DE2800844B2 - Kondensator zur Messung von Kräften - Google Patents
Kondensator zur Messung von KräftenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator mit mindestens zwei, jeweils durch ein elastisches
Dielektrikum aus Gummi und/oder Kunststoff voneinander getrennten Elektroden zur Messung von auf eine
der Elektroden — die sogenannte Meßelektrode — einwirkenden Kräften durch Erfassen der daraus
resultierenden Kapazitätsänderung und mit mehreren Hohlräumen im Dielektrikum.
Ein bei der Verformung des elastischen Dielektrikums auftretendes grundsätzliches Problem liegt insbesondere bei großflächigen Kondensatoreinheiten in der
eingeschränkten Querdehnungsmöglichkeit von an Druck- und gegenüberliegender Grundfläche eingespannten Gummikörpern. Die auf die Druckfläche
angreifende Kraft wird dabei in zwei Komponenten, nämlich in eine in Verformungsrichtung verlaufende und
eine dazu in normaler — also in zu den Elektroden paralleler Richtung — verlaufende zerlegt Diese in
Elektrodenrichtung verlaufende Kraft verursacht die Querdehnung des elastischen Dielektrikums und beeinflußt damit der Größe des Verformungs- und damit des
Meßbereiches.
Aus der DE-OS 19 16 496 ist ein entsprechender Kondensator bekannt, bei dem durch in den Elektroden
angeordneten Hohlräumen für das Dielektrikum eine günstigere Querdehnungsmöglichkeit erreicht wird. Da
in diesem Falle die Hohlräume in den Elektroden zur Aufnahme von verformten! Material des Dielektrikums
dienen, muß das Volumen der Hohlräume mindestens gleich groß der bei maximaler Belastung des Kondensators folgenden Verformung sein, d. h, daß entweder der
Durchmesser der Hohlräume bei geringer Dicke der Elektroden sehr groß oder die Dicke bei kleinem
Lochdurchmesser groß sein muß. Im erstgenannten Fall kommt es jedoch zu einer Schwächung der Elektrodenplatte in bezug auf die Festigkeit, im letzteren zu einer
für ein genaues Meßergebnis ungünstig hohen Steifigkeit Außerdem ist der Kräftefluß im Dielektrikum
äußerst ungünstig, da die von der auf den Kondensator einwirkenden Kraff abgeleitete, in Elektrodenfichtüiig
wirkende Querdehnungskraft im Bereich der Hohlräume noch einmal umgelenkt wird, die nun in zur
messenden Kraft entgegengesetzter Richtung verläuft.
Eine gewisse Verbesserung dieser genannten Nachteile wurde durch eine noppenförmige Ausgestaltung
einer der beiden Elektrodenkontaktflächen des Dielektrikums erreicht (DE-AS 24 48 398). Mit einer Verbesserung des Kräfteflusses im Dielektrikum treten jedoch
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Nachteile in der Stabilität des Dielektrikums bezüglich
auf die Elektroden einwirkender Schubkräfte auf, d h, daß jede nicht exakt senkrecht auf die Elektrode
auftreffende Kraft durch den in Schubkräfte umgewandelten Verlust nur ungenau gemessen werden kann.
Ein besonderes Problem, insbesondere in Hinsicht auf
die Messung von dynamischen Kräften, liegt in der Nichtlinearität der Druckverformungskennlir.ie eines
gummielastischen Dielektrikums im Anfangsbereich, wobei insbesondere der letzte Teil der Rückverformung
in einer relativ langen Zeitdauer erfolgt, so daß die Genauigkeit einer Messung von kurz aufeinander
folgenden Kräften mit zunehmender Frequenz abnimmt Zeitlich rasch aufeinanderfolgende, in ihrer
Größe etwa gleiche Krafdmpulse werden nur mehr in Form einer durch eine statische Belastung hervorgerufenen gleichmäßigen Kapazitätsänderung wahrgenommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Gestaltung eines
eingangs geschilderten Kondensators zur Messung von Kräften unter Ausschließung aller genannte? Nachteile,
die die Querdehnungsmöglichkeit betreffen, eine annähernde Linearisierung der vom Verhältnis des auf den
Kondensator aufgebrachten Druckes zur Verformung abhängigen Druckverfonnungskennünien zur Optimierung der Meßgenauigkeit nicht nur in bezug auf die
Bestimmung des Maximalwertes des einwirkenden Druckes, sondern insbesondere zur exakten Bestimmung des gesamten zeitlichen Kraftverlaufes, sowie
insbesondere ein dynamisches Verhalten des Kondensators, welches in einer Zeitdauer von Millisekunden
nacheinander auf die Meßelektrode einwirkende Kräfte noch deutlich voneinander unterscheiden kann.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, daß in diesen Hohlräumen ein im Vergleich zum Normaldruck
geringerer Druck herrscht.
