DE4309530C2 - Vorrichtung für die dynamisch-mechanische Analyse von Probenkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die dynamisch-mecha­ nische Analyse von Probenkörpern mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1.

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist als solches be­ kannt. Mit ihr werden mechanische Eigenschaften einer Probe quantitativ in Abhängigkeit von zum Beispiel der Temperatur, Zeit und Frequenz einer aufgebrachten, oszillierenden Belastung bestimmt. Bei der dynamisch-mechanischen Analyse wird auf den zu untersuchenden Probekörper eine sich gemäß einer vorge­ gebenen Zeitfunktion ändernde Kraft (beispielsweise eine sinus­ förmige Kraft) als sogenannte Erregerfunktion aufgegeben. Die aus dieser Kraftaufbringung resultierende Auslenkung (des Probenkörpers bzw. des auf diesen einwirkenden kraftübertragen­ den Stempels) enthält Informationen über den Speichermodul E′ und den dynamischen Verlustfaktor tan δ. Die vorstehend genannte Auslenkung des Probenkörpers ist die sogenannte Antwortfunktion auf die zeitabhängige Kraftaufbringung (Erregerfunktion).

Die Antwortfunktion kann dann analysiert werden, um Informatio­ nen über den Probenkörper zu gewinnen.

Während einer dynamisch-mechanischen Analyse kann die Tempera­ tur des Probenkörpers verändert werden. Zum Beispiel zeigt eine starke Veränderung des viskoelastischen Verhaltens in einem be­ stimmten Temperaturbereich einen Übergang im untersuchten Ma­ terial an. Insbesondere Glasumwandlungstemperaturen lassen sich mit der DMA sehr empfindlich messen. Auch werden sogenannte se­ kundäre Relaxationsvorgänge sichtbar.

Untersuchen lassen sich mit der DMA insbesondere Polymere, ke­ ramische Materialien und Metalle.

Um die oben definierte Antwortfunktion, also die Auslenkung des Probenkörpers bzw. des kraftübertragenden Stempels zu gewinnen, ist eine genaue Wegmessung erforderlich. Hierzu sind im Stand der Technik bereits Wegaufnehmer bekannt, deren Weg (und somit die Verformung des Probenkörpers) vermessen und an einen Rech­ ner übertragen wird.

Die US-A-2,568,596 beschreibt eine Meßvorrichtung, bei der die Messung in einem einzigen Hub durchgeführt wird. Es erfolgt keine oszillierende Krafterzeugung.

Die DE 29 35 118 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen einer mechanischen Eigenschaft eines elastischen Materials, bei der ein Metallblech an seinen beiden Enden mit einem Gehäuse verbunden ist und in einem zentralen Bereich ein Befestigungs­ element trägt. Zwischen dem Befestigungselement und einem Halteelement ist eine Testprobe angeordnet.

Die US-A-5,154,085 beschreibt eine dynamische Meßvorrichtung für die Viskoelastizität. Ein Dehnungsmesser ist vorgesehen, um die Änderungen der Länge eines Probenkörpers zu messen. Der Probenkörper wird einer elektromagnetisch erzeugten Kraft ausgesetzt. Mittels einer Bewegungseinrichtung wird der elektro­ magnetische Kraftgenerator bewegt und die Bewegung wird vermes­ sen.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Vorrichtung für die dynamisch-mechanische Analyse von Probenkörpern zu schaffen, die in einfacher Weise eine genaue und wenig störanfällige Weg­ messung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.

Bei einer Kraftübertragung auf den Probenkörper mittels des Stempels verbiegen sich die Biegearme, welche somit die Funk­ tion von Federelementen haben. Die Verbiegung und somit die Dehnung bzw. Stauchung der Randbereiche des Biegearmes liefert ein direktes Maß für die Auslenkung des Biegearmes aus seiner Ruhestellung und damit für den Weg des Stempels, der wiederum direkt der Verformung des Probenkörpers entspricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen daß auf jedem der Biegearme zumindest zwei Dehnungsmesser senkrecht zur Stempelbewegung nebeneinander angeordnet sind.

