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Dokumentenidentifikation DE3612038C2 13.04.1989
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Zähigkeits- und Elastizitätskräften
Anmelder Rheometrics, Inc., Piscataway, N.J., US
Erfinder Garritano, Ronald F., Flemington, N.J., US
Vertreter Stellrecht, W., Dipl.-Ing. M.Sc.; Grießbach, D., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Haecker, W., Dipl.-Phys.; Böhme, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 10.04.1986
DE-Aktenzeichen 3612038
Offenlegungstag 30.10.1986
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.1989
IPC-Hauptklasse G01N 3/02
IPC-Nebenklasse G01N 3/22   G01N 3/24   G01N 3/28   G01N 11/00   
Zusammenfassung Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten von Kräften in einer einem viskoelastischen Test unterworfenen, unter Scherbelastung stehenden Probe, die an eine Platte mit zugeordneter Ruhelage angeordnet ist, wobei die Platte aus ihrer Ruhelage heraus relativ zu einer ortsfesten Achse verdrehbar und axial verschieblich ist, und zwar in Abhängigkeit von Dreh- und Axialkräften, die von der Probe auf die Platte infolge der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten ausgeübt werden. Es sind Maßnahmen getroffen zur Erzeugung einer drehenden Gegenkraft zum Ausgleich der auf die Platte ausgeübten Drehkraft und gleichzeitig zur Erzeugung einer axialen Gegenkraft zum Ausgleich der auf die Platte wirkenden Axialkraft, um so die Platte in Ruhestellung zu halten, wobei die Größe der Gegenkräfte angezeigt wird, die erforderlich sind, um die Platte in ihrer Ruhelage zu halten. Auf diese Weise werden die viskosen und elastischen Komponenten der in der Probe auftretenden Kräfte ohne Nachgiebigkeit (zero compliance) gemessen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung rheologischer Kenndaten von Werkstoffen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung sowohl der Zähigkeits- als auch Elastizitätskomponenten von Kräften, die bei scherender oder Torsionsbeanspruchung in einer Probe auftreten.

Bei der Bestimmung rheologischer Kenndaten viskoelastischer Materialien, beispielsweise Polymerisatschmelzen, wird gewöhnlich eine scheibenförmige Probe zwischen zwei einander gegenüberliegenden, in axialem Abstand gehaltenen, radial verlaufenden Flächen eingebracht und mit jeder dieser Flächen verbunden, so daß die Probe den axialen Zwischenraum zwischen den Flächen ausfüllt. Eine der Flächen wird hierauf relativ zur anderen um die gemeinsame Achse verdreht, so daß die Probe eine Scherbelastung erfährt und das sich aus dieser Scherbelastung ergebende Drehmoment gemessen werden kann. Bei der Scherbelastung kann es sich um eine stationäre Scherung handeln, in welchem Fall das gemessene Drehmoment konstant ist. Die Scherbelastung kann jedoch auch eine dynamische Scherung sein, wobei sich das gemessene Drehmoment kontinuierlich mit der Zeit ändert. Das gemessene Drehmoment ist proportional zur Viskositäts- oder Verlustkomponente des Werkstoffmoduls.

Man hat beobachtet, daß als Folge der Art der an die Probe bei einem solchen Vorgang angelegten Kräfte die Probe eine gewisse Tendenz zeigt, sich axial auszudehnen, so daß auf die relativ zueinander sich verdrehenden Flächen, an welche die Probe angekoppelt ist, axial verlaufende Kräfte ausgeübt werden. Diese Tendenz wird als ein Resultat der Tatsache angesehen, daß der Mittelpunkt der Probe stationär verbleibt, während der Außenumfang verdreht wird, so daß die radial außen gelegenen Teile der Probe das Bestreben haben, sich radial nach einwärts zu ziehen und auf die Flächen, mit denen die Probe verbunden ist, axial gerichtete Kräfte auszuüben. Dieses Verhalten wird in der Literatur als "Weissenberg-Effekt" bezeichnet. Die Axialkraft, welche von der Probe bei Scherbelastung auf die Flächen ausgeübt wird, ist proportional zur Elastizitäts- oder Speicherkomponente des Werkstoffmoduls.

