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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und eine Messanordnung
zur Erfassung von langsam ablaufenden Bewegungen eines Probenstücks. Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Messung von langsam
ablaufenden Bewegungen eines Probenstücks.
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Zur
Prüfung
von Werkstoffen und zur Ermittlung von Werkstoffeigenschaften werden
oftmals normierte Zugversuche durchgeführt. Hierbei werden Probenstücke definierten
Zugbelastungen unterzogen, wobei gleichzeitig das Dehnungs- und/oder Bruchverhalten
erfasst wird. Mit diesen Zugversuchen können vielfältige Erkenntnisse hinsichtlich
der Festigkeits- und Duktilitätskennwerte
des untersuchten Werkstoffes gewonnen werden. Die Ergebnisse der
unter normierten Bedingungen durchgeführten Versuche eignen sich
zur Definition von Kennwerten und zur Charakterisierung der Werkstoffe.
Unterliegt der Werkstoff zusätzlich
bestimmten äußeren Einflüssen, kann
dies die Messergebnisse unter Umständen stark beeinflussen. Solche
Einflüsse
können bspw.
hoher Druck, hohe oder tiefe Temperaturen und/oder aggresive Medien
sein, denen der Werkstoff ausgesetzt ist.
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Zur
Gewinnung von Erkenntnissen über
das Verhalten von Werkstoffen, die solchen Einflüssen ausgesetzt sind, sind überlagerte
Versuche sinnvoll, bspw. ein sog. langsamer Zugversuch (SSRT-Test: Slow
Strain Rate Tensile Test), bei dem der untersuchte Werkstoff bei
geringer Dehnrate gleichzeitig definierten Umgebungseinflüssen ausgesetzt
wird. Besonders bei Werkstoffen, die im Kraftwerksbau eingesetzt
werden, sind derartige Versuche notwendig, um die erforderlichen
Bauteildimensionierungen abschätzen
sowie die typische Lebensdauer und das Versagensverhalten der Bauteile
vorhersagen zu können.
Dies betrifft insbeson dere Werkstoffe, die im Bereich von Kernkraftwerken
eingesetzt werden, da hier Bedingungen auftreten können, die
das Bauteilverhalten erheblich beeinflussen können.
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Die
Beständigkeit
von Werkstoffen gegenüber
mediumbeeinflussten Rissbildungen und anschließendem Rissfortschritt durch
z. B. mediengestützte
Risskorrosion ist eine wesentliche Vorraussetzung zur Konstruktion
und Umsetzung von technischen Anwendungen, welche mediumsberührte Oberflächen aufweisen.
So ist z. B. bei der Auswahl von Werkstoffen für den Wasserdampfkreislauf
von Kraftwerken zur Stromerzeugung neben den mechanischen Eigenschaften,
welche die Integrität
des Systems aufrecht erhalten, auf eine ausreichende Beständigkeit
gegenüber
dem korrosiven Medium zu achten. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird
im Wasserdampfkreislauf ein erhöhter
Druck (z. B. 170 bar) und eine hohe Betriebstemperatur des Kühlmediums
(z. B. 350°C)
verwendet. Das Medium wird in der Fachliteratur demnach als Hochtemperaturwasser
(HTW) oder bei im Wasser gelöstem
Sauerstoff als sauerstoffhaltiges Hochtemperaturwasser bezeichnet.
Dieses Wasser stellt ein aggressives Medium dar, in welchem viele
Werkstoffe aufgrund der korrosiven Schädigung unter Überlagerung
von mechanischer und korrosiver Belastung versagen und nur wenige
Werkstoffe für
die Konstruktion der druckumschließenden Komponenten geeignet
sind. Besonders bei kleinen Dehnraten in typischen Größenordnungen
zwischen ca. 10–4 bis 10–8 s–1 kann eine
erhöhte
korrosive Anfälligkeit
gegen mediumbeeinflusste Rissbildung vorliegen.
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Ähnliches
gilt für
die unter diesen Umgebungsbedingungen eingesetzte Messtechnik (z.
