CH671634A5

CH671634A5 -

Info

Publication number: CH671634A5
Application number: CH1262/86A
Authority: CH
Inventors: Ronald F Garritano
Original assignee: Rheometrics Inc
Priority date: 1985-04-11
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1989-09-15
Also published as: DE3612038A1; CA1259817A; GB2173599B; JPS61237038A; GB2173599A; FR2580401B1; JPH0660870B2; DE3612038C2; GB8606211D0; FR2580401A1; US4601195A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft die Messung der Fliesseigenschaften oder rheologischen Eigenschaften von Materialien und betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Zähigkeits- und elastischen Kraftkomponenten in einem durch Scherkräfte beanspruchten Prüfling.

Bei der Bestimmung der Fliesseigenschaften von viskoela-stischen Materialien wie beispielsweise Polymer-Schmelzen, wird gewöhnlich ein scheibenförmiger Prüfling zwischen

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sich radial erstreckenden und im axialen Abstand angeordneten Flächen angeordnet und mit jeder Fläche verbunden, so dass er den axialen Zwischenraum zwischen den Flächen ausfüllt. Dann wird die eine der Flächen um ihre Achse relativ zu der anderen Fläche gedreht, um den Prüfling einer Scherbeanspruchung auszusetzen und das sich dabei ergebende Drehmoment wird gemessen. Die Scherkraft kann eine gleichbleibende sein, in welchem Fall das gemessene Drehmoment konstant ist, oder es kann eine dynamische Scherkraft sein, in welchem Fall das gemessene Drehmoment über die Zeit kontinuierlich sich ändert. Das gemessene Drehmoment ist proportional zu der Zähigkeits- oder Dämpfungskomponente des Materialmoduls.

Bei dieser Art der Bestimmungsmethode ist festgestellt worden, dass aufgrund der Eigenart der auf den Prüfling ausgeübten Kräfte dieser die Tendenz zeigt, in axialer Richtung zu expandieren, wodurch auf die relativ zueinander drehenden Flächen, mit denen der Prüfling verbunden ist, axial gerichtete Kräfte ausgeübt werden. Diese Tendenz des Prüflings hat man als ein Ergebnis des Umstandes erklärt, dass das Zentrum des Prüflings stationär bleibt, während der äussere Bereich gedreht wird, so dass die radial aussen liegenden Bereiche des Prüflings die Tendenz haben, radial einwärts zu wandern und daduch axiale Kräfte auf die Flächen auszuüben, mit denen der Prüfling verbunden ist. Diese Eigenart ist in der Literatur als sogenannter «Weissenberg Effekt» bezeichnet worden. Die von dem unter Scherkraftbedingungen befindlichen Prüfling auf die Flächen ausgeübte axiale Kraft ist proportional zur Elastizität- oder Speiche-rungs-Komponente des Materialmoduls.

Für die Messung von Drehkräften und axialen Kräften in derartigen Prüflingen stehen zwar Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung, jedoch ist es bei diesen bekannten Vorrichtungen erforderlich, mit Teilen derselben eine Lageveränderung vorzunehmen, um eine Messung der Drehkräfte und der axialen Kräfte durchzuführen. Es ist zwar sehr erwünscht, eine solche Veränderung von Teilen in möglichst geringem Umfang durchführen zu müssen, um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, aber bei den bekannten Vorrichtungen ist es zumindest im gewissen Umfang immer für den Betrieb der Vorrichtung notwendig. Es wäre daher von grossem Vorteil, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu haben, mit welchen eine Messung der Drehkräfte und axialen Kräfte ohne eine solche Lageveränderung oder Verschiebung von Teilen der Vorrichtung durchführbar ist. Durch Beseitigung der Notwendigkeit, Teile der Vorrichtung zu bewegen, lassen sich die Kräfte direkt messen, wodurch eine grössere Genauigkeit erreicht wird, weil äussere Einwirkungen im wesentlichen eliminiert sind. So wird beispielsweise die Kraftmessung unabhängig von den Einwirkungen der Temperatur auf die Messeinrichtung. Wenn ferner die Messung einer Kraft unabhängig von der Lageverschiebung von Teilen möglich ist, lässt sich jede auf Hystérésis beruhende Aussenwirkung eliminieren, die beispielsweise bei der Messung einer Kraft auftritt, welche gegen eine Feder wirkt.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher, die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, mit -welcher die Zähigkeits- und Elastizitäts-Kraftkomponenten in einem unter Scherbeanspruchung stehenden viskoelasti-schen Matf rial ohne eine Verschiebung von Teilen, d. h. praktisch bewegungslos gemessen werden kann.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung sowie eines Verfahrens wie vorstehend erwähnt, wobei auch die Messung der Zähigkeitsund Elastizitätskomponenten gleichzeitig durchführbar sind, und zwar ohne eine Bewegung von Teilen, um bei der Gewinnung von Daten betrefffend die viskoelastischen Eigen-

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Schäften unabhängig von jeglichen Aussenwirkungen eine erhöhte Genauigkeit zu erzielen.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung wie vorstehend beschrieben, mit der darüberhinaus ein hoher Genauigkeitsgrad durch die Verwendung von beweglichen Komponenten erreichbar ist, welche keine bevorzugte Stellungen aufweisen und infolgedessen keine Fehler hineintragen, welche sonst infolge der Tendenz, in eine bevorzugte Stellung zu gelangen, auftreten können.

