DE102021110524A1

DE102021110524A1 - Messgerät und Verfahren zur Messung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße

Info

Publication number: DE102021110524A1
Application number: DE102021110524.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver WIRTH
Original assignee: BAREISS PRUEFGERAETEBAU GmbH; Bareiss Pruefgeratebau GmbH
Current assignee: BAREISS PRUEFGERAETEBAU GmbH; Bareiss Pruefgeratebau GmbH
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Messgerät miteiner Probenhalterung (9), die ausgebildet ist, einen Probenkörper (11) zu halten,einem schwenkbar gelagerten Pendel-Schlaghammer (1) mit einem auf einer Kreisabschnittsbahn (19) beweglichen Hammer (3), wobei der Pendel-Schlaghammer (1) ausgebildet ist, aus einer von der Probenhalterung (9) beabstandeten Position in Richtung der Probenhalterung (9) zu schwingen, sodass während eines Messvorgangs der Hammer (3) auf den von der Probenhalterung (9) gehaltenen Probenkörper (11) trifft und zurückprallt, undeinem Winkelsensor (15), der ausgebildet ist, eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers (1) während des Messvorgangs zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät mit einer Probenhalterung und einem schwenkbar gelagerten Pendel-Schlaghammer, der einen auf einer Kreisbogenbahn beweglichen Hammer hat. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße, die mit solch einem Messgerät durchgeführt werden kann.
Messgeräte zur Rückprall-Elastizitätsmessung von Werkstoffen wie Kautschuk und Elastomere und Schaumstoffe, weisen eine Probenhalterung und einen Pendel-Schlaghammer auf. Der Pendel-Schlaghammer umfasst eine Pendelstange, an deren freiem Ende ein Hammer angeordnet ist. Die Pendelstange ist aufgehängt, sodass der Hammer am freien Ende auf Grund der Schwerkraft auf der Kreisbogenbahn schwingt. In der Probenhalterung wird ein Probenkörper befestigt. Bei der Rückprall-Elastizitätsmessung schlägt die Hammerfinne des Hammers auf den Probenkörper. Anhand des Rückprallwinkels oder der Rückschwinghöhe, bis zu dem beziehungsweise der der Pendel-Schlaghammer nach dem Auftreffen zurückschwingt, lässt sich die Rückprall-Elastizität bestimmen.
Solch ein Messgerät zur Rückprall-Elastizitätsmessung wird auch als Schob-Pendel bezeichnet. Rückprall-Elastizitätsmessung ist Gegenstand verschiedener nationaler und internationaler Standards und Normen. Darin sind Durchführung der Messung sowie Dimensionierung des Messgeräts und des Probenkörpers vorgegeben. Gemäß den Normen ASTM D 1054, DIN 53512, ISO 4662 wird das Messgerät so verwendet, dass der Pendel-Schlaghammer mit einem vorgegebenem Gewicht und einer vorgegebenen Pendelstangenlänge über der Kreisbogenbahn auf den Probenkörper schwingt und die Rückschwinghöhe gemessen wird. Daraus berechnet sich der Rückprall-Elastizitätswert des Prüfkörpers. Der Pendel-Schlaghammer wird aus seiner senkrechten Ruhelage in die Waagerechte, das heißt um 90 Grad, ausgelenkt. Er trifft in seiner senkrechten Position auf den Probenkörper, sodass die Auftreffrichtung des Hammers senkrecht zur Probenoberfläche ist. Die Position des Probenkörpers, sodass der Hammer den Probenkörper in der senkrechten Pendelposition gerade berührt, wird als Nulllage bezeichnet.
Es stellt sich die Aufgabe, ein Messgerät mit einem Pendel-Schlaghammer bereitzustellen, das zusätzliche Informationen, insbesondere erweiterte Materialkenngrößen durch einen Messvorgang, bei dem der Pendel-Schlaghammer auf den Probenkörper auftrifft und zurückschwingt, detektieren kann.
Die Aufgabe wird durch ein Messgerät und ein Verfahren zur Messung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Das Messgerät umfasst eine Probenhalterung, die ausgebildet ist, einen Probenkörper zu halten, und einen schwenkbar gelagerten Pendel-Schlaghammer mit einem auf einer Kreisabschnittsbahn beweglichen Hammer, wobei der Pendel-Schlaghammer ausgebildet ist, aus einer von der Probenhalterung beabstandeten Position in Richtung der Probenhalterung zu schwingen, sodass während eines Messvorgangs der Hammer auf den von der Probenhalterung gehaltenen Probenkörper trifft und zurückprallt. Ein Winkelsensor ist im Messgerät vorgesehen und ausgebildet, eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers während des Messvorgangs zu detektieren.
