DE2151672C3 - Gerät zur Messung von Bodeneigenschaften - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Messung der Verformbarkeit und Elastizität von Böden, insbesondere von Sportplätzen, und besteht aus einer Führungssäule, die mit einer Aufstandsfläche verbunden ist, mittels der eine Kraft auf den Boden übertragbar ist, und einer Fallmasse an der Führungssäule, die über die Aufstandsfläche auf den Boden einwirkt, sowie Dämpfungseinrichtungen und Einrichtungen zur Messung der Verformung des Bodens unter der Einwirkung der durch die Fallmasse erzeugten Kraft.

Es ist bereits ein Gerät mit der Bezeichnung Fallmasse-Gerät oder Kugeldeflektometer bekannt. Dieses Gerät besteht im wesentlichen aus einer Führungssäule, mit der eine Aufstandfläche fest verbunden ist, welche wiederum mit einem System von Kraftmessern in Verbindung steht, und auf der eine Masse geführt wird, die man in freiem FaIi aus einer variablen Höhe fallen lassen kann, um über die Aufstandsfläche auf den Boden eine Kraft auszuüben. Ein selbstdämpfendes System, das an der Aufstar.dsfläche angebracht ist, nimmt die Krafteinwirkung der Fallmasse auf und gestattet es, einen bestimmten Wert

■ο der Anwendungszeit der Krafteinwirkung auf den Boden zuzuordnen. Außerdem sind mechanische Mittel vorgesehen, um die Bodenverformung unter dem Gerät sowie die vom Boden zurückgegebene Energie zu messen, und zwar durch Messen des Hochschnellens der Masse. Dieses Gerät wurde hauptsächlich gebaut, um bei einer Fahrbahn oder Fahrbahnschicht den Einfluß eines Lastwagenrades zu messen, das mit einer bestimmten Geschwindigkeit abrollt.

Im Hinblick auf -diesen Verwendungszweck ist eine relativ hohe Fallmasse von z. B. 170 kg notwendig und die Fortbewegung des Gerätes und sein praktischer Einsatz erfordern eine Beförderungsmaschine, wie beispielsweise einen Lastwagen oder einen Traktor, der zusätzlich einen Kran mit Hebelwinde für die Masse aufweisen sollte.

Ein Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile des bekannten Gerätes zu beseitigen und entsprechende Verbesserungen vorzusehen.

Die Forschungen, die zur Erfindung geführt haben, zeigten, daß es insbesondere bei der Bestimmung der Bodenbeschaffenheit von Sportplätzen, Leichtathletikbahnen, Pferderennbahnen und entsprechenden Flächen günstig ist, die Bodenelastizität durch die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der der Boden nach einer Verformung in seine Ausgangs- oder Gleichgewichtslage zurückkehrt, d. h. durch die Geschwindigkeit, mit der der Boden die Energie zurückgibt, die ihm zugeführt wurde, da diese Geschwindigkeit in der Tat eine Meßgröße für den Impuls darstellt, der vom Boden beispielsweise einem laufenden Sportler übermittelt wird.

Ein weilerer Erfindungszweck ist die Schaffung eines insbesondere für Messungen dieser Art geeigneten Gerätes, wenn auch dieser Verwendungszweck nicht ausschließlich ist, wobei auch der Einsatz an mehr oder weniger verformbaren bzw. festen Sportplätzen erfolgen kann.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, Nachteile und Ungenauigkeiten zu beseitigen, die notwendigerweise mit der Verwendung von mechanischen Mitteln der Art, wie sie bei dem bekannten Gerät bei der Vornahme der Messung auftreten, wobei es des weiteren ermöglicht werden soll, ein Gerät zu schaffen, das elektronische Bauteile aufweist, die die Meßergebnisse in einer sofort auswertbaren Form liefern.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem Gerät zur Messung der Verformbarkeit und Elastizität von Böden, insbesondere von Sportplätzen, bestehend aus einer Führungssäule, die mit einer Aufstandsfläche verbunden ist, mittels der eine Kraft auf den Boden übertragbar ist, und einer Fallmasse an der Führungssäule, die über die Aufstandsfläche auf den Boden einwirkt, sowie Dämpfeinrichtungen und Einrichtungen zur Messung der Verformung des Bodens unter der Einwirkung der durch

