DE2048870A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestim mung der beim Dehnen und Schrumpfen einer Probe auftretenden Längenänderung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der beim Dehnen und Schrumpfen einer Probe auftretenden Längenänderung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der beim Dehnen oder Schrumpfen einer Probe zwischen auf dieser Probe angebrachten Markierungen auftretenden Längenänderung.
• Die Probe kann z.B. ein Stab oder eine Folie aus Kunststoff sein.
• Bei der Erprobung von Kunststoffen gibt es einige Probleme, welche bei der Erprobung von z.B. Metallen unbekannt sind. Diese Probleme hängen damit zusammen, dass die Dehnung sehr gross ist und z.B. einen Wert von 1600 % erreichen kann, während die Geschwindigkeit, mit der sich die Klemmen einer Zugfestigkeitsprufmaschine von einander entfernen, viele Meter in der Sekunde betragen kann. Es ist z.D. an zwei Stellon auf der Längenachse der Probefolie je eine Markierung angebracht, zwischen denen der Dehnungsverlauf genau zu verfolgen ist; die Markierungen sind dabei nicht an einen festen Platz gebunden.
• Man kann nämlich nicht von dem Abstand zwischen den Klemmen ausgehen, weil der Folienquerschnitt in der Nähe dieser Klemmen weit grtssser und die dort auftretende Dehnung mithin viel geringer ist als zwischen den Markierungen. Die Markierungen dürfen ferner die Eigenschaften des Probematerials nicht beeinflussen.
• Die Erfindung verschafft ein Verfahren, das eine gute Lösung bietet fur das geschilderte Problem, Gemäss diesem Verfahren wird die Probe durch ein optisches System Punkt fur Punkt sehr schnell und wiederholt abgetastet, wobei das durch die Probe und die Markierungen unterschiedlich reflektierte Licht von einem Photodetektor aufgefangen wird, der mit elektronischen Mitteln zur Verarbeitung der eingegangenen Daten und zur Wiedergabe und/oder Speicherung dieser Daten in einer brauchbaren Form verbunden ist. Schnelle Längenänderungen können mit diesem Verfahren mit grosser Präzision verfolgt werden. Die Grösse der Spannung am Ausgang des Photodetektors ist an jedem Moment von der Menge des durch einen wechselnden Punkt der Probe reflektierten Lichts abhängig. Der Spannungsverlauf zeigt Spitzenwerte, welche durch die Markierungen verursacht werden.
• Vorzugsweise bewirkt die eine Markierung das Öffnen und eine andere Markierung das Schliessen eines Tors in den elektronischen Mitteln.
• Das Auftreten fremdartiger Spitzen und auch das Ausbleiben eines erwarteten Spitzenwerts, wofür irgendeine Markierung verantwortlich ist, stören die Messung vollständig, weil durch ein Ereignis dieser Art die Markierungen das Tor in umgekehrter Reihenfolge öffnen oder schliessen. Um dies zu vermeiden empfiehlt es sich, bei Wiederholung des Schaltvorgangs nach Detektion der letzten Markierung einen elektrischen Impuls an die elektronischen Mittel weiterzuleiten, damit ein ggf. noch offenstehendes Tor geschlossen wird.
• Zur Erhaltung eines analogen Ergebnisses wird z.B. ein Kondensator geladen, so lange das Tor geöffnet ist und entladen, so lange das Tor geschlossen ist. Die mittlere Ladung des Kondensators stellt dann ein Mass für den Abstand zwischen zwei Markierungen dar.
• Weil der Ladezustand des Kondensators bedingt wird durch das Verhältnis zwischen den Zeiten, in denen das Tor geöffnet und geschlossen ist, spielt die Wiederholungsfrequenz keine Rolle.
• Zur Erhaltung eines digitalen Ergebnisses können von einer elektrischen Quelle stammende Impulse durchgelassen werden, so lange das Tor geöffnet ist.
• Die Zahl der durchgelassenen Impulse, welche in Anbetracht der Wiederholungsfrequenz sehr gross ist, stellt dann ein Mass für den Abstand zwischen den Markierungen dar.
