Dehnungsmesser
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dehnungsmesser zum Messen von Dimensionsänderungen von Prüfkörpern, insbesondere von solchen, die in ihrer Längsachse beansprucht werden.
Bei Werkstoffprüfungen werden gewöhnlich Prüfkörper einer axialen Zug- oder Druckbeanspruchung unterworfen, wobei deren Längenänderung als Dehnung bezeichnet wird. Messungen der Durchmesseränderungen stellen eine Ersatzmethode dar, wenn wegen kurzer Messlängen wenig Raum zur Anbringung üblicher Längsdehnungsmessgeräte besteht.
Das Prinzip des Diametraldehnungsmessers beruht darauf, dass sich die Längs- und Querspannungen bei einer gleichmässigen Verformung eines Prüfkörpers zueinander gemäss der Poisson'schen Gleichung verhalten. Demnach verhält sich die Längsspannung in einem axial beanspruchten Prüfkörper innerhalb bestimmter Grenzen proportional zur Anderung des Durchmessers.
Die Durchmesseränderungen eines Prüfkörpers sind jedoch im Vergleich zu den entsprechenden Längenänderungen klein, und Messfehler beeinträchtigen die Genauigkeit der Ergebnisse in der Grössenordnung eines Faktors, der sich anhand des Verhältnisses von Durchmesser zu Messlänge und zu der Poisson'schen Zahl bestimmt. Die Verwendung elektronischer Geräte ermöglicht es, Längenänderungen im Bereiche von 0,00025 mm zu messen. Solche Geräte haben einen beschränkten linearen Messbereich und bieten besonders Schwierigkeiten mit Bezug auf eine die Dehnung anzeigende Messskala.
Sie sind jedoch besonders geeignet für die Messungen kleinerer Dimensionsänderungen quer zur Beanspruchungsrichtung und ermöglichen es, diese diametralen Messungen eines Prüfkörpers zur Ermittlung von Dehnungen zu verwenden, die im Bereich der für die meisten praktischen Zwecke verlangten Genauigkeit liegen.
Ein Vorteil des Diametraldehnungsmessers beruht auf seiner Anwendung während der Endphase eines Dehnversuches, wenn vor dem Bruch der betreffende Prüfkörper stellenweise eingeschnürt wird. Der eingeschnürte Bereich liegt gewöhnlich innerhalb der Messlänge und die Längsspannungen im Bereiche der Messlänge entsprechen einem Durchschnittswert aus der Spannung im eingeschnürten Bereich und der Spannung im übrigen Bereich. Der Diametralmesser registriert gewöhnlich weiterhin die gleichmässige Dimensionsänderung des übrigen, nicht eingeschnürten Bereiches, es sei denn, dass die Messung unmittelbar bei der Einschnürung erfolgt.
Von besonderem Vorteil sind Diametraldehnungsmesser bei Dauerstand- und Wechselfestigkeitsprüfun gen, wo der Prüfkörper häufig so lange ist, dass es äusserst schwierig wird, die gebräuchlicheren Längsdehnungsmesser zu verwenden.
Dauerstand- und Wechselfestigkeitsprüfungen werden oft bei hohen Temperaturen durchgeführt, wobei der Prüfkörper in einem Ofen eingeschlossen ist, so dass das direkte oder fortlaufende Ablesen mit praktischen Schwierigkeiten verbunden ist, die nur mit komplizierten und kostspieligen Einrichtungen überwunden werden können.
Abgesehen davon, dass der Raum um den Prüfkörper herum beschränkt ist, ist es nicht wünschenswert, empfindliche elektronische Geräte höheren Temperaturen auszusetzen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Dehnungsmessers, mit dem Querverformungen eines Längsbeanspruchungen unterworfenen Prüfkörpers bei hohen Temperaturen genau gemessen und registriert werden können.
Der erfindungsgemässe Dehnungsmesser ist gekennzeichnet durch ein Paar Hebel, die um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert und an einem Ende so ausgebildet sind, dass sie einen Prüfkörper an einander gegenüberliegenden Stellen abgreifen können, so dass eine seitliche Formveränderung des Prüfkörpers zwischen den sogenannten Stellen eine Drehung der Hebel um die Achse in entgegengesetztem Drehsinn bewirkt, durch ein den anderen Hebelenden zugeordne tes Mittel zur Messung der Hebelbewegung und durch ein Mittel zur federnden Lagerung.