(><; die Fallmasse erzeugten Kraft erreicht durch die Kombination folgender Merkmale:
a) Ein auf dem Boden abgestütztes Referenzorgan wird als ortsfester Bezugspunkt verwendet;

b) zur Umformung der mechanischen Verschiebung in eine elektrische Größe zwischen dem Referenzorgan und der Aufstandsfläche des Gerätes dient ein Meßumformer;

c) zwischen Meßumformer und Anzeigevorrichtung ist ein Verbindungskabel geschaltet;

d) als Stützeinrichtung ist ein Traggestell in fester Ausführung auf dem Boden in einer gewissen Entfernung von der MeßsteUe vorgesehen, das mindestens ein Ausgleichsorgan zwischen der Stützeinrichtung und der Führungssäule, die mit der Aufstandsfläche verbunden ist, aufweist, damit in der Ruhelage von der Aufstandsfläche ein statischer Beanspruchungswert in geringer Stärke bzw. überhaupt keine Kraft auf den Boden ausgeübt wird.

Außerdem ist es angebracht, dem Meßgerät eine Ableiteinrichtung für das in dem Meßumformer erzeugte Signal, sowie Organe zur UmwarJlung dieses abgeleiteten Signals in eine Messung der Rückkehr des Bodens in seine Gleichgewichtslage bzw. zur Anzeige dieser Geschwindigkeit zuzuordnen. Dies kann in der Weise vorgenommen werden, daß ein Schaltkreis zur Maximalwertbestimmung vorgesehen wird, um eine Angabe der Maximalverformung des Bodens und/oder des Maximalwertes seiner Rücklaufgeschwindigkeit in die Gleichgewichtslage zu liefern.

Ferner ist es angebracht, eine elektrische Stromquelle mit der Anzeigeeinheit sowie mit dem Meßumformer zu verbinden.

Die Befestigungseinrichtung für die Fallmasse in angehobener Lage können des weiteren Fernsteuerorgane aufweisen, um das Fallen der Fallmasse auszulösen.

Die Fallmasse kann von Hand angehoben werden, es ist aber auch möglich, Anhebeeinrichtungen mechanischer, elektrischer, pneumatischer oder hydraulischer Art dafür vorzusehen.

Es versteht sich, daß ein erfindungsgemäßer Gerätetyp in sehr vei schiedenen Abmessungen hergestellt werden kann, je nachdem, welcher Boden zu vermessen ist und welche dynamischen Beanspruchungen auf diesen Boden einwirken bzw. vom Gerät reproduziert werden sollen.

Das ausgebildete Gerät kann insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, zur Messung der Verformbarkeit und der Elastizität von Sportplatzböden verwendet werden, und dieses Gerät gestattet vor allem die Reproduktion der auf den Boden ausgeübten Krafteinwirkung des Fußes eines menschlichen Wesens oder eines Tieres, wobei die Verformung des Bodens unter _s0 dieser Krafteinwirkung und die Rückgabegeschwindigkeit der Energie durch den Boden gemessen werden kann; daraus ist der Impuls abzuleiten, der den Fuß des Läufers oder des Tieres durch den Boden verliehen wird.

Die mit Hilfe des Gerätes durchgeführten Messungen ermöglichen, insbesondere durch Hinzufügen eines geeigneten Aufzeichnungsgerätes, vollständige Aufzeichnung der Verformung des Bodens unter der Krafteinwirkung, wobei gezeigt wird, daß das Maximum (,0 der Rückgabegeschwindigkeit der Energie zum Zeitpunkt des Auswerfens der Masse durch den Boden oder zum Zeitpunkt des Abhebens des Fußes des Läufers oder des Tieres erfolgt.

• Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Gerätes (15 ermöglicht auch die Kennzeichnung durch Auswertung der erhaltenen Meßergebnisse einer Bodenform im Vergleich zu anderen. Die Vergleichsergebnisse können dann z. B. dazu verwendet werden, um die Anerkennung von sportlichen Leistungen in Abhängigkeit von Bodenqualitäten zu bestimmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Erläuterungen in der nachstehenden Beschreibung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Hierin zeigt

F i g. 1 eine Auf rißzeichnung des Gerätes,

Fig.2 eine Blockdiagrammdarstellung der Elektronikmeßeinheit und

F i g. 3 eine Grafik mit der Darstellung des vollständigen Phänomens der Bodenverformung und der Rückkehr in die Ausgleichslage, wobei die Verformung (in '/100 mm) auf der Ordinate und die Zeit (in Millisekunden) auf der Abszisse dargestellt ist