Durch die erfindungsgemäß erreichte Vorkomprimierung des Dielektrikums wird der nichtlineare Anteil der
Druckverfemiungskennlinie größtenteils eliminiert, so
daß das dynamische Verhalten des Kondensators beträchtlich verbessert wird, und jegliche Entstehungsmöglichkeit von die Genauigkeit des Meßergebnisses
beeinflussenden Nachschwingungen unterbunden ist
Die Unterdruck aufweisenden Hohlräume ermöglichen auch im Zentrum des Dielektrikums durch
Verformung eine den Randzonen gleiche Querdehnung, wodurch über den gesamten Bereich des Dielektrikums
ein homogener Deformationswiderstand und damit im gesamten Meßflächentrereich reproduzierbare Ergebnisse erreicht werden können.
Die größere Querdehnungsmöglichkeit führt auch zu
einer Erhöhung der Kompressibilität des Dielektrikums, so daß der Meßbereich und damit die Empfindlichkeit
erhöht ist
Durch den Unterdruck in den Hohlräumen wird infolge des größeren Außendruckes eine Vorkomprimierung des Dielektrikums im unbelasteten Zustand
erreicht, wodurch der Beginn des Meßbereiches — die sogenannte Nullpunktlage — aus dem bis zu 5 · 104 Pa
reichenden relativ nicht linearem Anfängsbereich in einen linearen Bereichangehoben wird.
Zusätzlich kann durch den Unterdruck jedoch auch der restliche Bereich der Verformungskennlinie insofern positiv beeinflußt werden, als der im Stadium einer
fortgeschrittenen Verformung immer größer werdende, durch die Gasverdichtrng in den Hohlräumen verursachte Widerstand eliminiert ist.
dung beträgt der Druck in den Hohlräumen weniger als
0,9 bar, wobei mit zunehmendem Unterdruck der durch Verschieben der Nullpunktlage eliminierte Anfangsbereich der Druckverformungskennlinie immer größer,
sowie das dynamische Verhalten optimiert wird. Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang,
wenn der Druck in den Hohlräumen weniger als 0,8 bar beträgt
Material des Dielektrikums und/oder die den Hohlräumen zugewandte Elektrodenoberfläche im wesentlichen
frei von leicht flüchtigen Bestandteilen, so ist auch für eine längere Gebrauchsdauer gewährleistet, daß der
Hohlraumunterdruck konstant bleibt und nicht etwa
!5 durch Verdampfen von niedrigsiedenden Bestandteilen
verringert wird. Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß das zwischen den
Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums durch einen Kleber mit den Elektroden verbunden ist,
der frei von leicht flüchtigen Bestandteilen ist. Eine gute Verbindung der Elektroden mit dem Diclektrikummaterial ist auch für eine Verringerung der Hysterese von
Bedeutung, da diese Verbindung mitbestimmend für das — im Querschnitt des Dielektrikums gesehen —
ausgeprägt parabelförmige Kräfteprofil ist, wobei im
Bereich der Verbindung die Schubkräfte annähernd null sind und zur Mitte hin ständig zunehmen. Das
Schubkraftmaximum in der Mitte wirkt sofort nach Wegfall der Verformungsbeiastung als in umgekehrter
Richtung wirkende Feder, wobei während der Rückverformung nur intermolekulare Reibung zur Wirkung
kommt Jede die Hysterese vergrößernde Reibung zwischen Elektrode und dem zwischen den Hohlräumen
befindlichen Material des Dielektrikums soll durch die
Durch eine optimale Verbindung des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums
mit der Elektrode kann auch die hohe Elastizität der Stahlelektrode insofern ausgenützt werden, als die — im
elastischen Bereich — deformierte Elektrode mit dem "sogenannten Membraneneffekt das deformierte Dielektrikummaterial bei der Rückverformung infolge der
bedeutend kürzeren Rückverformungszei: mitreißt, wodurch die Hysterese weiters in beträchtlichem Maße
verringert werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sowohl in bezug auf die notwendige Gleichmäßigkeit der
Klebeschicht als auch in bezug auf die Durchführung der Verklebung sieht vor, daß das zwischen den Hohlräu
men befindliche ftfaterial des Dielektrikums mit den
Elektroden durch eine beidseitig klebende Fclie verbunden ist
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann im Falle der Verwendung von
Gummi als zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums dieser mit den Elektroden
durch Vulkanisation verbunden sein. Dabei fällt das Problem einer gleichmäßigen Klebeschicht zur Gänze
weg. Zusätzlich ergibt sich eine deutliche Linearisierung
der Verformungskennlinien im Bereich des Belastungsmaximums, wo es bei Verwendung eines Klebers durch
dessen Fließen zu einer Krümmung kommt.
