Hinweise zur Installation von Dehnungsmessstreifen (DMS)

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1 Hinweise zur Installation von Dehnungsmessstreifen (DMS) von Karl Hoffmann w de

2 Besonderer Hinweis Die in dieser Broschüre genannten oder empfohlenen Verfahren und Stoffe sind nach Kenntnis und Erfahrung zuverlässig und geeignet für den beschriebenen Zweck und entsprechen dem Stand der Technik. Sie sind als Hilfe und Ratschläge für den Anwender von Dehnungsmessstreifen zu verstehen. Bei der Vielfalt der Anwendungen und der Komplexität der Bedingungen kann eine Garantie jedoch weder seitens der Firma Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, noch seitens des Autors übernommen noch können Haftungsansprüche irgendwelcher Art daraus abgeleitet werden. Für kritische Fälle wird deshalb ein die speziellen Bedingungen berücksichtigender Vorversuch empfohlen. Die Beachtung einschlägiger Sicherheits- und Betriebsvorschriften ist Sache des Anwenders. Weder dem Herausgeber noch dem Autor sind Schutzrechte bekannt, welche durch die Empfehlungen berührt würden, doch kann dies nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Anmerkung: Zahlen in eckigen Klammern (z.b. [1]) verweisen auf das Schrifttum erweiterte Fassung 1984 Gedruckt in der Bundesrepublik Deutschland Alle Rechte vorbehalten. Vollständige oder teilweise Vervielfältigung jeglicher Art sowie Übersetzungen bedürfen der schriftlichen Zustimmung des Autors oder des Herausgebers. Das Fotokopieren von Auszügen für den persönlichen Bedarf ist erlaubt. 2

3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Die Installation von DMS Aufgabe und Wirkungsweise der Befestigungsmittel Bindemittel-Arten Charakteristika der verschiedenen HBM-DMS-Klebstoffe Anwendung der Bindemittel Klebeflächen-Vorbereitung bei Metallen Klebeflächen-Vorbereitung bei Nichtmetallen Anwendung von DMS in der Medizin Vorbereiten der DMS Klebevorgang Vorsichtsmaßnahmen Anschließen der Kabel Lötgerät, Lötmittel, Schaltmittel Lötkolben Lötspitzen Lote (Weichlote) Flussmittel Lötstützpunkte Leitungsmaterial Tipps aus der Praxis Tipps zum Löten Tipps zum Kabelanschluss Zwischenprüfungen Optische Inspektion Durchgangswiderstand des DMS Widerstand der Anschlusskabel Isolationswiderstand des DMS Isolationswiderstand des Anschlusskabels Messstellenschutz Einige Hinweise für die Anwendung und den Aufbau von Schutzabdeckungen für DMS-Messstellen Gebräuchliche Abdeckmittel Schrifttum:

4 1 Einleitung Dehnungsmessstreifen (DMS) sind dazu bestimmt, Dehnungen zu messen. Aus dem Ergebnis einer solchen Messung lassen sich Aussagen machen über die Werkstoffbeanspruchung des Messobjekts, über die Art und den Betrag von Krafteinwirkungen auf das Messobjekt und anderes mehr. Ein DMS kann die ihm gestellte Aufgabe aber erst dann erfüllen, wenn eben diese zu messende Dehnung einwandfrei und verlustlos auf ihn übertragen wird. Dazu bedarf es einer innigen Verbindung zwischen DMS und Messobjekt. Die geforderte innige, flächenhafte Verbindung zwischen Messobjekt und DMS wird durch spezielle Klebstoffe am besten erfüllt. Andere Bindemittel und -methoden sind meist auf Sondergebiete beschränkt, wie z.b. die keramischen Bindemittel auf den Hochtemperaturbereich und das Punktschweißen auf Anwendungen im Stahlbau und dgl.; beide benötigen Spezial-DMS. Die Qualität der Installation hat einen nachhaltigen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Man könnte sagen, dass ein DMS im Anlieferungszustand noch kein fertiges Messgerät ist und erst vom Anwender durch Installation in den gebrauchsfertigen Zustand versetzt wird. DMS und Applikation bilden eine Einheit. Welcher Teil der Kombination zu Fehlern beiträgt, und in welchem Umfang, lässt sich nur durch umfangreiche Vergleichsmessungen mit anderen Kombinationen ermitteln. Es sei deshalb dringend geraten, die empfohlenen Applikationsmittel und -verfahren anzuwenden, sofern man nicht über die in [1] beschriebenen Prüfeinrichtungen verfügt und die sehr umfangreichen und kostspieligen Prüfungen selbst durchführt. Alle die Messstelle formenden Teile, wie DMS, Befestigungsmittel, Abdeckmittel und anderes Zubehör, sind vor ihrer Aufnahme in das Lieferprogramm in umfangreichen Testreihen auf ihre Wirksamkeit, Verträglichkeit untereinander und Zuverlässigkeit geprüft worden; ihre Eigenschaften werden mit den Mitteln der Qualitätssicherung ständig überwacht. Ihre Zuverlässigkeit steht deshalb bei vorschriftsmäßiger Anwendung außer Frage. Hingegen kann eine Gewähr bei Kombination mit anderen, fremden Erzeugnissen oder bei einer Verarbeitung nach abweichenden Verfahren verständlicherweise nicht übernommen werden. Nicht allein die Bindemittel selbst, sondern ebenso ihre sorgsame und fachgerechte Anwendung tragen bei zu Erfolg oder Misserfolg. Die den Klebstoffen beigefügten Gebrauchsanweisungen enthalten alle notwendigen Informationen und Anweisungen, deren Befolgung im eigenen Interesse des Anwenders liegen sollte. Damit eine Messung optimal ablaufen kann, bedarf es sorgfältiger Vorbereitung, insbesondere bei größeren Vorhaben. Dazu gehören neben der sachlichen Versuchsplanung die personelle Disposition. Nur fachkundiges Personal gewährleistet den Erfolg. HBM bemüht sich seit Jahren, auch in Verbindung mit Institutionen der Ingenieur- und Techniker-Fortbildung, interessierten Kreisen das benötigte Spezialwissen zu vermitteln. Zu den Sachinformationen, die dem Applikateur zu geben sind, gehören alle Angaben über Art, Umfang und Anwendung der benötigten Messmittel. Hier muss der Versuchsleiter aufgrund seiner Kenntnis der Aufgabenstellung und der Versuchsbedingungen klare Angaben machen. Die Tafel mag ihm hierzu einige Stichworte liefern. 4

5 Messobjekt Original, Prototyp oder Modell daran ist zu messen was wie wo wann Messgröße: Messverfahren: Messort: Terminplanung Dehnung ε gesuchte Größe Materialspannung Kraft Gewicht, Masse Druck Drehmoment Leistung u.a.m. DMS zusätzliche Forderungen u. Bedingungen stat. Messung dynam. Messung Dauer Frequenz Störgrößen Labor Halle Gelände zusätzliche Bedingungen stationär mobil Vorbereitung Gerätebeschaffung Vorversuche Applikation Messung Auswertung Abbau Transporte Applikationsplanung Personal Gerätebeschaffung DMS-Beschaffung Applikationsplan Schalt- und Kabelplan Schutzmaßnahme für die Messstelle geschulte Applikateure erfahrene Messingenieure TF-Verfahren, DC-Verfahren Einzelmessungen, Vielstellenmessungen Typenauswahl siehe DMS-Katalog Typ, Ort und Lage jedes DMS Applikationsverfahren Kabel- und Leitungsmaterial Hilfsstoffe (z.b. Kabelschellen, druckdichte Kabeldurchführungen u.a.) mechanisch chemisch elektrisch Abdeckmittel Abschirmungen Tafel 1.0-1: Schema einer Applikationsplanung 5

6 Dem Applikateur sind vor allem folgende Angaben zu machen: Applikationsort und Messgitterrichtung am Objekt (Applikationszeichnung, Messstellenplan) Schaltplan, Kabelplan zu verwendender DMS-Typ das Befestigungsverfahren und -mittel (z.b. ein spezieller Klebstofftyp) Leitungsmaterial (Kabelart, Leiterquerschnitt, Isolation u.a.m.) Schutzmaßnahmen gegen mechanische, chemische, elektrische, thermische oder andere Beeinträchtigungen der Messstelle oder der Leitungen Entscheidungshilfen findet man in technischen Informationen, z.b. in [2], [22] oder in der Fachliteratur. Die Frage nach geeigneten Schutzmaßnahmen ist bei komplexen Stör- und Einflussgrößen manchmal nur schwer oder nur nach eingehenden Vorversuchen unter Realbedingungen zu beantworten. Vom Applikateur wird ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit verlangt, gepaart mit Sachkenntnis, Geschick und Erfahrung, denn die Qualität der Installation ist Voraussetzung für zuverlässige Messergebnisse. 6

7 2 Die Installation von DMS 2.1 Aufgabe und Wirkungsweise der Befestigungsmittel Die Befestigungsmittel haben die Aufgabe, den DMS fest mit der Oberfläche des Messobjekts zu verbinden und dessen Verformung verlustlos auf den DMS zu übertragen. Verschiedene Randbedingungen und Einflussgrößen sowie Rücksichten auf die Anwendungsmöglichkeit erfordern unterschiedliche Bindemittel und Anwendungsverfahren. In seiner Bedeutung vornan steht das Kleben. Als besondere Vorteile dieses Fügeverfahrens im Hinblick auf seine Verwendung zur DMS-Applikation sind zu nennen: Die Möglichkeit, verschiedene Werkstoffe, auch einander artfremde, zu verbinden. Je nach Art des Klebstoffs erfolgt die Verbindung bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur. Keine Beeinflussung der zu verbindenden Werkstoffe (Einschränkungen sind bei Kunststoffen möglich). Chemisch härtende Klebstoffe (nur solche haben in der DMS-Technik noch Bedeutung) zeichnen sich durch geringe Feuchtigkeitsaufnahme aus. Steuerung der Arbeitsgeschwindigkeit durch Wahl verschiedener Klebstoffsorten oder der Aushärtebedingungen (Heiß- oder Kalthärtung) Hoher spezifischer elektrischer Widerstand trägt zu hohem Isolationswiderstand zwischen DMS und Bauteil bei. Die Haftung geklebter Bauteile aneinander beruht auf der Adhäsion zwischen dem Klebstoff und den vom Klebstoff benetzten Flächen. Adhäsion entsteht vorwiegend durch Anziehungskräfte zwischen benachbarten Molekülen. Der Beitrag einer Verklammerung des Klebstoffs in den Poren der aufgerauhten Fügeflächen oder durch Kapillarwirkung ist nur gering. Die zu beobachtende Steigerung der Bindefestigkeit bei mäßig rauhen Fügeflächen beruht auf der durch das Aufrauhen erzielten Vergrößerung der wirksamen Kontaktflächen, nicht aber auf der mechanischen Adhäsion. Anmerkung 2.1-1: Die Ursachen für Adhäsion sind recht verwickelter Natur und nur teilweise geklärt [3,4]. Einen wesentlichen Beitrag zu den Bindekräften liefert die Adsorption (man spricht auch von Nebenvalenzbindungen ), einen geringen die chemische Bindung (Hauptvalenzbindung) und andere Energiequellen. Unter dem Begriff Van-der-Waals'sche Kräfte sind verschiedenartige Bindungsmechanismen des Adsorptionsbereichs zusammengefasst, die im wesentlichen in drei Arten gegenseitiger Orientierungseffekte unterschieden werden: Das Dipolmoment (Keesom-Kräfte). Liegen in einem Molekül die positiven und negativen Ladungen asymmetrisch verteilt, so sind die Moleküle zwar insgesamt neutral, sie besitzen jedoch ein elektrisches Dipolmoment, sie sind polar. Benachbarte Moleküle suchen ihr Dipolmoment so auszurichten, dass der 7

8 positiv geladenen Seite des einen Moleküls die negativ geladene Seite des Nachbarmoleküls zugekehrt ist und umgekehrt. Die mittlere Reichweite der Keesom-Kräfte beträgt 0,4 bis 0,5 nm (4-5 A). Der Induktionseffekt (Debye-Kräfte). Werden die Ladungsschwerpunkte des elektrischen Feldes eines Moleküls durch die induktive Wirkung eines äußeren Feldes (z.b. eines anderen Moleküls) verschoben, dann ergeben sich ebenfalls Wechselwirkungen. Im Unterschied zu den Keesom-Kräften besitzt bei den Debye-Kräften das eine Teilchen einen permanenten Dipol und das andere ein induziertes Dipolmoment. Die mittlere Reichweite der Debye-Kräfte beträgt 0,35 bis 0,45 nm (3,5-4,5 A). Der Dispersionseffekt (London-Kräfte). Dieser Effekt wird durch wellenmechanische Überlegungen gedeutet, wonach aufgrund der ständig wechselnden Aufenthaltswahrscheinlichkeit der elektrischen Ladungen ein in Phase schwingendes System zweier Teilchen entsteht, die sich dadurch gegenseitig ständig einen Dipol induzieren. Die mittlere Reichweite der London-Kräfte beträgt 0,35 bis 0,45 nm (3,5-4,5 A). Eine Sonderstellung innerhalb der Van-der-Waals'schen Kräfte nimmt die sogenannte Wasserstoff- Brückenbindung ein. Sie beruht ebenfalls auf der Wechselwirkung orientierter Dipole, hat aber zur Besonderheit, dass der positive Pol mindestens eines Dipols von einem Wasserstoffatom dargestellt wird. Die Reichweite der Wasserstoffbrückenbindung beträgt 0,26 bis 0,3 nm (2,6-3 A). Der Anteil der chemischen Bindungskräfte (Hauptvalenzbindungen) ist noch wenig geklärt. Es scheint aber, dass sie den geringeren Beitrag zu den adhäsiven Kräften liefern. 2.2 Bindemittel-Arten Sowohl die Arbeitsbedingungen am Applikationsort als auch unterschiedliche Anforderungen an das Leistungsvermögen der Bindemittel, vor allem hinsichtlich der Gebrauchstemperatur, sind Anlass für das Angebot verschiedenartiger Befestigungsmittel. Das gleiche gilt auch für die DMS selbst. Dabei ergeben sich Paarungen zwischen gewissen DMS-Reihen und Klebstoff-Typen mit optimalen Eigenschaften in einem begrenzten Anwendungsbereich. Bei anderen Paarungen mit unterschiedlichem Leistungsvermögen bestimmt die Komponente mit dem engeren Leistungsbereich die Anwendungsgrenzen. Schließlich gibt es noch DMS und Befestigungsmittel, deren Kombination aus technologischen Gründen ausgeschlossen ist. Hier sind immer die Empfehlungen der Prospekte und technischen Datenblatter zu beachten. Anmerkung 2.2-1: Unbedingt zu warnen ist vor der Verwendung anderer als der empfohlenen Klebstoffe. DMS-Klebstoffe haben andere Anforderungen zu erfüllen als reine Verbindungsklebstoffe. Deshalb gehen sie in der Regel aus Spezialentwicklungen hervor oder sind zumindest Modifikationen handelsüblicher Klebstoffe. Dass ein DMS fest klebt ist allein noch kein ausreichendes Kriterium zur Beurteilung der Eignung des Klebstoffes für Messzwecke. Dazu bedarf es weit schärferer Untersuchungen (in die DMS-Prüfung nach [1] sind die Klebstoffe automatisch einbezogen). 8

