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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein dynamisches System zur Messung
der Viskoelastizität,
das die Viskosität
eines Materials in Abhängigkeit
von der Zeit, der Temperatur und der Frequenz misst.
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Im
Folgenden werden Beispiele vorhandener Viskoelastizitäts-Messsysteme genannt:
das dynamische System zur Messung der Viskoelastizität des japanischen
Patents Nr. 2756492; das System des Zugspannungstyps zur Messung
der Viskoelastizität des
japanischen Patents Nr. 2767634 und das System zur Messung der Viskoelastizität der japanischen Offenlegungsschrift
Nr. Hei 11-218483.
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Das
dynamische System zur Messung der Viskoelastizität, das im japanischen Patent
Nr. 2756492 (im Folgenden "Referenz
1") offenbart wird, enthält einen
beweglichen Mechanismus zur Bewegung eines elektromagnetischen Kraftgenerators, der
eine Wechselstromspannung erzeugt, die an einen Prüfling anzulegen
ist, und den Versatz eines Sinuswellen-Verzerrungssignals beseitigt.
Dieses Messsystem kann ein Verzerrungssignal wirksam und zuverlässig erzielen,
das frei von durch Wärmedehnung
des Prüflings
und das Kriechphänomen
verursachten Versatz ist und nur eine Amplitude hat.
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Bei
dem dynamischen System zur Messung der Viskoelastizität, das im
japanischen Patent Nr. 2767634 (im Folgenden "Referenz 2") offenbart wird, wird der Versatz des
Sinuswellen-Verzerrungssignals mittels Verwendung des beweglichen
Mechanismus nach Referenz 1 beseitigt, um die dynamische Viskoelastizitätsmessung
des Zugspannungstyps durchzuführen.
Um des weiteren rasch Schwankungen der statischen Spannung aufgrund
der Wärmedehnung oder
Erweichung des Prüflings
zu beseitigen, enthält dieses
Messsystem eine Schaltung, die die Elastizität der Blattfeder als Sondenhalterung
berücksichtigt. Das
Messsystem kann deshalb verhindern, dass der bewegliche Mechanismus
sehr häufig
bewegt wird, die Gleichstromkraft rasch einregeln und den Prüfling ständig mit
der Zugspannung beaufschlagen, die als optimale statische Spannung
dient.
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Referenz
1 und 2 zielen auf die wirksame und zuverlässige Messung des Verzerrungssignals. Wird
der bewegliche Mechanismus bewegt, um den Versatz von dem von der
Versatzdetektorschaltung zu messenden Sinuswellen-Verzerrungssignal
zu beseitigen, ändern
sich die statische Verzerrung und die statische Spannung des Prüflings wie
nachstehend beschrieben. Bezüglich
der statischen Verzerrung wird das Zentrum des Sinuswellen-Verzerrungssignals
im Vergleich zu seiner ursprünglichen
Lage verschoben, so dass der Prüfling
der statischen Verzerrung entsprechend einem Wegbetrag des beweglichen
Mechanismus unterliegt. Da andererseits der bewegliche Mechanismus
entsprechend der Verformung des Prüflings bewegt wird, ändert sich
die Elastizität
der Blattfeder, die vom Messsystem auf den Prüfling wirkt, nicht, und die
statische Spannung des Prüflings
bleibt ebenfalls unverändert.
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Mit
anderen Worten versteht es sich, dass die Konstruktion zur Beseitigung
des Versatzes aus dem Sinuswellen-Verzerrungssignal so konzipiert
ist, dass sich der bewegliche Mechanismus entsprechend der Verformung
des Prüflings
bewegt und die statische Spannung des Prüflings mittels eines Reglers
für die statische
Spannung eingeregelt wird, der die statische Spannung des Prüflings auf
einem bestimmten Wert hält.
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Das
Viskoelastizitäts-Messsystem
der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 11-218483 (im Folgenden "Referenz 3") ist ein Messsystem
für die statische
und dynamische Viskoelastizität,
das zwei Arten statischer Viskoelastizitätsmessungen ausführt, d.h.
eine Messung der Spannungsrelaxation mittels des Reglers für die statische
Verzerrung und eine Kriechmessung mittels des Reglers für die statische
Spannung. Ein Operator betätigt
für jede
Messung selektiv den Regler für
die statische Verzerrung oder den Regler für die statische Spannung.
