(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）試料（３）を固定することのできる１つの試料ホルダ（４、１４）と、
ｂ）前記試料（３）を加熱するために該試料（３）に配置される少なくとも１つの誘導コイル（５）と、
ｃ）前記試料（３）の温度を測定する少なくとも１つのセンサ（１１）と
を備える、金属試料を測定する膨張計（１）において、
ｄ）前記試料（３）の長さの変化を検出する光学測定装置（６、９）が備えられており、
ｅ）前記試料ホルダが、２つのクランプピン（４、１４、４’、１４’）を備え、該２つのクランプピン（４、１４、４’、１４’）の間に、前記試料（３）を長手方向においてクランプすることができ、
ｆ）前記光学測定装置（６、９）の測定面が、前記長手方向に対して略垂直に配置され、
ｇ）前記光学測定装置（６、９）が、測定面において長さの変化を検出し、前記センサ（１１）が、正確に該測定面のその領域において前記試料（３）の温度を測定し、
ｈ）前記少なくとも１つの誘導コイル（５）が、中心領域に隙間（Ｌ）を有し、前記光学測定装置の測定面が、該隙間（Ｌ）の領域に配置され、
ｉ）前記隙間（Ｌ）では前記誘導コイル（５）の巻線のピッチが、他のピッチよりわずかに大きくなるように選択されていることを特徴とする膨張計（１）。
【請求項２】
前記光学測定装置が、送信機（６）および受信機（９）を有し、前記温度を測定する前記センサ（１１）が、該受信機（９）に対向する側で前記試料（３）と接触することを特徴とする、請求項１に記載の膨張計。
【請求項３】
前記センサ（１１）が、前記試料（３）に対して先端で固定される熱電対として形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の膨張計。
【請求項４】
前記試料ホルダ（４、１４）を用いても、長手方向における前記試料（３）の長さの変化を検出することができることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の膨張計。
【請求項５】
前記光学測定装置の前記測定面が誘導コイルの巻線間にある、請求項１〜４のいずれか一項に記載の膨張計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に係る、金属試料を測定する膨張計に関する。
【背景技術】
【０００２】
長手方向において、金属試料が２つのクランプピンの間にクランプされる膨張計がある。試料は誘導コイルを用いて加熱され、長さの変化が２つのクランプピンに補助されて測定される。加えて、試料の温度は、試料の中心領域において検出される。この膨張計の欠点は、クランプピンと接触する試料の面から熱が試料の外部に移動し、その結果、試料内に温度勾配ができるため、測定温度と長さの変化との相関関係が影響を受けてしまうことである。特に、相変態を調べる場合には、この試料の外部への熱の移動によって、試料内で同時には相変態が起こらない場合がある。これは、例えば、相変態が周辺領域で始まったばかりなのに中心領域ですでに完了しているためである。その上、誘導磁界の非対称性も、この温度勾配に悪影響を与える。このような膨張計の場合、相転移を十全に検出することができないため測定は誤差を生じてしまう。これは、加熱速度が速い場合および冷却速度が速い場合に特に顕著である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、金属試料を測定する膨張計であって、温度に依存する長さの変化を正確に測定することができる膨張計を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１の特徴を有する膨張計によって達成される。
【０００５】
本発明によれば、膨張計は、試料の長さの変化を検出する光学測定装置を備える。これにより、長さの変化の非接触測定を行うことが可能になる。この非接触測定によって、測定点で熱の流出は生じない。さらに、光学測定装置を用いて、高精度で長さの変化を検出することができる。
【０００６】