Bevorzugterweise ist dieser Dehnungsmesser dadurch gekennzeichnet, dass die Hebel mittels einer Vorrichtung gekreuzter Plattfedern so gelagert ist, dass die Hebel sich scherenartig zueinander bewegen können.
Dieser Dehnungsmesser kann sich dadurch kennzeichnen, dass zwei Blattfedern nebeneinander angeordnet sind, wobei ihre Quermittellinien in der Dreh- achse liegen. Dadurch ist ohne Verwendung eines Lagerzapfens eine scherenartige Verbindung zwischen den beiden Hebeln hergestellt.
Vorzugsweise kennzeichnet sich dieser Dehnungsmesser dadurch, dass zwei Paare gekreuzter Blattfedern in solcher Weise angeordnet sind, dass mit jedem der beiden Hebel eines der Paare zusammenwirkt, um einen symmetrischen und kräftemässig ausgeglichenen Drehpunkt zu schaffen.
Die beiliegenden Zeichnungen stellen ein Ausfüh rungsb ei spiel der Erfindung dar.
Fig. 1 ist eine Ansicht eines Dehnungsmessers.
Fig. 2 ist eine fragmentarische Frontansicht in teilweisem Schnitt des Dehnungsmessers nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Dehnungsmessers von Fig. 1 und 2 und erläutert die praktische Anwendung an einem Prüfkörper in einem Industrieofen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, umfasst der Dehnungsmesser zwei Winkelhebel 1, 2, die nebeneinander verlaufen, wobei jeder der beiden Hebel einen senkrecht herabhängenden und einen sich horizontal erstreckenden Arm aufweist, und die Arme des einen Hebels parallel zu den entsprechenden Armen des andern Hebels verlaufen. Die beiden Arme sind mittels einer Kreuzblattfedervorrichtung verbunden und so gelagert, dasssich die beiden Hebel scherenartig zueinander bewegen können.
An der durch die Kreuzblattfedern gebildeten Drehachse sind nach Fig. 2 vier Blöcke 3-6 vorgesehen, von denen jeder zwei zueinander geneigte Flächen aufweist, deren Schnittgerade parallel zur betreffenden Blocklängsachse verläuft. Die Blöcke sind paarweise so angeordnet, dass je zwei Schnittlinien sich gegenüber liegen, wobei je eine Fläche des einen Blockes in derselben Ebene liegt, wie eine Fläche des andern Blockes des betreffenden Blockpaares. Die Blöcke 3, 4 bzw. 5, 6 eines jeden Paares sind durch zwei Blattfedern 7, 8 kreuzweise miteinander verbunden. Die Blattfedern sind an ihren Enden an den fluchtenden Flächen von je zwei Blöcken eines Paares befestigt.
Je ein Blockpaar ist mit je einem Winkelhebel verbunden, wobei nur ein Block jedes Paares am jeweiligen Hebel befestigt ist und der andere frei bleibt. Die Blöcke sind derart angeordnet, dass je ein am einen Hebel befestigter Block des einen Paares einem freien Block des andern Paares gegenüberliegt, so dass also der befestigte Block 3 des Hebels 1 dem freien Block 5 von Hebel 2 unmittelbar gegenüberliegt und der freie Block 4 des Hebels 1 dem befestigten Block 6 des Hebels 2 gegenüberliegt. Die an den Hebeln befestigten Blöcke sind ihrerseits mit den den andern Hebeln zugeordneten freien Blöcken durch durchgehende Stangen 9, 10 verbunden, die sich durch beide Hebelarme hindurch erstrecken und die Blöcke in fester Verbindung miteinander halten.
Die Stangen 9, 10 erstrecken sich dabei durch je eine Bohrung mit grösserem Durchmesser, die je in dem dem jeweils befestigten Block gegenüberliegenden Arm vorgesehen ist, so dass zwischen der betreffenden Bohrung und der Stange ein Spiel besteht. Auf diese Weise ist jeder Hebel unabhängig vom andern um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert, die durch die sich schneidenden Ebenen der Blattfedern verläuft.