Für das Maß der Verformung des Dielektrikums und damit auch zur Erzielung eines exakten Meßergebnisses
von besonderer Bedeutung ist das Verhältnis der mit den Elektroden in Berührung stehenden Oberfläche des
Dielektrikums zur Mantelfläche der Hohlräume. Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß dieses
Verhältnis der mit den Elektroden in Berührung stehenden Oberfläche des Dielektrikums zur Mantelfläche
der Hohlräume — als Formfaktor bezeichnet — etwa 0,2 bis etwa 0,7 beträgt. Ein Formfaktor über 0,7
würde bedeuten, daß der Verformungsweg und damit j der Meßbereich sehr klein sind, wodurch die Genauigkeit
der Meßergebnisse in der Biomechanik, wo die Deformation des Dielektrikums gering ist, beeinträchtigt
ist. Außerdem ist eine Linearisierung der Verformungskennlinien bei einem Formfaktor ober 0,7 nur in
sehr schwer in den Griff zu bekommen.
Eine Überschreitung der unteren Grenze von etwa 0,3 würde zwar eine weitere Vergrößerung des
Meßbereiches zur Folge haben, es ist dabei jedoch das Verhältnis von Steghöhe zu Stegbreite der zwischen r.
den Hohlräumen befindlichen Stege derart ungünstig, daß es bei Verformung zu Knickungen und damit zu
nien kommen kann. Eine Weiterbildung der Erfindung für biomechanische Messungen sieht daher sogar vor, m
daß der Formfaktor etwa OJ bis etwa 0,5 beträgt. Um
den kontinuierlichen Verlauf der Verformungskennlinie zu sichern, kann gemäß einer weiteren Ausbildung der
Erfindung die kleinste Stegbreite zwischen zwei Hohlräumen etwa gleich wie die Steghöhe sein. >ϊ
Dadurch ist eine unerwünschte Knickung der Stege hinangehalten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung bezieht sich auf die Verringerung der bei
Verformung im Dielektrikum auftretenden Querdeh- m nungskräfte und besteht darin, daß das zwischen den
Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums zellige Struktur aufweist. Das hat zur Folge, daß sich
zusätzlich zu den Hohlräumen die vorzugsweise offenen Zellen ebenfalls komprimieren lassen, so daß bei π
gleichbleibendem Formfaktor der Verformungsweg beträchtlich erhöht werden kann.
Durch konvexe Wölbung der Mantelfläche der zylinderförmigen Hohlräume lassen sich gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung die insbesondere im unmittelbaren Verformungsbereich der
Mantelfläche auftretenden Schub- und Zugspannungen verringern, wodurch sich die Druckverformungskennlinie
besonders im Endbereich linearisieren läßL
Eine Rückprallelastizität des zwischen den Hohlräumen befindlichen Materials des Dielektrikums von über
etwa 70%. vorzugsweise über etwa 80% — gemessen nach DIN 53 512 - ist gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung insbesondere für die Minimierung der Hysterese vorteilhaft. Ebenso ist es vorteilhaft wenn so
das zwischen den Hohlräumen befindliche Material des Dielektrikums einen Druckverformungsrest von weniger
als etwa 5%, vorzugsweise weniger als 3% — gemessen nach DIN 53 517 — aufweist wobei das
Ermüdungsverhalten des Dielektrikums günstig beein- 5ί
flußt wird.
