Dehnungsmessstreifen, insbesondere zur Verwendung bei hohen Temperaturen, und Verfahren zum Herstellen desselben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen insbesondere zum Verwenden bei hohen Temperaturen bestimmten Dehnungsmessstreifen, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Bekannte Dehnungsmessstreifen bestehen aus einer Leiteranordnung mit parallelen, in einen Träger aus Papier oder Kunststoff eingebetteten, sehr dünnen Widerstandsdrähten, die mit einem Klebstoff auf die zu messende Stelle aufgeklebt werden. Dehnt sich die Oberfläche des Objektes, so werden auch die Drähtchen im gleichen Mass gedehnt. Schickt man nun einen Strom durch die Leiteranordnung, so fällt die spezifische elektrische Widerstandsänderung etwa doppelt so gross aus wie die Dehnung.
Ist die zu messende Stelle hohen Temperaturen ausgesetzt, so muss nicht nur der Klebstoff, mittels welchem die Leiteranordnung auf die Messstelle aufgeklebt wird, diese hohen Temperaturen aushalten können, sondern der Streifen soll auch, aus praktischen Überlegungen heraus, derart hergestellt werden, dass die Leiteranordnung nicht direkt auf die Messstelle zu wickeln ist. Die für hohe Temperaturen bestimmten Klebstoffe sind jedoch im allgemeinen keramischer Art, so dass die Schwierigkeiten der Herstellung eines solchen Streifens, der schnell und sicher auf das Prüfstück aufgebracht werden kann, noch vermehrt werden. Dieses Problem der Schaffung eines geeigneten Messstreifens und dessen Aufbringung auf das Prüfstück wird noch schwieriger, wenn der Messstreifen für statische Messungen bei hohen Temperaturen bestimmt sein soll.
Bei gewissen früheren Versuchen zur Verwendung von keramisch montierten Messstreifen wurde die Leiteranordnung anfänglich in einem Träger aus keramischem Material genügender Dicke eingebettet, damit es nach dem Härten, z. B. durch Lufttrocknung, Backen oder Brennen, wodurch die Leiteranordnung und deren Träger zu einer permanenten Einheit miteinander verbunden werden, eine ausreichende Festigkeit erhält. Dieser Streifen wird dann mit weiterem keramischem Klebstoff auf das Prüfstück aufgeklebt. Solche und weitere bekannte Versuche benötigen einen Permanentträger, da sie für die Leiteranordnung feinen Widerstandsdraht verwendeten. Nun kann aber Draht, wenn hin und her gewickelt, zufolge seiner Nachfederung die gewünschte Form nicht beibehalten, es sei denn, er wird durch einen Träger in allen Richtungen fest abgestützt.
Diese Funktion wurde bis anhin durch einen keramischen Träger ausgeübt, in den die Leiteranordnung permanent eingebettet war. Ein solcher keramischer Träger ist aber natürlich zerbrechlich oder brüchig und muss daher mit Sorgfalt behandelt werden. Überdies kann er nicht in nen- nenswertem Ausmass über eine gekrümmte Prüfoberfläche gebogen werden.
Diese beim Verwenden eines keramischen Trägers auftretenden Schwierigkeiten sollen durch den Dehnungsmessstreifen gemäss der Erfindung behoben werden, der auch, genau wie solche mit einem Papierträger, auf gekrümmte Flächen aufgeklebt werden kann.
Demgemäss zeichnet sich der Dehnungsmessstreifen nach der Erfindung dadurch aus, dass eine biegsame Trägermembran derart lösbar mit der Leiteranordnung verbunden ist, dass die Membran vom einen Ende der Leiteranordnung ausgehend umlegbar und von dieser abziehbar ist, wodurch die Leiteranordnung auf einer mit Klebstoff versehenen Fläche eines Prüfstückes belassen werden kann.
Das Verfahren zum Herstellen des Dehnungsmessstreifens besteht darin, dass auf die eine Seite eines Blattmetallstückes ein lösbarer, klebender Film aus biegsamem Material aufgespritzt und die Leiteranordnung aus dem Blattmetall ausgeätzt wird.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Untersicht auf eine an eine biegsame Trägermembran aufgebrachte Leiteranordnung, und
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Streifens beim Aufbringen auf ein Prüfstück, wobei auch das Übertragen der Leiteranordnung durch Abziehen der biegsamen Membran veranschaulicht ist.