Die Vermeidung einer Relativbewegung zwischen sich berührenden Teilen bewirkt, dass, während ein Teil des Dehnungsmessers hoher Temperaturen ausgesetzt ist, eine Wärmeausdehnung und Oxydationserscheinungen eintreten können, ohne dass deshalb eine zusätzliche Reibungskraft zu überwinden wäre oder sonst ein störender Einfluss verursacht würde.
Der Hebel 1 ist an seinem untern Ende mit einem messerschneideartig gekanteten Glied 11 versehen, während der Hebel 2 eine Verlängerung 12 aufweist, die ein weiteres messerschneideartig gekantetes Glied 13 trägt, wobei die messerschneideartigen Kanten einander so gegenüberliegen, dass eine diametrale Dimensionsänderung eines zwischen den Gliedern angeordneten Körpers (wie z. B. eines Prüfkörpers) den Gliedern und den diesen zugeordneten Hebeln eine Drehbewegung um die gemeinsame Achse in entgegengesetztem Sinn erteilt.
Horizontale, quer über und unter den horizontalen Armen beider Hebel angebrachte Blattfedern 14, 15 sind an ihren sich über die Arme hinaus erstreckenden Endbereichen verbunden und üben auf die Hebel eine Druckkraft aus, wodurch die Glieder 11 und 13 eine bestimmte Ausgangslage anstreben und mit einem zwischen ihnen angeordneten Prüfkörper in Berührung bleiben.
Die Drehbewegung der Hebelarme ist ein Mass für den Betrag der diametralen Dimensionsänderungen des Prüfkörpers. Sie kann in herkömmlicher Weise an den von den messerartigen Kanten anggewandten Hebelenden dadurch gemessen werden, dass die Relativbewegung der Hebel aufgezeichnet wird.
Das Gehäuse 16 eines Differentialtransformators weist eine am Gehäuse 16 befestigte Stütze 17 auf, durch die der Transformator starr mit dem horizontalen Arm des Hebels 1 verbunden ist. Ein in bezug auf das Gehäuse beweglicher Abtaster stützt sich auf dem entsprechenden Arm von Hebel 2 auf. Durch die Bewegung des Abstasters, der den Kern des Transformators bildet, wird eine veränderliche Spannung erzeugt, die in jeder bekannten, geeigneten Weise aufgezeichnet oder gemessen werden kann, um die Dimensionsänderungen des Prüfkörpers anzuzeigen.
Ein am Gehäuse 16 befestigter Mikrometerschraubenkopf 19 dient zur Verstellung des Abtasters, um dessen Stellung vor einem Prüfvorgang zu normieren oder während eines Prüfvorganges neu einzustellen, falls der gesamte Ausschlag über den linearen Bereich des Abtasters hinausgeht.
Der Dehnungsmesser ist auf einer nachgiebigen Blattfeder 20 gelagert, die gekröpfte Arme 21, 22 aufweist, welche mit den oberen Blöcken 3,5 verbunden sind, und die so angeordnet ist, dass sie am festen Rahmen einer Prüfvorrichtung, wie sie in Fig. 1 bei 23 angedeutet ist, befestigt werden kann. Durch diese elastische Aufhängung können die messerartigen Kanten der Glieder 11 und 13 der Bewegung der Messtelle des Prüfkörpers folgen, während sich dieser während einer anfänglichen Anheizzeit ausdehnt oder während der Zeit, in der er unter Belastung eine Längsspannung aufweist. Die horizontalen Blattfedern 14, 15 können in der vertikalen Ebene verstellt werden, um das Gewicht des Transformators auszugleichen.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind an den Federn befestigte Ausleger 24, 25 mit einem Balken 26 verbunden, der seinerseits an einem festen Rahmen 27 eine Prüfvorrichtung mittels eines Gewindestabes 28 und einer Verstellmutter 29 aufgehängt ist.