Obwohl bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der drehenden und axialen Kräfte in solchen Proben bekannt sind, (DE-OS 34 08 310, DE-OS 25 43 533, FR-PS 24 26 258, GB-PS 13 65 677, US-PS 35 45 257, US-PS 43 75 047) erfordern die bisher benutzten Einrichtungen eine Verschiebung oder Durchbiegung von Teilen der Meßeinrichtung, um eine Messung der drehenden und axialen Kräfte zu erhalten. Diese Verschiebung oder Durchbiegung ist als Nachgiebigkeit (compliance) bekannt. Obwohl es an sich erwünscht ist, diese Nachgiebigkeit zu reduzieren, um eine größere Genauigkeit zu erhalten, erfordern die bekannten Einrichtungen zumindest eine gewisse Nachgiebigkeit, um arbeiten zu können. Es wäre vorteilhaft, wenn Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung ständen, bei denen die Messung der drehenden und axialen Kräfte ohne Einführung einer solchen Verschiebebewegung erreichbar wären, mit anderen Worten also unter Bedingungen, bei denen keine Nachgiebigkeit vorliegt oder die Nachgiebigkeit gleich Null ist. Bei Eliminierung der bisher notwendigen Nachgiebigkeit oder Verschiebbarkeit werden die Kräfte direkt gemessen, so daß eine größere Genauigkeit erreichbar ist, da äußere Einflüsse im wesentlichen ausgeschaltet sind. So wird beispielsweise eine Kraftmessung nunmehr unabhängig von Temperatureinflüssen auf die Meßvorrichtung. Weiterhin schaltet die Möglichkeit, eine Kraft unabhängig von einer Verschiebung zu messen, jedwede Einflüsse aus, die auf eine Hysterese zurückgehen, die ihrerseits beispielsweise bei der Messung einer gegen eine Feder wirkende Kraft auftreten könnte.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit deren Hilfe eine Messung sowohl der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten von Kräften in einem viskoelastischen, unter Scherbeanspruchung stehenden Material ohne Nachgiebigkeit gemessen werden können.

Dabei sollen insbesondere die Zähigkeits- oder Viskositäts- und Elastizitätskomponenten bei einer Nachgiebigkeit von Null gleichzeitig gemessen werden, so daß die viskoelastischen Eigenschaften unabhängig von äußeren Einflüssen mit größerer Genauigkeit festgestellt werden können.

Vorteilhafterweise sollen dabei bewegliche Teile Anwendung finden, die keine bevorzugten Positionen haben und infolgedessen keinen Fehler in die Messung einführen, der anderswo als Folge des Bestrebens, sich in eine bevorzugte Position zu bewegen, auftreten kann.

Schließlich soll die vorgeschlagene Vorrichtung in ihrem Aufbau relativ einfach und wirtschaftlich herstellbar sein und zudem eine leichte Anwendung und eine leichte Wartung ermöglichen.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung und bei einem gattungsgemäßen Verfahren gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 15 jeweils durch die kennzeichnenden Merkmale dieser Patentansprüche gelöst.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:.

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene, schematisierte Ansicht einer Vorrichtung zur Messung von Viskositäts- und Elastizitätskraftkomponenten;

Fig. 2 eine Längsschnittansicht eines Teils der Vorrichtung aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Meßvorrichtung weist ein Gestell 12 mit einem oberen und unteren Abstützglied 14 bzw. 16 auf. Ein Tisch 20 ist mittels einer unteren Kupplung 22 an einen Motor 24 angekoppelt, der mit Hilfe von Schrauben 26 auf dem unteren Abstützglied 16 befestigt ist. Die untere Kupplung 22 ist an der Antriebswelle 28 des Motors 24 befestigt. Eine Platte 30 ist mittels einer oberen Kupplung 32 an eine Wandleranordnung 34 angekoppelt, die mit Hilfe von Schraubbolzen 36 auf dem oberen Abstützglied 14 gehalten ist. Die obere Kupplung 32 ist an einer Spindel 38 der Wandleranordnung 34 befestigt.