9 Hinsichtlich der Anwendungstechnik unterscheidet man Kalthärtende Klebstoffe lassen sich leicht und mit geringem Aufwand anwenden. Man unterscheidet Einkomponenten- Klebstoffe, die z.b. durch Luftabschluss ( anaerob ) zu reagieren beginnen, und Zweikomponenten-Klebstoffe, die vor der Anwendung gemischt werden müssen. Bei kurzen Reaktionszeiten spricht man auch von Schnellklebstoffen. Ihr bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die experimentelle Spannungsanalyse. Heisshärtende Klebstoffe sind nur dort anwendbar, wo das Messobjekt auf die geforderte Härtungstemperatur gebracht werden kann. Das ist im allgemeinen beim Messwertaufnehmerbau möglich, aber auch vielfach dort, wo Maschinenteile u. dgl. vor ihrem Einbau appliziert bzw. zur Applikation ausgebaut werden können. Gegenüber den kalthärtenden Klebstoffen bieten die heisshärtenden einen erweiterten Anwendungsbereich in Richtung höherer Temperatur und eignen sich, in Verbindung mit Präzisions-DMS, zur Befriedigung der im Messwertaufnehmerbau üblicherweise höheren Genauigkeitsansprüche. Das Punktschweißen ist eines der einfachsten Applikationsverfahren. Es erfordert nur geringen apparativen Aufwand (ein kleines Schweißgerät), geringe Vorbereitungen und wenig Übung. Dass es trotzdem nur selten angewandt wird, hat folgende Gründe: - Man benötigt Spezial-DMS, die nur in geringer Typenzahl angeboten werden. - Anschweißbare DMS können nicht beliebig klein hergestellt werden, wodurch sich eine weitere Beschränkung des Anwendungsbereichs ergibt. - Das Messobjekt muss aus einem schweißbaren Werkstoff bestehen. An manchen Objekten wird trotz gegebener Schweißbarkeit die Anwendung abgelehnt wegen der Gefahr der Mikrokorrosion, z.b. bei hochbeanspruchten Teilen von Dampfkesseln, bei austenitischen Stählen u. dgl.. Das Messobjekt muss so kräftig (dick) sein, dass die Spannungsverteilung in ihm nicht infolge der relativ großen Rückstellkraft des DMS verändert wird, d.h. es darf keine merkliche Dehnungsbehinderung eintreten. Tafel liefert einen tabellarischen Überblick der von HBM angebotenen DMS-Bindemittel und deren wichtigste technische und Verarbeitungsdaten. 9

10 Bindemittelbenennung Hauptanwendungsgebiete Grundstoff nutzbarer Temperaturbereich (cirka) für nullpunktbezogene 1) für nicht-nullpunktbezogene 2) Messungen C Schnellklebstoff X60 experimentelle. Spannungsanalyse, einfache Messwertaufnehmer Methacrylatmischung Schnellklebstoff Z70 experimentelle Spannungsanalyse, Messwertaufnehmer Cyanoacrylat Bei Daueranwendung: Tiefsttemp. 55 C Kalthärtender Klebstoff X280 Experimentelle Spannungsanalyse Expoxidharz Klebstoff EP 250 Klebstoff EP 310S Punktschweißverfahren experim. Spannungsanalyse, im erhöhten Temp.- Bereich Präzisions-Messwertaufnehmer experim. Spannungsanalyse, im erhöhten Temp.- Bereich Präzisions-Messwertaufnehmer Expoxidharz Expoxidharz Exp. Spannungsanalyse - für Messwertaufnehmer für Messwertaufnehmer Temperaturgrenzen sind nur vom DMS abhängig 1) Nullpunktbezogene Messungen (statische Messungen) 2) Nicht-nullpunktbezogene Messungen (dynamische Messungen) 3) Unter der Topfzeit versteht man die nach dem Mischen der Klebstoff-Komponenten bei 20 C zum Kleben verfügbare Zeit; sie wird kürzer bei höherer Temperatur und umgekehrt 4) Die fett gedruckte Zahl gibt den Vorzugswert an, die anderen die Alternativwerte oder die Grenzwerte 5) DMS-Reihen bestehen aus mehreren DMS-Serien bzw. DMS-Familien die sich entweder im Werkstoff oder konstruktiven Eigenarten unterscheiden. Die nachstehenden Buchstaben kennzeichnen den Messgitter-Träger G) Phenolharz-Glasfaser-Träger Y) Polyimid-Träger S) Stahl-Folie (anschweißbare DMS) Tafel 2.2-1: Übersicht der DMS-Bindemittel des HBM-Programms und deren Kombinierbarkeit mit verschiedenen DMS-Reihen (Serien) 10

11 Topfzeit 3 ) Aushärtungebedingungen Schichtdicke E-Modul Anzahl der Komponenten geeignet für DMS der Reihen Härtungstemperat. [ C] Aushärtungszeit Anpressdruck 4 ) 1 ) 4 ) 2 ) 4 ) [bar] [µm] [kn/mm 2 ] G S Y K E min min 30 min 20 min 60 min 15 min 10 min Daumendruck , min 15 min 90 min 10 min Daumendruck min bei RT RT h 2 h 1 h 0, h h 1+2 h ½ + 2 h 16 h 2 h 1 h ½ h ,8 2 4 Wochen h ½ + 2 h 5 h 2 h 1 h ½ h , Bedeutung der Symbole optimale Kombination von DMS und Bindemittel gute Eignung, jedoch unter Verzicht auf einen Teil des Temperaturbereichs der DMS oder des Bindemittels verwendbar, aber große Unterschiede zwischen den Eigenschaften der DMS und des Bindemittels - ungeeignete Kombination (Es gilt immer der engere Leistungsbereich des DMS oder des Bindemittels für die Kombination! Weitere Angaben entnehme man den gültigen Prospekten) 11

12 2.2.1 Charakteristika der verschiedenen HBM-DMS-Klebstoffe Schnellklebstoff X 60 Dieser pastöse Klebstoff wird vorzugsweise zu spannungsanalytischen Untersuchungen im Bereich natürlicher Temperaturen (ca C) angewandt. Er kann jedoch auch für Messungen bis 200 C eingesetzt werden. Seiner pastösen Konsistenz wegen eignet er sich zum Installieren von DMS auf porösen, saugenden Werkstoffen. Seine Beliebtheit bei Applikateuren verdankt er seiner relativ problemlosen Verarbeitung. Dem Aufwand zum Mischen der zwei Komponenten vor jeder Klebung steht die (bei Raumtemperatur) ca. 3 Minuten wahrende Verarbeitungszeit positiv gegenüber, lange genug, um auch komplizierte Applikationen (z.b. bei schlechter Zugänglichkeit der Klebestelle) ausführen zu können, kurz genug, um kostspielige Wartezeiten zu vermeiden. Die Anwendung von X 60 zum Bau von Messwertaufnehmern ist nur bedingt zu empfehlen und sollte auf einfache Ausführungen mit zulässigen Fehlergrenzen im Prozentbereich beschrankt bleiben. Schnellklebstoff Z 70 Dieser dünnflüssige, in Sekundenschnelle abbindende Zyanacrylat-Klebstoff ermöglicht - und verlangt! - eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit, die gute Zugänglichkeit der Klebestelle voraussetzt. Infolge der extrem dünnen Klebeschicht und der höheren Temperaturgrenzen lässt sich eine höhere Messgenauigkeit erzielen als mit X 60, insbesondere im Temperaturbereich oberhalb 50 C bis zur Temperaturgrenze. Z70 ist sehr einfach in der Handhabung. Wegen seiner niedrigen Viskosität eignet sich Z70 nur zur Anwendung auf nicht saugenden Werkstoffen. Im Messwertaufnehmerbau eignet sich Z 70 für Aufnehmer der mittleren bis gehobenen Genauigkeitsklasse. Kalthärtender Klebstoff X280 Dieser Klebstoff ist für die Anwendung gedacht, bei denen die Messstelle hohen Temperaturen ausgesetzt ist, jedoch eine Installation mit einem heisshärtenden Klebstoff nicht möglich ist. X280 ermöglicht statische Untersuchungen bis 200 C und dynamische Untersuchungen bis 280 C. Trotzdem härtet der Klebstoff bei Raumtemperatur innerhalb von 8 Stunden aus. X280 ist auch für die Anwendung auf porösen Werkstoffen geeignet. Eine Anwendung im Messwertaufnehmerbau kann nicht empfohlen werden. Klebstoff EP 250 Dieser heißhärtende Zweikomponenten-Klebstoff eignet sich sowohl für spannungsanalytische Untersuchungen in einem erweiterten Temperaturbereich als auch für den Messwertaufnehmerbau. In Kombination mit DMS der Reihen G und K eignet sich EP 250 sehr gut zur Bestückung von Messwertaufnehmern für hohe Genauigkeitsanforderungen. 12

13 Klebstoff EP 310 Dieser heißhärtende Zweikomponenten-Klebstoff ist frei von Füllstoffen, wodurch ähnlich dünne Klebeschichten wie bei Z 70 erreicht werden. Daraus ergeben sich im Vergleiche zu EP 250 eine geringere Rückstellkraft der Applikation, noch bessere Dehnungsübertragung vom Messobjekt auf den DMS und dadurch höhere Messgenauigkeit. Im Aufgabengebiet der Spannungsanalyse liegen die besonderen Vorteile dieses Klebstoffes in den mit den vorgenannten Klebstoffen nicht mehr abdeckbaren hohen und extrem niedrigen Temperaturbereichen. In Kombination mit DMS der Reihen K und G eignet sich EP 310S hervorragend zur Bestückung von Messwertaufnehmern der Präzisionsklasse. 2.3 Anwendung der Bindemittel Dehnungsmessstreifen lassen sich an nahezu allen festen Werkstoffen befestigen. Voraussetzung dazu ist eine geeignete und sorgfältige Vorbereitung der Applikationsstelle. Nähere Angaben über geeignete Verfahren finden sich in den Gebrauchsanweisungen der DMS-Klebstoffe und in den folgenden Unterabschnitten. Anmerkung 2.3-1: Die nachfolgend gegebenen Informationen sind ausführlicher gehalten als dies in den Gebrauchsanweisungen der Bindemittel (Klebstoffe) möglich ist. Dennoch kann hier nicht auf alle Eigenarten verschiedener Bindemittel eingegangen werden. Sollte sich aus diesem Grunde an einer Stelle ein Widerspruch gegenüber den speziellen Angaben einer Gebrauchsanweisung ergeben, dann ist in jedem Fall die Gebrauchsanweisung verbindlich Klebeflächen-Vorbereitung bei Metallen Art und Umfang der Maßnahmen zur Klebeflächen-Vorbereitung hängen mit vom Zustand des Messobjekts, vom Ausmaß und der Art der Verschmutzung und von dem zu beklebenden Werkstoff ab. Das folgende Schema nennt die verschiedenen Stufen der Vorbehandlung metallischer Objekte. Das Ziel ist, eine poren-, kerben- und oxydfreie, nicht zu rauhe und gut benetzbare Fläche zu schaffen. Die einzelnen Stufen der Messstellenvorbereitung sind in der Tafel aufgeführt und nachstehend beschrieben. Welche dieser Maßnahmen notwendig und mit welchen Mitteln sie auszuführen sind, hängt weitgehend vom Zustand, der Größe und der Empfindlichkeit (gegen Beschädigung) des Objekts ab. Hier muss der Applikateur selbst von Fall zu Fall sinnvolle Entscheidungen treffen. 13

14 grob reinigen einebenen reinigen aufrauhen reinigen anreißen feinreinigen und entfetten evtl. beizen spülen und trocknen Tafel 2.3-1: Stufen der Messstellenvorbereitung zum Ankleben eines DMS Wesentlich erscheint eine Erläuterung der Begriffe Sauberkeit und Verunreinigung in dem hier gemeinten Sinne, deren Verständnis dem Applikateur unbedingt geläufig sein muss. Jede offene Fläche muss prinzipiell als verunreinigt angesehen werden, auch dann, wenn sie dem Auge blank und rein erscheint. Ablagerung von Staub, Oxydation, Absorption von Feuchtigkeit, Dämpfen und Gasen erfolgen ständig und verunreinigen die Fläche stets wieder aufs neue, wodurch die Bindefähigkeit mit den Klebstoffen gemindert wird. Deshalb soll die Klebung alsbald nach der Reinigung der Klebstelle erfolgen. Pausen zwischen den einzelnen Reinigungsstufen sind unzulässig. Selbst unter Laborbedingungen und günstigen Luftzuständen ist eine Verweilzeit von 3 Stunden zwischen Reinigung und Applikation als obere Grenze anzusehen. Bei schnell oxydierenden Werkstoffen (z.b. Kupfer, Aluminium, Titan und deren Legierungen) sowie in Industrieatmosphäre muss die Klebung der Reinigung unmittelbar folgen. Grobreinigung Rost, Zunder, Farbanstriche, dicke Schmierstoff- und Schmutzschichten sowie andere grobe Verunreinigungen oder Oberflächenbeschichtungen entferne man innerhalb eines nicht zu kleinen Umkreises um die Messstelle herum. Als Mittel dazu mögen Schaber, Spachtel, Schleifgeräte und ähnliche Werkzeuge dienen, zur Grobreinigung von Schmier- und Fettschichten auch Haushaltsreinigungsmittel (z.b. Vim, Ata, Imi, P3 -Lösung u. dgl.). Ätznatron-Lösung (kaustische Soda) ist ebenfalls ein gutes Fettlösemittel für die Grobreinigung, bei seiner Anwendung ist jedoch große Vorsicht geboten. Es wirkt auf der Haut stark ätzend; deshalb sind bei seiner Verarbeitung Gummihandschuhe und Schutzbrille zu tragen. Vorsicht! Ätznatron nicht an Aluminium verwenden! Anschließend kräftig mit klarem oder destilliertem Wasser spülen. Ausreichende Entfettung zeigt sich durch einen geschlossenen Wasserfilm. Danach trockne man mit sauberem Zellulosevlies. Einebnen Rostnarben und tiefe Kratzer erzeugen Kerbspannungen in der Oberfläche des Objekts und führen zu falschen Messergebnissen. Buckel und andere Unebenheiten behindern das Ankleben der DMS. Deshalb ebne man die Klebestelle durch Schleifen, Feilen oder andere geeignete Maßnahmen ein. Günstig sind Schleifgeräte mit Gummitellern und auswechselbaren Schmirgelscheiben. Die Gummischeibe schmiegt sich der Kontur des Objekts an, die Schmirgelscheiben sind in ihrer Körnung dem Zwecke entsprechend wählbar; man beginnt mit grober Scheibe und geht stufenweise zu feinerem Korn über. Um Missverständnisse zu vermeiden: Die Klebefläche 14