Schliesslich ist ein weiterer Zweck der Erfindung, eine Vorrichtung der vorgeschriebenen Art zu schaffen, welche darüberhinaus eine relativ einfache Konstruktion aufweist und welche daher wirtschaftlich herstellbar und einfach in der Unterhaltung und Anwendung ist.

Die vorgenannten Zwecke wie auch weitere Zwecke und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, welche eine Vorrichtung zum Messen der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente von Kräften in einem viskoelastischen und Scherkräften ausgesetzten Prüfling betrifft, wobei der Prüfling mit einer Platte verbunden ist, die eine Ruhestellung aufweist und welche Platte aus der Ruhestellung in Drehrichtung und in axialer Richtung relativ zu einer festen Achse in Abhängigkeit von der Drehkraft und der Axialkraft verschiebbar ist, welche von dem Prüfling aufgrund der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente ausgeübt werden. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen ersten Transducer, der mit der Platte verbunden ist, um eine Dreh-Gegenkraft auf die Platte auszuüben und auf diese mit einer Kraft in Richtung Ruhestellung einzuwirken ; einen ersten Detektor zur Ermittlung der Drehbewegung der Platte aus der Ruhestellung; ferner erste Antriebsmittel zur Betätigung des ersten Transducers in Abhängigkeit vom ersten Detektor zwecks Ausgleich der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten Drehkraft mit der von dem ersten Transducer auf die Platte ausgeübten Gegendrehkraft und zwecks Festhalten der Platte in der Ruhestellung; ferner erste Anzeigemittel zur Anzeige der Grösse der Drehgegenkraft; einen zweiten mit der Platte verbundenen Transducer, der mit einer axialen Gegenkraft auf die Platte einwirkt, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten; einen zweiten Detektor zur Ermittlung der axialen Bewegung der Platte aus der Ruhestellung; zweite Antriebsmittel für die Betätigung des zweiten Transducers in Abhängigkeit vom zweiten Detektor zum Ausgleich der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten Axialkraft mit der von dem zweiten Transducers auf die Platte ausgeübten axialen Gegenkraft und um die Platte in der Ruhestellung zu halten ; ferner zweite Anzeigemittel für die Anzeige der Grösse der axialen Gegenkraft, wobei die ersten Anzeigemittel eine Messung der Zähigkeitkomponente der Kräfte innerhalb des Prüflings und die zweiten Anzeigemittel eine Messung der elastischen Kompe-nente der Kräfte innerhalb des Prüflings anzeigen, während sich die Platte in der Ruhestellung befindet.

Die Erfindung kann ferner auch als ein Verfahren zur Messung der Zähigkeitskraftkomponente und der Elastizitätskraftkomponente innerhalb eines viskoelastischen und unter Scherbeanspruchung stehenden Prüflings bezeichnet werden, wobei der Prüfling mit einer Platte verbunden ist, die eine Ruhestellung aufweist und welche Platte von der Ruhestellung aus in Drehrichtung und axialer Richtung in Bezug auf eine feste Achse in Abhängigkeit von den in Deh-richtung und in axialer Richtung wirkenden Kräften in der Lage veränderbar ist, welche Kräfte von dem Prüfling aufgrund seiner Zähigkeitskraftkomponente und der Elastizi-tätskraftkomponente auf die Platte ausgeübt werden, welches Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

Das Aufbringen einer in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft auf die Platte, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten, das Ausgleichen der von dem Prüfling auf die Platte einwirkenden Drehkraft mit der vorerwähnten auf die Platte ausgeübten, in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft, die sie in der Ruhestellung halten soll, die Bestimmung der Grösse der zum Ausgleichen der Drehkraft erforderlichen Drehgegenkraft, das Aufbringen einer in axialer Richtung wirkenden Gegenkraft auf die Platte, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten, das Ausgleichen der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten axial wirkenden Kraft mit der axial wirkenden und auf die Platte ausgeübten Gegenkraft, um diese in der Ruhestellung zu halten, die Bestimmmung der Grösse der für das Ausgleichen der axial wirkenden Kraft notwendigen axialen Gegenkraft, wobei die Grösse der in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft eine Messung der Zähigkeitskraftkomponente innerhalb des Prüflings ergibt und die Grösse der in Axialrichtung wirkenden Gegenkraft eine Messung der Elastizitätskraftkomponente innerhalb des Prüflings ergibt, während die Platte sich in der Ruhestellung befindet.

Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Vorteilen und Zielen in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht der erfindungsgemässen Vorrichtung, teilweise im Vertikalschnitt und abgebrochen dargestellt;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt eines Teils der Vorrichtung gemäss Fig. 1 ;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäss Fig. 2 entlang der Linie 3 -3 ;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäss Fig. 2 entlang der Linie 4-4.

Die in Fig. 1 dargestellte gemäss der Erfindung ausgebildete Vorrichtung 10 weist eine Halteeinrichtung 12 mit einem oberen Befestigungsteil 14 und einem unteren Befestigungsteil 16 auf. Eine Auflage 20 ist mittels einer unteren Kupplung 22 mit einem Motor 24 gekuppelt, der mittels Schrauben 26 an dem unteren Befestigungsteil 16 befestigt ist. Die untere Kupplung 22 ist mit der Antriebswelle 28 des Motors 24 verbunden. Eine Platte 30 ist mittels einer oberen Kupplung 32 mit einer Transducer-Einrichtung 3-4 gekuppelt, welche am oberen Befestigungsteil 14 mittels Schrauben 36 befestigt ist. Die obere Kuplung 32 ist mit der Welle 38 der Transducer-Einrichtung 34 verbunden.

Ein Prüfling 40 aus viskoelastischem Material ist zwischen der Auflage 20 und der Platte 30 angeordnet und mit beiden verbunden. Im vorliegenden Beispiel besitzt der Prüfling 40 die Form einer Scheibe 42 aus polymerer Schmelze, deren viskoelastische Eigenschaften gemessen werden sollen, wobei diese Scheibe 42 eine an der Auflage 20 befestigte untere Fläche 44 und eine an der Platte 30 befestigte obere Fläche 46 aufweist. Wie es bei derartigen zur Durchführung solcher Messungen vorgesehenen Einrichtungen üblich ist, weist die Platte 30 eine im wesentlichen konische Endfläche 48 auf, an welcher die Oberseite 46 der Scheibe 42 befestigt ist. Da im vorliegenden Fall der Prüfling 40 eine Polymerschmelze ist, ist zur Aufrechterhaltung einer gewünschten vorbestimmten Temperatur des Prüflings 40 ein Ofen 49 vorgesehen.

Gemäss Fig. 2 erstreckt sich die Welle 38 längs einer Achse 50, die durch die Transducer-Einrichtung 34 verläuft, und das untere Ende 52 der Welle 38 ist mit der oberen Kupplung 32 verbunden. Zu der Transducer-Einrichtung 34 gehört ein unteres Gehäuse 54, welches eine Lagerung 56 für die Welle 38 aufweist, um eine Drehbewegung dieser Welle um die feste Achse 50 sowie eine axiale Bewegung der Welle entlang dieser Achse 50 zu ermöglichen. Um eine Lagerreibung auf

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ein Minimum zu reduzieren, bzw. weitgehendst auszu-schliessen, wenn sich die Welle 38 frei dreht, ist die Lagerung 56 in Form eines Luftlagers ausgebildet, das eine Buchse 60 aufweist, durch welche sich ein Abschnitt 62 der Welle 38 mit einem ausreichenden Spiel hindurcherstreckt, so dass ein ausreichender Luftfilm zwischen dem Abschnitt 62 der Welle und der Buchse 60 vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird Druckluft über eine Einlassarmatur 64 und durch einen Luftkanal 66 in eine Umfangsnut 68 hineingedrückt, damit zwischen dem Abschnitt 62 der Welle und der Buchse 60 ein Luftfilm vorhanden ist. Wenn nötig, können auch noch weitere Lufteinlässe vorgesehen sein, wie mit der zweiten Einlassarmatur 64' dargestellt ist.

Ein quer durch den Abschnitt 62 der Welle 38 sich hindurcherstreckende Stift 70 beschränkt die Beweglichkeit der Welle in Drehrichtung und in axialer Richtung auf einen verhältnismässig kleinen Wert. Der Stift 70 ist in dem unteren Gehäuse 54 in einer Bohrung 74 angeordnet und mittels Klemmschrauben 76 festgehalten, welche jeweils eine der beiden Endabschnitte 77 des Stiftes 70 festklemmen. Der Stift 70 besitzt ferner einen mittleren Abschnitt 78 mit einem geringeren Durchmesser, so dass ein ringförmiger Spalt 80 zwischen diesem Abschnitt 78 und der Bohrung 72 vorhanden ist, was eine begrenzte Lageveränderung der Welle 38 in der Drehrichtung und in axialer Richtung ermöglicht. Die Lage des Stiftes 70 kann durch Lösen der Klemmschrauben 76 und Verschieben eines Endabschnittes 77 bis in die Bohrung 72 verändert werden, um die Welle 38 gegen jegliche Bewegung relativ zu dem Gehäuse zu blockieren, was für die anfängliche Eichung wie auch wähend des Transportes der Vorrichtung zur Verhinderung von Beschädigungen erforderlich ist. Für diesen Zweck kann natürlich stattdessen auch ein Stift mit einem über die ganze Länge gleichen Durchmesser verwendet werden, so dass die Welle 38 unbeweglich festgehalten ist, was nicht dargestellt ist. Mittels Schrauben 84 ist ferner ein unterer Deckel 82 am untern Ende des Gehäuses 54 befestigt, um dieses untere Ende gegen Eindringen von Schmutz zu schützen.