Das in F i g. 1 dargestellte Gerät weist eine Führungssäule 1 auf, die in vertikaler Lage durch ein Stativ 2 gehalten wird, dessen Füße 3 jeweils mit Hilfe einer Schnellverschluß-Schelle 4 einzeln in der Höhe regulierbar sind. Die Führungssäule 1 ist hierbei mit einer beispielsweise kreisförmigen Aufstandsfläche 5 fest verbunden, die dazu dient, auf den Boden die Kraft zu übertragen, die sie aufnimmt Diese Kräfte werden in an sich bekannter Weise durch das Herabfallen einer Masse 6 auf eine Platte 7 erzeugt die in bezug auf die Führungssäule 1 beweglich ist und auf Stoßdämpfern 8 ruht die zwischen der genannten Platte 7 und der Aufstandsfläche S angeordnet sind.

Eine entsprechende Wahl der Härte der Stoßdämpfer 8, ihres Dämpfungskoeffizienten, des Gewichts der Masse 6 und der Fallhöhe dieser Masse ermöglichen eine' Simulierung auf der Aufstandsfläche 5 eines bestimmten Bereichs von Beanspruchungen und Energien, der sehr ausgedehnt sein kann.

Des weiteren ist eine Befestigungseinrichtung 9 mittels Gewindestangen 10 und Muttern 11 am Stativ 2 befestigt. Diese Einrichtung 9 dient dazu, die Masse 6 in angehobener Lage zu halten, bevor sie fällt. Die Gewindestangen 10 und die Muttern 11 ermöglichen die Einstellung der Lage der Befestigungseinrichtung 9 an der Führungssäule 1 und dementsprechend der Fallhöhe der Masse 6.

Durch eine Fernsteuerungseinrichtung, hier dargestellt durch ein Kabel 12 und einen Handgriff 13, wird es ermöglicht, aus einer gewissen Entfernung der Befestigungseinrichtung 9 zu lösen und damit die Freigabe der Masse 6 zu steuern. Nach F i g. 1 sind an der Masse 6 Handgriffe 14 angebracht, mittels denen die Masse 6 bis zur Befestigungseinrichtung 9 angehoben werden kann. Es ist jedoch selbstverständlich, daß auch andere Mittel dazu vorgesehen werden könnten, falls die Masse 6 ein größeres Gewicht hat.

Damit in Ruhelage die statische Einwirkung der Aufstandsfläche 5 auf den Boden praktisch gleich Null ist, ist die Führungssäule 1 am Stativ 2 über ein Ausgleichsorgan 15 befestigt, das eine Feder sein kann. Die Härte des Ausgleichsorgans 15 bzw. dieser Feder muß genügend schwach sein, damit ihre Wirkung gegenüber dem Energieimpuls zu vernachlässigen ist, der auf die Aufstandsfläche 5 durch die Fallmasse 6 übertragen wird.

Am unteren Teil des Gerätes ist ein Referenzträger 16 als ortsfester Bezugspunkt vorgesehen, der auf dem Bode.i liegt, und zwar in einer gewissen Entfernung von der Aufstandsfläche 5, damit er nicht von der Verformung. des Bodens unter der Wirkung dieser Aufstandsfläche 5 beeinflußt wird, wobei der Träger 16 auch in einer gewissen Entfernung von den Füßen 3 des

Stativs 2 aufliegt. Ein Sensor 17 als Meßfühler zur Erfassung der Verschiebung von elektrischer Bauart steht mit der Aufstandsfläche 5 in Verbindung, wobei der Kern des Sensors 17 mit der Aufstandsfläche 5 verbunden ist, wie es schematisch in F i g. 1 dargestellt ist, um die Verschiebung der Aufstandsfläche 5 unter der Einwirkung der Fallmasse 6 abzufühlen. Der Sensor 17 ist mittels eines Kabels 18 an eine MeB- und Anzeigeeinheit 19 angeschlossen, die von einer elektrischen Stromquelle 20 in der Weise versorgt wird, daß das Gerät autonom ist. Die Meß- und Anzeigeeinheit 19 wird unter Bezugnahme auf F i g. 2 im folgenden beschrieben.