• Die Erfindung betrifft gleichfalls eine Vorrichtung zur Bestimmung der Längenatnderung gem«ss obengenanntem Verfahren. Diese Vorrichtung kennzeichnet sich durch eine Lichtquelle, Mittel, welche dazu vorgesehen sind, durch eine zu prüfende Probe Punkt für Punkt reflektierte Lichtstrahlen sehr schnell hintereinander und wiederholte Male auf einen Photodetektor zu werfen, sowie durch eine von dem Photodetektor gesteuerte Torschaltung, an welche Anzeige-und /oder Registriergeräte angeschlossen sind.
• Das optische Abtasten der Probe kann auf verschiedene Weise erfolgen.
• So kann man durch Anwendung an sich bekannter Mittel, wie eines rotierenden Polyeders mit spiegelnden Wänden, ein schmales LichtbUschel schnell und wiederholt Uber die Probe streifen lassen. Der Impuls zum Schliessen des Tores in Unabhängigkeit von der Probe kann z.B. durch einen mit dem Polyeder optisch direkt zusammenwirkenden zweiten Photodetektor erzeugt werden.
• Bei einer anderen Ausführungsform ist eine zwischen der Probe und dem Photodetektor angeordnete drehbare und mit Antriebmitteln ausgestattete Scheibe mit einer oder mehreren lichtdurchlässigen, mehr oder weniger radial angeordneten Schlitzen vorgesehen, wobei sich diese Schlitze und ein fest angeordneter Spalt in der Bahn des Lichtstreifens kreuzen. Diese Vorrichtung ist viel einfacher als die vorangehende, was besonders für die Scheibe zutrifft, welche im Vergleich zu dem Polyeder viel einfacher zu konstruieren ist, und ferner gibt es noch die Tatsache, dass mit der ersten Vorrichtung in einem dunkelen Raum gearbeitet werden muss und deshalb ein geschlossenes Gehäuse notwendig ist, während die zweite Anlage offen in einem normal beleuchteten Raum aufgestellt werden kann. Gemäss einer dritten Ausführungsform bedient man sich eines abtastenden Photodetektors. Im Prinzip kann hierfur jeder beliebige rotierbare Photodetektor dienen. Auch kann eine Vorrichtung benutzt werden, welche einer Fernsehaufnahmeröhre ähnlich sieht. Sowohl bei Verwendung der Scheibe wie des abtastenden Photodetektors besteht die Lichtquelle vorzugsweise aus einer oder mehreren parallel zu der Linie der Markierungen aufgestellten, von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Röhren, z.B. Leuchtstoffröhren.
• Es empfiehlt sich, die Scheibe als obenerwähnte Impulsquelle funktionieren zu lassen. Dies kann geschehen, indem man die Scheibe mit einer Rändelung ausstattet, welche zwischen einer Lichtquelle und einem Photodetektor läuft.
• Es können hierfür aber auch magnetische Mittel dienen. Die Rotationsgeschtindigkeit der Scheibe ist jetzt nicht von Bedeutung.
• Die Vorrichtung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung; Fig. 2 einen Schnitt gemäss der Linie II-II von Fig. 1; Fig. 3: einen Schnitt gemäss der Linie III-III von Fig. 1; Fig. 4: eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemffssen Vorrichtung; Fig. 5 eine Vorderansicht eines eidgespannten Probestreifens mit einer entsprechend Fig. 4 aufgestellten Lichtquelle; Fig. 6: eine Ansicht gemäss der Linie VI-VI von Fig. 4; Fig. 7 ein elektronisches Blockschema, und Fig. 8: einige Impulsdiagramme.
• Bei den Vorrichtungen gemäss den Fig. 1-6 ist eine Probe in Form einer Folie (l-in den Fig. 1-3; 11 in den Fig. 4-5) zwischen Klemmen (12 in Fig. 5) einer Zugfestigkeits-PrUfmaschine eingespannt.