B. zur Dehnungsmessung). Die Problematik kann verschärft auftreten,
sofern ionale Verunreinigungen die schädigende Wirkung des Mediums
verstärken.
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Neben
der ertragbaren Spannung stellt die Dehnung der verwendeten Rundzugproben
beim Erreichen der Zugfestigkeit bzw. beim Bruch der Probe in sauerstoffhaltigem
Hochtemperaturwasser eine wichtige Kenngröße für Aussagen zur Be ständigkeit gegenüber mediumbeeinflusster
Rissbildung dar. Bislang sind keine Längenmesssysteme verfügbar, welche
unter den speziellen Umgebungsbedingungen des Primärkreislaufs
von Siedewasserreaktoranlagen bzw. von Druckwasserreaktoranlagen
unter den dort vorherrschenden hohen Drücken, d. h. 1 bis 170 bar,
der hoher Mediumstemperatur, d. h. 25 bis 350°C, und einem Sauerstoffgehalt
von 0 ... 8 ppm gelöstem
Sauerstoff eine dauerhafte Messung der Längenänderungen unter den oben beschriebenen aggressiven
Umgebungsbedingungen (sauerstoffhaltiges Hochtemperaturwasser) mit
eventuell chemischen Transienten durch ionale Verunreinigungen (z.
B. Chlorid, Sulfat, etc.) bei einer entsprechenden Auflösung der
Längenmessung
zu zufrieden stellenden Messwerten führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Messverfahren sowie eine
Messanordnung zur Erfassung des Dehnungsverhaltens einer Werkstoffprobe
zur Verfügung
zu stellen, wobei der Werkstoff gleichzeitig definierten äußeren Medieneinflüssen ausgesetzt
werden kann, die zu Beeinflussungen des Werkstoffverhaltens führen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zur Erfassung von langsam ablaufenden Bewegungen
bzw. von Längenänderungen
eines Probenkörpers
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1. Die Vorrichtung weist einen Messbügel mit zwei voneinander beabstandeten Schenkeln
zur Fixierung am Probenstück
und einen am Messbügel
angeordneten bzw. diesem zugeordneten dehnungsempfindlichen Sensor
auf. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Längenänderungs-
bzw. Dehnungsmessung des Probenstücks, auf das eine definierte
Zugkraft aufgebracht wird.
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Bisher
wurde bei der Prüfung
von Werkstoffen unter Umgebungsbedingungen, sowohl für Einzelproben-
als auch Mehrprobenprüfungen,
die Dehnung nicht direkt an der Werkstoffprobe (im Autoklaven) – bezogen
auf die Ausgangslänge
der Messlänge
der verwendeten Rundzugprobe – gemessen, sondern
die Dehnung aufgrund des beaufschlagten Weges der Maschinentraverse
mit entsprechender Umrechnung ermittelt. Dies führt aufgrund einer nicht idealen
und meist unterschiedlichen Maschinensteifigkeit zu verfälschten
Messwerten, was sich in der Berechnung z. B. des E-Moduls auswirkt.
Die Erfindung ermöglicht
es hingegen, eine Messtechnik zur Aufzeichnung der Längenänderung
zur Verfügung
zu stellen, bei der die Längenänderungen
direkt am verwendeten Probenkörper
bzw. an der jeweiligen Rundzugprobe unter unterschiedlichen Medieneinflüssen mit
hoher Auflösung
an der entsprechenden Messlänge
des verwendeten Probenkörpers
gemessen werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich insbesondere als sog. Extensometer, das auch unter ungünstigen
Umgebungsbedingungen zuverlässige
Messwerte liefern kann. Die Vorrichtung eignet sich damit bspw.
auch für
die Verwendung in sogenanntem Hochtemperaturwasser (HTW), so dass sich
die Messtechnik zur Aufzeichnung von Längenänderung direkt an der jeweiligen
Rundzugprobe in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser mit hoher Auflösung an
der entsprechenden Messlänge
der verwendeten Rundzugproben eignet. Sämtliche Störgrößen in Bezug auf die Messung
der Längenänderung
durch externe induktive Wegmessung, wie z. B. die Reibkräfte durch
die Dichtungen der Zugstange gegenuber dem Autoklaven, dem Innenraum
oder durch die Steifigkeit des Widerlagers, werden durch die erfindungsgemäße Messanordnung
bzw. das Extensometer vermieden, da direkt an der Probe gemessen
wird.
