Anwendungsbeispiele zu den Versuchen

 Begleitende Unterlagen zum Physikalisches Praktikum für Studierende der Holzwirtschaft Anwendungsbeispiele zu den Versuchen März 2013 Die nachfolgend zusammengestellten Anwendungsbeispiele sollen die jeweiligen Versuche des Physikalischen Praktikums für Studierende der Holzwirtschaft ergänzen und dessen In‐
halte anhand praktischer Anwendungsbeispiele weiter verdeutlichen. Eine Vollständigkeit al‐
ler möglichen Anwendungen wird nicht angestrebt. Ergänzend zu den Beispielen werden Li‐
teraturquellen angegeben, deren Lektüre dem interessierten Studierenden zusätzliche In‐
formationen bietet. Der Aufbau dieser Beispielsammlung orientiert sich an der Reihenfolge der Versuche; fachli‐
che Überschneidungen der Inhalte sind durchaus möglich. Technik und Entwicklung schreiten unaufhörlich voran, so dass die Aktualität nicht immer voll gegeben ist. Weiterführende Hinweise und Ergänzungen werden gern entgegen ge‐
nommen. März 2013 J. B. Ressel Übersicht der Praktikumsversuche 1 Elektrische Schwingungen Messung von Sinus‐ und Rechteckschwingungen, Zeitkonstante für den RC–
Schaltkreis, Resonanzkurve für den Parallelschwingkreis 2 Energieumwandlung, Energieerhaltung a. Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie in Wärme b. Spezifische Wärme 3 Mechanische Schwingungen 4 Röntgenstrahlung / Röntgendiagnostik Äquivalentdosisleistung einer Röntgenapparatur, Schwächung von Röntgenstrah‐
lung 5 Schall / Ohr, Ultraschall / Sonographie Ermittlung der Schallgeschwindigkeit, Ultraschallechoeffekt, Sonographie 6 Geometrische Optik / Augenmodell Brennweitenbestimmung, Korrektur von Astigmatismus, Kurz‐ und Übersichtig‐
keit, Laser 7 Grundlagen der Elektrizitätslehre / Modell Pflanzenfaser 8 a. Wellenoptik Polarisationsebene von Laserlicht, Lichtwellenlänge eines He‐Ne‐Lasers, Gitter‐
konstante eines Drahtgitters, Wellenlängengrenzen einer Glühlampe b. Mikroskop Okularmaßstab kalibrieren, Dicke eines Haares messen, Brechzahl bestimmen 9 a. Radioaktivität Reichweite von ‐ Strahlung in Luft und ‐ Strahlung in Aluminium b. Prismenspektroskopie Kalibrieren der Skala des Prismenspektroskops, Wellenlängen von Neonlinien be‐
stimmen, Bestimmung eines Elementes aus seinen Spektrallinien Versuch 1 Seite 4 / 35 1 Elektrische Schwingungen Messung von Sinus‐ und Rechteckschwingungen, Zeitkonstante für den RC–
Schaltkreis, Resonanzkurve für den Parallelschwingkreis 1.1 Bei der konvektiven Wärmeübertragung zur Schnittholztrocknung (Frischluft‐/Ab‐ luft‐Trocknung) wird Holz für eine bestimmte Dauer einem bestimmten Klima ausgesetzt. Die Wärmeübertragung an das Holz erfolgt durch ein bewegtes Trock‐
nungsmedium, hier feuchte Luft, ein Gemisch aus Reinluft und Wasserdampf. Das Klima ist gekennzeichnet durch die Temperatur ϑ (°C) und die relative Luft‐
feuchte ϕ (%), die die Gleichgewichtsfeuchte des Holzes ugl (%) bestimmen, die es nach hinreichend langer Zeit annimmt. Zur Gewährleistung eines bestimmten Kammerklimas bedient man sich zweier Regelkreise, ein Regelkreis für die Temperatur und ein Regelkreis für die relative Luftfeuchte. Ziel der Regelung ist es einen vorgegebenen Sollwert einzuhalten, d.h. die Differenz zwischen IST‐Wert und SOLL‐Wert zu minimieren. Dies ge‐
schieht über die vom Regler veranlasste Einstellung der Stellglieder, konkret des Heizventils und der Luftklappen, die beide kontinuierlich bzw. proportional ver‐
ändert werden können. Im Gegensatz dazu erfolgt die Einsprühung von Wasser zur Befeuchtung des Klimas über eine Sprühdüse, die über ein angesteuertes Magnetventil nur AN oder AUS geschaltet werden kann. Eine Besonderheit im vorliegenden fall ist die Kopplung der beiden Regelkreise, d.h. sie beeinflussen sich gegenseitig entgegengerichtet. Konkret heißt das, dass mit ↑ ϑ → ϕ ↓ bzw. ↓ ϑ → ϕ ↑. Durch zeitliche Verzögerungen innerhalb der Regelkreise (Messwerterfassung, Signalauswertung und Weiterleitung, Stellgliedansteuerung … Reaktionszeit) und / oder durch Störungen (z.B. Öffnen der Kontrolltür) kommt es zu wiederholten Über‐ bzw. Untersteuerungen, d.h. die IST‐Werte (für ϑ und ϕ) schwanken stets mehr oder weniger um die betreffenden SOLL‐Werte. Um eine Schädigung des zu trocknenden Holzes (Trocknungsqualität  Feuchtegradient im Holz, Spannungen … Risse) zu vermeiden, die Trockenzeit zu minimieren und die Energiekosten zu begrenzen, müssen diese Schwankungen minimiert werden. Dies wird durch eine (anlagenspezifische) Einstellung der Regelungsparameter er‐
reicht. Veränderungen dieser üblicherweise nicht zugänglichen Parameter im Re‐
gelungscomputer müssen äußerst sorgsam erfolgen, wobei die Folgen einer je‐
weiligen Änderung der Parameter genau verfolgt und aufgezeichnet werden müs‐
sen. Beispiel für das Einschwingverhalten ( Sprungantwort) einer Meßgröße als Reaktion auf eine SOLL‐Wert‐Änderung http://www.baunach.net/wp‐content/uploads/regelver halten_durch_fuehler.jpg / 06.03.2013 J B Ressel Versuch 1 Seite 5 / 35 Beispiel zum Regel‐
verhalten einer Hei‐
zung. Deutlich erkennbar sind die starken Schwankungen um bis zu ± 10 K in der Heizphase IST‐Temperatur Vorlauf SOLL‐Tempera‐
tur Vorlauf Außentemperatur Brenner EIN/AUS http://dh1nfj.dyndns.org/blog
/wp‐content/uploads/2010/ 11/ Heiz3.jpg / 06.03.2013 Literaturhinweise Siemens (Hrsg.) 2007 – Regeltechnik. Siemens Building Technologies GmbH & Co. oHG, Friesstraße 20, DE‐60388 Frankfurt/Main Siemens (Hrsg.) 2007 – Messtechnik. Siemens Building Technologies GmbH & Co. oHG, Friesstraße 20, DE‐60388 Frankfurt/Main J B Ressel Versuch 2 Seite 6 / 35 2 Energieumwandlung, Energieerhaltung a. Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie in Wärme b. Spezifische Wärme 2.1 Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie in Wärme Synonym für die Umwandlung mechanischer Energie in Wärme kann die Reibung angeführt werden. Zu unterscheiden sind verschiedene Reibungszustände:  Trockenreibung … die Reibflächen stehen in einem unmittelbaren Kontakt zueinander,  Flüssigkeitsreibung … die Reibflächen sind durch einen kontinuierlichen Schmierfilm voneinander getrennt,  Mischreibung … an den Reibflächen tritt teilweise Trocken‐ und teilweise Flüssigkeitsreibung auf. Reibung kann einerseits erwünscht, andererseits unerwünscht sein, z. B. bei Bremsen, Reibungskupplungen, bei Klemmverbindungen, Schrauben und an den Reifen von Fahrzeugen. Starker Regen und hohe Geschwindigkeiten führen dazu, dass das Wasser nicht mehr aus den Rillen eines Reifens austreten kann und dadurch die Haftreibung drastisch verringert wird bis hin zum nicht mehr be‐
