Эластовискозиметр

 

Изобретение относится к области измерения вязкоупругих характеристик материалов с нелинейными реологическими свойствами.; I Целью изобретения является повьппение точности измерения вязкоупругих характеристик веществ с нелинейными реологическими свойствами. Эластовискозиметр содержит корпус, кювету, шток с зондом, привод задающих колебаний,.обратный преобразователь, суммирующий усилитель мощности, первый контур измерения реологических характеристик на. задающей частоте, содержащий суммирующий усилитель, первый фильтр, фазовращатель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, датчик вязкоупругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, N пар генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, N-1 контуров измерения модуля упругости и вязкости на частотах, кратных частоте задающих колебаний, аналогичных первому, причем входы всех фильтров подключены к датчику вязкоупругой силы, а выходы всех суммирукяцих усилителей через суммирующий усилитель мопщости подключены к катушке якоря обратного преобразователя . Новьм является введение датчика вязкоупругой силы,.жестко связывающего шток с корпусом, N пар генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, N-1 дополнительных контуров измерения реологических характеристик , первого фильтра, первого фазовращателя в контур измерения реологических характеристик на частоте задающих колебаний. Эластовискозиметр может быть испол.ьзован в химической промышленности, для измерения свойств материалов со стационарными и нелинейными реологическими характеристиками , в нефтяной промышленности, я медицине. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. с S (О Од О kj 4 а

СОЕЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 N 11 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ а

С:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3897754/31-25 (22) 21.05.85 (46) 30.09.86. Бюл. В 36 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) M.Ñ. Катков, Е.В. Смородинов, В.Л. Капитанов, В.А. Кривулев, А.Г. Петров и Н.Г. Шмакова (53) 532.137(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 378756, кл. G 01 N 11/10, 1971.

Авторское свидетельство СССР

11 1080070, кл. G 01 N 11/10, 1983. (54) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР (57) Изобретение относится к области измерения вяэкоупругих характеристик материалов с нелинейными реологическими свойствами., Целью изобретения является повышение точности измерения вяэкоупругих характеристик веществ с нелинейньячи реологическими свойствами. Эластовискозиметр содержит корпус, кювету, шток с зондом, привод задающих колебаний,.обратный преобразователь, суммирующий усилитель мощности, первый контур измерения реологических характеристик на, задающей частоте, содержащий суммиру няций усилитель, первый фильтр, фазовращатель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый иэ ко„„SU„„1260746 А 1 торых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, датчик вяэкоупругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, N пар генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, К-1 контуров измерения модуля упругости и вязкости на частотах, кратных частоте задающих колебаний, аналогичных первому, причем входы всех фильтров подключены к датчику вязкоупругой силы, а выходы всех суммирующих усилителей через суммирующий усилитель мощности подключены к катушке якоря обратного преобразователя. Новью является введение датчика вязкоупругой силы, жестко связывающего шток с корпусом, N nap генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, N-1 дополнительных контуров измерения реологических характеристик, первого фильтра, первого фазовращателя в контур измерения реологических характеристик на частоте задающих колебаний. Эластовискоэиметр может быть использован в химической промышленности для измерения свойств материалов со стационарными и нелинейными реологическими характеристиками, в нефтяной промышленности, о медицине. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

60746

1 12

Изобретение относится к измерению вязкоупругих характеристик различных материалов с нелинейными реологическими свойствами и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругих свойств во времени в широком диапазоне частот деформации.

Цель изобретения — повышение точности измерения реологических характеристик веществ с нелинейными вязкоупругими свойствами.

На фиг. 1 приведена электрокинематическая схема зластовискозиметра; на фиг. 2 — структурные электрические схемы формирователей каналов измерения модуля упругости и вязкости соответственно.