Unter einem "Dehnungsmesser" ist ein Gerät zur Messung der re­ lativen Verlängerung oder Verkürzung von Bauteilen und Werk­ stoffen, die diese zum Beispiel unter dem Einfluß einer Last oder einer Temperaturänderung erfahren, zu verstehen. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Dehnungsmesser bekannt, so kann eine Dehnungsmessung mechanisch, elektrisch, optisch und auch piezoelektrisch erfolgen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind als Dehnungsmesser sogenannte Dehnungsmeßstreifen vorgesehen. Deh­ nungsmeßstreifen (DMS) sind Streifen zum Messen von Dehnungen bzw. Verkürzungen. Sie bestehen üblicherweise aus einem iso­ lierenden Träger, auf dem ein elektrischer Widerstand aufge­ bracht ist. Bei einer Längenänderung ändert sich der Widerstand und dessen Messung entspricht somit einer Messung der Längen­ änderung. Eine Dehnungsmeßstreifen-Anordnung ist z. B. aus der DE 28 37 448 C2 bekannt. Dort wird auch die im Stand der Technik häufig verwendete Brückenschaltung für die Widerstands­ messung beschrieben.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur Verwendung in einem dynamisch-mechanischen Analysator vorge­ sehen, daß die Dehnungsmeßstreifen in einer Brückenschaltung geschaltet sind, die mit Gleichspannung betrieben wird. Mit einer solchen Anordnung, bei der die Dehnung mit vier Deh­ nungsmeßstreifen, die als Vollbrücke geschaltet sind, gemessen wird, kann bei einem Betrieb mit Gleichspannung eine Filterung, wie etwa bei einer Demodulation einer Trägerfrequenz, entfallen und es ergeben sich bei der dynamischen Wegmessung keine fre­ quenzabhängigen Phasenfehler.

Die weiter unten näher beschriebene Anordnung von vier Dehnungs­ meßstreifen ermöglicht eine thermisch gute Koppelung der einzelnen Dehnungsmeßstreifen, wodurch thermische Einflüsse auf die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung weitgehend kompensiert werden können. Die thermisch gute Koppelung erfolgt insbesondere durch Verbindungsblöcke zwischen den Biegearmen aus gut leitendem Material.

Auch ermöglicht eine Anordnung gemäß den Fig. 2 und 3 von je­ weils zwei Dehnungsmeßstreifen auf zwei Biegeschenkeln, daß störende Einflüsse von eventuell auftretenden Torsionen am Biegearm um die Längsachse keinen negativen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Auch ist es möglich, die Empfindlichkeit der Messung dadurch zu variieren und auf das gegebene Meßproblem abzustellen, daß die Dicke des Biegearmes entsprechend eingestellt wird. Dabei kann die Empfindlichkeit der Meßanordnung durch gezieltes Verjüngen der Biegearme an bestimmten Teilabschnitten deutlich erhöht werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung für die dynamisch-mecha­ nische Analyse von Probenkörpern;

Fig. 2-6 unterschiedliche Ausgestaltungen von Wegaufnehmern; und

Fig. 7 ein Schaltbild für eine Brückenschaltung von vier Dehnungsmeßstreifen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung für die dynamisch-mechanische Analyse.

Eine Krafterzeugungseinrichtung 10 erzeugt eine oszillierende Kraft und weist beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Solenoid auf, dessen Anker 12 entsprechend einem elektrischen Kraftsignal, welches auf der Leitung 38 eingegeben wird, in Richtung des Pfeiles P₁ oszilliert.

Die Krafterzeugungseinrichtung 10 ist in einem Schlitten 14 an­ geordnet, der in einem Rahmen 16 gelagert ist. Die Relativstel­ lung zwischen dem Schlitten 14 und dem Rahmen 16 ist entspre­ chend dem Pfeil P₂ einstellbar, und zwar mittels eines Schritt­ motors 18, der seine Steuersignale über eine Leitung 44 erhält.

Bei einer Messung bewegt sich der Schlitten 14 in bezug auf den Rahmen 16 nicht, d. h. in einer einmal mittels des Schrittmotors 18 eingestellten Stellung ist der Schlitten 14 als ortsfest an­ zusehen und der Anker 12 der Krafterzeugungseinrichtung 10 be­ wegt sich in bezug auf den Schlitten 14 entsprechend dem Dop­ pelpfeil P₁.

Die Kraft, die oszillierend entsprechend dem Doppelpfeil P₁ von der Krafterzeugungseinrichtung 10 erzeugt wird, wird mittels eines Stempels 22 auf einen zu untersuchenden Probenkörper 24 übertragen. Die Kraftfunktion ergibt sich aus den elektrischen Daten der Krafterzeugungseinrichtung 10, also insbesondere aus dem über die Leitung 38 eingegebenen sogenannten Kraftsignal, welches das Solenoid steuert. Der Stempel 22 führt in Fig. 1 eine oszillierende Bewegung nach unten bzw. oben aus, die zum einen von der Kraft abhängt und zum anderen von den mechani­ schen Eigenschaften des Probenkörpers 24, insbesondere dessen Speichermodul E′ und dessen dynamischem Verlustfaktor tan δ. Dies ist als solches bekannt.

