Эластовискозиметр

 

ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости , и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и атерому входу блока модели канала измерения вязкости, отличающий с я тем, 4TOJ с целью повышения точности измерения модуля упру гости и вязкости и обеспечения возможности измерения присоединенной массы, в него введены датчик ускорения штока, весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока i подключен к первому входу формирователя и второ; входу блока модели (Л канала измерения присоединенной массы , а также к первому входу весоС вого сумматора, второй и третий . входы которого подключены соотйетственно к датчикам перемещения и скорости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопротивления вещества, второй вход ког ОС О торого соединен с выходом генератора эадаюЬшх колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при Iэтом выходы генератора, блока оценки силы сопротивления вещества и перзого суммирующего усилителя подключены через второй суммируюсций усилитель к катушке якоря Обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластовискозиметра .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН ие nt) i

3(Д) 0 01 К 11/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (21) 3527659/18-25 (22) 27.12. 82 (46) 15.03.84. Бюл. 9 10 (72) M.Ñ. Катков, Е.В. Смородинов, Л.Б. Богатин и В.Л. Капитанов (53) 538.137(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 356526, кл. 0 01 N 11/10, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 378756,. кл. 0 01 N 11/10, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

Р 756277, кл. G 01 N 11/14, 1978 (прототип). (54 ) (57 ) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последователь» но соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала изме.рения вязкости, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения точности измерения модуля упру гости и вязкости и обеспечения воэможности измерения присоединенной массы, в него введены датчик ускорения штока, весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока подключен к первому входу формироФ вателя и второму входу блока модели канала измерения присоединенной массы, а также к первому входу весового сумматора, второй и третий входы которого подключены соответственно к датчикам перемещения и ско- Я рости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопротивления вещества, второй вход ко-. торого соединен с выходом генератора задающих колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при этом выходы генератора, блока оценки сыды сопротивления вещества и первого суююирующего усилителя подклю- чены через второй суммирующий уси" литель к катушке якоря обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластозискозиметра.

1080070

Изобретение относится к областй измерения и регистрации вязкоУпругих характеристик различных материа- лов как органического, так и неорганического происхождения, и может быть использовано для исследования процессов измерения их вязкоупру. гих свойств во времени в широком диапазоне частот.

Известен ротационный амплитудно-. частотный вискозиметр для опреде10 ления структурно-механических свойств пластично-вязких материалов при вибрировании, содержащий. наружный, же"тко соединенный с источником механических вертикально-непре- t5 рывных колебаний, и внутренний, приводимый во вращение вокруг вертикальной оси, коаксиальные цилиндры, станину, измерители момента и скорости вращения внутреннего цилиндра.

Данный вискоэиметр позволяет получить информацию об амплитуде периодических деформаций исследуемой среды при вращении чувствительного 5 элемента за счет того, что усилие, вызванное периодическим смещением на ружного цилиндра, передается внутреннему только через исследуемый материал. По скорости вращения внутреннего цилиндра, весу падающих грузов измерителя момента и зазору между наружным и внутренним цилиндрами определяют стационарные реологические характеристики, а по возмущающей силе возбудителя механических колебаний и заданной колебательной скорости наружного цилиндра — динамические вязкоупругие характеристики (1 .

Недостатками известного устрой- 40 ства являются необходимость дополнительной расшифровки экспериментальных данных, аналитической обработки результатов, а также невоэможность измерения статических вязкоупругих характеристик веществ вследствие полного разрушения структуры исследуемой среды.

Известно устройство, в котором на исследуемую вяэкоупругую среду накладываются гармонические колебания, амплитуда которых превыаает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа, состоящее из крутильного маятника, иа конце которого укреплен плунжер, привода гармонических незатухающих колеба- . ний, кюветы, механически связанной с приводом гармонических незатухающих колебаний, и датчика угла поворота крутильного маятника. Вещест- 60 во, находящееся между стенками плунмера и кюветы, под действием механических колебаний кюветы разрушается и меняет свои реологические свойства. Изменение реологических

65 свойств исследуемого вещества приводит к изменению сил вязкоупругого < трения, действующих через плунжер на крутильный маятник, совершающий свободные колебания вокруг оси вращения, В результате действия этих сил, а также изменения величины присоединенной массы амплитуда и частота этих. колебаний изменяются, что регистрируется датчиком угла поворота крутильного маятника.Г23.