Zwischen den Tisch 20 und die Platte 30 ist eine zu untersuchende Probe 40 aus viskoelastischem Material eingebracht und sowohl mit dem Tisch 20 und der Platte 30 verbunden. Die Probe 40 liegt gewöhnlich in Gestalt einer Scheibe 42 aus geschmolzenem Polymerisat vor, dessen viskoelastische Eigenschaften gemessen werden sollen. Die Scheibe 42 weist eine untere Fläche 44 auf, die am Tisch 20 befestigt ist, und eine obere Fläche 46, die an der Platte 30 befestigt ist. Wie gewöhnlich bei Meßvorrichtungen dieser Art, ist auch hier die Platte 30 mit einer allgemein konischen Fläche 48 ausgestattet, an der die Oberseite 46 der Scheibe 42 befestigt wird. Da die Probe 40 im vorliegenden Fall eine Polymerisatschmelze ist, wird ein Ofen 49 vorgesehen, welcher die Probe 40 bei der gewünschten erhöhten Temperatur hält.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, verläuft die Spindel 38 axial entlang einer ortsfesten Achse 50, die durch die Wandleranordnung 34 hindurch nach oben verläuft. Das untere Ende 52 der Spindel 38 steht nach unten vor und greift in die obere Kupplung 32 ein. Die Wandleranordnung 34 umfaßt ein unteres Gehäuse 54, in dem ein Lager 56 zur drehenden Abstützung der Spindel 38 mit Bezug auf die Achse 50 angeordnet ist. Weiterhin ermöglicht das Lager 56 auch eine axiale Verschiebung der Spindel 38 parallel zur Achse 50. Um Reibungseinflüsse des Lagers 56 auf die freie Bewegung der Spindel 38 im wesentlichen auszuschalten oder auf ein Minimum zu reduzieren, ist das Lager 56 in Form eines Luftlagers konstruiert mit einer Hülse 60, durch welche ein Teil 62 der Spindel 38 mit ausreichendem Freiraum hindurch verläuft, so daß es möglich ist, einen Luftfilm zwischen dem Teil 62 und der Hülse 60 auszubilden. Druckluft wird über eine Einlaßarmatur 84 eingeleitet und verläuft durch einen Luftkanal 66 zu einer Verteileraussparung 68 hin, von welcher aus der Luftfilm zwischen den Teil 62 und die Hülse 60 eingebracht wird. Weitere Lufteinlässe können, falls erforderlich, in Gestalt einer zweiten Lufteinlaßarmatur 64&min; vorgesehen werden.

Die drehende und axiale Beweglichkeit der Spindel 38 ist auf relativ kleine Verschiebungen beschränkt, und zwar aufgrund eines querverlaufenden Stiftes 70, welcher durch eine entsprechende Öffnung 72 im Teil 62 der Spindel 38 hindurchverläuft. Der Stift 70 ist innerhalb einer Bohrung 74 im unteren Gehäuse 54 mit Hilfe einer Stellschraube 76 gehalten, die an einem der beiden Endabschnitte 77 des Stiftes 70 angreift. Der Stift 20hat einen mittleren Abschnitt 78 kleineren Durchmessers, so daß ein ringförmiger Zwischenraum 80 zwischen der Öffnung 72 und dem mittleren Abschnitt 78 des Stiftes 70 entsteht, der eine beschränkte Verschiebung der Spindel 38 sowohl in Umfangsrichtung als auch in Axialrichtung ermöglicht. Die Lage des Stiftes 70 kann wahlweise dadurch verschoben werden, daß man den Eingriff der Stellschraube 76 löst und einen Endabschnitt 77 des Stiftes in die Öffnung 72 verschiebt, so daß auf diese Weise die Spindel 38 gegenüber jedweder Bewegung relativ zum unteren Gehäuse 54 festgestellt ist. Dies dient der anfänglichen Ausrichtung und Eichung wie auch der Verhütung einer Beschädigung während des Transports. Alternativ kann der Stift 70 auch durch einen wahlweise verwendbaren Stift konstanten Durchmessers (nicht dargestellt) ersetzt werden, um die Spindel 38 für die gleichen Zwecke unbeweglich zu blockieren. Eine untere Abdeckung 82 ist an der unteren Stirnseite des Gehäuses 54 mit Hilfe von Schrauben 84 gehalten und verschließt diese Stirnseite gegenüber Staub und anderen Verunreinigungen.