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Werden
jedoch Referenz 1 und 2, bei denen die statische Spannung des Prüflings mittels
des Reglers für
die statische Spannung eingeregelt wird, wobei der bewegliche Mechanismus
entsprechend der Verformung des Prüflings bewegt wird, auf die
dynamische Messung der Viskoelastizität des Biege- oder Schertyps
angewendet, ergeben sich folgende Probleme.
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Bei
der dynamischen Viskoelastizitätsmessung
des Biege- oder Schertyps ist der Prüfling vorzugsweise frei von
statischer Verzerrung. Wird der bewegliche Mechanismus sehr stark
bewegt und nimmt die statische Verzerrung zu, wird eine Verschiebung
zwischen der Prüfling-Einspannvorrichtung
und einem fest montierten Prüflinghalter
verursacht. Im Fall der Viskoelastizitätsmessung des Biegetyps z.B.
wird die Mittelebene der Verformung bezüglich der Biegeverformung des
Prüflings
ebenfalls verzerrt, so dass der Prüfling von der idealen Biegeverformung
abweicht, was zu einer ungenauen dynamischen Viskoelastizitätsmessung
führen
würde.
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Bei
einer tatsächlichen
Messung hat die Einspannvorrichtung des Prüflings das Bestreben, sich etwas
zu verschieben, was durch die Verwerfung des Prüflings bedingt durch Wärmedehnung
und Eigenspannung verursacht wird, was wiederum in einem Versatz
des Verzerrungssignals resultiert. In einem solchen Fall wird der bewegliche
Mechanismus gemäß Referenz
1 und 2 geringfügig
verfahren, um die Biegeverzerrung in etwa gleich der idealen Biegeverzerrung
zu halten und eine Korrektur vorzunehmen. Vorausgesetzt, der Prüfling hat
eine gewisse Steifigkeit und eine der Gleichstromkraft entgegen
wirkende Rückstellkraft,
können
Referenz 1 und 2 eine wirksame Feinkorrektur ermöglichen.
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Wird
jedoch der Prüfling
aufgrund von Temperaturschwankungen und dgl. sehr weich, hat er
die Neigung zu kriechen und verfügt über eine
nur sehr geringe Rückstellkraft.
Bei Anwendung von Referenz 1 und 2 unter diesen Bedingungen werden
finite Verzerrungssignale, die durch Kriechen aufgrund einer kleinen
auf den Prüfling
vor oder während
der Bewegung des beweglichen Mechanismus aufgebrachten Gleichstromkraft
und aufgrund der Abweichung des geringen mechanischen Versatzes,
der zwischen dem Verzerrungssensor und der Sonde oder dgl. verbleibt,
wiederholt korrigiert. Besonders im Fall der Viskoelastizitätsmessung
des Biegetyps kann die Gleichstromkraft eine starke Verformung im
Vergleich zu dem Fall, in dem eine Viskoelastizitätsmessung
des Zugspannungstyps durchgeführt
wird, verursachen, wobei die Gleichstromkraft die gleiche ist. Als
Ergebnis nehmen der Versatz des Verzerrungssignals und der Wegbetrag
des beweglichen Mechanismus zu, und der mit dem beweglichen Mechanismus über die
Einspannvorrichtung gekoppelte Prüfling verformt sich weiter.
Da der Prüfling
außerdem eine
geringe Rückstellkraft
hat, kehrt er nur selten in seine Ausgangsstellung zurück. Bei
lang dauernden Messungen wird die Korrektur wiederholt, so dass der
Wegbetrag des beweglichen Mechanismus akkumuliert. Der Prüfling unterliegt
einer Verzerrung, die nicht als durch Biege- oder Scherverformung
verursacht interpretiert werden kann.
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Es
ist deshalb unmöglich,
eine präzise
dynamische Viskoelastizitätsmessung
durchzuführen.
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Referenz
3 betrifft die statische, jedoch nicht die dynamische Viskoelastizitätsmessung.