15 muss nicht plan sein (ein DMS kann auch an gekrümmte Flächen geklebt werden), aber sie soll nicht bucklig sein. Überzüge aus Blei, Cadmium, Zinn, Indium, Wismut und ähnlichen Metallen binden nur schlecht oder gar nicht mit Klebstoffen; sie sind deshalb zu entfernen. Nickelüberzüge können abblättern und sollten ebenfalls entfernt werden. Reinigen Mit diesem Arbeitsgang sollten Schmutz, Schleifstaub und Fett entfernt werden. Die Reinigung muss sorgfältig, braucht aber noch nicht extrem zu sein, weil noch weitere Arbeitsgänge folgen. Als Reinigungsmittel sind organische Lösungsmittel zu empfehlen. Nähere Angaben darüber sind weiter unten unter dem Stichwort Feinreinigen zu finden. Mineralöle, wie sie u.a. beim Walzen von Blechen verwendet werden, sowie Bohremulsionen, Schneidöle u. ähnl. lassen sich mit den üblichen organischen Lösungsmitteln nur unzureichend entfernen. Hierzu sind Alkalien besser geeignet, z.b. P3 oder ähnliche Mittel. Aufrauhen Im Abschnitt 2.1, Anmerkung 2.1-1, wurde dargelegt, dass die Bindekräfte zwischen Fügeteil und Klebstoff überwiegend chemischer Art sind. Eine Vergrößerung der Bindekräfte ist möglich durch Vergrößerung der Kontaktflächen. Eine Vergrößerung der Kontaktflächen ist aber nur durch Aufrauhen möglich. Das Aufrauhen erfolgt meist mechanisch, seltener chemisch (durch Beizen). Bild 2.3-1: Einfluss der Fügeflächen-Rauhigkeit auf die effektive Kontaktflächengröße a) Kontaktlinie bei ideal-glatter Fügeteiloberfläche b) verlängerte Kontaktlinie durch mäßiges Aufrauhen (optimaler Zustand) Aufrauhen durch Sandstrahlen Einen idealen Haftgrund erzielt man durch Sandstrahlen. Voraussetzung für einwandfreie Flächen sind ö1- und wasserfreie Pressluft, saubere (ungebrauchte) Strahlmittel und vollkommen fettfreie Flächen, denn mit dem Sandstrahlgebläse eingehämmerte Fettpartikel sind kaum noch zu beseitigen, allenfalls noch mit einem Ultraschall-Reinigungsgerät. Als Strahlmittel ist Strahlkorund zu empfehlen. Er ist scharfkantig, hart und sauber, verursacht keine Korrosion und ist physiologisch unbedenklich (keine Silikose). Für extrem harte Werkstoffe (z.b. Hartmetalle u. dgl.) hat sich Borcarbid bewährt, ein Material, dessen Härte zwischen Diamant und Korund liegt. Die zweckmäßige Körnung richtet sich nach der Härte des zu strah- 15

16 lenden Werkstoffs, dem Luftdruck, dem Abstand zwischen Düse und Objekt sowie der benutzten Anlage. Erfahrungswerte (Richtwerte) gibt die Tafel Bauteilwerkstoff Luftdruck [bar] Aufrauhen mittels Sandstrahlgebläse Abstand Strahlkorund [cm] Korn-Nr. mittl. Korn- Größe [µm] Schmirgeln (Papier oder Leinen) Körnung gehärteter Stahl weicher Stahl Aluminium u.s. Legierungen 3 25 F F Tafel 2.3-2: Richtwerte für die Korngrößen von Strahlkorund bzw. Schmirgelpapier/Schmirgelleinen zum Aufrauhen von Werkstücken zur DMS-Applikation. Bei Verwendung von Cyanacrylat-Klebstoffen (z.b. Z 70) ist eine geringere Aufrauhung (feineres Korn) zu empfehlen, während bei pastösen Bindemitteln eine stärkere Aufrauhung mit gröberem Korn zweckmäßig ist. Richtwerte für die günstigsten Rauhtiefen (quadratische Mittelwerte) nennt die Tafel DMS-Befestigungsmittel mittlere Rauhtiefe [µm] Schnellklebstoff X Schnellklebstoff Z Klebstoff X Klebstoff EP 250 und EP 310S Tafel 2.3-3: Empfohlene Rauhtiefe der Klebeflächen am Messobjekt für verschiedene DMS-Klebstoffe. Aufrauhen durch Schmirgeln Trotz der offenkundigen Vorteile des Sandstrahlens ist dessen Anwendung begrenzt, teils wegen fehlender Anlage, teils weil die Messobjekte eine derartige Behandlung nicht zulassen (man denke z.b. an Maschinenlager in nächster Nähe). Dann greife man zum altbewährten Mittel des Schmirgelpapiers. Richtig angewendet liefert es durchaus zufriedenstellende Ergebnisse. Das Schmirgelpapier soll mit kreisenden Bewegungen über die Fläche geführt werden; kreisend, damit nicht festigkeitsmindernde Vorzugsrichtungen entstehen. Man verwende stets neues Schmirgelpapier (oder Schmirgelleinen) und eine der Härte des Werkstoffes angepasste Körnung. Richtwerte für zweckmäßige Körnungen sind in der Tafel verzeichnet, als Rauhtiefe sind die in der Tafel angegebenen Werte anzustreben. 16

17 Aufrauhen durch andere mechanische Maßnahmen An machen Objekten ist selbst das Schmirgeln als Maßnahme zum Aufrauhen der Fügeflächen noch zu grob und daher unzulässig. Das gilt vor allem bei kerbempfindlichen Werkstoffen, deren Veredelung erhalten bleiben muss. Als mildeste Form der mechanischen Vorbehandlung zum Aufrauhen und Beseitigen von Oxidschichten eignet sich das Abradieren mit einem Glasfaser-Radierpinsel (zum Radieren von Tuschezeichnungen gebräuchlich). Auch das Abradieren mit einem Tintenradierer, einem mit Glasstaub versetzten Radiergummi, hat sich bewährt. Schließlich sind auch noch chemische Verfahren bekannt, auf die im Abschnitt Beizen eingegangen wird. Anzeichnen Die genaue Lage des DMS markiere man durch Anzeichnen. Folien-DMS besitzen Marken zur Kennzeichnung der Mittelachsen des Messgitters. Das Anreißen mittels Reißnadel ist nicht zu empfehlen, weil die dabei entstehende Verletzung der Oberfläche zur Schädigung oder gar zum Bruch des Objekts beitragen kann. Ein (leerer) Kugelschreiber ist hier wesentlich besser geeignet, weil die Kugel eine gut sichtbare Linie hinterlässt, aber keine Kerbe reißt. Enthält der Kugelschreiber noch Tinte, so muss diese nach dem Anzeichnen mit Lösungsmittel (z.b. RMS1) entfernt werden. Bei weichen Werkstoffen, wie z.b. Aluminium, ist auch ein spitzer Bleistift geeignet, dessen zweckmäßige Härte (zwischen 4H und 6H) an einer Werkstoffprobe leicht zu ermitteln ist (die Linien müssen nach der Feinreinigung noch sichtbar sein, es dürfen keine Rillen entstehen). Feinreinigen Die Wirksamkeit der im Abschnitt 2.1 beschriebenen Bindekräfte nimmt ab mit der dritten bis sechsten Potenz des Abstandes. Sie ist somit auf molekulare Schichten begrenzt. Daraus ergibt sich der Zwang zu äußerst sorgfältiger Feinreinigung. Insbesondere Fette mindern schon in dünnsten Schichten die Wirksamkeit der Grenzflächenkräfte beträchtlich oder unterbinden sie gar. Am schwierigsten lassen sich Silikonfette und -öle entfernen, die in zahlreichen Kosmetika (Hautcremes u. dgl.) enthalten sind. Das Applikationspersonal sollte derartige Mittel unbedingt meiden. Sofern eine Anlage zur Verfügung steht und die Objekte es zulassen, empfiehlt sich die Dampfentfettung. Im Normalfall wird das Entfetten durch Abwaschen mit chemisch reinen fettlösenden Mitteln (z.b. RMS1) vorgenommen. Dabei sind die Arbeitsschutzvorschriften zu beachten. Bei Anwendung leicht entzündlicher (feuergefährlicher) Lösungsmittel sind alle Zündquellen zu beseitigen (nicht rauchen!). Gute Belüftung ist notwendig, erstens aus gesundheitlichen Gründen, zweitens damit sich keine zündfähigen Gas-Luft-Gemische bilden können und drittens damit sich Lösungsmitteldämpfe schwerer als Luft nicht in Gruben oder dgl. ansammeln können (Erstickungsgefahr). Die vorzugsweise zur Reinigung verwendeten organischen Lösungsmittel werden zum Teil in zwei verschiedenen Reinheitsgraden angeboten: Technisch rein bedeutet: frei von festen Verunreinigungen; 17

18 Chemisch rein, auch durch den Zusatz pro analysi oder p. a. oder reinst gekennzeichnet, bedeutet: frei auch von löslichen Verunreinigungen im Rahmen der technischen Möglichkeiten. Zur Reinigung von DMS-Applikationsstellen sind unbedingt chemisch reine Lösungsmittel zu verwenden. HBM bietet mit RMS1 eine chemisch hochreine, umweltverträgliche Lösungsmittelkombination, die alle üblichen Verschmutzungen löst. allgemeine Bezeichnung oder Handelsname RMS 1 (HBM-Produkt) Methyl-Ethyl- Keton andere chemische Bezeichnung Aceton und 2-Propanol chem. Formel [Summenformel] CH 3 CO CH 3 [C 4 H 6 O] und CH 3 CH(OH) CH 3 [C 3 H 6 O] Butanon-(2) CH 3 CH 2 CO CH 3 [C 4 H 8 O] Aceton Aceton CH 3 CO CH 3 [C 4 H 6 O] Isopropylalkohol Isopropanol CH 3 CH(OH). CH 3 [C 3 H 8 O] Ethylalkohol Ethanol CH 3 CH 2. OH [C 2 H 6 O] Ethylacetat Essigsäure Ethylester - CH 2. CO 2 C 2 H 5 [C 4 H 8 O 2 ] Toluol Methylbenzol C 6 H 5 CH 3 [C 7 H 8 ] MAK-Zahl 1) ppm mg m 3 Bemerkungen leicht entzündlich leicht entzündlich leicht entzündlich leicht entzündlich leicht entzündlich leicht entzündlich gesundheitsschädlich; leicht entzündlich Reinbenzin - - * * leicht entzündlich; * keine offiziellen Werte erhältlich 1 ) Die Vermerke sind aus der Verordnung über gefährliche Arbeitsstoffe. Tafel 2.3-4: Gebräuchliche Lösemittel zur Reinigung und Entfettung von Klebestellen Bei der Ausführung der Feinreinigung beachte man folgendes: Zuvor Hände waschen, wenn nötig auch zwischendurch. Keine Hautcremes verwenden; wenn erforderlich, fettfreie Hautschutzsalbe (s. Abschnitt 2.3.6). Lösungsmittel niemals direkt aus der Vorratsflasche heraus verbrauchen. Kleine Menge in sauberes Gefäß schütten (Petrischale) und daraus verwenden. Reste niemals zum Vorrat zurückgeben, lieber wegschütten. 18

19 Saubere, fett- und fusselfreie Tupfer verwenden. Tupfer aus Zellulosevlies haben sich gut bewährt. Jeden Tupfer nur einmal verwenden! Papiertaschentücher sind nur brauchbar, wenn sie keine löslichen Bestandteile enthalten! Nicht mit den Fingern in das Lösungsmittel tauchen, weil Hautfett gelöst wird, welches das Lösungsmittel verunreinigt. Gummihandschuhe, Gummifingerlinge oder Pinzette verwenden. Zunächst eine etwas größere Zone reinigen, dann immer kleinere Flächen, um nicht von den Rändern her Schmutz auf die Klebestelle zu bringen. Die Reinigung solange fortsetzen, bis am Tupfer keine Spur von Verunreinigung mehr sichtbar ist. Zum Schluss mit stets neuem Tupfer nur jeweils 1 Strich von der Mitte nach außen hin in mindestens 2 entgegengesetzten Richtungen führen. Eventuell zurückbleibende Fusseln mit einer Pinzette wegnehmen oder mit sauberem Seidenpapier abwischen, nicht mit Atemluft wegblasen! Wenn sich auf der Klebefläche Feuchtigkeit niederschlägt (infolge Abkühlung durch Verdunsten des Lösemittels), dann trockne man sie mit einem Warmluftgebläse. Gereinigte Flächen nicht mehr mit den Händen berühren. Anmerkung 2.3-2: Bei Leichtmetallen (Aluminium- und Titanlegierungen) wird gelegentlich das Austreten öliger Substanzen aus der Oberfläche beobachtet, das sich auch nach gründlicher Reinigung und Entfettung fortsetzt. Dieses Ausbluten ist vermutlich auf in die Metalloberfläche eingewalzte Schmiermittel zurückzuführen. Gegenmaßnahme: Reinigen, erhitzen, wieder reinigen usw. bis die Klebefläche sauber bleibt. Späteres Ablösen der Applikation lässt sich nicht ganz ausschließen. Beizen Die chemische Vorbehandlung der Klebeflächen durch Beizen wird wegen des Aufwandes in der DMS-Technik relativ selten angewandt. Trotzdem soll sie hier der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Das Beizen kann zusätzlich zur mechanischen Vorbehandlung oder auch stattdessen angewandt werden. Es bewirkt neben der Aktivierung der Grenzflächenkräfte eine sehr feine Aufrauhung. Diese mikroskopisch feine Rauhigkeit hat den Vorteil, dass die Messobjekte in ihrer Festigkeit unbeeinflusst bleiben. Besonders vorteilhaft ist, dass sich sehr dünne Objekte nicht verbiegen noch verbeulen. Durch das Beizen erhält man eine sehr gute und gleichmäßige Bindefestigkeit der Klebung. Das Beizen ist ebenfalls unmittelbar vor dem Kleben vorzunehmen. Besondere Sorgfalt ist auf das Neutralisieren, Spülen und Trocknen der Fügeflächen zu verwenden. In [5] sind einige Verfahren für verschiedene metallische Werkstoffe verzeichnet, auf die hiermit verwiesen wird. Während bei Aluminiumlegierungen das Beizen gegenüber anderen Vorbehandlungsverfahren 19