Der Pendel-Schlaghammer umfasst eine Pendelstange, an deren freiem Ende der Hammer als auf der Kreisabschnittsbahn rotierbarer Kopfbereich des Pendel-Schlaghammers angeordnet ist. Die Hammerfinne des Hammers schlägt beim Messvorgang auf den Probenkörper.
Der Probenkörper ist an einer Stirnseite des Messgeräts mit einer Probenhalterung befestigt. Die Probenhalterung kann als Halteklammer ausgebildet sein, die zu beiden Seiten des Prüfbereichs, auf den der Hammer trifft, greift. Alternative Probenhalterungen weisen eine rahmenförmige Probenhalterung auf.
Beim Messvorgang dieses Messgeräts ist vorgesehen, den ausgelenkten Pendel-Schlaghammer auf Grund seiner Schwerkraft auf den Probenkörper schwingen und zurückprallen zu lassen, wie es auch bei einer Rückprallmessung erfolgt. Allerdings wird der zeitabhängige Winkel als Messwertesequenz detektiert, die insbesondere während der Deformation des Probenkörpers von Interesse ist und die Bestimmung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße erlaubt. Die Deformation beginnt mit dem Auftreffen, wenn der Hammer über die Auftreffposition hinaus in den sich verformenden Probenkörper schwingt, und dauert bis sie sich wieder vom Probenkörper löst. Dies ist bei einem elastischen Probenkörper, dessen Verformung reversibel ist, an der Auftreffposition der Fall.
Anhand einer gemessenen Sequenz von abgetasteten Winkelpositionen des Pendel-Schlaghammers kann sowohl der Weg des Hammers bestimmt werden, die sie bei der Deformation des Probenkörpers zurückgelegt hat, als auch durch zeitliche Ableitungen und Kenntnis der Masse des Pendel-Schlaghammers ein Zusammenhang von der auf den Probenkörper wirkenden Kraft und dem Weg bestimmt werden, aus dem eine mechanisch-dynamische Kenngröße bestimmt werden kann, sodass das Messgerät die Messung der mechanisch-dynamischen Kenngröße erlaubt. Der Zusammenhang lässt sich beispielsweise in einem Diagramm darstellen. Solche Diagramme und die Bestimmung einer mechanisch-dynamischen Kenngröße aus dem oben erwähnten Zusammenhang sind auch von konventionellen Messgeräten zur dynamisch-mechanischen Analyse bekannt. Allerdings werden die zu Grunde liegenden Werte auf durch andere Messverfahren und andere Arten von Messgeräten gewonnen.
Der Messvorgang, bei dem der Pendel-Schlaghammer in eine vorgegebene Startposition beabstandet von der Probenhalterung ausgelenkt wird und dann auf Grund der Schwerkraft zurückschwingt und auf den Probenkörper schlägt, ist gleich dem Vorgehen bei der Rückprall-Elastizitätsmessung. Der Pendel-Schlaghammer führt beim Schwingen eine Rotationsbewegung aus. Das oben beschriebene Messgerät erlaubt als Erweiterung eines Rückprall-Elastizitätsmessgeräts, auf einem sehr einfachen und industrietauglichen Weg dynamisch-mechanische Kenngrößen zu ermitteln, die bisher nur über ein zusätzliches Messgerät ermittelt werden können. Bis auf die Anpassung der Winkelmessung und ihrer Auswertung sind keine zusätzlichen Anbauten und Änderungen an Messystemen, wie sie in den Normen zur Rückprall-Elastizitätsmessung beschrieben sind, erforderlich. Durch die hochaufgelöste Winkelabtastung bei der Deformation des Probenkörpers werden zusätzliche Informationen von einem auf dem Prinzip der Rückprall-Elastizitätsmessung basierenden Messgerät gewonnen. Die hochaufgelöste Winkelabtastung bei der Deformation des Probenkörpers stellt eine Messwertesequenz in einem Zeitbereich des Messvorgangs bereit, der bei der Rückprall-Elastizitätsmessung nicht relevant ist, da bei der Rückprall-Elastizitätsmessung lediglich die Höhe des zurückschwingenden Pendel-Schlaghammers als einzelner Messwert von Interesse ist.
