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ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN, Aktiengesellschaft, résidant à FRIEDRICHS-
HAFEN a.B. (Allemagne).
EXTENSOMETRE A CONTACTS.
Pour déterminer l'état de tensions et l'allure ou courbe des ef- forts auxquels sont soumis des éprouvettes et des éléments ou pièces de ma- chines, on emploie des procédés électriques de mesure des variations de lon- gueur. A cette fin, des fils de résistance électriques isolés sont reliés au corps à essayer ou éprouvette de telle manière qu'ils soient déformés avec l'éprouvette et que, de ce fait, leur résistance (ou, si l'on emploie des condensateurs, la capacité de ceux-ci soit modifiée proportionnellement au changement de forme ou déformation.
Il est connu aussi, pour déterminer des changements de charge statiques, de disposer sur l'éprouvette des contacts électriques qui sont ou- verts ou fermés par la déformation de l'éprouvette. Les extensomètres à ré- sistance ou à capacité, mentionnés en premier lieu, conviennent certes pour enregistrer des phénomènes de mise en charge dynamiques, mais ils ont l'in- convénient d'exiger des dispositifs amplificateurs compliqués, ce qui limite fortement leur emploi pour les mesures Industrielles.
La mesure sur des piè- ces en mouvement présente l'inconvénient supplémentaire que, lors de la pri- se du courant de l'éprouvette en mouvement, il se crée des résistances varia- bles de contact ou de passage qui faussent le courant de mesure faible par lui-même*
L'extensomètre à contacts a, par rapport à cela, l'avantage de ne pas exiger de dispositif amplificateur. Les réalisations connues jusqu'à présent sont cependant relativement encombrantes, de sorte qu'il n'est pas possible d'en placer ou loger un grand nombre en un point de mesure, ce qui est cependant nécessaire pour relever les allures ou variations de tensions dynamiques sur des éléments de construction.
La présente invention concerne un extensomètre à contacts de
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très faible encombrement et réunit les avantages précités de l'extensomètre à contacts avec ceux des extensomètres à résistance ou ohmiques.
Elle consiste en ce que, dans des extensomètres à contacts pour la détermination des états de tensions et des allures des efforts dans des éprouvettes et des éléments de machine sous l'effet d'une charge sta- tique ou dynamique dans la zone élastique, on emploie, comme éléments de contact électriques, des fils, des couches conductrices métalliques etc. qui présentent une ou plusieurs solutions de continuité ou coupures et sont fixés à 1'éprouvette, au besoin en étant isolés de cette dernière, de tel- le manière que les coupures s'ouvrent ou se ferment sous l'effet du change- ment de la charge de 1'éprouvette. Comme éléments de contact électriques, on peut employerpar exemple un ou plusieurs fils noyés dans des feuilles ou couches de vernis et interrompus en un point.
Les fils avec leurs coupures occupent peu de place et peuvent donc être disposés en grand nombre en un seul point de mesure. En étalonnant différemment les différentes coupures il est maintenant possible d'enregistrer une allure de tensions variable en fonction du temps, ne fût-ce que de manière discontinue ou par étages, par exemple avec un oscillographe à boucle et cela, selon l'invention, en réunissant plusieurs extensomètres à contacts très rapprochés les uns des autres, en employant des résistances de mesure dans un circuit de mesure, par exemple dans un montage en série. Ainsi, pour la facilité de fabrica- tion,les résistances de mesure peuvent être noyées avec les fils de con - tact dans la même feuille de vernis.
Le même effet qu'avec plusieurs éléments de contact constitués par des fils et réunis sur un petit espace est obtenu aussi par emploi d'une couche de poudre conductrice qui est disposée sur une couche isolante, par exemple sur une couche de vernis, et sur laquelle peut être déposée ensui- te galvaniquement une autre couche métallique. Afin de protéger la coupure ainsi étalonnée contre d'autres variations, elle est, selon l'invention, enfermée à l'abri de l'air, par exemple par collage de papier, de ruban isolant etc. autour de la coupure. Cet isolement peut aussi être effectué dans une atmosphère de gaz protecteur, par exemple dans de l'azote, afin d'exclure toute possibilité de corrosion par de l'air emprisonné.