20 zu einer spürbaren Verbesserung der Bindefestigkeit führt, lässt sich dieser Einfluss bei Stahl nicht erkennen [6] Klebeflächen-Vorbereitung bei Nichtmetallen Beton Die Klebeflächen-Vorbereitung an Beton ist auf den Schnellklebstoff X 60 zugeschnitten und in der Regel einfacher als bei Installationen an Metall. Zu beachten ist, ob der Beton in geölter oder in trockener Schalung geschüttet wurde. Im ersten Falle ist an der Klebestelle mit einem Schleifstein die ölgetränkte Schicht abzuschleifen. Das Entfetten mit Lösungsmitteln ist nicht zu empfehlen, weil die Lösungsmittel samt dem gelösten Öl nur tiefer in den Beton eindringen. Bei trockener Schalung entferne man nur die Zementschlempe bis auf den festen Beton. Auch hier empfiehlt sich das Schleifen, damit eine möglichst ebene Fläche entsteht. Der Schleifstaub ist mit einer Luftpumpe oder mit öl- und wasserfreier Pressluft sorgfältig abzublasen. Poren sind mit X 60 zuzuspachteln, und zwar nicht nur oberflächlich zu verschließen, sondern ganz auszufüllen. Klebeflächen nur glätten, keine Schicht aufziehen. Nach ca. 30 Minuten kann mit dem Aufkleben einer dünnen Aluminiumfolie als Sperrschicht oder, bei gegebenen Voraussetzungen, mit dem Ankleben des DMS begonnen werden (siehe Anmerkung 2.3-3). Anmerkung 2.3-3: Beton erfordert einen stark porenfüllenden Klebstoff, der auch bei etwas Restfeuchte noch einwandfrei bindet. Hier hat sich der Schnellklebstoff X 60 bewährt. Die inhomogene Struktur des Betons erfordert DMS mit langem Messgitter zwecks Mittelwertbildung. Weitere Informationen in [2, Heft 73004]. Direktes Ankleben von DMS an Beton ist nur bei trockenen Teilen ratsam; bei Restfeuchte empfiehlt es sich, eine dünne Aluminiumfolie als Sperrschicht anzukleben und darauf erst den DMS. Nullpunktbezogene Messungen sind bei Beton nur möglich, wenn die Probe vollständig trocken ist oder der Feuchtigkeitsgehalt während der Messung konstant bleibt. Bei veränderlichem Feuchtigkeitsgehalt schrumpft oder quillt Beton. Deshalb sind nullpunktbezogene Messungen meist nur über eine relativ kurze Zeitspanne möglich, sofern nicht ein gleichartiges, unbelastetes Objekt zur Kompensation verfügbar ist. Bei Applikationen an der Armierung von Stahlbeton gelten die Regeln für Applikationen an Metallen. Anmerkung 2.3-4: Bei Messungen an Beton erwäge man auch die Anwendung ansetzbarer Dehnungsaufnehmer, z.b. DD1 [9] oder SLB 700A. Glas (Silikatglas), glasiertes Porzellan, le Mit den Klebstoffen X 60, Z 70 und EP 250 kann man unmittelbar die entfettete Glasfläche bekleben. Aufrauhen oder sonstige Vorbereitungen sind nicht notwendig. X 60 lässt sich durch Auflösen mit Methyl-Ethyl-Keton oder Aceton entfernen; Z 70 und EP 250 lassen sich von 20

21 poliertem Glas abkratzen. In gleicher Weise können DMS auch an glasierten oder lierten Werkstoffen sowie an geschliffenen Oberflächen von Steinzeugartikeln u. dgl. appliziert werden [10]. Kunststoffe lassen sich grob in zwei Gruppen unterteilen, für die unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden anzuwenden sind: a. Lösliche Kunststoffe, die leicht verklebbar sind, und b. Schwer- oder unlösliche (meist unpolare) Kunststoffe, die nur schwer bzw. ohne Vorbehandlung überhaupt nicht verklebbar sind. Zu a) gehören vorwiegend die amorph aufgebauten Kunststoffe (z.b. Polystyrol [PS] und dessen Modifikationen, Polyvinylchlorid [PVC], Polycarbonat [PC], Celluloseacetobutyrat [CAB], Polymethylmethacrylat [PMMA], zu b) die teilkristallinen Kunststoffe (z.b. Polyäthylen hoher Dichte [HDPE], Polyäthylen niederer Dichte [LDPE], Polypropylen [PP], Polyoxymethylen [POM] (Polyacetal), Polyamid [PA]). Die bei Kunststoffen angewandten physikalischen oder chemischen Vorbehandlungsverfahren haben die Aufgabe, die Molekularstruktur der Oberfläche zu aktivieren. Bei den löslichen Kunststoffen zielt die Vorbehandlung auf die Entfernung von Verarbeitungshilfsmitteln, insbesondere von Trennmitteln (Silikone, Talkum), von Gleitmitteln (Stearate), von oberflächlichem Schmutz und von Presshäuten (bei Press- oder Spritzgussteilen). Zum Entfetten dienen organische Lösemittel, organische Sulfonate oder alkalische Phosphate. Auch das Abschaben der Klebeflächen mit Glasscherben und/oder Aufrauhen mit feinem Schmirgelpapier (Körnung 220 bis 360) sind geeignete Maßnahmen. Bei den schwer- oder nichtlöslichen Kunststoffen führen die vorstehend genannten Maßnahmen manchmal zu ausreichender Bindung, in den meisten Fallen sind jedoch tiefergreifende Behandlungen nötig, mit denen die Kunststoffstruktur oberflächlich verändert und dadurch die Klebefähigkeit herbeigeführt wird. Über die Vorbehandlung von Kunststoffen findet man ausführliche Hinweise in [11, 12]. Vorsicht ist bei der Behandlung von Kunststoffen mit Lösemitteln geboten, weil durch deren Angriffe Quellung oder Spannungskorrosion auftreten können. Als weitgehend unbedenklich, insbesondere im Hinblick auf die kurze Kontaktzeit, können Reinbenzin (nicht bei Polystyrol), Isopropyl-Alkohol und Freon TF angesehen werden. In kritischen Fällen sollte immer ein Vorversuch gemacht werden, weil bei der großen Zahl modifizierter Kunststoffe eine eindeutige Vorhersage nicht möglich ist. In diesem Zusammenhang verdient die Arbeit [13] Beachtung, die ausführlich über die Applikation von DMS an Kunststoffen und die damit verbundenen Probleme berichtet. 21

22 Anmerkung 2.3-5: Aufzählung einiger nach einfachen Vorbereitungsmaßnahmen erfolgreicher Applikationen an verschiedenartigen Kunststoffen. 1) Polyäthylen-(HDPE)-Strukturschaum: Klebung mit Schnell-Klebstoff Z 70. Vorbereitung: Klebefläche mit trockenem sauberem Schmirgelpapier Körnung 320 kreisend aufgerauht, Staub sorgfältig entfernt. Kein Lösemittel verwenden! Bindefestigkeit ausreichend für ε < µm/m. 2) Polypropylen-(PP): Klebung mit Schnellklebstoff X 60 und mit Schnellklebstoff Z 70. Vorbereitung: wie bei 1). Erreichte Dehnung: ε = µm/m. 3) Polyoxmethylen (POM), Polyacetal. Klebung mit Schnellklebstoff Z 70. Vorbereitung: trockenes Aufrauhen mit Schmirgelpapier Körnung 220. Bindefestigkeit sehr gut. 4) Phenolharze, Kresolharze, Melaminharze und Schichtstoffe daraus. Klebung mit Schnellklebstoff X 60. Vorbereitung: trockenes Aufrauhen mit Schmirgelpapier Körnung ) Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylglas. Klebung mit den Schnellklebstoffen X 60 oder Z 70. Vorbereitung: nur Entfetten. Bindefestigkeit sehr gut. 6) Polyvinylchlorid (PVC), weichmacherfrei. Klebung mit den Schnellklebstoffen X 60 oder Z 70. Vorbereitung: nur Entfetten. Bindefestigkeit sehr gut. 7) Polycarbonat (PC). Klebung mit den Schnellklebstoffen X 60 oder Z 70. Vorbereitung: trockenes Aufrauhen mit Schmirgelpapier Körnung 220 bis 320. Bindefestigkeit gut. 8) Polyesterharze (ausgehärtet, auch glasfaserverstärkt u. kohlefaserverstärkt). Klebung mit den Schnellklebstoffen X 60 oder Z 70. Vorbereitung: wie 7). Bindefestigkeit gut. 9) Epoxidharz (EP). Klebung mit den Schnellklebstoffen X 60 oder Z 70. Vorbereitung: wie 7). Bindefestigkeit sehr gut. 10) Polystyrol (PS). Klebung mit Schnellklebstoff Z 70. Vorbereitung: wie 7). Bindefestigkeit sehr gut. Anmerkung 2.3-6: Einige Methoden zur Vorbehandlung van Polyolefinen [3, 5. 11, 12]. 1) Hochdruck-Polyäthylen (LDPE) (alternativ anwendbare Methoden). a) Phenolharz-DMS mit erwärmtem Werkzeug aufbügeln. b) Oberfläche des PE mit einer weichen Gasflamme hauchdünn anschmelzen. Das PE wird dadurch klebefähig. c) Oberfläche des PE mit Chromschwefelsäure anätzen, mit Wasser nachspülen [3]. d) Oberfläche des PE mit dem Pickling-Verfahren nach [5] (Schwefelsäure-Natriumdichromat-Verfahren, Kurzzeichen A) anätzen, mit Wasser spülen, mit entionisiertem Wasser nachspülen. Das Verfahren ist auch für andere Olefine geeignet [3]. 22

23 e) Oberfläche des PE anätzen mit einer Beize nach folgender Rezeptur: 50,5 cm 3 4,1 cm 3 2,5 g Schwefelsäure, konzentriert Wasser Kaliumdichromat PE-Oberfläche mit Schmirgelpapier anrauhen und Beize 90 C warm auftragen, einwirken lassen, mit Wasser spülen. Verwendeter Klebstoff: X 60. Die Ätzverfahren sollten nur von Personen angewandt werden, die im Umgang mit Säuren und Chemikalien erfahren sind. 2) Polyamide (und andere Kunststoffe) werden durch Behandlung mit Wasserstoffperoxid klebbar [3]. Holz Holz kann mit dem Schnellklebstoff X 60 beklebt werden, nach vorherigem trockenen Schleifen mit Glas- oder Flintpapier. Anmerkung 2.3-7: Holz ist ein inhomogener, anisotroper und poröser Werkstoff. Diese Eigenarten, die insbesondere bei den im Bauwesen verwendeten Nadelhölzern stark ausgeprägt sind, machen Messungen mit DMS problematisch. Neben den extremen Unterschieden der elastischen Kennwerte, die sich aus der Holzstruktur ergeben, muss mit deren Veränderung in den oberflächennahen Schichten infolge des eindringenden Klebstoffs gerechnet werden. Als aussichtsreich können solche Messvorhaben gelten, bei denen die Messstellen kalibriert werden können und ein ausreichend langes DMS-Messgitter zur Ausmittelung der Partialdehnungen (wie bei Beton) benutzt wird. Gummi Nach Entfetten mit einem der in Tafel genannten Lösungsmittel ist Gummi mit den beiden Schnellklebstoffen Z 70 und X 60 beklebbar. Leichtes Anrauhen mit Schmirgelpapier kann gelegentlich notwendig werden. Anmerkung 2.3-8: Dehnungsmessungen an Gummi sind insofern problematisch, als sich die Dehnungsbehinderung infolge der Rückstellkraft (Dehnsteifigkeit) des DMS umso stärker auswirkt, je weicher der Gummi ist. Weiterhin darf aus der großen Dehnbarkeit gewisser DMS-Typen nicht geschlossen werden, dass sie sich zur Messung großer Dehnungen an Gummi besonders gut eigneten, denn diese große Dehnbarkeit ist nur einmal (oder höchstens wenige Male) erreichbar. Für derartige Anwendungen sind rückstellkraftarme Dehnungsaufnehmer besser geeignet, z.b. [9]. Hierzu siehe auch [14]. 23

24 2.3.3 Anwendung von DMS in der Medizin In der medizinischen Forschung fand die DMS-Technik vorwiegend in den Disziplinen Chirurgie, Orthopädie und Zahnmedizin Eingang. Sofern der Einsatz von DMS in Verbindung mit metallischem oder auch nichtmetallischem Instrumentarium beabsichtigt ist, z.b. zu Messungen an Osteosyntheseplatten, Prothesen u.a., sind die gleichen Applikationstechniken angezeigt wie im technischen Bereich. Beim Einsatz am oder im lebenden Organismus müssen toxische oder allergische Reaktionen infolge des Kontaktes mit den Applikationsmitteln ausgeschlossen sein. Für Implantate wird man gewebefreundliche Materialien wählen, die bei längerer Verweildauer gegen Verdauungsfermente resistent sein müssen. Aus den dem Autor zugegangenen Informationen wurden für in-vivo-applikationen folgende Materialien mit Erfolg verwendet: zum Entfetten: Äther zum Kleben: Hystoacryl blau (Hersteller: B. Braun-Dexon GmbH, 3508 Melsungen) DMS: Reihe Y (Messgitter-Träger aus Polyimid) zur Verschaltung: Leitungen mit Isolierungen aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) (Teflon ) oder Polyäthylen niederer Dichte (NDPE) zur Schutzabdeckung: Abdeckband ABM 75 oder die plastische Masse des ABM 75 allein, zusätzlich abgedeckt mit PTFE-Folie Eine ausführliche Beschreibung der Applikationstechnik an Knochen ist in [15] gegeben. Weitere Anwendungen von DMS im medizinischen Bereich siehe [16 bis 19]. Bei Applikationen am toten Organismus kann zum Kleben auch der Schnellklebstoff Z 70 und zur Schutzabdeckung der Silikonkautschuk SG 250 verwendet werden. Da die physiologischen Eigenschaften der beiden Materialien nicht bekannt sind, kann ihre Anwendung in vivo nicht empfohlen werden. Applikationen an Weichteilen sind wegen der Rückstellkraft (Dehnsteifigkeit) des DMS wenig erfolgversprechend, es sei denn, man beschränkt sich auf die rein qualitative Anzeige von Vorgängen, z.b. von Muskelreflexen Vorbereiten der DMS Reinigung HBM-DMS sind im Anlieferungszustand gebrauchsfertig und bedürfen keiner besonderen Vorbereitung. Sollte die Klebeseite des DMS jedoch mit den Fingern berührt oder anderweitig beschmutzt worden sein, dann reinige man sie mit Hilfe eines mit Lösungsmittel getränkten Wattestäbchens. Für DMS mit Messgitterträgern aus Phenolharz (Reihe G) verwende man eines der in Tafel genannten Lösungsmittel, für DMS mit Polyimidträger (Reihe Y) jedoch nur RMS1 oder Reinbenzin! 24