Der Winkelsensor ist in einer Ausführung in einer Pendelhalterung, in der der Pendel-Schlaghammer gelagert ist, angeordnet. Der Winkelsensor hat eine viel höhere Auflösung als ein Winkelsensor, der lediglich zu Bestimmung des Rückprallwinkels bei der Rückprall-Elastizitätsmessung verwendet wird. Der Winkelsensor für die Bestimmung der dynamisch-mechanischen Kenngröße hat eine Auflösung von mindestens 0,1 Grad, vorteilhafterweise mindestens 0,01 Grad. Bei der Rückprall-Elastizitätsmessung wäre ein Auflösung von ca. 0,2 Grad bereits deutlich mehr als ausreichend.
Der Winkelsensor ist in einer Ausführung ausgebildet, die zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers zu detektieren, die mit einer Deformation des Probenkörpers einhergeht, nachdem der Hammer auf den Probenkörper getroffen ist. Die Deformation erfolgt, nachdem der Pendel-Schlaghammer die 0-Grad-Position, bei der die Pendelstange senkrecht ist, überschritten hat. Die Deformation ist bei einem elastischen Probenkörper reversibel. Die Deformation kann bei anderen Probenkörperausführungsbeispielen zumindest teilweise reversibel sein. Messwerte vor und nach dem Kontakt mit dem Probenkörper sind für die Bestimmung der dynamisch-mechanischen Kenngröße des Probenkörpermaterials nicht unbedingt erforderlich und müssen deshalb nicht unbedingt erfasst werden.
Vorteilhafterweise weist das Messgerät eine Auswertevorrichtung auf, die ausgebildet ist, aus der detektierten Schwenkbewegung einen zeitabhängigen Weg zu bestimmen, den der Hammer bei der Deformation des Probenkörpers zurücklegt, wenn er sich probenkörperseitig der 0-Grad-Position bewegt. Dies kann durch Annahme eines linearen Zusammenhangs von gemessenem Winkel zur 0-Grad-Position und Weg erfolgen. Vorteilhafterweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige Geschwindigkeit zu bestimmen, indem eine Ableitung des Weges nach der Zeit erfolgt. Vorteilhafterweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige Beschleunigung zu bestimmen, indem eine Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit erfolgt. Dies ist die zweite Ableitung des Weges nach der Zeit. Vorteilhafterweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige, auf den Probenkörper einwirkende Kraft zu bestimmen. Dies ergibt sich durch den Zusammenhang, dass die Kraft ein Produkt aus Beschleunigung und Masse ist und das Gewicht beziehungsweise die Masse des Pendel-Schlaghammers, insbesondere des Hammers bekannt ist. Die Auswertevorrichtung ist ausgebildet, die gemessene zeitabhängige Schwenkbewegung einmal und/oder mehrmals zeitlich abzuleiten, um die Geschwindigkeit und die Beschleunigung zu bestimmen. Vorteilhafterweise ist die Auswertevorrichtung ausgebildet, aus der zeitabhängigen Kraft einen Zusammenhang zwischen dem Weg und der Kraft zu bestimmen, wobei der Zusammenhang bei der Deformation des Probenkörpers auftritt.
Vorteilhafterweise ist das Messgerät auch ausgebildet, eine Rückprall-Elastizitätsmessung am Probenkörper durchzuführen. Dies erfolgt vorteilhafterweise im selben Messvorgang, in dem die dynamisch-mechanische Kenngröße bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Messgerät ausgebildet sein, sodass es in einem Messvorgang entweder die Rückprall-Elastizität misst oder die dynamisch-mechanische Kenngröße bestimmt. Welche Größe gemessen wird, ist umschaltbar. Ein Messgerät, das auch zur Rückprall-Elastizitätsmessung geeignet ist, kann somit als Rückprall-Elastizitätsmessgerät mit DMA-Modus angesehen werden. „DMA“ steht für Dynamisch-Mechanische Analyse.
Bei solch einem Messgerät, das auch zur Rückprall-Elastizitätsmessung ausgebildet ist, ist der Winkelsensor ausgebildet zu detektieren, ob der Pendel-Schlaghammers zu Beginn des Messvorgangs in einer vorgegebenen Position, nämlich der Startposition, ist und wie weit er nach dem Auftreffen auf dem Probenkörper zurückschwingt.