La pro- tection contre la corrosion lors de l'étalonnage par application galvani- que d'un métal peut être obtenue par emploi d'un métal déposé, résistant à la corrosion, par exemple l'argent.
L'étalonnage d'une couche métallique mince déposée galvanique- ment sur une couche de poudre conductrice est permis selon l'invention grâce à ce que la fragilité de la couche conductrice est déterminée par variation de l'opération galvanique. Il se produit alors à la première mi- se en charge de la couche de contact terminée, à des étages de charge dé- terminés, des fissures à des distances déterminées et par conséquent un certain nombre de coupures. Les sections de la couche conductrice ainsi formées sont,conformément à la disposition décrite de plusieurs fils de contact,connectées dans un circuit de mesure. En service, les différentes coupures s'ouvrent lorsque se présentent les étages de charge correspon - dants fixés lors de l'étalonnage.
La couche conductrice peut aussi être dé- posée sur une éprouvette soumise à une prétension. Il est alors possible de mesurer des tensions de compression. Afin d'exclure des erreurs de mesure par suite de la dilatation thermique des éprouvettes et des éléments de con- tact, on choisit selon la présente invention une matière de contact dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est un peu supérieur ou égal à celui de la matière de l'éprouvette. On obtient ainsi qu'en cas de varia- tion de la température l'éprouvette et les éléments de contact se dilatent ou se contractent dans une mesure égale et que la largeur de l'intervalle de la coupure reste dans les limites nécessaires pour obtenir une précision de mesure suffisante.
Une autre mesure pour compenser les déformations par variation
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de la température consiste, selon l'invention,en ce que les fils de con- tact ont une forme en épingle à cheveux ou une forme similaire. De la sor- te également, on obtient que la largeur de la coupure devient indépendante des variations de la température.
Les fils de contact peuvent aussi être réalisés de manière à présenter deux branches, dont l'une est interrompue et sert de contact, tandis que l'autre branche est employée comme résistance en série.
Sur la planche de dessins:
La figure 1 représente une éprouvette en plan sur laquelle sont disposés des contacts, des résistances et des fils de connexion;
La figure 2, l'éprouvette en coupe longitudinale;
La figure 3, un fil de contact à équilibre ou compensation ther- mique; la figure $, le fil de contact avec résistance en série; la figure 5, un schéma de montage d'un dispositif de mesure avec oscillographe à boucle; la figure 6, la courbe temps-tension.
A la figure 1, 1 désigne une éprouvette qui, dans l'exemple re- présenté, subit une tension de flexion alternative. 2 à 8 sont des fils de contact avec leurs amenées de courant; ces fils de contact sont fixés sur la surface de l'éprouvette, dont ils sont isolés, et ces fils 2, 4, 6,8 sont des fils présentant des points de contact ou coupures 9, 10, 11,12 qui sont fermés en l'absence de tension. En revanche, 3, 5, 7 sont des fils de contact présentant des coupures 13, 14, 15 ouvertes en l'absence de ten- sion. Les premiers réagissent ou répondent aux tensions de traction; les derniers, aux tensions de compression. Le dessin n'est pas à l'échelle.
Pratiquement, les fils de contact peuvent être beaucoup plus rapprochés les uns des autres, afin que l'on puisse déterminer les tensions en un point de mesure délimité le plus étroitement possible. Entre les fils de contact, il est prévu des résistances en série 16, 17, 18, 19,20. En outre, à pro- ximité du point de mesure se trouvent les deux résistances de compensation thermique 23 et 24. Les résistances en série peuvent aussi être réalisées sous la forme de couches conductrices et être disposées au-dessus ou au- dessous des fils de contact.
La figure 2 représente une coupe longitudinale suivant la ligne A-B (figure 1) de l'éprouvette 1.,qui subit une sollicitation par flexion alternative. 2 est le fil de contact dont le contact 9 est fermé, qui est noyé dans la couche de vernis 21. La figure 3 représente un fil de contact 22 en épingle à cheveux avec une coupure 25 et les deux fils d'amenée 26 et 27. Lorsqu'un réchauffement d'une des branches, 28, se produit en ser- vice,il est compensé par la dilatation ou allongement total aussi grand des deux parties 29 et 30 de l'autre branche. La largeur de la coupure res- te donc la même à toute température de service du fil de contact. La figu- re 4 représente une forme similaire d'un fil de contact avec la coupure 31 et les deux fils d'amenée 32 et 33.