Die durch die spezielle Formgebung des Dielektrikums erzielbare Optimierung der Meßgenauigkeit kann
durch Verwendung eines wenig geeigneten Elektrodenmaterials ungünstig beeinflußt werden. Aus diesem &o
Grund soll insbesondere bei relativ geringen Drücken die durch die zu messende Kraft beaufschlagte
Meßelektrode aus hochelastischem Stahl mit einer Streckgrenze von über etwa 900 N/mm2 und einer
Dicke von etwa 0,1 bis etwa 0,8 mm bestehen. Dadurch
kann bei die Flexibilität erhöhender, geringer Dicke — die außerdem durch die geringe Masse die Rückverformungszeit
verkürzt — infolge der hohen Streckgrenze trotzdem eine bleibende Verformung ausgeschlossen
werden. Die sehr kurze Rückverformungszeit von hochelastischem Stahl bewirkt außerdem durch den
bereits genannten Membraneneffekt eine Reduzierung der Hysterese.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann wenigstens eine Elektrode aus elektrisch
leitendem Gummi oder Kunststoff bestehen, so daß sowohl Elektroden als auch Dielektrikum in ihren
chemischen und vor allem mechanischen Eigenschaften nahezu identisch sind und sich Flächen höherer
Ordnung ohne Schwierigkeiten formen lassen. Die Verbindung von Elektrode zu Dielektrikum kann
homogen und ohne Zuhilfenahme eines Klebers durch Vulkanisation erfolgen, so daß das Problem des
Kleberfließens besonders im Belastungsmaximum wegfällt.
Gemäß einer weiteren Weiterbi!dimg dpr Erfindung
ist es vorteilhaft, wenn die Hohlräume luftdicht voneinander getrennt sind, wodurch das im Bereich der
deformierten Stellen der Meßelektrode in den Hohlräumen befindliche Gas nicht in die übrigen Hohlräume
verdrängt und dort durch Druckaufbau den Elektrodenabstand vergrößern und damit das Meßergebnis
beeinflussen kann.
Verfahl en zur Messung von zeitlich — sowie innerhalb 'her vorgegebenen Fläche örtlich — zufällig
auftretenden Kräften werden unter anderem zur Messung von Achslasten bzw. der Fahrzeugfrequenz auf
Strsißen. der Krafteinwirkung eines Bewegungsablaufes
oder dergleichen herangezogen. Während im erstgenannten Anwendungsfall nur das Maximum der
Verformung — welches dem Gewicht des Fahrzeuges bzw. dem Achsdruck entspricht — von Interesse ist,
wird bei der Frequenzmessung nur ein durch die Belastung des Kondensators hervorgerufener Impuls
geziihlt. Bei sämtlichen Meßdurchführungen ist es notwendig, daß nach Wegfall der einwirkenden
Kraftkomponente sofort wieder die Ausgangsstellung — die sogenannte Nullpunktlage — vorliegt, um auch
eine der ersten Kraftkomponente unmittelbar folgende weitere und in ihrer Größe kleinere Kraftkomponente
messen zu können. Aus diesem Grund werden bekannte Kraftmeßvorrichtungen, bei denen eine absolut starre
Meßplatte an ihren Eckpunkten auf Quarzkristallen in Form einer starren Brückenkonstruktion gelagert ist
und deren auf die Meßplatte einwirkenden Kräfte aufgrund des piezoelektrischen Effektes gemessen
werden, in ihrer Meßfläche relativ klein dimensioniert, wodurch einerseits die die Dynamik der Meßvorgä ge
beeinträchtigende Massenträgheit der Meßplatte für die bereits erwähnte Erfassung von Maximalwerten bei
einem für diesen Zweck zu akzeptierenden Meßfehler von einigen Prozenten noch unbedeutend ist und
andererseits auch die nach Entlastung der Meßplatte eintretenden Nachschwingungen noch kontrollierbar
und ohne besonderen Einfluß auf das Meßergebnis sind.
Die Konsequenzen, die sich aus der kleinen Dimensioniening der Meßfläche ergeben, liegen insbesondere
auf dem Gebiet der Sporttechnik, Biomechanik, Orthopädie, Ergonomie etc. in der vorgegebenen
räumlichen Einschränkung des zu überprüfenden Bewegungsablaufes und der daraus resultierenden
Abweichung vom natürlichen Bewegungsablauf.
