DE2059174A1 - Torsionsschwingungseinrichtung - Google Patents

Description

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Patentanmeldung

LONZA AG, Gampel/Wallis (Geschäftsleitung=Basel) Schweiz

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Die Erfindung betrifft eine Torsionsschwingungseinrichtung zur Kunststoffprüfung, mit einer ersten Einspannklemme zum Festhalten eines Endes eines Kunststoffprobekörpa-s und einer zweiten Einspannklemme für das andere Ende des Probekörpers, die starr mit einem Schwungkörper verbanden ist, der an einem Zugmittel hängt, das eine den eingespannten Probekörper gestreckt haltende Kraft ausübt, mit einer Temperierkammer für den eingespannten Probekörper und einer Vorrichtung zur Messung der Schwingungsdauer der Drehsehwingungen des durch den Probekörper und den Schwungkörper mit der zweiten Einspannklemme gebildeten Torsionspendels.

Einrichtungen dieser Art dienen zur Bestimmung des Schubmoduls des Kunststoffs. Das Torsionspendel wird zu

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Schwingungen angeregt. Aus der Schwingungsdauer, dem Trägheitsmoment des Schwungkörpers mit der zweiten Einspannklemme und den Abmessungen des zwischen den Einspannklemmen eingespannten Probekörpers wird der Schubmodul des Kunststoffs berechnet. Aus einer Anzahl bei verschiedenen Temperaturen vorgenommenen Messungen ergibt sich dann die Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls.

Bei höbsren Temperaturen erweicht der Kunststoff und der Probekörper verlängert sieh. Um dies möglichst zu vermeiden, hat man bei einer bekannten Schwingungseinrichtung, bei welcher eine den Schwungkörper bildende Schwungscheibe abweichend von Vorrichtungen der eingangs genannten Art an der Kunststoffprobe hängt (DIN 53 445, November 1965) eine Arretiervorrichtung vorgesehen, mit welcher der Probekörper während der Aufheizperioden (zwischen den Schwingungsversuchen) entlastet werden kann. Ausserdem hat man einen vertikalen Massstab neben der Schwungscheibe angeordnet, um Längenänderungen des Probekörpers messen zu können. Eine Entlastung des Probekörpers ist nicht unbedingt erwünscht, da auch das bei höherer Temperatur eintretende Fliessen des Kunststoffs von Interesse sein kann. ^%Die Messung mit dem Vertikalmassstab ist umständlich, da man zum Ablesen

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genau über die Oberfläche der Schwungscheibe visieren muss. Die Messung wird ungenau, wenn die Scheibe, ζ. B. infolge ungleichmässiger Dehnung des Probekörpers von der horizontalen Lage abweicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.

Dies wird erfindungsgemäss bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass das Zugmittel in Wirkungsverbindung mit einem Wandler zur Umwandlung von Längsbewegungen des Zugmittels in entsprechende Werte eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung steht, der den Messwertumformer einer Vorrichtung zur elektrischen Messung von Langenänderungen des Probekörpers bildet.

Diese Lösung der Aufgabe ermöglicht es dann auch, bei einer automatisch arbeitenden Einrichtung, die nach dem Einspannen des Probekörpers sämtliche Messvorgänge, nämlich Temperatursteuerung, Schwingungsanregung und Aufzeichnung der Schwingung bzw. der Schwingungsdauer oder des Schubmoduls (Zeitschrift "Kunststoffe", Band 57, 1967, Heft 4, Seite 259, bzw. Zeitschrift "Plastics and Polymers", vol. 37, 1969, Nr. 131, Seiten 469 bis 474) selbsttätig

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durchführt, auch die Dehnung der Kunststoffprobe in Funktion der Temperatur aufzuzeichnen, bzw. bei einer automatischen Berechnung des Schubmoduls zu berücksichtigen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Torsionsschwingungseinrichtung zur Kunststoffprüfung anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung näher beschrieben. In der einzigen Figur sind oben das Torsionspendel und die mit diesem zusammengebauten Vorrichtungen und darunter das Blockschaltbild der Einrichtung dargestellt.