Der in Fig. 1 veranschaulichte Dehnungsmessstreifen weist eine Leiteranordnung 1 auf, die aus Blattmetall besteht und verbreiterte Endlappen 8 besitzt. Die Leiteranordnung 1 kann aus irgendeinem für Dehnungsmesser geeigneten Material bestehen, wie es im Handel unter den Bezeichnungen Nichrome (eingetragene Marke), Karma , Advance usw. bekannt ist. Bei der Herstellung des Dehnungsmessstreifens geht man von einem Blattmetallstück von beispielsweise 0,01 mm Dicke aus, das die erforderliche Festigkeit und andere Eigenschaften vergleichbar mit jenen der jetzt auf dem Markt erhältlichen Dehnungsstreifen liefert; aber diese Dicke kann je nach dem verwendeten Material und der gewünschten Festigkeit anders gewählt werden. Das Blattmetallstück weist natürlich eine Breite auf, die das gleichzeitige Herstellen vieler Leiteranordnungen gestattet.
Das Blattmetallstück wird zuerst gründlich gewaschen mit einem der üblichen Lösungsmittel, wie z. B. Azeton, und dann auf eine relativ steife Unterlage, z. B. ein Phenolblatt, gelegt, wobei die Ränder des Blattmetallstückes mittels Klebstreifen auf der Unterlage festgehalten werden. Dann wird eine dünne Schicht eines an sich bekannten, beim Photographieren allgemein verwendeten lichtempfindlichen Materials, das nur für intensives Licht, wie z. B. Bogenlicht, empfindlich ist, auf das Blattmetallstück aufgebracht. Ein solches Material wird z. B. von der Eastman Kodak Company hergestellt und unter der Handelsbezeichnung Kodak Photo Resist auf den Markt gebracht.
Dieses lichtempfindliche Material wird gleichmässig auf dem Blattmetallstück ausgebreitet, indem dieses mit der Auftrags seite nach unten gekehrt z. B. in eine Schwingmaschine gebracht wird, die eine Reihe von Infrarotlampen zum Trocknen des Materials aufweist. Es hat sich gezeigt, dass beim Herumschwingen für zirka drei Minuten das lichtempfindliche Material gleichmässig über die Blattmetalloberfläche verteilt und gleichzeitig getrocknet wird.
Das überzogene Blattmetallstück wird dann von der Unterlage abgehoben und in einen Kopierrahmen gebracht, mit der überzogenen, lichtempfindlichen Seite gegen das Licht gekehrt. Auf diese lichtempfindliche Seite wird dann ein durchsichtiges Messstreifenmuster gelegt, das vorzugsweise ein photographisch verkleinertes Negativ ist, hergestellt von einer vergrösserten Zeichnung einer Dehnungsmessstreifen Leiteranordnung von der gewünschten, an sich bekannten Form. Das Muster wird vom Glasteil des Druckrahmens gegen das Blattmetallstück gehalten und während einer angemessenen : Zeitspanne dem Licht einer Kohlen-Bogenlampe ausgesetzt, so dass das Bild der Leiteranordnung auf den lichtempfindlichen Überzug kopiert wird.
Das Blattmetallstück wird dann aus dem Kopierrahmen herausgenommen und mit einem an sich bekannten Entwickler z. B. Kodak Photo Resist - Entwickler oder Trichloräthylen, entwickelt, um das Bild festzulegen und den nichtbelichteten Teil des lichtempfindlchen Materials wegzuwaschen. Zum Schluss wird dann das Bild mit einem an sich bekannten säurefesten Farbstoff, z. B. demjenigen des genannten Entwicklers, gefärbt und der überschüssige Farbstoff mit Wasser weggewaschen. Der auf dem Blattmetallstück zurückbleibende Farbstoff deckt und schützt das gedruckte Bild der Leiteranordnung, so dass der übrige Teil des Blattmetallstückes weggeätzt werden kann.
Das Ätzen geht so vor sich, dass zuerst das Blattmetallstück mit der behandelten Seite nach unten auf ein sauberes Papier gelegt wird und seine Ränder mit Deckstreifen auf diesem Papier festgehalten werden. Die nackte Rückseite des Blattmetallstückes wird dann mit einer Lösung eines biegsamen Kunststoffes bespritzt, um darauf einen wenigstens annähernd gleichmässigen Film zu bilden, der sowohl die Rückseite des Blattmetallstückes schützt wie auch eine Trägermembran für die Leiteranordnung liefert, die beim Aufkleben der Leiteranordnung auf ein Prüfobjekt abgelöst wird. Nach genügendem Trocknen des Kunststoffilmes werden der Film und das Blattmetallstück zusammen vom Papier abgenommen, mit der Kunststoffseite auf ein verhältnismässig steifes Blatt von säurefestem Material aufgelegt, und die Ränder des Blattmetallstückes mit Deckstreifen auf diesem Blatt befestigt.