Wie vorstehend erwähnt worden ist, dient die Vorrichtung 10 zum Messen der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente der Kräfte innerhalb des viskoelastischen Prüflings 40 während der Scherbeanspruchung. Zu diesem Zweck ist der Prüfling 40 zwischen der Auflage 20 und der Platte 30 angeordnet und mit beiden verbunden. Der axiale Abstand zwischen der Auflage 20 und der Platte 30 ist genau entsprechend der Dicke des Prüflings 40 unter statischen Bedingungen eingestellt, was durch eine Axialbewegung zwischen dem oberen Befestigungsteil 14 und dem unteren Befestigungsteil 16 der Halteeinrichtung 12 erfolgt. Auf diese Weise ist die Platte 30 in eine Nullstellung oder Ruhestellung gebracht. Dann wird der Motor 24 in Betrieb gesetzt zwecks Drehung der Welle 28 und der Auflage 20, wodurch der Prüfling 40 der Scherbeanspruchung unterworfen wird. Eine fortlaufende Drehung der Welle 28 durch den Motor 24 mit konstanter Drehzahl bewirkt eine stetige Scherbeanspruchung.

Andere Prüfmethoden sind auch in der Weise durchführbar, indem man die Welle 28 oszillierend oder intermittierend in Drehung versetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel treibt der Motor 24 die Welle 28 jedoch mit konstanter Drehzahl und damit auch die Auflage 20, um die gewünschte stetige Scherbeanspruchung in dem Prüfling 40 herbeizuführen. Wenn die stetige oder gleichmässige Scherbeanspruchung vorhanden ist, wird von dem Prüfling 40 ein Drehmoment auf die Platte 30 übertragen, und zwar in dem Sinne, dass die Platte 30 aus der Ruhestellung heraus gedreht wird. Zusätzlich wird als Folge des oben bereits erwähnten «Weissenberg Effektes» der Prüfling 40 eine in axialer Richtung aufwärts gerichtete Kraft auf die Platte 30 ausüben, in dem Sinne, dass die Platte 30 aus der Ruhestellung nach oben bewegt wird. Diese in Drehrichtung und in axialer Richtung gerichteten Kräfte werden direkt auf die Welle 38 übertragen.

Wenn der Stift 70 in der in Fig. 2 dargestellten Stellung angeordnet ist, ermöglicht der vorerwähnte ringförmige Spalt 80 nur eine begrenzte Drehbewegung und begrenzt die axiale Bewegung der Welle 38, und zwar in Abhängigkeit von den von der Platte 30 auf die Welle 38 übertragenen in Drehrichtung und in axialer Richtung wirkenden Kräften. Die Transducer-Einrichtung 34 bringt eine in Drehrichtung wirksame und eine in Axialrichtung wirksame Gegenkraft zur Wirkung und diese Gegenkräfte wirken in dem Sinne, dass die Welle 38 und die Platte 30 in die Ruhestellung zurückgelangen. Sobald jede dieser Gegenkräfte eine Grösse erreichen, bei welcher die von dem Prüfling 40 auf die Platte 30 ausgeübten Kräfte ausgeglichen sind und die Platte 30 sich dann in der Ruhestellung oder Ausgangsstellung befindet, dann ergibt die dann vorhandene Grösse der Gegenkraft in Drehrichtung den Messwert der Zähigkeitskomponente des Materialmoduls des Prüflings, und in gleicher Weise die Grösse der Gegenkraft in axialer Richtung einen Messwert der Elastizitätskomponente des Materialmoduls. Auf diese Weise sind die zu ermittelnden Kräfte tatsächlich ohne Bewegung der Messeinrichtungsteile bestimmt worden.

Aus den Fig. 2,3 und 4 geht hervor, dass die Welle 38 sich nach oben durch einen ersten Transducer 90 hindurcherstreckt. Dieser Transducer 90 umfasst einen ringförmigen Magnet 92, der vorzugsweise ein Permanentmagnet ist, und der eine Mittelbohrung 94 aufweist, durch welche sich die Welle 38 hindurcherstreckt. Ein erster Anker 96 ist mit der Welle 38 bei 98 verbunden, um sich mit dieser zusammen zu bewegen, und dieser Anker weist eine Form wie eine Haube auf, mit einer nach unten sich erstreckenden zylindrischen Verlängerung 100, die sich in einen entsprechenden ringförmigen Spalt 102 in dem Magnet 92 hineinerstreckt und eine Vielzahl von Wicklungen 104 trägt, die so angeordnet sind, dass bei Stromdurchgang durch die Wicklungen 104 der Anker 96 sich um die Achse 50 drehen will, um damit auch die Welle 38 um diese Achse 50 zu drehen. Der Magnet 52 ist mit Hilfe von Schrauben 106 an dem unteren Gehäuse 54 befestigt und ist stationär.