Am oberen Ende der Säule 2 eines Stativs 1, 2 ist ein zweiarmiger Hebel 3, 4 um eine horizontale Achse 5 schwenkbar gelagert. Am freien Ende des einen Hebelarms 3 ist ein Schwungkörper 6 ... 10 an einem praktisch richtkraftfrei tordierbaren Faden 11 aufgehäbgt. Der Schwungkötper besteht aus einem in Stirnansicht dargestellten horizontalen Stab 6, der in gleichen Abständen von seiner Mitte je einen zylindrischen Körper 7 aus magnetisch leitfähigem Material trägt.

In der Mitte des Stabes 6 ist an dessen Unterseite eine Einspannklemme 8 für das obere Ende eines streifenförmigen (in der Zeichnung Im Längsschnitt dargestellten) Kunststoffprobekörper 12 angebracht. Eine Einspönnklemme

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für das untere Ende des Probekörpers 12 ist fest mit der Grundplatte 1 des Stativs verbunden.

Vor einem der Körper 7 ist ein am Stativ 1, 2 (in nicht dargestellter Weise) befestigter Elektromagnet 14 angeordnet, der von einem Impulsgeber 15 mit einstellbarem Impulsabstand von z. B. 0,5 bis 15 Minuten kurzzeitig erregt wird, um bei jedem elektrischen Impuls einen Drehimpis auf das durch den Schwungkörper 6 ... 10 und den Probekörper 1.2 gebildete Torsionspendel auszuüben und dasselbe dadurch periodisch zu gedämpften Schwingungen anzuregen..

In der Mitte des Stabes 6 ist eine sich nach oben erstreckende Jäüchse 9 befestigt, die mit seitlichem Spiel frei durch eine Bohrung einer Traverse 16 des Stativs 1, 2 hindurchgeht und an deren oberen Ende der Faden 11 befestigt ist. Die Achse 9 trägt einen Spiegel 10»

Mit 17 ist. eine Lichtquelle bezeichnet,, deren lichtstrahl auf den Sp±eg'ei 10 gerichtet ist. In der Ruhestellung des SpiegeiLs, &.. iu bei nicht tordiertem Probekörper 12, trifft der] vom Spiegel. IQ reflektierte Lichtstrahl auf ein lichtelektrisches Organ 18, das an einen Frequenzmesser 19 angeschlos"s.ert ist, der: auf jeden zweiten Lint stromimpuls

anspricht. Die der Frequenz entsprechende Ausgangsgrösse des Frequenzmessers 19 ist an einen Eingang 20 eines Analogrechners 21 geführt, der Einstellvorrichtungen 22, 23, für die Abmessungen des Probekörpers hat und aus diesen Abmessungen, der Frequenz und vorbestimmter Konstanten den Schubmodul des Kunststoffs des Probekörpers 12 Iserechnet. Die den Schubmodul (G) darstellende Ansgangsgrösse des Analogrechners ist einem Eingang 25 eines Koordinatenschreibers 26 zugeführt.

Am freien Ende des anderen Hebelarms 4 ist ein Gegengewicht 27 aufgehängt, das etwas schwerer als zum Kompensieren der Schwerkraft des Schwungkörpers 6 ... 10 erforderlich ist, um sicherzustellen, dass die obere Einspannklemme 8 Längenänderungen des Probekörpers 12 zuverlässig folgt. Ausserdem ist am Hebelarm 4 ein Graukeil 28 befestigt, der zwischen einer Lichtquelle 29 und einem lichtelektrisohen Organ 30 angeordnet ist. Wenn die Länge des Probekörpers 12 ändert, führt der zweiarmige Hebel 3, 4 eine entsprechende Bewegung aus, wodurch der Graukeil 28 die Beleuchtung des lichtelektrischen Organs 30 verändert, so dass dessen Photostromänderung ein Mass der Längenänderung des Probekörpers 12 ist. Der Photostrom des lichtelektrischen Organs 30 ist einer Schaltung 31 zugeführt, die einen

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der Längenänderung proportionalen Strom an einen Schreiber 32 für die Längenänderung und an einen Eingang 33 des Analogrechners 21 abgibt. Der Analogrechner addiert die Längenänderung zu der an ihm eingestellten Länge des Probekörprs, berechnet aus der eingestellten Länge und Dicke und der Längenänderung die zugehörige Dickenänderung und addiert diese zur eingestellten Dicke, um den Schubmodul aus der jeweiligen Länge und Dicke sowie den übrigen Daten zu berechnen. Selbstverständlich kann auch die Aenderung der Breite des Probekörpers ebenso wie diejenige der Dicke berücksichtigt werden. An Stelle des Graukeils 28 können zwei Blenden, z. B. mit parallelen Schlitzen, verwendet werden, von denen eine mit dem Hebelarm 4 verbunden und die andere feststehend ist.