Das Verfahren zur Messung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße sieht vor, dass ein Probenkörper in einer Probenhalterung gehalten wird und während eines Messvorgangs ein schwenkbar gelagerter Pendel-Schlaghammer aus einer von der Probenhalterung beabstandeten Position in Richtung der Probenhalterung schwingt, sodass ein Hammer des Pendel-Schlaghammers sich auf einer Kreisbogenbahn bewegt, auf den Probenkörper trifft und dann zurückprallt, wobei eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers während des Messvorgangs mittels eines Winkelsensors detektiert wird. Bei diesem Verfahren wird basierend auf einer Sequenz von Messwerten die dynamisch-mechanische Kenngröße bestimmt. Für das Verfahren wird vorteilhafterweise das zuvor beschriebene Messgerät verwendet. Die von der Probenhalterung beabstandete Position ist eine vorgegebene Position und kann vorteilhafterweise eine waagerechte Auslenkung des Pendel-Schlaghammers sein.
Aus der detektierten Schwenkbewegung wird ein zeitabhängiger Weg bestimmt, den der Hammer jenseits der 0-Grad-Position bei der Deformation des Probenkörpers zurücklegt. Aus dem zeitabhängigen Weg wird eine zeitabhängige Kraft auf den Probenkörper bestimmt sowie ein Zusammenhang zwischen dem Weg und der Kraft, der bei der Deformation des Probenkörpers aufgetreten ist, hergestellt. Aus diesem Zusammenhang ergeben sich dynamisch-mechanische Kenngrößen, die durch oben beschriebenes Verfahren gemessen werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts,
2 in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel des Messgeräts während eines Messvorgangs,
3 ein Zeit-Weg-Diagramm,
4 ein Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm,
5 ein Zeit-Beschleunigung-Diagramm,
6 ein Zeit-Kraft-Diagramm und
7 ein Weg-Kraft-Diagramm.

In den Figuren sind gleiche oder funktional gleichwirkende Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines Messgeräts zur Bestimmung einer mechanisch-dynamischen Kenngröße.
Das Messgerät umfasst einen Pendel-Schlaghammer 1 mit einem Hammer 3 an einer Pendelstange 5 in einer Pendelhalterung 7 sowie eine Probenhalterung 9 für einen Probenkörper 11 und eine Anzeigevorrichtung 13. Ferner sind ein Winkelsensor 15 zur Messung einer Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1, die mit einer Schwingbewegung einhergeht, und eine Auswertevorrichtung 17 für vom Winkelsensor 15 bereitgestellte Messwerte vorgesehen.
Die Pendelstange 5 ist in der Pendelhalterung 7 drehbar gelagert, sodass sie schwenkbar ist und der Hammer 3 auf Grund der Schwerkraft auf einer Kreisbogenbahn 19 schwingt. Der Hammer 3 ist aus einer Ruheposition, wie in 1 dargestellt, mit senkrechter Pendelstange 5 in eine Startposition für den Messvorgang auslenkbar, bei der die Pendelstange 5 waagerecht ist. In der 1 ist die Startposition gestrichelt dargestellt. Die Position mit senkrechter Pendelstange 5 wird auch als 0-Grad-Position bezeichnet. Sie ist auch die Ruheposition des Hammers 3 vor dem Messvorgang.
Die Probenhalterung 9 hält den Probenkörper 11 in einer Nulllage, sodass der Hammer 3 den Probenkörper 11 in der senkrechten Pendelposition, das heißt in der Ruheposition, gerade berührt. Die Nulllage wird durch den Pfeil 23 in 1 veranschaulicht. In der Probenhalterung 9 oder dem Messgerät können Justiermittel vorgesehen sein, damit die Positionierung in Nulllage für Probenkörper 11 unterschiedlicher Dicke ermöglicht wird. Ein Drehrad 21 zum Justieren von Probenkörper 11, Probenhalterung 9 und/oder anderen Komponenten des Messgeräts kann Teil der Justiermittel sein. Die Probenhalterung 9 hält den Probenkörper 11 außerdem derart, dass sein Prüfbereich, in dem der Hammer 3 auftrifft, in der Kreisbogenbahn 19 positioniert ist. Es sei bemerkt, dass die Probenkörperdicke zur Veranschaulichung des Messvorgangs nicht maßstabsgerecht dargestellt ist.