In Fig.2, die einem Blockdiagramm entspricht, ist dargestellt daß das Signal des Sensors 17 über das Kabel 18 an den Eingang eines Filters 21 angelegt wird. Das Signal, das vom Kabel 18 übermittelt wird, variiert in Abhängigkeit von der Verschiebung der Aufstandsfläche 5 und dementsprechend in Abhängigkeit von der Bodenverformung, und zwar beides zu gleicher Zeit, wenn man die Amplitude der Verschiebung und deren Geschwindigkeit betrachtet. Ein Ausgang des Filters 21 ist über einen Maximaldetektor 22 mit einem elektronischen Speicher 23 verbunden, der von jedem beliebigen Typ sein kann und ein numerisches Voltmeter 24 versorgt Letzteres liefert einen Wert durch Anzeigen. Dieser Wert entspricht offensichtlich im vorliegenden Fall der Messung der Verformung des Bodens, und die Anordnung ist derart ausgebildet daß sie über die Einschaltung des Detektors 22 eine Angabe liefert, die dem Maximum der Verformung entspricht. Man erhält also durch Anzeigen die Maximalverformung des Bodens unter der Wirkung der Fallmasse 6.

Der zweite Ausgang des Filters 21 ist, wie dargestellt, mit einer Ableitungsstufe 25 verbunden, die den abgeleiteten Wert dieses Signais liefert. Der Ausgang der Ableitungsstufe 25 steht über einen weiteren Maximaldetektor 26 mit einem zweiten Speicher 27 in Verbindung, welcher wiederum ein numerisches Voltmeter 28 speist. Das Voltmeter 28 liefert auch einen Wert der aufgrund der Zwischenableitung die Rücklaufgeschwindigkeit des Bodens in seine Ausgangs- oder Gleichgewichtslage bzw. die Geschwindigkeit der Energierückgabe des Bodens über die Aufstandsfläche 5 bzw. nach dem Einwirken der Fallmasse 6 anzeigt und die Anordnung ist.so ausgebildet daß der Maximalwert der Rücklaufgeschwindigkeit angezeigt wird.

Wie es schematisch in F i g. 2 dargestellt ist hat man bei 29 eine Anzeigesteuerung vorgesehen, des weiteren bei 30 eine Null-Stellung der Speicher 23 und 27 und bei 31 eine Steuerung der Verschiebung des Nullpunktes der Voltmeter 24 und 28.

Die elektronischen Schaltkreise, die die verschiedenen Stufen dieser Gesamteinheit bilden, können in sehr verschiedener Weise ausgebildet werden, und ihre Konzeption liegt im Bereich der Fähigkeit jedes qualifizierten Elektronikers. Die Verwirklichung kann ausgehend von handelsüblichen Bauteilen erfolgen.

Die Verwendungsweise des Gerätes versteht man leicht aufgrund der vorstehenden Beschreibung. Um einen Boden zu testen, beispielsweise eine Leichtathletikbahn, wobei man die wirklichen Einsatzbedingungen beim Laufen oder beim Training simuliert, wählt man die Stoßdämpfer 8, das Gewicht der Masse 6 und die Fallhöhe in Abhängigkeit von dem zu testenden Untergrund.

Nach Anheben der Masse 6 und Befestigung derselben an der Vorrichtung 9 steuert man ihr Herabfallen mit Hilfe des Handgriffes 13 und des Kabel; 12. Beim Auf treffen der Masse 6 auf der Platte 7 wire eine Beanspruchung auf die Aufstandsfläche 5 bzw. der Boden übertragen. Daraus ergibt sich eine Verformung des Bodens. Diese Verformung wird vom Sensor 17 erfaßt und über das Kabel 18 an die Meß- unc Anzeigeeinheit 19 weitergeleitet.

In dieser Einheit wird eine Angabe bezüglich dei Maximalverformung des Bodens über Filter 21 Detektor 22, Speicher 23 und Voltmeter 24 geliefert Diese Angabe entspricht der Verformung bzw. dei Verformbarkeit des Bodens. Eine Angabe der Rücklauf geschwindigkeit in die Ausgangslage wird außerderr durch den Filter 21, die Ableitungsstufe 25, den Detektoi 26, den Speicher 27 und den Voltmeter 28 geliefert Diese Angabe bezieht sich auf die Elastizität de; Bodens, das heißt, auf die Geschwindigkeit, mit der ei die ihm übermittelte Energie zurückgibt. Man erhält se durch Anzeigen zwei charakteristische, sehr wichtige Werte bezüglich des Bodens, und diese Werte sine direkt und unmittelbar verwertbar.

