DD255060A3 - Vorrichtung zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beispielsweise von Glaesern, Metallen und anderen Werkstoffen. Es ist das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zweier Stoffe gleichzeitig bzw. die Differenz beider Stoffe mit hoher Genauigkeit bestimmt werden koennen. In einem Geruest aus Quarz erfolgt die Messung der Prueflinge. Die Prueflinge werden mechanisch angetastet und die temperaturabhaengige Laengenaenderung interferometrisch gemessen. Waehrend der Messung der Prueflinge sind die antastenden Quarzschubstangen federgefuehrt. Zur Anpassung der Messsysteme an unterschiedliche Prueflingslaengen koennen die Messsysteme in einer Gleitfuehrung aus Quarz verschoben werden. Die Versorgung der Interferometer mit Laserlicht und die Abtastung der Interferenzstreifen erfolgt ueber Lichtwellenleiter.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhängiger Längenänderungen bzw. zur Ermittlung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten beispielsweise von Gläsern, Metallen und anderen Werkstoffen. Mit ihr können Phasenumwandlungen und andere physikalische Effekte von Festkörpern untersucht werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen '

Die Messung der Längenänderung bei der Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt bei den bekannten Dilatometern in vielen fällen mittels induktiver Geber bzw. Differentialtransformatoren.

Nach DE-PS 2331113 stützt sich die Halterung einer Differential-Induktionsspule gegen eine Feder ab und kann durch eine Verstellschraube zur Einstellung des Nullpunktes verschoben werden.

Solche Geräte zeichnen sich durch einen relativen einfachen und robusten Aufbau aus, ihre Genauigkeit ist jedoch wegen der induktiven Längenmessung für viele Anwendungsfälle unzureichend. Es wurde daher von mehreren Autoren versucht, die bekanntermaßen präzisen interferometrischen Längenmeßverfahren in der Dilatometrie zu nutzen.

Nach DE-OS 2344822 ist bekannt, daß ein Prüfling auf einer Bezugsfläche in einer thermostatierten Kammer steht und die reflektierende Oberfläche des Prüflings sowie die Bezugsfläche optisch angetastet werden. Die reflektierten Strahlen werden überlagert und das entstehende Interferenzbild ausgewertet. Entsprechend DE-OS 2502086 können dem Prüfling und der , Bezugsfläche Spiegelkörper aufgesetzt werden.

Solche Anordnungen weisen wesentliche Nachteile auf. An die Qualität der Meßflächen der Prüflinge werden hohe Anforderungen gestellt, die mit Serienmessungen nur schwer zu erreichen sind. Bei Verlagerungen des Probekörpers und der optischen Bauteile, was bei großen Temperaturänderungen nicht auszuschließen ist, entstehen erhebliche Fehler. Diese Anordnungen sind des weiteren für Messungen in Gasatmosphären ungeeignet, da die entstehenden Brechzahlinhomogenitäten eine Auswertung des Interferenzbildes unmöglich machen.

Nach DD-PS 151023 ist bereits eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhängiger Längenänderungen vorgeschlagen worden, bei der der Prüfling mechanisch angetastet und die Längenänderung interferometrisch in einem thermostatierten Raum gemessen wird.

Bei dieser Anordnung entstehen z.T. Fehler bei der Anpassung der Einrichtung an stark unterschiedliche Prüfungslängen. Die erreichbare Auflösung ist insbesondere für Messungen bei kleinen Temperaturänderungen in vielen Fällen nicht ausreichend.

In der DE-OS 2605264 ist ein Differential-Dilatometer beschrieben, mit dem die unterschiedliche Ausdehnung zweier gleichlanger Prüflinge mittels induktiver Wegaufnehmer gemessen wird.

Mit dieser Anordnung können nur zwei gleich lange Prüflinge gemessen werden und eine getrennte Messung beider Proben ist nicht möglich. Die für die Führung der Schubstangen verwendeten Blattfedern sind sehr kompliziert und technologisch schwer herstellbar.

Ziel der Erfindung

DasZiel der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Messung temperaturabhängiger Längenänderungen zu schaffen, mit welcher die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zweier Stoffe gleichzeitig bzw. die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten beider Stoffe mit hoher Genauigkeit bestimmt werden können. Mit der Vorrichtung sollen zwei Präzisionsmessungen als auch Serienmessungen mit geringem Aufwand für die Prüflingsvorbereituhg möglich sein.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung thermischer Ausdehnungskoeffizienten höchster Genauigkeit von Prüflingen unterschiedlicher Abmessungen mit Hilfe optischer, mechanischer und elektronischer Bauelemente zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Quarzgrundplatte und eine Quarzoberplatte mittels vier in den Ecken eines Rechteckes parallel zueinander verlaufender Quarzrohre, beispielsweise durch Verschmelzen, fest miteinander verbunden sind. In der Quarzgrundplatte sind mehrere Quarzbolzen eingeschmolzen, auf denen die Prüflinge aufliegen. Auf der Quarzoberplatte sind zwei Quarzführungssäulen mit Hilfe von Quarzhalteplatten befestigt. Die Quarzführungssäulen dienen allgemein der Halterung der beiden Längenmeßsysteme für die beiden Prüflinge.