光学測定装置によって、測定面における長さの変化を検出し、試料の温度を測定するセンサによって、この測定面の同じ領域における温度を測定するのが好ましい。その結果、長手方向に温度勾配がある場合でも、長さの変化を正確に測定することができる。これは、温度が、長さの変化を測定する領域で測定されるためである。これに関連して「長さの変化」を測定するということは、必ずしも試料の長手方向における測定を意味せず、試料の任意の方向における測定、好ましくは試料の長手方向を横切る方向の測定を意味する。センサによって、光学測定装置の測定面の領域における温度を検出することができる。なお、この領域内では、センサと測定面との間のわずかな空間が覆われており、前記わずかな空間は、測定に悪影響を与えない。
【０００７】
本発明のさらなる実施形態によれば、光学測定装置は、送信機と、受信機と、温度を測定する少なくとも１つのセンサとを有する。なお、この少なくとも１つのセンサセンサは、受信機に対向する試料の側の、光学測定装置の影または受信機から離れる方を向く試料の側に、配置される。このようにして、正確に測定面において温度測定を行うことができる。なお、センサは、影または送信機に対向する側に配置されるため、光学測定装置の邪魔にならない。光学測定装置によって測定される試料の周辺領域だけは、センサから離されているべきである。
【０００８】
光学測定装置の場合、送信機として、平行な経路のビームを生成するコリメータを備える光源を採用することができる。受信機として、センサを、例えば高速リニアＣＣＤセンサを使用して、試料の影の映像を検出することができる。したがって、温度を測定するセンサは、光学測定装置の「影となる領域」において、試料と接触することができ、そのため、長さの変化の測定を妨げない。
【０００９】
センサは、試料に対して先端で固定される熱電対として設計されるのが好ましい。熱電対の導体の断面が小さいため、これらの導体は、長期的な態様では試料の温度に影響を与えない。
【００１０】
少なくとも１つの誘導コイルは、優先的に中心領域に隙間を有し、光学測定装置の測定面は、この隙間の領域に配置される。このように、測定面は、試料の長手方向に対して垂直方向に配置することができる。なお、光学測定装置の測定面のための空間を設けるために、隙間の領域の誘導コイルの傾斜のみがわずかに増やされる。少なくとも１つの誘導コイルは任意の形状とすることができる。測定ビームによって、妨害されずに、試料の長さの変化を検出できるためには、光学測定装置のために中心領域に隙間を有する円形コイル、さらには平面コイルおよび特別に適合されたコイルが使用されるのが好ましい。加えて、巻線の均一な螺旋状の誘導コイルを用意し、巻線の傾斜に対して略平行に測定面を配置することによって、誘導コイルの領域に他より広い隙間を配置することを不要とすることも可能である。
【００１１】
試料ホルダは、長手方向において間に試料をクランプすることのできる２つのクランプピンおよび／または伝達ロッドを備えるのが好ましい。伝達ロッドを用いて、試料の長手方向における長さの変化を検出することもできる。加えて、このとき、光学測定装置によって、長手方向に対して略垂直に測定を行うことができる。
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら、実施形態にもとづき、本発明についてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る膨張計の概略図を示している。
【図２】試料の領域に関する、図１の膨張計の詳細な拡大図を示している。
【図３】温度プロファイルとともに、試料ホルダの領域における試料の拡大図を示している。
【図４】変更された試料ホルダを有する図１の膨張計の図を示している。
【図５】試料の領域に関する、図４の膨張計の図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
膨張計１は、筐体の内部に試料室２を備えており、そこでは、金属試料３が、第１のクランプピン４および第２のクランプピン１４によって形成されている試料ホルダにクランプされている。試料３は、円筒形ロッド、管状、正方形、多角形、または他の幾何学的形状であってもよい。以下、長手方向は、クランプピン４および１４の長手方向軸線に沿って伸びる方向であると解される。