Eine Messung mit einem eriindungsgemäSen Kondensator
kann erfolgen, indem die zu messenden Kräfte auf eine der vorgegebenen Fläche entsprechende
Meßelektrode des Kondensators einwirken gelassen
werden, wobei der zeitliche Verlauf der der Krafteinwirkung entsprechenden Kapazitätsänderung des Kondensators
aufgezeichnet wird.
Durch die exakte Aufzeichnung des dem gesamten, auf den Kondensator einwirkenden Kraftimpulsverlauf
entsprechenden Kraft-Zeit-Verhältnisses in Form der K-.iazitätsänderung über die Zeit lassen sich Diagnoseuniersuchungen
sowie Therapiekontrollen bei motorischen Schäden, Untersuchungen über eine optimale
Arbeitsplatzgestaltung durch individuell angepaßte Arbeitsbedingungen und dergleichen durchführen, wobei
aufgrund der hohen Meßempfindlichkeit, eines großen Meßbereiches von einigen N/cm2 bis 700 N/cm2
und eines relativ geringen Meßfehlers von wenigen Prozenten schon zwischen geringfügigen Änderungen
in der Intensität von mehreren Kraftkomponenten unterschieden werden kann.
Die im Vergleich zur gps.imtpn Knnrjpnsaiornäche
nur geringe, etwa der doppelten bis etwa der dreifachen Kraftauflagefläche entsprechende Verformungsfläche
des Kondensators bewirkt infolge der entsprechend geringen Elektrodenmasse eine flinke Rückstellung des
deformierten Bereiches in die Nullpunktlage, so daß selbst im Zeitablauf sich schnell ändernde Kraftkomponenten
deutlich in Erscheinung treten und einen Bewegungsablauf präzise analysieren lassen, indem die
der Deformation des Kondensators entsprechende Kapazitätsänderung in Form eines den Bewegungsablauf
kennzeichnenden Kraft-Zeit-Verhältnisses erfaßt un'i aufgezeichnet wird.
Die partielle Verformung des Kondensators mit den daraus resultierenden Vorteilen macht die Meßmethode
unabhängig von der Größe der Meßfläche, wodurch sämtliche das Meßergebnis beeinträchtigende Einschränkungen
zeitlicher, räumlicher und psychologischer Natur eliminiert sind.
So kann beispielsweise bei einem Weitsprung der gesamte Kräfteverlauf vom Beginn des Anlaufes bis
zum Absprung erfaßt und analysiert werden, wenn der genannte Anlauf auf einem entsprechend lang ausgebildeten
Kondensator erfolgt.
Andere Einsatzmöglichkeiten der Erfindung sind beispielsweise auf dem Gebiet der Ergonomie zur
Verbesserung der Arbeitsplatzbedingungen, die Optimierung von Strömung verursachenden Formen, Zustandsüberwachung
von Bauwerken, insbesondere Brücken, Messung von Achslasten oder dergleichen zu finden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert:
Es zeigen Fig. 1, 2 und 13 jeweils eine Ansicht des Kondensators, Fig.4 einen Querschnitt, Fig.3 die
Aufsicht eines Dielektrikums, die Fig.5 bis 10 jeweils
eine Druckverformungskennlinie eines elastischen Probekörpers, Fig. 12 eine vorteilhafte elektronische
Meßanordnung zur Erfassung der zu der Kapazitätsänderung
analogen Signale sowie F i g. 11 den Kraftverlauf eines Balles.
Das an Ober- und Unterseite von den Elektroden 2 und 3 bedeckte Dielektrikum 4 weist entsprechend einer
bevorzugten Ausführung zylinderförmige Hohlräume 5 auf, die zur Verkleinerung des Formfaktors und damit
zur Erhöhung der Kompressibilität des Dielektrikums 4 führen. Dies hat nicht nur eine Erhöhung des
Meßbereiches zur Folge, sondern trägt auch zur Linearisierung der Druckverformungskennlinie bei.
Insbesondere der Beginn dieser Druckverformungskennlinie ist durch teilweise Evakuierung des in den
gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen befindlichen gasförmigen Mediums noch zusätzlich weitgehend
linearisiert. Der dabei auftretende Unterdruck liegt vorzugsweise zwischen 0,3 bis etwa 0,7 bar. Durch den
Unterdruck wird eine Vorkomprimierung des Dielektrikums 4 in unbelastetem Zustand der Elektroden 2, 3
erreicht, so daß in bezug auf die Linearität des Kraft-Verformungsverhältnisses der besonders kritische
Anfangsbereich der Druckverformungskennlinic in das Ergebnis überhaupt nicht eingehl und eine
dynamische Kraftmessung exakt durchgeführt werden kann.
