DE19839009A1 - Modular aufgebautes multifunktionelles Meßgerät zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen, sowie zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchung von Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen, sowie zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchung von Oberflächen.

Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen, sowie zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchung von Oberflächen ist es erforder­ lich, unterschiedlichste Messungen durchzuführen. Dazu gehört eine Ultraschallreflexionsmessung. Es wird dabei die Änderung der Ultraschallintensität erfaßt, die durch die Wechselwirkun­ gen der Flüssigkeiten mit dem Material, wie z. B. Benetzungs- und Absorptionsvorgänge als auch durch strukturelle Veränderungen im Material und durch die Veränderungen der mit der Materialprobe in Kontakt stehenden Flüssigkeiten selbst, wie z. B. Trocknungsvorgänge, verursacht wird.

Eine weite notwendige Messung ist die Messung der Dehnung einer Materialprobe bei einseitiger Kontaktierung mit Flüssigkeit.

Zum Aufbringen einer Flüssigkeit, wie z. B. einer Streichfarbe, einer Druckfarbe, einer Inkjetfarbe, Wasser, eines Klebstoffes oder anderer technisch möglicher Flüssigkeiten, womit definierte und reproduzierbare Mengen und Verteilungen der aufgetragenen Flüssigkeiten erzielt werden können, werden die verschiedensten Vorrichtungen einge­ setzt. Zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen werden bekannterweise Vorrichtungen zur mechanischen Beanspruchung eingesetzt und es wird mit Hilfe von Bildaufnahmesystemen eine Überwachung der aufgebrachten Flüssigkeit realisiert.

So sind Ultraschallmeßgeräte zur Charakterisierung der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen bekannt.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen durchdringt ein von einem Sender erzeugtes Ultraschallsignal die zu prüfende Materialprobe. Mittels Ultraschallempfänger wird die Veränderung der ausgesendeten Signale erfaßt. Dabei wird das zu prüfende flächige Material in eine Flüssigkeit wie Wasser, Öl oder Streichfarbe eingebracht und von den Ultraschallwellen durchstrahlt.

Vorzugsweise geschieht die Anwendung dieser bekannten Verfahren in einer Meßanordnung in Form einer Meßzelle. In diese Meßzelle wird das zu prüfende flächige Material zwischen einen Ultraschallsender und einen dazugehörigen horizontal gegenüberliegenden Empfänger eingebracht.

Weiterhin sind Meßgeräte bekannt, bei denen waagerecht im Boden eines Gefäßes, welches teilweise mit einer Prüfflüssigkeit gefüllt ist, ein Ultraschallsensor als Sender und senkrecht darüber ein Ultraschallsensor als Empfänger angeordnet ist. Auf der nach unten weisenden Oberfläche des oberen Sensors wird die Materialprobe fixiert. Das Niveau der Prüfflüssigkeit wird mittels einer Pumpe so weit angehoben, das die Flüssigkeit die Probe berührt und dadurch der Ultraschall durch die Probe hindurch den Empfänger erreichen kann. In diesem Moment wird die Messung gestartet.

Ebenfalls sind Meßgeräte bekannt, bei denen ein Ultraschallsensor, der sowohl als Sender als auch als Empfänger der von der Materialprobe reflektierten bzw. gestreuten Ultraschallsignale dient, horizontal im Boden eines Gefäßes mit Prüfflüssigkeit angeordnet ist. Die zu messende Materialprobe wird dabei von unten mit der Prüfflüssigkeit kontaktiert.

Ferner sind Meßgeräte bekannt, bei denen an der Unterseite eines Probenträger, vorzugsweise einem Quarz, 2 Ultraschallsensoren in einem bestimmten Winkel zur Oberfläche angebracht sind, wobei der eine Sensor als Sender und der andere Sensor als Empfänger dient.

Viele Verarbeitungsprozesse basieren auf dem Kontakt einer Flüssigkeit mit einem flächigen Material, wie z. B. Papier- oder Karton, Folien, Stoffen und anderen Fasermaterialien oder porösen Materialien. Die oben beschriebenen Ultraschallmeßgeräte sind nur bedingt geeignet, die Wechselwirkungen zwischen einer Flüssigkeit und einer flächigen Materialprobe oder das Verhalten einer Flüssigkeit während seiner Trocknung ausreichend zu charakterisieren.