Oben ist an dem Magnet 52 mit Hilfe von Schrauben 112 ein Detektor-Gehäuse 110 befestigt, welches einen ersten Detektor 114 umschliesst, welcher für den Nachweis der Drehverschiebung der Welle 38 und somit auch der Platte 30 inbezug auf die Lageveränderung von der Ruhestellung aus dient. Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, weist der erste Detektor 114 einen Rotor 116 auf, der mit einer Nabe 118 auf der Welle 38 befestigt ist und der radial sich erstreckende kapazitive Elemente in Form von Flügeln 120 besitzt. Wenn die mit dem Prüfling verbundene Platte 30 und die Welle 38 sich in der Ruhestellung befinden, dann befinden sich die Flügel 120 genau in der Mitte jeweils zwischen einem Paar von parallel angeordneten kapazitiven Elementen in der Form von Scheiben 122, die auf einem kreisförmigen Leitungsträger 124 angeordnet sind, welcher mit Schrauben 126 an dem Detektorgehäuse 110 befestigt ist. Jeder der Flügel 120 und die zugeordneten beiden Platten 122 bilden einen veränderbaren Kondensator und jede Drehbewegung der Welle 38 bewirkt eine Bewegung der Flügel 120 in der Weise, dass die Kapazität sich verändert und dies durch die Schaltung auf dem Leitungsträger 124 feststellbar ist.

Ein erster Antriebs-Stromkreis 130 steht mit dem ersten Detektor 114 und mit dem ersten Transducer 90 in Verbindung, so dass eine Änderung der Kapazität, die durch eine Drehverschiebung der Platte 30 und der Welle 38 aus der Ruhestellung heraus bewirkt wird, einen Strom in der Wick-

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Lung 104 des Ankers 96 des Transducers 90 erzeugt, um den Transducer 90 in Abhängigkeit von dem ersten Detektor 114 in Gang zu setzen, derart, dass die Welle 38 und die Platte 30 drehend in die Ruhestellung zurückgelangen und die Platte 30 wie auch die Welle 38 in der Ruhestellung unter der Wirkung der Gegenkraft verbleiben, welche die von dem Prüfling 40 auf die Platte 30 ausgeübte Drehkraft ausgleicht. Ein erstes Anzeigegerät 132 zeigt die Grösse der drehend wirkenden Gegenkraft an, die für die Aufrechterhaltung des Gleichgewichts erforderlich ist. Auf diese Weise ist die Grösse der Dreh-Gegenkraft ohne Bewegung von Teilen der Messeinrichtung gemessen worden.

Die Welle 38 erstreckt sich noch weiter aufwärts und über den ersten Detektor 114 hinaus in einen zweiten Transducer 140. Dieser zweite Transducer 140 weist eine Magnetanordnung 142 auf, welche einen Permamentmagneten 144, ein Magnetgehäuse 146, einen ersten Stator 148 und einen zweiten Stator 149 umfasst, mit einem ringförmigen Spalt 150 dazwischen. Ein zweiter Anker 152 ist am oberen Ende 154 der Welle 3 8 befestigt und weist die Form einer Kappe mit einer zylindrischen Verlängerung 156 auf, die sich nach oben in den Spalt 150 der Magnetanordnung 142 hineinerstreckt. Die zylindrische Verlängerung 156 trägt eine Vielzahl von Wicklungen 158, die so angeordnet sind, dass bei einem Stromdurchgang durch die Wicklungen 158 der Anker 152 bestrebt ist, sich in Richtung der Achse 50 zu bewegen, um auf diese Weise die Welle 38 in der gleichen Richtung zu bewegen. Die Magnetanordnung 152 ist mit Hilfe von Schrauben 159 an dem Detektorgehäuse 110 befestigt und ist stationär.

Das Detektorgehäuse 110 umschliesst einen zweiten Detektor 160 für die Ermittlung der axialen Verschiebung der Welle 38 und somit auch der Platte 30 aus der Ruhestellung heraus. Wie am besten aus Fig. 4 hervorgeht und auch in Fig. 2 erkennbar ist, weist der zweite Detektor 160 kapazitive Elemente in Form von Scheiben 162 auf, die zwecks Bewegung zusammen mit der Welle 38 mit Hilfe von Schrauben 164 an dem Anker 152 befestigt sind. Die Scheibe 162 erstreckt sich in radialer Richtung auswärts und befindet sich in axialer Richtung genau in der Mitte zwischen einem Paar paralleler kapazitiver Elemente in Gestalt von Ringen 166, wenn die Welle 38 und die Platte 30 sich in der Ruhestellung befinden. Jeder Ring 166 ist auf einer entsprechenden kreisförmigen Leiterplatte 168 befestigt, welche mit Hilfe von Schrauben 169 an dem Detektorgehäuse 110 befestigt sind. Die Scheibe 162 und die Ringe 166 bilden einen veränderbaren Kondensator, und zwar in der Weise, dass jede axiale Bewegung der Welle 38 eine Bewegung der Scheibe 162 zur Folge hat und damit eine Änderung der Kapazität bewirkt, die durch die Schaltung in die Leiterplatten 168 feststellbar ist.

