Knackfrosch, Frage an die Maschbauer hier

Hallo,
ich habe ein paar Versuche mit einem Gerät gemacht, das so ähnlich funktioniert, wie diese Spielzeug Knackfrösche. Es handelt sich um einen zylindrischen Körper, bei dem an dem einen Ende ein Stift herausragt. Wie das Innenleben aussieht weiss ich nicht.
Gibt man eine Kraft > 42N auf den Stift, "knackt" es, d.h. wenn diese Mindestkraft überschritten wird, bricht der Widerstand zusammen und der Stift läßt sich leicht hineindrücksen. Läßt man ihn los, springt er zurück.
Wenn man die Kraft langsam erhöht, knackt es bei 42N.
Wenn ich aber mit einem gleichförmig bewegten Kolben ( ca. 4mm/s) auf den Stift zufahre, knackt es bereits bei ca. 27N.
Ich habe jetzt meine Auswertesoftware so geändert, dass ich eine F f(t) Kurve aufzeichnen kann. So wie es aussieht, steigt die Kraft bei Berührung steil an, die Kurve wird kurz vor dem Maximum flacher und bricht dann erwartungsgemäß zusammen.
Das ganze ist reproduzierbar. Die Schwankungen betragen weniger als 0,5N.
Jetzt habe ich ein ca. 3mm mm dickes Stück Styropor zwischen Kraftaufnehmer und dem Boden des Gerätes gelegt. Damit messe ich maximale Kräfte von ca. 35N.
Die Abtastrate müsste hoch genug sein, es sei denn, der Knackfrosch hat eine Charakteristik, die erst steil ansteigt, dann abflacht und dann einen sehr kurzen Peak aufweist.
Auf jeden Fall scheint es einen Unterschied zu machen, ob ich die Kraft langsam ansteigen lasse, oder ob ich mit konstantem Vorschub arbeite.
Hat jemand eine Erklärung für dieses Phänomen?
Gruß
Stefan DF9BI

Am 05.04.2011 20:49, schrieb Stefan:
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Als erstes würde ich mal meine Messapparatur genauestens unter die Lupe nehmen. Hast du wohl schon gemacht. Ob genau genug, weiß ich allerdings nicht.
Wenn du dich wirklich auf dein Messzeug verlassen kannst, dann liegt die Vermutung nahe, dass irgendwo im System hochmolekulares Zeug verbaut ist. Irgendwelche Kunststoffe zum Beispiel. Die gibt's ja teilweise mit den verrücktesten Eigenschaften.
Wenn's auch das nicht ist, fällt mir im Moment auch nichts ein.

Am 05.04.2011 21:25, schrieb Christoph Müller:
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Das Problem ist, dass ich die Messaparatur selbst gebaut habe und nun mit ähnlichen Apparaturen vergleichen will. Dabei treten Unterschiede auf. Messen will ich eigentlich nur die Maximalkraft, also die Kraft, bei der der Knackfrosch knackt.
Der Knackfrosch simuliert dabei ein Objekt, dass normalerweise mit der Messapparatur zerbrochen wird. Vorteil des Knackfrosches ist dabei, dass man die Messung wiederholen kann.
Das Phänomen ist nun, dass Messungen mit den echten Prüfobjekten ca. 15% höhere Werte liefern als Messungen mit einem Vergleichsgerät. Messungen mit dem Knackfrosch aber um ca. 30% geringere Werte.
Eine Vermutung war, dass meine Abtastrate zu langsam ist. Ich habe deshalb mal die Werte während der Messung gespeichert und anschließend ausgegeben. Dabei stelle ich einen relativ langsamen Verlauf meiner Kurve fest, also keinen spitzen Peak oder sowas. Außerdem ist die Wiederholgenauigkeit sehr gut (Abweichungen < 2%). Wenn die Abtastrate zu gering wäre, müssten die Abweichungen größer sein.
Eine Möglichkeit wäre jetzt, dass das mechanische System zu langsam reagiert, also dass das System bestehend aus DMS Kraftaufnehmer und Verstärker eine zu geringe Grenzfrequenz aufweist und so den Peak verfälscht. Ich werde wohl mal die Vorschubgeschwindigkeit reduzieren...