Bei vielen der oben beschriebenen Ultraschallmeßverfahren wird die zu prüfende Materialprobe mit einem in der industriellen Fertigung von Papier oder anderen flächigen Materialien unüblichen Überschuß an Prüfflüssigkeit für eine sehr lange Zeit beauflagt. Ferner wird dabei die Materialprobe in eine ruhende oder zumindest vorwiegend ruhende Flüssigkeit eingetaucht und damit über einen längeren Zeitraum, d. h. mehrere Sekunden oder Minuten kontaktiert. Das kann gerade bei strukturviskosen Flüssigkeiten, wie z. B. Streichfarben für die Papiererzeugung, oder anderen während einer Scherbewegung in ihrer Viskosität sich verändernden Flüssigkeiten, zu einer deutlich veränderten Flüssigkeitsaufnahme durch die zu prüfende Materialprobe führen.

Unter industriellen Prozeßbedingungen wird die Materialprobe nur für Bruchteile einer Sekunde mit einem Überschuß an Flüssigkeit kontaktiert, der nachfolgend mittels Klinge, Rakel oder Luftbürste entfernt wird, oder die Materialprobe läuft durch einen sogenannten Walzenspalt als Dosiereinrichtung für die Applikation der Flüssigkeit. Die aus den bisher bekannten Ultraschallmeßverfahren resultierenden Meßergebnisse mit der Prüfflüssigkeit können deshalb nur bedingt auf die Wechselwirkungen der Flüssigkeit mit der damit in Kontakt tretenden flächigen Materialprobe unter industriellen Prozessbedingungen übertragen werden.

Auftragsvorrichtungen für die Applikation von Flüssigkeiten in Meßgeräten sind ebenfalls be­ kannt.

Diese Applikationssysteme sind jedoch nur bedingt geeignet, die unterschiedlichsten Varianten der Flüssigkeitsapplikation bei verschiedensten definierten Geschwindigkeiten und bei Verwendung unterschiedlichster Auftragsverfahren zu ermöglichen.

Es ist bekannt, Testgeräte zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchung von flächigen Materialien einzusetzen. Diese bekannten Geräte sind jedoch nur bedingt oder gar nicht geeignet, eine gleichzeitig ablaufende Ultraschallreflexionsmessung oder eine gleichzeitige Bildanalyse an der getesteten Materialprobe zuzulassen.

Bildanalysesysteme zur Beurteilung der Papieroberfläche oder anderer flächiger Werkstoffe sind ebenso bekannt.

Die bekannten Bildanalysesysteme sind jedoch nur bedingt für die Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und Materialien und für die Beschreibung der Einflüsse mechanischer Belastungen auf die Oberflächeneigenschaften von Materialien geeignet, da die Aufnahmen der ersten Bilder durch die Kamera erst nach zuvor erfolgtem Einlegen in einen Scanner oder unter eine Kamera erfolgen kann.

Aufnahmen unmittelbar nach einer der oben beschriebenen Behandlungen der Materialprobe können damit nicht gemacht werden.

Die ebenfalls bekannten Klimakammern sind groß, teuer und für die Kombination der oben beschriebenen Module auch aus technisch-konstruktiven Gründen nicht geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Meßgerät zu schaffen, welches ein optimiertes Messen und Überwachen und Untersuchen der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen, sowie zur Beurteilung der mechanischen Beanspruchung von Ober­ flächen ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Meßgerät gelöst, welches den Schutzansprü­ chen 1-13 entspricht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das erfindungsgemäße multifunk­ tionale Meßgerät aus einer Grundplatte besteht, auf der die einzelnen Module angeordnet sind oder in beziehungsweise auf ihr integriert werden. Dabei sind unterschiedlichste Kombinationen der Module denkbar.

Die Meßanordnung zur Ultraschallreflexionsmessung ist dabei so angeordnet, daß auf der Rückseite eines Probenträgers ein Ultraschallsensor angebracht ist, der sowohl als Sender als auch als Empfänger dient. Auf dem Probenträger wird eine Materialprobe mit herkömmlichen Mitteln so befestigt, daß eine gute Ultraschallübertragung zwischen der Probe und dem Probenträger gewährleistet ist, vorzugsweise mit einem doppelseitigen Klebeband.