La largeur de l'intervalle 31 est, ici aussi, de grandeur constante quelle que soit la température. La branche 34 du fil de contact peut être calibrée et être employée comme résistance en dérivation. La figure 5 est un schéma de montage pour le point de mesure représenté aux figures 1 et 2, et dans les deux figures les mornes parties sont désignées par les marnes chiffres de référence. 9, 10, 11, 12 sont les contacts réagissant sous l'effet des tensions de traction; et 13, 14, 15, les contacts réagissant sous l'effet des tensions de compression. Les deux groupes sont montés en série avec une source de courant 35 et un oscillo- graphe à boucle 36, qui est représenté dans sa position neutre ou zéro.
Ce- ci correspond à l'état d'absence de tensions de l'éprouvette 1 (figure 1),
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Parallèlement aux contacts 10, 11, 12 se trouvent les résistan- ces 16, 17 et 18; parallèlement aux contacts 14, 15,les résistances 19 et 20. En outre, dans chacun des deux circuits de mesure se trouve une résis- tance de compensation thermique 23 et 24. La figure 6 représente une courbe temps-tension 37 en gradins enregistrée avec le dispositif de mesure décrit ci-avant. Les différentes valeurs-seuils de la tension mesurée sont marquées chacune sous le contact correspondant, qui répond à la valeur de tension considérée.
Au-dessus de l'axe horizontal du temps t se trouvent portées les tensions de compression (+); au-dessous de cet axe, les tensions de trac - tion (0),
Les différentes valeurs-seuils sont reliées entre elles par une courbe en trait interrompu 38, qui, il est vrai, ne représente l'allure réel- le des tensions que par points, mais se rapproche cependant d'autant plus de celle-ci que l'on peut disposer plus de contacts en un point de mesure. Le faible encombrement des éléments de contact selon l'invention permet donc un tracé très précis de courbes de tensions dynamiques au moyen d'un enregis- trement par points. Le fonctionnement du dispositif de mesure est le suivant: Dans l'état d'absence de tension représenté des fils de contact 2 à 8, la boucle 36 de l'oscillographe se trouve dans la position neutre.
A celle-ci correspond le point 0 de la courbe temps-tension 37.
Le circuit des contacts 9,10, 11,12 est parcouru par un cou- rant passant par l'oscillographe et dont l'intensité est déterminée par la résistance de l'instrument et la résistance de compensation 23 et qui est d'une intensité telle que l'instrument indique zéro.
Dès qu'une tension de flexion alternative est imprimée à l'é- prouvette 1, le point de mesure sur l'éprouvette subit, après un certain temps t, une déformation, par exemple un allongement qui est causé par la tension de traction 6(-) qui règne là.
Après un temps t1, cette tension de traction a atteint le seuil 6-, qui correspond à la tension d'étalonnage du contact 12. Alors le con- tact 12 s'ouvre et un courant de mesure passe par les contacts 9, 10 et 11, et les résistances 18 et 23, qui est plus faible que le courant nul. L'in- strument de mesure dévie donc vers la gauche. Au bout du temps t2 le seuil suivant (5 2 est atteint. Le contact 11 s'ouvre et le courant de mesure se réduit encore par l'adjonction de la résistance 17. La déviation de l'oscil- lographe 36 augmente encore jusqu'à ce que, finalement, une tension 64, qui correspond à la valeur d'étalonnage du contact 9, soit atteinte. Ce contact, et par conséquent le circuit de mesure pour les tensions de trac- tion, s'ouvre et l'instrument passe dans sa position (-) extrême.
L'indica- tion se fait en sens inverse lorsque la tension rétrograde vers zéro et prend des valeurs positives (compression). Après passage par les valeurs de tension 6 5 et 66, on atteint finalement, au bout du temps t7, la ten- sion de compression maximum 67, qui correspond à la valeur d'étalonnage du contact 15. Celui-ci se ferme et de ce fait tous les contacts 13, 14 et 15 sont fermés. Le courant de mesure passe uniquement par la résistance 24 et l'instrument indicateur 36, qui passe dans la position (+) extrême.