Beim Messvorgang wird der Pendel-Schlaghammer 1 aus seiner Ruheposition, das heißt aus der 0-Grad-Position, um 90 Grad in die Startposition ausgelenkt. Dies kann mittels eines Elektromotors oder manuell erfolgen. Wenn die Fixierung des Pendel-Schlaghammers 1 in seiner Startposition gelöst wird, schwingt er auf Grund der Schwerkraft zurück und bewegt den Hammer 3 auf der Kreisbogenbahn 19, sodass der Hammer 3 senkrecht auf eine Vorderseite des Probenkörpers 11 trifft. Der Probenkörper 11 verschiebt sich beim Auftreffen des Hammers 3 nicht, erfährt jedoch eine, üblicherweise zumindest teilweise reversible Verformung durch den auftreffenden Hammer 3, der sich bei der Verformung des Probenkörpers 11 über die 0-Grad-Position hinausbewegt.
2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht das Ausführungsbeispiel des Messgeräts in einem Zustand während des Messvorgangs, in dem der Probenkörper 11 durch den Hammer 3 verformt wird. Der Pendel-Schlaghammer ist in einer Position dargestellt, in der der Pendel-Schlaghammer 1 seine maximale Auslenkung in Richtung des Probenkörpers 11 über die Ruhelage hinaus erfährt und den Probenkörper 11 verformt. Die maximale Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 probenkörperseitig der 0-Grad-Position ist bei der Umkehrung der Schwingbewegung erreicht. Der Weg s, den der Hammer 3 seit dem Auftreffen auf den Probenkörper 11 zurückgelegt hat, lässt sich anhand des Winkels 25 bestimmen. Es kann, insbesondere bei kleinen Winkeln 25, wie sie bei der Deformation des Probenkörpers 11 auftreten, ein linearer Zusammenhang von Winkel 25 und Weg s angenommen werden.
Die zeitabhängige Schwenkbewegung während des Messvorgangs wird durch den Winkelsensor 15 detektiert, der die Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 während des Messvorgangs misst. Insbesondere wird die Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 aus seiner senkrechten Position erfasst, die über diese 0-Grad-Position hinausgeht und mit der Verformung des Probenkörpers 11 einhergeht. Ein Winkelsensor 15 ist ausgebildet, die Winkelauslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 zu detektieren. Dies kann der Winkel 25 bezogen auf die 0-Grad-Position sein. Durch die zeitliche Abtastung des Winkels 25 lässt sich die Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 detektieren und damit auch seine Schwenkbewegung. Die Winkelauflösung des Sensors 15 ist fein, beispielsweise mindestens ein Zehntel Grad, vorteilhafterweise mindestens ein Hundertstel Grad. Ein Ausführungsbeispiel des Winkelsensors 15 hat eine Auflösung von 0,009 Grad. Beim Messvorgang wird der Winkel 25 abgetastet, sodass der zeitliche und ortsabhängige Verlauf des Hammers 3 beim Weg in den Probenkörper 11 und wieder hinaus gemessen wird. Der Winkelsensor 15 kann ausgebildet sein, dass die Abtastung oder die Verarbeitung der Messwerte erst bei Überschreiten eines Schwellwertwinkels ausgelöst wird. Der Schwellwertwinkel kann beispielsweise der Winkel in Ruhelage oder in geringem Abstand dazu, jedoch vor dem Auftreffen sein.