Um die Auslenkung des Probenkörpers 24 zu messen, ist der Stem­ pel 22 fest mit einem Wegaufnehmer 20 verbunden. Der erfin­ dungsgemäße vorgesehene Wegaufnehmer 20 wird weiter unten näher erläutert.

Weiterhin zeigt Fig. 1 einen Halter 26 für den Probenkörper 24 und eine Temperiereinrichtung 28, mit der die Temperatur des Probenkörpers 24 gesteuert werden kann. Die Auslenkung des Pro­ benkörpers ist in Fig. 1 schematisch durch den Pfeil 30 ange­ deutet. Ein Thermoelement 32 mißt die Temperatur des Proben­ körpers 24 und ein weiteres Thermoelement 34 mißt die Tempera­ tur der Temperiereinrichtung 28, so daß die Temperatur des Pro­ benkörpers 24 steuerbar ist.

Eine Steuerung 42 erzeugt das Kraftsteuersignal, welches über die Leitung 38 zur Krafterzeugungseinrichtung 10 abgegeben wird. Weiterhin nimmt die Steuerung 42 das Wegaufnehmersignal über die Leitung 40 an.

Eine Steuerung 52 steuert und regelt die Temperiereinrichtung 28. Eine weitere Steuerung 54 steuert über eine Leitung 44 den Schrittmotor 18 und erhält über eine Leitung 46 die Signale des Probenthermoelementes 32. Ein Rechner 56 dient der Überwachung und Auswertung der Messung.

Wie oben bereits erläutert ist, setzt die Krafterzeugungsein­ richtung 10 das über die Leitung 38 erhaltene elektrische Sig­ nal in eine Kraft um, die über den Stempel 22 auf den Proben­ körper 24 übertragen wird. Die vom Wegaufnehmer 20 registrierte Position des Stempels stellt die resultierende Auslenkung der Probe 24 dar. Der weiter unten näher beschriebene Wegaufnehmer gibt das Wegsignal des Stempels 22 sehr empfindlich und auch bei höheren Frequenzen nahezu unverzerrt und ohne Zeitverzöge­ rung wieder.

Wie oben bereits erläutert ist, ist die Krafterzeugungseinrich­ tung 10 mittels des Schrittmotores 18 gegen die Probenhalterung 26 vertikal verschiebbar. Damit lassen sich Vorspannungen auf die Proben 24 aufbringen und eine Anpassung an unterschiedliche Probendicken ist leicht möglich.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Wegaufnehmern 20.

Gemäß Fig. 2 besteht der Wegaufnehmer 20 dieses Ausführungsbei­ spieles im wesentlichen aus zwei Armen 60, 62. In bezug auf die Richtung der oszillierenden Kraft, die in Fig. 1 durch den Dop­ pelpfeil P₁ angegeben ist, weist der Wegaufnehmer 20 gemäß Fig. 2 einen oberen Biegearm 60 und einen unteren Biegearm 62 auf, d. h. in bezug auf die Längsachse des Stempels 22 (Doppel­ pfeil P₁) ist ein Biegearm 60 näher an der Krafterzeugungsein­ richtung 10 angeordnet, während der andere Biegearm 62 näher am Probenkörper 24 angeordnet ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist das aus den beiden Biegearmen 60, 62 gebildete Federelement auf der einen Seite fest mit dem Schlitten 14 (welcher während einer Messung ortsfest ist) verbunden, während das andere Ende der beiden Biegearme starr mit dem Stempel 22 verbunden ist, der in den Fig. 2 bis 6 schematisch angedeutet und dessen oszillierende Bewegung durch Pfeile dargestellt ist.