Wie bereits zum Ausdruck gebracht, dient die Vorrichtung 10 der Messung sowohl der Viskositäts- oder Zähigkeitskomponente als auch der Elastizitätskomponente von Kräften, die innerhalb der viskoelastischen Probe 40 dann entstehen, wenn diese Probe eine Scherbelastung erfährt. Zu diesem Zweck wird die Probe 40 zwischen den Tisch 20 und die Platte 30 eingebracht und anschließend, wie bereits beschrieben, sowohl mit dem Tisch als auch mit der Platte fest verkoppelt. Die axiale Entfernung zwischen dem Tisch 20 und der Platte 30 wird genau auf die Dicke der Probe 40 unter statischen Bedingungen eingestellt, beispielsweise durch entsprechende axiale Relativverschiebung des oberen oder unteren Abstützgliedes 14 bzw. 16 des Vorrichtungsgestells. Auf diese Weise wird die Platte 30 in ihrer Nullstellung oder Ruhelage angeordnet, die in Fig. 1 dargestellt ist. Anschließend wird der Motor 24 in Betrieb genommen, um die Welle 28 und den Tisch 20 in Umdrehung zu versetzen, wodurch die Probe 40 unter Scherbelastung gesetzt wird. Fortgesetzter Rotationsantrieb der Welle 28 durch den Motor 24 mit konstanter Geschwindigkeit führt zu einer stationären Scherbelastung. Bei anderen möglichen Prüfarten kann die Antriebswelle 28 auch oszillierend oder intermittierend bewegt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform verdreht der Motor 24 jedoch die Welle 28 und dementsprechend den Tisch 20 mit ausgewählter konstanter Geschwindigkeit, so daß die Probe 40 eine gewünschte stationäre Scherbelastung erfährt. Nach Erreichen der stationären Scherbedingungen übt die Probe 40 auf die Platte 30 ein Drehmoment aus, welches bestrebt ist, die Platte 30 aus ihrer Ruhelage heraus zu verdrehen. Zusätzlich übt die Probe aufgrund des zuvor erwähnten "Weissenberg-Effekts" eine axial nach oben gerichtete Kraft auf die Platte 30 aus, welche das Bestreben hat, die Platte 30 aus ihrer Ruhelage nach oben heraus zu verschieben. Diese drehenden und axialen Kräfte werden direkt auf die Spindel 38 übertragen.

Wenn sich der Stift 70 in der in Fig. 2 dargestellten Lage befindet, sind begrenzte Dreh- und Axialverschiebungen der Spindel 38 aufgrund des ringförmigen Zwischenraums 80 möglich, und zwar in Abhängigkeit von den Dreh- und Axialkräften, welche von der Platte 30 auf die Spindel 38 übertragen werden. Die Wandleranordnung 34 vermittelt drehende und axiale Gegenkräfte, wobei diese Gegenkräfte die Spindel 38 und die Platte 30 zu ihrer Ruheposition hin vorspannen. Sobald die Gegenkräfte jeweils eine Größe erreichen, welche die von der Probe auf die Platte 30 ausgeübten Kräfte ausbalanciert, und die Platte 30 in Ruhelage zurückgeführt ist, vermittelt die Größe der drehenden Gegenkraft ein Maß der viskosen Komponente des Werkstoffmoduls der Probe und die Größe der axialen Gegenkraft ein Maß für die elastische Komponente dieses Moduls. Daher werden die gewünschten Kräfte in der Tat jeweils ohne Nachgiebigkeit oder bei Nachgiebigkeit Null gemessen.

Wie aus Fig. 2, 3 und 4 hervorgeht, erstreckt sich die Spindel 38 durch einen ersten Wandler 90 hindurch. Der Wandler 90 enthält einen Ringmagnet 92, vorzugsweise in Gestalt eines Permanentmagneten, mit einer zentralen Bohrung 94, durch welche die Spindel 38 hindurch verläuft. Ein erster Anker 36 ist bei 98 derart an der Spindel 38 befestigt, daß er sich zusammen mit der Spindel bewegt. Der Anker ist becherartig ausgebildet und weist einen zylindrischen Vorsprung 100 auf, der nach unten in einen entsprechenden ringförmigen Spalt 102 des Magneten 92 vorsteht. Der Vorsprung 100 trägt eine Mehrzahl von Windungen 104, die so orientiert sind, daß bei Durchgang von elektrischem Strom durch die Windungen 104 der Anker 96 das Bestreben hat, sich um die Achse 50 zu verdrehen, wodurch auch die Spindel 38 um die Achse 50 mit verdreht wird. Der Magnet 92 ist am unteren Gehäuse 54 durch Schrauben 106 befestigt und verbleibt somit ortsfest.