Ein zweiter Stromkreis 170 für den Antrieb ist mit dem zweiten Detektor 160 und mit dem zweiten Transducer 140 verbunden, so dass eine durch eine axiale Verschiebung der Platte 30 und der Welle 38 aus der Ruhestellung hervorgerufene Änderung der Kapazität in der Wicklung 158 des Ankers 152 des Transducers 140 in Abhängigkeit von dem zweiten Detektor 160 einen Strom erzeugt, um die Welle 38 und die Platte 30 in axialer Richtung in die Ruhestellung zurückzubringen und in der Ruhestellung mit einer axial gerichteten Gegenkraft zu halten, welche die von dem Prüfling 40 auf die Platte 30 ausgeübte Kraft ausgleicht. Eine zweite Anzeigeeinrichtung 172 gibt die Grösse der für die Aufrechterhaltung des Kräftegleichgewichts erforderliche axiale Gegenkraft an. Auf diese Weise lässt sich die Grösse der axialen Gegenkraft ohne Bewegung von Teilen der Einrichtung feststellen.

Wenn der Prüfling 40 sich in einem Zustand fortwährender Scherbeanspruchung befindet und die Transducer-Einrichtung 34 die Platte 30 in der Ruhestellung hält, liefert die erste Anzeigeeinrichtung 132 einen Messwert der Zähigkeitskomponente der Kräfte innerhalb des Prüflings 40 und die zweite Anzeigeeinrichtung 172 einen Messwert der elastischen Komponente der Kräfte innerhalb des Prüflings 40, wodurch eine gleichzeitige Messung der Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten der Modulen des zu prüfenden Materials ermöglicht wird. Diese Eigenschaft, die Zähigkeits- und Elastizitätskomponenten gleichzeitig und ohne eine Verschiebung von Teilen messen zu können, führt zu einer erhöhten Genauigkeit der Resultate, da die Bedingungen, unter welchen j ede dieser Komponenten gemessen wird, die gleichen sind. Darüber hinaus steigern die erfindungsge-mässe Vorrichtung und das Verfahren den Bedienungskomfort zur Erlangung der Messwerte, die darüberhinaus auch in einer geringeren Zeit erhältlich sind. Da ferner die Messung der Grösse der Gegenkraft nun ohne Verschiebung von Teilen der Einrichtung erfolgt, sind äussere Einwirkungen eliminiert, wie beispielsweise Wirkungen auf Grund von Temperaturänderungen in der Vorrichtung sowie gewisse durch Verschiebungen von Teilen hervorgerufene mechanische Wirkungen, wie beispielsweise Hysteresiswirkungen bei Kräften, die durch Veränderungen in einer Feder gemessen werden.

In diesem Zusammenhang ist hervorzuheben, dass die Konstruktion des ersten wie des zweiten Transducers 90 und 140 und des zugeordneten Detektors 114 und 116 derart ist, dass diese Transducer und Detektoren gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinflussung in Betrieb stehen. Mit anderen Worten arbeitet der erste Transducer und der zugeordnete erste Detektor unabhängig von dem Betrieb des zweiten Transducers und des zugeordneten zweiten Detektors und liefert fortwährend genaue Messergebnisse, gleichgültig in welchem Zustand sich der zweite Transducer und der zugehörige Detektor sich jeweils befinden, und ebenso umgekehrt. Daraus geht auch hervor, dass eine geringe axiale Verschiebung des ersten Ankers 96 innerhalb des Ringspaltes 102 im Magnet 92 nicht die Fähigkeit des ersten Transducers 90 beinflusst, die Welle 38 drehungsmässig in der Ruhestellung zu halten, während andererseits eine Drehverschiebung des zweiten Ankers 152 innerhalb des Ringspaltes 150 der Magnetanordnung 142 nicht die Fähigkeit des zweiten Transducers 140 beeinflusst, die Welle 38 in axialer Richtung in der Ruhestellung zu halten. Ebenso ist eine axiale Bewegung der Flügel 120 zwischen den Platten 122 des ersten Detektors 114 ohne Einfluss auf die Fähigkeit dieses ersten Detektors, Bewegungen in Drehrichtung festzustellen, und ebenso ist eine Drehbewegung der Scheibe 162 zwischen den Ringen 166 des zweiten Detektors 160 ohne Einfluss auf die Fähigkeit dieses zweiten Detektors 160, eine axiale Verschiebung der Welle 38 und der Platte 30 festzustellen. Somit ist ein gleichzeitiger Betrieb der einzelnen Teile der Transducerein-richtung 34 durchführbar und ermöglicht die gleichzeitige Messung der untersuchten Materialeigenschaften.

