DE4343612C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Elastizität von Materialien - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Bestimmung der
Elastizität von Materialien, insbesondere der Elastizität
der Zervix.
Aus der kunststoffverarbeitenden Industrie sind eine Reihe
von Prüfmethoden zur statischen und dynamischen Prüfung der
mechanischen Eigenschaften von gummielastischen Stoffen
bekannt. Diese Methoden und die zugehörigen Geräte sind
aber nicht geeignet, Messungen an schwer zugänglichen
Orten, wie z. B. an der Zervix, durchzuführen.
Die Elastizität der Zervix ist ein wichtiges Kriterium für
die Wehenbereitschaft des Uterus, z. B. zur Erkennung einer
drohenden Frühgeburt. Man unterscheidet grob drei Grade der
Elastizität: rigide, mittel und weich.
Die Untersuchung der Zervix erfolgt zur Zeit noch manuell
durch das Betasten der Zervix. Hierbei sind die Ergebnisse
stark von der Erfahrung des untersuchenden Arztes abhängig.
Die Befunde sind deshalb kaum vergleichbar und reproduzier
bar.
Aus der US-PS 4 159 640 ist eine Vorrichtung zur Messung
der Festigkeit von Material, insbesondere auch von Hautgewe
be eines lebenden Körpers bekannt. Bei dieser Vorrichtung
wird ein Meßfühler durch die Kraft einer vorgespannten
Feder auf das Material gedrückt. Die durch das Eindrücken
des Fühlers in das Material verursachte Verschiebung des
Meßfühlers wird gemessen. Zur Sicherstellung eines konstan
ten Anpreßdruckes ist der Meßfühler von einem ringförmigen
Kraftaufnehmer umgeben, der während des Meßvorganges auf
dem Material aufliegt. Durch Verknüpfung der Meßwerte des
Meßfühlers mit denen des Kraftaufnehmers wird ein Meßwert
für die Festigkeit des Materials erzielt.
Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß sie insbeson
dere wegen des erforderlichen großen Durchmessers des
ringförmigen Kraftaufnehmers kaum für die Prüfung der
Elastizität von Materialien an schwer zugänglichen Orten,
z. B. der Zervix, geeignet ist. Weiterhin ist diese Vorrich
tung für diese Messungen auch deshalb nicht geeignet, da
dem Kraftaufnehmer als außen liegendem Teil Elektroenergie
zugeführt werden muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine
objektive statische Prüfung der Elastizität von Materialien
auch an schwer zugänglichen Orten zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird das mit einer Vorrichtung erreicht,
wobei ein Kraftfühler als erstes Meßteil und ein um diesen herum angeordneter Meßring als zweites Meßteil vorgesehen sind,
wobei der Kraftfühler mit einem Kraftaufnehmer verbunden ist, der in einem Gehäuse befestigt ist, und der Meßring an einem in axialer Richtung beweglichen Stempel befestigt ist, dem ein Wegaufnehmer zugeordnet ist,
wobei am oberen Ende des Stempels mindestens ein Magnet vorgesehen ist, dem am Gehäuse der Vorrichtung mindestens ein Magnet so zugeordnet ist, daß sich gleichartige Pole der Magnete gegenüberliegen,
und wobei als Wegaufnehmer ein induktiver Wegaufnehmer vorgesehen ist, der einen am Stempel befestigten Weicheisen kern aufweist, dem am Gehäuse der Vorrichtung eine Spule eines Linear Variable Differential Transformers (LVDT) zugeordnet ist.
wobei ein Kraftfühler als erstes Meßteil und ein um diesen herum angeordneter Meßring als zweites Meßteil vorgesehen sind,
wobei der Kraftfühler mit einem Kraftaufnehmer verbunden ist, der in einem Gehäuse befestigt ist, und der Meßring an einem in axialer Richtung beweglichen Stempel befestigt ist, dem ein Wegaufnehmer zugeordnet ist,
wobei am oberen Ende des Stempels mindestens ein Magnet vorgesehen ist, dem am Gehäuse der Vorrichtung mindestens ein Magnet so zugeordnet ist, daß sich gleichartige Pole der Magnete gegenüberliegen,
und wobei als Wegaufnehmer ein induktiver Wegaufnehmer vorgesehen ist, der einen am Stempel befestigten Weicheisen kern aufweist, dem am Gehäuse der Vorrichtung eine Spule eines Linear Variable Differential Transformers (LVDT) zugeordnet ist.