Der Operator betätigt
hier für
jede Messung selektiv den Regler für die statische Verzerrung
oder den Regler für die
statische Spannung. Selbst wenn sich die Qualität des Prüflings aufgrund von Temperaturschwankungen
oder dgl. während
der Messung ändert,
erfolgt keine selektive Aktivierung des Reglers für die statische
Verzerrung oder des Reglers für
die statische Spannung oder eine gemeinsame Aktivierung als Reaktion
auf die Qualitätsänderung
des Prüflings. Selbst
wenn die obigen Regler unabhängig
zur dynamischen Viskoelastizitätsmessung
betätigt
werden, treten deshalb folgende Probleme auf. Besonders dann, wenn
der Regler für
die statische Verzerrung verwendet wird, wird die durch die Wärmedehnung des
Prüflings
und die Eigenspannung verursachte Verwerfung zwangsweise unterdrückt, so
dass auf den Prüfling
eine übermäßige statische
Spannung wirkt. Wird andererseits der Regler für die statische Spannung verwendet,
unterliegt der Prüfling
wie oben beschrieben übermäßiger Verzerrung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Zur Überwindung
der oben genannten Probleme des Standes der Technik soll die vorliegende Erfindung
ein dynamisches System zur Messung der Viskoelastizität eines
Prüflings
auf Basis der Beziehung zwischen der Wechselstromspannung und der Wechselstromverzerrung,
die im Prüfling
auftreten, bereitstellen, das einen Regler für die statische Verzerrung
zum Einregeln der im Prüfling
erzeugten statischen Verzerrung und einen Regler für die statische Spannung
zum Einregeln der im Prüfling
erzeugten statischen Spannung aufweist, wobei in Abhängigkeit von
Qualitätsänderungen
des zu messenden Prüflings
entweder der Regler für
die statische Verzerrung oder der Regler für die statische Spannung selektiv
aktiviert werden oder beide zusammenarbeiten. Selbst wenn der Prüfling sehr
steif oder weich ist, ist es möglich,
die statische Verzerrung oder die statische Spannung gemäß den Qualitätsänderungen des
Prüflings
optimal einzuregeln. Des weiteren kann der Wegbetrag des beweglichen
Mechanismus auf einem geeigneten Wert gehalten werden.
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Das
erfindungsgemäße dynamische
System zur Messung der Viskoelastizität arbeitet wie folgt.
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Ist
bei der dynamischen Viskoelastizitätsmessung des Biege- oder Schertyps der
Prüfling
steif und hat er eine ausreichende Rückstellkraft, d.h. ist das
von einem Verzerrungssensor erfasste Amplitudenverhältnis der
Wechselstromspannung zur Wechselstromverzerrung groß genug,
werden Referenz 1 und 2 angewendet, um Einflüsse wie Verwerfung aufgrund
der Wärmedehnung
des Prüflings
und der Eigenspannung zu beseitigen. Ist beispielsweise das Amplitudenverhältnis größer als
ein vorgegebener Maximalwert, wird der Regler für die statische Spannung verwendet,
um die auf den Prüfling
einwirkende Gleichstromkraft auf null einzuregeln. Des weiteren wird
der bewegliche Mechanismus effektiv bewegt, um die dynamische Viskoelastizitätsmessung
präzise
auszuführen.
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Wird
der Prüfling
aufgrund der Temperaturänderung
usw. zu weich, d.h. ist das vom Verzerrungssensor erfasste Amplitudenverhältnis der Wechselstromkraft
zur Wechselstromverzerrung ausreichend klein, sind Einflüsse wie
Verformungsspannung aufgrund der Wärmedehnung des Prüflings und
der Eigenspannung vernachlässigbar.
Liegt beispielsweise das Amplitudenverhältnis unter einem vorgegebenen
Minimalwert, wird der Regler für
die statische Verzerrung aktiviert, um den beweglichen Mechanismus
anzuhalten, die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung
auf null zu senken und eine geringe Gleichstromkraft auf den Prüfling auszuüben, wodurch
der Versatz des Verzerrungssignals auf null gesenkt wird.
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Gemäß der Erfindung
misst das dynamische Messsystem der Viskoelastizität die Viskoelastizität, indem
der Regler für
die statische Verzerrung oder der Regler für die statische Spannung selektiv
betätigt
werden. Wird die dynamische Viskoelastizitätsmessung durch die gemeinsame
Betätigung
dieser Regler durchgeführt,
ist es möglich,
Einflüsse
wie Verwerfung aufgrund der Wärmedehnung
des Prüflings
und der Eigenspannung zu beseitigen und den beweglichen Mechanismus
in seiner ursprünglichen Lage
zu halten, wenn der Prüfling
nur eine geringe Rückstellkraft
hat. Des weiteren wird der Prüfling
gegen übermäßige Verzerrung
geschützt
und kann eine ideale Biege- oder Scherverzerrung aufrecht erhalten.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1, 1a ist
eine Schnittansicht eines dynamischen Messystems für die Viskoelastizität gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung sowie ein Blockschaltbild desselben.
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2 ist
eine schematische Darstellung des Konzepts der variablen Geschwindigkeiten
der Verzerrung und der Gleichstromkraft.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
Erfindung wird anhand der bevorzugten Ausführungsform beschrieben.
