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t'Dehnungsprüfgerät, insbesondere zur Prüfung von Textilfasern" (Priorität:
26 Juni 1961 (Niederlande) Die Erfindung betrifft ein Dehnungsprüfgerät mit einer
beweglichen und einer ortsfesten Klemme.
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Dehnungsprüfgeräte zur Bestimmung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung
von Fasern sind bekannt, Sie zeichnen im allgemeinen die angewendete Kraft und die
Dehnung beim Zerreißen mechanisch bzw. pneumatisch auf.
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Diese Vorrichtungen besitzen jedoch Mängeln Um eine ausreichend genaue
Aufzeichnung zu erhalten, muß das Gerät hohen Ansprüchen hinsichtlich der Präzision
entsprechen, so daß es in der Praxis nicht möglich ist, eine sehr robuste Konstruktion
zu verwendens Die Vorrichtung wird dadurch teuer und außerdem schwierig zu betätigen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Zunahme der Dehnung bis zum Zerreißen
der Faser, wenn überhaupt, nur höchst unpräzise registriertswerden kann.
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Das Dehnungsprüfgerät gemäß der Erfindung zeigt diese Mängel nicht.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die ortsfeste Klemme des Gerätes
mittels eines Federsystems mit einem kapazitiven Verschiebungsmesser gekuppelt ist.
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Die Veränderung der Kapazität eines Kondensators in diesem Verschiebungsmesser,
die der auf die Faser ausgeübten Kraft entspricht, kann einfach verstärkt und elektronisch
registriefi' werdene. Auf diese Weise ist die Konstruktion des Dehnungsprüfgerätes
äußerst einfach und widerstandsfähig. Außerdem sind die Messergebnisse genauer als
es bei Verwendung der bekannten Geräte bisher der Pall war.
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Vorzugsweise wird eine Vorrichtung verwendet, bei welcher die ortsfeste
Klemme mit der mittleren von drei benachbarten Eondensatorplatten gekuppelt ist
und bei welcher das aus der Klemme und der Kondensatorplatte bestehende Aggregat
mit dem Gestell der Vorrichtung durch einPedersystem verbunden ist.
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Es hat sich erwiesen, daß bei dieser Anordnung die Verschiebung der
Klemme innerhalb eines sehr weiten Meßbereiches einproportionales elektrisches Signal
liefert, Eine kleine Verschiebung der Klemme und der mittleren Kondensatorplatte
reicht aus, um eine meßbare Veränderung in dem System der beiden Kondensatoren,
welche aus den drei Platten gebildet sind, hervorzurufen, die keineswegs gegenüber
der Längenzunahme der eingeklemmten Faser vernachlässigbar ist.
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Angenömmen, eine basel mit einer Klemlänge von etwa 1 cm sei einer
Belastung ausgesetzt, die zwischen 103 und 105 dyn schwanken kann. Die Zerreißfestigkeit
fast aller vorkommenden Fasern liegt innerhalb dieses Bereiches.
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Wenn ferner gefordert wird, daß-der Meßfehler beimMessen der Dehnung
auf grund der Verschiebung der ortsfesten Klemme nicht mehr als 0,002 betragendarf,
so bedeutet dies, daß in dem Lastbereich von 103 bis 105 dyn die ortsfeste Klemme
eine Bewegung von 2 . 10-3 bis 2. 10-5 cm ausführen kann.
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Es hat sich gezeigt, daß kapazitive Verschiebungsmesser zur genauen
Registrierung dieser kleinen Verschiebungen besonders geeignet sind und daß-ein
gefälliges und einfaches Federsystem konstruierbar ist, welches diese Bewegungen
ermöglicht, wenn die oben erwähnten Belastungen angewendet werden. -Außerdem-wurde
festgestellt, daß der weite Bereich der möglicherweise auftretenden Lasten und Verschiebungen
leicht im Bereich eines einzigen Meßsystems unterzubringen ist, was sich bei Verwendung
anderer elektrischer Meßsysteme anstelle des oben beschriebenen kapazitiven Verschiebungsmessers
als unmöglich herausgestellt hat.
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Um die Verschiebungen der beweglichen Klemme auf genaue und reproduzierbare
Weise zu registrieren, ist es wichtig, daß in dem Antriebssystem, welches die Bewegung
der beweglichen Klemme bewirkt, ein Mindestmaß an Spiel vorhanden ist0 Dies kann
durch Berwendung eines sehr genau gearbeiteten Antreibssystems,
wie
es bei den bekannten Dehnungsprüfern verwendet wird, erreicht werden.
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Ein einfacheres Antriebssystem, welches trotzdem praktisch noch genauer
arbeitet, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß die bewegliche untere
Klemme ein Gewicht besitzt, das wesentlich größer ist als die großte während des
Betriebes auf diese Klemme ausgeübte Zugkraft und daß zum Senken der Klemme ein
Steuermechanismus vorgesehen ist.
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Ein Vorteil dieser Ausbildung besteht darin, daß mit Hilfe eines schwachen
Elektromotors große Kräfte auf die Faser ausgeübt werden können. Das Gewicht der
Klemme behebt dauernd jegliches Spiel im Antriebssystem in einer Richtung.
