens laufend während dem Abkühlen der Probe gemessen und festgestellt wird, ob sich der gemessene Widerstand des weiteren Dehnungsmeßstreifens über eine vorbestimmte Zeitdauer nicht mehr ändert. Mit diesem weiteren Dehnungsmeßstreifen ist eine einfache Feststellung der vorbestimmten Temperatur möglich, da keine Kablibrierung notwendig ist. Es wird lediglich gemessen, wann sich die Länge der Probe und somit auch die Länge des weiteren Dehnungsmeßstreifens beim Abkühlen nicht mehr ändert. Wenn dies der Fall ist, kann davon ausgegangen werden, daß die Probe auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieser weitere Dehnungsmeßstreifen mittels eines heißhärtenden Zweikomponenten-Epoxidharzklebers an der Probe befestigt. Damit kann dieser Dehnungsmeßstreifen, nachdem die Probe die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, auch als Dehnungsmeßstreifen zur Messung der Längenänderung der Probe während eines Versuches zur Bestimmung von Materialeigenschaften (z. B. Zugversuch) bei der vorbestimmten Temperatur eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Zeichnung im Prinzip beispielhalber noch näher erläutert.

In der Figur ist schematisch eine Vorrichtung zum Bestimmen von Festigkeitswerten von Materialien bei tiefen Temperaturen gezeigt. Die Vorrichtung umfaßt ein eine Wirbelkammer 1 bildendes Gehäuse, in der die zu untersuchende Probe 2, die hier stangenförmig und mit ihren beiden Enden durch zwei Einspannteile 3 und 4 eingespannt ist, angeordnet ist. Weiterhin ist in der Wirbelkammer 1 ein Ausblasrohr 5 vorgesehen, das bevorzugt im wesentlichen parallel zur Probe 2 positioniert ist und zumindest die Länge der Probe 2 aufweist. Das Ausblasrohr 5 ist über eine superisolierte Transferleitung 6 mit einem außerhalb der Wirbelkammer 1 angeordneten Behälter 7 verbunden. Der Behälter 7 enthält flüssiges Helium mit einem leichten Überdruck von beispielsweise 0,7 bar. Die Transferleitung 6 weist noch ein Absperrventil 8 auf, mit dem die Verbindung zwischen dem Ausblasrohr 5 und dem Behälter 7 unterbrochen werden kann.

Das Ausblasrohr 5 ist in dieser Ausführungsform aus Messing gebildet und weist eine Mehrzahl von voneinander beabstandeten Querbohrungen 9 auf, die dem eingespannten Werkstück 2 zugewandt sind.

Um das Gehäuse der Wirbelkammer 1 ist eine Kunststoffhaube 10 angeordnet, wobei zwischen dem Gehäuse und der Kunststoffhaube 10 Isoliermaterial vorgesehen ist, wie z. B. Isolierwatte 11. Diese kann aus Aluminumoxid gebildet sein.

An der Probe 2 ist ein Temperaturfühler 12 angebracht, der ein aus Aluminium gebildetes Trägerplättchen 13 und einen darauf befestigten Dehnungsmeßstreifen 14 aufweist. Um eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Dehnungsmeßstreifen 14 und dem Trägerplättchen 13 zu gewährleisten, ist der Dehnungsmeßstreifen 14 mit einem heißhärtenden Zweikomponenten-Epoxidharzkleber auf dem Trägerplättchen 13 befestigt. Bevorzugt weist der Temperaturfühler 12 noch eine thermisch isolierende Abdeckung 15 auf, mit der die dem Trägerplättchen 13 abgewandte Seite des Dehnungsmeßstreifens 14 bedeckt ist.

Das Trägerplättchen 13 steht mit seiner dem Dehnungsmeßstreifen 14 abgewandten Seite, bevorzugt mit der gesamten Seite, in wärmeleitendem Kontakt mit der Probe 2. Durch diesen Kontakt kann eine Wärmeübertragung zwischen der Probe 2 und dem Trägerplättchen 13 stattfinden, so daß beide immer die gleiche Temperatur aufweisen. Dieser Kontakt kann bevorzugt mittels einer geeigneten Wärmeleitpaste gebildet werden.