Eine Verwendung dieses Diametraldehnungsmessers ist schematisch in Fig. 3 erläutert. Der Durchmesser eines sich in einem Industrieofen 31 befindlichen Prüfkörpers 30 wird von den messerartigen Kanten der Glieder 12 und 13 des Dehnungsmesser abgegriffen, dessen Drehpunkt und Aufzeichnungsaggregate sich ausserhalb des Ofens befinden, wo die Einwirkung erhöhter Temperaturen minimal sind.
Strain gauge
The present invention relates to a strain gauge for measuring dimensional changes of test specimens, in particular those that are stressed in their longitudinal axis.
In material tests, test specimens are usually subjected to axial tensile or compressive stress, the change in length being referred to as elongation. Measurements of the changes in diameter are a substitute method if there is little space to attach conventional longitudinal strain gauges due to short measuring lengths.
The principle of the diametrical extensometer is based on the fact that the longitudinal and transverse stresses relate to one another according to Poisson's equation when a test specimen is deformed evenly. Accordingly, the longitudinal stress in an axially stressed test specimen is proportional to the change in diameter within certain limits.
However, the changes in diameter of a test body are small compared to the corresponding changes in length, and measurement errors affect the accuracy of the results in the order of magnitude of a factor that is determined by the ratio of diameter to measuring length and Poisson's number. The use of electronic devices makes it possible to measure changes in length in the range of 0.00025 mm. Such devices have a limited linear measuring range and present particular difficulties with regard to a measuring scale indicating the strain.
However, they are particularly suitable for measuring smaller dimensional changes across the direction of stress and make it possible to use these diametrical measurements of a test specimen to determine strains that are in the range of accuracy required for most practical purposes.
One advantage of the diametrical extensometer is based on its use during the final phase of a strain test when the test specimen in question is constricted in places before it breaks. The constricted area is usually within the measuring length and the longitudinal stresses in the area of the measuring length correspond to an average value of the stress in the constricted area and the stress in the remaining area. The diametrical knife usually continues to register the uniform change in dimension of the remaining, non-constricted area, unless the measurement is made immediately during the constriction.
Diametrical extensometers are particularly advantageous for endurance and alternating strength tests, where the test specimen is often so long that it is extremely difficult to use the more common longitudinal extensometers.
Endurance and fatigue strength tests are often carried out at high temperatures, with the test specimen being enclosed in an oven, so that direct or continuous reading is associated with practical difficulties which can only be overcome with complicated and expensive equipment.
Apart from the fact that the space around the specimen is limited, it is not desirable to expose sensitive electronic equipment to elevated temperatures.
The present invention aims to provide a strain gauge with which transverse deformations of a test specimen subjected to longitudinal stresses can be measured and recorded precisely at high temperatures.
The extensometer according to the invention is characterized by a pair of levers which are rotatably mounted about a common axis and are designed at one end so that they can pick up a test body at opposite points, so that a lateral change in shape of the test body between the so-called points a rotation of the Lever caused around the axis in the opposite direction of rotation by a means for measuring the lever movement and by a means for resilient mounting.
This extensometer is preferably characterized in that the lever is mounted by means of a device of crossed flat springs in such a way that the levers can move towards one another like scissors.
This strain gauge can be characterized in that two leaf springs are arranged next to one another, their transverse center lines lying in the axis of rotation. This creates a scissor-like connection between the two levers without the use of a bearing pin.
This strain gauge is preferably characterized in that two pairs of crossed leaf springs are arranged in such a way that one of the pairs cooperates with each of the two levers in order to create a symmetrical and force-balanced pivot point.
The accompanying drawings represent an exemplary embodiment of the invention.
Fig. 1 is a view of a strain gauge.
FIG. 2 is a fragmentary front view, in partial section, of the strain gauge of FIG. 1.
Fig. 3 is a schematic representation of the extensometer of Figs. 1 and 2 and explains the practical application on a test body in an industrial furnace.
As can be seen from Fig. 1, the extensometer comprises two angle levers 1, 2, which run side by side, each of the two levers having a vertically depending and a horizontally extending arm, and the arms of one lever parallel to the corresponding arms of the other lever run away. The two arms are connected by means of a cross leaf spring device and are mounted in such a way that the two levers can move towards one another like scissors.
