DE2054505B2

DE2054505B2 - Vorrichtung zur fortlaufenden messung der haerte einer probe

Info

Publication number: DE2054505B2
Application number: DE19702054505
Authority: DE
Inventors: Richard Lingham Castle Manchester Knight (Großbritannien); O'Blenes, George H, Powell River, British Columbia (Kanada)
Original assignee: Consolidated Bathurst Ltd
Current assignee: Consolidated Bathurst Ltd
Priority date: 1969-11-05
Filing date: 1970-11-05
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FI54416C; GB1328158A; CA938125A; FR2069016A5; JPS5144421B1; SE363403B; DE2054505C3; FI54416B; DE2054505A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur fortlaufenden Messung der Härte einer Probe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der US-PS 3194061 bekannten Art.

Der Zweck der bekannten Härtemeßvorrichtung besteht darin, das Vorhandensein und Ausmaß von Bereichen unterschiedicher Härte in einer elastischen Walze, beispielsweise einer mit einer Gummischicht überzogenen Druckwalze für Papiermaschinen, festzustellen. Die bekannte Härtemeßvorrichtung eignet sich jedoch nicht dazu, die Härte ei nes Körpers zuverlässig zu messen oder auch nur zu erfassen, wenn dessen Härte sich laufend ändert, beispielsweise die Härte einer Papierrolle während des Aufwickeins derselben, wenn zum Beispiel die Härte der entstehenden Papierrolle als Regelgröße für die Einstellung des Papierbandzuges herangezogen werden soll.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie ein zuverlässiges Maß für die Härte der Probe bei sich ständig verändernder Härte liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vom kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.

Da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur die Gesamtbelastung zwischen Fühleinrichtung und Probe als Maß für die Härte herangezogen wird.

sondern zusätzlich die Spaltbelastung in einem kleinen Bereich des Spaltes zwischen Probe und Rolle, ist das von den an die piezo-elektrischen Meßumformer angeschlossenen Schaltungen gebildete Verhältnis der von den Meßumformern erzeugten Spannungen ein gutes Maß für die Härte der Probe.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 3.

ι ο An Hand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung,

Fig. 2 den Schnitt 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Einzelheit der Vorrichtung,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht der Einzelheit der Fig. 3,

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch das erfindungsgemäße Rad,

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der bei dem erfindungsgemäßen Testgerät zu verwendenden Schaltung, und

Fig. 7 im Diagramm die Zuordnung erfindungsgemäß ermittelter Prüfungsergebnisse gegenüber mittels eines Schmidt-Härteprüfers ermittelten Werten.
Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 auf einem Schlitten 11 befestigt, der wiederum auf Schienen 12 auf einem Ständer 14 befestigt ist. Der Ständer 14 ist auf einer zweiten Gruppe von Schienen 16 angebracht, die am Boden des Gebäudes befestigt sind. Der Ständer 14 ist mittels eines elektrischen Antriebs 18 auf eine Papierrolle 20 zu und von dieser weg beweglich. Die Papierrolle 20 ist auf einem zum Teil gezeigten Rollenhaspel 22 befestigt.

Der Schlitten 11 ist auf den Schienen 12 beweglich und kann automatisch oder von Hand mittels eines endlosen Seils 24 gesteuert werden, das durch den Ständer 14 und über die obere Oberfläche desselben verläuft und an einander gegenüberliegenden Seiten des Schlittens 11 befestigt ist. Das Seil 24 ist über eine Seilscheibe 26 geführt und wird mittels eines Motors 28 über eine Seilscheibe 30 angetrieben. Wie oben angedeutet wurde, kann der Motor 28 automatisch durch eine schematisch gezeigte, geeignete automatische Steuereinrichtung 32 oder durch eine Handsteuerung wie beispielsweise Druckknopfschalter oder dergleichen, die die automatische Steuereinrichtung 32 außer Tätigkeit setzen, gesteuert werden.