Die Quarzführungssäulen besitzen prismatische Führungsflächen, auf denen je ein Quarzführungskörper gleitet. Der Quarzführungskörper seinerseits besteht aus zwei Teilen, die an einer Stützplatte fest angeordnet sind. Die auf der Quarzführungssäule geführten Teile werden mittels einer Klemmvorrichtung in einer von der Prüflingsabmessung abhängigen Lage fixiert. Mit den Stützplatten sind jeweils Optik-Quarz-Montageplatten verbunden. Die Optik-Quarz-Montageplatten dienen der Halterung der optischen Teile der Interferometeranordnungen. In den oberen und unteren Enden der Stützplatten sind Federn der Federführung befestigt. Die andere Anlenkung der Federführungen erfolgt an den oberen und unteren Enden der geführten Führungsteile. Die Führungsteile beider Meßsysteme sind je mit einer Quarzplatte verbunden. Auf jeder Quarzplatte sind jeweils zwei kippinvariante Reflektoren als weitere Bestandteile der Interferometer sowie die Quarzschubstangen, welche sich jeweils an ihren freien Enden im mechanischen Kontakt mit den Prüflingen befinden, fest angeordnet. Auf der Optik-Quarz-Montageplatte sind der optische Teiler, bestehend aus zwei planparallen Glasplatten, die miteinander verkittet sind und eine teildurchlässige Schicht einschließen, zwei Umlenkspiegel, ein Umlenkprisma, ein Reflektorspiegel und ein Halteklotz beispielsweise durch Kleben fest angebracht. An dem Halteklotz ist ein weiterer Reflektorspiegel angeklebt. Die Umlenkspiegel sind so angeordnet, daß ihre Reflexionsflächen mit der teildurchlässigen Schicht des optischen Teilers jeweils einen Winkel α einschließen. Die benötigte Laserstrahlung wird über Lichtwellenleiter in das Interferometer eingekoppelt. Dazu befindet sich an einem Ende des Lichtwellenleiters ein optisches Einkoppelsystem zur Einkoppelung der Laserstrahlung und am anderen Ende ein optisches Auskoppelsystem, das fest an der Optik-Quarz-Montageplatte angebracht ist. Je zwei weitere Lichtwellenleiter sind im Interferenzbiid in unmittelbarer Nähe des optischen Teilers fest auf der Optik-Quarz-Montageplatte angeordnet. Am Ausgang der Lichtwellenleiter sind fotoelektrische Detektoren angeschlossen. Dehnen sich die Prüflinge infolge von Temperaturänderungen aus, so übertragen sie ihre Längenänderungen auf die Quarzschubstangen. Diese verschieben die Führungsteile einschließlich der Quarzplatten mit den kippinvarianten Reflektoren der Federführungen translatorisch. Die über einen Lichtwellenleiter in das Interferometer eingekoppelte und mit einem optischen Auskoppelsystem parallel ausgerichtete Laserstrahlung wird am optischen Teiler in zwei gleiche Bündel aufgeteilt. Beide Teilbündel werden mittels eines Umlenkspiegels und eines Umlenkprismas auf die kippinvarianten Reflektoren geleitet, gelangen auf das Umlenkprisma noch einmal und werden an den Reflektorspiegeln reflektiert, durchlaufen Umlenkprisma, kippinvarianten Reflektor, Umlenkprisma und Umlenkspiegel erneut, treffen auf den optischen Teiler und interferieren miteinander. Der Abstand und die räumliche Lage der Interferenzstreifen, die unmittelbar hinter dem optischen Teiler entstehen, werden durch die Lagen der reflektierenden Oberflächen der Reflektorspiegel bestimmt. Zur Einstellung des gewünschten Interferenzbildes wird der eine Reflektorspiegel justiert und anschließend durch Kleben fixiert. Dehnen sich die Prüflinge aus, dann bewegen sich die kippinvarianten Reflektoren gegenläufig inbezug auf das Umlenkprisma. Die Folge ist, daß die Interferenzstreifen parallel auswandern und ihre Anzahl ein eindeutiges Maß für die Längenänderung der Prüflinge ist. Mit Hilfe von zwei Lichtwellenleitern wird das Interferenzbild so abgetastet, daß zwei um 90° phasenverschobene optische Signale am Ausgang der Lichtwellenleiter entstehen.