Um etwa bei verschieden hohen Standorten des Kondensators das Meßergebnis nicht durch einen
verschieden hohen Luftdruck zu verfälschen, kann ein von der Meßfläche getrennter Kondensator derart in
die Schaltungsanordnung integriert sein, daß Luft-
Die in F i g. 2 gezeigte Möglichkeit der Querschnittsgestaltung der durch das Dielektrikum hindurch
verlaufenden Hohlräume 5a ist sowohl material- wie anwendungsabhängig.
So ist beispielsweise die Anordnung der Hohlräume in zu den Elektroden 2, 3 paralleler Richtung (Fig. 2)
vorteilhafter für die Erfassung von Maximalwerten, während die zu den Elektroden normale Richtung der
Hohlräume für die Beobachtung des gesamten Kraft-Zeitverhältnisses, sowie die Vorkomprimierung des
Dielektrikums geeigneter ist.
In Fig. 3 ist eine für die Erzielung eines über den gesamten Querschnitt des Dielektrikums homogenen
Deformationswiderstandes optimale Verteilung der zu den Elektroden 2,3 in normaler Richtung verlaufenden,
gleich großen Hohlräumen 5 dargestellt. Der Abstand der einen Hohlraum unmittelbar umgebenden Hohlräume
sowohl zueinander, als auch in bezug auf den geschlossenen Hohlraum ist stets gleich, wodurch auch
die zwischen den Hohlräumen befindliche, minimale Stegbreite Simmer konstant ist.
Die einer Deformation widerstandsleistende Druckfläche D — die um die Hohlraumfläche verminderte
Fläche des Dielektrikums — errechnet sich demnach wie folgt:
D= -
+ S)2 - R2 ■ τ
Diese Druckfläche D im Verhältnis zur Mantelfläche
— IRtiH (Dicke des Dielektrikums) — wird als
so Formfaktor bezeichnet und ist neben dem, von der Druckfläche D abhängigen Deformationswiderstand
des Dielektrikums auch ein Maß für den im wesentlichen von der Dicke abhängigen Meßbereich.
Die Messung der Kapazitätsänderung störende Einflüsse können durch Ausbildung eines Faradayschen
Käfigs eliminiert werden. Eine bevorzugte Ausführungsform besteht gemäß Fig.4 darin, daß um die
Bezugselektrode 3 eine mit der oberen, von der zu messenden Kraft beaufschlagten Meßelektrode 2
leitend verbundene, geerdete Metallfolie 8 geführt ist. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses muß zwischen
unterer Elektrode 3 und der Metallfolie 8 eine elektrische Isolierung vorgenommen werden. Vorteilhafterweise
kann dies durch Anordnung der für die Versteifung des Kondensators erforderüehen Unterlage
9 erreicht werden.
Die Unterlage 9 besteht zweckmäßigerweise aus in Kunstharz eingegossenen gitterförmig angeordneten
Profilen aus Kunststoff, wodurch einerseits ein möglichst geringes Gewicht und andererseits eine sehr hohe
Biegesteifigkeit erzielt werden. Die Biegesteifigkeit ist insofern von besonderer Bedeutung, als zur Schonung
der Verbindung von Elektrode und Dielektrikum, die bei einer etwa durch handischen Transport einer großflächigen
Meßeinhei' folgenden Durchbiegung besonderer Beanspruchung uiierworfen wird, Schubspannungen in
Richtung der Elektroden 2, J unbedingt vermieden werden müssen.
Eine weitere Möglichkeit einer besonders biegesteifen Platte für diesen Zweck wäre beispielsweise eine
glasfaserverstärkte Polyesterplatte.
Die in F i g. 5 bis 9 gezeigten Druckverformungskennlinien ein und derselben Naturkautschukmischung
unterscheiden sich ganz beträchtlich durch verschiedenste Einflüsse, wie Formfaktor, Verklebung oder
dergleichen.