On the axis of rotation formed by the cross leaf springs, four blocks 3-6 are provided according to FIG. 2, each of which has two mutually inclined surfaces, the intersection of which runs parallel to the relevant block longitudinal axis. The blocks are arranged in pairs in such a way that two lines of intersection are opposite each other, with one surface of each block lying in the same plane as one surface of the other block of the relevant block pair. The blocks 3, 4 and 5, 6 of each pair are connected to one another by two leaf springs 7, 8 crosswise. The leaf springs are attached at their ends to the aligned surfaces of two blocks of a pair.
Each pair of blocks is connected to an angle lever, with only one block of each pair being attached to the respective lever and the other remaining free. The blocks are arranged in such a way that a block of one pair fastened to a lever is opposite a free block of the other pair, so that the fastened block 3 of lever 1 is directly opposite the free block 5 of lever 2 and the free block 4 of the Lever 1 is opposite to the fixed block 6 of lever 2. The blocks attached to the levers are in turn connected to the free blocks assigned to the other levers by continuous rods 9, 10 which extend through both lever arms and hold the blocks in a fixed connection with one another.
The rods 9, 10 each extend through a bore with a larger diameter, which is provided in the arm opposite the respective attached block, so that there is play between the relevant bore and the rod. In this way, each lever is rotatably mounted independently of the other about a common axis which runs through the intersecting planes of the leaf springs.
Avoiding relative movement between touching parts means that, while part of the strain gauge is exposed to high temperatures, thermal expansion and oxidation phenomena can occur without an additional frictional force having to be overcome or otherwise disruptive.
The lever 1 is provided at its lower end with a knife-edge-like beveled member 11, while the lever 2 has an extension 12 which carries a further knife-edge-like beveled member 13, wherein the knife-edge-like edges are opposite one another so that a diametrical change in dimension between the members arranged body (such as a test body) the members and the levers assigned to them given a rotary movement about the common axis in the opposite direction.
Horizontal, transversely above and below the horizontal arms of both levers attached leaf springs 14, 15 are connected at their end regions extending beyond the arms and exert a compressive force on the lever, whereby the members 11 and 13 strive for a certain starting position and with an between them arranged test bodies remain in contact.
The rotary movement of the lever arms is a measure of the amount of diametrical dimensional changes in the test body. It can be measured in a conventional manner at the lever ends facing away from the knife-like edges in that the relative movement of the levers is recorded.
The housing 16 of a differential transformer has a support 17 fastened to the housing 16, by means of which the transformer is rigidly connected to the horizontal arm of the lever 1. A scanner which is movable with respect to the housing is supported on the corresponding arm of lever 2. The movement of the sampler which forms the core of the transformer produces a variable voltage which can be recorded or measured in any known suitable manner to indicate the dimensional changes of the specimen.
A micrometer screw head 19 attached to the housing 16 is used to adjust the scanner in order to normalize its position before a test process or to readjust it during a test process if the entire deflection goes beyond the linear range of the scanner.
The extensometer is mounted on a resilient leaf spring 20 which has cranked arms 21, 22 which are connected to the upper blocks 3, 5 and which is arranged in such a way that it is attached to the fixed frame of a testing device as shown in FIG 23 is indicated, can be attached. This elastic suspension allows the knife-like edges of the members 11 and 13 to follow the movement of the measuring point of the test body while it expands during an initial heating time or during the time in which it is under longitudinal tension. The horizontal leaf springs 14, 15 can be adjusted in the vertical plane in order to compensate for the weight of the transformer.
In the embodiment shown, brackets 24, 25 attached to the springs are connected to a beam 26 which, in turn, is suspended from a fixed frame 27 by means of a threaded rod 28 and an adjusting nut 29.
A use of this diametrical extensometer is illustrated schematically in FIG. The diameter of a test body 30 located in an industrial furnace 31 is tapped from the knife-like edges of the members 12 and 13 of the strain gauge, the pivot point and recording units of which are located outside the furnace, where the effects of elevated temperatures are minimal.