25 Anpassen an die Kontur des Werkstückes Die Flexibilität der DMS hängt vorwiegend von den Eigenschaften des Messgitterträgers ab, zum geringen Teil von anderen Bestandteilen, z.b. von integrierten Lötstützpunkten. Die Tafel verzeichnet für die verschiedenen DMS-Serien die kleinsten Krümmungsradien, an welche die DMS ohne Vorbehandlung appliziert werden können. Die Polyimid-Träger der DMS-Reihe Y sind derart flexibel, dass sie praktisch an scharfe Kanten geklebt werden könnten ohne Schaden zu leiden. Die übrigen Träger sind spröder und brechen, wenn sie zu scharf gebogen werden. Dennoch kann man auch sie leicht durch Vorformen für die Applikation an kleinere Radien präparieren. Besonders bequem lässt sich das machen, wenn man eine Lötstation mit regelbarer Temperatur verwendet und anstelle der Lötspitze einen Stift aus Kupfer, Messing, Aluminium oder Stahl einsetzt, dessen Kopfteil den gewünschten Durchmesser hat (s. Bild 2.3-2). Dehnungsmessstreifen Trägerwerkstoff Serienbezeichnung kleinster Krümmungsradius DMS mit Folienmessgitter Polyimid (Reihe Y) Glasfaserverstärktes Phenolharz (Reihe G/K) längs mm quer mm LY11, LY21 < 1 < 1 LY61 im Bereich der Lötstützpunkte <1 2 LG11; LG XG11; XG <1 2 Tafel 2.3-5: Kleinste Krümmungsradien für nicht-vorgeformte DMS Bild 2.3-2: Hilfsvorrichtung zum Anpassen von DMS an kleine Radien (nur bei Phenolharz-DMS notwendig) 25

26 Man verfahre nach folgendem Schema: Über die Rückseite des DMS ein temperaturbeständiges Klebeband kleben (s. Bild 2.3-3), z.b. Permacell -Klebeband, welches den Klebstoffpackungen EP 250 und EP 310 beiliegt. Maskierung gemäß Skizze a) oder b) je nachdem, ob die Biegeachse parallel oder quer zum DMS liegt. Entlang der zu biegenden Kanten des DMS den Klebestreifen bündig beschneiden (sonst Probleme beim Abnehmen vom Form-Einsatz). Kurzes Klebestreifen-Ende an dem kalten Formeinsatz so festkleben, Skizze c), dass die Biegeachse in der gewünschten Weise verläuft (längs, quer oder auch schräg). Bild 2.3-3: Methode zum Vorformen spröder DMS zwecks Anpassung an kleine Radien Temperaturregler auf Soll-Temperatur einstellen, Strom einschalten und warten bis die Soll- Temperatur erreicht ist (erkennbar an der Kontroll-Lampe). Für DMS der Reihe G/K beträgt die Verformungstemperatur C. Das freie Ende des Klebebandes fassen und langsam um den Form-Einsatz so herumführen, dass sich der DMS gut anschmiegt (siehe Skizze c) Ansicht A). Ende des Klebebandes festkleben, Strom ausschalten und abkühlen lassen. Klebeband vorsichtig abziehen, erst von einem Ende bis zum DMS, dann vom anderen Ende (nicht von einer Seite her ganz abziehen, weil bei kleinen Radien der DMS brechen kann, wenn er ganz gestreckt wird). Den Klebestreifen beim Ankleben des DMS zur Lagefixierung verwenden, wie im Abschnitt beschrieben, und erst nach der Applikation des DMS entfernen. 26

27 Applikationshilfen und Lötstützpunkte (Siehe auch Abschnitt 3.1.5) DMS der Serie LY61 (Bild 2.3-4, Skizze a) besitzen integrierte, mechanisch entkoppelte Lötstützpunkte, an welche die Messleitungen unmittelbar angelötet werden können. An DMS der Serie LY41 (Bild 2.3-4, Skizze b), können dünne Messleitungen ebenfalls direkt angelötet werden. In den meisten Fällen ist es jedoch in gleicher Weise wie bei Ausführungen mit Bandanschlüssen (Bild 2.3-4, Skizze c) empfehlenswert, einen Lötstützpunkt zwischenzuschalten. Damit wird einmal die Ausführung einer einwandfreien Lötstelle erleichtert und zum anderen eine Entlastung der Anschlüsse vom Zug der Messleitungen gewährt. Bild 2.3-4: Ausführungsarten von DMS-Anschlüssen a) integrierte, mechanisch entkoppelte Lötstützpunkte b) offene Enden der Messgitterfahnen c) Anschlussbänder Die nachfolgend beschriebenen Hilfstechniken 1 und 2 erlauben es, DMS mit minimalem Aufwand zu applizieren. Der Vorteil liegt darin, dass die diffizileren Arbeiten im Labor unter günstigen Bedingungen ausgeführt werden können, während die Arbeit am Installationsort ganz wesentlich vereinfacht wird. Diese Arbeitserleichterung macht in der Konsequenz das Applizieren sicherer und die Messung zuverlässiger. Hilfstechnik 1 Bei DMS nach Bild 2.3-4, Skizze a, könnte sich auf der vernickelten Lötfahne etwas Oxyd gebildet haben, wodurch später das Anlöten der Leitungen erschwert würde. Es ist deshalb ratsam, mit einem Glaspinsel die Oxydschicht zu beseitigen. Dann versehe man DMS nach Bild 2.3-4, Skizze 27

28 a, mit einem Streifen Klebeband gemäß Bild Der Klebestreifen soll die DMS-Anschlüsse bedecken, aber die Ecken und Kanten, an welchen die Dehnung eingeleitet werden soll, frei lassen. Den so präparierten DMS klebe man auf eine Zellglas- oder Teflonfolie und halte ihn zum Applizieren bereit. DMS der Serie LY41 (Bild c) präpariere man in gleicher Weise, wenn dünne Messleitungen direkt angelötet werden sollen. Bei dickeren Messkabeln empfiehlt sich die sinngemäße Anwendung der Hilfstechnik 2. Bild 2.3-5: Hilfstechnik 1 zum Applizieren eines DMS Hilfstechnik 2 Die DMS nach Bild 2.3-4, Skizze c, (gegebenenfalls auch solche nach Skizze b) kombiniere man zweckmäßigerweise mit einem Lötstützpunkt, (siehe Anmerkung 2.3-9), an dem die Anschlussleitungen festen Halt finden. a) Von einem Lötstützpunkt-Streifen ein Paar abschneiden (der überstehende Rand soll mindestens 0,5 mm breit bleiben), Bild 2.36, Skizze a). Vorsorglich die Metallflächen mit Glaspinsel von Oxyd befreien. DMS und Lötstützpunkte von Fingerabdrücken reinigen, z.b. mit RMS1, und nachfolgend nur noch mit Pinzette hantieren. 28

29 Bild 2.3-6: Hilfstechnik 2 zum Applizieren eines DMS a) Abschneiden eines Lötstützpunkt-Paares b) Präparieren einer Hilfsplatte und fixieren des DMS mittels Klebestreifen c) Positionieren der Lötstützpunkte und Kürzen der Anschlüsse d) Fixieren der Lötstützpunkte mittels Klebestreifen Anmerkung 2.3-9: Lötstützpunkte werden in verschiedenen Größen und Ausführungen angeboten: technische Einzelheiten entnehme man den Prospekten. Kriterien für die Auswahl sind: a) Abstand der DMS-Anschlüsse b) am Messobjekt verfügbarer Platz c) Temperaturbeständigkeit und Befestigungsart Der Temperaturbereich anklebbarer Lötstützpunkte wird meist durch den verwendeten Klebstoff bestimmt bzw. eingeschränkt. 29

30 b) Zur Erleichterung des folgenden Arbeitsganges nehme man eine saubere Hilfsplatte aus Blech oder Kunststoff (Größe ca. 10 cm x 10 cm), lege darauf eine Trennfolie aus Zellglas oder Teflon (Größe ca. 3 cm x 6 cm) und klebe diese am Rand mit etwas Klebestreifen fest, damit sie nicht rutscht. Auf dieser Unterlage führe man die nächsten Arbeitsgänge durch. Auf die Oberseite des DMS einen Klebestreifen kleben, der seitlich ca. 10 bis 15 mm über den Rand des DMS hinausragt. Die übrigen drei Ränder des DMS sollen frei bleiben! Siehe Bild 2.3-6, Skizze b. DMS mit dem überstehenden Teil des Klebestreifens auf die Trennfolie kleben. c) Lötstützpunkt zwischen Basisfolie des Messgitterträgers und Anschlüsse schieben, siehe Bild 2.3-6, Skizze c, und Anschlussbändchen kürzen. d) DMS und Lötstützpunkt mit Klebeband verbinden; dabei die Metallfläche ganz mit Klebeband bedecken, siehe Bild 2.3-6, Skizze d. Den applikationsbereiten DMS mitsamt der Trennfolie von der Hilfsplatte nehmen und zum Applizieren bereithalten Anmerkung : Bei Verwendung eines heißhärtenden Klebstoffs verwende man ein hitzebeständiges Klebeband auf Polyimid-Basis z.b. Permacel oder Kapton. Den betreffenden HBM-Klebstoffpackungen ist derartiges Klebeband beigelegt Klebevorgang Jeder Klebstoff-Packung liegt eine Gebrauchsanweisung bei, deren Beachtung dringend empfohlen wird. Darin sind genaue und ausführliche Angaben über die Behandlung und Anwendung des DMS-Klebstoffs gemacht; auf eine Wiederholung an dieser Stelle wird deshalb verzichtet. Die weiteren Ausführungen enthalten zusätzliche Hinweise zur Erleichterung des Applizierens und zur Vermeidung von Fehlern. Die Übertragung der DMS auf das Messobjekt und ihre richtige Ausrichtung an der Messstelle sind denkbar einfach. Den nach Abschnitt vorbereiteten DMS mit einer Pinzette von der Schutzfolie nehmen (Vorsicht! nur das Klebeband fassen, nicht den DMS selbst!). DMS an der nach Abschnitt vorbereiteten Messstelle so ausrichten, dass sich die Achsmarkierungen des DMS mit den Anrisslinien decken. Dann den Klebestreifen andrücken, Bild 2.3-7, wodurch eine scharnierartige Verbindung zwischen DMS und Bauteil entsteht. 30

31 Bild 2.3-7: Ansetzen des Dehnungsmessstreifens am Messobjekt Zusätzlich kann man, mit einem Abstand von 3 bis 5 mm, rings um den DMS eine Maske aus Klebeband kleben. Sie ist insbesondere bei Verwendung des Schnellklebstoffs X 60 zu empfehlen, weil man dann den Klebstoff-Überschuss beim Auspressen auf die Maske drucken und nach dem Erhärten leicht entfernen kann. Bei den weiteren Arbeitsgängen richte man sich nach den Gebrauchsanweisungen der Klebstoffe. Nachfolgend seien nur noch einige Hinweise auf Handhabungen gegeben, die erfahrungsgemäß oft falsch gemacht werden. Schnellklebstoff X 60 soll eine pastöse Konsistenz haben, nicht zu steif, damit die Klebstoffschicht nicht zu dick wird, nicht zu flüssig, weil sonst Luftblasen unter den DMS gesaugt werden. Luftblasen unter dem DMS sind schwere Applikationsfehler. Um sie zu verhindern, wende man einen weiteren Trick an, den Bild erläutert: 31

32 Bild 2.3-8: DMS-Applikation mit Schnellklebstoff X 60 a) DMS hochklappen, Klebstoff mit Spatel reichlich auftragen b) DMS niederklappen und leicht andrücken c) Klebstoff auf den DMS auftragen und Trennfolie auflegen d) Klebstoff-Überschuss auspressen. Hierzu Anmerkung Anmerkung : Das beste Werkzeug zum Anpressen des DMS während der Applikation mit kalthärtenden Klebstoffen ist der Daumen des Applikateurs. Er übertrifft alle anderen Hilfswerkzeuge, wenn man seinen Vorteil, mit Gefühl ausgestattet zu sein, richtig nutzt. Bei X 60 soll der Klebstoff-Überschuss zunächst durch vorsichtiges Andrücken und Abrollen der Fingerkuppe nach außen gedrückt werden, wenn vorhanden auf die Maske aus Klebestreifen. Dabei nicht schieben oder zerren, damit der DMS nicht verrutscht. Dann den Rest immer fester andrücken und zum Schluss den Klebstoff so auspressen, dass eine ganz dünne, fast durchsichtige Klebstoffschicht entsteht. Dabei immer nur mit rollenden Bewegungen arbeiten, nicht schieben und nicht zerren! Der Klebstoff über dem DMS sorgt dafür, dass sich die Trennfolie festsaugt und den Zutritt von Luftblasen sperrt. Man braucht deshalb den DMS während der Aushärtung des Klebstoffs nicht mehr anzudrücken. Wenn sich trotzdem Luftblasen bilden, dann war der Klebstoff zu flüssig. Nach wenigen Minuten (abhängig von der Temperatur) läßt sich die Trennfolie leicht abziehen. Die Maske mit dem Klebstoff-Überschuss entferne man gleich, weil dies leichter geht, bevor der Klebstoff durchgehärtet ist. Gleichzeitig entferne man die Hilfs-Klebestreifen vom DMS, indem man sie mit einer Pinzette vorsichtig und langsam abschält. Schnellklebstoff Z 70 härtet innerhalb weniger Sekunden aus, wenn er sehr dünn aufgetragen mit einer Teflon-Trennfolie gegen die Luft abgesperrt und mit mäßigem Druck angepresst wird. 32