Das Vorhandensein eines Speichers in jedem Meß und Anzeigekanal ermöglicht es, einen zuverlässiger Meßwert trotz der Kürze des Phänomens zu erhalten das das Signal des Sensors 17 bewirkt.

Messungen mit dem erfindungsgemäßen Gerät haber beispielsweise die folgenden Ergebnisse geliefert, die ir sehr unmittelbarer Weise die Merkmale verschiedenei Böden widerspiegeln.

	Verfor	Maximale Rücklauf
	mung in	geschwindigkeit
	/lor, mm	im Gleichgewichts
		zustand
		in mm/Sek.
Elastischer Boden,	62	7
bestehend aus einem
Agglomerat von
Kautschukkörnern,
hartem Granulat
und Bitumen mit
verschiedenen
Additiven

Schweres Polyurethan, 57 11

an Ort und Stelle vergossen, fest mit dem
Untergrund verbunden

Elastische Ver- 60 20

kleidung aus Polyurethankautschuk, fest
mit dem Untergrund
verbunden

Elastische Ver- 150 40

kleidung aus Polyurethankautschuk mit
einer elastischen
Schicht, die nicht mit
dem Untergrund fest
verbunden ist

Man sieht sofort, daß die so erhaltenen Zahlenwert eine mühelose Interpretation der Merkmale de betrachteten Böden ermöglichen.

Durch Montieren eines geeigneten Aufzeichnungsge

rates parallel mit der Anzeigeeinheit kann man in graphischer Form die Aufzeichnung der Gesamtheit des Verformungsphänomens des Bodens unter der Aufstandsfläche 5 und des Rücklaufs in die Gleichgewichtslage aufzeichnen. Die erhaltene Graphik ist in F i g. 3 sichtbar. Man sieht, daß es mit Hilfe einer solchen Aufzeichnung leicht ist, die Maximalverformung und durch den Verlauf der Tangente zum Biegungspunkt das Maximum der Rücklaufgeschwindigkeit in die Gleichgewichtslage zu bestimmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung der Verformbarkeit und Elastizität von Böden, insbesondere von Sportplätzen, bestehend aus einer Führungssäule, die mit einer Aufstandsfläche verbunden ist, mittels der eine Kraft auf den Boden übertragbar ist, und einer Fallmasse an der Führungssäule, die Ober die Aufstandsfläche auf den Boden einwirkt, sowie Dämpfungseinrichtungen und Einrichtungen zur Messung der Verformung des Bodens unter der Einwirkung der durch die Fallmasse erzeugten Kraft, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Ein auf dem Boden abgestütztes Referenzorgan (16) wird als ortsfester Bezugspunkt verwendet;

b) zur Umformung der mechanischen Verschiebung in eine elektrische Größe zwischen dem Referenzorgan (16) und der Aufstandsfläche (5) des Gerätes dient ein Meßumformer (17);

c) zwischen Meßumformer (17) und Anzeigevorrichtung (19) ist ein Verbindungskabel (18) geschaltet;

d) als Stützeinrichtung ist ein Traggestell (3) in fester Ausführung auf dem Boden in einer gewissen Entfernung von der MeDstelle vorgesehen, das mindestens ein Ausgleichsorgan (15) zwischen der Stützeinrichtung (3) und der Führungssäule (1), die mit der Aufstandsfläche verbunden ist, aufweist, damit in der Ruhelage von der Aufstandsfläche (5) ein statischer Beanspruchswert in geringer Stärke bzw. überhaupt keine Kraft auf den Boden ausgeübt wird.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltkreis (22) zur Maximalwertbestimmung vorgesehen ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Stromquelle (20) mit der Anzeigeeinheit (19) sowie mit dem Meßumformer (17) verbunden ist.

4. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen (9) für die Fallmasse (6) in angehobener Lage Fernsteuerorgane (12,13) aufweisen, um das Fallen der Fallmasse auszulösen.

5. Meßgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgesehenen Anhebeeinrichtungen (14) der Fallmasse (6) mechanischer, elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Art sind.