Устройство не обеспечивает достаточной точности измерения вяэкоупругих характеристик материала в процессе их изменения и обладает узким частотным диапазоном, так как в процессе измерения непрерывно изменяющихся вязкоупругих характеристик вещества амплитуда и частота свободных колебаний маятника также непрерывно изменяются, что требует дополнительной обработки результатов эксперимента и приводит к снижению точности. Кроме того, в данном устройстве принципиально невозможно измерение величины присоединенной массы вещества, так как угол поворота крутильного маятника и его yc« корение находятся в противофазе.

Следовательно, ошибка измерения модуля ; пругости вещества пропорциональна величине присоединенной массч, что также приводит к снижению точности измерений.

Наиболее близким к изобретению является устройство, позволяющее обеспечить более высокую точность измерения вязкоупругих свойств в процессе их измерения и расширить частотный диапазон, содержащее кор пус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из.которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля угругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости (3 ).

К недостаткам этого устройства следует отнести узкий диапазон частоты деформации вследствие сильной

1080070

10 зависимости результатов измерения от стабильности частоты и амплитуды задающих колебаний, от стабильности характеристик датчиков и параметров механической части, от стабильности массы подвижной части уст- . 5 ройства.

Сигналы на выходе формирователей изменяются пропорционально как измеряемым параметрам исследуемого вещества, так и пропорционально квадрату амплитуды перемещения штока, которая определяется амплитудой задающих колебаний и, кроме того, собственными динамическими характеристиками штока при отсутствии ве- 15 щества, а именно жесткостью пружины, через которую передаются эадаощие колебания на шток, собственными демпфирующими силами штока и параметрами сигналов настройки формирователей для заданной частоты задающих колебаний.

Изменение величины присоединенной массы вследствие измерения реологичес ких свойств или качественного состава вещества приводит к изменению силы инерции штока, что вызывает ошибки измерения модуля упругости вещества пропорционально величине присоединенной массы и квадрата частоты задающих колебаний.

Изменение частоты задающих колебаний, связанное с нестабильностью частоты или переходом на другую задающую частоту, приводит к изменению величины силы инерции и ампли- З5 туды скорости пер .мещения штока пропорционально квадрату частоты задающих колебаний, что вызывает либо ошибку измерения модуля упругости вещества, либо необходимость пере-, 40 стройки устройства на новую задающую частоту. Это существенно усложняет экспл,атацию данного устройства при большом числе фиксированных частот задающих колебаний. 45

Кроме того, данное устройство принципиально не может работать в режиме непрерывно меняющейся амплитуды и частоты задающих колебаний, так как в этом случае потребуется непрерывная подстройка каналов измерения модуля упругости и вязкости, которую. невозможно произвести в режиме измерения реологических свойств исследуемого вещества.

Цель изобретения — повышение точности измерения модуля упругости и вязкости и обеспечение воэможности измерения присоединенной массы.

Указанная цель достигается тем, что в эластовискозиметр, содержащий 60 корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих кОлебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде 65 магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу фор-„ мирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости введены датчик ускорения штока, ) не совой сумма тор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения присоединенной массы, а =акже к первому входу весово го сумматора, второй и третий входы которого подключены соответственно к датчикам перемещения и скорости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопро" тивления вещества, второй вход которого соединен с выходом генерато.ра задающих колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при этом выходы генератора, блока оценки силы сопротивления вещества и первого суммирующего усилителя подключены через второй суммирующий усилитель к катушке якоря обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластовискоэиметра.

На чертеже приведена схема предлагаемого эластовискоэиметра.

Зластовискозиметр содержит шток

1, связанный одним концом через пружину 2 с корпусом, а другим концом через зонд 3, погруженный в исследуемое вещество 4, - с кюветой

5, жестко закрепленной на корпусе эластовискоэиметра. На штоке 1 также укреплены шторка 6 датчика перемещения штока 1, магнит 7 датчика скорости перемещения ш"ока 1 и якорь

8 с катушкой 9 обратного преобразователя. На корпусе эластовискоэиметра укреплены корпус датчика 10 перемещения штока 1 с лампочками 11 и

1080070 ходов фотодиодов 12, катушки 15 и

15 дифференциатора 16 поступают соответственно на вторые входы блока модели 20 модуля упругости, блока модели 23 вязкости и блока модели

26 присоединенной массы, первые вхо. ды которых соответственно связаны с выходами исполнительных блоков 19, 22 и 25. Блоки моделей 20, 23 и 26 представляют собой множительные устройства, поэтому при отсутствии вещества 4 в кювете 5 сигналы с их выходов равны нулю. Следовательно, нулевым будет и сигнал на выходе первого суммирующего усилителя, связанного через второй суммирующий усилитель 30 со входом катушки 9 якоря 8 обратного преобразователя.

