DE2109131C3

DE2109131C3 - Torsionsschwingungseinrichtung

Info

Publication number: DE2109131C3
Application number: DE19712109131
Authority: DE
Inventors: Beat Bern Hoechli; Kurt Dr. Freiburg Moser
Original assignee: Lonza AG
Current assignee: Lonza AG
Priority date: 1971-01-25
Filing date: 1971-02-26
Publication date: 1980-02-14
Also published as: CH525485A; GB1350961A; DE2109131B2; DE2109131A1; CA947531A; BE767733A; NL7103112A; JPS5316712B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Torsionsschwingungseinrichtung zur Kunststoffprüfung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der Torsion einer rotierenden und durch w> Übertragung eines Drehmoments tordierten Welle ist es bekannt (FR-PS 7 87 544), auf der Welle zwei axial distanzierte, gleiche Scheiben fest anzubringen, deren jede einen Kranz Löcher hat. Bei Torsion der Welle verdrehen sich die Lochkränze in Bezug aufeinander ' und lassen eine zur Wellenachse parallele Lichtstrahlung in Abhängigkeit von der Größe der Torsion mehr oder weniger durch, und zwar unabhängig von der Rotation der Welle und dem Drehsinn der Torsion. Dazu überdecken sich die Löcher der beiden Lochkränze, wenn die Welle nicht tordiert ist, zur Hafte.

Sei einer ähnlichen, bekannten Anordnung zur Messung der Torsion oder der Torsionsschwingungen einer rotierenden und durch Übertragung eines Drehmoments tordierten Welle (GB-PS 6 34117) werden dieselben Scheiben und dieselbe optische Anordnung wie eben erwähnt verwendet Jedoch sitzt nur eine der Scheiben fest auf der Welle, die andere ist drehbar auf der Welle gelagert, so daß sie zwar von der Rotation, nicht aber von den Torsionsschwingungen mitgenommen wird. Wenn keine Torsion auftritt, fluchten die Löcher der einen Scheibe mit denen der anderen.

Zur Messung mechanischer Schwingungen ist es auch bekannt (US-PS 23 43 063), eine ortsfeste Lochblende und eine schwingende Lochblende zwischen einer Lichtquelle und einer Fotozelle so anzuordnen, daß in der Ruhelage (Nulldurchgang der Schwingung) kein Licht zur Fotozelle gelangt.

Ein bekannter Wechselstromerzeuger bzw. Impulserzeuger (US-PS 18 80 105) hat eine von einem Motor angetriebene, mit radialen Schlitzen versehene Scheibe, die einen Lichtstrahl periodisch durchläßi. der auf eine die elektrischen Impulse liefernde Fotozelle fällt. Koaxial zu dieser Scheibe ist eine im Betrieb feststehende, zur stufenweisen Änderung der Frequenz drehbare Scheibe angeordnet, die mehrere Gruppen Schlitze hat. Jede Gruppe hat eine andere Anzahl Schlitze, die in einem dem Winkelabstand der Schlitze der ersten Scheibe enisprechenden Bereiche angeordnet sind, der dem Querschnitt des Lichtstrahles entspricht.

Torsionsschwingungseinrichtungen der Art, von welcher die Erfindung ausgeht, dienen zur Bestimmung des Schubmoduls des Kunststoffs, indem die Schwingungsdauer des Torsionspendels gemessen und aus dieser Schwingungsdauer, dem Trägheitsmoment des Schwungkörpers mit der zweiten Einspannklemme und aus den Abmessungen des Kunststoffprobekörpers der Schubmodul berechnet wird. Während der Messung wird die Kunststoffprobe in der Temperierkammer auf einer bestimmten Temperatur gehalten. Die Messung wird bei verschiedenen Temperaturen ausgeführt, da die Temperaturabhängigkeit des Schubmoduls von Interesse ist.