herrschbaren Gleiten des Fahrzeugs mit Abschluss. Unerwünscht ist Reibung dort, wo durch sie ein Teil der zu übertragenden Energie in Verlustwärme umgewan‐
delt wird, z. B. bei Lagern, Führungen oder Getrieben. In der Technik treten unterschiedliche Reibungsarten auf: 1) Haftreibung und Gleitreibung … zwischen zwei sich berührenden Körpern, 2) Rollreibung … zwischen (mindestens)einem rotierenden und einem ruhen‐
den Körper ( Rad und Boden, ineinander greifende Zahnräder…), 3) Wälzreibung … Rollreibung mit einem überlagerten Gleitanteil (Schlupf), z.B. in Wälzlagern und an den Zahnflanken von Zahnrädern, 4) Seilreibung … Reibung, die beim Umschlingen gewölbter Flächen ( Zylin‐
dermäntel) durch Seile, Riemen u. ä. entsteht; ermöglicht die Übertragung von Umfangskräften in Seil‐ und Riementrieben. 5) Innere Reibung … kommt in bewegten Fluiden (= Flüssigkeiten und Gasen) vor, ebenso bei Verformung fester Körper. Anwendungsbeispiele im Bereich Holz:  Holzbearbeitungsmaschinen … Lager der Wellen und Antriebseinheiten.  Hobel‐ und Fräsmaschinen  Haftreibung zwischen zu bearbeitenden Holzteilen und Vorschubwalzen; vor der Bearbeitung  geriffelte / gezahnte Walzen mit entsprechendem Andruck und griffiger Oberflä‐
che, nach der Bearbeitung gummierte Walzen zum schlupffreien Transportieren der bearbeiteten Teile. J B Ressel Versuch 2 Seite 7 / 35  Schleifen von Oberflächen bei zu hohen An‐
druckkräften (Schleifband/Werkzeug – Holz)  Verbrennen der Oberfläche in allen Abstu‐
fungen. Analog führen zu hohe Druckkräfte beim Schleifen von Werkzeugschneiden zu ei‐
ner Erwärmung, die sich als Farbänderung (Anlassfarben) auf der Schneide abzeichnet. Verbunden ist dies mit einer Veränderung der Metallstrukturen, die zu einer Abnahme der Härte führt und die Schneider schneller ab‐
stumpfen lässt.  vgl. auch verbrannte Bohrlöcher  Feuer anzünden mittels Reibung von Holz u.ä.  Reibglätten oder Thermoglätten bezeichnet ein staubfreies Verfahren zum Glätten profilierter Bauteile aus Vollholz und/oder Holzwerkstoffen (MDF, PB … ) zur Vorbereitung einer anschließenden Oberflächenbeschichtung ( Fo‐
lie oder Film aufbringen, Flüssiglackierung, Pulverlackierung). Auszug aus dem Praxishanbuch Thermoglätten (2003) „ Thermoglätten ist ein spanloses thermomechanisches Verfahren zur Feinbearbeitung gefräster meist profilierter Oberflä‐
chen. Mit einem erhitzten profilanalogen Werkzeug wird die spanend bearbeitete Ober‐
fläche plastifiziert, die angerissenen Fasern werden in diese Oberfläche gedrückt und fest gehalten. Infolge des Karamelisierens von Holzinhaltsstoffen entsteht an der Oberfläche eine dünne Schicht mit höherer Dichte. (1)
(2)
(1) ungeglättetes Innenprofil (2) geglättetes Innenprofi
Die eingesetzten Glättverfahren un‐
terscheiden sich hinsichtlich der Art der Temperaturer‐
zeugung ( elekt‐
rische Heizung, Friktion, Ultra‐
schall) und bezüg‐
lich des Anwen‐
dungsgebietes (vgl. Tabelle)“ J B Ressel Versuch 2 Seite 8 / 35 2.2 Spezifische Wärme (spezifische Wärmekapazität) Die spezifische Wärme ist eine Stoffkonstante, die angibt, wie viel Energie erforder‐
lich ist, um ein Kilogramm eines Stoffes um ein Kelvin zu erwärmen c (J kg‐1 K‐1). Abhängig ist die spezifische Wärme vom Aggregatszustand, der wiederum durch die Temperatur bedingt ist. Insbesondere bei Gasen und Dämpfen ändern sich damit das Volumen und der Druck, weshalb hier zwischen cp und cV der betref‐
fenden Stoffe differenziert wird. Gegenüberstellung der spez. Wärmekapazität verschiedener Stoffe. Flüssiges Wasser hat die höchste spez. Wärmekapazität; der Wert ist abhängig von der Temperatur (Helium …?) VDI e.V. (Hrsg.) – VDI‐
Wärmeatlas. VDI‐Verlag, Düsseldorf. 11. Aufl. 2013, 1650 S. Die spez. Wärme von Holz variiert geringfügig mit der chem. Zusam‐
mensetzung des Materi‐
als (… der Holzart), noch deutlicher aber mit der Holzfeuchte! J B Ressel Versuch 2 Seite 9 / 35 Nach Dunlap (1912) kann die spez. Wärme von „Holz“ in Abhängigkeit von der Holzfeuchte u (bezogen auf den abs. trockenen Zustand; als Dezimalbruch ein‐
gesetzt) überschlägig berechnet werden nach kJ
 u  0 ,324 
cHolz , u  4 ,19  
.  in
kg K
 1u 
Für absolut trockenes Holz bzw. reines Zellwandmaterial liegt nach Untersuchun‐
gen von Dunlap (1912) die spezifische Wärme im Bereich 1,327 – 1,357 – 1,411 (kJ kg‐1 K‐1) Für praktische Belange wichtig ist die spez. Wärme zur Berechnung des Energie‐
bedarfes bei Aufheizvorgängen; allgemein gilt Q  ms  cs   in kJ mit ms aufzuheizende Masse, cs spez. Wärme des Stoffes, ∆ϑ Temperaturdiffe‐
renz. Welche Energiebeträge hierbei z.B. bei der Holztrocknung zusammenkommen kann, läßt sich aus folgendem Beispiel leicht abschätzen. Getrocknet werden sol‐
len 200 m³ Buche, Darrrohdichte ρ0 = 650 kg/m³, Anfangs‐Holzfeuchte uA = 100 %), Aufheizen von 10°C auf 60°C  ms  200  650  2  260.000 kg nasses Holz , cs  2 ,774 kJ kg 1 K 1  Q  260.000  2 ,774  50  36 ,059 GJ  10 ,016 MWh Unter der Annahme, dass 1 Nm³ Erdgas bzw. 1 ℓ Heizöl EL bzw. 2,5 kg luftrocke‐
nes Holz einen Energieinhalt von 10 kWh haben, werden allein für das Aufhei‐
zen im vorliegenden Fall mindestens 1.000 ℓ Heizöl EL bzw. 1 Nm³ Erdgas bzw. 2.500 kg Holz (ca. 4 m³ Buche) benötigt. Nicht berücksichtigt wurde bei diesem Ansatz, dass neben dem Holz auch die ges. Anlage (Boden, Wände, Decke, Einbauten…) aufgeheizt werden muss. Die Rechnung gilt nur überschlägig, da Verluste vernachlässigt werden, ebenso die Volumenschwindung des Holzes bei der Berechnung des darin enthaltenen Wassers. Das Beispiel läßt sich fortsetzen: bei der Trocknung auf eine Endfeuchte von 10 % werden 117 m³ Wasser verdunstet ( mW  200  650  0 ,90  117.000 kg Wasser ). Mit einer durchschnittlichen Verdampfungsenthalpie1 von 2.400 kJ/kg Wasser führt dies zu einem Energiebedarf von 280 GJ bzw. 78 MWh. 1
Spez. Verdampfungsenthalpie ∆hV (kJ/kg) J B Ressel Versuch 2 Seite 10 / 35 Umgerechnet auf die verschiedenen Energieträger erfordert dies 7.800 ℓ Heizöl EL bzw. 7.800 Nm³ Erdgas bzw. 19.500 kg Holz (ca. 30 m³ Buche). Auch hier ist die Rechnung nur überschlägig. Insgesamt erfordert der Trocknungs‐
prozess noch weit mehr thermische Energie; zusätzliche Bedarfe ergeben sich aus der Deckung der Transmissionsverluste, der aufzuwendenden Bindungsenthalpie, der Aufheizung der zugeführten Frischluft und der Verdampfung des zur Klimati‐
sierung eingesprühten Kaltwassers. Der Antrieb der Ventilatoren (bei der konvektiven Trocknung), der diversen Stell‐
glieder (Ventile, Luftklappen) und der Regelanlage erfordert noch elektrische Energie. Literaturhinweise Gloor, R. Energiesparmöglichkeiten in Sägereien. Holztrocknung. ©GLOOR ENGI‐