Die Auswertevorrichtung 17 wertet die vom Winkelsensor 15 bereitgestellten Messwerte aus. Die Auswertevorrichtung 17 kann einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweisen, durch die die Messwerte gespeichert und verarbeitet werden. Die Auswertevorrichtung 17 kann im Gehäuse des Messgeräts angeordnet sein, oder als separater Geräteblock vorgesehen sein, der über eine Schnittstelle 27 auf die Messwerte zugreift. Die Auswertevorrichtung 17 ist ausgebildet, die Messwerte einer Messwertesequenz zeitlich zumindest zweimal abzuleiten, sodass sich die Geschwindigkeit als erste Ableitung und die Beschleunigung als zweite Ableitung des Wegs des Hammers 3 bestimmen lässt. Die Beschleunigung ist proportional zur Kraft, die auf den Probenkörper 11 wirkt. Die Kraft hängt außerdem von der Masse des Pendel-Schlaghammers 1 ab. Ferner kann die Auswertevorrichtung 17 Weg und Kraft in einen Zusammenhang setzen, beispielsweise in Form eines Weg-Kraft-Diagramms, aus dem sich eine dynamisch-mechanische Kenngröße ableiten lässt. Die oben beschriebenen Werte und Zusammenhange können in der Anzeigevorrichtung 13 beispielsweise als Diagramme angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Werte an der Schnittstelle 27 zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
Vor Beginn eines Messvorgangs wird der Pendel-Schlaghammer 1 in die Startposition gebracht. Eine Detektion, dass der Pendel-Schlaghammer 1 seine Startposition zu Beginn des Messvorgangs erreicht hat, kann durch den Winkelsensor 15 erfolgen. Beim Messvorgang schwingt der ausgelenkte Pendel-Schlaghammer 1 zurück und schlägt auf den Probenkörper 11. Nach dem Auftreffen und der Deformation des Probenkörpers 11 schwingt der Pendel-Schlaghammer 1 zurück. Die Deformation und der Grad des Zurückschwingens hängen vom Material des Probenkörpers 11 ab. Zumindest bei der Deformation des Probenkörpers 11 erfolgt eine Abtastung der Auslenkung des Pendel-Schlaghammers 1 durch den Winkelsensor 15.
Falls mit dem Messgerät insbesondere zusätzlich oder alternativ eine Rückprall-Elastizitätsmessung durchgeführt wird, wird der Rückprallwinkel, bis zu dem der Pendel-Schlaghammer 1 nach dem Auftreffen auf den Probenkörper 11 zurückschwingt, erfasst und kann an der Anzeigevorrichtung 13 angezeigt werden. Die Messung des Rückprallwinkels kann ebenfalls durch den Winkelsensor 15 erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann der gemessene Wert an der Schnittstelle 27 zur weiteren Datenverarbeitung bereitgestellt werden. Anhand des Rückprallwinkels lässt sich die Rückprall-Elastizität bestimmen.
Die durch den Winkelsensor 25 bereitgestellten Messwerte und daraus abgeleitete Beziehungen können in Diagrammen dargestellt werden, wie im Folgenden beschrieben.
3 zeigt ein Zeit-Weg-Diagramm, bei dem der Weg s über der Zeit t aufgetragen ist. Typische Werte für den dargestellten Verlauf sind, dass sich der auf der x-Achse dargestellte Zeitbereich im Gitternetz über 6 ms und der auf der y-Achse dargestellte Wegbereich im Gitternetz über 3 mm über die 0-Grad-Position, die dem Nullwert entspricht, hinaus erstreckt. Der Kurvenverlauf über der Nulllinie veranschaulicht das Eindringen des Hammers 1 in den Probenkörper 11 und seine anschließende Rückwärtsbewegung.
4 zeigt ein Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm, bei dem die Geschwindigkeit v über der Zeit t aufgetragen ist. Die Geschwindigkeit v ist die erste zeitliche Ableitung des Weges s des Hammers 3 bei der Deformation des Probenkörpers 11. Zum Zeitpunkt des maximalen Eindringens in den Probenkörper 11 ist die Geschwindigkeit Null. Typische Werte für den dargestellten Verlauf sind, dass sich der auf der x-Achse im Gitternetz dargestellte Zeitbereich über 6 ms und der auf der y-Achse im Gitternetz dargestellte Geschwindigkeitsbereich über 2500 mm/s erstreckt. Auf Grund der potenziellen und kinetischen Energie bei einer typischen Pendelmasse von 0,255 kg und einer definierten Pendellänge ergibt sich eine maximale Geschwindigkeit von 1980,9 mm/s.
5 zeigt ein Zeit-Beschleunigung-Diagramm, bei dem die Beschleunigung a über der Zeit t aufgetragen ist. Die Beschleunigung a ist die zweite zeitliche Ableitung des Weges s des Hammers 3 bei der Deformation des Probenkörpers 11. Die Beschleunigung a ist die erste Ableitung der Geschwindigkeit v nach der Zeit und beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit v. Typische Werte für den dargestellten Verlauf sind, dass sich der auf der x-Achse im Gitternetz dargestellte Zeitbereich über 6 ms und der auf der y-Achse im Gitternetz dargestellte Beschleunigungsbereich zwischen -200 mm/s² und 1800 mm/s² erstreckt.