Bei einer bekannten Torsionsschwingungseinrichtung dieser ArI(BHt. J. App. Phys., 1968, Ser. 2, Vol. 1,S. 1737 bis 1742) trägt der Schwungkörper einen Spiegel, welcher den Lichtstrahl der Lichtquelle auf einer Fotozelle reflektiert, wenn das Pendel in Ruhelage ist. Bei einer anderen bekannten Torsionsschwingungseinrichtung dieser Art (Plastics and Polymers 37, 1969, Nr. 131, S. 469 bis 474) ist das Licht der Lichtquelle direkt auf eine Fotozelle gerichtet. Dabei wird als Schwungkörper ein Stab verwendet, der um seine Mittelsenkrechte schwingt und an beiden Enden Gewichte trägt. In der Ruhelage des Pendels befindet sich dieser Stab zwischen der Lichtquelle und der Fotozelle, so daß er diese verdunkelt.

Bei diesen bekannten Torsionsschwingungseinrichtungen wird jedesmal dann, wenn das Pendel durch seine Ruhelage geht, ein kurzer (positiver bzw. negativer) Impuls erzeugt, indem die Fotozelle kurzzeitig beleuchtet oder die Beleuchtung der Fotozelle kurzzeitig unterbrochen wird. Die Prndelfrequenz ist die Hälfte der beispielsweise mit einem elektronischen

Frequenzmesser gemessenen Impulsfrequenz. Die Schwingungsdauer entspricht dem doppelten zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgender NuIIi iurchgänge.

Diese bekannten Torsionsschwingungseinrichtungen führen zu fehlerhaften Frequenzmessungen, wenn der Kunststoffprobekörper sich während der Schwingungsversuche infolge elastischer Ermüdung allmählich (unelastisch) verwindet, was insbesondere bei über einen größeren Temperaturbereich durchgeführten Messungen regelmäßig vorkommt Wenn diese Verwindung die Größe der Schwingungsamplitude des Pendels erreicht, werden mit diesen bekannten Torsionsschwingungseinrichtungen überhaupt keine Impulse mehr erhalten, weil die Fotozelle dann überhaupt nicht bzw. ununterbrochen konstant beleuchtet ist. Eine Messung der Dämpfung des Torsionspendels, die ein Maß der für die Beurteilung von Kunststoffen wichtigen inneren Reibung ist, ist mit diesen bekannten Torsionssihwingungseinrichtungen nicht möglich; denn dazu müssen zwei aufeinander folgende Schwingungsamplituden gemessen werden. Die mit diesen Einrichtungen erzeugten Impulse sind aber völlig unabhängig von den Schwingungsamplituden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluß der allmählichen Verwindung des Kunststoffprobekörpers auf die Frequenzmeßergebnisse auszuschließen und außerdem Dämpfungsmessungen zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen dieser Lösung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Der Meßwert, den die erfindungsgemäße Torsionsschwingungseinrichtung liefert, ist ein Wechselstrom, der einen Gleichstrom überlagert und von diesem leicht zu trennen ist, und der bei geeigneter Form der Blenden der Torsionsschwingung entspricht. Dies ermöglicht es, den Meßwert iur Bestimmung der Dämpfung des Kunststoffs zu verwenden, beispielsweise indem er mit einem Oszillographen aufgezeichnet wird. Nullpunktverschiebungen haben keinen Einfluß auf den Wechselstrom, solange die Schwingungen den Bereich beider Blenden nicht überschreiten. Die Blenden können so ausgeführt werden, daß dieser Bereich für die praktisch vorkommenden Nullpunktsverschiebungen ausreicht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenitandes schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Aufriß der Torsionsschwingungseinrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie H-II in Fig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie ΙΠ-ΙΙΙ in F i g. 1, in größerem Maßstab.