NEERING, CH‐7434 SUFERS, 7. JULI 1996. http://www. energie.ch/themen/in‐
dustrie/saegereien/techno.htm#Holztrocknung. Abgerufen am: 08.03.2013 J B Ressel Versuch 3 Seite 11 / 35 3 Mechanische Schwingungen 3.1 Schwingungen am Beispiel einer Gattersäge Die Gattersäge ist die älteste Form einer me‐
chanisch angetriebenen Säge. Dabei wird die kreisförmige Bewegung eines durch Wasser oder Wind angetriebenen Rades über Koppel und Schubstange in eine lineare Bewegung übertragen2. Je nach Ausführung werden Verti‐
kal‐ und Horizontalgatter unterschieden. Einge‐
setzt werden sie in Sägewerken zum Einschnitt von Stämmen, aber auch zum Schneiden von Marmorblöcken. In den Sägerahmen werden ein oder mehrere Sägeblätter ( Mehrfachschnitt). Horizontal wirkende Maschinen sägen in beiden Richtun‐
gen der Rahmenbewegung; vertikale Gattersä‐
gen sägen nur im Abwärtshub. [1]
[2]
[3]
In der Sägewerkspraxis sind zwei Gatterformen zu unterscheiden:  Einstelzengatter … hier greift eine Schubstange unten am Sägerahmen an,  Zweistelzengatter … angreifen von zwei Schubstangen jeweils rechts und links an der oberen Rahmenecke. Bei vertikalen Gattersägen wird zusätzlich der Rahmen mit den Sägeblättern ge‐
ringfügig gegen die Vorschubrichtung geneigt ( Überhang), um beim Aufwärts‐
hub ein Schneiden mit den Zahnrücken zu vermeiden. Die Kreisbewegung der Schwungscheibe wird in eine Linearbewegung überführt, wobei Schnittgeschwindigkeit und Beschleunigung einer sinus‐ bzw. cosinusför‐
migen Funktion folgen. 2
Abbildungsquellen [1] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/e/e3/Kurbeltrieb‐animation.gif / 08.03.2013 [2] http://img.weiku.com/waterpicture/2011/11/5/6/Frame_Saw_Machine_MJ1515FE__634606246166035746_3.jpg [3] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b3/R%C3%B6mische_S%C3%A4gem%C3%BChle.svg/ 800px‐R%C3%B6mische_S%C3%A4gem%C3%BChle.svg.png / 08.03.2013 J B Ressel Versuch 3 Seite 12 / 35 Schnittgeschwindigkeit und Be‐
schleunigung des Sägerahmens einer Gattersäge Literaturhinweise vgl. diverse Unterlagen zur Vorlesung „Verfahrenstechnik 1 / Sägewerkstechnik (J. B. Ressel) J B Ressel Versuch 3 Seite 13 / 35 3.2 Verwendung von Schallwellen zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Je nach Anwendung werden Longitudinal‐ und Transversalwellen unterschieden; die Wellen‐ bzw. Schwingungsübertragung erfolgt über eine elastische Kopplung der Massenpunkte des Materials. Unterschieden werden in der Anwendung  Resonanzverfahren … Widerhall zwischen parallelen Begrenzungsflächen des Probekörpers ( Schall‐Laufzeitmessung),  Durchschallungsverfahren … zeigt die abschattende Wirkung von Defekten in Probekörpern (Riss, Spalt, Faulstellen … offene Leimfuge …),  Echoverfahren … Nutzung des an einem Werkstoffdefekt reflektierenden Signals. Die Schwingungserregung erfolgt durch direkte Kopplung mittels eines schwin‐
genden Quarzes (piezoelektrischer Effekt) oder durch mechanisches Anschlagen. Damit schwingt die Prob in Abhängigkeit von Anregungsart und Materialeigen‐
schaften. Die erzeugten Wellen werden über eine Sensorik aufgenommen und hinsichtlich Laufzeit, Verstärkung, Form und Abklingverhalten ausgewertet. Dar‐
aus lassen sich Aussagen über die mechanischen Eigenschaften und mögliche De‐
fekte in der Probe ableiten. Die Schallgeschwindigkeit steigt proportional zur Frequenz. Mit einer Zunahme der Dicke und Breite der Probe vermindert sich die Schallgeschwindigkeit. Ten‐
denziell steigt die Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Rohdichte des Holzes. Mit zunehmender Holzfeuchte verringert sich die Schallgeschwindigkeit aufgrund des wachsenden Einflusses der niedrigeren Schallgeschwindigkeit von Wasser. Mit ansteigender Temperatur sinkt die Schallgeschwindigkeit. Enthält die untersuchte Probe Faulstellen ( Pilzbefall  Rohdichteabnahme…) oder Hohlräume ( Innenrisse, Einschlüsse…), verändert sich die direkte Verbin‐
dung zwischen Sender und Empfänger und die Schallgeschwindigkeit fällt ab. Aus der Schallgeschwindigkeit ( Laufzeitmessung) und der Rohdichte des Holzes kann der dynamische E‐Modul berechnet werden: E
v  dyn
Edyn  v²   
‐2
mit Edyn (N mm ) dynamischer E‐Modul, v (m s‐1) Schallgeschwindigkeit, ρ (kg m‐3) Rohdichte. Der dynamische und der statische E‐Modul ( z.B. aus dem Biegeversuch) korre‐
lieren sehr gut miteinander; tendenziell liegt der dynamische E‐Modul ca. 10…15 % über dem Statische E‐Modul. Der E‐Modul ist – neben Rohdichte und weiteren Parametern – eine wichtige Kenngröße, um die Tragfähigkeit eines Holzprobe ( Brett, Kantholz, Balken) abschätzen zu können. J B Ressel Versuch 3 Seite 14 / 35 Arten der Wellenfortpflanzung – Gleichungen gelten nur für Isotrope Werkstoffe! Longitudinalwelle Transversalwelle (http://lp.uni‐goettingen.de/get/image/6551 / 10.03.2013 ) (http://lp.uni‐goettingen.de/get/image/6552 / 10.03.2013) vL 
(1   )
 (1   )(1  2 )
Edyn
vL 
vL  1 ,16 
Edyn

Edyn
1
 2  (1   )
vL  0 ,62 
Edyn

μ Poissonzahl ( Querkontraktionszahl, Querdehnungszahl, dimensionslos) … elastische (Material)Konstante. Achtung: Holz ist anisotrop und besitz 6 verschie‐
dene Poissonzahlen! 3.3 Eigenfrequenzmessung Bei diesen dynamischen prüfverfahren wird die Probe einseitig eingespannt oder in den Knoten der Biegeschwingungslinie gelagert. Die Energie wird z.B. durch ei‐
nen Stoß ( Hammer) zugeführt. Bei mittigem Stoß entstehen Biegeschwingun‐
gen, bei einseitig eingeklemmter Probe entstehen Biege‐ und Torsionsschwingun‐
gen in Abhängigkeit von der Auskraglänge. Durch einen Sensor ( piezoelektrischer Taster) wird das Verhalten der Probe an der Stelle der maximalen Amplitude hinsichtlich der Frequenz, der Auslenkung und des Abklingverhaltens gemessen. Die analogen Messsignale werden über ei‐
nen externen Verstärker verstärkt und mittels FFT‐Analysator weiter ausgewertet. Ein Computer berechnet dann die Frequenzspektren. Versuchsaufbau zur Ermittlung der Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) http://ars.els‐cdn.com/content/image/1‐s2.0‐
S129620741200074X‐gr8.jpg / 10.03.2013 J B Ressel Versuch 3 Seite 15 / 35 4  2  l 4  f 2  
i2
Edyn 

(
1

 K1 )  10 9 mn4  i 2
l2
Für Biegeschwingung 1. Ordnung gilt … K1 = 49,8 mn = 500,6 E
ρ l f i h K1 mn N mm‐2
kg m‐3 mm s‐1 mm mm ‐ ‐ E‐Modul
Rohdichte Stablänge Eigenfrequenz Trägheitsradius (i²= h²/12) Dicke der Probe Konstante abh. von der Ord‐ Konstante der Schwingung Hauptanwendung  Ermittlung der elastischen und daraus abgeleiteten mecha‐
nischen Werte sowie Fehlerdetektion. Der Zusammenhang zwischen dem dyna‐
mischen E‐Modul aus der Eigenfrequenz und dem statischen E‐Modul (Biegever‐