Durch zwei an den Enden der Lichtwellenleiter angebrachte fotoelektrische Detektoren werden die optischen Signale in elektrische umgewandelt. Um Prüflinge unterschiedlicher Längen vermessen zu können, werden Quarzführungskörper, an denen die Federführungen befestigt sind, längs der Quarzführungskörper verschoben. In der entsprechenden Lage werden die Führungskörper mittels Klemmvorrichtungen lagegesichert.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig.1: Gesamtaufbau der Vorrichtung

Fig.2: Klemmvorrichtung

Fig.3: Interferometeranordnung j

In Übereinstimmung mit Fig. 1 sind die Quarzgrundplatte 1 und die Quarzoberplatte 2 durch vier eingeschmolzene Quarzrohre 2, welche in den Ecken eines Rechtecks angeordnet sind und zueinander parallel verlaufen, verbunden. Auf der Quarzoberfläche 2 sind mit Hilfe der Quarzhalteplatten 5 zwei Quarzführungssäulen 4 befestigt. Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, besitzen die Quarzführungssäulen 4 prismatische Führungsflächen 6. Auf den prismatischen Führungsflächen 6 gleiten die aus zwei Teilen bestehenden Quarzführungskörper 7, welche durch die Stützplatten 8 gehaltert werden. Zur Anpassung an die vorhandene Prüflingslänge werden die Quarzführungskörper 7 längs der Führungsflächen 6 verschoben und anschließend mit der Klemmung 9, welche aus Klemmbügel 9.1, Klemmstück 9.2 und Klemmschraube 9.3 besteht, lagefixiert. Nach Fig. 1 sind an den Stützplatten 8 die Optik-Quarz-Montageplatten 10 fest angeordnet. Die Optik-Quarz-Montageplatten 10 dienen der Halterung der optischen Teile der Interferometeranordnungen. Anden oberen und unteren Ende der Quarzführungskörper 7 und der Stützplatten 8 sind die Federn der Federführungen 11 angelenkt. Die andere Anlenkung der Federführungen 11 erfolgt an den oberen und unteren Enden der geführten Führungsteile 12. Die Führungsteile 12 beider Meßsysteme sind je mit einer Quarzplatte 13 verbunden. Auf jeder Quarzplatte 13 sind zwei kippinvariante Reflektoren 14 als Bestandteile der Interferometer sowie die Quarzschubstangen 15, welche sich im mechanischen Kontakt mit den Prüflingen 16 befinden, die sich auf die Quarzbolzen 17 abstützen, fest angeordnet.

Auf der Optik-Quarz-Montageplatte 10 (Fig. 3) sind der optische Teiler 18, bestehend aus zwei planparallelen Glasplatten 18.1 und 18.2, die miteinanderverkittet sind und eine teildurchlässige Schicht 19 einschließen, zwei Umlenkspiegel 20, ein Umlenkprisma 22, ein Reflektorspiegel 21 und ein Halteklotz 24 fest angebracht. An dem Halteklotz 24 ist ein weiterer Reflektorspiegel 23 so angeklebt, daß der gewünschte Interferenzstreifenabstand entsteht.

Die Umlenkspiegel 20 sind so angeordnet, daß ihre Reflexionsflächen mit der teildurchlässigen Schicht 19 des optischen Teilers 18 einen gleichgroßen Winkel einschließen. Die benötigte Laserstrahlung wird über Lichtwellenleiter 26 in das Interferometer eingekoppelt. Dazu befindet sich an einem Ende des Lichtwellenleiters 26 ein optisches Einkoppelsystem 28, das dem Laser 25 zugewandt ist, und am anderen Ende ein optisches Auskoppelsystem 27 zur parallelen Ausrichtung der Laserstrahlen. Zur richtungsabhängigen Zählung der Interferenzstreifen sind zwei weitere Lichtwellenleiter 29 und 30 im Interferenzbild 21 in unmittelbarer Nähe des optischen Teilers 18 fest auf der Optik-Quarz-Montageplatte 10 angeordnet. Die um 90° phasenverschobenen optischen Signale am Ausgang der Lichtwellenleiter 29 und 30 werden mit Hilfe fotoelektrischer Detektoren 32 und 33 in elektrische Signale umgewandelt.