Эластовискозиметр (фиг. 1) содержит шток 1, жестко связанный одним концом через датчик 2 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезокристалла и усилителя, а другим концом через зонд 3 с исследуемым веществом 4, помещенным в кювету 5. На штоке 1 укреплены якорь б с катушкой

7 обратимого преобразователя. На корпусе эластовискозиметра также укреплены магнитопровод 8 с постоянным магнитом 9 статора обратимого преобразователя и привод !0 задающих колебаний с профилированным кулачком

Кинематическое замыкание кюветы

S с кулачком 1 1 осуществляется с помощью пружин 12. Устройство также содержит N пар генераторов синусоидальных 13.k и косинусоидальных

14.k (k1,N) колебаний, синхронизированных по входу с положением и профилем кулачка 11 привода 10 причем генератор 13.1 синусоидальных колебаний выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы 5, а генератор 14.1 косинусоидальных колебаний выдает сигнал, сдвинутый по фазе на угол 7/2 относительно выходного сигнала генератора 13.1 синусоидальных колебаний. Частота выходных сигналов k-ой пары генераторов 13 Л и

i4.k в k раз больше частоты первой пары генераторов 13.1 и 14.1. Эластовискоэиметр содержит также суммирующий усилитель 15 мощности, выход которого подключен к катушке 7 якоря 6 обратимого преобразователя, а один иэ входов соединен с выходом датчика

2 вязкоупругой силы и М идентичных контуров 16.k (k=1,N) измерения реологических характеристик, предназначенных для определения на соответствующей частоте составляющих комплексного модуля упругости. Так, первый контур 16 ° 1 измерения реологических ,характеристик на частоте я,, равной частоте деформации исследуемого вещества, включает суммирующий усили тель 17.1, выход которого подключен к входу суммирующего усилителя 15 мощности, последовательно соединенные

I фильтр 18.1 и фазовращатель 19. 1 синусоидальных сигналов, настроенных на частоту Ю,, и два идентичных кана15 ла измерения модуля упругости и вязкости. Канал измерения модуля упругости состоит из последовательно соединенных формирователя 20.1, исполнительного блока 21.1 и блока 22.1

20 модели модуля упругости, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя 17.1 Канал измерения вязкости состоит из последовательно соединенньг- формирователя

25 23.1, исполнительного блока 24.1 и блока 25.1 модели вязкости, выход которого также подключен к входу суммирующего усилителя 17.1 Исполни тельные блоки 21. 1 и 24. 1 представляля ют собой генераторы, а блоки 22.1 и

25.1 модели выполнены в виде множительных устройств. Первые, вторые, третьи и четвертые входы формирователей 20.1 и 23.1 подключены соот ветственно к выходу фильтра 18.1, выходу фаэовращателя 19.1, выходу генератора 13.1 синусоидальных колебаний и второму входу блока 22.1 модели, к выходу генератора 14.1 косинусоидальных колебаний и второму входу блока 25.1 модели. Аналогично построены остальные N-1 контуров измерения реологических характеристик. Входы фильтров 18 и выходы суммирующих

4> усилителей 17 подключены соответственно к выходу датчика 2 вязкоупругой силы и входу суммирующего усилителя

15 мощности.

Формирователи 20 каналов измерения модуля упругости выполнены идентично и каждый из них (фиг. 2) содержит суммирующий усилитель 26 и два перемножителя 27 и 28, выходы которых подключены к входам суммируощего усилителя 26. Входы перемножителя 27 являются первым и третьим входами формирователя 20. Входы перемножителя 28 являются вторым и четвертым

1260746 вхо .ами формирователя 20, а выход суммирующего усилителя 26 — выходом . ;ормиронателя 20.

Формирователи 23 каналон измерения вязкости выполнены идентично и каждый из них (фиг. 3) содержит суммирующий усилитель 29 и два перемножителя 30 и 31, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 29. Входы перемножителя 30 явля- 10 ются первым и четвертым входами формирователя 23. Входы перемножителя

31 являются вторым и третьим входами формирователя 23, а выход суммирующего усилителя 29 — выходом формиро- 15 вателя 23.

