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Verfahren zur Messung der Biege-
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steifigkeit einer blattförmigen Probe Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Messung der Biegesteifigkeit einer rechteckigen, blattförmigen Probe,
insbesondere eines Papierblattes. Die Erfindung betrifft weiter eine Messvorrichtung
zur Ausführung dieses Verfahrens.
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Bei vielen Papierverarbeitungsprozessen ist die Biegesteifigkeit eine
wesentliche Kenngrösse, die die erzielbare Verarbeitungsleistung beeinflusst. Es
sind auch bereits Messverfahren und Messgeräte bekannt, um die Biegesteifigkeit
von blattförmigen
Proben zu messen. Die Messungen mit den bekannten
Verfahren sind aber aufwendig, und die Geräte sind kompliziert, teuer und eignen
sich nicht £ür den Gebrauch durch den Praktiker im Betrieb.
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Diese Geräte werden daher meist nur in Labors oder technischen Büros
verwendet.
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Einige der bekannten Messverfahren messen nach dem Prinzip einer Waage,
Biegemoment oder Kraft, die zur Erzeugung einer definierten Verformung notwendig
ist. Die dazu verwendeten Messgeräte sind wegen ihrer Empfindlichkeit aufwendig
und wenig robust. Die zu messende Probe muss in genormter Grösse zugeschnitten werden.
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Um die Messung rein im elastischen Bereich vorzunehmen und viskoelastische
Einflüsse auszuschliessen, muss die vorgenommene Verformung streng genommen aus
Dicke und Dehnungseigenschaften der Probe abgeleitet werden. Die Geräte von "Olsen",
"Schlenker", "Bekk" und der "Handle-O-Meter" arbeiten nach diesem Prinzip.
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Ein anderes Gerät nach "Brecht-Blikstadt" ermittelt die Biegeformänderungsarbeit
durch Auslenkung einer gewichtsbelasteten Probe beim Aufwickeln der Probe auf eine
Walze. Hierbei wird die definierte elastische Biegung bei gegebenem Walzendurchmesser
nur in einem bestimmten Bereich der Probendicke eingehalten.
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Ein sehr aufwendiges Gerät von "Lhomargy" bestimmt die Steifigkeit
durch Feststellung der Resonanzfrequenz eines eingespannten Probestreifens.
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Schliesslich wird bei einem Gerät von "Clark" ein Probestreifen so
zwischen zwei Klemmrollen gespannt, dass die Einspannstelle um 450 zur Vertikalen
geneigt ist und sich di Probe durch ihr Eigengewicht, evtl. am Ende verstärkt durch
ein Zusatzgewicht, durchbiegt. Durch Schwenken der Klemmrollen um 900 symmetrisch
zur Vertikalen wird festgestellt, ob die Steifigkeit der Probe ausreicht, um dieser
Schwenkung zu folgen und sich danach in die andere Richtung durchzubiegen. Dieser
Vorgang muss unter Aenderung der Einspannlänge mehrmals wiederholt werden, um die
kritische Länge festzustellen, bei der die Probe gerade noch der Schwenkbewegung
folgen kann.
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Es ist Ziel der Erfindung, ein einfaches, genaues Messverfahren zu
schaffen, welches sich für die Praxis eignet. Die Messung soll möglichst ohne vorheriges
Zurechtschneiden der Probe auf eine Normgrösse und ohne Umrechnung der Messwerte
erfolgen können.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll einfach und billig
herstellbar sein und trotzdem eine hohe Messgenauigkeit gewährleisten. Sie soll
unter Vermeidung der Nachteile der bekannten Geräte robust und betriebssicher sein.
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Das erfindungsgemässe Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
die Probe auf eine schräge Fläche gelegt und die Oberkante parallel zu einet horizontalen
Einspannstelle ausgerichtet wird, dass die Oberkante über die Vertikale ausgeschwenkt
wird, so dass sich der obere Teil der Probe um die Einspannstelle frei durchbiegt,
und dass die zwischen der Oberkante und der Einspannstelle gemessene, freie Einspannlänge
der Probe solange verkleinert wird, bis die Probe selbständig wieder in die schräge
Fläche zurückschwenkt, wobei die bei der Zurückschwenkung gemessene Resteinspannlänge
ein Mass für die Biegesteifigkeit der Probe ist.
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Die entsprechende Messvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens weist
erfindungsgemäss eine ebene, schräggestellte Platte zum Auflegen der Probe auf,
wobei auf dieser Platte eine horizontale, die Einspannstelle bildende Leiste oder
Walze angeordnet ist.
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Nachstehend werden nun zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der beiden Figuren, welche perspektivischeSeitenansichten zweier Messgeräte darstellen,
näher erläutert.
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Die Messvorrichtung (Fig. 1) zur Messung der Biegesteifigkeit, beispielsweise
einer Papierprobe 1, weist eine ebene, hartverchromte Stahlplatte 2 auf, welche
mittels einer hinteren Stütze 3 auf
einer Unterlage schräg aufgestellt
ist. Der Anstellwinkel der Platte 2 zur Vertikalen beträgt zweckmässigerweise 4'0.
Auf der Platte 2 ist eine horizontale, bewegliche Messleiste 4 befestigt, die mittels
seitlichen Führungen 5 parallel zu einer oberen Anschlagleiste 6 auf der Platte
2 nach oben und nach unten verschoben werden kann.
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Das rechteckige Probeblatt 1, dessen Biegesteifigkeit zu messen ist,
wird auf die Platte 2 gelegt, wobei der untere Teil der Probe unter der Messleiste
4 durchgeführt wird. Das Blatt wird ausgerichtet, indem seine Oberkante 7 gegen
die Anschlagleiste 6 gestossen wird.