such) wurde mehrfach untersucht. Die Korrelationskoeffizienten schwanken je nach Methode, Versuchsmaterial und verwendeten Parametern. Das Prinzip arbeitet zerstörungsfrei, ist aber nur für Messungen im Labor praktikabel. (Bächle et al. 2007)
Die tanzende Brücke von Wolgograd http://www.tagesschau.sf.tv/Nachrichten/Archiv/2010/0
5/21/International/Die‐tanzende‐Bruecke‐von‐
Wolgograd / 10.03.2013 Literatur Bächle, F., Junghans, K., Niemz, P. Baum, S., Herbers, Y. 2007 ‐ Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung im Bauwesen. Skript, D‐BAUG, IfB Inst. für Baustoffe – Holzphysik, ETH Zürich, S. 4.16 – 4.19 Ross R. J., Pellerin R.F., Volny N., Salsig W.W., Falk R.H. 1999 – Inspection of Tim‐
ber Bridges Using Stress Wave Timing Nondestructive Evaluation Tools. A Gui‐
de for Use and Interpretation. USDA Forest Service, FPL. General Technical Re‐
port FPL–GTR–114, 17 p. Sandoz J.‐L., Benoit Y. 2007 – Timber grading machine using multivariate parame‐
ters based on ultrasonic and density measurement. COST E 53 Conference ‐ Quality Control for Wood and Wood Products. Warsaw, Poland, 15th – 17th October 2007 J B Ressel Versuch 4 Seite 16 / 35 4 Röntgenstrahlung / Röntgendiagnostik Äquivalentdosisleistung einer Röntgenapparatur, Schwächung von Röntgenstrah‐
lung 4.1 Rohdichteprofilmessung an Holzwerkstoffplatten Rohdichte Holzwerkstoffplatten ( OSB, FP und MDF) haben, bedingt durch den Herstellprozess typische Dichte‐
profile senkrecht zur Plattendicke. Dieses Dichtepro‐
fil bestimmt entscheidend die Eignung der Platte für bestimmt Verwendungszwecke ( tragend – Regal‐
boden, Baubereich …, Kantenprofilierung und ‐be‐
schichtung … Möbel). Eine laufende Kontrolle des Dichteprofils während der Fertigung erfolgt sowohl on‐line unmittelbar hinter der Heißpresse (Röntgen‐
Plattendicke Scanner StenOgraph, Fa. GreCon) als auch off‐line anhand von gezogenen Proben (50 x 50 x Plattendi‐
cke) nach der Heißpresse (Röntgenscanner und Gam‐
ma‐Strahlen Scanner, verschiedene Hersteller). Hier erfolgte in den letzten 10 Jahren eine Umstellung vom umschlossenen radioaktiven Strahler (z. B. 241Am) auf die leichter und sicherer handhabbaren Röntgengeräte. Off‐Line Messung: Labor‐
Dichteprofilmessgerät DAX 500 (GreCon 2013). Die Durchstrahlung der Proben erfolgt paral‐
lel zur Plattenoberflä‐
che, wobei der Pro‐
benhalter schrittwei‐
se durch den Strah‐
lengang bewegt wird. Probenhalterung und ge‐
samter Messplatz ge‐
On‐Line Messung: STENOGRAPH (GreCon 2013). Das Messprinzip beruht hier auf der Kombination von Transmission und Streuung der Röntgenstrahlen. Die Messgeometrie ist für die Bestimmung des Rohdich‐
teprofils eines sich bewegenden Plattenstranges di‐
rekt im Auslauf der kontinuierlichen Presse ausgelegt. (1) (2)
(4)
(3) Ein Röntgenstrahl (1) durchdringt in einem Winkel von 45° den Querschnitt der sich bewegenden Platte (2). Ein bewegliches Detektorsystem (3) nimmt die dichteabhängige Streuung entlang der Plattenebene auf und ein stationärer Detektor (4) erfasst die transmittierende J B Ressel Versuch 4 Seite 17 / 35 Strahlung. Durch Kombination beider Signale wird die Rohdichte an jedem Punkt des Plattenquerschnitts direkt berechnet. Auf diese Art können sowohl die Gesamtdichte als auch die Dichten ausgewählter Teilvolumen bestimmt werden3. Röntgengerät (wassergekühlt) an oberer Röntgengerät (oben) und Detekto‐
Traverse
rengehäuse (unten), beide traver‐
sieren synchron quer zur Trans‐
portrichtung des endlosen Platten‐
stranges (hier ohne Platte) (vgl. grecon_stenograph_r04_de_web.pdf / 10.03.2013)
Dichteverteilung über die Plattenbreite Traversierendes Röntgengerät senkrecht zur Plattenoberfläche  erfasst Dichte‐
variationen über die Breite der Platte ( Einfluss auf mechan. Eigenschaften des Holzwerkstoffes) 3
Eine senkrechten Durchstrahlung der Platte und alleiniger Erfassung der transmittierenden Strahlung liefert nur eine Aussage über die mittlere Rohdichte an der Messstelle bzw. dem Messstreifen ( Flächengewichtsmessung). Eine Aus‐
sage über das Dichteprofil ist damit nicht möglich! J B Ressel Versuch 4 Seite 18 / 35 Computertomographen in Sägeindustrie  HOLTEC / Kairi Computertomographen verwenden ebenfalls das Röntgenprinzip. Ein dünner Röntgenstrahl durchstrahlt das zu untersuchende Objekt aus verschiedenen Rich‐
tungen. Erfasst wird die Strahlung durch Detektoren. Durch Kollimation (Ausblen‐
dung/Fokussierung von Strahlung, Abblenden von Streustrahlung) wird sicherge‐
stellt, dass nur eine definierte Ebene ( Scanebene) durchstrahlt wird. Die Schwächung der Röntgenstrahlung wird für jede durchstrahlte Richtung erfasst und mathematisch ausgewertet bis zur bildlichen Darstellung ( Graustufenbild). (abgeänderte Darstellung aus: http://online‐media.uni‐marburg.de/radiologie/bilder/kap2/ct1.gif / 10.03.2013) Auf dem Markt finden sich derzeit mehrere Anlagenhersteller, die CT für ganze Stämme entwickeln/anbieten (u.a. Bintec (FIN), Microtec (I)). Das Ziel ist maximale Wertoptimierung des Schnittholzes im Sägewerk auf Basis der Kenntnis der inneren Strukturen des Stammholzes. (Holtec 2011 ‐ CT‐Röntgen‐Rundholzscanner und Bintec, FIN)
J B Ressel Versuch 4 Seite 19 / 35 CT Imaging Centre - located at FPInnovations Wood
Products Division in Vancouver, Canada (http://www.ctimagingcentre.ca/uses.html / 26.05.2011) (http://www.ctimagingcentre.ca/Images/Wood/wood_02.jpg / 26.05.2011) Literatur Habermehl A. und H.‐W. Ridder 1996 ‐ Computer‐Tomographie in der Forstwirt‐
schaft und Baumpflege (Teil 1). http://www.ndt.net/article/dgzfp/dach55/ habermeh/habermeh.htm / 10.03.2013 Habermehl A. und H.‐W. Ridder 1997 ‐ Computer‐Tomographie in der Forstwirt‐
schaft und Baumpflege (Teil 2). http://www.ndt.net/article/dgzfp/dach56/ habermeh /habermeh.htm / 10.03.2013 Giudiceandrea, F. 2011 – Microtec CT.Log. Firmenpräsentation. Microtec http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v= YBhxF_W27ls / 10.03.2013 J B Ressel Versuch 5 Seite 20 / 35 5 Schall / Ohr, Ultraschall / Sonographie Ermittlung der Schallgeschwindigkeit, Ultraschallechoeffekt, Sonographie Holz wird schon seit alters her für die unterschiedlichsten Musikinstrumente ver‐
wendet. Richter (1988) unterscheidet dabei  Resonanzhölzer  Hölzer für Resonanzplatten
 Hölzer für Klangstäbe  Nicht‐Resonanzhölzer  Hölzer für Blasinstrumente  Hölzer für Tasteninstrumente  Hölzer für Schlaginstrumente  Hölzer für besondere Aufgaben Die Gründe für die besondere Eignung verschiedener Hölzer liegen in verschiede‐ nen physikalischen und elasto‐mechanischen Eigenschaften, u. a. der Schallaus‐