Am Magneten 92 ist mit Hilfe von Schrauben 112 ein Gehäuse 110 befestigt, welches eine erste Abfühleinrichtung 114 enthält. Die Abfühleinrichtung 114 dient zur Feststellung einer Drehverschiebung der Spindel 38 und damit der Platte 30 aus ihrer Ruhelage heraus. Wie am besten aus Fig. 2 und 3 ersichtlich, umfaßt die erste Abfühleinrichtung 114 einen an der Spindel 38 mit einer Nabe 118 befestigten Rotor, der radial verlaufende Kondensatorelemente in Gestalt von Flügeln 120 aufweist. Wenn die Platte 30 und die Spindel 38 in Ruheposition sind, ist jeder Flügel 120 umfangsmäßig zwischen einem Paar parallel verlaufender Kondensatorelemente in Form von Platten 122 zentriert, die auf einer ringförmigen Schaltplatte 124 befestigt sind. Die Schaltplatte 124 ist ihrerseits am Gehäuse 110 mit Hilfe von Schrauben 126 gehalten. Jeder Flügel 120 und das entsprechende Paar der Platten 122 bildet einen veränderlichen Kondensator, so daß jede Drehbewegung der Spindel 38, durch welche sich auch die Flügel 120 bewegen, eine Kapazitätsänderung hervorruft, welche durch die Schaltung auf der Schaltplatte 124 festgestellt werden kann.

Mit der ersten Abfühleinrichtung 114 und dem ersten Wandler 90 ist eine erste Antriebsschaltung 130derart verbunden, daß die bei einer Drehverschiebung der Platte 30 und der Spindel 38 aus ihrer Ruhelage heraus erfolgende Kapazitätsänderung einen Strom in den Windungen 104 des Ankers 96 hervorruft, um auf diese Weise den Wandler 90 in Abhängigkeit von der ersten Abfühleinrichtung 114 zu betätigen und so die Spindel 38 und die Platte 30 drehend in Ruhelage zurückzuführen und dort mit einer drehenden Gegenkraft zu halten, die ihrerseits die von der Probe 40 auf die Platte 30 ausgeübte Drehkraft ausbalanciert. Eine erste Anzeigeeinrichtung 132 zeigt die Größe der drehenden Gegenkraft an, die für diese Ausbalancierung erforderlich ist. Somit wird die Größe der drehenden Gegenkraft ohne Nachgiebigkeit gemessen.

Die Spindel 38 erstreckt sich weiterhin nach aufwärts über die erste Abfühleinrichtung 114 hinaus in einen zweiten Wandler 140. Der zweite Wandler 140 weist eine Magnetanordnung 142 auf, zu der ein Permanentmagnet 144, ein Magnetgehäuse 146, ein erster Stator 148 und ein zweiter Stator 149 gehören, die alle miteinander einen ringförmigen Spalt 150 erzeugen. Am oberen Ende 154 der Spindel 38 ist ein zweiter Anker 152 befestigt. Der Anker ist becherförmig ausgebildet und umfaßt einen zylindrischen Vorsprung 156, der nach oben in den Spalt 150 der Magnetanordnung 142 hineinragt. Der zylindrische Vorsprung 156 trägt eine Mehrzahl von Windungen 158, die so orientiert sind, daß bei Durchgang von elektrischem Strom durch die Windungen der Anker 152 die Tendenz hat, sich entlang der Achse 50 zu verschieben, so daß auch die Spindel 38 entlang der Achse 50 verschoben wird. Die Magnetanordnung 142 ist am Gehäuse 110 durch Schrauben 159 ortsfest gehalten.

Das Gehäuse 110 enthält weiterhin eine zweite Abfühleinrichtung 160 zur Feststellung einer axialen Verschiebung der Spindel 38 und damit der Platte 30, und zwar aus ihrer Ruhelage heraus. Wie am besten aus Fig. 2 und 4 ersichtlich, schließt die zweite Abfühleinrichtung 160 ein Kondensatorelement in Gestalt einer Platte 162 ein, welche durch Schrauben 164 drehschlüssig mit der Spindel 38 verbunden ist. Die Schrauben 184 halten die Scheibe 162 am Anker 152. Die Scheibe 162 erstreckt sich radial nach außen und ist, wenn die Spindel 38 und die Platte 30 in ihrer Ruhelage gehalten sind, axial zwischen einem Paar paralleler Kondensatorelemente in Gestalt von Ringen 166 zentriert. Diese ringförmigen Kondensatorelemente 166 sind jeweils auf einer zugehörigen, ringförmigen Schaltplatte 168 befestigt, die mit dem Gehäuse 110 durch Schrauben 169 verbunden sind. Die Scheibe 162 und die Ringe 166 bilden einen veränderlichen Kondensator, so daß jedwede Axialverschiebung der Spindel 38 die Scheibe 162 verschiebt und eine Kapazitätsänderung hervorruft, welche durch die Schaltung der Schaltplatte 168 feststellbar ist.