L'opération de mesure se déroule de la manière décrite ci-avant lorsque l'éprouvette 1 est à la température normale, c'est-à-dire la tem- pérature à laquelle a été effectué l'étalonnage des contacts. Si la tempé- rature de mesure diffère de la température d'étalonnage, si elle est par exemple supérieure à celle-ci d'une certaine quantité et si le coefficient de dilatation des fils de contact est plus grand que celui de la matière de l'éprouvette,\) les contacts ne réagissent pas à leurs valeurs d'étalonnage, mais à des valeurs de tension qui pour le coté de la traction sont trop éle- vées d'un montant constant, et pour le caté de la compression sont trop fai- bles du même montant.
Cette indication erronée est compensée par le fait que
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les résistances 23 et 24 consistent en une matière conductrice ayant un coefficient de température électrique positif. Ceci a pour effet que la ré- sistance des circuits de mesure augmente et que le courant de mesure est ré- duit dans une mesure déterminée. De ce fait, le point zéro de l'indication et tous les points de mesure se déplacent de la même quantité vers la gau- che. Au lieu de la courbe 37 (figure 6), c'est la courbe en trait interrom- pu 37' qui est enregistrée, laquelle correspond à l'allure réelle des ten- sions à la température de mesure considérée.
REVENDICATIONS.
1. Extensomètre à contacts pour déterminer les états de tensions et les allures des efforts auxquels sont soumis des éprouvettes et des élé- ments de machines pour une charge statique ou dynamique dans la zone élasti- que moyennant emploi de contacts électriques, qui sont fixés, au besoin en étant isolés, aux éprouvettes etc. de telle manière que, lorsque des déforma- tions se produisent, ces contacts ouvrent ou ferment un circuit électrique, caractérisé en ce que, comme éléments de contact on emploie des fils, des cou- ches métalliquement conductrices ou des moyens similaires qui présentent une ou plusieurs coupures, qui s'ouvrent ou se ferment sous l'effet d'un change- ment de la charge agissant sur l'éprouvette.
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ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN, Aktiengesellschaft, residing in FRIEDRICHS-
HAFEN a.B. (Germany).
CONTACT EXTENSOMETER.
In order to determine the state of tensions and the shape or curve of the forces to which test specimens and parts or parts of machines are subjected, electrical methods of measuring the variations in length are used. To this end, insulated electrical resistance wires are connected to the body to be tested or test piece in such a way that they are deformed with the test piece and, therefore, their resistance (or, if capacitors are used, the capacity of these is modified in proportion to the change in shape or deformation.
It is also known, in order to determine static load changes, to place electrical contacts on the test piece which are opened or closed by the deformation of the test piece. The resistance or capacitance extensometers mentioned in the first place are certainly suitable for recording dynamic loading phenomena, but they have the disadvantage of requiring complicated amplifying devices, which greatly limits their use for Industrial measures.
Measurements on moving parts have the additional drawback that, when the current is taken from the moving specimen, variable contact or flow resistances are created which distort the measuring current. weak by itself *
The contact extensometer has the advantage of not requiring an amplifying device. The embodiments known hitherto are however relatively bulky, so that it is not possible to place or accommodate a large number of them at one measuring point, which is however necessary to record the speeds or variations in tension. dynamics on construction elements.
The present invention relates to an extensometer with
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very small size and combines the aforementioned advantages of the contact extensometer with those of resistance or ohmic extensometers.
It consists in that, in contact extensometers for determining the states of tension and the rates of force in test specimens and machine elements under the effect of a static or dynamic load in the elastic zone, it is possible to employs, as electrical contact elements, wires, metallic conductive layers etc. which have one or more solutions of continuity or cuts and are fixed to the test piece, if necessary being isolated from the latter, in such a way that the cuts open or close under the effect of the change of the load of the test piece. As electrical contact elements, one or more wires can be used, for example, embedded in sheets or layers of varnish and interrupted at a point.
The threads with their cuts take up little space and can therefore be arranged in large numbers at a single measuring point. By calibrating the different cuts differently, it is now possible to record a variable voltage pattern as a function of time, if only discontinuously or in stages, for example with a loop oscillograph and that, according to the invention, by bringing together several extensometers with very close contacts to each other, by using measuring resistors in a measuring circuit, for example in a series connection. Thus, for ease of manufacture, the measuring resistors can be embedded with the contact wires in the same sheet of varnish.