breitung, des Dämpfungsverhaltens usw., die wesentlich von der Rohdichte, dem Faserverlauf, der Gewebestruktur etc. beeinflusst werden. Diese Eigenschaften korrelieren eng mit besonderen Wuchsmerkmalen, die das Tonholz, Klangholz bzw. Resonanzholz4 auszeichnen. Wichtig ist eine gleichmäßige, homogene Struktur: Jahrringbreite und ‐aufbau, ein best. Verhältnis von Frühholz zu Spät‐
holz, gerader Faserverlauf, keine Strukturstörungen durch Äste, Einschlüsse, Risse etc., keine Wuchsspannungen, kein Reaktionsholz, gleichförmiger , zylindrischer Wuchs … um nur einige Merkmale hier aufzuzählen. Allerdings gibt es dazu auch Abweichungen, besondere Wuchsmerkmale, die auch visuell hervorstechen, z. B. regelmäßige Wuchsstörungen bzw. kurzwellige Faser‐
abweichungen, wie Haselwuchs ( Fichte) und Riegel ( Ahorn …). Es muss sich also nicht immer nur das feinjährig und gerade gewachsene Fichtenholz für diese Verwendungszwecke auszeichnen. Einer der wichtigsten physikalischen Eigenschaften für Resonanzholz ist die Schallgeschwindigkeit c 
E

ms
1
(Quer zur Faser beträgt die Schallgeschwindig‐keit bei Holz c90 ≈ 1.000 – 1.500 m s‐1) Holzart Erle Ahorn Esche Padouk Linde Fichte c0 in m s‐1 4.400 4.500 4.700 4.800 5.100 5.500 4
„ … Holz, das sich nach Art, Qualität und Lagerung für den Bau von Musikinstrumenten eignet. Vorwiegend wird Holz verwendet, welches langsam gewachsen ist und dadurch enge Jahresringe hat. Weiterhin muss es möglichst gerade ge‐
wachsen sein, wenig Äste aufweisen und seine Schallgeschwindigkeit sollte möglichst hoch sein. Je nach Verwendungs‐
zweck werden verschiedene Holzarten bevorzugt. Klangholz wird viele Jahre lang gelagert und luftgetrocknet, um si‐
cherzugehen, dass möglichst alle Spannungen im Holz abgebaut worden sind.“ (http://de.wikipedia.org/wiki/Tonholz / 11.03.2013) Eine ausführlichere Definition von Resonanzholz von verschiedenen Quellen zusammengestellt gibt M. Beuting (2000, S. 29 ff) J B Ressel Versuch 5 Seite 21 / 35 Ausführliche und aufschlussreiche Darstellungen zur Verwendung von Holz für Musikinstrumente geben die beiden Arbeiten von M. Bariska (1996 a, b) sowie die Darstellungen von Zimmermann (1996) aus der Sicht eines Geigenbauers. Richter (1988) hat ein kurzes Buch über Hölzer für den Musikinstrumentenbau geschrie‐
ben, erschienen bei Moeck, einem bekannten Hersteller von Holzblasinstrumen‐
ten. Literatur Bariska, M. 1996a – Zur Geschichte der Holzverwendung im Musikinstrumenten‐
bau. Schweiz. Z. Forstwes. 147 (1996) 9:683‐693 Bariska, M. 1996b – Physik der Saiteninstrumente ‐ am Beispiel der Violine. Schweiz. Z. Forstwes. 147 (1996) 9:703‐713 Beuting, M. 2000 – Holzbiologische und dendrochronologische Untersuchungen an Tasteninstrumenten. Universität Hamburg, FB Biologie, Diplomarbeit Buksnowitz, C., Teischinger, A. 2005 – Haselfichtenprojekt Tirol. Potentialabschät‐
zung und Vergleich mechanischer und akustischer Materialkennwerte sowie subjektiver Quaöitätseinstufung mit normalwüchsigem Fichtenholz (Picea abies) mit speziellem Bezug zur Anwendung im Musikinstrumentenbau. Ab‐
schlussbericht. University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Vi‐
enna. Department of Material Sciences and Process Engineering. Institute of Wood Science and Technology. Peter Jordanstr. 82 , A‐1190 Wien Rauhaus, A. 2009 – Der besondere Klang von Holz. Holzzentralblatt (2009)17:415‐
416 Richter, H. G. 1988 – Holz als Rohstoff für den Musikinstrumentenbau. Edition Moeck 4043. ISBN 978‐3‐87549‐035‐0. 44 S. Rüegsegger, P. 2002 – Die Haselfichte. Wald und Holz (2002)6:39‐42 Zimmermann, U. 1996 – Anforderungen an Klangholz. Schweiz. Z. Forstwes. 147 (1996) 9:695‐702 J B Ressel Versuch 5 Seite 22 / 35 Der Ultraschallechoeffekt bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung Untersuchungen verbauter Teile, wie z.B. Balken in Decken, Wänden, Böden, ist oft keine allseitige Zugänglichkeit gegeben. Zudem stehen die Bauteile oft unter einer Belastung und lassen sich für Untersuchungszwecke nicht einfache entneh‐
men. Hier werden zur Aufdeckung von Materialinhomogenitäten ( Äste), Fehl‐
stellen ( Fäule, Risse) und deren Ausmaßen US‐Untersuchungen eingesetzt, bei denen unmittelbar nebeneinander Sender und Empfänger auf der zugänglichen Seite des Untersuchungsgegenstandes angesetzt werden; der der Methode zu‐
grunde liegende Effekt ist der Ultraschallechoeffekt. Das ausgesandte US‐Signal wird an der inneren Grenzfläche zu einer Materialin‐
homogenität reflektiert, ebenso an der rückwärtigen, unzugänglichen Seite des Bauteils. Aus den empfangenen Signalen kann dann indirekt auf Schädigungen geschlossen werden. Die erfolgreiche Untersuchung von Betonbauteilen ist be‐
legt, problematischer ist die Anwendung bei Holz. Holz besitzt eine rel. geringe Dichte (ρHolz << ρBeton << ρStahl) und aufgrund der inneren Hohlraumstruktur zahl‐
reiche Lufteinschlüsse. Dadurch erfordert die Prüfmethode leistungsstarke, nie‐
derfrequente Prüfköpfe (f = 50 ‐ 200 kHz). Der Zusammenhang zwischen der charakteristischen (Phasen‐) Ausbreitungsge‐
schwindigkeit c (m s‐1) der Schallwelle, der Frequenz f (s‐1) und der Wellenlänge λ (m) ist durch den Zusammenhang   c / f (m) gegeben. Daraus ergibt sich, dass Fehlstellen erst ab einer Größe von 2∙λ direkt festgestellt werden können, indirekt können sie schon eher geortet werden, beispielsweise durch eine Abschattung der Rückwand. Dennoch sollte die Wellenlänge λ deutlich größer als etwaige In‐
homogenitäten wie Poren bei Beton oder Holz sein, denn dann kann, bezogen auf die Wellenlänge, das Material als näherungsweise homogen angesehen werden. Bei Untersuchungen muss die Wahl der richtigen Messfrequenz jeweils individuell gefunden werden (Hasenstab 2008). Handgerät hier mit Transversalwellen‐ Sende‐Empfangseinheit A1220 der Fir‐
ma Acssys (Hasenstab 2008) Transversalwellenprüfkopf mit einem Array von Punktkontaktprüfköpfen zum Betrieb oh‐
ne Koppelmittel, roter Pfeil entspricht Polari‐
sation der Transversalwellen (Hasenstab 2008) J B Ressel Versuch 5 Seite 23 / 35 Unterschiedliche Schallgeschwindigkei‐
ten bei Transmissionsmessungen mit Longitudinalwellen in Abhängigkeit des Schallwegs relativ zur Faser Kaum unterschiedliche Schallgeschwindigkei‐
ten bei Transmissionsmessungen mit Trans‐
versalwellen in Abhängigkeit des Schallwegs relativ zur Faser (Hasenstab 2008) Ergebnis einer Transversalwellenmessung an einem unge‐
A‐Bild einer Transver‐
schädigten Probekörper (Bauteildicke: 20 cm) mit ungestör‐
salwellenmessung mit tem Rückwandecho und einem Vielfachecho (Hasenstab 2008) Echo und Vielfachecho Vgl. ausführliche Darstellung bei Hasenstab (2008), insbes. zur Problematik der Fehlererkennung bzw. Interpretation der Signale mit verschiedensten Störungen. Literatur Hasenstab, A., M. Krause, W. Hillger, L. Bühling, D. Ilse, B. Hillemeier, C. Rieck 2005 – Luftultraschall und Ultraschall‐Echo‐Technik an Holz. DGZfP‐