6 zeigt die auf den Probenkörper 11 wirkende Kraft F. Die Kraft F hängt vom Produkt aus Masse m und Beschleunigung a ab, das heißt vom Gewicht des Pendel-Schlaghammers 1 und seiner Beschleunigung. Normgemäß hat ein Ausführungsbeispiel des Pendel-Schlaghammers 1 ein Gewicht von 0,255 kg. Mit diesem Gewicht und der Beschleunigung lässt sich die Kraft F, die auf den Probenkörper 11 oder einen Flächenbereich des Probenkörpers wirkt, in N beziehungsweise N/mm² berechnen. Typische Werte für den dargestellten Verlauf sind, dass sich der auf der x-Achse im Gitternetz dargestellte Zeitbereich über 6 ms und der auf der y-Achse im Gitternetz dargestellte Kraftbereich zwischen -50 N und 450 N erstreckt.
7 zeigt ein Weg-Kraft-Diagramm und veranschaulicht einen Kraft-Weg-Zusammenhang, indem die Kraft F über dem Weg s aufgetragen ist. Typische Werte für den dargestellten Verlauf sind, dass sich der auf der x-Achse im Gitternetz dargestellte Wegbereich über 3 mm erstreckt und der auf der y-Achse im Gitternetz dargestellte Kraftbereich zwischen -50 N und 450 N erstreckt. Solche typischen Weg-Kraft-Diagramme oder Zusammenhänge sind auch von konventionellen DMA-Prüfgeräten bekannt. Derartige DMA-Prüfgeräte zur dynamisch-mechanischen Analyse, kurz „DMA“, bestimmen dynamisch-mechanische, beispielsweise viskoelastische, Kennwerte eines Probenkörpers.
Durch das oben beschriebene Messgerät und die damit ermittelten Größen und Zusammenhänge können dynamisch-mechanische Kenngrößen mittels eines Messvorgangs ermittelt werden, wie er auch bei einer Rückprall-Elastizitätsmessung durchgeführt wird, jedoch mit hoher Abtastung in einem für die Rückprall-Elastizitätsmessung nicht relevanten Zeitfenster, nämlich während der Probenkörperverformung vor und nach Umkehrung der Schwenkbewegung. Vorteilhafterweise kann im selben Messvorgang eben auch die Rückprall-Elastizität gemessen werden.
Bei einem Messvorgang werden die oben beschriebenen Zusammenhänge, die in den Diagramme veranschaulicht sind, ermittelt. Bei der Durchführung des Messvorgangs zur Bestimmung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße mit einem Messgerät, wie in 1 beschrieben, wird ein Probenkörper 11 in der Probenhalterung 9 eingesetzt und der schwenkbare Pendel-Schlaghammer 1 zuvor in die Startposition ausgelenkt. Die Startposition ist vorteilhafterweise 90 Grad von der Ruheposition entfernt. Das Erreichen der Startposition kann durch den Winkelsensor 15 kontrolliert werden. Andere Startpositionen sind denkbar. Der aus der Startposition freigegebene Pendel-Schlaghammer 1 schwingt dann auf Grund der Schwerkraft in Richtung der Probenhalterung, sodass der Hammer sich auf einer Kreisbogenbahn bewegt, auf den Probenkörper trifft, ihn deformiert und der Pendel-Schlaghammer 1 dann zurückprallt. Eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers 1 während des Messvorgangs wird durch den Winkelsensor 15 detektiert, indem der Winkel 25 der Lages des Pendel-Schlaghammers 1 abgetastet wird. Dabei ist ausreichend, den Winkel 25 nach Überschreiten der 0-Grad-Position mit hoher Zeitauflösung und hoher Winkelauflösung abzutasten. Aus der detektierten Messwertesequenz wird ein zeitabhängiger Weg s bestimmt, den der Hammer 3 bei der Deformation des Probenkörpers 11 zurücklegt. Durch zweimalige zeitliche Ableitung des Weges s kann die Beschleunigung a und daraus unter Berücksichtigung der Masse des Pendel-Schlaghammers 1 die auf den Probenkörper einwirkende Kraft F in Abhängigkeit der Zeit t bestimmt werden. Eine dynamisch-mechanische Kenngröße des Probenkörpers 11 ergibt sich aus dem Zusammenhang zwischen Weg s und Kraft F, der bei der Deformation des Probenkörpers 11 aufgetreten ist.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
Bezugszeichenliste

1: Pendel-Schlaghammer
3: Hammer
5: Pendelstange
7: Pendelhalterung
9: Probenhalterung
11: Probenkörper
13: Anzeigevorrichtung
15: Winkelsensor
17: Auswertevorrichtung
19: Kreisbogenbahn
21: Drehrad
23: Pfeil
25: Winkel
27: Schnittstelle
s: Weg
v: Geschwindigkeit
a: Beschleunigung
F: Kraft

Claims

Messgerät mit einer Probenhalterung (9), die ausgebildet ist, einen Probenkörper (11) zu halten, einem schwenkbar gelagerten Pendel-Schlaghammer (1) mit einem auf einer Kreisabschnittsbahn (19) beweglichen Hammer (3), wobei der Pendel-Schlaghammer (1) ausgebildet ist, aus einer von der Probenhalterung (9) beabstandeten Position in Richtung der Probenhalterung (9) zu schwingen, sodass während eines Messvorgangs der Hammer (3) auf den von der Probenhalterung (9) gehaltenen Probenkörper (11) trifft und zurückprallt, und einem Winkelsensor (15), der ausgebildet ist, eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers (1) während des Messvorgangs zu detektieren.