Am 06.04.2011 09:05, schrieb Stefan Brröring:
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Eine gute Idee. Gleichzeitig wär's vielleicht auch noch sinnvoll, nach der bewegten Masse und dessen Beschleunigung zu fragen. Beschleunigte Massen können ja erhebliche Kräfte mit sich bringen. Das Blöde dabei: treffen sie auf harte Gegenstände, sind die Wege extrem kurz und die Beschleunigungen selbst bei geringen Geschwindigkeiten verdammt hoch. Sowas kriegst du nicht mehr mit normaler Schätzung gebacken. Das musst du beinhart durchrechnen.

Am 06.04.2011 11:29, schrieb Christoph Müller:
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Nachtrag: Versuche, die Annäherungsbeschleunigung ganz aus dem System zu kriegen. Also im Schleichgang heranfahren. Wenn Prüfobjekt und Prüfspitze elektrisch leitend sind, kannst du das mit einem Durchgangsprüfer messen. Erst, wenn der mechanische Kontakt gegeben ist, allmählich Kraft drauf geben. Kannst auch auf den ersten Zuckerer deines Kraftsensors warten. Dann das System ANHALTEN! Warten, bis sich alles beruhigt hat. Dann allmählich Kraft drauf geben.

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Nein, das geht nicht, aber ich kann das Prüfobjekt an den Kraftsensor anlegen. Es müsste einen Unterschied machen, ob das Prüfobjekt erst beschleunigt wird und dann gegen den Kraftsensor gedrückt wird, oder ob es anliegt und der Kolben gegen das Objekt drückt. Im zweiten Fall muss das Objekt (M = 65g) beschleunigt werden, im ersten Fall nicht. Dazu kann ich die Messaparatur auf die Seite legen, d.h. senkrecht messen und dann waagerecht. Wenn es keinen signifikanten Unterschied macht, dürfte das egal sein.
Das Prüfobjekt ist leider nicht elektrisch leitend.
Es hat aber eine gewisse Elastizität, d.h. es bricht bei einer Verformung von ca. 0,4mm. Diese Verformung wird 1/10 s nach Kontakt erreicht. Meine Masse würde also in 0,1s von 4mm/s auf 0 abgebremst, macht a = 40mm / s2. Das mit 65g multipliziert macht ca. 2,6N.
Die Abweichungen liegen aber bei ca. 15N.
Ich überlege gerade, ob es sein kann, dass das Prüfobjekt erst abgebremst wird, dann zum Stillstand kommt und dann erst gebrochen wird. Dann könnte es sein, dass ich den Bruch selbst nicht mitbekomme...
Ist aber Quatsch, das Hauptproblem ist der Knackfrosch. Und ist vermutlich weniger elastisch, wie die eigentlichen Prüfobjekte.

Am 06.04.2011 15:15, schrieb Stefan Brröring:
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Du belastest also bis zum Bruch. Das könnte schon Einiges erklären. Insbesondere, wenn organische Chemie im Spiel ist. Diese ist fast immer geschwindigkeitsabhängig. Das kann erhebliche Ausmaße annehmen. Deutlich wird es z.B. an einer speziellen Kinderknete, die man wie Plastilin verarbeiten kann. Wirfst du sie mit Schmackes auf dem Boden verhält sie sich überhaupt nicht mehr plastisch, sonder elastisch wie ein Superball. Lässt du das Zeug liegen, fließt es auseinander. Macht sich auf Tischdecken und Teppichen besonders gut (duck und weg...).
Der nächste Spaß, den dir die organische Chemie zu bieten hat: Sie ist sehr stark temperaturabhängig. Auch die Form der Prüfspitze selbst hat sicher noch erheblichen Einfluss auf deine Messergebnisse. Wenn's dumm geht, sogar noch der Werkstoff.
  Quoted Text Here  
Der dürfte aus Metall sein. Schau' dir mal seine Einbauverhältnisse etwas genauer an. Da könnte der Hase im Pfeffer liegen.

  Quoted Text Here  
Es handelt sich konkret um Hühnereier. Der Knackfrosch ist sozusagen ein Eiersimulator. Das Ding stammt habe ich aber nicht gebaut sondern ein Kollege.
  Quoted Text Here  
Schon klar.
  Quoted Text Here  
Ich will den nicht öffnen, ist ein Leihgerät. Aber das Innenleben wird wohl aus Metall sein. Das Gehäuse ist Kunststoff, aber vermutlich nicht so elastisch, wie ein Ei.

