Эластовискозиметр

 

Изобретение касается измерения и регистрации физических свойств материалов и относится к информационноизмерительным преобразователям стационарных и нестационарных реологических характеристик веществ. Эластовискозиметр обеспечивает оценку составляющих комплексного модуля упругости без временной, задержки относительно гармонической деформации с известными частотой и фазой за счет компенсационного измерения силы вязкоупругого сопротивления вещества и обработки , основанной на единовременном решении двух уравнений силового баланса , получаемых за счет одновременного деформирования по двум взаимно перпендикулярным направлениям исследуемого вещества по синусоидальному закону. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. с S сл

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (19) (11) (1) 4 G 01 N 1/10, 11/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ;;

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4133947/31-25 (22) 15.10.86 (46) 23.03,88. Бюл. ¹ 11 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) M.Ñ.Êàòêoâ, Е.В.Смородинов, В.А.Кривулев, А.Г.Петров и Н.Г.Шмакова (53).539.137 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N- 378756, кл. G 01 N 11/10, 1971.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1080070, кл. G 01 N 11/10, 1983. (54) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР (57) Изобретение касается измерения и регистрации физических свойств материалов и относится к информационноизмерительным преобразователям стационарных и нестационарных реологических характеристик веществ. Эластовискозиметр обеспечивает оценку составляющих комплексного модуля упругости без временной, задержки относительно гармонической деформации с известными частотой и фазой за счет компенсационного измерения силы вязкоупругого сопротивления вещества и обработки, основанной на единовременном решении двух уравнений силового баланса, получаемых за счет одновременного деформирования по двум взаимно перпендикулярным направлениям исследуемого вещества по синусоидальному закону. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1383138

Изобретение относится к области измерения к регистрации физических свойств материалов, а именно к информационно-измерительным преобразо5 вателям стационарных и нестационарных реологических характеристик веществ как органического, так и неорганического происхождения, и может быть использовано при экспериментальных ис- 10 следованиях кинетики быстро протекающих реологических процессов.

Целью изобретения является повышение быстродействия процесса измерения нестационарных реологических ха- 15 рактеристик веществ.

На фиг.1 приведена электрокинематическая схема эластовискозиметра; на фиг.2 и 3 — структурные электрические схемы блоков оценки модуля 20 упругости и вязкости соответственно.

Эластовискозиметр (фиг.1) содержит первый шток 1, жестко связанный одним концом с вторым штоком 2 через первый датчик 3 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезокристалла, а другим концом через зонд

4 — с исследуемым веществом 5, помещенным в кювету 6. На первом штоке 1 укреплены якорь 7 с катушкой 8 30 первого обратного преобразователя.

На корпусе эластовискозиметра укреплены магнитопровод 9 с постоянным магнитом 10 статора первого обратного преобразователя, первый привод 11 задающих колебаний с профилированным кулачком 12. Кинематическое замыкание кюветы 6 с кулачком 12 осуществляется с помощью пружины 13. Устройство содержит также первый уси- 40 литель 14, вход которого подключен к выходу первого датчика 3 вязкоупругой силы, а выход — к катушке 8 якоря 7 первого обратного преобразователя. К выходу первого привода 11 за-45 дающих колебаний подключены генераторы 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний соответственно, причем генератор 15 синусоидальных колебаний выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы

6, а генератор 16 косинусоидальных колебаний выдает сигнал, сдвинутый по фазе на угол Г/2 относительно выходного сигнала генератора 15 синусоидальньгх колебаний. Каждый из генераторов 15 и 16 выполнен, например, в виде последовательно соединенных преобразователя угол " код и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адресные входы которого подключены к выходу преобразователя угол — код. В