Messgerät nach Anspruch 1, wobei der Winkelsensor (15) in einer Pendelhalterung (7) des Pendel-Schlaghammers (1) angeordnet ist.
Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Winkelsensor (15) ausgebildet ist, die zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers (1) zu detektieren, die mit einer Deformation des Probenkörpers (11) einhergeht, nachdem der Hammer (3) auf den Probenkörper getroffen ist.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkelsensor (15) eine Auflösung von mindestens 0,1 Grad, vorteilhafterweise mindestens 0,01 Grad hat.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkelsensor (15) ausgebildet ist zu detektieren, ob der Pendel-Schlaghammer (1) zu Beginn des Messvorgangs in einer vorgegebenen Startposition ist und wie weit er nach dem Auftreffen auf den Probenkörper (11) zurückschwingt.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Auswertevorrichtung (17), die ausgebildet ist, aus der detektierten Schwenkbewegung einen zeitabhängigen Weg (s) zu bestimmen, den der Hammer (3) bei der Deformation des Probenkörpers (11) zurücklegt.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (17) ausgebildet ist, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige Geschwindigkeit (v) zu bestimmen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (17) ausgebildet ist, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige Beschleunigung (a) zu bestimmen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (17) ausgebildet ist, aus der detektierten Schwenkbewegung eine zeitabhängige, auf den Probenkörper (11) einwirkende Kraft (F) zu bestimmen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertevorrichtung (17) ausgebildet ist, die gemessene zeitabhängige Schwenkbewegung einmal und/oder mehrmals nach der Zeit (t) abzuleiten.
Messgerät nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Auswertevorrichtung (17) ausgebildet ist, aus der zeitabhängigen Kraft (F) einen Zusammenhang zwischen dem Weg (s) und der Kraft (F) zu bestimmen.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, eine Rückprall-Elastizitätsmessung durchzuführen.
Verfahren zur Messung einer dynamisch-mechanischen Kenngröße, bei dem ein Probenkörper (11) in einer Probenhalterung (9) gehalten wird und während eines Messvorgangs ein schwenkbar gelagerter Pendel-Schlaghammer (1) aus einer von der Probenhalterung (9) beabstandeten Position in Richtung der Probenhalterung (9) schwingt, sodass ein Hammer (3) des Pendel-Schlaghammers (1) sich auf einer Kreisbogenbahn (19) bewegt, auf den Probenkörper (11) trifft und dann zurückprallt, wobei eine zeitabhängige Schwenkbewegung des Pendel-Schlaghammers (1) während des Messvorgangs mittels eines Winkelsensors (15) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei aus der detektierten Schwenkbewegung ein zeitabhängiger Weg (s) bestimmt wird, den der Hammer (3) bei der Deformation des Probenkörpers (11) zurücklegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei aus dem zeitabhängigen Weg (s) eine Kraft (F) auf den Probenkörper (11) bestimmt wird sowie ein Zusammenhang zwischen dem Weg (s) und der Kraft (F), der bei der Deformation des Probenkörpers (11) aufgetreten ist, bestimmt wird.