Was hältst du davon, einfach deinen Prüfaufbau zu beschreiben und den zur Norm zu erklären? Nach Prüfbau xy ist die Bruchkraft z N oder so. Erspart dir jede Menge Rumgemache. Blöd nur, wenn's schon so eine Norm gibt und deine Kiste andere Ergebnisse liefert.

X-No-Archive: Yes
begin quoting, Stefan Brröring schrieb:
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Wie wär's denn mal mit einer "direkten" Kraftmessung, also zwischen den Prüfapparatus und den Frosch noch eine Schraubenfeder als Kraftmesser schalten? Dann kann man die Verformung der Feder filmen und den daraus abgeleiteten Zeitverlauf mit den digitalen Aufzeichnungen vergleichen. (Ja, *ganz* andere Federkennlinie, ist klar...)
  Quoted Text Here  
*Nach* dem Maximum kriegst Du sicher keine vernünftigen Werte mehr, weil der Frosch blitzartig wegschnappt, aber bis dahin sollte es passen. Es sei denn, die Kraft steigt im letzten Moment so stark und schnell an, daß der Kraftmesser abtastfrequenzmäßig nicht mehr mitkommt. Dagegen hilft ggf. auch kein langsamer Vorschub, sondern nur ein gaaaanz langsamer...
Gruß aus Bremen Ralf

  Quoted Text Here  
Ich messe die Spannung am DMS. Das ist dann schon die direkte Kraftmessung. Da habe ich auch direkten Zugriff auf die Software, insofern erübrigt sich das.
  Quoted Text Here  
Kommt drauf an, ob nach dem ersten Maximum noch ein weiteres kommt. Ich stoppe die Messung, wenn die Kraft um ca. 2 N abfällt.

X-No-Archive: Yes
begin quoting, Stefan schrieb:
  Quoted Text Here  
Es erübrigt sich gar nichts, Du hast unplausible Meßwerte und weißt nicht, warum - da wirst Du schon bei Adam und Eva anfangen und Dir eine unabhängige Referenz hernehmen müssen.
DMS ist eigentlich niederohmig, da sollte nicht so viel schiefgehen können. (Mach aber wenigstens mal ein Speicheroszi mit dran, ob es dasselbe anzeigt wie Dein Programm.)
Wilde Vermutung: Ist irgendwas magnetisch, fängst Du Dir bei der Bewegung oder Verformung des Objekts Induktionsspannungen ein? Einfach mal Meßprogramm einschalten und mit einem Magneten in der Landschaft und am Sensor rumwedeln, ob der "zuckt".
Du schriebst, daß dein Knackfrosch nichtleitend ist: Irgendwelche Influenzgeschichten, Piezoelektrizität?
Häng mal ein Fadenpendel auf und fahr dagegen: Die Rückstellkraft muß hybsch proportional zur Auslenkung ein. Und dann kleb den Knackfrosch davor und mach das Ganze nochmal. (Du mußt nicht den Sensor verfahren, Du kannst auch die Pendelaufhängung verfahren.) Irgendwo muß der Kinken schließlich sein.
Gruß aus Bremen Ralf

  Quoted Text Here  
Der Sensor funktioniert schon mit hinreichender Genauigkeit. Ich kann quasi statisch die Kraft messen indem ich den Kraftaufnehmer mit Gewichten belaste.
Es geht tatsächlich um diese spezielle Dynamik.
Wie schon geschrieben, der Effekt ist so, dass bei einer statischen Belastung das Ding bei 42N auslöst. In meinem Gerät messe ich 27N. Mit einer Feder (in dem Fall etwas Schaumstoff) steigt der Wert auf 35N.
Eine Erklärung wäre, dass der Sensor incl. Messverstärker zu langsam reagiert, also dass der Kraftanstieg zu steil ist und von der Tiefpasscharakteristik des Sensors und des Messverstärkers abgeflacht wird. Dann dürfte es aber meiner Meinung nach keine Abflachung der Kurve kurz vor dem Maximum geben.
Ich z.B. etwa solche Werte, z.B.:
100 200 300 500 800 1500 1800 2200 2500 2650 2700 2600 2200
2700 entspricht dabei 27N. Tatsächlich taste ich 10x so oft ab wie dargestellt, aber das delta F nimmt kurz vor dem Maximum deutlich ab.