Nach Fig. 1 und 2 ist auf einer Grundplatte 1 eine erste Einspannklemme 2 für das nicht an den Schwingungen teilnehmende Ende einer Kunststoffprobe 3 fest angebracht. Auf der Grundplatte steht eine Säule 4, die oben zwei Umlenkrollen 5 una 6 für einen praktisch richtkraftfrei tordierbaren Draht 7 trägt. An einem Ende des Drahtes 7 ist eine Schwungscheibe 8 aufgehängt, die fest mit einer zweiten Einspannklemme 9 für das andere Ende der Kunststoffprobe 3 verbunden ist. Am anderen Ende des Drahtes 7 hängt ein Gegengewicht 10, das nur wenig schwerer ist als das Gesamtgewicht der Schwungscheibe 8 und der zweiten Einspannklemme 9. Eine strichpunktiert angedeutete Temperierkammer 11 umschließt die eingespannte Kunststoffprobe 3 und ist mit nicht dargestellten Heizmitteln ausgerüstet Die Schwungscheibe 8 trägt zwei WeicheisenstücKe 12 und 13, denen je ein feststehendes Solenoid 14 bzw. 15 zugeordnet ist, durch deren periodische Erregung Schwingungen des Torsionspendels 3,8,9 erzeugt werden können.

An einem Arm 16 der Säule 4 ist eine Hülse 17 befestigt, durch die der Draht 7 frei hindurchgeht. Die Hülse 17 ist an ihrem oberen Ende mit einem radialen Gewindeloch versehen, das eine Klemmschraube 18

ίο aufnimmt, mittels welcher der Draht 7 in der Hülse 17 festgeklemmt werden kann, um die Höhenlage der Schwungscheibe 8 mit der Einspannklemme 9 beim Auswechseln des Kunststoffprobekörpers 3 zu fixieren. Der Arm 16 trägt ein Gehäuse 19 mit einem Schlitz 20, in den die Schwungscheibe 8 hineinragt Im Gehäuse 19 ist unter dem Schlitz 20 eine Lumineszenzdiode 21 und über dem Schlitz 20 eine Fotodiode 22 mit einer Blende 23 angeordnet Sowohl die Leuchtfläche der Lumineszenzdiode 21 als auch die lichtempfindliche Fläche der

Fotodiode 22 entspricht mindestens der Öffnung der Blende 23. Die Schwungscheibe 8 ist mit einer öffnung, die eine Blende 24 bildet, versehen, vgl. Fig. 3. Die öffnung der Blende 24 ist durch zwei kreisbogenförmige, zur Torsionspendelachse 25 konzentrische Randteile

:■·. 26, 27 und zwei zu dieser Achse 25 radiale Randteile 28, 29 begrenzt Die öffnung der Blende 23 ist derjenigen der Blende 24 kongruent, ihre den Randteilen 26, 27, 28, 29 entsprechenden Randteile sind mit 30, 31, 32, 33 bezeichnet. In Ruhelage des Pendels haben die Blenden

in 23 und 24 die in F i g. 3 dargestellte gegenseitige Lage, in welcher eine Hälfte einer Blende über der anderen Hälfte der anderen Blende liegt. Dabei ist die Fotodiode 22 zur Hälfte beleuchtet. Dieser Beleuchtung entspricht ein Gleichstrom im Stromkreis der Fotodiode. Wenn

Γ) das Pendel schwingt, tritt ein diesem Gleichstrom überlagerter Wechselstrom auf, dessen Frequenz derjenigen der Pendelschwingung entspricht und dessen Kurvenform sowie Amplitude der Pendelschwingung unter der Voraussetzung entspricht, daß der Randteil 28

4(i der Blende 24 den Bereich zwischen den Randteilen 32 und 33 der Blende 23 nicht überschreitet. Um diese Voraussetzung auch dann zu erfüllen, wenn der Kunststoffprobekörper sich infolge elastischer Ermüdung während der Schwingungsversuche insbesondere

■ti bei höherer Temperatur verwindet, ist der von den radialen Randteilen 28 und 29 der Blendenöffnung 24 eingeschlossene Winkel und der ebenso große, von den Randteilen 32 und 33 der Blende 23 eingeschlossene Winkel nicht kleiner als die Summe aus dieser

so Verwindung und der größten Schwingungsamplitude.

Die ortsfeste Blende 23 kann statt vor der Fotodiode 22 auch vor der Lumineszenzdiode 21 angeordnet sein.