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Eine
bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass der dehnungsempfindliche
Sensor flächig haftend
am Messbügel
angeordnet ist. Hierdurch wird eine robuste Messanordnung zur Verfügung gestellt,
bei der Messwertverfälschungen
aufgrund von Relativbewegungen zwischen Sensor und Messbügel nahezu
ausgeschlossen sind.
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Der
Messbügel
kann wahlweise einen U-förmigen,
einen bogenförmigen,
einen ringförmigen oder
einen C-förmigen
Verbindungsabschnitt zwischen den Schen keln aufweisen. Darüber hinaus sind
weitere Gestaltungen und Formen des Messbügels möglich. Ein wesentlicher Aspekt
der Erfindung besteht darin, dass der Messbügel einen verlängerten
und sich weitgehend gleichmäßig über die Wegänderung
der Probe verformenden Messabschnitt zur Verfügung aufweist, dessen Verformungsverhalten
mittels des Sensors wesentlich präziser gemessen werden kann
als bei einer Aufbringung des Sensors direkt an der Mantelfläche des
Probenstücks.
Der Messbügel
liefert somit eine Wegübersetzung,
welche die sehr kleinen Längenänderungen am
Probenkörper
in präzise
messbare Formänderungen
bzw. Radiusänderungen
am Messbügel überträgt. Eine
abschnittsweise regelmäßig geformte bzw.
gekrümmte
Kontur sorgt für
die gewünschte
Linearität
der Messdaten. So eignet sich bspw. ein C-förmiger Verbindungsabschnitt
mit einer kreisbogenförmigen
Kontur, bei der der Kreisbogen einen konstanten Radius aufweist,
besonders gut zur Erfassung ihres Verformungsverhaltens, da sich
der Kreisbogen bei einer Längenänderung
des Probenstücks
zwischen den daran fixierten Verbindungsschenkeln gleichmäßig öffnet, wobei
sich der Verbindungsabschnitt gleichmäßig verformt.
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Die
Schenkel können
bspw. Klemmanschlüsse
zur Fixierung am Probenstück
aufweisen. Daneben sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten denkbar, bspw.
Schraub- oder Klebeverbindungen o. dgl. Wichtig dabei ist, dass
die Berührpunkte
zwischen dem Messbügel
und der Probe nicht verrutschen, wodurch die Messergebnisse unbrauchbar
gemacht würden.
Gleichzeitig ist die Verbindung vorzugsweise so ausgestaltet, dass
durch die Anbringung der Klemmanschlüsse während der Versuchsdurchführung keine
Kerbwirkung an der Oberfläche des
Probenkörpers
entsteht.
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Der
dehnungsempflindliche Sensor kann insbesondere durch wenigstens
einen Dehnmessstreifen gebildet sein. Wahlweise können auch
mehrere Dehnmessstreifen am Messbügel angeordnet sein, wahlweise
in Parallelschaltung oder auch in einer Brückenschaltung. Hierdurch können bei
Bedarf Temperatur- und/oder andere Umgebungseinflüsse berücksichtigt
und rechentechnisch kompensiert werden. Die Dehnmessstreifen können Messwerte unterschiedlicher
Art liefern, bspw. kapazitive Messwerte oder Änderungen eines ohmschen Widerstandes.