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Der Steuermechanismus kann eine Schraubenspindel und einen schwachen
Elektromotor umfassen.
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Um auch die Verschiebung der beweglichen Klemme, welche von der Dehnung
der eingeklemmten Faser abhängig ist, elektrisch zu registrieren, wird gemäß der
Erfindung eine Ausbildung bevorzugt, bei welcher die Schraubenspindel des Steuermechanismus
mit der Welle eines Potentiometers gekuppelt ist.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung an hand beispielsweiser
Ausführungsformen schematisch veranschaulicht.
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Figur 1 stellt das Dehnungsprüfgerät teilweise im4Schnitt dar und
Figur 2 ist ein Schaltungsschema, welches die elektronische Umwandlung der vom Dehnungsprüfgerät
gesendeten Signale veranschaulicht.
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In Figur 1 ist das Gestell mit (1) bezeichnet, das einstückig mit
zwei kräftigen Armen (2 und 3) vollständig aus Metall hergestellt ist. An den Armen
(2 und 3) sind zwei Kondensatorplatten (4 und 5) durch Zylinder (22 und 23) isoliert
befestigt. Eine dritte Kondensatorplatte (6) ist symmetrisch zwischen den Platten
(4 und 5) in einem Block aus nicht leitendem Material gelagert, der mit dem Gestell
(1) durch eine Brücke verbunden ist, die von dem Block (7) und zwei Blattfedern
(8 und 9) gebildet wird0 Die Brücke (7, 8 und 9) ist ebenfalls mit dem Gestell (1)
einstückig ausgebildet und hat eine Federkonstante von 5 lot dynZcm.
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Eine Faserklemme (11) üblicher Art ist mit dem Block (7) durch einen
Stab (10) verbunden. Eine zweite Faserklemme (12) ähnlicher Bauart ist mit einer
Laufmutter (13) so verbunden, daß sie lotgwrecht unter der Klemme (11) liegt, Durch
Drehen der Schraubenspindel (14) kann die Laufmutter (13) zwischen (nicht dargestellten)
Führungsorganen auf und nieder bewegt werden. Sie kann auch durch ein ähnliches
Urgan, z.B0 durch eine Gabel, welche in das Schraubengewinde eingreift, ersetzt
werden.
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In der Ausgangsstellung beträgt der Abstand zwischen den Klemmen (11
und 12) etwa 1 cm. Die Steigung der Schraubenspindel ist größer als 1 cm und so
gewählt, daß sich die Laufmutter (13) auf der Spindel ohne Selbsthemmung bewegt.
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Diese Ausbildung und die Tatsache, daß das Gewicht der Klemme (12)
und der Laufmutter (13) zusammen größer gewählt
wird 4Sr als die
maximale Zugspannung, die in der eingeklemmten Faser zu erwarten ist, bewirken,
daß das Spiel zwischen der Schraubenspindel (14) und der Laufmutter (19) immer gegen
ein Ende gerichtet ist.
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Die Schraubenspindel (14) wird durch einen (nicht dargestellten)
Synchronmotor über ein Reduktionsgetriebe angetrieben, so -daß eine konstante Längenzunahme
der Fasersichergestellt ist.
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Es ist schematisch angedeutet, daß durch Drehen der Schraubenspindel
der Kontaktarm (15) eines Potentiometers (16) in Umdrehung ersetzt werden kann.
Die Welle des Potentiometers (16) ist mit der Schraubenspindel gekuppelt. An die
Klemmen (17 und 18) des Potentiometers wird eine Wechselspannung V angelegt, Infolgedessen
ist die Spannung zwischen dem Kontaktarm (15) und einem der zwei Kontakte (17 und
18) ein Maß für die Verschiebung der Klemme (12) und infolgedessen auch für die
Dehnung der eingeklemmten Faser (19).
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Bei einer Faser mit einer Klemmlänge von 1 cm entspricht eine volle
Umdrehung der Schraubenspindel (14) und infol gedessen auch des Kontaktarmes (15)
einer Längenzunahme von 110%.
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Die drei Kondensatorplatten (4, 5 und 6) bilden zwei Kondensatoren
C1- und C2 (Figur 2), deren Kapazität wechselt, wenn die Platte (6) durch die Zugkraft
in der Faser (19) aus der Gleichgewichtslage gezogen wird.
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Durch eine geeignete Wahl z0B. der Kapazität der Kondensatoren C1
und C2 kann erreicht werden, daß ein elektrisches Signal, das durch die VeränderUng
der Kapazitäten von C und C2 hervorgerufen wird, praktisch proportional der Verschiebung
der Klemme (11) ist Infolgedessen ist dieses Signal auch proportional zur Zugspannung
in der Faser (19).
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Es sei erwähnt, daß die Verschiebung der Klemme (11) immer vernachlässigbar
klein ist im Verhältnis zu derjenigen der Klemme (12), so daß die Lage des Kontaktarmes
(15) ein genaues Maß für die jeweilige Dehnung der eingeklemmten Faser darstellt.