Генераторы 13.1с и 14.k,k-ой гармоники выполнены в виде преобразователя угол — код и постоянных двух запоминающих устройств (ПЗУ), адресные щ входы которых подключены к выходу преобразователя угол — код ° В ПЗУ записаны k-e синусоидальная и косинусоидальная гармоники соответственно, причем синхронизация входных сигна- 25 лов ПЗУ с приводом 10 осуществляется путем жесткого соединения нала привода 10 с входным валом преобразователя угол — код таким образом, что нейтральному положению кюветы 5 соответствуют нулевой выходной сигнал первого ПЗУ и максимальный выходной сигнал второго ПЗУ.

Эластовискозиметр работает следующим образом.

При включении привода 10 под дей35 ствием кулачка 11 и пружины 12, кювета 5 перемещается по синусоидальному закону с частотой колебаний и, . При этом на выходах генераторов 13.k u

1.4.k появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 5 синусоидальные сигналы с частотой ku, (k

1, N}.

При отсутствии вещества 4 в кювете45

5 сила, действующая на шток 1 с зондом 3, равна нулю. Следовательно, вы" ходные сигналы датчика 2 вязкоупругой силы, фильтров 18 и фазовращателей

19 также равны нулю. Наличие нулевых 50 сигналов на выходах контуров 16 измерения реологических характеристик обусловливает нулевые сигналы на выходах исполнительных блокон 21 и 24 всех каналов измерения модуля упру- 55 гости и вязкости. Так как блоки 22 и

25 моделей представляют собой множительные устройства, то их выходные сигналы равны нулю, что приводит к нулевому выходному сигналу суммирующего усилителя 15 мощности.

При наличии вещества 4 н кювете 5 возникает сопротивление движению кюветы 5, которое передается на жестко закрепленные шток 1 с зондом 3 ч датчик 2 нязкоупругой силы. На выходе усилителя датчика 2 вязкоупругой силы появляется компенсирующий сигнал, такой по величине и направлению, что возбуждает н якоре 6 с катушкой 7 силу, приводящую шток 1 с зондом 3 в равновесие. При этом сумма сил, действующих на шток 1 с зондом 3, независимо от величины сигналов, поступающих с контуров 16 измерения реологических характеристик, ранна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы пропорционален нескомпенсиронанному усилию вязкоупругого сопротивления вещества 4.

При гармонической деформации с частотой ц, вещества 4, реологические характеристики которого не зависят от амплитуды и скорости деформации, вязкоупругая сила сопротивления вещества

4 и выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь синусоидальный характер с частотой, равной частоте деформации ю, . Сигнал датчика 2 нязкоупругой силы появится только на выходе фильтра 18.1, настроенного на частоту деформации. На выходах остальных фильтров 18.k (k 2,N), настроенных на частоты, кратные и, будут нулевые сигналы, что обусловливает нулевые сигналы на выходах этих контуров измерения реологическнх характеристик. В формирователе 20.1 модуля упругости формируется сигнал, пропорциональный только модулю упругости.

Сигналы генераторон 13. 1, 14. 1 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и фазовращатель 19.1 поступают на входы перемножителей 27.1, 28.1, формирователя

20.1 канала измерения модуля упругости. На выходе-каждого перемножителя

27.1, 28.1 появляется сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты генератора 13.1 синуЮ соидальных колебаний. При этом переменные составляяцие находятся в ripoтивофазе. В результате сложения вы1 - 60746 кодных сигналов перемножителей 27.1 и 28.1 суммирующим усилителем 26.1 выходной сигнал формирователя 20.1 пропорционален только модулю упругости вещества 4, что обусловливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 21.1, который модулируется сигналом генератора 13.1 сину соидальных колебаний в блоке 22.1. модели канала измерения модуля упру- !О гости. Выходной сигнал блока 22.1 модели, моделирующий упругую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению кюветы 5, поступает через вход суммирующего усилителя 17.1 в 15 суммирующий усилитель 15 мощности.