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Da
sich die Schenkel des Messbügels
nicht zur Messwerterfassung eignen, ist der dehnungsempfindliche
Sensor bzw. der Dehnmessstreifen zweckmäßigerweise flächig haftend
am Verbindungsabschnitt des Messbügels fixiert. Der dehnungsempfindliche
Sensor bzw. der Dehnmessstreifen kann insbesondere flächig haftend
an einer Außenseite
des Verbindungsabschnittes bzw. des Messbügels fixiert sein, da an dieser
Stelle bei einer Dehnung der Probe die größte Wegänderung des Messbügels stattfindet.
Somit eignet sich die Fixierung an der Außenseite des Bogens des Verbindungsabschnitts
am besten zur Erfassung möglichst hoch
aufgelöster
Messwerte.
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Entsprechend
den bevorzugten Einsatzmöglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann der dehnungsempfindliche Sensor bzw. der Dehnmessstreifen gegen
Druck-, Temperatur- und/oder Medieneinfluss gekapselt sein. Hierdurch
eignet sich die gegenüber
korrosiven Erscheinungen beständige Vorrichtung
zum Einsatz in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser, wobei die
auftretenden Druckwerte bspw. zwischen ca. 1 bis 170 bar oder mehr
liegen können.
Der Temperaturbereich kann bspw. zwischen ca. 25°C bis ca. 350°C oder mehr
liegen. Der Sauerstoffgehalt des Wassers bzw. des flüssigen oder
gasförmigen
Mediums kann bspw. zwischen 0 bis 8 ppm gelöstem Sauerstoff liegen.
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Sinnvollerweise
wird bei Anwendungen in derartigen Umgebungen eine gekapselte elektrische Anschlussleitung
verwendet, so dass der dehnungsempfindliche Sensor bzw. der Dehnmessstreifen
mitsamt seinen Anschlussleitungen gegen Druck-, Temperatur- und/oder
Medieneinfluss gekapselt ist. Die elektrische Anschlussleitung des
dehnungsempfindlichen Sensors bzw. des Dehnmessstreifens kann bspw.
eine weitgehend starre Umhüllung
und wenigstens eine darin in keramischem Material eingebettete elektrische
Zuleitung aufweisen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zumindest der Verbindungsabschnitt
des Messbügels
aus einem federelastischen Material gebildet ist. Der Messbügel bzw.
dessen Verbindungsabschnitt kann insbesondere aus einem hochtemperatur-,
druck- und/oder medienresistenten Material gebildet sein. Als Material
eignet sich bspw. ein geeigneter Nickelbasiswerkstoff oder ein rostfreier
Stahl, das selbst nicht durch das aggressive Hochtemperaturwasser
angegriffen oder geschädigt
wird, bspw. durch Spannungsrisskorrosion.
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Als
Material für
den Messbügel
und den Verbindungsabschnitt kommt bspw. ein geeigneter Edelstahl
wie Inconel 600® (eingetragene
Marke der Special Metals Group of Companies) in Frage, eine Nickel-Chrom-Legierung
mit guter Beständigkeit
gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen. Zu den Einsatzfeldern
eines solchen Materials gehören Bauteile
von Feuerungen, die chemische Industrie, die Nahrungsmittel verarbeitende
Industrie und die Nuklearindustrie. Der Messbügel hat somit eine ausreichende
Beständigkeit
bei einem Einsatz in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser. Zudem
wird er bei kleinen Dehnungen im elastischen Bereich nicht durch
mediengestützte
Risskorrosionseffekte geschädigt.
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Die
Erfindung umfasst weiterhin eine Messanordnung zur Erfassung von
langsam ablaufenden Bewegungen bzw. von Längenänderungen eines einer definierten
Zugkraft bzw. Längenänderung
ausgesetzten Probenstücks.
Die Messanordnung umfasst ein Probenstück bzw. einen Probenkörper und eine
daran fixierte Messvorrichtung gemäß einer der zuvor beschriebenen
Ausführungsvarianten.