Die Vorrichtung 10 enthält einen am Schlitten 11 befestigten Hauptrahmen 40 mit zwei oberen Seitenschienen 42 und 44, die je mit einem Schlitz 46 zur Aufnahme von Rädern 48 versehen sind. In Fig. 2 ist lediglich ein Schlitz gezeigt. Die Räder 48 sind auf seitlich von einem U-förmigen Hilfsrahmen 50 vorstehenden Achsen befestigt. Der Mittelsteg des U-förmigen Hilfsrahmens 50 ist über eine Kolben-Zylinder-Einheit 52 am hinteren Rahmenteil 53 des Hauptrahmens 40 befestigt. Bei Betätigung der Kolben-Zylinder-Einheit 52 wird der U-förmige Hilfsrahmen 50 ein- und ausgefahren. Dabei liegt der Hilfsrahmen 50 auf den Rädern 48 auf, die in den Schlitzen 46 in den Seitenschienen 42 und 44 rollen.

Zwischen den freien Enden der Arme 54 und 56 des U-förmieen Hilfsrahmens 50 ist ein Rad 58 dreh-

bar befestigt, an dessen Umfang ein großer Kontaktknopf 60 und ein kleiner Kontaktknopf 62 befestigt sind. Hinter den Kontaktknöpfen 60 und 62 liegt je ein schematisch dargestellter piezo-elekUischer Kristall 61 bzw. 63. Die piezoelektrischen Kristalle 61 und 63 sind im wesentlichen identisch. Bei der gezeigten Anordnung liegen die Kontaktknöpfe einander diametral gegenüber. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Allgemein ist es zweckmäßig, die Kontaktknöpfe verhältnismäßig nahe aneinander zu legen. Ideal wäre es, den kleinen Kontaktknopf an der Mitte des großen Kontaktknopfes anzuordnen. Dies ist jedoch aus mechanischen Gründen schwierig und stört in gewissem Maße die auf den großen Kontaktknopf aufgebrachte Belastung. Aus diesen Gründen werden die Kontaktknöpfe vorzugsweise in einem geringen Abstand voneinander angeordnet. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wurden sie, wie oben erwähnt, bei dem kleinen Rad 58 um 180° gegeneinander versetzt. Die Kontaktfläche des großen Kontaktknopfes 60 sollte etwa lOmal größer sein als die des kleinen Kontaktknopfes 62.

Die Oberfläche 64 des Rades 58 ist gemäß Fig. 5 konvex, so daß praktisch die gesamte Oberfläche des Kontaktknopfes 60 bzw. 62 die zu prüfende Papierrolle 20 berührt. Wird ein Rad 58 mit flacher Oberfläche verwendet, so nimmt der an die Druckknöpfe 60 und 62 angrenzende Umfang desselben einen Teil der Last auf, so daß die Höhe des von einem der piezoelektrischen Kristalle 61 und 63 erzeugten Signals verringert wird.

Wichtig ist, daß die gesamte Spalt-Berührungsfläche innerhalb der Grenzen des großen Kontaktknopfes 60 liegt und so die maximal mögliche Belastung erzielt wird. Hierdurch ergibt sich eine Gesamtspaltbelastung zwischen dem Rad 58 und der zu prüfenden Probe. Die Berührungsfläche des kleinen Kontaktknopfes 62 ist wesentlich geringer als der Spalt. Vorzugsweise ist die Breite des kleinen Kontaktknopfes größer als die Breite der Kontaktfläche, jedoch in Umfangsrichtung des Rades 58 kleiner als der Spalt.

Die in den Kristallen 61 und 63 erzeugten Impulse werden vom Rad 58 über Schleifringe 73 und 75 abgeführt und durch eine noch zu beschreibende Schaltung verstärkt.