33 Die Anwendung ist denkbar einfach und schnell auszuführen. a) DMS hochklappen b) 1 kleinen Tropfen Klebstoff auf das Bauteil geben und sofort mit dem der Packung beiliegenden Teflonstreifen dünn und gleichmäßig ausziehen (keinen Druck ausüben) c) DMS niederklappen, sofort Teflon-Trennfolie auflegen und ca. 20 Sekunden lang gleichmäßig andrücken. Hierzu Anmerkung Bei Arbeiten über Kopf kann man den Klebstofftropfen auf den Teflonstreifen geben und an der Applikationsstelle aufziehen. d) Hilfs-Klebstreifen mit Pinzette vorsichtig abschälen. Anmerkung Jede Unterbrechung im Aushärtevorgang des Klebstoffs Z 70 ist schädlich. Es ist unbedingt notwendig, den DMS sofort und gleichmäßig auf der gesamten Fläche anzudrücken. Der Druck muss ununterbrochen bis zum Aushärten des Klebstoffs aufrecht erhalten bleiben. Ein oft beobachteter Fehler ist, dass der DMS immer nur punktweise mit einem Finger, so tip-tip-tip über den DMS wandernd, angedrückt wird. Dabei ist es möglich, dass der Klebstoff während des kurzen Antippens nur teilweise anhärtet und bei dem nächsten Antippen nicht mehr richtig bindet. Bei größeren DMS, die mit dem Daumen nicht mehr vollständig angedrückt werden können, ist ein mit weichem Gummi gepolstertes Druckstück nützlich, das man gegebenenfalls der Kontur des Werkstücks anpassen muss. Ein anderer Fehler ist zu langsames Arbeiten, so dass der Klebstoff schon vor dem Andrücken des DMS ganz oder teilweise angetrocknet ist und deshalb nicht mehr bindet. Das ist besonders bei heißem Wetter zu beachten. Der chemische Zustand der zu beklebenden Flächen hat ebenfalls einen Einfluss auf die Härtung des Klebstoffs: basisch reagierende Stoffe beschleunigen die Härtung, sauer reagierende Stoffe verzögern die Härtung oder verhindern sie gar. Der letztere Fall ist als seltene Ausnahme anzusehen; in den meisten Fällen hat mangelhafte Durchhärtung ihre Ursache in zu dickem Klebstoffauftrag. Sollte tatsächlich eine saure Reaktion der Anlass sein, dann kann die Härtung durch Anwendung des Katalysators BCY01 erzwungen werden. In diesem Falle die saure Seite mit dem Neutralisator dünn überstreichen und trocknen lassen, Klebstoff auf den DMS auftragen und andrücken. Die nunmehr einsetzende Schockhärtung läuft innerhalb weniger Sekunden ab. Dabei entstehen in der Klebstoffschicht Eigenspannungen, die möglicherweise die Dehnbarkeit oder die Beständigkeit der Bindung über lange Zeit beeinträchtigen können. Die Anwendung des Katalysators sollte deshalb auf Notfälle beschränkt bleiben; von routinemäßiger Anwendung raten wir ab. Klebstoff EP 250 und Klebstoff EP 310S bedürfen erhöhter Temperatur und müssen während des Aushärtens angepresst werden. Der Anpressdruck soll 1 bis 5 bar für spannungsanalytische Messungen betragen, für Präzisionsmessungen und den Aufnehmerbau etwa 10 bis 15 bar, ebenso wenn die Messstelle hohem hydrostatischen Druck ausgesetzt wird. Zur Erzeugung des Anpressdruckes eignen sich Federklammern, die dem Objekt angepasst und mit einfachen Mitteln herzustellen sind. Das Bild zeigt einige Beispiele. 33

34 Zum Schutz der DMS gegen punktförmige Belastung ist eine Polsterung zwischen Druckstück und DMS einzufügen. Als billigstes und bestes Material hat sich ein ca. 2 mm dickes Polster aus mehreren Lagen weichen Löschpapiers erwiesen. Sein Vorteil gegenüber Gummi besteht darin, dass das Polster in der Druckrichtung nachgiebig ist und Dickenunterschiede ausgleicht ohne seitlich herauszuquellen und den DMS zu verzerren. Die Federn sind notwendig, einerseits um einen definierten Anpressdruck erzeugen zu können, andererseits um diesen Druck aufrechtzuerhalten, wenn das Polstermaterial, mit dem die DMS überdeckt werden, unter dem Einfluss der Hitze nachgibt. Bild 2.3-9: Beispiele van Federklammern zur DMS-Installation mit heißhärtendem Klebstoff Anmerkung : Beispiel zur Bestimmung des Anpressdrucks. Die verwendete Feder habe eine Federrate von c = 100 N/mm. Die Federrate c, früher auch Federsteifigkeit oder Federkonstante genannt, bezeichnet die Kraft F, die notwendig ist, um die Feder um den Federweg s = 1 mm zusammenzudrücken. c = F s 34

35 Sie lässt sich bei leichten Federn durch Aufsetzen von Gewichten bestimmen, bei schweren Federn in der Prüfmaschine. Ein Gewicht der Masse 1 kg erzeugt eine Gewichtskraft von ca. 10 Newton (N). Bei der im Beispiel benutzten Feder drückt ein Gewichtsstück von 10 kg mit seiner Gewichtskraft von 100 N die Feder um 1 mm zusammen. Die zu drückende Fläche sei 3 cm x 5 cm = 15 cm 2. Gemeint ist die gesamte unter Druck stehende Fläche der Polsterung, nicht allein die des DMS! Der geforderte Anpressdruck betrage 5 bar = 50 N/cm 2. Die verwendete Spannschraube habe eine Steigung von s = 1,5 mm/umdrehung. Die benötigte Kraft F beträgt 2 2 N F = 15cm 5bar = 15cm 50 = 750N 2 cm Bei einer Spindelsteigung von s = 1,5 mm und einer Federrate c = 100 N/mm beträgt die Kraftzunahme F je Spindelumdrehung: s mm N F = c = 1,5 100 = 150N / Umdrehung Umdr. Umdr. mm Die geforderte Kraft von F = 750 N wird erreicht mit: F F 750N = = 5 150N / Umdr. Umdrehungen der Spindel Vorsichtsmaßnahmen Die nachstehenden Hinweise sollen keine unbegründete Angst auslösen; dazu ist nach den Erfahrungen vieler Jahre kein Anlass gegeben. Sie sollen jedoch vor allzu großer Sorglosigkeit und deren Folgen warnen. Bei Aufrauhen von Beryllium und seinen Legierungen ist die Verwendung eines Atemschutzfilters dringend anzuraten. Beryllium wurde im Tierversuch als karzinogen (krebserzeugend) erkannt. [20] Beim Ankleben von DMS muss auf peinliche Sauberkeit geachtet werden. Dies gilt nicht nur hinsichtlich der Klebestelle und der DMS, sondern in gleichem Maße auch für die Hände. Bei überempfindlichen Personen kann der Umgang mit Lösungsmitteln und mit chemisch härtbaren Kunststoffen, zu denen die meisten DMS-Klebstoffe zu rechnen sind, zu allergischen Reaktionen führen. Man soll deshalb den direkten Kontakt mit der Haut nach Möglichkeit vermeiden. In jedem Falle sollte man nach Abschluss der Klebearbeiten die Hände gründlich mit lauwarmem Wasser und neutraler Seife waschen, bei länger andauernden Arbeiten auch zwischendurch. Ein weiterer Hinweis ist angebracht, wenn Z 70 verarbeitet wird. Z 70, ein Zyanacrylat-Klebstoff, wird in kleinen Kunststoff-Flaschen mit verschlossener Tropfdüse geliefert. Beim Transport füllt sich die Tropfdüse meist an der Spitze mit Klebstoff. Beim Abschneiden der Düsenspitze ist es 35

36 möglich, dass dieser Klebstoff herausspritzt. Die Flasche ist deshalb beim Öffnen so zu halten, dass der Klebstoffstrahl weder das Gesicht noch die Kleider noch eine Person in der Nähe trifft. Gelangt ein Tropfen Z 70 ins Auge, dann härtet dieser durch die Tränenflüssigkeit sofort aus. Bei dieser Polymerisationsreaktion wird Wärme frei, welche die Hornhaut des Auges leicht angreift. Dadurch tritt in den ersten Minuten ein kurzer brennender Schmerz auf. Das Auge ist sofort mit lauwarmem Wasser oder Borwasser zu spülen; sicherheitshalber sollte anschließend ein Augenarzt aufgesucht werden. Nach bisheriger Erfahrung regeneriert sich die Hornhaut in wenigen Tagen, es treten keine bleibenden Sehstörungen auf. Aus der Kleidung lässt sich Z 70 nicht mehr entfernen. In diesem Zusammenhang ist noch ein Wort zur Benutzung von Hautcremes zu sagen. Viele davon enthalten Siliconfett. Siliconfett breitet sich über alle damit in Berührung kommenden Gegenstände (Werkzeuge) aus und wird dann immer weiter übertragen, auch auf die Messstellen. Es ist kaum sichtbar und nur sehr schwer zu entfernen. Schon molekulare Schichten führen zu verminderter Haftung der Klebstoffe. Deshalb ist von der Benutzung solcher Cremes abzuraten. Zu empfehlen ist z.b. FISSAN-Hautschutzsalbe, fettfrei, transparent oder hautfarben. Bei der DMS-Installation sollte durch gute Belüftung dafür gesorgt werden, dass die Dämpfe der Lösungsmittel und der Klebstoffe nicht eingeatmet werden. Man beachte die Sicherheitsdatenblätter sowie die einschlägigen Unfallverhütungsvorschriften der Berufsgenossenschaften. Vom Rauchen während der Arbeit ist ebenfalls abzuraten. 36

37 3 Anschließen der Kabel Die beste und überwiegend angewandte Art der elektrischen Verbindung zwischen DMS und Messleitung (Messkabel) ist das Löten. In den folgenden Abschnitten wird darauf ausführlich eingegangen. Ebenfalls hervorragende Verbindungen erhält man mit der Crimp-Technik (Quetschverbindungen). Klemmverbindungen können infolge veränderlicher Übergangswiderstände Nullpunktwanderungen auslösen. Steckverbindungen sind noch kritischer; hier haben sich nur erstklassige Qualitäten mit vergoldeten Kontaktelementen als ausreichend erwiesen, solange deren einwandfreie Funktion nicht durch Verschmutzung gestört wird. Grundsätzlich ist zu sagen, dass normale Starkstromverbindungen gerade wegen der niedrigen Messspannungen und -ströme oftmals unzureichend sind. 3.1 Lötgerät, Lötmittel, Schaltmittel Lötkolben Zu empfehlen sind temperaturgeregelte Niederspannungslötkolben. Modelle mit feinfühliger, stufenloser elektronischer Regelung und hoher Heizleistung (ca. 50 W) verdienen den Vorzug, weil Wärmeentzug an der Lötspitze während des Lötens sofort ausgeglichen wird. Der Temperatur- Regelbereich liegt bei handelsüblichen Lötstationen zwischen 120 und 400 C; er reicht aus für alle in der DMS-Technik benutzten Weichlote Lötspitzen Entscheidend für die Herstellung zuverlässiger Lötstellen ist die Wahl der für den jeweiligen Anwendungsfall richtigen Lötspitze. Die Bezeichnung Lötspitze darf nicht zu wörtlich genommen werden, denn ein bleistiftähnlich angespitzter Löteinsatz ist ungeeignet, Bild a, weil der Wärmefluss vom Einsatz zur Lötstelle ungenügend ist und weil sich das Lot von der Spitze weg nach oben zieht und deshalb an der Lötstelle fehlt. Eine kleine Fläche, in ihrer Größe dem Lötobjekt angemessen, ist richtig, Bild b, c und d. Ob gerade oder gebogene Lötspitzen günstiger sind hängt allein von der Zugänglichkeit der Lötstelle ab. Vergütete Lötspitzen nehmen nur an ganz bestimmten Stellen Lot an, wodurch es auf die zum Löten benutzte Stelle konzentriert bleibt. Die Vergütung verhindert außerdem das Oxidieren des Einsatzes. 37

38 Bild 3.1-1: Einige Lötspitzen-Formen a) ungeeignet, zu spitz b) einseitige Fläche c) zweiseitige Fläche } Größe der Anflächung an das Lötobjekt angepasst d) gebogene Form Lote (Weichlote) Es werden zahllose Weichlote angeboten. Je nach Legierungsbestandteilen und Komposition erfüllen sie gewisse Anforderungen optimal. In der DMS-Technik sind gute Benetzungs- und Fließeigenschaften geschätzt sowie eine den Einsatzbedingungen angemessene Schmelztemperatur. Die maximale Gebrauchstemperatur sollte mit Rücksicht auf die mechanische Festigkeit der Lötverbindung mindestens 30 K unterhalb des Lotschmelzpunktes liegen. Anmerkung 3.1-1: Gelegentlich findet man den Hinweis, dass Zinnlote bei tiefen Temperaturen eine Phasenumwandlung durchmachten und vom üblichen weißen Zinn (β-phase) in pulvriges graues Zinn (α-phase) zerfielen. Diese als "Zinnpest bezeichnete Erscheinung tritt nur bei Zinn höchster Reinheit auf und auch bei ihm nur unter ungünstigen Bedingungen. Normale Zinnlote mit Legierungsbestandteilen oder Restverunreinigungen aus Blei, Antimon, Wismuth, Kupfer, Arsen, Eisen usw. zeigten selbst nach zehnjähriger Lagerung bei -40 C keine Schäden. Darüber ist ausführlich in [21] berichtet. Kleine Zusätze von Kupfer verhindern das lästige Anfressen der Lötspitze ( Kupferschutzlot ). Bei dynamischer Dauerbelastung sind Lote mit hoher Ermüdungsbeständigkeit vorteilhaft. In der Tafel sind einige gebräuchliche Weichlote verzeichnet. Weitere Informationen liefern DIN 1707 und die Listen der Lothersteller. 38