• Der Probestreifen (1 in den Fig. 1-3; 11 in den Fig. 4-5) ist mit zwei Markierungen versehen (2 in den Fig. 1-3; 13 in den Fig. 4-5). Diese Markierungen sollen einen Reflexionsfaktor haben, der beträchtlich von dem des Probestreifens abweicht und dürfen die mechanischen Eigenschaften des Probestreifens nicht beeinflussen. Diesen Anforderungen kann durch das Aufkleben von Stückchen Metallfolie entsprochen werden. Diese Markierungen können aufgebracht werden, indem man sie aus einem selbstklebenden Band stanzt und gerade vor der Erprobung an den zu prüfenden Streifen drückt, so dass der Einiluss des Klebestoffs auf den Probestreifen vernachlässigbar gering ist und die Markierungen nicht durch Transport und Behandlung der Probestreifen verschoben werden oder verloren gehen. Das Stanzen und Andrücken der Markierungen kann automatisch erfolgen, nachdem der Probestreifen ggf. einer Dickenmessung unterzogen worden ist.
• Die Stückchen Folie sind nicht völlig flach. Dies lässt sich durch den Gebrauch hohler Stanzstifte erklären, die durch den im Innern herrschenden Unterdruck die Folienstückchen festhalten, bis sie an den Probestreifen gedrUckt werden. Durch die dadurch entstandene einigermassen konvexe Form fällt stets eine ausreichende Lichtmenge über die Folienstückchen auf einen Photodetektor, auch in den Fällen, wo dies mit völlig flachen Stückchen nicht möglich ware.
• Hat man es mit stark reflektierenden Probestreifen zu tun, so sollen die Markierungen z.B. eine mattschwarze Oberfläche aufweisen, damit sie nicht reflektieren.
• In den Figuren 1-3 ist mit 3 eine Lichtquelle gemeint; 4 ist ein drehbarer Polyeder, dessen Wände reflektieren und der von einem Motor 5 angetrieben wird. 6 bezeichnet eine halbzylindrische Linse, welche parallel zum Probestreifen 1 angeordnet ist. 7 ist ein Photodetektor, 8 eine Abschirmplatte, 9 eine zweite Lichtquelle, welche Uber den Polyeder 4 einen zweiten Photodetektor 10 (Figur 2) beleuchtet. Bei dieser Ausführungsform schwenkt ein schmaler Lichtstreifen fortwährend in der Längenrichtung über den Probestreifen.
• Bei der Vorrichtung gemäss den Figuren 4-6 wird der Probestreifen 11 durch zwei Leuchtstoffröhren 14 beleuchtet, welche zum Objektiv 16 hin durch Platten 15 abgeschirmt sind. Das vom Probestreifen und den Markierungen reflektierte Licht wird durch das Objektiv 16 aufgefangen, das durch einen festen in diesem Objektiv angebrachten und parallel zum Probestreifen und der Scheibe 18 angeordneten Schlitz 17 das durch diesen Schlitz und die Scheibe hindurchgehende Licht auf einen Photodetektor wirft. Die Scheibe ist mit radial verlaufenden Spalten 20 versehen und kann von einem Motor 21 angetrieben werden. Schlitz 17 und Spalte 20 kreuzen sich, wenn letztere den Schlitz 17 passieren, so dass ein schmaler Lichtstreifen den Detektor 19 erreicht.
• Die Scheibe 18 unterbricht zugleich den von einer zweiten Lichtquelle 22 zu einem zweiten Photodetektor 23 gehenden Lichtstreifen.
• Im Blockschema gemäss Fig. 7 besteht der erste Photodetektor 24 aus dem Detektor 7 (Figur 1), dem Detektor 19 (Figur 4) oder einem abtastenden Photodetektor. Das vom Detektor 24 ausgehende Signal wird nach Passierung eines Hochpassfilters 25, und eines Spannungsdiskriminators 26 mit Diskriminatorniveau V1 (Figur 8) einem Tor 27 zugeleitet.