Größe und Gewicht des Rades 58 können ebenfalls wichtig sein. Wie oben erwähnt wurde, sollten die Kontaktknöpfe 60 und 62 verhältnismäßig nahe aneinander liegen. Bei großem Raddurchmesser können daher offensichtlich die beiden Kontaktknöpfe nicht diametral gegenüber liegend angeordnet werden, da sonst die durch die Kontaktknöpfe eingedrückten Flächen der Rolle 20 zu weit auseinander liegen würden. Der Durchmesser des Rades 58 sollte gering gehalten werden, um die Einflüsse durch eine Änderung des Durchmessers der in der Untersuchung befindlichen Rolle auf die erhaltenen Meßwerte zu verringern. Es ist festgestellt worden, daß ein aus Aluminium hergestelltes Rad mit einer Breite von etwa 2,5 cm und einem Durchmesser von etwa 13 cm zufriedenstellend arbeitet. Eine Gesamtspaltbelastung von etwa 4,5 kg zwischen der zu untersuchenden Rolle 20 und dem Rad 58 führt zu annehmbaren Meßwerten ohne übermäßige Einkerbung der Rolle. Bei Verwendung großer und/oder schwerer Räder 58 muß sorgfältig gearbeitet werden, da die Neigung besteht, daß das Rad 58 von der in der Untersuchung befindlichen Rolle 20 zurückprallt.

Um ein Maß für die Härte zu erhalten, muß das Verhältnis der Höhen der impulszüge von den beiden Kristallen gemessen werden. Das Härteprofil der Papierrolle wird erhalten, wenn der Schlitten 11 längs den Schienen 12 bewegt wird. Eine Ausführungsform einer Schaltung hierfür ist in Fig. 6 dargestellt. Die piezoelektrischen Kristalle 61 und 63 geben je einen Spannungsimpulszug ab, der erzeugt wird, wenn die Kontaktknöpfe 60 und 62 die Papierrolle 20 berühren. Die Kristlale besitzen einen hohen Innenwiderstand bzw. eine hohe innere Impedanz, zur Übertragung der Signale über Schleifringe oder dergleichen ist jedoch eine Quelle mit niedrigem Außenwiderstand erforderlich. Aus diesem Grunde müssen innerhalb des Rades 58 Impedanzwandler 70 und 72 befestigtsein. Die Signale von den Impedanzwandlern 70 und 72 werden über die Schleifringe 73 und 75 zu Gleichstrom-Verstärkern 74 bzw. 76 geführt und in Integrierschaltungen eingespeist, die aus einer Diode D₁, einem Kondensator C₂ und einem Widerstand R₂ bestehen. Jeder Impuls lädt den Kondensator C₂ über die Diode D₁ auf, der Kondensator C₂ kann sich jedoch nicht über die Diode D₁ entladen, da diese in Sperrichtung geschaltet ist. Der Kondensator C₂ muß sich daher über den Widerstand R₂ entladen. Die Zeitkonstante C₂ R₂ ist so gewählt, daß durch das Abklingen des Signals zwischen den Impulsen der Spannungspegel so weit verringert wird, daß er sicher etwas unterhalb des Pegels des nächsten Impulses liegt. Dies ist zwar in gewissem Maße geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängig, die Drehzahl der Maschine, für die die Vorrichtung in erster Linie gedacht ist, wird jedoch verhältnismäßig konstant gehalten, so daß diese Drehzahlabhängigkeit keine ernste Schwierigkeit darstellt.

Das Ausgangssignal der beiden Integrierschaltungen ist eine der Höhe der Eingangsimpulse proportionale Gleichspannung. Zur Messung des Verhältnisses dieser Spannungen werden sie über Impedanz-Anpassungsschaltungen 80 bzw. 82 einem Analogteiler 78 zugeführt. Das Ausgangssignal des Analogteilers 78 ist eine dem Verhältnis der beiden Eingangssignale proportionale Gleichspannung, die ein geeignetes Signal für eine Meßstreifenaufzeichnung bildet. Dieses Ausgangssignal zeigt die Härte der Papierrolle 20 an.

Zur Korrektur von Durchmesseränderungen der Papierrolle 20 kann die Schaltung gegebenenfalls mit weiteren, nicht gezeigten Einrichtungen versehen werden. Wie das in Fig. 7 dargestellte Diagramm zeigt, besteht zwischen der mit dem Rad ermittelten Härte und der Schmidt-Härte eine zufriedenstellende Beziehung.