Die dargestellten und beschriebenen Detektoren 114 und 160 sind zwar Geräte mit variabler Kapazität und werden wegen der bei der Beschreibung dieser Geräte genannten Vorteile bevorzugt, doch ist es für den Fachmann einleuchtend, dass auch andere Detektoren für die Verwendung in Verbindung mit den Transducern 90 und 140 zur Verfügung stehen.

Die Ausgestaltung der Transducereinrichtung ermöglicht eine ausserordentliche Genauigkeit durch die Reduzierung äusserer Einflüsse. Die Welle 38 und alle an dieser Welle angeordneten und sich zusammen mit dieser bewegenden Teile wie beispielsweise die Anker 96 und 152, die Flügel 120 und die Scheibe 162 bestehen aus nicht magnetischem Mate-

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rial, wodurch ausgeschlossen wird, dass die Welle 38 als Ergebnis des Einflusses des magnetischen Widerstands eine bevorzugte Stellung einzunehmen sucht. In bevorzugter Weise bestehen daher die Welle 38, die Flügel 120 und die Scheibe 162 aus Aluminium.

Es versteht sich, dass in der vorstehenden Beschreibung

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eine bevorzugte Ausführungsform als Beispiel der Erfindung beschrieben worden ist und dass verschiedene Einzelheiten der Anordnung und Konstruktion verändert werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, s welche in den Ansprüchen definiert ist.

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3 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Messen der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente von Kräften in einem vis-koelastischen und Scherkräften ausgesetzten Prüfling, wobei der Prüfling mit einer Platte verbunden ist, die eine Ruhestellung aufweist und aus der Ruhestellung in Drehrichtung und in axialer Richtung relativ zu einer festen Achse in Abhängigkeit von der Drehkraft und der Axialkraft verschiebbar ist, welche von dem Prüfling aufgrund der Material-Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente auf die Platte ausgeübt werden, gekennzeichnet durch einen ersten Transducer, der mit der Platte verbunden ist, um eine Dreh-Gegenkraft auf die Platte auszuüben und auf diese mit einer Kraft in Richtung Ruhestellung einzuwirken;

einen ersten Detektor zur Ermittlung der Drehbewegung der Platte aus der Ruhestellung;

erste Antriebsmittel zur Betätigung des ersten Transducers in Abhängigkeit vom ersten Detektor zwecks Ausgleich der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten Drehkraft mit der von dem ersten Transducer auf die Platte ausgeübten Dreh-Gegenkraft und zwecks Festhalten der Platte in der Ruhestellung;

erste Anzeigemittel zur Anzeige der Grösse der Dreh-Gegenkraft;

einen zweiten mit der Platte verbundenen Transducer, der mit einer axialen Gegenkraft auf die Platte einwirkt, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten ;

einen zweiten Detektor zur Ermittlung der axialen Bewegung der Platte aus der Ruhestellung;

zweite Antriebsmittel für die Betätigung des zweiten Transducers in Abhängigkeit vom zweiten Detektor zwecks Ausgleich der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten Axialkraft mit der von dem zweiten Transducer auf die Platte ausgeübten axialen Gegenkraft und zwecks Festhalten der Platte in der Ruhestellung;

zweite Anzeigemittel für die Anzeige der Grösse der axialen Gegenkraft;