The same effect as with several contact elements consisting of wires and joined together in a small space is also obtained by using a layer of conductive powder which is placed on an insulating layer, for example on a layer of varnish, and on which can then be galvanically deposited another metal layer. In order to protect the cut thus calibrated against other variations, it is, according to the invention, locked away from the air, for example by gluing paper, insulating tape, etc. around the cutoff. This isolation can also be carried out in a protective gas atmosphere, for example in nitrogen, in order to exclude any possibility of corrosion by trapped air.
Corrosion protection during calibration by galvanic application of a metal can be achieved by the use of a deposited, corrosion resistant metal, for example silver.
The calibration of a thin metallic layer galvanically deposited on a layer of conductive powder is permitted according to the invention thanks to the fact that the brittleness of the conductive layer is determined by varying the galvanic operation. When the finished contact layer is loaded for the first time, at determined loading stages, cracks occur at determined distances and consequently a certain number of cuts. The sections of the conductive layer thus formed are, in accordance with the described arrangement of several contact wires, connected in a measuring circuit. In service, the various cut-outs open when the corresponding load stages set during calibration occur.
The conductive layer can also be deposited on a test piece subjected to pretension. It is then possible to measure compressive stresses. In order to exclude measurement errors as a result of thermal expansion of the test pieces and of the contact elements, according to the present invention, a contact material is chosen whose linear thermal expansion coefficient is a little greater than or equal to that of. the material of the test piece. It is thus obtained that in the event of a change in temperature the test piece and the contact elements expand or contract in equal measure and that the width of the gap of the cut-off remains within the limits necessary to obtain a sufficient measuring accuracy.
Another measure to compensate for deformations by variation
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of temperature consists, according to the invention, in that the contact wires have a hairpin shape or a similar shape. In this way, too, it is obtained that the width of the cut-off becomes independent of the variations in temperature.
The contact wires can also be made so as to have two branches, one of which is interrupted and serves as a contact, while the other branch is used as a series resistor.
On the drawing board:
FIG. 1 shows a plan specimen on which are arranged contacts, resistors and connection wires;
FIG. 2, the test piece in longitudinal section;
Figure 3, a thermally balanced or compensated contact wire; Figure $, the contact wire with resistance in series; FIG. 5, a circuit diagram of a measuring device with a loop oscillograph; FIG. 6, the time-voltage curve.
In FIG. 1, 1 designates a test piece which, in the example shown, undergoes an alternating bending stress. 2 to 8 are contact wires with their current leads; these contact wires are fixed on the surface of the test piece, from which they are insulated, and these wires 2, 4, 6,8 are wires having contact points or cuts 9, 10, 11,12 which are closed in the absence of tension. On the other hand, 3, 5, 7 are contact wires having cuts 13, 14, 15 open in the absence of voltage. The former react or respond to tensile tensions; the latter at compressive stresses. this drawing is not to scale.
In practice, the contact wires can be placed much closer to each other, so that the voltages can be determined at a measuring point delimited as closely as possible. Between the contact wires, there are series resistors 16, 17, 18, 19, 20. In addition, close to the measuring point are the two thermal compensation resistors 23 and 24. The series resistors can also be made in the form of conductive layers and be arranged above or below the wires. contact.
FIG. 2 represents a longitudinal section along the line A-B (FIG. 1) of the test piece 1, which is subjected to a stress by alternating bending. 2 is the contact wire whose contact 9 is closed, which is embedded in the layer of varnish 21. Figure 3 shows a contact wire 22 in hairpin with a cut 25 and the two lead wires 26 and 27 When a heating of one of the branches, 28, takes place in service, it is compensated by the equally great expansion or total elongation of the two parts 29 and 30 of the other branch. The cut-off width therefore remains the same at any service temperature of the contact wire. Fig. 4 shows a similar form of a contact wire with the cut 31 and the two lead wires 32 and 33.