Jahrestagung 2005. DGZfP‐Berichtsband 94‐CD, Plakat 54 Hasenstab, A. 2008 ‐ Ultraschall‐Echo. Ein ZfP‐Verfahren zum Lokalisieren von Fehlstellen in Brettschichtholz (BSH) und Vollholz – Praxisbeispiele. Fachta‐
gung Bauwerksdiagnose 2008 ‐ Poster 14. Quelle: www.ndt.net/search/ docs.php3?MainSource=59 / 13.03.2013 Niemz, P., Mannes, D. 2000 – Non‐destructive testing of wood and wood‐based materials. Journal of Cultural Heritage 13S (2012) S26–S34 J B Ressel Versuch 6 Seite 24 / 35 6 Geometrische Optik / Augenmodell Stammvermessung in Sägewerken Baumstämme werden im Sägewerk vor dem Einschnitt genau ver‐
messen, u.a. um eine optimale Ausbeute zu erzielen. Ergebnis der Vermessung ist ein 3D‐Volumenmodell des Stammes, zusammenge‐
setzt aus einer diskreten Anzahl gleich dicker Stammscheiben unter‐
schiedlicher Querschnitte ( kreisrund … oval … spannrückig). Die Genauigkeit der Messung ist wesentlich für die erreichbare Aus‐
beute. Das Problem liegt in der scharfen Abbildung eines mit bis über 200 m s‐1 geförderten Stammes ( Erfassung mehrerer exak‐
ter Durchmesser  Durchmesserbestimmung mittels Kluppen)5. Die Stammvermessung erfolgt u.a. durch Lichtvorhänge, Laserstrah‐
len oder Ultraschalleinrichtungen. Messung erfolgt kreuzweise, um un‐
runde Stämme und andere Konturab‐
weichungen zu er‐
fassen Messrahmen eines Laserscanners  resultierende Stammkontur  rechnerische Ein‐
passung der daraus zu erzeugenden Schnittholzprodukte mit dem max. Erlös (oder anderen Opti‐
mierungskriterien) (http://www.sprecher‐automation.com/de/produkte/sprescan‐sensorik‐scanner/rundholz/rundholzmessung‐3d/ 13.03.2013) 5
Eine möglichst genaue Volumenermittlung ist auch in den Sägewerken erforderlich, die eine Volumenabrechnung des gelieferten Rundholzes über die sog. Werkseingangsvermessung durchführen. Hier wird – aus Kostengründen ‐ das Stammvolumen nicht mehr im Wald erfasst, sondern erst im Sägewerk. Dazu geeignete vermessungsanlagen bedürfen einer regelmäßigen Kalibrierung / Eichung durch entspr. Stellen ( Eichamt…) J B Ressel Versuch 6 Seite 25 / 35 Dehnungsmessung bei der Werkstoffprüfung Zur Ermittlung elastischer Materialkennwerte werden Proben kleinen Belastun‐
gen ausgesetzt; zeitgleich werden die daraus resulierenden Verformungen ge‐
messen. Im Ggs. zu mechanisch mit der Probe verbundenen Ansetz‐Dehnungs‐
messern erlauben optische Verfahren mittels Laser‐Extensometrie eine weitaus einfachere, schnellere und genauere Dehnungsmessung. laserXtens® Array (Zwick GmbH & Co KG, 2013) Zugprobe schematisch (http://www.tf.uni‐kiel.de/matwis/amat/mw_for_et/kap_2/ illustr/zugversuch.gif / 13.03.2013) „Das Meßgerät aus einem Messkopf mit einer digitalen Kamera und einer Laser‐
lichtquelle. Der Prüfling wird mit Laserlicht beleuchtet, wodurch ein Speckle‐Mus‐
ter an der Probenoberfläche erzeugt wird. Die Probenoberfläche mit den Speckle‐Mustern wird mit einer Vollbild‐Digitalka‐
mera aufgezeichnet. Innerhalb des Gesamtbildes (= Gesichtsfeld) der Kamera wer den zwei Auswertefenster gesetzt. Das Speckle‐Muster innerhalb des Auswerte‐
fensters entspricht einer Art Fingerabdruck der Probenoberfläche. Man spricht von einer virtuellen Messmarke. Diese virtuelle Messmarke verfolgt der laser J B Ressel Versuch 6 Seite 26 / 35 Xtens Compact mit Hilfe eines hochentwickelten Korrelationsalgorithmus zwi‐
schen den einzeln aufgenommenen Bildern der Kamera. Dieser Vorgang wird Speckle Tracking genannt. Mit dem laserXtens Compact kann eine variable Mess‐
länge eingestellt werden, indem die beiden virtuellen Messmarken in einem ent‐
sprechenden Abstand des Kameragesichtsfeldes positioniert werden. Wird die Probe belastet, verschieben sich die virtuellen Messmarken, und die Auswerte‐
fenster werden entsprechend nachgeführt. Aus der relativen Verschiebung der Messmarken zueinander errechnet der laserXtens Compact die Dehnung am Prüfling. Der maximal zur Verfügung stehende Messweg resultiert aus der Differenz von Kameragesichtsfeld und Anfangsmesslänge. Typischerweise steht für die Messung ein Gesichtsfeld von 16 ‐ 20 mm zur Verfügung. Der Algorithmus arbeitet in zwei unterschiedlichen Modi. Solange die virtuelle Messmarke innerhalb des Kamera‐
gesichtsfeldes wandert, wird sie mitverfolgt. Sobald die Marke den Rand des Gesichtsfeldes erreicht, wird auf einen zweiten Messmodus umgeschaltet. In diesem Modus wird der Durchfluss des Materials unter dem Auswertefenster gemessen und daraus der Messwert bestimmt“ (aus: Extensometer laserXtens® Compact, Zwick 2013). Die Auflösung dieses Messgerätes erreicht etwa 0,05 μm (laserXtens Compact  Genauigkeitsklasse 0,5 / Zwick 2013). Vorteile der Lasermesstechnik Grenzen der Lasermesstechnik 1. Hohe lokale Auflösung  optische Strahlung (Laser) ist gut zu bün‐
deln und auszurichten 2. Berührungslose Messung  an schwer zugänglichen Stellen, Pro‐
ben unter extremen Umgebungs‐
bedingungen (Hitze) 5. Streuung im Medium 6. Steile Kanten in der Oberfläche 7. Hihe Oberflächenrauigkeit 3. Keine Beeinflussung der Probe durch das Messsystem  Licht‐
leistun im mW‐Bereich 4. Kurze Messzeiten  bestimmt das durch Auswertesystem J B Ressel Versuch 7 Seite 27 / 35 7 Grundlagen der Elektrizitätslehre / Modell Pflanzenfaser Indirekte Messung der Holzfeuchte mittels elektrischer Methoden Die beiden am weitesten verbreiteten Methoden beruhen auf der … 1. Messung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähig‐
keit ( Gleichstrom), 2.1 kapazitiven Messung , bei der die relative Dielektrzitätskonstante εr (Di‐
elektrizitätszahl) des Dielektrikums „feuchtes Holz“ stark vom Wassergehalt in der Probe abhängt ( Wechselstrom) 2.2 kapazitiven Messung, bei der sich der Verlustfaktor tan δ des Dielektrikums „feuchtes Holz“ u.a. in Abhängigkeit vom Wassergehalt verändert. Bei den genannten Methoden sind teils unterschiedliche Einflussgrößen zu be‐
rücksichtigen. So muss bei der elektrischen Widerstandsmessung unbedingt die Holzart (über eine eigene Kalibrierungsfunktion) und die Temperatur berücksich‐
tigt werden ( wichtig bei der kontinuierlichen Holzfeuchtemessung während der Trocknung bei höheren Temperaturen in Trockenkammern). Bei den kapazi‐
tiven Messverfahren ist die Rohdichte des Holzes zu berücksichtigen bzw. vorzu‐
geben, der Temperatureinfluss ist hierbei geringer als bei der Widerstandsmes‐
sung. Weitere Einflussgrößen von der Materialseite ist die anatomische Richtung bzw. die Anisotropie des Holzes mit z.B. unterschiedlichen Leitfähigkeiten in longitudi‐