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Der untere Blatteil wird- sodann mittels einer magnetischen Halterung
8 fixiert. Statt einer Anschlagleiste 6 könnten auch entsprechende Markierungslinien
zum Ausrichten des Probeblattes auf der Platte vorhanden sein. Bei anderen Ausbildungen
der Vorrichtung wäre es auch möglich, das Blatt mittels Klemmleisten oder Nadeln
auf einer weichen Platte festzuhalten. Auch eine pneumatische Fixierung wäre möglich.
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Sodann wird die Oberkante 7 des Probeblattes 1 über die Vertikale
nach vorne ausgeschwenkt, so dass der obere Blatteil 9 um die als Einspannstelle
wirkende Kante der Messleiste 4 frei
nach vorne durchgebogen ist.
Die Länge des frei durchhängenden Blatteiles 9, von der Blattoberkante bis zur Kante
der Leiste 4 gemessen, wird als freie Einspannlänge bezeichnet.
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Die Messleiste wird nun langsam, motorisch oder manuell, nach oben
bewegt, so dass sich die freie Einspannlänge der Probe kontinuierlich verkleinert,
bis die Probe durch ihre Steifigkeit selbständig auf die Messfläche zurückschwenkt.
Anhand einer Skala 10, die auf der Platte 2 angebracht ist, kann nun sofort die
Resteinspannlänge der Probe abgelesen werden. Mittels weiterer, nicht dargestellter
Skalen, die das spezifische Flächengewicht der Probe und deren Dicke berücksichtigen,
könnten Steifigkeit und Elastizitätsmodul der Probe direkt abgelesen werden.
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Der Messbereich der Vorrichtung ist relativ gross, die Ablesbarkeit,
insbesondere bei dünneren Proben, gut differenziert.
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Die Messung wird auch automatisch im elastischen Bereich der Probe
durchgeführt. Bei höheren Steifigkeitswerten kann der Messbereich durch Gewichtsbelastung
des freien Probenteils und entsprechende Umrechnung noch erweitert werden.
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Infolge der Faserstruktur des Papiers erfolgt bei der Biegung eine
Deformation des Papiers, teils elastisch durch Streckung
bzw. Stauchung
der Fasern, teils plastisch durch Auseinanderziehen des Faserverbandes. Infolge
der unterschiedlichen Faserausrichtung von Sieb- und Oberseite des Papiers ist die
Spannungsverteilung nicht gleichmässig. Es ist daher zum empfehlen, nach der ersten
Messung das Probeblatt umzukehren und eine zweite Messung durchzuführen. Der Mittelwert
dieser beiden Messungen bildet dann die Kennzahl für die Biegesteifigkeit in einer
Blattrichtung.
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Statt einer Messleiste könnte auch eine Walze vorgesehen sein, die
auf der Probe abgerollt wird. Zur Parallelführung der Messleiste oder der Walze
werden in an sich bekannter Weise Seilzüge, Zahnriemen, Zahnstangen oder andere
Führungselemente verwendet. Es wäre aber auch möglich, die Walze oder die Messleiste
fest mit der Platte zu verbinden und das Probeblatt kontinuierlich unter der Einspannstelle
durchzuziehen, um die Einspannlänge zu verkleinern.
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Da atmosphärische Einflüsse, insbesondere Feuchtigkeit, das Messresultat
beeinflussen können, ist es vorteilhaft, die Vorrichtung zum Schutze der Probe mit
einer durchsichtigen Verkapselung zu versehen.
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Selbstverständlich wäre es möglich, den Messvorgang zu automatisieren.
Neben dem bereits erwähnten motorischen Antrieb der Messleiste könnte das Messergebnis
elektronisch registriert und direkt auf die Probe gedruckt werden.
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Die beschriebene Messvorrichtung ist robust und einfach zu handhaben,
was für die Verwendung im Betrieb wichtig ist. Die Proben müssen in den meisten
Fällen nicht zugeschnitten werden, und das Messresultat wird durch unterschiedliche
Abmessungen der Proben nicht beeinflusst. In dieser Beziehung ist die Vorrichtung
sehr vorteilhaft im Vergleich zu den bekannten Geräten, wo das Resultat meist erst
nach einer Umrechnung anhand von I:ormeln erhalten wird.
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Beim Messgerät gemäss Fig. 2 ist im unteren Bereich der Platte, in
der Nähe des Randes, eine Gummiwalze 11 (ähnlich einer Schreibmaschinenwalze) drehbar
montiert. Diese hat senkrecht zur Platte 2 etwas Spiel, um die Dickendifferenzen
verschiedener Papierproben I zu berücksichtigen. Durch ihr Eigengewicht drückt sie
das Blatt auf die Platte 2. Durch die beiden Randelräder 12 wird die Walze 11 gedreht
und das eingespannte, längs der Massstabkante 13 ausgerichtete Blatt 1 unter ihr
durchgezogen, bis das Blattoberteil 9 wieder in die Plattenebene zurückschwenkt.
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Die Rest-Einspannlänge von der Walzenachse bis zur Blattoberkante
7 kann nun wieder gemessen werden.
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Die Messvorrichtung mit Walze erlaubt eine sehr präzise und feine
Messung. Eine Erleichterung der Messung kann noch erzielt
werden
durch ein nicht näher dargestelltes DruckorganJ welches unter der Platte 2, hinter
der Walze ll, befestigt ist. Durch Drücken auf einen Knopf wird unter dem linken
Blattrand, neben der Messskala, genau unter der Achse der Walze 11, eine Kerbe in
das Papier gedrückt. Der Abstand von der Oberkante des Papiers bis zur Kerbe entspricht
dann der Rest-Einspannlänge.