Mittels der Thermostaten 34 werden die Prüflinge 16 verschiedenen Temperaturen ausgesetzt. Hierbei verändern sich die Längen der Prüflinge 16. Diese Längenänderungen werden auf die Quarzschubstangen 15 übertragen. Die Folge ist, daß sich die Führungsteile 12 einschließlich der Quarzplatten 13 mit den kippinvarianten Reflektoren 14 der Federführungen 11 translatorisch verschieben. Die Laserstrahlung wird am optischen Teiler 18 in zwei gleiche Bündel aufgeteilt. Beide Teilbündel werden mittels eines Umlenkspiegels 20 und eines Umlenkprismas 22 auf die kippinvarianten Reflektoren 14 geleitet, gelangen auf das Umlenkprisma 22 noch einmal und werden an den Reflektorspiegeln 23 und 21 reflektiert, durchlaufen Umlenkprisma 22, kippinvarianten Reflektor 14, Umlenkprisma 22 und Umlenkspiegel 20 erneut, treffen auf den optischen Teiler 18 und interferieren miteinander. Bei Längenänderungen der Prüflinge 16 bewegen sich die kippinvarianten Reflektoren 14 in bezug auf das Umlenkprisma 22 gegenläufig. Die Folge ist, daß die Interferenzstreifen parallel auswandern und ihre Anzahl ein eindeutiges Maß für die Längenänderungen der Prüflinge darstellt.

Claims (1)

1. Vorrichtung zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, bestehend aus Proben-Quarzhalter, Quarzschubstangen, optischen Bauteilen, kippinvarianten Reflektoren und Federführungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Quarzgrundplatte (1) und eine Quarzoberplatte (2) mittels vier in den Ecken eines Rechteckes angeordneter und zueinander parallel verlaufender Quarzrohre (3), beispielswiese durch Verschmelzen, miteinander fest verbunden sind, daß auf der Quarzoberplatte (2) zwei Quarzführungssäulen (4) mit Hilfe der Quarzhalteplatten (5) befestigt sind, daß die Quarzführungssäulen (4) prismatische Führungsflächen (6) besitzen, daß auf diesen Führungsflächen (6) je ein aus zwei Teilen bestehender Quarzführungskörper (7) angeordnet und an den Stützplatten (8) befestigt ist, daß die geführten Teile, Quarzführungskörper (7) und Stützplatte (8) mittels der aus Klemmbügel (9.1), Klemmstück (9.2) und Klemmschraube (9.3) bestehenden Klemmung (9) fixierbar sind, daß mit den Stützplatten (8) jeweils die Optik-Quarz-Montageplatten (10) fest verbunden sind, daß weiterhin an den Quarzführungskörpern (7) und den Stützplatten (8) mittels Federführungen (11) Führungsteile (12) geführt sind, daß mit den Führungsteilen (12) jeweils eine Quarzplatte (13) verbunden ist, daß an den Quarzplatten (13) jeweils zwei kippinvariante Reflektoren (14) und daß eine Ende der Quarzschubstange (15) fest angeordnet sind und daß die Quarzschubstangen (15) jeweils an ihren freien Enden mit je einem Prüfling (16) sich im mechanischen Kontakt befinden, daß sich die Prüflinge (16) auf den Quarzbolzen (17) abstützen, daß auf den Optik-Quarz-Montageplatten (10) ein optischer Teiler (18), bestehend aus zwei planparallelen Glasplatten (18.1) und (18.2), die miteinander verkittet sind und eine teildurchlässige Schicht (19) einschließen, zwei Umlenkspiegel (20), deren Reflexionsflächen mit derteildurchlässigen Schicht (19) jeweils einen Winkel α einschließen, ein Reflektorspiegel (21), ein Umlenkprisma (22) und ein Halteklotz (24) fest angeordnet sind und daß der Reflektorspiegel (23) an dem Halteklotz (24) beispielsweise durch Kleben befestigt ist, daß zwischen Laser (25) und den Optik-Quarz-Montageplatten (10) je ein Lichtwellenleiter (26) angeordnet ist, wobei das eine Ende des Lichtwellenleiters (26) mit einem optischen Auskoppelsystem (27) verbunden ist und dieses fest an der Optik-Quarz-Montageplatte (19) angebracht ist und das andere Ende des Lichtwellenleiters (26) mit einem optischen Einkoppelsystem (28) verbunden ist und dieses fest an dem Laser (27) angebracht ist, daß je zwei weitere Lichtwellenleiter (29,30) mit den einen Enden im Interferenzbild (31) angeordnet und mit der Optik-Quarz-Montageplatte (10) fest verbunden sind und an den anderen Enden jeweils Fotodetektoren (32,33) angebracht sind.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen