DE112016006551T5

DE112016006551T5 - Handgeführtes UCI-Härteprüfgerät mit einem Kraftsensor

Info

Publication number: DE112016006551T5
Application number: DE112016006551.5T
Authority: DE
Inventors: Janko Meier; Ralph Mennicke; Alexey Medvedev; Sergey Labes
Original assignee: Proceq SA
Current assignee: Proceq SA
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2017152292A1

Abstract

Ein handgeführtes UCI-Härtetestgerät besitzt einen Stab (3) mit einer Prüfspitze (12), einen Frequenzsensor (23) zum Messen der Resonanzfrequenz des Stabs (3), einen Kraftsensor (6) zum Messen der auf die Prüfspitze (12) über die Zeit ausgeübten Kraft und eine Steuereinheit (20). Die Steuereinheit (20) zeigt die Zeitentwicklung der Kraft gegen die Zeit oder des Härtewerts gegen die Zeit oder die Kraft auf einem Display (22) des Geräts an.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Handgeführtes UCI-Härteprüfgerät.
In diesem Zusammenhang bezieht sich UCI (Ultrasonic Contact Impedance) Härteprüfung auf ein Verfahren, bei welchem die Härte eines Prüflings getestet wird, indem man eine harte Spitze, insbesondere einen Vickers-Diamanten, gegen den Prüfling drückt. Die Spitze ist am Ende eines Stabs montiert. Der Stab wird von Transducern, wie z.B. Ultraschall-Transducern, zu Ultraschall-Oszillationen angeregt, insbesondere longitudinalen Oszillationen. Resonanzfrequenzen des Stabs mit und ohne Kontakt mit dem Prüfling werden gemessen, und die Frequenzverschiebung Δf zwischen den Resonanzfrequenzen wird berechnet. Diese Frequenzverschiebung Δf hängt, in bekannter Weise, von der Härte des Prüflings sowie dessen Elastizitätsmodul ab. Deshalb kann mittels Messung von Δf eines Prüflings mit bekanntem Elastizitätsmodul die Härte des Prüflings gemessen werden.
Vorzugsweise bezieht sich der Begriff „UCI-Härteprüfung“, wie er hier verwendet wird, auf eine Härteprüfung gemäss mindestens einer der Normen ASTM A1038, DIN 50159-1 und DIN 50159-2
Hintergrund
Ein UCI-Härteprüfgerät wird im WO 88/10416 beschrieben. Es besitzt einen Stab mit einem Vickers-Diamanten an seiner Spitze. Erste piezoelektrische Transducer an einem hinteren Ende des Stabs regen den Staub mit Ultraschallfrequenzen an und zweite piezoelektrische Transducer gegen das Zentrum des Stabs messen seine Resonanzfrequenz.
Die Spitze des Stabs kann von Hand gegen einen Prüfling gedrückt werden, worauf der Stab gegen die Kraft einer Feder in das Gerät bewegt wird. Wenn eine Triggerlast erreicht wird (das heisst die Kraft, bei welcher die Messung getriggert wird), betätigt die Bewegung des Stabs einen Trigger, welcher die Messung der Frequenzverschiebung Δf und die Berechnung der Härte auslöst.
Darstellung der Erfindung
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem ist die Bereitstellung eines UCI-Härteprüfgeräts und eines Verfahrens, welche es erlauben, die Härteprüfung in vielseitigerer Weise durchzuführen.
Dieses Problem wird vom und UCI-Härteprüfgerät gemäss Anspruch 1 gelöst.
Demgemäss besitzt das Gerät:

- Ein Gehäuse: Dieses Gehäuse bildet einen Griffbereich, um ein vorderes Ende des Geräts gegen den Prüfling zu drücken.
- Einen Stab: Der Stab bildet einen Resonator. Er ist verfahrbar entlang seiner Längsrichtung im Gehäuse gehalten.
- Mindestens einen Transducer, der am Stab montiert ist: Der Transducer, welcher vorteilhaft ein piezoelektrischer Transducer ist, obwohl er z.B. auch ein elektromagnetischer Transducer sein kann, ist dazu ausgestaltet und strukturiert, mechanische Oszillationen im Stab anzuregen und eine Resonanzfrequenz des Stabs zu messen.
- Eine Prüfspitze: Die Prüfspitze bildet das vordere Ende des Geräts und sie ist am Stab montiert. Sie wird vorzugsweise von einem Vickers-Diamanten gebildet, obwohl auch andere Diamantformen verwendet werden könnten.
- Ein mehrwertiger Kraftsensor. Dieser Kraftsensor misst die Kraft, mit der die Prüfspitze (12) gegen den Prüfling gedrückt wird. Ein „mehrwertiger“ Kraftsensor ist der Kraftsensor, der dazu ausgestaltet ist, zwischen einer Vielzahl von verschiedenen Kraftwerten zu unterscheiden und für jeden dieser Kraftwerte ein individuelles digitales oder analoges Signal zu erzeugen, dies im Gegensatz zu einem Sensor des Trigger-Typs, der im Wesentlichen ein binäres Signal erzeugt, welches angibt, ob die Kraft unter oder über eine Schwelle ist.
- Einen Frequenzsensor: Dieser Sensor misst die Änderung der Resonanzfrequenz des Stabs während der Messung.
- Eine Steuereinheit: Die Steuereinheit ist dazu ausgestaltet und strukturiert, einen Härtewert des Prüflings unter Verwendung der Werte zu bestimmen, die vom Kraftsensor und vom Frequenzsensor gemessen wurden.

Diese Art von Gerät erlaubt es, die während der Messung auf den Prüfling ausgeübte Kraft in einer aufgelösten Weise zu überwachen.
Die Vorrichtung beruht auf der Erkenntnis, dass für ein handgeführtes Gerät, bei dem die Kraft zum Drücken Prüfspitze gegen den Prüfling von Hand erzeugt wird, die Überwachung der Kraft in aufgelöster Weise, d.h. mittels eines mehrwertigen Kraftsensors, eine Zahl von wichtigen Vorteilen mit sich bringt. Insbesondere werden eine bessere Kontrolle des Messprozesses, genauere Resultate und/oder eine höhere Benutzerfreundlichkeit des Geräts erreicht.
Mit Vorteil besitzt das Gerät eine Feder. Die Feder so montiert, dass sie den Stab entlang seiner Längsrichtung nach vorne drückt. Sie wird deformiert, indem die Prüfspitze gegen den Prüfling gedrückt wird. Mit Vorteil ist die Feder eine Druckfeder (d.h. eine Feder, welche komprimiert wird, während die Prüfspitze gegen den Prüfling gedrückt wird, obwohl es sich auch um eine Zugfeder handeln kann).
Anstelle der Verwendung einer Feder, um den Stab nach vorne zu beschleunigen, kann ein anderes Mittel verwendet werden, zum Beispiel die Gravitation, die auf den Stab wirkt, oder ein elektromagnetischer Kraftgenerator, der auf den Stab wirkt.
Mit Vorteil kann das Gerät ein Display aufweisen. In diesem Fall kann die Steuereinheit dazu ausgestaltet und strukturiert sein, auf dem Display mindestens einen der folgenden Graphen darzustellen:

- Einen Graphen der vom Kraftsensor gemessenen Kraft gegen die Zeit: Dieser Graph vermittelt wertvolle Information, die den Benutzer hilft, seine/ihre Kraft während der Durchführung der Messung zu kontrollieren. In diesem Fall kann die Steuereinheit dem Graphen mit Vorteil mindestens eine Führung hinzufügen, zum Beispiel in der Form von Linien oder einem schattierten Bereich, die eine gewünschte Entwicklung der Kraft gegen die Zeit angeben. Mit Vorteil ist dieser Graph ein Echtzeit-Graph, wodurch es dem Benutzer ermöglicht wird, die angelegte Kraft im Verlauf der Messung zu korrigieren.
- Ein Graph des Härtewerts und/oder der Änderung der Frequenz gegen die vom Kraftsensor gemessene Kraft: Diese Art von Anzeige erlaubt es dem Benutzer z.B. zu sehen, wie sich die Härte mit ansteigender Kraft ändert, d.h. mit ansteigender Eindringtiefe der Spitze in den Prüfling, was wichtige Einsichten für nicht-homogene Prüflinge liefern kann, wie zum Beispiel oberflächengehärtete Prüflinge.
- Ein Graph des Härtewerts und/oder der Änderung der Frequenz gegen die Zeit: Diese Art von Anzeige erlaubt es dem Benutzer z.B. zu sehen, wie stark der Härtewert während einer Messung fluktuiert, und so z.B. seine Verlässlichkeit besser zu verstehen.

In einem anderen vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das Härteprüfgerät eine Eingabevorrichtung zur Eingabe einer Triggerkraft (Triggerlast) aufweisen. In diesem Fall ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, eine Härtemessung bei Erreichen dieser Triggerkraft durchzuführen, d.h. der Kraftsensor wirkt als Schalter, der die Messung auslöst. Dies erlaubt es dem Benutzer, das Gerät in einfacher Weise für Messungen der Härte bei unterschiedlichen Kräften zu rekonfigurieren.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung ist die Steuereinheit dazu ausgestaltet, die Härte während einer einzigen Messprozedur bei einer Vielzahl von verschiedenen vom Kraftsensor gemessenen Kräften zu messen. Dieses erlaubt es zum Beispiel, die Struktur des Prüflings besser zu verstehen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Messen der UCI-Härte eines Prüflings unter Verwendung des obigen Geräts. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- In-Kontakt-Bringen der Prüfspitze des Geräts mit dem Prüfling.
- Manuelles Ausüben einer Kraft entlang der Längsrichtung, um die Prüfspitze in den Prüfling zu drücken.

Figurenliste
Die Erfindung ist besser zu verstehen und Gegenstände nebst den oben ausgeführten werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung klar. Diese Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Figuren, wobei:

1 zeigt eine Schnittansicht des Gehäuses des Geräts,
2 ist ein Blockdiagramm des Geräts,
3 ist ein Beispiel für einen Graphen, der auf dem Display des Geräts gezeigt wird und
4 zeigt qualitativ die Beziehung zwischen der Frequenzabweichung df und dem Härtewert HV für eine Zahl von verschiedenen Kräften der Spitze und einen Prüfling mit einem gegebenen Elastizitätsmodul.

Definitionen:
Einige Definitionen von wichtigen Begriffen, insbesondere „UCI Härteprüfung“ und „mehrwertiger Kraftsensor“ werden oben gegeben. Einige weitere werden im Folgenden angegeben.
Die Begriffe „vorne“, „nach vorne“ und „hinten“, „rückseitig“ und „nach hinten“ sind in Bezug auf die Prüfspitze des Geräts zu verstehen. Die Prüfspitze bildet das vordere Ende des Resonatorstabs des Geräts, während das Ende gegenüber der Prüfspitze das hintere Ende oder rückseitige Ende des Stabs bzw. des Geräts bildet. Die Richtung „nach vorne“ erstreckt sich entlang der Längsachse vom Stab gegen das vordere Ende des Stabs und die Richtung „nach hinten“ erstreckt sich umgekehrt zur Richtung nach vorne.
Der Begriff „Echtzeit“ ist im vorliegenden Kontext als ein Prozess zu verstehen, welche eine Verzögerung besitzt, die viel kleiner als die Dauer einer typischen Messung ist, insbesondere kleiner als 1 Sekunde, vorzugsweise kleiner als 0.5 Sekunden. Zum Beispiel wird die Anzeige eines Graphen der Kraft gegen die Zeit als in Echtzeit verstanden, wenn der Graph regelmässig mit einer Verzögerung viel kleiner als die Dauer der Messung nachgeführt wird, insbesondere mit einer Verzögerung kleiner als 1 Sekunde, mit Vorteil kleiner als 0.5 Sekunden.
Grundsätzliches Gerätedesign und Betrieb:
1 zeigt eine Schnittansicht entlang der Achse eines handgeführten UCI Härteprüfgeräts.
Wie ersichtlich, besitzt das Gerät ein Gehäuse 1 mit einer z.B. zylindrischen äusseren Wand, welche einen Griffbereich 2 bildet.
Ein Führungsteil 3 von beispielsweise rohrförmigem und zylindrischem Design wird im Gehäuse 1 in einem Lager 4 gehalten. Das Lager 4 erlaubt, das Führungsteil 3 gegenüber dem Gehäuse 1 entlang einer Achse A des Geräts zu bewegen.
Ein hinteres Ende des Führungsteils 3 berührt ein vorderes Ende eines Federteils 5, welches vorzugsweise eine Druckfeder ist. Ein hinteres Ende des Federteils 5 ruht gegen das Gehäuse 1, wobei ein Kraftsensor 6 zwischen dem Federteil 5 und dem Gehäuse 1 angeordnet ist. Der Kraftsensor 6 ist ein mehrwertiger Kraftsensor wie oben definiert, wie zum Beispiel ein kapazitiver Kraftsensor, ein piezoresistiver Kraftsensor, ein optischer Kraftsensor, ein Hall-Effekt Kraftsensor, usw. Ein piezoresistiver Kraftsensor ist die derzeit bevorzugte Ausführung.
Ein Stab 7 wird im Führungsteil 3 gehalten, wobei die Längsachse des Stabs mit der Achse A des Geräts übereinstimmt.
Die Verbindung zwischen dem Stab 7 und dem Führungsteil 3 wird von einer Scheibe oder individuellen Armen 8 gebildet, welche radial zwischen dem Stab 7 und dem Führungsteil 3 verlaufen. Die Scheibe oder die Arme 8 sind mit dem Stab 7 an nur einem Ort verbunden, mit einer Distanz von etwa 25 % der totalen Länge des Stabs 7 von dessen hinteren Ende. Diese Aufhängung begünstigt die Erzeugung einer Vibration im Stab 7, welche einen Knoten der stehenden Welle am Ort der Scheibe oder der Arme 8 besitzt.
Eine erste Gruppe von piezoelektrischen Transducern 10 sind am hintersten Abschnitt des Stabs 7 angeordnet, nämlich in einem Abschnitt, der sich über die hintersten 25 % des Stabs 7 hinter der Scheibe oder den Armen 8 erstreckt. Eine zweite Gruppe von piezoelektrischen Transducern 11 ist in einem Abschnitt angeordnet, der sich über den zweithintersten Abschnitt Stabs 7 erstreckt, nämlich zwischen der Scheibe oder den Armen 8 und der Mitte des Stabs 7.
Das vordere Ende des Stabs 12 erstreckt sich durch eine Öffnung 13 im Gehäuse 1. Eine Prüfspitze 12, welche mit Vorteil von einem Vickers-Diamant gebildet wird, ist am vorderen Ende angeordnet.
In Ruhe, d.h. wenn keine Messung der Härte eines Prüflings stattfindet, befindet sich das Federelement 5 in seinem entspanntesten Zustand, in welchem es das vordere Ende des Führungsteils 3 gegen einen Absatz 14 des Gehäuses 1 drückt.
Um eine Messung zu starten, hält der Benutzer das Gehäuse 1 im Griffbereich 2 und drückt die Prüfspitze 12 manuell gegen den zu messenden Prüfling. Während der Messung wird die Kraft, mit welcher gegen den Prüfling gedrückt wird, wiederholt mit dem Kraftsensor 6 gemessen, und die Resonanzfrequenz des Stabs 7 wird mit den piezoelektrischen Transducern 10 und/oder 11 gemessen.
Es wird dem Fachmann klar sein, dass das Hardwaredesign, welches in 1 gezeigt wird, nur eines von mehreren Beispielen zur Umsetzung der hier beschriebenen Techniken ist.
Gerätesteuerung:
2 zeigt einige Komponenten des Geräts von 1 in einem Blockdiagramm.
Insbesondere besitzt das Gerät eine Steuereinheit 20, wie zum Beispiel einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller mit zugeordneten Speicher 20 A, welche den Betrieb des Geräts steuert.
Die Steuereinheit 20 ist mit einer Eingabevorrichtung 21 sowie mit einem Display 22 verbunden. Die Eingabevorrichtung 21 und das Display 22 können, wie dargestellt, separate Einheiten sein, oder es kann sich zumindest teilweise um eine gemeinsame Einheit handeln, wie zum Beispiel einen Touchscreen.
Die Steuereinheit 20 kommuniziert weiter mit einem Resonanzdetektor 23. Der Resonanzdetektor 23 kann als Teil der Steuereinheit 20 implementiert sein, zum Beispiel unter Verwendung mindestens eines Teils der gleichen Hardware und geeigneter Software, oder er kann als von der Steuereinheit 20 separate Einheit implementiert sein.
Der Resonanzdetektor 23 ist strukturiert und dazu ausgestaltet, die Resonanzfrequenz des Stabs 7 zu messen, z.B. die Resonanzfrequenz für eine longitudinale Vibration mit einem Knoten am Ort der Scheibe oder Arme 8.
Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sendet der Resonanzdetektor 23 Pulse an den oder die ersten piezoelektrischen Transducer 10, um im Stab 7 Vibrationen zu erzeugen, und misst die mechanische Antwort des Stabs 7 mittels dem oder der zweiten piezoelektrischen Transducer 11.
Beispielsweise kann der Resonanzdetektor 23 einen kurzen Puls an den oder die ersten piezoelektrischen Transducer 10 schicken, welcher im Stab 7 zu Resonanten Vibrationen führt, deren Frequenz gemessen werden kann. Das Signal der interessierenden Resonanz kann mittels geeigneter Filter isoliert werden.
Alternativ kann der Detektor 23 zum Beispiel eine Rückkopplungsschleife bilden, welche das Signal verstärkt, das von dem oder den zweiten piezoelektrischen Transducern gemessen wird, und dieses an den oder die ersten piezoelektrischen Transducer 10 zurückführt, wodurch aktiv eine Vibration bei der gewünschten Resonanz im Stab 7 aufrechterhalten wird.
Weiter ist die Steuereinheit 20 über eine geeignete Interfaceschaltung 24 mit dem Kraftsensor 6 verbunden.
Messprozedur:
Mit Vorteil läuft der Resonanzdetektor 23 kontinuierlich, wenn das Gerät eingeschaltet ist. Dies erlaubt es, die freie Resonanzfrequenz f0 des Stabs 7 zu messen, wenn die Prüfspitze 12 nicht in Kontakt mit dem Prüfling ist.
Eine Messung wird initiiert, indem der Benutzer das Gehäuse 1 greift und die Prüfspitze 12 gegen die Oberfläche eines Prüflings drückt. Der Kontaktzeitpunkt kann von der Steuereinheit 20 aus der plötzlichen Erhöhung der detektieren Resonanzfrequenz bestimmt werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Start der Messung mit dem vom Kraftsensor 6 generierten Signal detektiert werden.
Sobald der Start der Messung detektiert wird, führt Steuereinheit 20 wiederholte Messungen der vom Kraftsensor 6 gemessenen Kraft F und der Abweichung Δf der Resonanzfrequenz des Stabs 7 von der freien Resonanzfrequenz f0 durch. Diese Werte F und Δf können im Speicher 20 gespeichert werden, zusammen mit den Zeit t, zu welcher sie gemessen werden.
Mit Vorteil zeigt die Steuereinheit 20 auch einen Echtzeitgrafen der gemessenen Kraft F als Funktion der Zeit t auf dem Display 22 an, wie in 3 gezeigt (durchgezogene Linie).
Dieser Graph wird in Realzeit während der Messung gezeigt. Er erlaubt es dem Benutzer, visuell den Aufbau der Kraft F(t) zu sehen und sie genauer zu kontrollieren.
Der Benutzer soll die Kraft, mit welcher er die Prüfspitze 12 gegen den Prüfling drückt, kontinuierlich erhöhen.
Sobald die Kraft F eine Schwellkraft F_T (Zeit t0 in 3) erreicht, wird die Steuereinheit 23 die entsprechende Frequenzabweichung Δf und Kraft F(t0) verwenden, um den Härtewert HV daraus zu ermitteln, unter Verwendung einer Funktion G $HV = G (Δ f, F, E),$
wobei E der Elastizitätsmodul des Prüflings ist.
Die Funktion G kann mittels Kalibrierungsmessungen erhalten werden (siehe z.B. ASTM A1038). 4 illustriert qualitativ eine typische Beziehung zwischen dem Härtewert HV und der Frequenzabweichung Δf für eine Zahl von verschiedenen Kräften F.
Typische Werte der Frequenzabweichung Δf sind im Bereich von mehreren 100 Hz oder einigen wenigen kHz, und typische Härtewerte HV variieren zwischen 100 und 1000.
Wenn die Schwellkraft F_T erreicht wird, endet die Messung, und die Steuereinheit 20 kann für den Benutzer ein Signal erzeugen, wodurch angezeigt wird, dass die Messung vollständig ist und er die Kraft abbauen kann.
Wie in 3 gezeigt, kann die Steuereinheit 20 im Graphen der Kraft F gegen die Zeit t zumindest eine Führung 30, 31 anzeigen, welche eine gewünschte Zeitentwicklung der besagten Kraft angibt, d.h. der gewünschten Kurve von F(t).
Im Beispiel von 3, Steuereinheit 20 wird die Führung wird von zwei Führungslinien (in gepunkteten Linien 30, 31 gezeigt) gebildet, welche einen Bereich begrenzen, in welchem die Kurve von F(t) bis zur Zeit t0 der Messung liegen sollte.
Dies macht es einfacher für den Benutzer, die Kraft, welche er anlegt, bis hinauf zur Schwellkraft F_T zu erhöhen.
Die Führung 30, 31 wird mit Vorteil in Realzeit während der Messung nachgeführt.
Die Steuereinheit 20 kann auch andere Kriterien überwachen, welche die Entwicklung der Kraft F(t) erfüllen sollte. Beispielsweise sollte die Kraft F(t) monoton mit der Zeit ansteigen, bis die Schwellkraft F_T erreicht wird. Wenn die Steuereinheit 20 detektiert, dass dieses Kriterium nicht erfüllt ist, kann sie den Benutzer entsprechend benachrichtigen, zum Beispiel mittels geeigneter Einfärbung gewisser Teile des Graphen in 3.
Allgemeiner ausgedrückt, ist die Steuereinheit 20 also mit Vorteil dazu ausgestaltet, die Zeitentwicklung F(t) der Kraft F während einer Messung zu messen und Feedback für den Benutzer zu erzeugen, welches angibt, ob die Zeitentwicklung F(t) mindestens ein Kriterium verletzt.
Das Kriterium kann zum Beispiel mindestens eines der folgenden sein:

- Die minimale oder maximale Geschwindigkeit der Erhöhung der Kraft, d.h. die Zeitableitung ∂F(t)/<∂t darf nie unter oder über einer gegebenen minimalen oder maximalen Geschwindigkeit sein, d.h. ein Minimum oder ein Maximum der Steigung der Kurse F (t) darf nie unter oder über der angegebenen Grenze sein, bis die Schwellkraft F_T erreicht wird. Beispielsweise sind typische minimale und/oder maximale Geschwindigkeiten des Kraftanstiegs 2.5 und 100 N/s, aber sie können mit der Triggerlast (Triggerkraft) variieren.
- Die Schwellkraft F_T muss innerhalb eines gewissen Zeitraums erreicht werden, zum Beispiel einem Zeitraum von 0.5 Sekunden bis 4 Sekunden.
- Die Zeitableitung ∂F(t)/∂t darf nie negativ sein, bevor die Schwellkraft F_T erreicht ist.
- Die Kraft (F) sollte immer unter einer maximalen Schwelle F_max liegen, vorzugsweise mit F_max > F_T , wodurch eine unnötige Beschädigung des Prüflings vermieden wird. Die maximale Schwelle F_max kann zum Beispiel vom Benutzer eingegeben werden, oder sie kann von der Steuereinheit 20 als Funktion der Schwellkraft F_T berechnet werden.