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Das Schaltungsschema der Figur 2 zeigt, wie die Stellung des Kontaktarmes
(15) des Potentiometers (16) und die Werte der Kapazitäten von C1 und C2 in ablesbare
Anzeigen von zwei Zeigern (20 und 21) Verwandelt werden.
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Zu diesem Zweck sind die Kondensatoren Cl und C2 mit den Widerständen
R1 und R2 in einer Brücke vereinigt, welche mit einer Wechselspannung V, welche
derjenigen des Potentiometers (16) entspricht, gespeist wird. Die Frequenz der Wechselspannung
V kann der Netzfrequenz entsprechen.
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Wenn die Faser (19) sich in umgespannteii Zustand befindet, hat die
Platte (6) gegenüber der Erde ein Nullpotential, Wenn dagegen die Platte (6) verschoben
wird, besitzt sie gegenüber der borde eine Wechselspannung, welche einem Verstärker
A1 mit sehr hoher Eingangsimpedanz (etwa 2 109 109 #) zugeführt wird.
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Zwischen dem Auslaß der Verstärkerstufe A1 und dem Einlaß einer zweiten
Verstärkerstufe A2 ist eine einstellbare RC-Kopplung vorgesehen, welche ein Potentiometer
R3 und einen Kondensator CD umfaßt und es ermöglicht, eine Phasenverschiebung des
in A1 eingespeisten Signals gegenüber der Wechselspannung V zu korrigieren.
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Nach dem-Auslaß der Verstärkerstufe A2 ist eine Kopplung von zwei
auf der gleichen Welle sitzenden Potentipmetern R4 und R5 vorgesehen, welche es
möglich macht, das verstärkte Signal der Masse der Faser (19) anzupassen Infolgedessen
kann der Zeiger (20) direkt die Festigkeit der Faser in Gramm je Denier anzeigen.
Die Kopplung mit den Potentionetern R4 und R5 ist eine solche, daß zwischen dem
Denier der Faser und der Stellung des Kontaktarmes dieser Potentiometer praktisch
eine logarithmesche Beziehung besteht.
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Infolgedessen besteht innerhalb eines weiten Bereiches von Faserdeniers
eine praktisch gleiche Genauigkeit der Einstellung des Meßgerätes.
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Das Signal bei den Kontaktarmen der Potentiometer R und R5 wird mittels
einer automatischen Meßbrücke in eine Anzeige des Zeigers (20) verwandelt. Dieser
wirkt auch als Kontaktarm des Potentiometers R6, das ebenfalls an die Spannung V
angeschlossen ist0 die Potentialdifferenz bei den beiden Kontaktarmen wird durch
die Verstärkerstufe AD verstärkt. Das verstärkte Signal treibt einen Elektromotor
M1, welcher mechanisch (siehe gestrichelte Linie) den Zeiger (20) veranlaßt, eine
Stellung anzunehmen, bei welcher di¢ an"Ä3'-b-gegebene Wechselspannung gleich Null
wird
Mit Hilfe einer ähnlichen Meßbrücke, die ein Potentiometer
R7 mit einem Zeiger (21), eine Verstärkerstufe A4 und einen Motor M2 umfaßt, wird
das Signal des Kontaktarmes (15), welches mit der Dehnung der Faser (19) korrespondiert,
verstärkt an den Zeiger (21) weitergegeben. Außerdem ist das Gerät mit einer Vorrichtung
versehen, welche bewirkt, daß die Zeiger (20 und 21) in der Endposition, die sie
erreicht haben, wenn die Faser (19) reißt, verbleiben.
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Die mechanische Verbindung zwischen der Welle des Motors M1 und dem
Zeiger (20) arbeitet als Schalter S1 in der Weise, daß S1 geschlossen wird, wenn
der Zeiger steigt, und geöffnet wird, wenn der Motor M1 später seine Drehrichtung
ändert.
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Ein Öffnen des Schalters S1 betätigt das elektronische Relais B, worauf
sich der Schalter S2 öffnet und den Motor M2 abschaltet. Infolgedessen bleibt der
Zeiger (21) stehend Der Leiger (20) ist mit einer bekannten magneto-mechanischen
Vorrichtung versehen, welche bewirkt, daß der Zeiger in seiner h nchsten Stellung
stehen bleibt. Nach Ablesung der Anzeige der Zeiger (20 und 21) können diese einfach
auf elektrischem Wege in ihre Ausgangsstellung zurückgebracht werden.
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Verschiedene Ausführungsvarianten und Ergänzungen des erfindungsgemäßen
Gerätes sind möglich. So können z.Bo die Zeiger (20 und 21) mit Registriervorrichtungen
verbunden sein, so daß eine graphische Aufzeichnung der Meßergebnisse erhalten werden
kann. Die Zeiger (20 und 21) können auch mit Zählvorrichtungen verbunden sein.
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Es ist auch möglich, die erhaltenen Meßergebnisse automatisch einer
Maschine zur statistischen Auswertung zuzuführen. Alle oben erwähnten Geräte berühren
nicht das Wesen der Erfindung und fallen daher in deren Schutzbereicht