Die Diagramme zeigen an der Abszisse die Verformung in Prozenten bezogen auf die ursprüngliche
Dicke der Probekörper, die Ordinate zeigt die Höhe des aufgewendeten Druckes in daN/cm*.
Die Proben der in den Fig.5 bis 7 gezeigten Druck Verformungskennlinien sind jeweils 10 mm dick,
zwischen zwei Elektrodenplatten, die jedoch nicht mit dem Probekörper verklebt sind, eingespannt und weisen
keine Hohlräume auf. Der Unterschied liegt im vom Verhältnis Druckfläche zur dazu normalen Fläche des
Probekörpers abhängigen Formfaktor, der in F i g. 5 0,5, in den weiteren Figuren 0,75 und 1,0 beträgt.
Jedes Diagramm weist zwei Linien auf, von denen die mit a bezeichneten den Druckverformungsverlauf
während der Verformung, jene mit b bezeichneten den genannten Verlauf während der Rückverformung des
Probekörpers aufzeigt. Die Differenz der beiden dazu integrierten Flächen wird als Hystereseverlust oder
auch als Dämpfung bezeichnet.
Die Kennlinien zeigen grundsätzlich das Problem der Nichtlinearität insbesondere im Anfangsbereich und der
daraus resultierenden, für ein exaktes Meßergebnis und insbesondere für die Erfassung des gesamten Kraft-Zeityerlaufs
zu vergleichenden Beobachtungen auf dem Gebiet der Biomechanik sehr nachteiligen Nichtproportionalität
des Verhältnisses der Kraft zur jeweils dazu auftretenden Kapazitätsänderung. Von in der Tragweite
noch größerem Nachieil ist die bedeutend höhere Abweichung der Entformungslinie b von der Linearität
und insbesondere von der Verformungslinie a.
Die Gründe dieses nicht linearen Verlaufes der Druckverformungskennlinien und der Hysterese liegen
in der aus ineinander verknäulten Kettenmolekülen bestehenden Struktur der Kautschuke und Elastomere
und sind daher von dieser Seite aus nicht zu eliminieren. Durch Änderung des Formfaktors, verschiedenartigste
Formung der das Dielektrikum durchsetzenden Hohlräume, durch teilweise Evakuierung der Luft aus den
gasdicht abgeschlossenen Hohlräumen und dergleichen kann das zur Verformungsrichtung verlaufende Quer-
10
dehnungsverhalteii lerart beeinflußt werden, daß eine
weitestgehende Linearisierung sowohl der Ver- als auch der EntformungskiTve erreicht ist.
Wie die Kennlinien der Fig. 5 bis 7 deutlich zeigen.
■5 verbessert sich die Linearität ganz beträchtlich allein durch Verkleinerung des Formfaktors, d. h. entweder
bei gleichbleibender Dicke des Dielektrikums durch Verkleinerung der Druckfläche oder bei gleichbleibender
Druckfläche durch Vergrößerung der Dicke, bzw. η durch eine sinnvolle Kombination beider Merkmale.
Die Verformungskennlinien der F i g. 8 und ° sind die
eines mit Hohlräumen versehenen Probekörpers. Man kann eine gewisse Linearisicrungstendenz bereits nur
durch das Vorsehen geeigneter Hohlräume erreichen. Ί Um einen in der Praxis ausreichenden Effekt zu erzielen,
ist jedoch - wie gemäß Fig. IO - eine teilweise Evakuierung des in den Hohlräumen befindlichen Gases
erforderlich, so daß ein Unterdruck von z. B. 0,5 bar entsteht.
ι Eine bevorzugte Meßanordnung zur Erfassung, Aufzeichnung und Speicherung der von der Kapazitätsänderung
abgeleiteten Analogsignale ist in Fig. 12 dargestellt.
Die von der zu erfassenden, auf die Meßelektrode 2 einwirkenden Kraft abhängige Kapazitätsänderung ruft
auf der Trägerfrequenzbrücke TF einen unabgeglichenen Zustand hervor. Das Ausgangssignal kann entweder
sofort am Oszilloskop und/oder am Schreiber aufgezeichnet werden. Eine weitere Möglichkeit, die insbesondere
für die Biomechanik von Bedeutung ist, besteht in der Speicherung der im Analog-Digital-Wandler A/D
umgewandelten Digitalsignale. Auf diese Weise ist eine Dehnung und damit eine präzise Auswertung der
Kraft-Zeit-Kurve möglich. Der Mikroprozessor CPU dient als Steuerung und kann das Meßergebnis
verschiedensten Verwendungszwecken des Kondensators entsprechend modifizieren.