Die mit der Probe 2 in Kontakt stehende Seite des Trägerplättchens 13 weist bevorzugt eine an die Probe 2 angepaßte Form auf. So ist beispielsweise bei einer Flachprobe diese Seite des Trägerplättchens 13 eben, bei einer Rundprobe ist diese Seite des Trägerplättchens 13 oder auch das gesamte Trägerplättchen 13 entsprechend gekrümmt.

Der Temperaturfühler 12 wird bevorzugt so an der Probe 2 angebracht, daß er durch die Probe 2 selbst gegenüber dem Ausblasrohr 5 abgeschirmt ist, d. h. die Probe 2 liegt zwischen dem Temperaturfühler 12 und dem Ausblasrohr 5. Somit wird verhindert, daß das aus dem Ausblasrohr ausströmende flüssige Helium (wie später noch im Detail beschrieben wird) direkt auf den Temperaturfühler 12 trifft.

An dem Dehnungsmeßstreifen 14 sind teflonisierte Kabel 16, 17 angebracht, die den Dehnungsmeßstreifen 14 mit einer außerhalb der Wirbelkammer 1 vorgesehenen Auswerteeinrichtung 18 verbinden. Die Kontaktstellen (Lötpunkte) der Kabel 16, 17 auf dem Dehnungsmeßstreifen 14 sind mit Silikonkautschuk überzogen, wodurch einerseits ein Schutz gegen mechanische Beschädigung erreicht wird und andererseits die Befestigung der Kabel 16, 17 an dem Dehnungsmeßstreifen 14 verbessert ist.

Bei dem hier verwendeten Dehnungsmeßstreifen 14 handelt es sich um einen herkömmlichen Kryo-Dehnungsmeßstreifen, also einen Dehnungsmeßstreifen, der für tiefe Temperaturen geeignet ist. Dieser Dehnungsmeßstreifen kann z. B. auf Stahl angepaßt sein, d. h., daß dieser Dehnungsmeßstreifen die gleiche temperaturbedingte Längenänderung wie Stahl durchläuft. Da jedoch der Dehnungsmeßstreifen 14 auf dem Trägerplättchen 13 aus Aluminium aufgebracht ist, kann mit ihm die temperaturbedingte Längenänderung des Aluminium-Trägerplättchens 13 erfaßt werden.

Für die Temperaturmessung ist ein hochohmiger Dehnungsmeßstreifen besonders bevorzugt, da dieser bei der Messung selbst möglichst wenig Wärme erzeugt, die nachteilig die Messung oder die Abkühlung der Probe 2 beeinflussen könnte.

Die Auswerteeinrichtung 18 enthält einen Meßabschnitt, der den Widerstand des Dehnungsmeßstreifens 14 mißt. Der Meßabschnitt kann zusammen mit dem Dehnungsmeßstreifen eine Brückenschaltung, insbesondere eine Wheatstonesche Brückenschaltung bilden. Ferner enthält die Auswerteeinrichtung 18 einen Vergleichsabschnitt, der den durch den Meßabschnitt gemessenen Widerstand mit einem vorbestimmten Wert vergleicht, und einen Ausgabeabschnitt, der, wenn der Vergleichsabschnitt eine Übereinstimmung ermittelt, ein vorbestimmtes Signal ausgibt.

Ferner ist an der Probe 2 noch ein weiterer Dehnungsmeßstreifen 19 angebracht, wobei dieser Dehnungsmeßstreifen 19 nicht auf einem Trägerplättchen, sondern direkt an der Probe 2 befestigt ist und die Längenänderung der Probe 2 bei der durchzuführenden Festigkeitsprüfung mißt. Dieser weitere Dehnungsmeßstreifen 19 ist bevorzugt mit einem heißhärtenden Zweikomponenten-Epoxidharzkleber an der Probe 2 befestigt und ist über Kabel 20, 21 mit der Auswerteeinrichtung 18 verbunden, die auch den Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens 19 messen (z. B. mittels einer Brückenschaltung) und auswerten kann. Die Kontaktierung der Kabel 20, 21 an dem weiteren Dehnungsmeßstreifen 19 kann in gleicher Art und Weise wie bei dem Dehnungsmeßstreifen 14 durchgeführt werden.

Ein Zugversuch mit der in der Figur gezeigten Vorrichtung zur Bestimmung von Festigkeitswerten der Probe 2 wird wie folgt durchgeführt:

Zuerst wird, wenn dies noch nicht erfolgt ist, der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens 14 bei der vorbestimmten Temperatur (hier die Temperatur von flüssigem Helium) dadurch bestimmt, daß der Temperaturfühler 12, bevor er an der Probe 2 befestigt wird, in flüssiges Helium, bevorzugt in das im Behälter 7, eingetaucht und dann der Widerstand gemessen wird.