Das Blatt kann eine Glasplatte, irgendein Phenolmaterial oder dergleichen sein.
Das Blatt bzw. die Platte und das darauf befestigte Blattmetallstück werden dann in eine Atz- lösung, z. B. Chloreisen, gebracht, bis die unbelichtete Fläche des Blattmetallstückes, das heisst die ausserhalb der Leiteranordnung liegende Fläche, weggeätzt ist, und die Leiteranordnung 1 auf der kontinuierlichen, biegsamen Trägermembran 2 zurückbleibt. Der Überschuss von Chloreisen und säurefestem Farbstoff wird natürlich weggewaschen. Die biegsame Kunststoffmebran ist vorzugsweise eine auf der Basis der bekannten, auf dem Markt erhältlichen Kunstharze, die eine provisorische Adhäsion liefern und abziehbar sind.
Soche Überzüge werden allgemein zum Schutz von Maschinen oder Teilen derselben verwendet, und ein Beispiel hiefür ist das Produkt EC-1220 der Minnesota Mining Machinery Co. . Das Lösungsmittel für solches Kunstharz ist Methyl-Isobutylketon. Für solche Schutzüberzüge kann auch ein gummiertes Material verwendet werden, ebenso wie ein Epoxyharz. Beim Verwenden des letzteren muss zuerst ein dünner Film von nichtklebendem Material, z. B. Mineralöl, auf die Rückseite des Blattmetallstückes aufgetragen werden, bevor das Epoxyharz aufgespritzt wird, und letzteres haftet genügend an diesem Ölfilm, um die fertige Leiteranordnung festzuhalten. Ein weiteres Beispiel eines im Handel erhältlichen Harzes ist Masking Compound 200-9173 der E.
I. du Pont de Nemours & Co., das zum Abdecken von Automobilen vor dem Malen verwendet wird und zur Hauptsache aus 20 ovo Polyvinylazetat, einer kleinen Menge von Weichmacher und Schmieröl mit einem Lösungsmittel von aromatischem Kohlenwasserstoff und einer kleinen Menge von Mineralspiritus besteht. Alle diese Überzüge widerstehen den Ätzlösungen, so dass eine ununterbrochene, kontinuierliche Trägermembran für die Leiteranordnung des Dehnungsmessstreifens entsteht, die biegsam und abziehbar ist.
Die von diesen oder anderen Überzügen allein oder in Verbindung mit einem Zwischenfilm, wie das Mineralöl, ausgeübte Funktion besteht darin, dass sie mit dem Blattmetall genügend Oberflächenadhäsion besitzen, um die Leiter anordnung beim Ätzen festzuhalten, und dass sie dennoch leicht von dieser Leiteranordnung ablösbar sind beim Aufbringen derselben auf ein Prüfstück.
Um die Leiteranordnung 1 des auf die beschriebene Weise hergestellten Dehnungsmessers auf ein Prüfstück 3 (Fig. 2) aufzubringen, wird zuerst die Oberfläche des letzteren gründlich gereinigt und z. B. bei 4 mit einem der an sich bekannten Klebstoffe, z. B. Sauereisenzement, bestrichen. Hierfür kann eine grosse Zahl von Klebstoffen mit keramischem oder anderem Charakter verwendet werden, je nach der Temperatur, bei der der Dehnungsmessstreifen benützt werden soll. So besitzt z. B. ein bis auf 1000" C verwendbarer Klebstoff als Grundlage einen keramischen Überzug, der unter der Bezeichnung National Bureau of Standards A-418 bekannt ist, dem zwecks Regulierens des Ausdehnungskoeffizienten eine Spur Borsilikat beigegeben wird. Dieser Klebstoff muss bei 980 bis 10400 C gebrannt werden.
Es kann jedoch ein luftgetrockneter Klebstoff der Zusammensetzung erzeugt werden, indem anstelle des Wassers Natriumsilikat verwendet wird. Die Menge des zugesetzten Wassers oder Natriumsilikates ist nicht kritisch, da sie nur die Konsistenz des Klebstoffes bestimmt.
