Kraftgesteuerte Messzelle für Dilatometeranwendungen

Wohlfahrt, Fabian GND

Werkstoffinnovation ist eine wesentliche treibende Kraft des 21. Jahrhunderts. Die Erforschung und Weiterentwicklung von Materialien führt zu höheren Anforderungen an Messgeräte, welche die zugehörigen Materialkenngrößen ermitteln. Im Bereich der Dilatometrie leitet sich ein Handlungsbedarf zur Reduzierung wesentlicher Störeinflüsse auf die Längenänderung von thermisch beeinflussten Proben ab. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Krafteinfluss während der Längenmessung stark zu verringern sowie Messabweichungen durch manuelle Bedienung zu eliminieren.
Im Rahmen der Arbeit werden für die Entwicklung einer kraftgesteuerten Messzelle systematisch Lösungen erarbeitet und bewertet. Die optimale Lösung wird konstruktiv umgesetzt und experimentell untersucht.
Die entwickelte Messzelle zeichnet sich durch eine deutlich reduzierte Messunsicherheit bei der Ermittlung der Probenausgangslänge und der thermisch induzierten Längenänderung aus. Die Bedienung wurde vereinfacht und der Einsatzbereich von Dilatometern erweitert.

Material innovation is an essential driving force of the 21st century. The research and development of innovative materials always extends their application fields and their resource-efficient use in technical structures. This general trend of continuing development of materials leads to higher requirements to the measuring devices which determine the corresponding material parameters. In the field of dilatometry, the length changes of thermally influenced materials are analyzed. The future and partially current metrological requirements for soft materials, for instance, can no longer be reliably fulfilled with existing technical realization possibilities. This results in a need for action with regard to technical and constructive development. The aim of this thesis is to present the current state of development for the measurement of thermally induced length changes and to work out possibilities for its further development. For this purpose, the field of work is delimited conceptually and in terms of content. By considering the state of the art, requirements for further development are inferred. The reduction of significant disturbance impacts on the sample’s length change plays a decisive role within the constructive development. A particular aim is to considerably reduce the influence of the contact force during the length measurement as well as to eliminate the influence resulting from manual operation. In this thesis, solutions for the development and realization of a force-controlled measuring cell are systematically developed and subsequently examined and evaluated on a step by step basis with regard to the fulfillment of the given requirements. From a methodical point of view, this work constitutes an approach for the targeted development of a force-controlled measuring cell. The functionality of the developed design is confirmed by experimental results within the metrological proof. The conclusion of this study contains an analysis of influencing factors as well as a summary of the characteristic features of the measuring cell, followed by an outlook on further development.

Werkstoffinnovation ist eine wesentliche treibende Kraft des 21. Jahrhunderts. Die Forschung und Weiterentwicklung von innovativen Materialien vergrößert stets deren Anwendungsbereich und den ressourceneffizienten Einsatz in technischen Gebilden. Dieser allgemeine Trend der Weiterentwicklung von Materialien führt zu höheren Anforderungen an Messgeräte, welche die zugehörigen Materialkenngrößen ermitteln. Im Bereich der Dilatometrie wird die Längenänderung von thermisch beeinflussten Materialien analysiert. Zukünftige und zum Teil bereits aktuelle messtechnische Anforderungen von z. B. weichen Materialien können mit bestehenden Möglichkeiten der technischen Realisierung nicht mehr sicher erfüllt werden. Hieraus leitet sich ein Handlungsbedarf hinsichtlich technischer und konstruktiver Weiterentwicklung ab. Ziel dieser Arbeit ist es, den aktuellen Entwicklungsstand zur messtechnischen Erfassung von thermisch induzierten Längenänderungen darzustellen und Möglichkeiten für dessen Weiterentwicklung zu erarbeiten. Hierzu wird das Arbeitsfeld begrifflich und inhaltlich abgegrenzt. Mithilfe einer Betrachtung des Standes der Technik werden Anforderungen für die Weiterentwicklung abgeleitet. Im Rahmen der konstruktiven Entwicklung spielt hierbei die Reduzierung wesentlicher Störeinflüsse auf die Längenänderung der Probe eine entscheidende Rolle. Ein besonderes Ziel besteht darin, den Krafteinfluss während der Längenmessung stark zu verringern sowie den Einfluss durch manuelle Bedienung zu eliminieren. In der vorliegenden Arbeit werden für die Entwicklung und Realisierung einer kraftgesteuerten Messzelle systematisch Lösungsräume erarbeitet sowie anschließend schrittweise hinsichtlich der Erfüllung der gegebenen Anforderungen untersucht und bewertet. Aus methodischer Sicht stellt diese Arbeit eine Vorgehensweise zur zielgerichteten Entwicklung einer kraftgesteuerten Messzelle dar. Die Funktionsfähigkeit des erarbeiteten Konstruktionsentwurfs wird durch experimentelle Ergebnisse im Rahmen des messtechnischen Nachweises bestätigt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden sowohl eine Einflussgrößenanalyse als auch eine Zusammenfassung ermittelter charakteristischer Eigenschaften der Messzelle gefolgt von einem Ausblick zur Weiterentwicklung.

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Wohlfahrt, Fabian: Kraftgesteuerte Messzelle für Dilatometeranwendungen. Ilmenau 2019. Universitätsverlag Ilmenau.

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