Vor dem Probeneinbau wird der weitere Dehnungsmeßstreifen 19 an der Probe 2 befestigt. Dann wird der Temperaturfühler 12 mittels der Wärmeleitpaste an der Probe 2 befestigt, wobei der Temperaturfühler 12 auch noch durch ein Klebeband, das um den an der Probe 2 befestigten Temperaturfühler 12 und die Probe 2 gewickelt wird, zusätzlich fixiert werden kann. Das Klebeband dient dabei auch zum thermischen Isolieren des Dehnungsmeßstreifens 14.

Danach wird die Probe 2 mit den Einspannteilen 3 und 4 eingespannt und in der Wirbelkammer 1 angeordnet.

Dann wird das Absperrventil 8 geöffnet, so daß aufgrund des Überdrucks im Behälter 7 das flüssige Helium über die superisolierte Transferleitung 6 zum Ausblasrohr 5 strömt und dort durch die Querbohrungen 9 austritt (als Kühlmittelstrahlen) und auf die Probe 2 trifft. Da die Probe 2 eine höhere Temperatur (am Anfang Zimmertemperatur) als das flüssige Helium aufweist, verdampft das flüssige Helium an der Probe und entzieht der Probe 2 Wärme. Das dabei gebildete Heliumgas verbleibt zum großen Teil (in Abhängigkeit von der Dichtheit der Wirbelkammer 1) in der Wirbelkammer 1 und umströmt weiterhin die Probe 2 und auch die Einspannteile 3, 4, so daß einerseits die Probe 2 effektiv abgekühlt wird und andererseits auch die Einspannteile 3, 4 zumindest durch das gasförmige Helium abgekühlt werden, wenn sie nicht direkt mit dem flüssigen Helium beaufschlagt werden. Durch diesen Vorgang wird die Probe 2 kontinuierlich abgekühlt, bis sie die Temperatur des flüssigen Heliums aufweist. Da das Trägerplättchen 13 wärmeleitend mit der Probe 2 kontaktiert ist, wird das Trägerplättchen 13 immer die Temperatur der Probe 2 aufweisen und ändert seine Länge aufgrund der Temperaturänderung. Diese Längenänderung wird über den Dehnungsmeßstreifen 14 und die Auswerteeinrichtung 18 erfaßt und ausgewertet. Wenn die Temperatur der Probe 2 und somit die Temperatur des Trägerplättchens 13 der Temperatur des flüssigen Heliums entspricht, wird in dem Vergleichsabschnitt der Auswerteeinrichtung 18 die Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Widerstand des Dehnungsmeßstreifens und dem vorbestimmten Vergleichswert festgestellt und der Ausgabeabschnitt gibt als Reaktion darauf das vorbestimmte Signal aus, das anzeigt, daß die Probe 2 die vorbestimmte Temperatur erreicht hat.

Gleichzeitig wird auch der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens 19 gemessen und ausgewertet, der sich während des Abkühlens der Probe 2 kontinuierlich ändert. Sobald die Probe 2 die Temperatur des flüssigen Heliums erreicht hat und sich die Proben-Temperatur nicht mehr ändert, ändert sich der Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens 19 auch nicht mehr. Somit kann der Dehnungsmeßstreifen 19 beim Abkühlen auch zum Feststellen der vorbestimmten Temperatur eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man noch zusätzlich kontrolliert, ob sich der Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens 19 auch dann nicht ändert, wenn man den Volumenstrom des Kühlmittels variiert, z. B. deutlich erhöht.

Nachdem durch beide Dehnungsmeßstreifen 14 und 19 festgestellt wurde, daß die Probe 2 die vorbestimmte Temperatur erreicht hat, wird der Zugversuch in bekannter Art und Weise durchgeführt, wobei der Dehnungsmeßstreifen 19 jetzt zur Messung der Längenänderung der Probe 2 während des Zugversuches dient und nicht mehr als Temperaturmeßfühler eingesetzt werden kann. Der Dehnungsmeßstreifen 14 ist, wie oben beschrieben wurde, über das Trägerplättchen 13 an der Probe 2 befestigt und kann somit auch während des Zugversuches als Temperaturfühler eingesetzt werden, da aufgrund der Kontaktierung des Trägerplättchens 13 mittels der Wärmeleitpaste die Längenänderung der Probe 2 zu keiner Längenänderung des Trägerplättchens führt, sondern das Trägerplättchen in gewisser Art und Weise auf der Probe 2 gleitet. Somit kann der Temperaturfühler 12 auch während des Zugversuches dazu eingesetzt werden festzustellen, ob die Probe 2 noch die vorbestimmte Temperatur aufweist.

Nach dem Ende des Zugversuches wird das Absperrventil 8 geschlossen, so daß keine weitere Kühlung erfolgt. Danach wird die Probe 2 ausgebaut und ggf. noch untersucht.

Besonders vorteilhaft bei diesem Verfahren ist es, daß man nicht in einem Bad aus flüssigem Helium arbeiten muß, sondern daß nur die Probe 2 selbst und die Einspannteile 3 und 4 gekühlt werden müssen. Dies führt dazu, daß die Zeit vom Einbau des Werkstücks 2 in die Wirbelkammer 1 bis zum Beginn des Zugversuches gegenüber einer Vorrichtung, bei der das Werkstück in einem Bad aus flüssigem Helium ist, deutlich verkürzt werden kann.

Die Verwendung von flüssigem Helium ist besonders vorteilhaft, da dieses relativ leicht handhabbar ist und eine schnelle Abkühlung der Probe 2 aufgrund des hohen Wärmeübergangs zwischen dem flüssigen Helium und der Probe 2 erreicht werden kann. Es kann jedoch auch jede andere Flüssigkeit mit geeigneter Temperatur verwendet werden, wie z. B. flüssiger Stickstoff oder unter besonderen Sicherheitsanforderungen auch flüssiger Wasserstoff oder flüssiger Sauerstoff.

Es können auch Gase mit gewünschter Temperatur verwendet werden, wobei dabei jedoch die Kühlleistung geringer als bei Flüssigkeiten sein kann.

Vorteilhaft ist die Wirbelkammer 1 mit der eingebauten Probe 2 und dem Ausblasrohr 5 so ausgebildet, daß sie als separate Einheit in eine Prüfmaschine, wie z. B. eine Zerreißmaschine, eingesetzt werden kann. Dazu müssen lediglich spezielle Verbindungsteile vorgesehen werden, um die Einspannteile 3 und 4 mit den entsprechenden Teilen der Prüfmaschine zu verbinden.