Die Schwellkraft F_T kann vom Benutzer mittels des Eingabegeräts 21 gewählt werden, z.B. bei 9.81 N, 19.62 N, 29.43 N, usw., um die Messung bei einer gewissen standardisierten Kraftstufe durchzuführen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Steuereinheit 20 dazu ausgestaltet, die Härte HV während einer Messung für eine Vielzahl von verschiedenen Kräften F zu messen, wodurch eine Reihe von Härtewerten HV_i erhalten wird, mit i = 1 ... N, mit N > 1.
In einer Ausführung kann die Steuereinheit 20 dazu ausgestaltet sein, einen Mittelwert der Härtewerte HVi zu berechnen, um so eine genauere Messung zu erhalten, welche geringere Empfindlichkeit gegenüber der Oberflächenstruktur des Prüflings und/oder gegenüber Fluktuationen in den Messbedingungen aufweist.
In einer anderen Ausführung kann die Steuereinheit 20 dazu ausgestaltet sein, den Härtewert HVi und/oder die Frequenzverschiebung Δf als Funktion der Kraft F und/oder der Zeit t zu plotten. Aus einem solchen Graphen kann der Benutzer zum Beispiel Informationen über die Oberflächenstruktur des Prüflings ableiten. Wenn z.B. die oberste Schicht der Oberfläche gehärtet ist, kann ein höherer Härtewert für eine tiefe Kraft als für höhere Kräfte beobachtet werden.
Bemerkungen:
Im Beispiel von 1 ist ein Kraftsensor 6 als Lastzelle z.B. zwischen dem Federelement 5 und dem Gehäuse 1 angeordnet. Obwohl vermutet wird, dass dies eine vorteilhafte Ausführung ist, kann der Kraftsensor zum Beispiel auch von einem Sensor gebildet werden, der die Position des Führungsteils 3 oder des Stabs 7 relativ zum Gehäuse 1 misst, wie zum Beispiel ein optischer Sensor oder ein Hall-Sensor. Da diese Position eine Funktion der Kraft ist, mit welcher die Prüfspitze 12 gegen den Prüfling gedrückt wird, erlaubt ihre Messung die Bestimmung dieser Kraft.
Während derzeit bevorzugte Ausführungen der Erfindung gezeigt und beschrieben werden, muss klar verstanden werden, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und in anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche dargestellt und ausgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 8810416 [0004]