Аналогичным образом на выходе формирователя 23.1 формируется сигнал, пропорциональный вязкости вещества 4 на частоте деформации < . Сигнал re- 20 нераторов 13.1, 14.1 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и формирователь 19.1 поступает на входы перемножителей 30.1, 31.1 формирователя 23.1 канала измерения вязкости. На выходе каждого перемножителя 30.1, 31.1 появляется сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную вязкости, и 3) переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты генератора 13.1 синусоидальных колебаний. При этом переменные составляющие находятся в противофазе. В результате сложения выходных сигчалов перемножителей

30.1, 31.1 суммирующим усилителем

29.1, выходной сигнал формирователя

23.1 пропорционален только вязкости вещества 4, что обусловливает появле- О ние сигнала на выходе исполнительного блока 24.1, который модулируется сигналом генератора 14.1 косинусоидальных колебаний в блоке 25.1 модели качала измерения вязкости. Выходной сигнал блока 25.1 модели, моделирую" щий вязкую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению кюветы

5, поступает через вход суммирующегс усилителя 17.1 в суммирующий усилитель 15 мощности.

Выходные сигналы контура 16.1 измерения реологических характеристик и датчика 2 вязкоупругой силы суммируются суммирующим усилителем 15 И мощности, сигнал с которого подается в катушку 7 якоря 6 обратного преобразователя, где возникает электромагнитная сила, величина которой в каждый момент времени равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак — обратный знаку силы сопротивления. При этюм равенство нулю сигнала на выходе фильтра 18.1 и, следовательно, на выходе датчика 2 вяэкоупругой силы свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения модуля упругости и вязкости и полной компенсации силы сопротивления вещества 4 сигналами с выходов блоков

22.1, 25.1 моделей. При этом выходные сигналы исполнительных блоков

21 ° 1, 24.1 пропорциональны, соответственно, модулю упругости и вязкости.

При гармонической деформации с частотой Q, вещества 4, реологические характеристики которого зависят от амплитуды и скорости деформации, вязкоупругая сила вещества 4 и выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь периодический несинусоидальный характер. Выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы поступает на входы фильтров 18, где иэ него выделяют гармонические составлянш1ие.

Формирование компенсирующих сигналов каждого контура измерения реологических характеристик при деформированин вещества 4 с нелинейными вязкоупругими свойствами принципиально не отличается от формирования компенсирующего сигнала при деформировании вещества 4 с вязкоупругими характеристиками, не зависящими от амплитуды и скорости деформации. Выходные сигналы каждого контура 16.k (k=1 N) моделируют гармонические составляющие реакции вещества 4 на синусоидальную деформацию и через суммирующий усилитель 15 мощности попадают в катушку 7 якоря б обратного преобразователя, возбуждая электромагнитную силу, величина которой в каждый момент времени равна силе сопро7 ивления вещества 4, а ее знак " обатный знаку силы сопротивления. При этом выходные сигналы исполнительных блоков 21.k и 24.k контуров 1б.k измерения реологических характеристик пропорциочальны соответственно упругой и вязкой составляющим комплек " ного модуля упругости вещества 4 при данной частоте и амплитуде деформации, причем выходные сигналы исполнительных блоков 21.1, 24.1 характеризуют линейную часть составляющих

7 1260 комплексного модуля упругости вещества 4, а выходные сигналы остальных исполнительных блоков 21 24 — нелинейную часть составляющих комплексного модуля упругости вещества.

Изменение комплексного модуля уп- ругости вещества приводит к появлению сигналов на выходах фильтров 18 нескольких или всех контуров 16 измерения реологических характеристик, в эави- .1р симости от изменившихся свойств вещества 4, что вызывает последовательное изменение выходных сигналов фор-мирователей 20, 21, исполнительных блоков 22,24, блоков моделей 22,25 и приводит к соответствующему изменению выходных сигналов контуров 16 измерения реологических характеристик.