naler, radialer und tangentialer Richtung – vereinfacht parallel und quer zur Fa‐
ser. Da Holz Wasser sowohl in freier, tropfbarer Form als auch – unterhalb der Faser‐
sättigungsfeuchte (bei einheimischen Holzarten ungefähr uFS ≈ 28…30 %) – in ge‐
bundener Form enthalten kann, beeinflusst auch dies das Messergebnis. Beide Verfahren liefern nur im Bereich von etwa 5…25 % hinreichend genaue Messwer‐
te mit einer Schwankungsbreite von ca. ± 1…1,5 % Holzfeuchte; bis 30 % Holz‐
feuchte sind die Messwerte auch noch hinreichen glaubhaft, allerdings mit grö‐
ßerer Streuung. Oberhalb Fasersättigung uFS wird die Messgenauigkeit immer ge‐
ringer; dieser Bereich ist allerdings auch praktisch nicht von Bedeutung, da Holz immer mehr oder weniger getrocknet eingesetzt wird. Auch beginnt die Schwin‐
dung des Holzes – und eine damit ggf. verbundene Spannungsentstehung – erst ab uFS. J B Ressel Versuch 7 Seite 28 / 35 Die Kalibrierung der Messmethoden beruht im Wesentlichen auf der sog. Darr‐
methode bei (103 ± 2)°C, bei der die gemessene Holzprobe bis zur Gewichtskons‐
tanz6 gedarrt werden. Die Holzfeuchte u in % wird gravimetrisch bestimmt als die Menge Wasser, die in einer absolut trockenen Probe enthalten ist. Zu beachten sind hierbei die Fehlermöglichkeiten durch zusätzliche Masseverluste, wie Ent‐
weichen von flüchtigen Harzbestandteilen oder thermischer Holzabbau7. Literatur DIN EN 13183‐1: 2002‐07 "Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz ‐ Teil 1: Be‐
stimmung durch Darrverfahren" DIN EN 13183‐1: 2003‐12 "Berichtigung zu DIN EN 13183‐1: 2002‐07" DIN EN 13183‐2: 2002‐07 "Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz ‐ Teil 2: Schät‐
zung durch elektrisches Widerstands‐Messverfahren" DIN EN 13183‐2: 2003‐12 "Berichtigung zu DIN EN 13183‐2:2002‐07" DIN EN 13183‐3: 2002‐07 "Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz ‐ Teil 3: Schät‐
zung durch kapazitives Messverfahren" Elektrische Signale in Pflanzen – Pflanzenphysiologie vgl. hierzu  Raatz, T., Bette, T. Elektrophysiologie, Seminarvortrag ‐ 2013.pptx 6
… gilt als erreicht, wenn der Masseunterschied zwischen zwei Wägevorgängen im Abstand von 2 h geringer als 0,1 % ist. 7
Um genaue Ergebnisse zu erhalten, sollte Holz, welches flüchtige Bestandteile (Harze) enthält, unter Vakuumbedingun‐
gen bei niedrigen Temperaturen (max. 50 °C, Druck < 100 Pa) oder in einem Exsikkator über einem Trockenmittel ge‐
trocknet werden. J B Ressel Versuch 8 Seite 29 / 35 8 a Wellenoptik Polarisationsebene von Laserlicht, Lichtwellenlänge eines He‐Ne‐Lasers, Gitter‐
konstante eines Drahtgitters, Wellenlängengrenzen einer Glühlampe Optische Methoden der Mechanik Spannungsoptik (vgl. http://mb‐s1.upb.de/LTM/EMM/ 13.03.2013)
Die spannungsoptische Methode kommt seit etwa 70 Jahren zur Anwendung und zählt nach wie vor zu den interessantesten Verfahren der optischen Spannungsanalyse, nicht zuletzt wegen der großen Anschau‐
lichkeit und des relativ einfachen Versuchs‐
aufbaues. Das spannungsoptische Prinzip eignet sich in besonderer Weise für die Ana‐
lyse von ebenen Spannungsverteilungen in ebenen Modellen, mit zusätzlichem Auf‐
http://www.tu‐chemnitz.de/tu/aktuelles/ wand lassen sich aber auch räumliche Mo‐
2011/1305892050‐3671‐0.jpg / 13.03.2013
delle analysieren. Verantwortlich für die Entstehung der relevanten optischen Effekte ist die Eigenschaft transparenter Werkstoffe, infolge mechanischer Beanspruchung und durch Lichteinwirkung doppelbrechend zu werden. Aufgrund dieser Tatsache lassen sich in einem belas‐
teten spannungsoptischen Modell zwei unterschiedliche Isoliniensysteme beob‐
achten. Hierbei wird unterschieden zwischen Linien gleicher Hauptspannungsdif‐
ferenz und Linien gleicher Haupspannungsrichtung. Im folgenden sollen die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge und Wirkprinzipien des span‐
nungsoptischen Verfahrens kurz erläutert werden. (http://www.uni‐ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/uzwr/mmsm/mmsm1‐ws1213/SpannungsOptik.PNG / 13.03.2013) Moiré‐Messverfahren (vgl. http://mb‐s1.upb.de/LTM/EMM/ 13.03.2013)
Die Moiré‐Messverfahren sind in die Gruppe der Ganzfeldmethoden der experi‐
mentellen Spannungs‐ und Verformungsanalyse einzuordnen. Im Gegensatz zu Verfahren wie z.B. Bauteiluntersuchungen mittels Dehnungsmessstreifen, die nur Informationen über Beanspruchungs‐ und Verformungsgrößen im lokalen Bereich der applizierten DMS ermitteln, erhält man bei den Moiré‐Verfahren Auskunft über einen ausgedehnten Bereich des zu untersuchenden Objektes. Weitere Vor‐
J B Ressel Versuch 8 Seite 30 / 35 teile der Verfahren sind der im Vergleich zu anderen optischen Messverfahren ge‐
ringe versuchstechnische Aufwand und die Möglichkeit der Durchführung der Ex‐
perimente an Originalbauteilen. Weiterhin ist die Behandlung von sowohl stati‐
schen als auch dynamischen Problemen möglich8. Der Moiré‐Effekt macht sich bei der Überlagerung von regelmäßigen feinen Ras‐
tern durch zusätzliche scheinbare grobe Raster bemerkbar. Diese sich ergebenden Muster, deren Aussehen den Mustern aus Interferenzen ähnlich ist, sind ein Spe‐
zialfall des Alias‐Effekt durch Unterabtastung. Ursachen sind:  Die übereinander liegenden Raster mit gleicher Teilung sind gegeneinander verdreht. (Gegenseitiges Verschieben bewirkt lediglich lokale Helligkeits‐ o‐
der Farbänderung (Farbdruck).)  Die übereinander liegenden Raster haben untereinander minimal ungleiche Teilung.  Die übereinander liegenden Raster ungleicher Teilung sind zusätzlich gegen‐
einander verdreht. (aus http://de.wikipedia.org/wiki/Moir%C3%A9‐Effekt 7 13.03.2013) (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/com
mons/d/d7/Moire2grd.png / 13.03.2013) (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/com
(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/Schlo%C3%
mons/d/d7/Moire2grd.png / 13.03.2013 9F_L%C3%B6tzen_mit_Drehbr%C3%BCcke.JPG / 13.03.2013) 8
Unter bestimmten Umständen können auf digitalen Bildern, sei von einer High‐End Digitalkamera oder auch von einem Scanner, streifenförmige, manchmal auch farbige, Muster zu sehen sein. Dieser Effekt nennt sich Moiré und wird durch die Überlagerung zweier ähnlicher Muster in einem bestimmten Winkel hervorgerufen. Durch die Überlagerung der zwei Muster kann ein drittes Muster entstehen, das Moiré. Die folgende Abbildung zeigt wie durch die Überlagerung zweier quadratischer Raster ein neues Moiré‐Muster mit runder Ausprägung entstehen kann. https://www.nikonsupport.eu/europe/kdb/de/2003/9559.gif J B Ressel Versuch 8 Seite 31 / 35 vgl. dazu auch die Moiré‐Interferometrie  http://messtec.dlr.de/de/technologie/ dlr‐aerodynamik‐und‐stroemungstechnik/moire‐interferometrie‐moire/index.php Literatur Geck, A. 2007/08 – Spannungsoptische Grundlagen – Werkstoffkunde Praktikum Versuch WK 5. FH Giessen Friedberg Herrmann, K. 1996 – Spannungsoptische Untersuchungen mittels digitaler Bildan‐