An Stelle der Vorrichtung 28, 29, 30 kann auch ein anderer Wandler zur Umwandlung der bei einer Längenänderung des Probekörpers 12 auftretenden Längsbewegung des Fadens 11 in eine entsprechende elektrische Grosse verwendet werden· Z. B. kann der Faden über eine drehbar gelagerte Rolle laufen die mit dem Schleifkontakt eines Potentiometers verbunden ist. Dieses und ein zweites von Hand einstellbares Potentiometer liegen parallel an einer Stromquelle. Zwischen den Schleifkontakten beider Potentiometer tritt dann eine

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der Längenänderung des Probekörpers entsprechende Spannung auf, wenn das zweite Potentiometer vor der Messung so eingestellt wurde, dass die Spannung zwischen den beiden Schleifkontakten Null war.

Zwischen den beiden Einspannklemmen 8 und 13 erstreckt sich eine Temperierkammer 34 mit einem doppelwandigen Mantel 35, dessen Hohlraum mit einer Zuleitung 36 und einer Ableitung 37 für eine 1/Tärmeträgerflüssigkeit "ve*sehen ist, die mittels eines regelbaren Thermostates 38 auf einer wählbaren, konstanten oder durch eine Programmsteuervorrichtung 39 nach einem wählbaren Programm (z. B. mit einer stündlichen Temperatüränderung im Bereich von 3 bis 18O⁰C), gesteuerten Temperatur gehalten wird. In die Kammer 34 führt eine Zuleitung 4 0 für ein inertes Gas. Der Mantel 35 hat eine radiale Bohrung für einen zur Messung der Temperatur (T) in der Kammer dienenden elektrischen Temperaturfühler 41, der an den anderen Eingang 4 2 des Koordinatenschreibers 26 angeschlossen ist.

Die Einspannklemmen 8 und 13 können abweichend von der schematisch dargestellten Anordnung in die Kammer 34 hineinragen oder ganz in dieser untergebracht sein. Sie schliessen die Kammer 34 möglichst gasdicht ab, wobei jedoch

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die obere Einspannklemme 8 frei drehbar und axial verschiebbar ist.

Der Mantel 35 der Kammer 34 hat zwei einander diametral gegenüberliegende Fenster 43, 44 für eine lichtelektrische Einrichtung 45, 46, 47 zur Messung der Transparenz des Probekörpers 12. Diese Einrichtung hat eine Lichtquelle 45, deren Lichtbündel durch das Fenster 44 in die Kammer 34 eintritt, nach einer der Transparenz des Probekörpers 12 entsprechenden Schwächung durch das andere Fenster 43 aus der Kammer austritt und auf ein üüitelektrisches Organ 46 fällt, dessen Photostrom ein Mass der Transparenz des Kunststoffprobekörpers 12 ist. Das lichtelektrische Organ 46 ist an eine Schaltung 47 angeschlossen, die einen der Transparenz entsprechenden Strom an einen Schreiber 48 liefert, der die Transparenz fortlaufend registriert.

Die optischen Elemente (z. B. Linsen und Blenden) der lichtelektrischen Vorrichtungen 10, 17, 18 und 28, 29, 30 sowie 45, 46 sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Die lichtelektrischen Organe 18, 30 und 46 können lichtelektrische Zellen oder Photowiderstände sein.

Mit der beschriebenen Einrichtung kann die bei Torsions schwingungs versuchen auftretende Dehnung des Kunststoff probekörpers vollautomatisch gemessen, registriert und

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ausgewertet werden. Es ist lediglieh erforderlich, den Kunststoffprobekörper in die Einspannklemmen einzuspannen, die Abmessungen des Probekörpers am Analogrechner einzustellen und das Temperaturprogramm zu wählen. Dann schreibt der Koordinatenschreiber das Diagramm des unter Berücksichtigung der Dehnung des Probekörpers ermittelten Schubmoduls in Funktion der Temperatur, und gleichzeitig registrieren die beiden anderen Schreiber die Längenänderung und die Transparenz des Probekörpers während des Temperaturprogramms. Wenn die Temperatur konstant gehalten wird, kann die Stabilität des Kunststoffs bei der betreffenden Temperatur geprüft werden.