Die Messanordnung kann insbesondere mit einem Datenerfassungs- und/oder
Datenauswertungssystem gekoppelt sein. Diese Datenerfassungs- und/oder Datenauswertungssystem
kann wiederum mit einer Speicher-, Anzeige- und/oder Druckeinrichtung
gekoppelt sein, so dass eine Visualisierung und/oder Aufzeichnung
mit weitergehender Analyse der erfassten Messwerte ermöglicht ist.
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Vor
einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. der Messanordnung erfolgt zweckmäßigerweise eine Kalibrierung
hinsichtlich der temperatur- und wegabhängigen Veränderungen des Messsignals nach
geeigneten Kalibrierdaten bzw. -vorschriften.
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Schließlich umfasst
die Erfindung ein Verfahren zur Messung von langsam ablaufenden
Bewegungen bzw. von Längenänderungen
eines Probenstücks,
insbesondere unter Aufbringung einer auf das Probenstück einwirkenden
Zugkraft, bei dem die Längenänderungen
des Probenstücks
mittels eines daran fixierten Messbügels und mit wenigstens einem
am Messbügel
angeordneten dehnungsempfindlichen Sensor erfasst werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
kann insbesondere mit einer Vorrichtung und/oder mit einer Messanordnung
gemäß einer
der zuvor beschriebenen Ausführungsvarianten durchgeführt werden.
Das Verfahren ermöglicht
es, Längenänderungen
an Probenkörpern
in aggressiven Medien wie bspw. in Hochtemperaturwasser mit hoher
Auflösung
durchzuführen.
Störgrößen, welche die
Messwertaufnahme verfälschen,
können
weitgehend ausgefiltert bzw. ausgeschlossen werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Messprinzips einer erfindungsgemäßen Messanordnung
und
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2 eine
schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Funktionsprinzips
der Messanordnung.
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Die 1 zeigt
anhand einer schematischen Darstellung das Messprinzip einer erfindungsgemäßen Messanordnung 10,
die im Wesentlichen eine Messvorrichtung 12 in Gestalt
eines sog. Extensometers 14 (vgl. 2) sowie
ein Probenstück
bzw. einen Probenkörper 16 umfasst,
an der/dem der Extensometer 14 fi xiert ist. Mittels einer
nachgeschalteten Auswerteeinheit 18 können die Messwerte des Extensometers 14 erfasst,
verarbeitet und ggf. an eine allgemein mit der Bezugsziffer 20 bezeichnete
nachgeschaltete Visualisierungs- und/oder Speichereinheit geliefert
werden. Die Bezugsziffer 20 kann auch ein gedrucktes oder
am Bildschirm angezeigtes Spannungs-Dehnungs-Diagramm oder eine
andere geeignete grafische bzw. bildliche Darstellung der gemessenen
Werte bezeichnen.
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Neben
den vom Extensometer 14 bzw. der Messvorrichtung 12 gelieferten
Messwerten kann die Auswerteeinheit 18 weiterhin die auf
den Probenkörper 16 aufgebrachte
mechanische Belastung 22 und/oder die Umgebungsparameter 24 erfassen
und verarbeiten, welche jeweils die Messung beeinflussen. Die mechanische
Belastung 22 ist typischerweise eine Zugbelastung, welche
auf den länglichen Probenkörper 16 von
beiden Stirnseiten her einwirkt. Die Umgebungsparameter 24 sind
u. a. die Definition des Mediums (z. B. Hochtemperaturwasser – HTW), dessen
Sauerstoffgehalt (z. B. O2 = 0 ... 8 ppm),
die Mediumtemperatur (z. B. T = 25 ... 350°C) sowie der im Medium herrschende
Druck (z. B. p = 1 ... 170 bar).
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Die
schematische Darstellung der 2 verdeutlicht
das Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Messanordnung 10,
die wiederum eine Messvorrichtung 12 in Form des Extensometers 14 sowie
den länglichen,
stabförmigen
Probenkörper 16 umfasst, an
dem der Extensometer 14 fixiert ist. Das Extensometer 14 bzw.
die Messvorrichtung 12 bilden einen sog. Messbügel 26.