X-No-Archive: Yes
begin quoting, Stefan Brröring schrieb:
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Schonmal gut.
  Quoted Text Here  
Dann brauchst Du also etwas, das Dir definierbare Kraftverläufe vorgebbarer Frequenz erzeugt. Eine definierte Auslenkung bekommt man leicht hin - die Frage wäre, wie man daraus eine Kraft macht: Mit einem Federelement z. B. Das sit nun wieder nicht masselos, weswegen man die Kraft nur indirekt über eine zusätzliche Rechnung bekommt, die das dynamische Verhalten der Feder beschreibt - ok, ist ein bißchen blöd.
Wie würde eine möglichst massearme Feder aussehen? Ich tät' dafür Gas nehmen. Also einen Zylinder (Stück Rohr, gewinkelt), ein Ende mit einer halbsteifen Membrane (Fahrradreifengummi) verschlossen, in der Mitte der Membrane etwas Hartes, was gegen den Kraftaufnehmer drückt. Das abgewinkelte Ende des Rohrs taucht in eine Flüssigkeit, die durch einen geeigneten Mechanismus relativ schnell im Rohr definiert auf- und abbewegt werden kann, wodurch sich über die definierten Volumenänderungen definierte Druck- und damit Kraftänderungen ergeben.
Und genau die hat Dein Meßsystem anzuzeigen.
Durch Frequenzänderung kannst Du den Frequenzgang des Systems bestimmen und schauen, ob es einen Bug gibt.
Gruß aus Bremen Ralf

Am 06.04.2011 09:05, schrieb Stefan Brröring:
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Ich hab die Grenzfrequenz meines Messverstärkers erhöht. Jetzt liefert der Knackfrosch den "richtigen" Wert.
Bei den Hühnereiern hat sich praktisch nichts geändert. Die Schale ist wesentlich "elastischer" wie der Knackfrosch, dadurch der Kraftanstieg entsprechend langsamer.
Also für die eigentliche Messung scheint es mit dem ursprünglichen Aufbau zu gehen, aber der Knackfrosch ist wohl als Modell für die Eierschale ungeeignet. Mit einer zusätzlichen Feder dürfte das aber wieder passen.
Danke nochmal an alle für die Denkanstöße
Gruß
Stefan

  Quoted Text Here  
Jetzt wirkt vielleicht das Styropor wie eine zusätzliche Feder, die auch noch eine veränderliche Federkonstante hat. Dass jetzt eine andere Kraft notwendig ist, wundert mich also nicht.
Vielleicht ist es bei Deiner Versuchsapparatur so, dass es bei größer werdender Kraft immer wieder zu "absoluten" Stillständen Deines Innenlebens kommt. Um diesen Stillstand dann zu überwinden, sind größere Kräfte notwendig als beim konstanten Bewegen (Ich meine hier so etwas wie den Unterschied von Haft- zu Gleitreibung). Wenn Du mit konstantem Vorschub arbeitest unterliegt die Apparatur nicht diesem "Stillstandsphänomen". Nur so'ne Idee.

Am 06.04.2011 07:44, schrieb Heiner Veelken:
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Nein, das kann es nicht sein. Die Feder ist mit dem Knackfrosch in "Reihe geschaltet". Da wirkt zumindest im quasistatischen Fall überall dieselbe Kraft. Theoretisch könnte die Beschleunigung des Gerätes eine zusätzliche Kraft bewirken, aber dann müsste ich einen Unterschied sehen, je nachdem ob ich das Ding vom Kolben gegen den Kraftaufnehmer schieben lasse, oder ob ich es an den Kraftaufnehmer anlege und dann den Kolben dagegen schiebe.
  Quoted Text Here  
Nein, die inneren Kräfte addieren sich nicht.

  Quoted Text Here  
Hi, suche mal nach "Haftreibung, Gleitreibung".

  Quoted Text Here  
An vielleicht sowas in der Art dachte ich ja auch. Nur habe ich es nicht so auführlich beschrieben:-)

  Quoted Text Here  
Ja, der Effekt stellt sich so ähnlich dar, aber ich bin mir nicht sicher, ob es physikalisch etwas ähnliches ist.
Es geht konkret um die Bruchfestigkeit von Hühnereiern. Eingesetzt wird das zur Optimierung des Futters und in der Zucht. Ziel ist, die Menge an Knickeiern zu verringern.
Gruß
Stefan