alyse. Universität Paderborn. Laboratorium für Technische Mechanik. Unterla‐
gen zur Vorlesung Experimentelle Methoden der Spannungsanalyse WS 94/95 und SS 95 Katte, H. 2010 – Bildgebende Messung der Spannungsdoppelbrechung in opti‐
schen Materialien und Komponenten. photonik (2008)5: 60‐63 Reichert, A., Katte, H. 2005 – Grundlagen der Spannungsoptik.ilis GmbH, Erlangen Tiziani, H. J. 1987 – Rechnerunterstützte Laser‐Messtechnik. Technisches Messen (1987) 6:221‐230 J B Ressel Versuch 8 Seite 32 / 35 8 b Mikroskop Okularmaßstab kalibrieren, Dicke eines Haares messen, Brechzahl bestimmen ‐ Anwendungsbeispiel noch ausstehend ‐ J B Ressel Versuch 9 Seite 33 / 35 9 a Radioaktivität Reichweite von ‐ Strahlung in Luft und ‐ Strahlung in Aluminium Radiometrische Dichtemessung von Holz und Holzwerkstoffen Mittels eines Gammastrahlen emittierenden umschlossenen, radioaktiven Strah‐
lers, z.B. Americium 241Am, werden Proben, z.B. einer Holzwerkstoffplatte (Größe 50 x 50 x Plattendicke), parallel zur Oberfläche durchstrahlt. Als Ergebnis erhält man, nach entsprechender Kalibrierung, das sog. Rohdichteprofil des Holzwerk‐
stoffes senkrecht zur Plattendicke. Erfolgt die Durchstrahlung der Probe senkrecht zur Plattenoberfläche, erhält man die mittlere Rohdichte der Platte, die natürlich auch aufgrund von Streuungenau‐
igkeiten über die Breite der kontinuierlich hergestellten Platte variieren kann. Diese zerstörende Prüfung ist für eine lfd. Produktionsüberwachung weniger ge‐
eignet, als die oben bereits erwähnte on‐line Dichtprofilmessung mittels Röntgen‐
strahlen. Zudem lässt sich der Strahler nicht „abschalten“ wie ein Röntgengerät, bestenfalls abschirmen durch geeignete Materialien. Radiometrische Messmethoden werden u.a. auch für folgende Zwecke eingesetzt:






Füllstandmessung Feuchtemessung Grenzstandmessung Giesspiegelmessung Durchflussmessung / Durchsatzmessung Konzentrationsmessung (vgl. https://www.berthold.com) Hier ist allerdings darauf zu verweisen, dass in vielen Fällen alternative Messver‐
fahren verfügbar sind, die ohne radioaktive Strahler auskommen (kein Auflagen hinsichtlich Strahlenschutz !). Literatur Bonath, R. 2010 – Radiometrische Prozessmesstechnik mit optimierter Sicherheit. ETZ (Elektrotechnik & Automation) Heft S1/2010, S. 2‐7 J B Ressel Versuch 9 Seite 34 / 35 9 b Prismenspektroskopie Kalibrieren der Skala des Prismenspektroskops, Wellenlängen von Neonlinien be‐
stimmen, Bestimmung eines Elementes aus seinen Spektrallinien Nachweis von Holzschutzmitteln in Altholz Die Verordnung über Anforderungen an die Verwertung und Beseitigung von Altholz (Altholzverordnung – AltholzV, 2003) regelt die stoffliche und energeti‐
sche Verwertung und die Beseitigung von Altholz in Deutschland. Der Begriff Alt‐
holz umfasst Industrierestholz und Gebrauchtholz, soweit diese Hölzer Abfall im Sinne des § 3 Abs. 1 des Kreislaufwirtschafts‐ und Abfallgesetzes (KrW‐/AbfG) sind. Auf Verwertung bzw. Beseitigung bezogen werden folgende Altholzkatego‐
rien unterschieden:
Kate‐
gorie Bezeichnung Herkunft (Beispiele) A I Naturbelassenes oder me‐
chanisch bearbeitetes Alt‐
holz, praktisch nicht verun‐
reinigt Verwertung/Beseitigung Möbel aus Massivholz ohne Geeignet für stoffliche Ver‐
Leimplatten wertung (z. B. Fertigung neu‐
er Spanplatten) A II Verleimtes, beschichtetes, Leimholzplatten, Möbel oh‐ Geeignet für stoffliche Ver‐
lackiertes Altholz ohne halo‐ ne PVC‐Anteile, Innentüren, wertung (z. B. Fertigung neu‐
genorganische Verbindungen Dielen er Spanplatten) in der Beschichtung und oh‐
ne Holzschutzmittel A III Altholz mit halogenorgani‐
schen Verbindungen in der Beschichtung ohne Holz‐
schutzmittel Möbel mit PVC‐Kanten oder Thermische Verwertung in PVC‐Beschichtungen einer geeigneten Anlage A IV Mit Holzschutzmitteln be‐
handeltes Altholz und Alt‐
holz, das aufgrund seiner Schadstoffbelastung nicht den Kategorien A I, A II oder A III zugeordnet werden kann
Bahnschwellen, Leitungsmas‐ Thermische Verwertung in ten, Dachsparren, Fenster, einer geeigneten Anlage Außentüren, Zäune, Garten‐
möbel aus Holz PCB‐ Altholz, das mit Mitteln be‐ Mit Steinkohlenteerölen im‐ Beseitigung auf einer geeig‐
Alt‐ handelt ist, die polychlorierte prägnierte Masten, Bahn‐
neten Sonderabfall‐Deponie holz Biphenyle (PCB) enthalten schwellen, Dämmplatten … es ist noch zu prüfen, inwieweit die einfache Spektralanalyse zum qualitativen Nachweis von HSM geeignet ist. Einfache Analyse‐ bzw. Nachweismethoden für Holzschutzmittel  http://www.bau.hs‐wismar.de/Diplome/Bauchemie/Unnasch/
J B Ressel Versuch 9 Seite 35 / 35 Spektroskopie … allgemein alle Untersuchungsmethoden, die auf der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie beruhen. Einfaches Handspektrometer (http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_2/kap2_5/grafik/handspec.gif / 13.03.2013) Analytische Chemie Die UV/VIS‐Spektroskopie ist ein Verfahren der optischen Spektroskopie, das auf der spezifischen Absorption von Ultraviolett‐ oder sichtbarer Strahlung (200 ‐ 800 nm) durch sogenannte Chromophore in organischen oder anorganischen Verbin‐
dungen beruht. Mit spezieller Technik sind auch Messungen unter 200 nm mög‐
lich (Vakuum‐UV‐Spektroskopie). Zur Aufnahme von Absorptionsspektren werden UV/VIS‐Spektrophotometer verwendet. Die UV/VIS‐Spektroskopie kann auf Grund der Gültigkeit des Lambert‐Beerschen Gesetzes zur quantitativen Bestim‐
mung UV/VIS‐aktiver Verbindungen eingesetzt werden. Die UV/VIS‐Spektroskopie dient zur quantitativen Bestimmung (Photometrie) vielfältiger Lebensmittelin‐
halts‐ sowie Zusatzstoffe. Photometrische Bestimmungen bilden darüber hinaus auch die Grundlage für zahlreiche quantitative enzymatische Analysen. Weitere Anwendungsgebiete sind die orientierende Bestimmung gelöster organischer Wasserverunreinigungen sowie die Detektion in der Flüssigkeitschromatographie, insbesondere der HPLC. (http://www.chemgapedia.de/vsengine/popup/vsc/de/glossar/u/uv/uv_00045spektroskopie.glos.html / 13.03.2013) … Literatur Schmidt‐Döhl, F., Wobst, M. 2004 – Wichtige bauchemische Untersuchungsme‐
thoden. TU Braunschweig. Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, Materialprüfungsanstalt für das Bauwesen. Informationsschrift, 20 S. J B Ressel