In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, einen der Kontaktknöpfe, insbesondere den großen Kontaktknopf 60 zur Messung der Gesamtspaltlast, wegzulassen. Dies kann geschehen, indem man, um das Rad 58 gegen die Papierrolle 20 zu halten, eine mit konstanter Last arbeitende Belastungseinrichtung vorsieht. Die Belastungseinrichtung bzw. Kolben-Zylinder-Einheit 52 wird hierbei so ausgelegt, daß sie eine im wesentlichen konstante Belastung auf das Rad 58 aufbringt, so daß die Gesamtbelastung stets gleichbleibt. Verwendet man dann die durch die Kolben-Zylinder-Einheit 52 aufgebrachte Belastung an Stelle der durch den größeren Kontaktknopf 60 gemessenen Balastung, so kann das Verhältnis der Gesamt-Spaltbelastung zur Spaltbelastung in der Mitte des Spaltes ermittelt werden. Das heißt, die Härte kann direkt aus der vom kleinen Kontaktknopf 62 gemessenen

Belastung ermittelt werden. Dieses letztere Verfahren wird jedoch nicht bevorzugt, und zwar wegen der durch die Rückprallneigung des Rades 58 bedingten Schwierigkeiten, wenn die Papierrolle 20 nicht vollständig rund ist. Ferner ist es wegen der Bewegung des Rades 58, wenn sich die Rolle 20 aufbaut, sowie durch die Bewegung quer zur Rolle 20 schwierig, einen gleichmäßigen Druck des Rades 58 gegen die Rolle zu erzielen. Ferner muß der Luftdruck verhältnismäßig genau eingehalten werden.

Die vorstehende Beschreibung befaßt sich zwar in erster Linie mit der Verwendung piczo-elektrischer Kristalle. Es können jedoch auch andere Einrichtungen zur Anzeige der Gesamtkraft verwendet werden wie beispielswise Dehnungsmeßstreifen und andere Energieumwandlungseinrichtungen.

Gewünschtenfalls kann das Ausgangssignal dei Vorrichtung zur Steuerung von Hilfseinrichtungen verwendet werden, beispielsweise zur Einstellung dei Spannung oder anderer Eigenschaften der in der Herstellung befindlichen Rolle 20 oder des Materials, das zur Rolle 20 gewickelt wird. Wird nur ein kleinei Kontaktknopf benötigt und ein gleichmäßiger Druck aufrechterhalten, so kann das Ausgangssignal vom kleinen Kontaktknopf selbst als Steuerimpulsquelle zur Steuerung der Hilfseinrichtung dienen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur fortlaufenden Messung der Härte einer Probe, mit einem auf der Oberfläche der Probe abrollenden Rad mit einem Umfang mit konvexem Querschnitt, das eine Fühleinrichtung zur Erfassung der Gesamt-Spaltbelastung zwischen Fühleinrichtung und Probe aufweist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) eine größere Einrichtung (Kontaktknopf 60) zur Betätigung eines ersten piezoelektrischen Meßumformers (Kristall 61) und eine kleinere Einrichtung (Kontaktknopf 62) zur Betätigung eines zweiten piezoelektrischen Meßumformers (Kristall 63) sind auf dem Umfang (64) des Rades (58) befestigt;

b) die piezoelektrischen Meßumformer (61, 63) sind mit Schaltungen (72, 76, 82, 70, 74, 80,78) verbunden, die das Verhältnis der von ihnen erzeugten Spannungen bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche der größeren Einrichtung (60) wenigstens zehnmal größer ist als die der kleineren Einrichtung.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe aus einer umlaufenden Rolle (20) besteht und daß Einrichtungen (28, 30, 24) zur seitlichen Bewegung der Fühleinrichtung (10) auf einem Schlitten (11) gegenüber der Rolle vorgesehen sind, so daß die Rollenhärte an axial zur Rolle in Abständen voneinander liegenden Stellen gemessen werden kann.