Nach Durchführung des Zugversuches kann diese Einheit aus der Prüfmaschine ausgebaut werden und eine weitere Einheit (Wirbelkammer mit eingebauter Probe und Ausblasrohr), die schon vorbereitet wurde, kann direkt anschließend in die Prüfmaschine eingebaut werden. Dadurch läßt sich der Probendurchsatz weiter erhöhen. Weiter ist es durch diese Ausbildung der Wirbelkammer als separate Einheit auch möglich, herkömmliche Prüfmaschinen zur Materialuntersuchung bei tiefen Temperaturen einzusetzen, da nur in der Wirbelkammer gekühlt wird, die in die Prüfmaschinen eingebaut werden kann.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Messen einer Eigenschaft einer Probe (2) bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur, mit einer Abkühleinrichtung (5, 6, ... 9) zum Abkühlen der Probe (2) auf die vorbestimmte Temperatur und einer einen Probenaufnahmebereich aufweisenden Meßeinrichtung (13, 14, ... 21) zum Messen der Eigenschaft der Probe (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühleinrichtung (5, 6, ... 9) eine vom Probenaufnahmebereich beabstandete Beaufschlagungseinrichtung (5) enthält, mit der auf eine im Probenaufnahmebereich angeordnete Probe (2) Kühlmittel aufbringbar ist, wobei zum Aufbringen des Kühlmittels auf die Probe (2) mindestens ein Kühlmittelstrahl aus der Beaufschlagungseinrichtung (5) direkt auf die im Probenaufnahmebereich angeordnete Probe (2) gerichtet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein eine Kammer bildendes Gehäuse (1) vorgesehen ist, in dem der Probenaufnahmebereich liegt und in dem die Beaufschlagungseinrichtung (5) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine Einspannvorrichtung (3, 4) umfaßt, die zumindest teilweise in der Kammer (1) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagungseinrichtung (5) ein Rohr umfaßt, das zum Abgeben des Kühlmittels mehrere voneinander beabstandete Bohrungen (9) aufweist, die sich quer zur Längsrichtung des Rohres erstrecken.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühleinrichtung eine Vorrichtung zum Feststellen, ob die Probe (2) auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist, enthält, die einen Temperaturfühler (12), der ein Trägerplättchen (13) und einen darauf befestigten Dehnungsmeßstreifen (14) zur Messung einer Längenänderung des Trägerplättchens (13) umfaßt, und eine mit dem Temperaturfühler (12) verbundene Auswertevorrichtung (18) aufweist, die eine Aufnahmeschaltung zum Messen des Widerstandswertes des Dehnungsmeßstreifens (14) und eine Einrichtung zum Feststellen, ob der gemessene Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens (14) mit einem Referenzwiderstandswert übereinstimmt, den der Dehnungsmeßstreifen (14) aufweist, wenn die Temperatur des Trägerplättchens (13) der vorbestimmten Temperatur entspricht, enthält.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungsmeßstreifen (14) auf einer dem Trägerplättchen (13) abgewandten Seite mit einer thermisch isolierenden Abdeckung (15) versehen ist.
  7. Verfahren zum Messen einer Eigenschaft einer Probe (2) bei einer vorbestimmten, tiefen Temperatur, wobei die Probe (2) durch Anströmen mit einem Kühlmittel auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt und nach deren Erreichen die Eigenschaft der abgekühlten Probe (2) gemessen wird, wobei das Kühlmittel als mindestens ein Kühlmittelstrahl direkt auf die Probe (2) gerichtet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Probe (2) auch während der Messung der Eigenschaft mit dem Kühlmittel angeströmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, insbesondere flüssiges Helium, flüssiger Wasserstoff oder flüssiger Sauerstoff.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Kühlmittel mit einer der vorbestimmten Temperatur entsprechenden Temperatur auf die Probe (2) gerichtet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem zur Feststellung, ob die Probe (2) auf die vorbestimmte Temperatur abgekühlt ist, ein Trägerplättchen (13), auf dem ein Dehnungsmeßstreifen (14) zur Messung einer Längenänderung des Trägerplättchens (13) befestigt ist, in wärmeleitenden Kontakt mit der Probe (2) gebracht wird, der Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens (14) gemessen und festgestellt wird, ob der gemessene Widerstandswert des Dehnungsmeßstreifens (14) mit einem Referenzwiderstandswert übereinstimmt, den der Dehnungsmeßstreifen (14) aufweist, wenn die Temperatur des Trägerplättchens (13) der vorbestimmten Temperatur entspricht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem zur Ermittlung des Referenzwiderstandswerts das Trägerplättchen (13) mit dem Dehnungsmeßstreifen (14) vor dem Inkontaktbringen mit der Probe (2) auf die vorbestimmte Temperatur gebracht und nach deren Erreichen der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens (14) gemessen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem zum Erreichen des wärmeleitenden Kontakts ein Reibsitz zwischen dem Trägerplättchen (13) und der Probe (2) gebildet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das Trägerplättchen (13) mit seiner dem Dehnungsmeßstreifen (14) abgewandten Seite in wärmeleitenden Kontakt mit der Probe (2) gebracht wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Trägerplättchen (13) mittels einer Wärmeleitpaste in Kontakt mit der Probe (2) gebracht wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem der Dehnungsmeßstreifen (14) mittels warmaushärtendem Epoxidkleber auf dem Trägerplättchen (13) befestigt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem der Widerstand des Dehnungsmeßstreifens (14) durch eine Brückenschaltung, insbesondere eine Wheatstonesche Brückenschaltung, gemessen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem ein weiterer Dehnungsmeßstreifen (19) direkt an der Probe (2) befestigt wird, der Widerstandswert des weiteren Dehnungsmeßstreifens (19) laufend während des Abkühlens der Probe (2) auf die vorbestimmte Temperatur gemessen und festgestellt wird, ob sich der gemessene Widerstandswert des weiteren Dehnungsmeßstreifens (19) über eine vorbestimmte Zeitdauer nicht ändert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der weitere Dehnungsmeßstreifen (19) mittels eines warmaushärtenden Epoxidklebers an der Probe (2) befestigt wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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