Zwischen den beiden Biegearmen 60, 62 ist ein Hohlraum 64 frei.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Wegaufnehmer 20 gemäß Fig. 2 von oben. Danach sind auf dem oberen Biegearm 60 nebeneinander zwei Dehnungsmeßstreifen 66a, 66b befestigt. Analog sind auf dem unteren Biegearm zwei Dehnungsmeßstreifen angeordnet, von denen in Fig. 2 nur der vordere Dehnungsmeßstreifen 68a gezeigt ist. Aus den Fig. 2 und 3 ist auch die relative räumliche An­ ordnung der Dehnungsmeßstreifen in bezug auf die Bewegung des Stempels 22 zu entnehmen, d. h. bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Dehnungsmeßstreifen jeweils auf beiden Biegearmen 60 bzw. 62 angeordnet, und zwar so, daß die zwei auf einem Arm angeordneten Dehnungsmeßstreifen jeweils senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung des Stempels nebeneinander und mit im wesent­ lichen gleichem Abstand zur Längsachse des Bewegungsstempels 22 positioniert sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem auf dem oberen Biegearm 60 zwei Dehnungsmeßstreifen 66a und 70a befestigt sind. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Wegaufneh­ mer gemäß Fig. 4 von oben. Danach sind die beiden Dehnungsmeß­ streifen 66a, 70a senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stempels 22 angeordnet, jedoch mit unterschiedlichem Abstand zur Längs­ achse des Stempels 22.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Biegearme, wobei die Biegearme 60, 62 so ausgestaltet sind, daß sie in denjeni­ gen Bereichen, in denen die Dehnungsmeßstreifen 66a bzw. 68a befestigt sind, Verjüngungen 74, 76 aufweisen zur Erhöhung des Auslenkungs/Dehnungsverhältnisses. In den Verjüngungsbereichen 74, 76 weisen die Biegearme also einen geringeren Durchmesser auf.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen der Wegaufnehmer 20 gemäß den Fig. 2 bis 6 bewirkt eine Stempelbewegung eine Ver­ biegung der Biegearme 60, 62 und somit eine Längenänderung der Dehnungsmeßstreifen. Die Dehnungsmeßstreifen sind jeweils in die Randbereiche der Biegearme integriert und ihre Längenände­ rung ist ein direktes Maß für die Bewegung des Stempels und damit die Auslenkung der Probe 24.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die jeweils verwendeten mehreren Dehnungsmeßstreifen thermisch gut gekop­ pelt. Für die Biegearme eignet sich insbesondere ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit. Wie dargestellt ist, wei­ sen die Biegearme jeweils Verbindungskörper 80, 82 auf, die eine hohe mechanische Stabilität und einen guten thermischen Kontakt zwischen den Dehnungsmeßstreifen gewährleisten. An einem Ende des Wegaufnehmers 20 ist der Verbindungskörper 80 mit dem Schlitten 14 verbunden, während der andere Verbindungs­ körper 82 am anderen Ende des Wegaufnehmers 20 den Stempel 22 aufnimmt.

Wenn auf beiden Biegeschenkeln jeweils zwei Dehnungsmeßstreifen nebeneinander angebracht sind (Fig. 2, 3), kann der Einfluß einer eventuell auftretenden Torsion der Biegearme um ihre Längsachse kompensiert werden.

Fig. 7 zeigt eine Brückenschaltung für die Dehnungsmeßstreifen gemäß den Fig. 2 und 3. Die Brücke wird mit Gleichspannung be­ trieben, so daß eine Filterung, wie sie z. B. bei einer Demodu­ lation einer Trägerfrequenz auftritt, entfällt. Somit ergeben sich bei einer dynamischen Wegmessung keine frequenzabhängigen Phasenfehler. Ein Abgleichwiderstand R_A dient der Einstellung der Meßbrücke. Ein Differenzverstärker 84 nimmt das Brücken­ signal auf und gibt eine Differenzspannung U_A in bezug auf das Massepotential ab.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die dynamisch-mechanische Analyse von Probenkörpern mit

• - einer eine oszillierende Kraft erzeugenden Krafterzeugungs­ einrichtung (10),
• - einem Stempel (22) zum Übertragen der von der Krafterzeu­ gungseinrichtung (10) erzeugten Kraft auf den Probenkörper (24),
• - und mit einem Wegaufnehmer (20) mit Biegearmen (60, 62) mit jeweils Dehnungsmessern (66, 68, 70,72) zum Messen des Weges des Stempels (22) bei der Kraftübertragung, wobei
• - die Biegearme (60, 62) an einem Ende jeweils ortsfest gelagert sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - zwei Biegearme (60, 62) vorgesehen sind,
• - die an den anderen Enden jeweils starr mit dem Stempel (22) verbunden sind, und
• - die in Richtung der Bewegung des Stempels (22) fluchtend hintereinander mit Abstand angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem der Biegearme (60, 62) zumindest zwei Dehnungsmesser in Richtung senkrecht zur Stempelbewegung nebeneinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Dehnungsmesser (66, 68, 70, 72) Dehnungsmeßstreifen vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeß­ streifen in einer Brückenschaltung geschaltet sind, die mit Gleichspannung betrieben wird.