Dieser Messbügel 26 umfasst zwei
voneinander beabstandete Schenkel 28, die jeweils mittels
Befestigungselementen 30, bspw. in Gestalt von Klemmverbindungen 32,
am Probenkörper 16 befestigt
sind. In der 2 ist lediglich die obere Klemmverbindung 32 dargestellt,
während
die untere Klemmverbindung der Einfachheit halber weggelassen ist.
Die untere Klemmverbindung des unteren Befestigungselementes 30 ist
jedoch i. d. R. in gleicher Weise ausgebildet wie die obere Klemmverbindung 32.
Die Schenkel 28 sind so am Probenkörper 16 fixiert, dass
keine negativen Kerbwirkungen gebildet werden, welche die Festigkeit
des Probenkörpers 16 beim Zugversuch
oder auch seine Beständigkeit gegen
Rissinitiierung herabsetzen könnten.
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Die
symmetrisch zueinander angeordneten, jeweils L-förmigen Schenkel 28 münden jeweils
in kurze parallele Abschnitte 34, an die sich ein geschlossener,
kreisringförmiger,
elastischer Verbindungsabschnitt 36 anschließt, an dessen
Außenseite ein
Dehnungssensor 38 in Gestalt eines gegen Hochtemperaturwasser
resistenten, gekapselten Dehnmessstreifens 40 (sog. DMS)
mit seiner gesamten Fläche
aufliegend fixiert ist. Der Dehnmessstreifen 40 kann bspw.
auf dem Verbindungsabschnitt 36 aufgeklebt oder aufgeschweißt sein,
um die Federbewegungen auf den Dehnmessstreifen 40 zu übertragen.
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Der
Dehnmessstreifen 40 kann zusätzlich in einem verdichteten
oxidkeramischen Pulver eingebettet sein, wodurch die Übertragung
des Signals vom Verbindungsabschnitt 36 auf den Streifen 40 verbessert
wird. Hierdurch werden Verluste durch Relativbewegungen des Dehnmessstreifens 40 auf ein
Mindestmaß reduziert.
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Erkennbar
ist weiterhin eine elektrische Anschlussleitung 42 des
dehnungsempfindlichen Sensors 38 bzw. des Dehnmessstreifens 40,
die gegen Druck-, Temperatur- und/oder Medieneinfluss gekapselt
ist. Die elektrische Anschlussleitung 42 stellt eine Verbindung
zur Auswerteeinheit 18 (vgl. 1) her.
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Als
Material für
den Messbügel 26 und
den Verbindungsabschnitt 36 kommt bspw. ein geeigneter
Edelstahl in Frage, wodurch der Messbügel 26 eine ausreichende
Beständigkeit
bei seinem vorgesehenen Einsatz in sauerstoffhaltigem Hochtemperaturwasser
erhält.
Als Edelstahl für
den Messbügel eignet
sich bspw. eine Nickel-Chrom-Legierung mit guter Beständigkeit
gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Temperaturen. Zu den Einsatzfeldern
eines solchen Materials gehören
Bauteile für
die Nuklearindustrie. Der Messbügel
kann somit eine ausreichende Beständigkeit bei seinem vorgesehenen
Einsatz in sauerstoffhaltigem Hochtem peraturwasser aufweisen. Zudem
wird er bei kleinen Dehnungen im elastischen Bereich nicht durch
Spannungsrisskorrosionseffekte geschädigt.
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- 10
- Messanordnung
- 12
- Messvorrichtung
- 14
- Extensometer
- 16
- Probenkörper
- 18
- Auswerteeinheit
- 20
- Anzeigeeinheit
- 22
- mechanische
Belastung
- 24
- Umgebungsparameter
- 26
- Messbügel
- 28
- Schenkel
- 30
- Befestigungselement
- 32
- Klemmverbindung
- 34
- parallele
Abschnitte
- 36
- Verbindungsabschnitt
- 38
- Dehnungssensor
- 40
- Dehnmessstreifen
- 42
- Anschlussleitung