Diese Vorrichtung wird in der Weise angewendet, daß das
erste Meßteil in der Meß-Ausgangsposition mit einer Vor
last, die ungleich Null ist, auf das zu untersuchende
Material aufgesetzt wird, bis eine vorgegebene axiale Ver
schiebung des zweiten Meßteiles erreicht ist. Damit lassen
sich Fehler durch Nullpunktdriften des Kraftaufnehmers
vermeiden. Während des Meßzyklus addieren sich zu der durch
die Nullpunktdrift verursachten Ausgangsspannung die zur
Vorlast und Maximallast proportionalen Spannungen. Da die
Differenz zwischen Vorlast und Maximallast ein fest vorgege
bener Wert ist, würden sich Nullpunktdriften nur auf die
Meßgenauigkeit auswirken, wenn zwischen der auf den
Kraftaufnehmer einwirkenden Kraft und der Ausgangsspannung
des Kraftaufnehmers kein linearer Zusammenhang mehr be
steht.
Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit ist es zweckmäßig, mehrere
Messungen an verschiedenen Stellen des gleichen Meßobjektes
durchzuführen und aus den einzelnen Meßwerten einen Mittel
wert zu bilden.
Der Stempel kann einen axialen Anschlag aufweisen, dem ein
axialer Anschlag am Gehäuse zugeordnet ist. Unter
Einwirkung der Magnetkraft wird der Stempel axial gegen den
Gehäuseanschlag gedrückt, wodurch die Nullage des Stempels
gewährleistet ist.
Die bei der Messung auftretende axiale Verschiebung des
Stempels ist vom zu prüfenden Material und von der durch
die Magneten erzeugten Gegenkraft abhängig. Bei Verwendung
von Dauermagneten besteht zwischen Gegenkraft und Auslenkung
ein nichtlinearer Zusammenhang. Die Gegenkraft wächst mit
der Auslenkung nach einem 1/a² Gesetz, wobei a der Abstand
der Dauermagnete ist.
Zur Vermeidung dieser Nichtlinearität ist es denkbar, einen
Dauermagneten durch einen mit Gleichstrom erregten Elektro
magneten zu ersetzen. Zur Erregung des Magneten kann ein
Regelkreis vorgesehen sein, der aus dem LVDT, einer
steuerbaren Stromquelle, dem Elektromagneten und einem
Mikroprozessor besteht, der in Form einer Tabelle die
Stromwerte enthält, die für die Konstanthaltung der Gegen
kraft erforderlich sind.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von
Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung;
Fig. 2 die Ausgangsstellung der Meßteile;
Fig. 3 die Lage der Meßteile bei Andruck an das zu
untersuchende Material;
Fig. 4 ein Blockschaltbild für die Durchführung des
Verfahrens;
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das einen bevorzugten Verfah
rensablauf darstellt.
Die Meßvorrichtung weist ein erstes und ein zweites Meßteil
auf.
Als erstes Meßteil ist ein Kraftfühler
1 und als zweites Meßteil ein Meßring 2 vorgesehen. Der
Kraftfühler 1 ist mit einem Kraftaufnehmer 3 verbunden, der
im Gehäuse 4 der Meßvorrichtung befestigt ist. Das Gehäuse
ist zylindrisch und hat einen Durchmesser von ca. 12 mm.
Der Meßring 2 ist mit einem Stempel 5 fest verbunden, der
im Gehäuse 4 axial verschiebbar gelagert ist und einen
Axialanschlag 6 aufweist. Diesem ist ein Anschlag 7 im
Gehäuse 4 zugeordnet. Der Stempel trägt an seinem oberen
Ende einen ringförmigen Magnet 8, dem ein gleichartiger
ringförmiger Magnet 9 zugeordnet ist, der über ein Zwischen
teil 10 fest mit dem Gehäuse 4 verbunden ist. Im vorliegen
den Fall sind die Magnete Permanentmagnete. Es könnten aber
auch Elektromagnete verwendet werden. Die Magnete 8 und 9
sind so angeordnet, daß sich ihre Südpole gegenüberliegen.