In Fig. 11 ist der durch Aufschlagen eines Balles mit
einer Masse von etwa 0,5 kg auf den erfindungsgemäßen Kondensator verursachte Kräfteverlauf gegenüber
der Zeit dargestellt. Die Aufschlaggeschwindigi*eit des Balles betrug 44,8 km/h, die Dauer der Einwirkung auf
den Kondensator etwa 8 Millisek, wobei der symmetrische Verlauf der Kurve - erreicht im wesentlichen
durch Eliminierung des nicht linearen Anfangsbereiches der Belastungskennlinie sowie durch Linearisierung der
Entlastungskennlinie — von besonderer Bedeutung ist.
Besonders erwähnenswert ist auch die äußerst kurze Erholungszeit von etwa 4 Millisekunden, wonach fast
zur Gänze die Verformung abgebaut ist. Diese kurze Erholungs- bzw. Rückverformungszeit ist insbesondere
durch die Vorkomprimierung und den genannten Membraneneffekt erzielbar.
Ein insbesondere bei Sportlern geschätzter Vorteil der Biomechanik liegt in der Trainingsmöglichkeit eines
als optimal erkannten Bewegungsablaufes, der durch ständige Beobachtung des Kraft-Zeit-Verhältnisses am
Oszilloskop erlernt werden kann.
Hierzu 7 Blatt Zeichnun«cn
Claims (18)
1. Kondensator mit mindestens swei, jeweils durch
ein elastisches Dielektrikum aus Gummi und/oder s Kunststoff voneinander getrennten Elektroden zur
Messung von auf eine der Elektroden — die sogenannte Meßelektrode — einwirkenden Kräften
durch Erfassen der daraus resultierenden Kapazitätsänderung und mit mehreren Hohlräumen im
Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen Hohlräumen (5) ein im Vergleich zum
Normaldruck geringerer Druck herrscht
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck weniger als 0,9 bar ;s
beträgt
3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck weniger als 0,8 bar
beträgt ,
4. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des
Dielektrikums (4) und/oder die den Hohlräumen (5) zugewandte Elektrodenoberfläche im-wesentlichen
frei von leicht flüchtigen Bestandteilen sind.
5. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen
(5) befindliche Material des Dielektrikums (4) durch einen Kleber mit den Elektroden (2,3) verbunden ist
der frei von !eicht flüchtigen Bestandteilen ist
6. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß das zw&chen den Hohlräumen
(5) befindliche Material des Dielektrikums (4) mit den Elektroden (2,3) durch ein., beidseitig klebende
Folie verbunden ist
7. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen
(5) befindliche Material des Dielektrikums (4) mit den Elektroden (2,3) durch Vulkanisation verbunden
ist -to
8. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der mit den Elektroden (2, 3) in Berührung
stehenden Oberfläche des Dieiektrikums (4) zur Mantelfläche der Hohlräume (5) — als Formfaktor
bezeichnet - etwa 0,2 bis etwa 0,7 beträgt.
9. Kondensator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formfaktor etwa 03 bis
etwa 04 beträgt
10. Kondensator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch so
gekennzeichnet, daß die kleinste Stegbreite (S) zwischen zwei Hohlräumen (5) etwa gleich ist wie
die Steghöhe. „
f 1. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwisehen den Hohlräumen (5) befindliche Material des
Dielektrikums (4) zellige Struktur aufweist
12. Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche der zylinder
förmigen Hohlrlume (5) konvex gewölbt ist. <
>o
13. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des
Dielektrikums (4) eine Rückprallelastizität von über
etwa 70% — gemessen nach DIN 53 512 — aufweist.
14. Kondensator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die RiU kprallelastizität über
etwa 80% beträgt.
15. Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den Hohlräumen (5) befindliche Material des
Dielektrikums (4) einen Druckverformungsrest von weniger als etwa 5% — gemessen nach DlN 53 517
— aufweist
16. Kondensator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverforuiüngsrest
weniger als etwa 3% beträgt.
17. Kondensator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode aus elektrisch leitendem Gummi oder
Kunststoff besteht
18. Kondensator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Hohlräume (5) luftdicht voneinander getrennt sind.
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