Ber Schwungkörper kann so ausgeführt sein, dass sein Massenträgheitsmoment veränderbar ist. In diesem Falle ist der Analogrechner mit einer zusätzlichen Einstellvorrichtung auszurüsten, an der das jeweilige Massenträgheitsmoment einzustellen ist.

An Stelle der Frequenz der Torsionsschwingung kann auch die zu dieser reziproke Schwingungsdauer gemessen und eine entsprechende elektrische Grosse dem Analogrechner zugeführt werden.

Um die Transparenz des Probekörpers 12 nicht nur,

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wie in der Fig. gezeigt, an einem Teil desselben, sondern über die gesamte Fläche integriert zu messen, kann das lichtelektrische Organ 46, dessen lichtempfindliche Fläche in der Regel kleiner als der Probekörper ist, durch einen Lichtleiter mit dem (in diesem Falle grösseren) Fenster 43 verbunden sein, wobei die Glasfaserenden des Lichtleiters am lichtelektrischen Organ gebündelt und am zugeordneten Fenster gleichmässig über dessen Oeffnung verteilt sind. Ein entsprechend angeordneter Lichtleiter kann auch zwischen der Lichtquelle 45 und dem (in diesem Falle grösseren) Fenster 44 angeordnet werden. Die Verwendung eines Lichtleiters ist auch im Falle kleiner Fenster, deren Oeffnung leicht gleichmässig ausgeleuchtet bzw. von einem lichtelektrischen Organ erfasst werden kann, zweckmassig sein, um insbesondere das Letztere in einem grösseren Abstand von der Temperierkammer anzuordnen und dadurch Wärmeeinflüssen derselben zu entziehen.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. TorsionsSchwingungseinrichtung zur Kunststoffprüfung, mit einer ersten Einspannklemme zum Festhalten eines Endes eines Kunststoffprobekörpers und einer zweiten Einspannklemme für das andere Ende des Probekörpers, die starr mit einem Schwungkörper verbunden ist, der an einem Zugmittel hängt, das eine den eingespannten Probekörper gestreckt haltende Kraft ausübt, mit einer Temperierkammer für den eingespannten Probekörper und einer Vorrichtung zur Messung der Schwingungs&uer der Drehschwingungen des durch den Probekörper und den Schwungkörper mit der zweiten Einspannklemme gebildeten Torsionspendels, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel in Wirkungsverbindung mit einem Wandler zur Umwandlung von Längsbewegungen des Zugmittels in entsprechende Werte eines elektrischen Stromes oder einer elektrischen Spannung steht, der den Messwertumformer einer Vorri chtung zur elektrischen Messung von Längenänderungen des Prcteürpers bildet.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einem elektronischen Rechner zur Bestimmung des Schubmoduls des Kunststoffs des Probekörpers aus der Schwingungsdauer des Torsionspendels

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   dem Trägheitsmoment der schwingenden Masse desselben und den Abmessungen des Probekörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner ein Addierwerk mit einem mit dem Wandler verbundenen Eingang enthält, das die Längenänderung des Probekörpers zur am Rechner eingestellten Lägen-abmessung des Prdtekörpers addiert.

   3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner eine Vorrichtung zur Berechnung der der Längenänderung entsprechenden Dickenänderung des Probekörpers und ein weiteres Addierwerk zur Addition dieser Dickenänderung zur^am Rechner eingestellten Dickenabmessung des Probekörpers enthält.

   4. Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche

   1 bis 3, mit selbsttätiger Schwingungsanregung und mit Programmsteuerung für die Temperatur in der Temperierkammer, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur zeitabhängigen, gleichzeitigen Registrierung der Temperatur in der Temperierkammer und der Dehnung der KunstStoffprobe sowie der Pendelschwingungsdauer und/oder des Eohubmoduls des Kunststoffs der Probe.

   PAe Dr.Andirejewskl, Dr.Honke

   K/ih - 3856

   20. November 1970

   ⁴H

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