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Nunmehr
sei auf 1, 1a verwiesen,
in der Bezugszeichen 1 einen plattenförmigen Prüfling kennzeichnet, der einer
Viskoelastizitätsmessung des
Biegetyps unterworfen wird. Die Mittelebene der Biegeverzerrung
ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Mittelebene der
Biegung liegt in der Mitte in Richtung der Dicke des Prüflings und
verläuft
senkrecht zur Ebene des Zeichnungsblattes. Linke und rechte Prüflinghalter 2a und 2b für die Biegemessung sind
fest an einem Rahmen 14 angebracht, so dass sie in senkrechter
Richtung sehr steif sind. Bezugszeichen 3 kennzeichnet
eine Prüfling-Einspannvorrichtung.
Die Prüflinghalter 2a und 2b sind
indirekt über
den Prüfling 1 miteinander
gekoppelt, so dass sie die Viskoelastizitätsmessung des Prüflings 1 nicht nachteilig
beeinflussen. Da 1 eine Ausführungsform der Erfindung zeigt,
werden Prüfling,
Prüflinghalter
und Prüfling-Einspannvorrichtung
als typische Bauteile beschrieben. Erfindungsgemäß kann die Prüfling-Einspannvorrich tung 3 im
wesentlichen nahe ihrer Ausgangslage bezüglich des Prüflings 1 gehalten
werden, so dass die Mittelebene der Verformung der Biegeverformung
so wenig wie möglich
abweichen kann. Deshalb ist die Erfindung auch wirksam auf eine
dynamische Viskoelastizitätsmessung des
Freiträger-Biegetyps
oder des Schertyps anwendbar, wo eine Mittelebene der Verformung ähnlich der
bei der Messung des Biegetyps gegeben ist.
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Ein
zylindrischer Ofen 4 erwärmt oder kühlt den Bereich um den Prüfling 1,
um diesen auf eine bestimmte Temperatur einzuregeln. Ein Temperaturregler
(nicht dargestellt) regelt die Temperatur des Prüflings 1 auf einen
gewünschten
Wert ein. Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen dünnen und
steifen Metallstab, der mit einem Ende mit der Prüfling-Einspannvorrichtung 3 verbunden
ist. Ein Paar Metallfedern 6 sind fest an einem Halteelement 11 des
beweglichen Mechanismus befestigt, um den Stab 5 zu haltern
und die Blattfedern 6 elastisch zu lagern. Die Blattfedern 6 steuern
die federnde Bewegung des Stabes 5 in seiner Längsrichtung.
In 1 sind die Blattfedern 6 in Zickzack-Form dargestellt,
um zu verdeutlichen, dass es sich um Federn handelt. Die Blattfedern 6 sind
eigentlich Tellerfedern mit darin ausgebildeten Belüftungslöchern. Ein
zylindrischer Differentialtransformator 7 ist fest am Halteelement 11 des
beweglichen Mechanismus befestigt. Ein Kern ist an einem Teil des
Stabes 5 befestigt und wird vom Differentialtransformator 7 umgeben.
Als Reaktion auf die elektromagnetische Wirkung und die relative
Bewegung zwischen dem Differentialtransformator 7 und dem
Kern 8 wird eine Änderung
der relativen Stellungen des Stabes 5 und des Differentialtransformators 7 als
elektrisches Signal ausgegeben.
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Bezugszeichen 9 kennzeichnet
eine Spule, die fest an einem Ende des Stabes 5 angebracht
ist. Die Spule 9 wird von einem Dauermagneten 10 umgeben,
der fest am später
zu beschreibenden Halteelement 11 des beweglichen Mechanismus
angebracht ist, und auf den Stab 5 wegen der relativen elektromagnetischen
Akti vierung eine Wechsel- und eine Gleichstromkraft aufbringt. Sowohl
die Wechsel- als auch die Gleichstromkraft werden über die
Prüfling-Einspannvorrichtung 3 auf
den Prüfling 1 aufgebracht.
Die Spule 9 und der Dauermagnet 10 bilden einen
elektromagnetischen Kraftgenerator.
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Am
Halteelement 11 des beweglichen Mechanismus sind die Tellerfedern 6,
der Differentialtransformator 7 und der Dauermagnet 10 fest
gehaltert, und es ist mittels eines Lagers (nicht dargestellt) an
einer Kugelspindel 12 beweglich gelagert. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist das Halteelement 11 des beweglichen Mechanismus
(im Folgenden das "Halteelement 11") entlang der
Länge des
Stabes auf- und abwärts
beweglich, wobei es sich schrittweise bewegt, während der Viskoelastizitätsmessung
anhält
und sich dann schrittweise weiterbewegt. Mit anderen Worten, das
Halteelement 11 wiederholt seine schrittweise Bewegung.