Claims

Handgeführtes UCI-Härteprüfgerät aufweisend ein Gehäuse (1), das einen Griffbereich (2) bildet, um ein vorderes Ende des Geräts manuell gegen einen Prüfling zu drücken, ein Stab (3), die einen Resonator bildet, wobei der Stab (3) im Gehäuse (1) entlang einer Längsrichtung (A) des Stabs (3) verfahrbar gehalten ist, mindestens einen Transducer (10, 11), der an Stab (3) montiert ist und dazu ausgestaltet und strukturiert ist, um im Stab (3) Oszillationen anzuregen und eine Resonanzfrequenz des Stabs (3) zu messen, eine Prüfspitze (12), welche das vordere Ende des Geräts bildet und auf dem Stab (3) montiert ist, ein mehrwertiger Kraftsensor (6), der eine Kraft (F) misst, mit der die Prüfspitze (12) gegen den Prüfling gedrückt wird, ein Frequenzsensor (23), der dazu ausgestaltet und strukturiert ist, eine Änderung (Δf) der Resonanzfrequenz während einer Messung zu messen, eine Steuereinheit (20), welche dazu ausgestaltet und strukturiert ist, einen Härtewert des Prüflings unter Verwendung von Werten, die vom Kraftsensor (6) und vom Frequenzsensor (23) gemessen wurden, zu bestimmen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, auf einem Display (22) des Geräts einen Graphen der vom Kraftsensor (6) gemessenen Kraft (F) gegen die Zeit anzuzeigen.
Gerät nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit (20') weiter dazu ausgestaltet ist, im Graphen mindestens eine Führung (30, 31) anzuzeigen, welche eine gewünschte Zeitentwicklung der Kraft (F) angibt.
Gerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Graph ein Graph in Echtzeit ist.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, auf einem Display (22) des Geräts einen Graphen des Härtewerts und/oder der Änderung der Frequenz gegenüber der vom Kraftsensor (6) gemessenen Kraft (F) anzuzeigen.
Das Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, auf einem Display (22) des Geräts einen Graphen des Härtewerts und/oder der Änderung der Frequenz gegenüber der Zeit anzuzeigen.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, der eine Eingabevorrichtung (21) zum Eingeben einer Schwellkraft (F_T) aufweist, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, eine Härtemessung nach Erreichen der Schwellkraft (F_T) durchzuführen.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, während einer Messung die Härte bei einer Vielzahl von verschiedenen, vom Kraftsensor (6) gemessenen Kräften zu bestimmen.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgestaltet ist, eine Zeitentwicklung (F(t)) der Kraft während der Messung zu messen und Benutzerfeedback zu erzeugen, das angibt, ob die Zeitentwicklung (F(t)) mindestens ein Kriterium verletzt, und insbesondere wobei das Kriterium mindestens eines der folgenden ist: - eine minimale oder maximale Zeitableitung ∂F(t)/∂t der Kraft (F) darf nie unter/oder über einer gegebenen minimalen und/oder maximalen Geschwindigkeit sein, - eine Schwellkraft (F_T) muss innerhalb eines gewissen Zeitraums erreicht werden, - eine Zeitableitung ∂F(t)/∂t der Kraft (F) darf nie negativ sein, bevor eine Schwellkraft (F_T) erreicht ist, - die Kraft (F) sollte immer unter einer maximalen Schwelle (F_max) liegen.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche weiter umfassend eine Feder (5), welche den Stab (3) entlang der Längsrichtung (A) nach vorne drängt, wobei die Feder (5) deformierbar ist, indem die Prüfspitze (12) gegen den Prüfling gedrückt wird.
Verfahren zum Messen einer UCI-Härte unter Verwendung des Geräts nach einem der vorangehenden Ansprüche umfassend die schritte In-Kontakt-Bringen der Prüfspitze (12) mit dem Prüfling, manuelles Ausüben einer Kraft (F) entlang der Längsrichtung (A), um die Prüfspitze (12) in den Prüfling zu drücken.