Nachdem der Klebstoff auf das Prüfstück aufgebracht worden ist, wird die biegsame Membran 2 mit der Leiteranordnung 1 nach unten gekehrt, auf die mit Klebstoff bestrichene Fläche 4 gelegt und mit den Fingern oder einem geeigneten Instrument leicht flachgedrückt, wobei die Leiteranordnung 1 in den weichen Klebstoff gedrückt wird. Die biegsame Trägermembran 2 wird dann sorgfältig von der Leiteranordnung gelöst, indem der Rand am einen Ende der Membran entweder mit den Fingern oder mit einer Pinzette 5 erfasst und die Membran umgelegt wird, wie das bei 6 gezeigt ist. Beim Ablösen der Membran bleibt die Leiteranordnung im Klebstoff eingebettet zurück. Die Fähigkeit der Membran, sich umlegen zu lassen zwecks Abziehens von der Leiteranordnung list ein wichtiger Punkt in der Beziehung zwischen Leiteranordnung und Membran.
Sollte die Leiteranordnung beim Ablösen der Membran das Bestreben haben, sich mit letzterer abzuheben, oder sollte es sich als angebracht erweisen, das Abtrennen der Leiteranordnung von der Membran zu unterstützen, so kann ein Draht 7 oder eine Messerklinge benützt werden zum Herbeiführen der anfänglichen Trennung der Leiteranordnung und zum Festhalten derselben im Klebstoff, während die Membran sachte weiter abgelöst wird. Falls erwünscht, kann beim weiteren Ablösen der Membran die Leiteranordnung vom Messer fortlaufend im Klebstoff niedergehalten werden, bis die Membran ganz losgelöst ist. Bei Epoxyharzmembranen ist der Mineralölfilm zur Trennung erforderlich, denn ohne diesen Film würde das Epoxyharz fest an der Leiteranordnung haften.
Das Epoxyharz, sogar mit diesem Ölfilm, lässt sich nicht so sauber abtrennen wie das erwähnte EC-1220 Material oder die gummiartigen Zusammensetzungen, und aus diesem Grund werden die beiden letzteren Materialien bevorzugt. Nachdem die Leiteranordnung völlig mit Klebstoff überdeckt worden ist, werden elektrische Leitungsdrähte an die verbreiterten Lappen 8 angeschweisst oder gelötet.
Da das Blattmetallstück, wenn die biegsame Membran aufgelegt wird, nur eine einzige, ebene Fläche darbietet, gewährleistet das nachfolgende Ätzen, dass die Ränder jedes einzelnen Stranges der Leiteranordnung 1 ganz frei über der Trägermembranfläche liegen. Das Ergebnis ist, dass beim Ablösen der Membran 2 von der Leiteranordnung 1 nur der ursprüngliche Flächenkontakt zwischen Membran und Leiteranordnung aufgehoben werden muss, wobei die Ränder der Leiteranordnung nicht in der Membran eingebettet sind bzw. von dieser festgehalten werden, wie dies beim Verwenden eines runden Drahtes zutreffen würde, wodurch sich eine Unterschneidung ergäbe und die Membran mechanisch mit dem Draht verbunden würde.
Es hat sich gezeigt, dass diese ebene Fläche zwischen Blattmetall und Membran die erforderliche maximale Freiheit zum Loslösen der Membran von der Leiter anordnung beim Aufbringen auf die mit Klebstoff versehene Prüffläche ergibt und gewährleistet, dass die Leiteranordnung beim Aufliegen auf einer ebenen oder gekrümmten Prüffläche und beim Ablösen der Trägermembran 2 ihre Gestalt nicht verändert.
Aus obiger Beschreibung geht hervor, dass ein hochwirksamer Dehnungsmessstreifen geschaffen worden ist, nebst einem Verfahren zum Herstellen und Aufbringen desselben auf eine ebene oder gekrümmte Fläche eines Prüfstückes. Mit diesem Verfahren kann die Leiteranordnung des Messstreifens leicht von der biegsamen Trägermembran auf eine Klebstofffläche übertragen werden, die von keramischer oder ande rer hochhitzebeständiger Natur ist, ohne aber die Nachteile und Risiken der Sprödigkeit gewöhnlicher keramischer Materialien aufzuweisen.
Der beschriebene Messstreifen und das beschriebene Verfahren ermöglichen eine maximale Leichtigkeit beim Handhaben des Streifens mit minimaler Beschädigungsmöglichkeit, und liefern einen Messstreifen von relativ einfacher und wirtschaftlicher Konstruktion und Verwendung, wobei aber die mannigfach wünschbaren Eigenschaften der zusammengekitteten Dehnungsmessstreifen mit Drahtnetz nicht aufgegeben werden müssen.