Mit der zweiten Abfühleinrichtung 160 und dem zweiten Wandler 140 ist eine zweite Antriebsschaltung 170 verbunden, so daß die durch axiale Verschiebung der Platte 30 und der Spindel 38 aus ihrer Ruhelage heraus bewirkte Kapazitätsänderung in den Windungen 158 des Ankers 152 einen Strom in Abhängigkeit von der zweiten Abfühleinrichtung 160 erzeugt, um die Spindel 38 und die Platte 30 axial in die Ruhestellung zurückzuführen und dort mit einer axialen Gegenkraft zu halten, welche diejenige Axialkraft ausbalanciert, die von der Probe 40 auf die Platte 30 ausgeübt wird. Eine zweite Anzeigeeinrichtung 172 zeigt die Größe der axialen Gegenkraft an, welche für die Aufrechterhaltung dieser Ausbalancierung erforderlich ist. Somit wird die Größe der axialen Gegenkraft bei einer Nachgiebigkeit von Null gemessen.

Wenn sich die Probe 40 im Zustand stationärer Scherbelastung befindet und die Wandleranordnung 34 die Platte 30 in Ruhestellung hält, vermittelt die erste Anzeigeeinrichtung 132 ein Maß der Zähigkeitskomponente von Kräften, die innerhalb der Probe 40 auftreten. Die zweite Einrichtung 172 vermittelt ein Maß für die elastische Komponente der in der Probe 40 auftretenden Kräfte, so daß auf diese Weise eine gleichzeitige Messung der viskosen und elastischen Komponenten des zu untersuchenden Werkstoffmoduls möglich ist. Die Möglichkeit, die Viskositäts- und Elastizitätskomponenten gleichzeitig und ohne Nachgiebigkeit zu messen, führt zu einer gesteigerten Meßgenauigkeit, da die Bedingungen, unter denen jede Komponente gemessen wird, die gleichen sind. Darüber hinaus wird durch die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren die Messung erleichtert, wobei gleichzeitig die für die Gewinnung der Meßdaten erforderliche Zeit reduziert wird. Weiterhin eliminiert die Möglichkeit, die Größe der Gegenkräfte ohne Nachgiebigkeit zu messen, äußere Einflüsse, beispielsweise Einflüsse von Temperaturveränderungen in der Vorrichtung oder bestimmte mechanische Einflüsse, die sich aus Verschiebungen ergeben, beispielsweise aus Hystereseeffekten und Kräften, die über Verschiebungen in einer Feder gemessen werden.

Die Konstruktion des ersten und des zweiten Wandlers 90 bzw. 140 und der zugeordneten ersten und zweiten Abfühleinrichtungen 114 bzw. 160 ist so getroffen, daß die Wandler und Abfühleinrichtungen gleichzeitig betrieben werden können, ohne einander zu beeinflussen. Mit anderen Worten: Der erste Wandler und die zugeordnete erste Abfühleinrichtung arbeiten unabhängig vom Betrieb des zweiten Wandlers und dessen Abfühleinrichtung und vermitteln konsistent genaue Ergebnisse, unabhängig vom jeweiligen Zustand des zweiten Wandlers und der zweiten Abfühleinrichtung und umgekehrt. Eine kleine axiale Verschiebung des ersten Ankers 96 im Spalt 102 des Magneten 92 beeinflußt nämlich die Fähigkeit des ersten Wandlers 90, die Spindel 38 drehend in Ruhelage zu halten, nicht, während andererseits eine Drehverschiebung des zweiten Ankers 152 im Spalt 150 der Magnetanordnung 142 die Fähigkeit des zweiten Wandlers 140 nicht beeinflußt, die Spindel 38 axial in Ruhestellung zu halten. In ähnlicher Weise beeinflußt auch eine axiale Bewegung der Flügel 120 zwischen den Platten 122 der ersten Abfühleinrichtung 114 die Fähigkeit der ersten Abfühleinrichtung 114 nicht, eine Drehbewegung festzustellen. Eine Drehbewegung der Scheibe 162 zwischen den Ringen 166 der zweiten Abfühleinrichtung 160 beeinflußt schließlich die Fähigkeit der zweiten Abfühleinrichtung 160 nicht, eine axiale Verschiebung der Spindel 38 und der Platte 30 festzustellen. Daher ist ein gleichzeitiger Betrieb der Bestandteile der Wandleranordnung 34 gewährleistet und ermöglicht die gleichzeitige Messung der untersuchten Kenndaten. Obwohl die dargestellten Abfühleinrichtungen 114 und 116 auf veränderlichen Kondensatorelementen beruhen, ist es für den Fachmann doch ohne weiteres ersichtlich, daß auch zur Erzielung gleicher Ergebnisse andere Abfühleinrichtungen zur Verfügung stehen, die zusammen mit den Wandlern 90 und 140 eingesetzt werden können. Auf Kapazitätsänderungen beruhende Abfühleinrichtungen werden jedoch bevorzugt.