wobei die ersten Anzeigemittel eine Messung der Zähigkeitskomponente der Kräfte innerhalb des Prüflings und die zweiten Anzeigemittel eine Messung der elastischen Komponente der Kräfte innerhalb des Prüflings anzeigen, während sich die Platte in der Ruhestellung befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einer mit der Platte verbundenen Welle für die Drehbewegung mit der Platte um eine feste Achse und für die axiale Bewegung mit der Platte entlang der festen Achse, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transducer und der zweite Transducer mit der Welle derart verbunden sind, dass die Dreh-Gegenkraft und die axiale Gegenkraft gleichzeitig auf die Platte einwirken und die ersten und die zweiten Anzeigemittel gleichzeitig eine Messung der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente der Kräfte innerhalb des Prüflings anzeigen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle aus nicht magnetischem Material besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transducer jeweils mindestens ein bewegliches Teil aufweisen, das zwecks Bewegung mit der Welle verbunden ist und jedes der genannten beweglichen Teile aus nicht magnetischem Material besteht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor und der zweite Detektor mit der Welle in Verbindung stehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle aus nicht magnetischem Material besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor und der zweite Detektor jeweils mindestens ein bewegliches Teil aufweisen, das zwecks Bewegung mit der Welle verbunden ist und jedes der genannten beweglichen Teile aus nicht magnetischem Material besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transducer jeweils mindestens ein bewegliches Teil aufweisen, das zwecks Bewegung mit der Welle verbunden ist und jedes der genannten beweglichen Teile aus nicht magnetischem Material besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden, einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor umfassenden Detektoren eine mit der Welle verbundene Einrichtung mit einer veränderlichen Kapazität aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Detektor und dem zweiten Detektor mindestens einer ein erstes kapazitives Element und ein zweites kapazitives Element aufweist und das zweite kapazitive Element an der Welle zwecks Bewegung relativ zu dem ersten kapazitiven Element angeordnet ist, um die Kapazität der genannten Einrichtung mit einer veränderbaren Kapazität zu ändern.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Befestigung des zweiten kapazitiven Elements des ersten Detektors für die Drehbewegung mit der Welle zwecks Aenderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderbaren Kapazität vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite kapazitive Element des ersten Detektors mit der Welle in axialer Richtung relativ zu dem ersten kapazitiven Element ohne eine Änderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität bewegbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Befestigung des zweiten kapazitiven Elementes des zweiten Detektors für die axiale Bewegung mit der Welle vorgesehen sind, um die Kapazität der Einrichtung mit der veränderbaren Kapazität zu verändern.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite kapazitive Element des zweiten Detektors mit der Welle drehend relativ zu dem ersten kapazitiven Element ohne eine Änderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderbaren Kapazität bewegbar ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle und das zweite kapazitive Element aus nicht magnetischem Material bestehen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Detektor und dem zweiten Detektor mindenstens einer eine Einrichtung mit veränderlicher Kapazität in Abhängigkeit von der Bewegung der Platte aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Detektor und dem zweiten Detektor mindestens einer ein erstes kapazitives Element und ein zweites kapazitives Element aufweist und das zweite kapazitive Element mit der Platte zwecks Bewegung relativ zu dem ersten kapazitiven Element verbunden ist, zwecks Änderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Befestigung des zweiten kapazitiven Elements des ersten Detektors zwecks Drehbewegung zusammen mit der Platte vorgesehen sind, um die Kapazität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität zu ändern.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite kapazitive Element des ersten Detektors mit der Platte in axialer Richtung relativ zu dem ersten kapazitiven Element ohne eine Änderung der Kapa2

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zität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität bewegbar ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Befestigung des zweiten kapazitiven Elements des zweiten Detektors für die axiale Bewegung mit der Platte vorgesehen sind, zwecks Änderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite kapazitive Element des zweiten Detektors mit der Platte relativ zu dem ersten kapazitiven Element drehend ohne eine Änderung der Kapazität der Einrichtung mit der veränderlichen Kapazität bewegbar ist.
22. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, zur Messung der Zähigkeitskomponente und der Elastizitätskomponente der Kräfte innerhalb eines viskoela-stischen und unter Scherbeanspruchung stehenden Prüflings, welcher mit einer Platte verbunden ist, die eine Ruhestellung aufweist und welche Platte von der Ruhestellung aus in Drehrichtung und in axialer Richtung in Bezug auf eine feste Achse in Abängigkeit von den in Drehrichtung und in axialer Richtung wirkenden Kräften in der Lage veränderbar ist, welche Kräfte von dem Prüfling auf Grund seiner Zähigkeitskraftkomponente und der Elastizitätskraftkomponente auf die Platte ausgeübt werden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte :

Aufbringen einer in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft auf die Platte, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten;

Ausgleichen der von dem Prüfling auf die Platte einwirkenden Drehkraft mit der vorerwähnten auf die Platte ausgeübten, in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft, die sie in der Ruhestellung halten soll ;

Bestimmung der Grösse der zum Ausgleichen der Drehkraft erforderlichen Dreh-Gegenkraft;

Aufbringen einer in axialer Richtung wirkenden Gegenkraft auf die Platte, um diese in Richtung Ruhestellung zu belasten;

Ausgleichen der von dem Prüfling auf die Platte ausgeübten axial wirkenden Kraft mit der axial wirkenden und auf die Platte ausgeübten Gegenkraft, um diese in der Ruhestellung zu halten;

Bestimmung der Grösse der für das Ausgleichen der axial wirkenden Kraft notwendigen axialen Gegenkraft;

wobei die Grösse der in Drehrichtung wirkenden Gegenkraft eine Messung der Zähigkeitskraftkomponente innerhalb des Prüflings ergibt und die Grösse der in Axialrichtung wirkenden Gegenkraft eine Messung der Elastizitätskraftkomponente innerhalb des Prüflings ergibt, während die Platte sich in der Ruhestellung befindet.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreh-Gegenkraft und die axiale Gegenkraft gleichzeitig auf die Platte einwirken und die Grösse der Dreh-Gegenkraft und der axialen Gegenkraft gleichzeitig bestimmt werden.