【００１５】
試料室２に不活性ガスを供給すること、および／または試料室２を真空にすることができ、試料室２を熱的に絶縁することができ、また、試料室２は、本明細書ではさらに説明されない他の機能を有することができる。
【００１６】
試料３の長さの変化を測定するために、光学測定装置には、送信機６および受信機９が備わっている。送信機６は、光源、例えば高出力のＧａＮ  ＬＥＤを備える。この光源は一定の波長を有する光を放射し、その後、この光は、光学システム、例えばコリメータおよびディフューザを有する光学システムによって試料３に向けられる。このようにして、送信機６は、試料３の中心領域、すなわち、試料３の全長の約３０％〜７０％の範囲に入射する、帯状経路のビーム（ｂａｎｄ−ｓｈａｐｅｄ  ｂｅａｍ  ｐａｔｈ）７を放射する。
【００１７】
試料３から離れる方向を向く側では、帯状経路のビーム８が、受信機９に入射しており、そこでは、帯状経路のビーム８によって、試料３の影像が受信機９に投影されている。受信機として、試料３の長さを正確に検出する光学センサを、測定面の領域に配置することができる。なお、測定面は、帯状経路のビーム７および８によって形成されている。したがって、光学測定装置のこの測定面は、試料ホルダ４および１４の長手方向に対して略垂直に配置されている。
【００１８】
試料室２内には、試料３の周囲に配置された誘導コイル５がある。この誘導コイル５は、試料３の範囲を越えて長手方向に延在している。誘導コイル５を用いて、高速で、例えば１０００Ｋ／ｓ超の速度で試料３を加熱することができる。
【００１９】
さらに、試料３の加熱または冷却時に、試料の長手方向における長さの変化を検出することができる。これは、第２のクランプピン１４に連結された変位変換器１０が備えられており、そこで第２のクランプピン１４の移動が測定されるためである。第１のクランプピン４は、動かないように設計されている。
【００２０】
図２の拡大図に示されているように、熱電対の形態をしたセンサ１１が、試料３に配置され、前記センサ１１の先端が、例えばスポット溶接によって、試料３に固定されている。熱電対１１は、第１の導体１２および第２の導体１３を備える。導体１２および１３による熱損失が無視できるようにするために、これらの導体の断面は、試料３に対して非常に小さくなるように設計されている。
【００２１】
熱電対１１の先端は、光学測定装置の測定面の領域において、試料３の影となる領域に配置される。なお、前記測定面は、受信機９に対向している。このように、光学測定装置による長さの変化の測定も行われる位置において、試料３の温度が比較的正確に検出される。温度センサ１１は、正確に測定面のその領域に配置されるのが好ましい。
【００２２】
試料３を加熱するために、誘導コイル５が、試料３の周囲に巻き付けられている。ただし、この状況に適合する平面コイルまたは他の形状のコイルが使用されてもよい。光学測定装置の領域、すなわち、誘導コイル５の２つの隣り合う巻線間の測定面には、隙間Ｌが形成されている。巻線の影響を受けることなく、帯状経路のビーム７が試料３の面に入射でき、また帯状経路のビーム８が受信機９によって受信されることを可能にするために、この隙間Ｌでは、巻線のピッチが、他のピッチよりわずかに大きくなるように選択されている。誘導コイル５の２つの巻線間の隙間Ｌを小さくするために、帯状経路のビーム７および８を用いて、光学測定装置の測定面をわずかに傾けて配置することも可能である。このとき、測定面は、試料ホルダの長手方向に対して正確に垂直には配置されないことになる。
【００２３】
図３では、試料３は、試料ホルダの第１のクランプピン４と第２のクランプピン１４との間にクランプされている。試料３は、誘導コイル５によって加熱された。また、図に見ることができるように、試料３は、中心領域では１，０００℃の温度を有しており、他方、端の領域においては、明らかな熱流出（ｈｅａｔ  ｄｒａｉｎ）が第１のクランプピン４および第２のクランプピン１４の位置で生じているため、９９５℃の温度にしかならない。本膨張計の場合、この温度の差異ｄＴは、不正確な測定の原因とはなり得ない。これは、光学測定装置の測定面および試料の温度を測定するセンサが試料３の中心領域に配置されており、試料ホルダ４および１４におけるさらなる温度損失が発生しないためである。このようにして、特に金属試料の相転移、例えば高温度相（オーステナイト）と低温度相（マルテンサイト）との間の金属試料の相転移がある場合に、温度に依存する長さの変化を正確に測定することができる。