Nur eine der beiden Blenden braucht allseitig begrenzt zu sein. Diese Begrenzung kann zum Beispiel

v> ein Rahmen sein, der die lichtempfindliche Fläche der Fotodiode oder die Leuchtfläche der Lumineszenzdiode umschließt. Die andere Blende kann ein Blendenflügel mit einer zur Schwingungsachse des Pendels radialen Randteil sein, der sich in der Ausgangslage des Pendels

hi) über der Mitte der Blendenöffnung befindet.

Die Fotodiode ist zweckmäßig mit einem Transistor zu einem Fototransistor vereinigt.

SHbstverständlich kann an Stelle der Lumineszenzdiode eine Glühlampe und/oder an Stelle der Fotodiode

b> ein lichtelektrisches Organ mit kleinerer lichtempfindlicher Fläche verwendet werden, jedoch sind dann optische Mittel (Sammellinsen, Hohlspiegel) erforderlich, in bezug auf welche die Glühlampe bzw. das

lichtelektrische Organ justiert werden muß, um die öffnung der Blende gleichmäßig auszuleuchten bzw. das Lichtbündel, dessen Querschnitt der Blendenöffnung entspricht, vollständig zu erfassen. Die Lumineszenzdiode hat gegenüber einer Glühlampe außerdem folgende Vorteile: wesentliche längere Lebensdauer ohne Nachlassen der Leuchtwirkung, geringeren Stromverbrai einfachere Montage, praktisch keine Erwärmt günstigere spektrale Verteilung des Lichtes,
derjenigen einer Fotodiode besser angepaßt ist und einem vernachlässigbaren Tageslichteinfluß führt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Torsionsschwingungseinrichtung zur Kunststoffprüfung, mit einer ersten Einspannklemme zum Festhalten eines Endes eines Kunststoffprobekör- "> pers, einer starr mit einem Schwungkörper verbundenen zweiten Einspannklemme für das andere Ende des Kunststoffprobekörpers, einer Temperierkammer für den eingespannten Kunststoffprobekörper, einer Vorrichtung zur Anregung von Torsions- ι ο Schwingungen des aus dem Kunststoffprobekörper und dem Schwungkörper mit der zweiten Einspannklemme bestehenden Torsionspendels und einem zur Messung der Schwingungsdauer oder Frequenz der Pendelschwingungen dienenden Meßwertgeber mit einem von einer ortsfesten Lichtquelle beleuchteten, ortsfesten lichteleKtrischen Organ und mit einem zusammen mit dem Pendel schwingenden, die Beleuchtung des lichtelektrischen Organs in Abhängigkeit von der Pendelstellung abblendenden Teil, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Schwungkörper (8) mit einer ersten Blende (24) versehen ist, der eine zweite ortsfeste, vor dem lichtelektrischen Organ (22) oder der Lichtquelle (21) angeordnete Blende 2^r> (23) zugeordnet ist,

b) daß wenigstens eine der Blenden durch eine Öffnung (24) mit zwei kreisbogenförmigen, zur Schwingungsachse (25) des Schwungkörpers (8) konzentrischen Randteilen (26, 27) und zwei zu «» dieser Achse (25) radialen Randteilen (28, 29) gebildet, die andere Blende (23) ebenso gebildet ist oder nur einen zur Schwingungsachse (25) radialen Blendenrand hat,

c) daß das lichtelektrische Organ (22) bei undefor- '"> miertem Probekörper (3) zur Hälfte beleuchtet ist, und der von den radialen, den Lichtdurchlaß bei undeformiertem Probekörper (3) begrenzenden Blendenrändern (29, 33) eingeschlossene Winkel mindestens der Summe aus der größten Schwingungsamplitude und der größten Ermüdungsverwindung des Kunststoffprobekörpers (3) entspricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende durch eine Öffnung *"> (24) am Rande des Schwungkörpers (8) gebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (21) eine Lumineszenzdiode (22) ist, und daß die Leuchtfläche derselben sowie die lichtempfindliche Fläche des ■> <> lichtelektrischen Organs (22) mindestens der Öffnung der ersten Blende (23) entsprechen.