Der Probenträger wird zu diesem Zweck horizontal mit der zu prüfenden Probenseite nach unten oder nach oben oder vertikal oder in jedem anderen denkbaren Winkel, der für die Durchführung der Versuche noch als geeignet erscheint, angeordnet. Dabei kann der Probenträger fest stehen oder relativ zu dem Flüssigkeitsauftragsaggregat beweglich angeordnet sein; er kann sich z. B. auch auf einer Kreisbahn oder in der Probenträgerebene selbst bewegen. Der Probenträger kann dabei eine plane, konvexe oder konkave Form haben.

Die Prüfflüssigkeit wird dabei wahlweise über alle denkbaren technisch möglichen im Labor oder auch unter Produktionsbedingungen der Industrie angewandten Auftragsverfahren, wie z. B. über sogenannte Rakel-, Klingen- oder Walzenauftragswerke, über Strahl- oder Tropfenauftragsverfahren, über eine Änderung des Umgebungsklimas oder über alle anderen bekannten und für dieses Meßverfahren geeigneten Auftrags- und Dosierverfahren, auf die Materialprobe von der dem Probenträger abgewandten Seite her aufgebracht werden. Das Auftragen der Flüssigkeit kann im Überschuß mit nachfolgendem Entfernen des Überschusses oder schon vordosiert auf die Materialprobe erfolgen.

Die Ultraschallsensoren können bei diesem Meßverfahren mit einer oder mehreren Frequenzen arbeiten.

Zur Bestimmung der Dehnung einer Materialprobe werden bekannte Vorrichtungskonstruktionen in das erfindungsgemäße modular aufgebaute multifunktionale Meßsystem integriert.

Die Auftragsvorrichtung besteht vorzugsweise aus einer geschwindigkeitsgesteuerten Vorrichtung, an die z. B. eine Walze, ein Rakel, eine Klinge, ein Inkjetdruckkopf oder andere geeignete Dosiervorrichtungen zum Auftragen von Flüssigkeiten auf flächige Werkstoffe angebracht sind.

Die Materialprobe wird mit herkömmlichen Mitteln auf einem Probenträger fixiert, vorzugsweise mittels doppelseitigem Klebeband, oder zwischen zwei Klemmen, wie wie in Abb. 3 dargestellt, eingespannt.

Dabei kann die Materialprobe fest und die Dosiervorrichtung relativ dazu beweglich angeordnet sein. Es ist auch möglich, daß die Dosiervorrichtung fest und die Materialprobe relativ dazu beweglich angeordnet ist.

Zur mechanischen Beanspruchung eines flächigen Werkstoffes wird an die geschwindig­ keitsgesteuerte Vorrichtung ein Abrasionswerkzeug, d. h. ein Gegenstand mit definierten Werkstoffeigenschaften, wie z. B. der Oberflächenrauhigkeit, so befestigt, daß die Oberfläche des zu prüfenden flächigen Materials, das auf dem Probenträger der Grundplatte befestigt ist, mit dem unter definierter Vorlast befindlichen Abrasionswerkzeug in Berührung kommt.

Bedingt durch die Relativbewegung des Abrasionswerkzeuges zur Materialoberfläche kommt es zur Veränderung derselben. Vorzugsweise wird dafür eine computergesteuerte Vorrichtung eingesetzt, welches es erlaubt sowohl definierte gerichtete und oszillierende Bewegungen definierter Geschwindigkeiten, über kürzere und auch längere Zeiträume, als auch Bewegungen bei höherer und niedrigerer Vorlast auszuführen, wodurch bei definiertem Abrasionswerkzeug definierte Testbedingungen möglich sind.

An die geschwindigkeitsgesteuerte Vorrichtung können ebenfalls andere Werkzeuge so befestigt werden, daß z. B. flächige Werkstoffe lokal komprimiert werden, wie es z. B. bei der Rillung von Karton, Papier oder Folien, oder beim Druck im Kalander oder unter einer Druckwalze der Fall ist.

In Kombination mit einer Ultraschallreflexionsmessung sind somit Aussagen über das elastische Verhalten sowie auch über die Relaxationsvorgänge eines Werkstoffes bei und nach mechanischer Beanspruchung möglich.