39 Lotbezeichnung nach DIN EN Sn 96,5 Ag 3,5 mit Flussmittel C3 (2,5% bzw. 3,4%) Legierungsbestandsteil Gew % Sn Ag In Schmelz-punkt C Empfohlene Lötspitzentemperatur C Bemerkungen 98,5 3,5 221 C 300 z.b. von Fa. Elsold Vertrieb über JL Goslar Tafel 3.1-1: Weichlot, bleifrei Anmerkung 3.1-2: Im Hochtemperaturbereich wende man möglichst Schweißverbindungen an. Hartlötungen sind wegen der aggressiven Flussmittel mit Vorsicht anzuwenden! Flussmittel Flussmittel haben die Aufgabe, die Lötstelle von Oxid zu befreien und während des Lötvorgangs das erneute Oxidieren zu verhindern. Sie schaffen damit die Voraussetzung für eine einwandfreie Verbindung des Lotes mit den Lötteilen. Die Auswahl des Flussmittels muss nach der Art des Lötens (z.b. Weichlöten), der Art der zu verlötenden Werkstoffe (z.b. Schwermetalle) und der Art des Lötobjektes (z.b. elektrische Schaltung) getroffen werden. Stark beizende Flussmittel sind zwar bequem, weil auch an schlecht gereinigten Lötstellen gelötet werden kann; ihr Nachteil liegt darin, dass Rückstände unweigerlich Korrosion hervorrufen und das elektrische Isoliervermögen der Isolierstrecken empfindlich herabsetzen. Sie sind deshalb für Lötungen an elektrischen Schaltungen ungeeignet. Auf keinen Fall Lötfett verwenden! Nicht korrodierende Flussmittel werden auf der Basis natürlicher oder modifizierter natürlicher Harze hergestellt. Das bekannteste davon ist Kolophonium. Es wird in Lotdrähten als Flussmittelseele oder in Spiritus gelöst als Flüssigkeit angewandt. Diese sanften Flussmittel verlangen gründliches Säubern und Blankmachen der Lötstelle unmittelbar vor dem Löten. Sie sind für die DMS-Technik sehr gut geeignet. Anmerkung 3.1-3: Die in vielen Lotdrähten enthaltene Flussmittelseele kann sowohl aus korrodierendem als auch aus nichtkorrodierendem Flussmittel bestehen. Vor der Anwendung sollte man sich unbedingt über die Art des Flussmittels Gewissheit verschaffen. Über die verschiedenen Flussmittel informiert das Normblatt DIN EN 1045: Flussmittel zum Löten metallischer Werkstoffe. Flussmittel mit dem Typ-Kurzzeichen F-SW31 und F-SW 32 hinterlassen keine korrodierenden Rückstände. Die Benennung säurefreies Flussmittel ist unsachlich und irreführend. Sie darf deshalb gemäß DIN EN 1045 nicht angewandt werden. 39

40 3.1.5 Lötstützpunkte Die Aufgabe der Lötstützpunkte und ihre Anwendung ist bereits im Abschnitt angesprochen. Zu erwähnen bleibt noch, dass Lötstützpunkte in verschiedenen Ausführungen und Größen hergestellt werden, darunter auch solche, die durch Punktschweißen befestigt werden. (Bild zeigt einige typische Bauformen von Lötstützpunkten; über das aktuelle Angebot unterrichten die jeweils gültigen Prospekte.) Die üblichen Ausführungen bestehen aus Polyimidfolie bzw. aus einer durch Anätzen klebfähig gemachten Teflonfolie, auf welcher die vernickelten Kupferflächen mit einem wärmebeständigen Klebstoff befestigt sind. Die Temperaturbeständigkeit ist 180 C für Daueranwendung und 260 C für zeitweiligen Betrieb. Für Temperaturen unter 70 C sind Lötstützpunkte auf Polyimidträger zu verwenden. Die Größe der Lötstützpunkte wähle man passend zur Größe des DMS als auch zur Dicke der anzulötenden Kabeladern. Bei hoher dynamischer Beanspruchung bevorzuge man kurze Lötstützpunkte oder appliziere sie quer zur Dehnungsrichtung. Oder man zerschneide die Lötstützpunkte in der Mitte, richte aber dann die Schnittkante zum DMS, damit Masseschluss verhindert wird. Das Ankleben geschehe gleichzeitig mit dem DMS (wie im Abschnitt beschrieben) und mit dem gleichen Klebstoff, mit dem der DMS appliziert wird. Bild 3.1-2: Einige Formen von Lötstützpunkten (Beispiele) Leitungsmaterial Der Erfolg einer Messung hängt auch von der Auswahl der richtigen, d.h. für den speziellen Fall geeigneten Verbindungsleitungen und Messkabel ab. Sie sollen nicht nur die Messsignale zwischen den Elementen der Messkette (Aufnehmer-Messverstärker) übertragen, sie sollen auch Störsignale auf ein vertretbares Minimum beschränken und den Beanspruchungen aus Betrieb und Umgebung widerstehen. Kurze Verbindungen, z.b. die interne Verschaltung innerhalb eines Aufnehmers, können durch Schaltdraht oder Schaltlitze mit relativ dünnem Querschnitt erfolgen. Die Aderisolation muss gut sein und die auftretenden Temperaturen ertragen können. Gute Lötbarkeit der Adern ist außerdem erwünscht. Bei extremer dynamischer Beanspruchung des Messobjektes kann sogenannte Schwinglitze vorteilhaft sein. Bei ihr besteht eine Ader aus vielen sehr dünnen Litzen, die von einer flexiblen Isolation umgeben sind. Es ist darauf zu achten, dass innerhalb der Brücke symmetrisch verschaltet wird. Das bedeutet, identische Leitungen gleicher Länge zu verwenden. 40

41 Zusätzliche Anforderungen sind bei längeren Verbindungen und Kabeln zu erfüllen. Hier gilt es, durch richtige Wahl des Leiterquerschnitts den ohmschen Widerstand in akzeptablen Grenzen zu halten. Bei Trägerfrequenzbetrieb empfiehlt sich kapazitätsarmes Kabel, ebenfalls bei Gleichspannungsbetrieb, wenn Signale hoher Frequenz zu übertragen sind. Ein die Adern umhüllendes Kupfergeflecht hilft, die Kapazität der Adern untereinander zu symmetrieren und schützt gegen störende Einstreuungen durch elektrische Felder (elektrische Abschirmung). Zur Abschirmung magnetischer Felder verlege man die Kabel in Stahlpanzerrohr o. dgl. Anmerkung 3.1-4: Elektrostatische Beeinflussungen entstehen, wenn das elektrische Feld einer Spannungsquelle kapazitiv auf den Messkreis einwirkt. Der beste Schutz dagegen ist, das Kabel oder die Leitung mit einem geschlossenen Schirm zu umgeben. Üblich ist ein Kupferdrahtgeflecht ausreichender Bedeckung. Spezial-Messkabel enthalten einen solchen Schirm. Die Erdung des Schirms ist wichtig, da ein auf freiem Potential liegender Schirm keinerlei Wirkung hat. Elektromagnetische Beeinflussungen entstehen, wenn Kabel des Messkreises in der Nähe stromdurchflossener Leiter oder elektrischer Anlagen (z.b. Generatoren, Schweißgeräten, Transformatoren, Motoren usw.) verlegt sind. Nach dem Transformator-Prinzip werden in die Messleitung störende elektrische Spannungen induziert. Ein wirksamer Schutz ist das Verdrillen der Adern (bei fertigen Kabeln sind die Adern verdrillt). Wo dies nicht ausreicht, hilft eine zusätzliche Abschirmung durch Stahlpanzerrohr oder Gas-(Wasser)-Rohr. Das Trägerfrequenz-Verfahren ist gegen Störeinstreuungen weit weniger empfindlich als das Gleichspannungsverfahren, weil bei ersterem alle Störfrequenzen außerhalb des Übertragungsbandes verfahrensbedingt eliminiert werden. Wichtig ist ein hoher Isolationswiderstand der Aderisolation, der sich auch durch Temperatur, Feuchtigkeit und dgl. nicht wesentlich ändern darf (s. Tafel und Tafel 3.1-3). Bei Verwendung von Trägerfrequenz-Messgeräten sind kapazitätsarme Kabel zu verwenden, besonders dann, wenn größere Kabellängen benötigt werden. Beim Anschluss von Halb- und Vollbrückenschaltungen kommt es darauf an, dass die Symmetrie benachbarter Brückenzweige erhalten bleibt, und zwar sowohl hinsichtlich des Widerstandes als auch der Kabelkapazität zwischen den Adern (s. Anmerkung 3.1-6). Der Kabelmantel soll gegen äußere Einwirkungen schützen und beständig sein gegen Feuchtigkeit, Wasser, Öl, Chemikalien, Temperatur (hohe und niedrige) sowie mechanische Beanspruchungen. Handelsübliche Messkabel werden zwar vielen Anforderungen gerecht; ein Kabel, das alles kann, gibt es leider nicht. In der Tafel sind die wichtigsten Isoliermaterialien und einige Hinweise auf ihre Eigenschaften verzeichnet. 41

42 Werkstoffname Kriterium PVC Polyvynilchorid PE Polyäthylene (niedrige Dichte) PTPE Polytetrafluride äthylen (Teflon) PUR Polyurethen SIK Silikonkauschauk PA Polyamid PI Polymid Glasfaser umspinnung Glasfaserschlauch Steatitperlen Temperaturbeständigkeit C dauernd kurzzeitig spez. Durchgangswiderstand bei 20 C Ω cm > Abriebfestigkeit mittel mittel mäßig sehr gut mäßig sehr gut sehr gut mäßig mäßig sehr gut Brennbarkeit 1 ) sv ef nef sv sv sef sv nef nef nef Beständigkeit gegen verd. Säuren gut sehr gut 2 ) sehr gut wenig >600 3 ) gut S: unbest S: sehr gut gut gut sehr gut und Laugen L: gut L: mäßig Öl mäßig gut sehr gut gut unbest. gut gut sehr gut sehr gut sehr gut Lösungsmittel Wasseraufnahme % meist unbestä ndig sehr gut unbest. bedingt beständig gut meist beständig sehr gut sehr gut sehr gut ,4 0,1 0, ) sv = selbstverlöschend ef = entflammbar sef = schwer entflammbar 2 ) gegen geschmolzenes Alkali und Fluor unbeständig 3 ) in Dampf ab 130 C unbeständig nef = nicht entflammbar Tafel 3.1-2: Die wichtigsten Kabel-(Leitungs-)lsolierstoffe und einige ihrer technischen Daten. Anmerkung 3.1-5: Über das aktuelle, von HBM angebotene Kabelprogramm unterrichtet die jeweils gültige Gerätepreisliste, über Schaltlitzen und Schaltdrähte die DMS-Preisliste. 42

43 Bild 3.1-3: Aufbau eines HBM-Messkabels Anmerkung Die HBM-Messkabel zeichnen sich durch eine hohe kapazitive Symmetrie aus; auch bei großen Kabellängen treten in der Regel keine systematischen Tendenzen auf. Praktisch unbedeutend ist die Widerstandsunsymmetrie (unterschiedlicher Widerstand der verschiedenen Leiter). Eine Symmetrieprüfung kann bei Abgleichschwierigkeiten im Zuge der Fehlereingrenzung auf Schaltungsfehler in Steckern, Anschlüssen, in seltenen Fällen auch auf Fehler im Messkabel hinweisen. Die Betrachtungen gelten für das Arbeiten mit TF-Messgeräten. Prüfung mit Kapazitätsmesser (Messfrequenz möglichst Hz): Die Kapazitäten 1.) 1 + Schirm gegen 2 (C1, 2) und 1 + Schirm gegen 3 (C1, 3) müssen gleich groß sein. Zulässige Unterschiede, unabhängig von der Kabellänge, pf. (Bedingung auch für 3-adriges Kabel erforderlich). 2.) 4 gegen 2 (C4, 2) und 4 gegen 3 (C4, 3) müssen gleich groß sein. Zulässige Unterschiede, unabhängig von der Kabellänge, pf. Unterschiedliche Kapazitätswerte zwischen den Messungen nach 1 und 2 sind ohne Bedeutung; der Unterschied ist infolge der bei 1 mitverbundenen Abschirmung beachtlich ( 30%). Liegen keine Schaltfehler vor, kann eine die obigen Werte überschreitende Unsymmetrie mit Zusatzkondensatoren ausgeglichen werden. Diese Kondensatoren können gleich gut am Kabelanfang wie am Kabelende angeschlossen werden. 3.2 Tipps aus der Praxis Tipps zum Löten Die Lötfahnen der Lötstützpunkte (s ) vor dem Ankleben mit einem Glasfaserpinsel von Oxid befreien, anschließend mit RMS1 und Wattestäbchen reinigen. Vor dem Anlöten der Kabel: Lötfahnen verzinnen; Litzenenden zusammendrehen (zwischen Papier, nicht mit blanken Fingern) und verzinnen. Lötkolbenspitze mit dem Lötobjekt in Berührung bringen, das Lot mit Flussmittelseele zugeben, und zwar so, dass das Flussmittel das Lötgut benetzt. Bei massivem Lotdraht die Lötstellen zuvor mit dem Flussmittelstift (Best.Nr. 1-FSO1) benetzen. Flussmittel und Lot immer nur sparsam verwenden! 43

44 Anlöten der Kabeladern: Verzinntes Aderende auf den verzinnten Lötstützpunkt auflegen bzw. in Lötfahnenauge einführen, wenn nötig, mit Klebeband fixieren und ohne weitere Lotzugabe verlöten. Bild 3.2-1: Anlöten der Kabeladern bei DMS mit Anschlussbändchen Bei DMS mit offenen Anschlussfahnen (siehe Bild 2.3-4, Skizze b) sollte ebenfalls ein Lötstützpunkt gesetzt werden (wie im Bild zu sehen). Die Verbindung zwischen Lötstützpunkt und Anschlussfahne muss nachgiebig sein. Zweckmäßigerweise führt man 1 Litze der Kabelader vom Lötstützpunkt auf die Anschlussfahne weiter (s. Bild 3.2-2). Masseschluss durch überstehende blanke Leiter vermeiden! Evtl. Isolierfolie unterkleben. Bild 3.2-2: Anschluss der Kabeladern bei DMS mit offenen Anschlussfahnen 44