【００２４】
図１および図２には、温度変化によって試料３が膨張または収縮する焼入れモード（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ  ｍｏｄｅ）における膨張計１が示されている一方で、図４には、変形モードの図１の膨張計１が示されている。ここでは、同じ構成要素は、同じ参照符号を用いて示されている。変形モードにおける試料ホルダとして、試料３と比べて断面が著しく大きい第１のクランプピン４’および第２のクランプピン１４’が採用されている。これにより、例えば時間−温度変態図を生成するために、試料３を任意の特定の温度で圧縮し、その後、急速に冷却することが可能になる。誘導コイル５を用いて試料３を加熱することができる一方で、試料３に気体を噴き付ける（ｆｌｕｓｈ）ことによって、試料３を冷却できる。温度に依存する長さの変化は、送信機６および受信機９を有する光学測定装置を用いて測定することができる。
【００２５】
測定面の領域には、温度センサ１１が備え付けられている。この温度センサ１１は、図２に準じて設計され、また、送信機６の側において、試料３の中央領域に配置され、光学測定装置によって検出される端の領域には配置されない。
【符号の説明】
【００２６】
１…膨張計、２…試料室、３…金属試料、４…第１のクランプピン、５…誘導コイル、６…送信機、７、８…ビーム、９…受信機、１０…変位変換器、１１…温度センサ、１２…第１の導体、１３…第２の導体、１４…第２のクランプピン、Ｌ…隙間、ｄＴ…差異
［発明の項目］
［項目１］
ａ）試料（３）を固定することのできる１つの試料ホルダ（４、１４）と、
ｂ）前記試料（３）を加熱するために該試料（３）に配置される少なくとも１つの誘導コイル（５）と、
ｃ）前記試料（３）の温度を測定する少なくとも１つのセンサ（１１）と
を備える、金属試料を測定する膨張計（１）において、
ｄ）前記試料（３）の長さの変化を検出する光学測定装置（６、９）が備えられていることを特徴とする膨張計（１）。
［項目２］
前記光学測定装置（６、９）が、測定面おいて長さの変化を検出し、前記センサ（１１）が、正確に該測定面のその領域において前記試料（３）の温度を測定することを特徴とする、項目１に記載の膨張計。
［項目３］
前記光学測定装置が、送信機（６）および受信機（９）を有し、前記温度を測定する前記センサ（１１）が、該受信機（９）に対向する側で前記試料（３）と接触することを特徴とする、項目１または２に記載の膨張計。
［項目４］
前記センサ（１１）が、前記試料（３）に対して先端で固定される熱電対として形成されることを特徴とする、項目１〜３のいずれか一項に記載の膨張計。
［項目５］
前記少なくとも１つの誘導コイル（５）が、中心領域に隙間（Ｌ）を有し、前記光学測定装置の測定面が、該隙間（Ｌ）の領域に配置されることを特徴とする、項目１〜４のいずれか一項に記載の膨張計。
［項目６］
前記試料ホルダが、２つのクランプピン（４、１４、４’、１４’）を備え、該２つのクランプピン（４、１４、４’、１４’）の間に、前記試料（３）を長手方向においてクランプすることができることを特徴とする、項目１〜５のいずれか一項に記載の膨張計。
［項目７］
前記光学測定装置（６、９）の前記測定面が、前記長手方向に対して略垂直に配置されることを特徴とする、項目６に記載の膨張計。
［項目８］
前記試料ホルダ（４、１４）を用いても、長手方向における前記試料（３）の長さの変化を検出することができることを特徴とする、項目１〜７のいずれか一項に記載の膨張計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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