In Kombination mit einer Klimakammer sind Aussagen über den Einfluß des Klimas auf das elastische Verhalten möglich.

Zur direkten und Echtzeitüberwachung wird vorzugsweise ein Bildanalysesystem einge­ setzt, bei dem eine digitale Kamera Aufnahmen in technisch möglichen Zeitabständen nach dem Aufbringen der Flüssigkeit auf eine Materialprobe oder nach einer mechanischen Beanspruchung einer Materialprobe oder deren Oberfläche von oben durchführt. Die Kamera ist dabei so oberhalb der Materialprobe angeordnet, daß unmittelbar nach der Flüssigkeitsapplikation bzw. nach der mechanischen Beanspruchung die Oberfläche optisch erfaßt werden kann.

Die Auswertung der mittels digitaler Kamera gewonnenen Daten erfolgt mit einer geeigneten Computersoftware.

Zur Klimatisierung der Meßanordnungen wird eine Klimakammer in das multifunktionale Meßsystem integriert, welches aus einer Klimakammer besteht, die sich aus der Grund­ platte des multifunktionalen Meßgerätes und einer Haube, die die restlichen Wände der Kammer bildet, zusammensetzt. Die Luft innerhalb der Klimakammer wird mit herkömmlichen Methoden und Geräten auf das jeweils gewünschte Klima eingestellt, auch zeitlich veränderliche Klimata sind denkbar.

Zur Verdeutlichung sollen nachfolgend die Abb. 1-4 erläutert werden.

Abb. 1:
Die Meßanordnung ist analog zum Cobb-Test einer genormten Methode zur Bestimmung der Flüssigkeitsaufnahme eines Papieres, jedoch mit dem Unterschied, daß in der Platte auf der die Papierprobe gelegt wird, sich ein Ultraschallsensor befindet, auf welchem mit doppelseitigem Klebeband der Bereich der Papierprobe fixiert ist, der sich darüber befin­ det.

Mit dieser Papieroberfläche wird eine definierte Flüssigkeitsmenge in Kontakt gebracht, z. B. aus einem Gefäß geschüttet oder aus einem Zuflußrohr automatisch eingeleitet. Ein auf die Probe angedrückter Ring definierten Durchmessers verhindert das Abfließen der Flüssigkeit.

Abb. 2:
Auf der Grundplatte beziehungsweise Probenträgerplatte, in der sich der Ultraschallsensor befindet, wird mit doppelseitigem Klebeband eine Materialprobe über dem Ultraschallsen­ sor fixiert.

Mit einer Walze, einem Rakel oder einem Blade wird Flüssigkeit auf die Materialprobe aufgetragen. Das Auftragsaggregat bewegt sich mit reproduzierbarer definierter Geschwindigkeit über die Materialprobe und versieht deren Oberfläche mit der Flüssigkeit.

Abb. 3:
Auf der Grundplatte beziehungsweise Probenträgerplatte, in der sich der Ultraschallsensor befindet, wird mit doppelseitigem Klebeband eine Materialprobe über dem Ultraschallsen­ sor fixiert oder zwischen zwei Klemmen, von denen mindestens eine beweglich gelagert ist, eingespannt.

Mit einem berührungslosen Auftragsaggregat, wie beispielsweise einem Inkjetdruckkopf oder einer Sprühvorrichtung wird Flüssigkeit auf die Materialprobe aufgetragen. Das Auf­ tragsaggregat bewegt sich mit reproduzierbarer definierter Geschwindigkeit über die Materialprobe und versieht deren Oberfläche mit der Flüssigkeit.

Abb. 4:
Die Grundplatte, auf der die Meßeinrichtungen für die Ultraschall- und Dehnungsmessun­ gen angebracht sind, bildet den Boden einer Klimakammer, die durch Aufsetzen einer Haube entsteht. Diese Klimakammer wird mittels vorklimatisierter Luft auf ein bestimmtes Klima eingestellt.

Die Haube ist mit Meßfühlern für die Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung ausgestattet, die sowohl zur Steuerung der Klimatisierung als auch zur gleichzeitigen Aufzeichnung mit der durchgeführten Messung der Feuchtdehnung oder der Ultraschallmessung dienen sollen.