45 Während des Lötens den Kolben ruhig halten, bis das Lot geflossen ist; dies soll innerhalb von ca. 3 Sekunden geschehen (sonst überhitzte Lötstellen). Bewegen des Kolbens während des Lötens (pinseln) erschwert den Wärmeübergang ( kalte Lötstellen). Während des Erstarrens des Lotes die Teile nicht bewegen (defekte Lötstellen). Das Erstarren des Lotes nicht durch Anblasen beschleunigen (sonst Haarrisse im Lot, die zum Dauerbruch führen). Die Konturen der verlöteten Teile müssen noch erkennbar sein; sie dürfen nicht in einem Lotberg verschwinden, Bild Die Ränder des Lotes müssen erkennen lassen, dass das Lot die Teile gut benetzt hat, Bild Vorsicht, dass keine Masseschlüsse infolge Berührung blanker Aderenden mit dem Messobjekt entstehen. Flussmittelreste entfernen. Kolophonium mit reinem Spiritus, Isopropylalkohol oder RMS1 restlos wegwaschen. Lötstellenkontrolle mit Lupe. 45

46 Anmerkung 3.2-1: Flussmittelreste, auch Reste von Kolophonium, können Anlass geben zu veränderlichem Isolationswiderstand, auch dann schon, wenn nur geringe Mengen Feuchtigkeit durch Diffusion eindringen oder durch Trocknen auswandern. Kolophonium ändert außerdem - wie auch andere Harze - seinen Isolationswiderstand drastisch in Abhängigkeit von der Temperatur. Der Isolationswiderstand einer Messstelle lässt sich leicht gegen das Objekt hin messen, nicht aber zwischen den beiden Anschlüssen des DMS. Eine Änderung des Isolationswiderstandes zwischen diesen Anschlüssen erzeugt jedoch eine Nullpunktdrift, die dann fälschlicherweise dem DMS angelastet wird. Es ist deshalb außerordentlich wichtig, alle Flussmittelreste mit größter Sorgfalt zu entfernen! Tipps zum Kabelanschluss Im Messwertaufnehmerbau sollte man nur die Vollbrückenschaltung anwenden. Die brückeninternen Verbindungsleitungen mache man so kurz wie möglich. Man achte darauf, dass die Verbindungsleitungen in allen Brückenzweigen gleich lang sind (zumindest aber sollten die Leitungen in benachbarten Brückenarmen gleich lang sein). Empfehlenswert ist eine zusätzliche Zugentlastung am Messkabel, z.b. durch Festkleben des Kabelendes mit dem Schnellklebstoff X 60. Bild Das übrige Kabel kann mit Kabelschellen in üblicher Weise festgelegt werden. Besonders bequem sind anklebbare Kabelschellen (sie können auch angeschraubt werden). 46

47 Bild 3.2-6: Nach dem Kabelanschluss unbedingt alle Flussmittelreste entfernen, den Isolationswiderstand und den Kabelwiderstand (Durchgangswiderstand) überprüfen (siehe Anmerkung 3.2-1). Wird die Messstelle extremen Beanspruchungen ausgesetzt, z.b. durch Druckwasser oder Unterwasserlagerung über längere Zeit, so entferne man den Kabelmantel auf ca. 5 bis 10 cm, damit die Kabeladern einzeln in das Abdeckmedium eingebettet werden können. Auf diese Weise ergibt sich eine lange Kriechstrecke an der meistgefährdeten Stelle, dem Austritt des Kabels aus dem Schutzmedium. (Weiteres über Messstellenschutz siehe Abschnitt 5.) Bild 3.2-7: 47

48 4 Zwischenprüfungen 4.1 Optische Inspektion Der DMS sowie die Kabelanschlüsse mit einer guten, ca. 6 x vergrößernden Lupe überprüfen auf: Luftblasen unter dem DMS schlecht geklebte Ränder unzuverlässige Lötverbindungen Flussmittelreste 4.2 Durchgangswiderstand des DMS Die DMS sind im Anlieferzustand mit einer engen Toleranz auf den Nennwiderstand abgeglichen. Die Kontrollmessung soll zeigen, ob sich der Widerstand des DMS durch unsachgemäßes Applizieren nennenswert geändert hat (Widerstandänderungen bis +1/4 % sind ohne Nachteil). 4.3 Widerstand der Anschlusskabel Der Widerstand der Anschlusskabel bewirkt (bei ungeregelten Messsystemen mit Konstantspannungs-Speisung) eine scheinbare Empfindlichkeitsminderung des DMS; deshalb ist er zu messen und sein Wert in das Messprotokoll einzutragen. Der durch den Kabelwiderstand verursachte bekannte systematische Fehler ist bei der Auswertung der Messung zu korrigieren (siehe auch [2], Abschnitt 4.2). Anmerkung 4.4-1: Beispiel: Bei einer Messstellenentfernung zum Messverstärker von 20 m und bei Verwendung eines üblichen Kabels mit einem Aderquerschnitt von 0,17 mm 2 ergibt sich ein Widerstand von 4,23 Ω (Hin- und Rückleitung). Dadurch ergibt sich ein Empfindlichkeitsverlust von 3,4 % bei einem DMS-Widerstand von 120 Ω 1,2 % bei einem DMS-Widerstand von 350 Ω 0,6 % bei einem DMS-Widerstand von 700 Ω 4.4 Isolationswiderstand des DMS Der Isolationswiderstand des DMS ist gegen Masse zu messen. Dazu sind Geräte mit einer Prüfspannung nicht über 50 Volt zu verwenden. 48

49 Ein unter Laborbedingungen applizierter DMS muss bei Raumtemperatur einen Isolationswiderstand von mindestens MΩ besitzen. Bei Applikationen im Freien sollten mindestens 2000 MΩ erreicht werden (siehe auch [2], Abschnitt 4.3.1). Niedriger Isolationswiderstand weist entweder auf unzureichende Reinigung der Lötstellen hin (s. Abschnitt 3.2.1), auf nachträgliche Verschmutzung, z.b. durch Handschweiß, oder auf absorbierte Feuchtigkeit. Letzteres kann durch die Einwirkung feuchter Atmosphäre auftreten. In diesem Falle ist die Applikation auszuheizen bis ein ausreichend hoher und stabiler Isolationswiderstand erreicht ist (bei Verwendung kalthärtender Klebstoffe bei C, bei heißhärtenden Klebstoffen C). 4.5 Isolationswiderstand des Anschlusskabels Der Isolationswiderstand zwischen den Adern des Anschlusskabels ist außer von der Qualität der Isolationswerkstoffe (siehe Anmerkung 3.1-6) noch von der Länge des Kabels abhängig. Er soll sich in ähnlicher Größenordnung bewegen wie der Isolationswiderstand des DMS selbst. 49

50 5 Messstellenschutz DMS-Messstellen müssen gegen mechanische oder chemische Einwirkungen geschützt werden. Selbst unter idealen Bedingungen, z.b. im Laboratorium, werden die Eigenschaften der Messstelle im Laufe der Zeit beeinflusst, wenn nicht geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Ebenso unterschiedlich, wie die Einwirkungen auf die Messstelle, sind die Maßnahmen zu ihrer Abwehr. Im Labor bei gleichmäßiger trockener Luft genügt schon ein leichter Schutz gegen Berührung (Handschweiß), während sich im rauhen Walzwerkbetrieb der Schutz auf Dampf, Wasser, Öl, Hitze und mechanische Einwirkungen erstrecken muss. Im ersten Fall reicht ein einfacher Lacküberzug, im zweiten Fall muss man aus mehreren Schichten verschiedener Schutzstoffe eine Barriere aufbauen. Man sollte sich jedoch darüber klar sein, dass ein absoluter Schutz über unbegrenzte Zeit nur durch hermetisch dichte metallische Kapselung möglich ist. Diese Schutzart wird deshalb bei handelsüblichen Aufnehmern angewendet, soweit die Funktion es zulässt. Alle anderen Abdeckmittel, auch die allerbesten, gewähren nur einen temporären Schutz. Die Schutzdauer hängt dabei sowohl von der Art des Abdeckmittels und seiner Schichtdicke als auch von der Art des einwirkenden Mediums ab. Die Zeitspannen der Schutzdauer reichen dabei von Stunden bis zu mehreren Jahren, je nach den Gegebenheiten. Welche Schutzdauer notwendig ist, hängt nicht allein von der zu fordernden Lebensdauer der Messstelle ab, sondern auch von der Dauer der einzelnen Messungen, der Möglichkeit von zwischenzeitlichen Nullpunktkontrollen und schließlich noch von den Genauigkeitsforderungen. Leichte Beeinträchtigungen der Messstelle, z.b. durch Einwanderung von Feuchtigkeit infolge Diffusion, wirken sich in erster Linie in Veränderungen des Nullpunktes aus. Sind diese kontrollierbar, z.b. durch Entlasten des Messobjektes, und bewegen sie sich in akzeptierbaren Grenzen (z.b µm/m), dann kann man weiterhin mit für spannungsanalytische Untersuchungen ausreichender Genauigkeit messen. Ein weiteres Indiz für die Brauchbarkeit einer Messstelle ist der Isolationswiderstand. Das Absinken des Isolationswiderstandes von 1000 MΩ auf 1 MΩ bewirkt bei einem 120 Ω-DMS eine Nullpunktverschiebung von -60 µm/m, bei einem 350 Ω-DMS -175 µm/m und bei einem 700 Ω-DMS -350 µm/m! Das heißt, dass die untere Grenze des Isolationswiderstandes auch vom Messgitterwiderstand des verwendeten DMS abhängt. Schwere Beeinträchtigungen der Messstelle entstehen durch die Diffusion ätzender oder leitender Stoffe sowie durch Korrosion. Korrosion wird enorm gefördert bei Anwendung von Gleichspannung zur Speisung der DMS! Dabei können sich, wie schon zu beobachten war, galvanische Elemente ausbilden, deren Spannung sich dem Messsignal überlagert und so große Messfehler verursacht (bei DC-Speisung!). Schließlich darf nicht übersehen werden, dass die Anforderungen zum Schutz der Messstelle in gleichem Maß auch für die Zuleitungen, die Kabel, gelten (siehe auch Abschnitt 3.1.6). Die Schutzmaßnahmen sollen wirksam sein, sie dürfen aber auch die Eigenschaften des Messobjektes nicht verändern. Dünne Objekte dürfen nicht so versteift werden, dass die Verformung behindert wird; Kunststoffe dürfen nicht durch lösungsmittelhaltige Mittel angegriffen werden. 50

51 Für jeden Einzelfall eine konkrete Anweisung zu geben, ist nicht möglich. Die folgenden Hinweise sollten jedoch genügen, um für die überwiegend vorkommenden Probleme die jeweils richtige Maßnahme zu treffen. 5.1 Einige Hinweise für die Anwendung und den Aufbau von Schutzabdeckungen für DMS-Messstellen. Bei der Auswahl der Schutzstoffe sind zu beachten: Die Umgebungsbedingungen (siehe auch [22]: Chemische Beständigkeit der HBM Abdeckmittel ) die Dauer der Messung bzw. die geforderte Lebensdauer der Messstelle die geforderte Messgenauigkeit das Messobjekt darf nicht in unzulässiger Weise versteift werden der mit der Messstelle einschließlich dem Anschlusskabel in Kontakt kommende Stoff muss sehr hohen Isolationswiderstand besitzen und darf keine chemischen Reaktionen oder Korrosion auslösen Für die Anwendung gilt: Die Messstelle muss vor dem Abdecken in einwandfreiem Zustand sein. Klebstoff und evtl. vorher verwendete Abdeckmittel müssen vollständig ausgehärtet sein. Eingeschlossene Feuchtigkeit, Handschweiß, Flussmittelreste vom Löten u. dgl. sind Zeitzünder, die früher oder später zu Messfehlern oder gar zum Ausfall der Messstelle führen. Man bedenke, dass wirksame Abdeckmittel nicht nur äußere Feuchtigkeit aussperren, sondern auch innere Feuchtigkeit einsperren! Die Messstelle ist unmittelbar nach dem Installieren abzudecken. Ist die Applikation eines DMS in feuchter Umgebung unumgänglich (Termindruck, schlechtes Wetter, feuchte Räume), dann sollte das Messobjekt in einem Ofen ausgeheizt werden (Temperatur ca C wenn möglich), oder - wo dies nicht anwendbar ist - die Messstelle mit einem Warmluftgebläse (Haartrockner o. dgl.) getrocknet werden. Das Abdeckmittel muss einwandfrei mit dem die Messstelle umgebenden Rand binden. Fehlstellen und Kapillaren (Kratzer, Rillen) sind Tore, durch welche aggressive Medien einwandern können. Die Bindung des Abdeckmittels mit dem Rand muss während der gesamten Nutzungsdauer der Messstelle unverändert bestehen bleiben. Deshalb muss der Rand ebenso sorgfältig gereinigt sein wie die Klebestelle und soll etwa 1 bis 2 cm über die äußeren Klebstoffränder hinausreichen. Handschweiß (Fingerabdrücke) kann dazu führen, dass trotz zunächst einwandfreier Bindung das Abdeckmittel unterrostet und damit wirkungslos wird. Kabeleinführungen sind mit größtmöglicher Sorgfalt abzudichten. Die Abdeckmittel müssen das Kabelende von allen Seiten einhüllen, also auch von unten, damit keine Kanäle oder Kapil- 51

52 laren entstehen, durch welche Feuchtigkeit ins Innere der Abdeckung vordringen kann. Bei mehradrigen Kabeln sind die Kabeladern einzeln in die Abdeckmasse einzubetten und ein Stück des Kabelmantels in die Abdeckung einzubeziehen. Das Bild zeigt ein Beispiel. Bei kritischen Umgebungsbedingungen ist die Kabelisolation aufzurauhen und mit chemisch reinem Lösungsmittel zu entfetten. Bild 5.0-1: Messstelle mit Schutzabdeckung Bei handelsüblichen Abdeckmitteln für DMS-Messstellen sollten unbedingt die Verarbeitungsanweisungen befolgt werden. 5.2 Gebräuchliche Abdeckmittel Polyurethanlack PU 120 Lufttrocknender Lack. Geeignet für leichten Messstellenschutz gegen Berühren (Handschweiß) und Staub, normale Luftfeuchtigkeit und deren in den gemäßigten Zonen übliche Schwankungen. Auch gut geeignet als isolierende Schicht unter anderen Abdeckmitteln. Ölbeständig. Gute Abriebfestigkeit. Achtung: Nicht in Kombination mit NG 150 verwenden. Nitrilkautschuklack NG 150 Lufttrocknender Lack. Anwendungsbereich und Eigenschaften ähnlich PU 100. Beständig gegen Ö1 und Benzin, bevorzugte Anwendung bei Kontakt mit verflüssigten Gasen (nicht Sauerstoff!). Achtung: Nicht in Kombination mit PU 120 verwenden. Siliconlack SL