Die Kugelspindel 12 ist mittels eines Lagers (nicht dargestellt)
am Rahmen 14 gelagert, mit einem Schrittmotor 13 gekoppelt
und verfährt
das Halteelement 11 entsprechend der Drehrichtung des Schrittmotors 13.
Der Rahmen 14 ist auf einer Prüfeinrichtung oder dgl. (nicht
dargestellt) auf eine solche Weise befestigt, dass der Stab 5 senkrecht
steht und die Prüfling-Einspannvorrichtung 3 eine
tiefere Stellung einnimmt als in 1 dargestellt.
Wahlweise kann der Rahmen 14 so gedreht werden, dass sich
die Prüfling-Einspannvorrichtung 3 in
der oberen Stellung befindet und der Stab 5 waagrecht verläuft. Des
weiteren haltert der Rahmen 14 die Prüflinghalter 2a und 3b,
so dass sie wie oben beschrieben fest in ihrer Lage bleiben.
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Eine
Detektorschaltung 21 für
die Verschiebung erfasst ein elektrisches Signal vom Differentialtransformator 7 als
Verzerrungssignal vom Prüfling 1. Ein
Wechselstromkraftgenerator 22 erzeugt auf elektrischem
Wege eine Wechselstromkraft, mit der der Prüfling 1 beaufschlagt
wird. Ein Gleichstromkraftgenerator 23 erzeugt auf elektrischem
Wege eine Gleichstromkraft, mit der der Prüfling 1 beaufschlagt wird.
Ein Addierer 24 synthetisiert die Wechselstromkraft und
die Gleichstromkraft elektrisch und liefert einen elektrischen Ausgang
an die Spule 9. Die Spule 9 erzeugt eine elektromagnetische
Kraft, die als dynamische Kraft auf den Prüfling 1 wirkt.
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Eine
Detektorschaltung 25 für
die Phasendifferenz vergleicht die vom Wechselstromkraftgenerator 22 erzeugte
Wechselstromkraft mit der Wechselstromverzerrung des Prüflings 1,
die von der Detektorschaltung 21 für die Verschiebung erfasst
wird, und erkennt eine Phasendifferenz, die sie ausgibt. Eine Schaltung 26 zur
Berechnung des Amplitudenverhältnisses
vergleicht die vom Wechselstromkraftgenerator 22 erzeugte
Wechselstromkraft mit der von der Detektorschaltung 21 für die Verschiebung
erfassten Wechselstromverzerrung des Prüflings 1, berechnet
das Verhältnis
der Amplitude der Wechselstromkraft mit der Verzerrungsamplitude
und gibt dieses aus. Die ausgegebene Phasendifferenz und das Amplitudenverhältnis werden
an eine von Rechnern (nicht dargestellt) gebildete Arbeitsstation übertragen und
als Viskoelastizitätdaten
des Prüflings 1 analysiert.
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Eine
Schaltung 27 zur Positionsmessung misst die Position des
Halteelements 11 des beweglichen Mechanismus auf Basis
der Drehwinkeldaten des Schrittmotors 13 und gibt ein Signal
aus, das für die
statische Verzerrung des Prüflings 1 repräsentativ
ist. Zur genauen Messung der statischen Verzerrung des Prüflings 1 ist
es erforderlich, sowohl den Betrag des Weges des Halteelements 11 des
beweglichen Mechanismus als auch das Verzerrungssignal von der Detektorschaltung 21 der
Verschiebung auszuwerten. Das Verzerrungssignal von der Detektorschaltung 21 der
Verschiebung wird jedoch entweder von einer Versatzabgleichschaltung 29 zur
Verwirklichung der Funktionen von Referenz 1 und 2 oder von einer
später
zu beschreibenden Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft
kontrolliert auf einem sehr kleinen Wert in der Größenordnung
von einigen Mikrometern gehalten. Das Verzerrungssignal entspricht
deshalb einem Wert zwischen etwa einigen Zehnfachen eines Mikrometers
und einigen Millimetern, so dass das Verzerrungssignal der Detektorschal tung 21 der
Verschiebung bei der Messung der statischen Verzerrung vernachlässigt werden
kann, die größer ist
als die Wechselstromverzerrung oder der Versatz.