• Ein' zweiter Photodetektor 28 wird gebildet durch Detektor 10 von Figur 2 oder Detektor 23 von Figur 4. Das von diesem Detektor 28 ausgehende Signal geht nach Passierung eines Spannungsdiskriminators 29 mit Diskriminatorniveau V2 (Figur 8) gleichfalls dem Tor 27 zu. Die Funktion des Detektors 28 kann auch vom Detektor 24 Ubernommen werden. In diesem Fall ist Detektor 28 überflüssig und kann der Detektor 24 auch an den Spannungsdiskriminator 29 angeschlossen werden. Das Signal von Detektor 24 zeigt Spitzenwerte, ausgelöst durch die Markierungen 2 (Figur 2) oder 13 (Figur 5); das Signal zeigt jetzt auch Spitzen, welche von einer dritten Markierung hervorgerufen werden.
• Diese dritte Markierung kann z.B. durch eine kleine Lichtquelle 30 auf einer der Klemmen 12 gebildet werden.
• Wenn der Detektor 24 zugleich die Funktion von Detektor 28 erfüllt, zeigt das vom Detektor 24 ausgehende Signal einen Verlauf ähnlich dem Diagrare 31 von Figur 8, wo die Spitzen 32 von den oberen Markierungen 2 oder 13, die Spitzen 33 von den'unteren Markierungen 2 oder 13 und die Spitzen 34 von der Lichtquelle 30 auf einer der Klemmen 12 hervorgerufen werden.
• Das ggf. von Detektor 28 ausgehende Signal wird durch Diagra 35 von Figur 8 dargestellt; die Spitzen 36 werden durch das von Detektor 10 (Figur 2) oder von Detektor 23 (Figur 4) ausgehende Signal verursacht.
• Das vom Diskriminator 26 ausgehende Signal wird durch das Diagramm 37 von Figur 8 dargestellt; die betreffenden Impulse 38 werden von den Spitzen 32 und die Impulse 39 von den Spitzen 33 ausgelöst. Die Iipulse 38 und 39 steuern das Tor 27, z.B. eine Kippschaltung, welche in der Weise arbeitet, dass die Impulse 38 das Tor öffnen und die Impulse 39 das Tor schliessen. Diese Reihenfolge kann in der Praxis durch das Auftreten einer Storspitze oder das Ausbleiben einer Spitze mit der erforderlichen Höhe leicht umgekehrt werden.
• Das vom Diskriminator 29 ausgehende Signal, dargestellt durch Diagrail 40 von Figur 8, dessen Impulse 41 durch die Spitzen 36 ausgelöst werden, dient dazu, einen derartigen Fehler zu beseitigen. Die Impulse 41 schliessen nffmlich das Tor 27, falls es noch geöffnet sein sollte.
• Die Zeit, in der Tor 27 geöffnet ist, wird im Diagrar 42 von Figur 8 durch Blockimpulse 43 angegeben.
• Das anfallende Messergebnis l«sst sich auf mehrere Weise weiterverarbeiten. Eine davon ist, dass von einer Quelle ausgehende Impulse benutzt werden, deren Frequenz durch die Drehzahl der Scheibe 18 bedingt wird. Diese Scheibe hat z.B. eine (nicht eingezeichnete) Rändelung, welche einen von einer Lichtquelle nach einem Photodetektor 44 (Figur 7) gehenden Lichtstreifen unterbricht. Das von Detektor 44 ausgehende Signal geht einem Spannungsdiskriminu tor 45 zu. Die von diesem Diskriminator stammenden Impulse werden vom Tor 27 durchgelassen, wenn dieses Tor offen ist. Das Ergebnis zeigt Diagramm 46 (Figur 8) und die in diesem Diagramm dargestellten Impulsfolgen 47 werden von einem Zähler, eine Lochstreifen oder einer ähnlichen Vorrichtung 48 aufgenommen.
• Weil bei gleichbleibendem Abstand zwischen den Markierungen 2 (13) die lange der Blöcke 43 und der Abstand zwischen den IMpulsen der Impuisfolgen 47 der Drehzahl der Scheibe umgekehrt proportional sind, spielt eine Abinderung dieser Drehzahl keine Rolle.