Die dadurch zwischen den Magneten wirkende abstoßende Kraft
gewährleistet, daß der Stempel 5 mit seinem Anschlag 6
gegen den Anschlag 7 am Gehäuse 4 gedrückt wird und daß die
definierte Lage des Meßringes 2 gewährleistet ist. Die
Kraft der Magnete muß in jeder Gebrauchslage der Meßvorrich
tung größer sein als die Gewichtskraft des Stempels 5 mit
seinem Meßring 2. So wird verhindert, daß der Axialanschlag
6 des Stempels 5 bei Bewegung der Meßvorrichtung vom An
schlag 7 des Gehäuses 4 abhebt und ein unbeabsichtigter
Meßvorgang ausgelöst wird. In der Ausgangsstellung drückt
somit der Stempel 5 mit seinem Axialanschlag 6 gegen den
Anschlag 7 des Gehäuses 4 und die Unterkante des Meßringes
2 sowie die Spitze des Kraftfühlers befinden sich auf
gleicher Höhe, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Die Meßvorrichtung weist einen induktiven Wegaufnehmer auf,
um die Verschiebung des Meßringes 2 gegenüber dem Kraftfüh
ler 1 zu ermitteln. Der induktive Wegaufnehmer weist einen
am Stempel 5 befestigten Weicheisenkern 11 auf, dem ein am
Gehäuse befestigte Spule 12 eines "Linear Variable Differen
tial Transformers" (LVDT) zugeordnet ist. In der oben
genannten Ausgangsstellung befindet sich der Weicheisen
kern 11 in der Mitte der Spule 12 des LVDT, so daß das
Ausgangssignal des LVDT Null ist.
Für die erforderlichen elektrischen Anschlüsse ist in der
Meßvorrichtung eine Kabeldurchführung 13 vorgesehen.
Zur Messung wird die Meßvorrichtung mit dem Meßring 2, der
die zu untersuchende Fläche begrenzt, von Hand auf das zu
untersuchende Material aufgesetzt. Der Kraftfühler 1 mißt
in Verbindung mit dem Kraftaufnehmer 3, dessen Meßbereich
sich z. B. bis 500 mN erstreckt, die Kraft, mit dem auf das
Material gedrückt wird. Die Fig. 3 zeigt, wie sich das
Material unter der Einwirkung der aufgebrachten Kraft
unterhalb des Meßringes 2 verformt. Diese Verformung führt
zu einer axialen Auslenkung des Meßringes 2 bezüglich des
Kraftfühlers 1. Die Auslenkung 1 wird für eine konstante
Kraft, z. B. 300 mN, mit dem LVDT gemessen und ist ein Maß
für die Elastizität des Materials. Die Verformung des Mate
rials ist einerseits von der aufgewendeten Kraft und ande
rerseits vom Durchmesser des Kraftfühlers 1 sowie des Meß
ringes 2 abhängig. Um die Meßvorrichtung an die Eigenschaf
ten unterschiedlich elastischer Materialien anpassen zu
können, lassen sich sowohl der Kraftfühler 1 als auch der
Meßring 2 auswechseln.
Aus der Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Kraftaufnehmer 3
über einen Verstärker 14 und einen A/D-Wandler 15 mit einem
Mikroprozessor 16 verbunden ist, dem ein Display 17 zugeord
net ist. Auf dem Display kann z. B. dargestellt werden, mit
welcher Kraft die Meßvorrichtung auf das zu untersuchende
Material gedrückt wird.
Weiterhin ist auch der LVDT über einen Synchrongleichrich
ter 18 und einen Verstärker 19, mit dem Mikroprozessor
verbunden.
Ein vollautomatischer Meßvorgang, wie er für ein bevorzug
tes Ausführungsbeispiel des Verfahrens im Flußbild der Fig.
5 dargestellt ist, wird vom Mikroprozessor 16 nur dann
gestartet, wenn
- 1. eine vorgegebene Vorlast auf das Material aufgebracht worden ist und
- 2. diese Vorlast zu einer vorgegebenen axialen Verschiebung des Meßringes führt.
Bei einem elastischen Material führt eine Erhöhung des
Anpreßdruckes automatisch zum Überschreiten der o. g.