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Eine
Schaltung 28 zur Bestimmung der selektiven Aktivierung
bzw. gemeinsamen Aktivierung bestimmt die selektive Aktivierung
oder gemeinsame Aktivierung des Reglers für die statische Verzerrung und
des Reglers für
die statische Spannung gemäß dem von
der Schaltung 27 zur Positionsmessung ausgegebenen Amplitudenverhältnis. Insbesondere bestimmt
die Schaltung 28 zur Bestimmung der selektiven Aktivierung
bzw. gemeinsamen Aktivierung (im Folgenden die "Schaltung 28"), ob entweder der Regler
für die
statische Verzerrung oder der Regler für die statische Spannung selektiv
aktiviert werden sollte, oder ob diese Regler auf Basis des Verhältnisses
der Amplitude der Wechselstromkraft (von der Schaltung 26 zur
Berechnung des Amplitudenverhältnisses
ausgegeben) zur Verzerrungsamplitude (von der Schaltung 26 zur
Berechnung des Amplitudenverhältnisses
ausgegeben) oder auf Basis der variablen Geschwindigkeit der statischen
Verzerrung, abgeleitet durch Differenzieren der statischen Verzerrung
nach der Zeit aus der Schaltung 27 zur Positionsmessung
gemeinsam aktiviert werden sollten. Die Schaltung 28 schickt
auf Basis des Ergebnisses Einstellanweisungen an die Versatzabgleichschaltung 29 und
an die Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft.
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Die
Versatzabgleichschaltung 29 gibt ein Signal aus, um das
Halteelement 11 effektiv zu bewegen, wodurch die Funktionen
von Referenz 1 und 2 ausgeführt
werden. Beim Einregeln der statischen Spannung arbeitet die Versatzabgleichschaltung 29 wie
in Referenz 1 und 2 beschrieben. Zum Einregeln der statischen Verzerrung
gibt die Versatzabgleichschaltung 29 ein Dauersignal zum
Stillsetzen des Halteelements 11 aus.
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Die
Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft weist den Gleichstromkraftgenerator 23 an,
eine entsprechende Ausgangskraft zu erzeugen. Beim Einregeln der
statischen Spannung gibt die Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft
Anweisung zum Erzeugen einer konstanten Gleichstromkraft, während beim
Einregeln der statischen Verzerrung die Abgleichschaltung 30 der
Gleichstromkraft Anweisung zum Erzeugen einer Gleichstromkraft gibt,
um den Ausgang der Detektorschaltung 21 für die Verschiebung
auf null zu senken.
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Die
Schaltung 28 arbeitet wie nachstehend beschrieben. Ist
der Prüfling
steif und hat er eine ausreichende Rückstellkraft, d.h. ist das
Amplitudenverhältnis
groß genug,
werden Referenz 1 und 2 angewendet, wodurch Einflüsse wie
Verwerfung aufgrund der Wärmedehnung
des Prüflings
oder der Eigenspannung beseitigt werden. Hierbei wird angenommen,
dass das Amplitudenverhältnis
größer als
ein vorgegebener Maximalwert ist, d.h. größer als in etwa die Summe der
Federkonstanten der beiden Tellerfedern 6. Die Schaltung 28 liefert
den Ausgang der Detektorschaltung 21 für die Verschiebung in unveränderter
Form an die Versatzabgleichschaltung 29 und gibt Anweisung,
das Haltelement 11 effektiv zu verschieben, damit die Viskoelastizität des Prüflings zuverlässig und
präzise
gemessen wird. Des weiteren weist die Schaltung 28 die
Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft an, die auf den
Prüfling 1 aufgebrachte
Gleichstromkraft auf null einzuregeln. In diesem Zustand bleibt
die im Prüfling 1 erzeugte statische
Verzerrung unverändert,
d.h. die statische Verzerrung wird nicht verändert. Andererseits hat die im
Prüfling 1 erzeugte
statische Verzerrung einen bestimmten Wert, da der Prüfling 1 mit
keiner Gleichstromkraft beaufschlagt wird. Die Schaltung 28,
die Versatzabgleichschaltung 29 und die Abgleichschaltung 30 der
Gleichstromkraft arbeiten deshalb wie der Regler für die statische
Spannung, wodurch die statische Spannung des Prüflings 1 auf einen
bestimmten Wert eingeregelt wird.
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Im
oben genannten Zustand wird auf den Prüfling keine Gleichstromkraft
ausgeübt.