Der Aufbau der Wandleranordnung ermöglicht eine außergewöhnliche Genauigkeit, da äußere Einflüsse reduziert sind. Die Spindel 38 und alle an ihr drehschlüssig angeordneten Teile, beispielsweise die Anker 96 und 152, die Flügel 120 und die Scheibe 162 bestehen alle aus nichtmagnetischem Werkstoff, so daß jede Tendenz der Spindel ausgeschaltet ist, infolge eines auf Reluktanz beruhenden Drehmoments eine bevorzugte Lage einzunehmen. Ein bevorzugter Werkstoff für die Herstellung der Spindel 38, der Flügel 120 und der Scheibe 162 ist Aluminium.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Messung der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten von Kräften in einer einem viskoelastischen Test unterworfenen, unter Scherbelastung stehenden Probe, die an eine Platte mit zugeordneter Ruhelage angekoppelt ist, wobei die Platte aus ihrer Ruhelage heraus relativ zu einer ortsfesten Achse verdrehbar und axial verschieblich ist, und zwar in Abhängigkeit von Dreh- und Axialkräften, die von der Probe auf die Platte infolge der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten ausgeübt werden, gekennzeichnetdurch folgende Merkmale:
    1. a) ein erster, an die Platte (30) angekoppelter Wandler (90), der die Platte mit einer drehenden Gegenkraft beaufschlagt und sie in ihre Ruhelage vorspannt;
    2. b) eine erste Abfühleinrichtung (114) zum Feststellen einer Drehbewegung der Platte aus ihrer Ruhelage heraus;
    3. c) erste Antriebsmittel (130) zur Betätigung des ersten Wandlers in Abhängigkeit von der ersten Abfühleinrichtung und zum Ausbalancieren der von der Probe (40) auf die Platte ausgeübten Drehkraft durch die vom ersten Wandler auf die Platte ausgeübte, drehende Gegenkraft, um so die Platte in ihrer Ruhelage zu halten;
    4. d) erste Anzeigemittel (132) zum Anzeigen der Größe der drehenden Gegenkraft;
    5. e) ein zweiter, an die Platte angekoppelter Wandler (140), der die Platte mit einer axialen Gegenkraft beaufschlagt und sie in ihre Ruhelage vorspannt;
    6. f) eine zweite Abfühleinrichtung (160) zum Feststellen einer Axialbewegung der Platte aus ihrer Ruhelage heraus;
    7. g) zweite Antriebsmittel (170) zur Betätigung des zweiten Wandlers in Abhängigkeit von der zweiten Abfühleinrichtung und zum Ausbalancieren der von der Probe auf die Platte ausgeübten Axialkraft durch die vom zweiten Wandler auf die Platte ausgeübte, axiale Gegenkraft, um so die Platte in ihrer Ruhelage zu halten;
    8. h) zweite Anzeigemittel (172) zum Anzeigen der Größe der axialen Gegenkraft;
    9. i) wenn sich die Platte in ihrer Ruhelage befindet, dienen die ersten Anzeigemittel der Messung der Zähigkeitskomponente und die zweiten Anzeigemittel der Messung der Elastizitätskomponente der bei Scherbelastung in der Probe auftretenden Kräfte.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Platte (30) eine Spindel (38) verbunden ist, die zusammen mit der Platte um die ortsfeste Achse (50) drehbar und entlang dieser Achse verschieblich ist, daß der erste und der zweite Wandler (90, 140) an die Spindel derart angekoppelt sind, daß die drehenden und axialen Gegenkräfte gleichzeitig an die Platte anlegbar sind, und daß die ersten und zweiten Anzeigemittel (132, 172) die Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten der in der Probe (40) auftretenden Kräfte gleichzeitig messen.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (38) aus nichtmagnetischem Werkstoff gefertigt ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wandler (90, 140) jeweils wenigstens einen beweglichen Teil (96, 152) einschließen, der drehschlüssig mit der Spindel (38) verbunden ist und aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Abfühleinrichtung (114, 160) mit der Spindel (38) verbunden sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Abfühleinrichtungen (114, 160) jeweils wenigstens einen beweglichen Teil (120, 162) einschließen, der mit der Spindel (38) drehschlüssig verbunden ist und aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Abfühleinrichtungen (114, 160) ein mit der Spindel (38) verbundenes, variables Kondensatorelement (120, 162) umfaßt.