Выходной сигнал k-ого контура 1б.k (1=1,N) измерения реологических характеристик будет изменяться до тех пор, пока выходной сигнал фильтра

18.k не будет равен нулю, что свидетельствует о полной компенсации k-ой гармонической составляющей вяэкоупру- 25 гой силы сопротивления вещества.

Таким образом, на штоке 1 предлагаемого эластовискоэиметра осуществляется алгебраическое суммирование сил, обусловленных нелинейными реологичес- ЗО кими характеристиками при одночастотной деформации исследуемого вещества и силы обратного преобразователя, об. разуется как сумма комплексных сил на каждой частоте, кратной частоте деформации, каждая иэ которых получается путем разделения реакции штока на активную и реактивную составляющие в формирователях 21,24 сигналов модуля упругости и вязкости на каждой частоте, кратной частоте деформации, суммирования их в суммирующем усилителе мощности и последующей компенсации реакции штока путем создания усилия, равного ей по величине и обрат- 45 ного по знаку.

Предлагаемый эластовискозиметр позволяет исследовать реологические

-характеристики в области нелинейной вязкоупругости с высокой точностью.

Формула изобретения

1. Эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, привод задаю- 55 щнх колебаний, связанный с кюветой, обратимый электромеханический преобразователь, суммирующий усилитель мощ746 8 ности, первый контур измерения реологических характеристик на заданной частоте, содержащий суммирующий усилитель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя, выход которого через суммирующий усилитель мощности подключен к катушке якоря обратимого электромеханического преобразователя, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения точности измерения реологическьх характеристик веществ с нелинейными

И вязкоупругими свойствами, в него введены в первый контур измерения реологических характеристик последовательно соединенные фильтр и фазовращатель синусоидальных сигналов, настроенных на заданную частоту колебаний, датчик вязкоупругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, N генераторов синусоидальных колебаний. синхровходы которых связаны с приводом задающих колебаний, И генераторов косинусоидальных колебаний, синхровходы которых связаны с приводом задающих колебаний, причем частота сигналов этих генераторов выбрана кратной заданной частоте, И-1 дополнительных контуров измерения реологических характеристик, аналогичных первому и настроенных на частоты,. соответствукпцие частотам генераторов синусоидальных колебаний, при этом .выходы суммирующих усилителей контуров измерения реологических харак- . теристик подключены к соответствующим входам суммирующего усилителя мощности, в каздом контуре измерения реологических характеристик первые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фильтра, вторые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фаэовращателя, третьи входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения модуля упругости подключены к выходу соответствующего генератора синусоидальных колебаний, четвертые входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения вязкости подключены к выходу соответствующего генератора косинусоидальных колебаний, а выход датчика вязкоупругой силы подключен к соответствующему

9 1260746 10 ду суммирующего усилителя мощности теля выходом фо и входам всех фильтров. теля.

/ 3. Эластовискозиметр по п.1 о т2. Эластовискозиметр по п. 1, л и ч а ю шийся тем, что формиотличающийся тем, что рователь канала измерения вязкости формирователь канала измерения моду- содержит два перемножителя и суммиля упругости содержит два перемножи- рующий усилитель, входы которого подтеля и суммирующий усилитель, входы ключены к выходам перемножителей

Э которого подключены к выходам перем- причем входы первого перемножителя ножителей, причем входы первого пере- 1О являются первым и четвертым входами множителя являются первым и третьим формирователя, входы второго перемновходами формирователя, входы второго жителя являются вторым и третьим перемножителя являются вторым и чет- входами формирователя, а выход суммивертым входами формирователя, рующего усилителя — выходом формироа выход суммирующего усиг.и — 15 вателя.

126Р 746 рцэр,г

Редактор М. Товтин

Заказ 5218/39

Тира к 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ултород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Крутин

Техред Л,Олейник

Корректор Е. Сирохман

Подписное