Bei dem in 1 dargestellten Zustand erstreckt
sich der Stab 5 senkrecht, so dass eine Schwerkraft entsprechend der
Masse des Stabes 5, der Spule 9 und der Ein spannvorrichtung 3 für den Prüfling nach
unten wirkt. Der von der Spule 9 und dem Dauermagneten 10 gebildete
elektromagnetische Kraftgenerator erzeugt eine nach oben gerichtete
Gleichstromkraft, die ausreicht, um die Schwerkraft zu kompensieren.
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Wird
der Prüfling
bedingt durch Temperaturänderungen
oder dgl. sehr weich, d.h. ist das Amplitudenverhältnis sehr
klein, ist es möglich,
Einflüsse der
Verformungsspannung wie beispielsweise Verwerfung des Prüflings 1 aufgrund
der Wärmedehnung
oder Eigenspannung zu vernachlässigen.
Hier wird angenommen, dass das Amplitudenverhältnis kleiner als ein gegebener
Mindestwert ist, der z.B. etwas kleiner ist als der Maximalwert.
Die Schaltung 28 berücksichtigt
den Ausgang der Detektorschaltung 21 für die Verschiebung nicht, liefert
keinen Ausgang an die Versatzabgleichschaltung 29 und weist
die Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft an, den Prüfling 1 mit
einer geringen Gleichstromkraft zu beaufschlagen, wodurch der Versatz
des Verzerrungssignals auf null gehalten wird. In diesem Zustand
wird die statische Verzerrung des Prüflings 1 auf einen
bestimmten Wert eingeregelt, da der bewegliche Mechanismus in seiner
Lage verbleibt. Andererseits bleibt die statische Spannung des Prüflings 1 unverändert. Das
bedeutet, dass die Schaltung 28, die Versatzabgleichschaltung 29 und
die Abgleichschaltung 30 der Gleichstromkraft als Regler
für die
statische Verzerrung arbeiten, um die statische Verzerrung des Prüflings 1 auf
einem bestimmten Wert zu halten.
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2 zeigt
schematisch das Konzept des selektiven Betriebs und des gemeinsamen
Betriebs des Reglers für
die statische Verzerrung und des Reglers für die statische Spannung. Auf
der Abszisse ist die Zeit aufgetragen, und auf der Ordinate sind das
Amplitudenverhältnis
der Amplitude der Wechselstromkraft zur Verzerrungsamplitude, die
auf den Prüfling
ausgeübte
Gleichstromkraft, die statische Verzerrung, abgeleitet durch die
zeitliche Mittlung der schrittweisen Positionsänderung des beweglichen Mechanismus
und die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung, abgeleitet
durch Differenzieren der zeit lich gemittelten Positionsänderung
des beweglichen Mechanismus nach der Zeit aufgetragen.
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Wie
aus 2 zu ersehen ist, wird im Bereich 1 die auf den
Prüfling
aufgebrachte Gleichstromkraft durch den Regler für die statische Spannung auf
null eingeregelt, da der Prüfling
steif bleibt und das Amplitudenverhältnis größer ist als der Minimalwert.
Obwohl das Verzerrungssignal aufgrund der Verwerfung, bedingt durch
die Wärmedehnung
und Eigenspannung des Prüflings,
Versatz unterliegt, wird die Versatzabgleichschaltung aktiviert,
um den beweglichen Mechanismus zu verfahren, und beseitigt den Versatz
rasch. Als Ergebnis ändert
sich die statische Verzerrung.
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Im
Bereich 2 der 2 wird der Prüfling weich,
und das Amplitudenverhältnis
liegt unter dem Minimalwert. Dieser Zustand ist instabil und liegt
so lange vor, bis die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung
null wird, nachdem der bewegliche Mechanismus angehalten wurde.
Würde der
bewegliche Mechanismus abrupt angehalten, könnten in den Daten der gemessenen
Viskoelastizität
unregelmäßige Störungen oder
dgl. auftreten. Die variable Geschwindigkeit wird deshalb allmählich auf
null gesenkt. In diesem Zustand arbeiten der Regler für die statische
Verzerrung und der Regler für
die statische Spannung zusammen.
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Wie
aus 2 ersichtlich bleibt das Amplitudenverhältnis im
Bereich 3 über
dem Maximalwert. Der bewegliche Mechanismis wird daher vom Regler für die statische
Verzerrung nicht verfahren, und die variable Geschwindigkeit der
statischen Verzerrung ist null. Um den Versatz des Verzerrungssignals
auf null zu bringen, wird die Gleichstromkraft fein eingeregelt.
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Im
Bereich 4 geht die auf den Prüfling
aufgebracht Gleichstromkraft wieder auf null zurück, da der Prüfling steif
und das Amplitudenverhältnis
größer als
der Maximalwert wird. Würde
die Gleichstromkraft abrupt wieder auf null gebracht, könnten in den
Daten der gemessenen Viskoelastizität unregelmäßige Störungen oder dgl. auftreten.