The width of the interval 31 is, here also, of constant magnitude whatever the temperature. The branch 34 of the contact wire can be calibrated and used as a shunt resistor. Figure 5 is an assembly diagram for the measuring point shown in Figures 1 and 2, and in both figures the dark parts are designated by the reference numerals. 9, 10, 11, 12 are the contacts reacting under the effect of traction voltages; and 13, 14, 15, the contacts reacting under the effect of the compressive stresses. The two groups are connected in series with a current source 35 and a loop oscillograph 36, which is shown in its neutral or zero position.
This corresponds to the state of absence of tensions of the test piece 1 (figure 1),
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Parallel to the contacts 10, 11, 12 are the resistors 16, 17 and 18; parallel to contacts 14, 15, resistors 19 and 20. In addition, in each of the two measuring circuits there is a thermal compensation resistor 23 and 24. FIG. 6 shows a time-voltage curve 37 in steps recorded with the measuring device described above. The different threshold values of the measured voltage are each marked under the corresponding contact, which responds to the voltage value considered.
Above the horizontal axis of time t are the compressive stresses (+); below this axis, the traction voltages (0),
The different threshold values are linked to each other by a dotted line curve 38, which, it is true, only represents the real shape of the voltages in points, but nevertheless approaches it all the more closely as more contacts can be placed at a measuring point. The small size of the contact elements according to the invention therefore allows very precise plotting of dynamic stress curves by means of point recording. The operation of the measuring device is as follows: In the voltage-free state represented by contact wires 2 to 8, the loop 36 of the oscillograph is in the neutral position.
To this corresponds point 0 of the time-voltage curve 37.
The circuit of contacts 9,10, 11,12 is traversed by a current passing through the oscillograph and the intensity of which is determined by the resistance of the instrument and the compensation resistance 23 and which has an intensity such that the instrument indicates zero.
As soon as an alternating bending stress is imparted to test specimen 1, the measuring point on the test specimen undergoes, after a certain time t, a deformation, for example an elongation which is caused by the tensile stress 6 (-) who reigns there.
After a time t1, this traction voltage has reached threshold 6-, which corresponds to the calibration voltage of contact 12. Then contact 12 opens and a measurement current flows through contacts 9, 10 and 11, and resistors 18 and 23, which is lower than zero current. The measuring instrument therefore deviates to the left. At the end of time t2, the following threshold (5 2 is reached. Contact 11 opens and the measurement current is further reduced by the addition of resistance 17. The deviation of the oscillograph 36 increases further to finally, a voltage 64, which corresponds to the calibration value of contact 9, is reached. This contact, and therefore the measuring circuit for the traction voltages, opens and the instrument goes to its extreme (-) position.
The indication is made in the reverse direction when the tension downgrades towards zero and assumes positive values (compression). After passing through the voltage values 6 5 and 66, at the end of the time t7, the maximum compression voltage 67 is finally reached, which corresponds to the calibration value of contact 15. This closes and switches off. therefore all contacts 13, 14 and 15 are closed. The measurement current passes only through the resistor 24 and the indicating instrument 36, which passes in the extreme (+) position.
The measuring operation takes place in the manner described above when the test piece 1 is at normal temperature, that is to say the temperature at which the calibration of the contacts was carried out. If the measurement temperature differs from the calibration temperature, for example if it is higher than this by a certain amount and if the coefficient of expansion of the contact wires is greater than that of the material of the l 'specimen, \) the contacts do not react to their calibration values, but to tension values which for the tensile side are too high by a constant amount, and for the compression side are too high. low by the same amount.
This erroneous indication is compensated by the fact that
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resistors 23 and 24 consist of a conductive material having a positive electrical temperature coefficient. This has the effect that the resistance of the measuring circuits increases and the measuring current is reduced to a certain extent. As a result, the zero point of the indication and all measuring points move to the left by the same amount. Instead of the curve 37 (FIG. 6), it is the broken line curve 37 'which is recorded, which corresponds to the real shape of the voltages at the measurement temperature considered.
CLAIMS.
1. Contact extensometer for determining the states of tension and the rates of the forces to which test specimens and machine elements are subjected for a static or dynamic load in the elastic zone by using electric contacts, which are fixed, if necessary by being isolated, to test pieces etc. in such a way that, when deformations occur, these contacts open or close an electric circuit, characterized in that, as contact elements are employed wires, metallically conductive layers or similar means which have one or more several cuts, which open or close under the effect of a change in the load acting on the specimen.