Ferner weist die Haube die Anschlußmöglichkeiten für eine Waage auf, mit der sich das Gewicht einer sich im Klima ändernden Materialprobe erfassen läßt. Die Integration einer Kamera ist denkbar.

Claims (13)

1. Anspruch 1:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät zur Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und flächigen Werkstoffen, sowie zur Beurteilung der mechani­ schen Beanspruchung von Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Meß­ verfahren in einem Meßgerät einzeln oder gleichzeitig kombiniert durchgeführt werden kön­ nen, wobei es sich bei den Meßverfahren um die Ultraschallreflexionsmessung bei einseiti­ gem Flüssigkeitskontakt einer Materialprobe, die Ultraschallreflexionsmessung bei mechanischer Beanspruchung einer Materialprobe, die Dehnung einer Materialprobe bei deren einseitigem Kontakt mit einer Flüssigkeit, die Bildanalyse einer Materialoberfläche und die variabel mögliche Klimatisierung der gesamten Meßanordnung oben genannter Meßverfahren handelt.
2. Anspruch 2:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß das erfin­ dungsgemäße multifunktionale Meßgerät aus einer Grundplatte besteht, auf der die einzelnen Module angeordnet sind.
3. Anspruch 3:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßanordnung zur Ultraschallreflexionsmessung so angeordnet ist, daß auf der Rückseite eines Probenträgers ein Ultraschallsensor angebracht ist, der sowohl als Sender als auch als Empfänger dient, daß auf dem Probenträger eine Materialprobe mit herkömmlichen Mitteln so befestigt wird, daß der Probenträger horizontal mit der zu prüfenden Probenseite nach unten oder nach oben oder vertikal oder in jedem anderen denkbaren Winkel, der für die Durchführung der Versuche noch als geeignet erscheint, an­ geordnet wird.
4. Anspruch 4 nach Anspruch 3:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net" daß der Probenträger dabei fest steht oder relativ zu dem Flüssigkeitsauftragsaggregat beweglich angeordnet ist; er kann sich z. B. auch auf einer Kreisbahn oder in der Probenträgerebene selbst bewegen.
5. Anspruch 5:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Probenträger eine plane, konvexe oder konkave Form hat.
6. Anspruch 6:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ultraschallsensoren mit einer Frequenz arbeiten.
7. Anspruch 7:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ultraschallsensoren mit mehreren Frequenzen arbeiten.
8. Anspruch 8:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ tragsvorrichtung aus einer geschwindigkeitsgesteuerten Vorrichtung besteht, an welcher Dosiervorrichtungen zum Auftragen von Flüssigkeiten auf flächige Werkstoffe angeordnet sind und die Materialprobe fest und die Dosiervorrichtung dazu relativ beweglich angeordnet ist.
9. Anspruch 9:
   Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dosiervorrichtung fest und die Materialprobe relativ dazu beweglich angeordnet ist.
10. Anspruch 10:
    Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß zur me­ chanischen Beanspruchung eines flächigen Werkstoffes an die Vorrichtung ein Abrasions­ werkzeug so befestigt wird, daß die Oberfläche des zu prüfenden flächigen Materials, das auf dem Probenträger der Grundplatte befestigt ist, mit dem unter definierter Vorlast befindlichen Abrasionswerkzeug in Berührung kommt.
11. Anspruch 11:
    Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß zur me­ chanischen Beanspruchung eines flächigen Werkstoffes an die Vorrichtung Werkzeuge zur lokalen Komprimierung flächiger Werkstoffe anzuordnen sind.
12. Anspruch 12:
    Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß zur direk­ ten und Echtzeitüberwachung ein Bildanalysesystem eingesetzt wird, bei dem eine digitale Kamera Aufnahmen in technisch möglichen Zeitabständen nach dem Aufbringen der Flüssigkeit auf eine Materialprobe oder nach einer mechanischen Beanspruchung einer Materialprobe oder nur deren Oberfläche von oben durchführt.
13. Anspruch 13:
    Modular aufgebautes multifunktionales Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß zur Klimatisierung der Meßanordnungen eine Klimakammer in das multifunktionale Meßsystem integriert ist, welche aus der Grundplatte des multifunktionalen Meßgerätes und einer Haube, die die restlichen Wände der Kammer bildet, besteht.