• Figur 7 zeigt noch eine weitere Möglichkeit zur Verarbeitung des Messresultats. Die Blöcke 43 des Diagramms 42 werden dabei in einem DCJFilter 49 in eine Gleichspannung transformiert, deren Grösse dem VerhUltnis zwischen den Offen und Zu-Zeiten des Tores 27 und mithin dem Abstand zwischen den Markierungen 2 (13) entspricht. Mit dieser Spannung wird die x-Achse eines k x-y-Schreibers SO gespeist. Auf die y-Ache dieses Schreibers wird Z = O aufgetragen, in welcher Grösse k die auf den Probestreifen wirkende Zugkraft und 0 die Durchschnittsfläche des Probestreifens am Anfang des Versuchs darstellt. Die Zugkraft wird durch einen Aufnehmer 51, die Dicke durch einen Dickenmesser 52 und die Breite, falls hierfür kein konstanter Wert eingehalten wird, durch einen Breitenmesser 53 bestimmt. Mittels einer Quotientenschaltung 54 wird der Wert Z = O erhalten.
• 0 Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen AusfUhrungsbeispiele. Es sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung viele Ausführungsformen möglich. Dies gilt besonders far die Anwendung, bei der auch an Apparatur zur Bestimmung der Schrumpfung gedacht werden kann, für die mechanische Ausrüstung und fur die Datenverarbeitung.

Claims (13)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bestimmung der Längenänderung beim Dehnen und Schrumpfen einer Probe zwischen darauf angebrachten Markierungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe durch ein optisches System Punkt für Punkt sehr schnell und wiederholt abgetastet wird, wobei das durch die Probe und durch die Markierungen unterschiedlich reflektierte Licht von einem Photodetektor aufgefangen wird, der mit erektronischen Mitteln zur Verarbeitung der eingegangenen Daten und zur Wiedergabe und/oder Speicherung dieser Daten in einer brauchbaren Form verbunden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Markierung das Öffnen und eine andere Markierung das Schliessen eines Tores in den elektronischen Mitteln bewirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von einer elektrischen Quelle stammende Impulse durchgelassen werden, so lange das Tor geöffnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der sich zyklisch wiederholenden Vorgänge und vor Offnung des Tores durch die erste Markierung ein Impuls zum Schliessen eines ggf. noch offenstehenden Tores an die elektronischen Mittel weitergeleitet wird.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Längenänderung einer mit Markierungen versehenen Probe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch Mittel, welche dazu dienen, das von einer fest aufgestellten Lichtquelle ausgehende und durch eine zu prüfende Probe Punkt für Punkt reflektierte Licht sehr schnell hintereinander und wiederholte Male auf einen Photodetektor zu werfen, sowie durch eine elektronische Torschaltung, welche von einem Photodetektor gesteuert wird und an welche eine Anzeige- und/oder Registrierapparatur angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel, mit deren Hilfe ein schmaler Lichtstreifen schnell und wiederholt über die Probe streifen kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch einen an sich bekannten drehbaren Polyeder mit reflektierenden nlnden gebildet werden, welche die von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen auf die Probe werfen können.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, ausgestattet mit einer Lichtquelle mit deren Hilfe die Probe ganz beleuchtet wird, gekennzeichnet durch eine zwischen der Probe un dem Photodetektor aufgestellte drehbare und mit Antriebsmitteln ausgestattete Scheibe mit einem oder mehreren lichtdurchlässigen, mehr oder weniger radial angeordneten Schlitzen, wobei sich diese Schlitze und ein fest angeordneter Spalt in der Bahn des Lichtstreifens kreuzen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, versehen mit einer Lichtquelle zur vollen Beleuchtung'der Probe, gekennzeichnet durch einen abtastenden Photodetektor.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle aus einer oder mehreren parallel zu der Linie der Markierungspunkte aufgestellten und von einer Gleichspannungsquelle gespeisten Röhren besteht.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe mit Mitteln zur Erzeugung der Impulse versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Polyeder, bzw. der Scheibe optisch zusammenwirkender zweiter Detektor vorgesehen ist, der einen Impuls zum Schliessen des ggf. noch offenstehenden Tores erzeugt.

13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei die Probe an den äusseren Enden durch zwei Klemmen festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Klemmen mit einer Lichtquelle versehen ist, mit deren Hilfe ein Impuls zum Schliessen eines ggf. noch offenstehenden Tores hervorgerufen wird.

Leerseite