Um dieses Phänomen
zu vermeiden, wird die Gleichstromkraft allmählich auf null zurückgeregelt.
Deshalb arbeiten im Bereich 4 der Regler für die statische Verzerrung
und der Regler für
die statische Spannung zusammen.
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Der
Bereich 5 ist identisch mit dem Bereich 1.
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Zwischen
den maximalen und minimalen Sollwerten besteht aus folgenden Gründen eine
Differenz, um eine unempfindliche Zone bereitzustellen. Sind der
maximale und minimale Sollwert gleich, und bleibt der Zustand des
Prüflings
nahe dieser Sollwerte, wird ein wiederholter Steuerungszustand unterbrochen,
die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung und die Gleichstromkraft
werden sehr instabil, und der Prüfling
wird unnötigerweise
zum Kriechen oder dgl. gebracht.
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Bei
dieser Ausführungsform
regelt die Schaltung 28 in den Bereichen 1, 3 und 5 entweder
die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung oder die
Gleichstromkraft auf null ein, indem der Regler für die statische
Spannung oder der Regler für
die statische Verzerrung selektiv aktiviert wird. In den Bereichen
2 und 4 wird entweder die variable Geschwindigkeit der statischen
Verzerrung oder die Gleichstromkraft auf einen kleinen Wert ungleich
null eingeregelt, was bedeutet, dass der Regler für die statische
Spannung und der Regler für
die statische Verzerrung zusammenarbeiten.
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Im
Bereich 2 wird die Gleichstromkraft variiert, um die variable Geschwindigkeit
der statischen Verzerrung allmählich
auf null zurückzubringen.
Als Absolutwert der variablen Geschwindigkeit der Gleichstromkraft
wird ein Maximalwert bestimmt. Des weiteren wird die variable Geschwindigkeit
der Gleichstromkraft so gesteuert, dass sie hoch ist, wenn die variable
Geschwindigkeit der statischen Verzerrung hoch ist. Umgekehrt wird
die variable Geschwindigkeit der Gleichstromkraft so gesteuert, dass
sie niedrig ist, wenn die variable Geschwin digkeit der statischen
Verzerrung niedrig ist. Es ist daher zeitaufwendig, den zuverlässigen Zustand
im Bereich 5 zu erreichen, der zur Unterdrückung abrupter Änderungen
der statischen Verzerrung wirksam ist.
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Von
einem in der Praxis einzusetzenden Messsystem wird nicht nur gefordert,
dass es die statische Verzerrung oder die statische Spannung gemäß einem
vorgegebenen Programm einregelt, das es ermöglicht, dass die statische
Verzerrung oder Spannung einen bestimmten Wert hat oder sich linear ändert, sondern
auch, dass es Funktionen hat, die eine Zusammenarbeit des Reglers
für die
statische Verzerrung und des Reglers für die statische Spannung in
Abhängigkeit
vom Zustand des Prüflings
ermöglichen
und die statische Verzerrung oder die statische Spannung allmählich stabilisieren.
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Wird
die in den Bereichen 2 und 4 angewandte Regeloperation auf den Bereich
3 angewandt, ist es möglich,
die variable Geschwindigkeit der statischen Verzerrung und der Gleichstromkraft auf
einen bestimmten sehr kleinen Wert, einschließlich null, oder so einzuregeln,
dass sie eine optimale funktionale Beziehung haben.
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Wie
oben beschrieben wendet das dynamische Messsystem zur Messung der
Viskoelastizität den
Stand der Technik für
die dynamische Messung der Viskoelastizität des Biege- oder Schertyps
an, verfügt über die
Einheit zur selektiven Bestimmung der Aktivierung entweder des Reglers
für die
statische Verzerrung zur Regelung der im Prüfling auftretenden statischen
Verzerrung oder des Reglers für die
statische Spannung zur Regelung der im Prüfling auftretenden statischen
Spannung bzw. zu deren gemeinsamen Aktivierung in Abhängigkeit
von einer Qualitätsänderung
des zu messenden Prüflings.
Es ist deshalb möglich,
Einflüsse
wie Verwerfung aufgrund der Wärmedehnung
des Prüflings
oder der Eigenspannung zu vermeiden. Dadurch wird eine übermäßige Verzerrung
des Prüflings
verhindert, und die ideale Biege- oder Scherverformung kann aufrechterhalten
werden.