При налички вещества 4 в кювете

5 возникает сопротивление движению зонда 3, которое обусловлено вяэкоупругими характеристиками вещества

З5 4 и силовой инерции его массы, присоединенной к зонду 3. Это вызывает изменение амплитуды выходных сигналов фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16. Следовательно,,4О равновесие сигналов на входах блока

28 оценки силы сопротивления вещества 4 нарушается. На выходе блока

28 оценки силы сопротивления вещества 4 появляется компенсирующий

45 сигнал такой величины, который приводит входные сигналы этого блока в равновесное состояние, что возможно только при полной компенсации силы вязкоупругого сопротивления ия и силы инерции присоединенной массы а вещества 4. Поэтому выходной сигнал блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 пропорционален нескомпенсированному усилию вязкоупругого сопротивления и силе инерции присоединенной массы вещества 4. В формирователе 18 модуля упругости, где происходит перемножение сигнала, пропор ционального силе сопротивления вещества 4, и сигнала, пропорцисналь60 ного перемещению штока 1 формируется сигнал, пропорциональйый модулю упругости, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 19, который модулиу жется сигналом перемещения штока 1 фотодиодами 12, магнитопровод 13 с магнитом 14 статора обратного преобразователя и катушка 15 датчика скорости перемещения штока 1. Датчик ускорения штока выполнен в виде днфференциатора 16, подключенного входом к катушке 15, а выходом — к первому входу весового сумматора 17, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам фотодиодов 12 и катушки 15. Канал измерения модуля упругости содержит последовательно соединенные формирователь 18, исполнительный блок 19 и блок модели 20. Канал измерения вязкости содержит последовательно соединенные формирователь

21, исполнительный блок 22 и блок модели 23. Канал измерения присоединенной массы содержит последовательно соединенные формирователь 24, исполнительный блок 25 и блок модели

26, причем выходы всех блоков моделей 20, 23 и 26 подключены к входам первого суммирующего усилителя 27.

Первый вход блока 28 оценки сил сопротивления вещества подключен к выходу весового сумматора 17, а второй вход блока 28 оценки сил сопротивления вещества подключен к выходу генератора 29. Второй суммирующий усилитель 30 подключен выходом к катушке 9, à его входы подключены к выходам первого суммирующего усилителя

27, блока 28 оценки сил сопротивле« ния вещества и генератора 29. Первые входы формирователей 18, 21 и 24 подключены соответственно к выходам фотодиодов 12, катушки 15, дифференциатора 16 и, соответственно, к вторым входам блоков моделей 20, 23 и

26, а вторые входы формирователей 18

23. и 24 подключены к выходу блока 28 оценки сил сопротивления вещества.

Эластовискоэиметр работает следующим образом.

При отсутствии вещества 4 в кювете 5 генератором 29 через второй суммирующий усилитель 30 возбуждаются механические колебания штока 1, что обуславливает появление сигналов на выходах фотодиодов 12 датчика перемещения штока 1, катушки 15 датчик скорости перемещения штока 1 и диф« ференциатора 16, форма которых определяется формой сигнала генератора

29 и параметрами механической части эластовискоэиметра (массой подвижной части, собственным демпфированием, упругостью вспомогательной пружины 2 ). Сигналы фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16 пос тупают на входы весового сумматора

17, весовые коэффициенты которого выбираются таким образом, чтобы выходной сигнал весового сумматора 17 бьщ. равен в каждый момент времени выходному сигналу генератора 2Я

Выходные сигналы весового сумматора 17 и генератора 29 поступают на дифференциальные входы блока 28 оценки силы сопротивления вещества, выполненного в виде дифференциаль5 ного усилителя с большим коэффициен. том усиления. ак как входные сигналы блока 28 оценки силы сопротивления вещества равны, то его выходной сигнал равен нулю и, следоваtO тельно, равны нулю сигналы на выхо" дах формирователей 18, 21 и 24 и исполнительных блоков 1.9, 22 и 25 всех каналов измерения. Сигналы с вы1080070 с выхода фотодиодов 12 в блоке модели 20 канала измерения модуля упру гости. Выходной сигнал блока модели

20, моделирующий упругую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению зонда 3, попадает через

5 первый вход в первый суммирующий усилитель 27.

В формирователе 21 канала измерения вязкости, где происходит перемножение сигнала, пропорционально- !О

ro силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный скорости перемещения штока 1, формируется сиг нал, пропорциональный величине вязкости вещества 4, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 22, который модулируется сигналом, пропорциональным скорости перемещения штока 1 с выхода катушки 15, в блоке модели

23. Выходной сигнал блока модели 23 моделирует вязкую составляющую силы сопротивления движению зонда 3, который через второй вход попадает в первый суммирующий усилитель 27.