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Abfühleinrichtungen (114, 160) ein erstes und ein zweites Kondensatorelement (122, 168; 120, 162) einschließen, und daß das zweite Kondensatorelement (120, 162) an der Spindel (38) befestigt und zwecks Änderung der Kapazität relativ zum ersten Kondensatorelement (122, 168) beweglich ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kondensatorelement (120) der ersten Abfühleinrichtung (114) durch Befestigungsmittel drehschlüssig mit der Spindel (38) verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kondensatorelement (120) der ersten Abfühleinrichtung (114) zusammen mit der Spindel (38) relativ zum ersten Kondensatorelement (122) axial beweglich ist, ohne daß hierdurch eine Kapazitätsänderung in den variablen Kondensatormitteln auftritt.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Befestigungsmittel vorgesehen sind, mit denen das zweite Kondensatorelement (162) der zweiten Abfühleinrichtung (160) so an der Spindel (38) befestigt ist, daß es gemeinsam mit dieser beweglich ist und hierdurch die Kapazität der Kondensatorelemente veränderlich ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kondensatorelement (162) der zweiten Abfühleinrichtung (160) zusammen mit der Spindel (38) relativ zum ersten Kondensatorelement (168) drehbar ist, ohne daß dabei eine Kapazitätsänderung der Kondensatorelemente eintritt.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Spindel (38) und die zweiten Kondensatorelemente (120, 162) aus nichtmagnetischem Werkstoff gefertigt sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Abfühleinrichtungen (114, 160) veränderliche Kondensatorelemente aufweisen, die auf eine Bewegung der Platte (30) ansprechen.
  15. 15. Verfahren zum Messen der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten von Kräften in einer einem viskoelastischen Test unterworfenen, unter Scherbelastung stehenden Probe, die an eine Platte mit zugeordneter Ruhelage angekoppelt ist, wobei die Platte aus ihrer Ruhelage heraus relativ zu einer ortsfesten Achse verdrehbar und axial verschieblich ist, und zwar in Abhängigkeit von Dreh- und Axialkräften, die von der Probe auf die Platte infolge der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten ausgeübt werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:.
    1. a) Anlegen einer drehenden Gegenkraft an die Platte, um diese in ihre Ruhelage vorzuspannen;
    2. b) Ausbalancieren der von der Probe auf die Platte ausgeübten Drehkraft durch die an die Platte angelegte, drehende Gegenkraft, um die Platte in ihrer Ruhelage zu halten;
    3. c) Bestimmen der Größe der drehenden Gegenkraft, die für das Ausbalancieren der Drehkraft erforderlich ist;
    4. d) Anlegen einer axialen Gegenkraft an die Platte, um diese in ihre Ruhelage vorzuspannen;
    5. e) Ausbalancieren der von der Probe auf die Platte ausgeübten Axialkraft durch die an die Platte angelegte, axiale Gegenkraft, um die Platte in ihrer Ruhelage zu halten;
    6. f) Bestimmen der Größe der axialen Gegenkraft, die für das Ausbalancieren der Axialkraft erforderlich ist,
    7. g) so daß die Größe der drehenden Gegenkraft ein Maß für die Zähigkeitskomponente und die Größe der axialen Gegenkraft ein Maß für die Elastizitätskomponente der in der Probe auftretenden Kräfte bilden, wenn die Platte in ihrer Ruhelage gehalten wird.
  16. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die drehende Gegenkraft und die axiale Gegenkraft gleichzeitig an die Platte angelegt werden und die Größen der drehenden Gegenkraft und der axialen Gegenkraft gleichzeitig bestimmt werden.






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