Bedingungen und damit zum Starten des Meßvorganges. Der
Anpreßdruck wird jetzt weiter gesteigert, bis die
vorgegebene Maximalkraft erreicht und damit ein Meßzyklus
beendet ist. Das Ende einer Messung kann dem Bediener z. B.
durch ein akustisches Signal gemeldet werden. Die axiale
Verschiebung (Weg) des Meßringes zu Beginn und am Ende der
Messung wird mit dem LVDT gemessen und mit Hilfe des
Mikroprozessors 16 durch Differenzbildung ausgewertet. Das
Ergebnis wird dann auf dem Display 17 dargestellt. Diese
Differenz (Wegänderung) ist ist ein Maß für die Elastizität
des Materials, wenn die Vorlast, die Maximallast, die
Abmessungen und Form des Meßringes 2, die Abmessungen und
Form des Kraftfühlers 1 und die wegabhängige Gegenkraft der
Magnete 8, 9 als konstante Größen vorgegeben sind.
Das Ende der Gesamtmessung kann dem Bediener durch ein
weiteres akustisches Signal gemeldet werden.
Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist,
ermöglicht das erfindungsgemäße Meßverfahren eine Meßvor
richtung, die so klein und handlich ist, daß sie ohne
Schwierigkeiten auch an schwer zugänglichen Meßorten, wie
z. B. der Zervix, einsetzbar ist.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Elastizität von Materia
lien, insbesondere der Elastizität der Zervix,
wobei ein Kraftfühler (1) als erstes Meßteil und ein um diesen herum angeordneter Meßring (2) als zweites Meßteil vorgesehen sind,
wobei der Kraftfühler (1) mit einem Kraftaufnehmer (3) verbunden ist, der in einem Gehäuse (4) befestigt ist, und der Meßring (2) an einem in axialer Richtung beweglichen Stempel (5) befestigt ist, dem ein Wegauf nehmer zugeordnet ist,
wobei am oberen Ende des Stempels (5) mindestens ein Magnet (8) vorgesehen ist, dem am Gehäuse (4) der Vorrichtung mindestens ein Magnet (9) so zugeordnet ist, daß sich gleichartige Pole der Magnete (8, 9) ge genüberliegen,
und wobei als Wegaufnehmer ein induktiver Wegaufnehmer vorgesehen ist, der einen am Stempel (5) befestigten Weicheisenkern (11) aufweist, dem am Gehäuse (4) der Vorrichtung eine Spule (12) eines Linear Variable Diffe rential Transformers (LVDT) zugeordnet ist.
wobei ein Kraftfühler (1) als erstes Meßteil und ein um diesen herum angeordneter Meßring (2) als zweites Meßteil vorgesehen sind,
wobei der Kraftfühler (1) mit einem Kraftaufnehmer (3) verbunden ist, der in einem Gehäuse (4) befestigt ist, und der Meßring (2) an einem in axialer Richtung beweglichen Stempel (5) befestigt ist, dem ein Wegauf nehmer zugeordnet ist,
wobei am oberen Ende des Stempels (5) mindestens ein Magnet (8) vorgesehen ist, dem am Gehäuse (4) der Vorrichtung mindestens ein Magnet (9) so zugeordnet ist, daß sich gleichartige Pole der Magnete (8, 9) ge genüberliegen,
und wobei als Wegaufnehmer ein induktiver Wegaufnehmer vorgesehen ist, der einen am Stempel (5) befestigten Weicheisenkern (11) aufweist, dem am Gehäuse (4) der Vorrichtung eine Spule (12) eines Linear Variable Diffe rential Transformers (LVDT) zugeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Stempel einen axialen Anschlag (6) aufweist,
dem ein axialer Anschlag (7) am Gehäuse (4) zugeordnet
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß als Magnete (8, 9) Dauermagnete vorgesehen
sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnete (8, 9) ein
Dauermagnet und ein durch Gleichstrom erregter Elektro
magnet vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Elektromagnet ein Regelkreis zugeordnet ist, in
dem der LVDT, eine steuerbare Stromquelle, der
Elektromagnet und ein Mikroprozessor vorgesehen sind,
wobei der Mikroprozessor in Form einer Tabelle die
Stromwerte enthält, die für die Konstanthaltung der
Gegenkraft der Magnete erforderlich sind.
Priority Applications (1)
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DE19934343612 DE4343612C2 (de) | 1993-12-16 | 1993-12-16 | Vorrichtung zur Bestimmung der Elastizität von Materialien |
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