В формирователе 24 канала измерения присоединенной массы, где прс,исходит перемножение сигнала, пропорционального силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный ускорению штока 1, формируется сигнал, пропорциональный ве.личине присоединенной массы, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 25 ° который модулируется сигналом, пропор. Ç5 циональным ускорению штока 1 с выхода дифференциатора 16, в блоке модели 26. Выходной сигнал блока модели 26 моделирует силу инерции вещества 4, вызванную присоединенной мас- 40 сой, и через третий вход попадает в первый суммирующий усилитель 27.

Выходные сигналы первого суммирующего усилителя 27 и блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 сум-45 мируются вторым суммирующим усилителем 30 и попадают в катушку 9 якоря 8 обратного преобразователя, где возникает электромагнитная сила, величина которой в каждый момент време 50 ни равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак — обратный знаку си- лы сопротивления. При этом равенствс нулю сигналов на выходах формирователей 18, 21 и 24 и, следовательно, на выходе блока 28 оценки силы сопро тивления вещества свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения модуля упругости, вязкости, присоединенной массы и полной компенсации сил сопротивления движению зонда 3 сигналами с выходов блоков моделей 20, 23 и 26.

При этом выходные сигналы исполни-. тельных блоков 19, 22 и 25 пропорциональны соответственно модулю упр> 65 гости, вязкости вещества 4 и величине присоединенной массы.

При изменении модуля упругости, вязкости или величины присоединенной массы появляются сигналы на выходе блока 28 силы сопротивления вещества 4,и, следовательно, сигналы на выходах формирователей 18, 21 и 24, что приводит к соответствующему изме нению выходных сигналов блоков модели 20, 23 и 26, первого суммирующего усилителя 27 и тока в катушке

9 якоря 8 обратного преобразователя до такой величины и в такую сторону, чтобы сила сопротивления вещества была скомпенсирована электромагнитной силой обратного преобразователя.

Таким образом, алгебраическая сумма сил, действующих на шток со стороны исследуемого вещества и обратного преобразователя, всегда равна силе возбуждения от сигнала генератора 29, что свидетельствует о постоянстве частотной характеристики электромеханической системы. Это позволяет изменять в широких пределах частоту деформации вещества 4 с помощью генератора 29.

При изменении амплитуды или частоты задающих колебаний изменяются амплитуда и частота колебаний штока

1, а также величины упругой силы, сил инерции и собственного демпфирования штока 1, что приводит к изменению величины сигналов на выходах датчиков перемещения, скорости и ускорения штока 1. Изменение величины выходно"о сигнала блока 28 оценки силы сопротивления веще« ства 4, связанное с изменением упругой силы пружины 2, силы собственного демпфирования и силы инерции штока 1, компенсируется в весовом сумматоре 17 изменением величины сигналов датчиков ускорения, скорости и перемещения штока 1. При этом выходной сигнал блока 28 оценки силы сопро-, тивления вещества 4 пропорционален только нескомпенсированному усили« телю сопротивления вещества 4. Так как в каждый момент времени сила сопротивления вещества 4 скомпенсиро вана электромагнитной силой обратно" го преобразователя независимо от величины выходного сигнала первого суммирующего усилителя 27, то переходные процессы в каналах измерения не влияют на стабильность частотной характеристики электромеханической системы. Так как выходной сигнал блока 28 оценки сил сопротивления вещества приводится к нулю, то ошибки измерения модуля упругости, вязкости и присоединенной массы не зависит от изменения амплитуды и частоты колебаний штока.

1080070

Составитель В. Крутин

Редактор М. Товтин Техред И.Кузьма Корректор H. Иуска

Заказ 1328/45 Тираж 823 Подписное

BhHHIlH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Таким образом, предлагаеьмй зластовискоэиметр позволяет повысить точность измерения модуля упругости и вязкости и обеспечить возможность измерения присоединенной массы, а также измерять реологические характеристики вецеств при непрерывном изменении спектрального состава сигнала возбуждения без увеличения аппаратурной сложности н времени настройки устройства.

При этом точность измерения модуля упругости и вязкости в предлагаемом устройстве виае по модулю упругости в 5,8 раэ, по вязкости в 1,2 раза. з Кроме того, устройство обеспечивает возможность измерения присоединенной массы с точностью 2,1%, что позволяет судить об изменениях физико-механических свойств ве10 щества в процессе измерения.