ПЗУ генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний записаны соответственно синусоидальная и косинусоидальная гармоники задающих колебаний, причем синхронизация входных сигналов ПЗУ приводом 11 задающих колебаний осуществляется путем жесткого соединения вала привода 11 задающих колебаний с входным валом преобразователя угол †.код таким образом, что нейтральному положению кюветы 6 в направлении оси первого штока 1 соответствует нулевой выходной сигнал ПЗУ генератора 15 синусоидальных колебаний и максимальный выходной сигнал ПЗУ генератора 16 косинусоидальных колебаний. Эластовискозиметр содержит второй привод задающих колебаний, выполненный в виде пары конических шестерен 17 и профи-. лированного кулачка 18, идентичного кулачку 12, причем одна из конических шестерен 17 жестко связана с валом первого привода 11 задающих колебаний. Кинематическое замыкание кулачка 18 с кюветой 6 осуществляется с помощью пружины 19. На втором штоке 2 укреплены якорь 20 с катушкой 21 второго обратного преобразователя. Концы второго штока 2 жестко связаны с корпусом эластовискозиметра через датчики 22 вязкоупругой силы, выполненные, например, в виде пьезокристаллов. На корпусе также укреплен магнитопровод 23 с постоянным магнитом

24 статора второго обратного преобразователя. Эластовискозиметр содержит второй усилитель 25, вход которого подключен к выходам датчиков 22 вязкоупругой силы, а выход — к катушке 21 якоря 20 второго обратного преобразователя, и блоки 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости соответственно. Причем первые входы блоков

26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости подключены к выходу второго усилителя 25, вторые их входы— к выходу первого усилителя 14, а третьи и четвертые входы соединены соот- ветственно с выходами генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний.

Блок 26 оценки модуля упругости (фиг.2) содержит суммирующий усилитель 28 и два перемножителя 29 и 30, 1383138 выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 28. Выходы перемнбжителя 29 являются первым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости, Входы перемножителя 30 являются вторым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости, а выход суммирующего усилителя 28 — выходом блока 26 оценки моду- 10 ля упругости вещества 5.

Блок 27 оценки вязкости (фиг.3) содержит суммирующий усилитель 31 и два перемножителя 32 и 33, выходы которых подключены к входам суммирующе- 15

ro усилителя 31. Входы перемножителя

31 являются вторым и четвертым входами блока 27 оценки вязкости. Входы перемножителя 33 являются первым и третьим входами блока 27 оценки вяз- 20 кости, а выход суммирующего усилителя 31 — выходом блока 27 оценки вязкости вещества 5.

Зластовискозиметр работает следующим образом. 25

При включении первого привода 11 под действием кулачков 12 и 18 и пружин 13 и 19 кювета 6 совершает плоскопараллельное вращательное движение с частотой задающих колебаний. Кулач- 30 ки 12 и 18 и оси штоков 1 и 2 ориентированы таким образом, что плоскость перемещения кюветы параллельна плоскости расположения штоков 1 и 2. При этом на выходах генераторов 15 и 16 появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 6 гармонические сигналы с частотой задающих колебаний.

При отсутствии вещества 5 в кювете

6 силы, действующие на зонд 4 и што- 40 ки 1 и 2, равны нулю. Следовательно, выходные сигналы датчиков 3 и 22 вязкоупругой силы, усилителей 14 и

25 также равны нулю. Наличие нулевых сигналов на выходах усилителей

14 и 25 обуславливает нулевые сигналы на выходах всех перемножителей 29, 31, 32 и 33 и, следовательно, нулевые сигналы на выходах блоков 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости.

При наличии вещества 5 в кювете 6 возникает сопротивление движению кюветы 6, которое подается на жестко закрепленные штоки 1 и 2 и датчики 3 и 22 вязкоупругой силы. При этом на выходе датчика 3 вязкоупругой силы появится сигнал, пропорциональный силе, действующей вдоль штока 1, а на выходе датчиков 22 — пропорциональной силе, действующей вдоль оси штока 2. Наличие сигнала на выходе датчика 3 вязкоупругой силы обусловливает появление только компенсирующего сигнала на выходе первого усилителя 14 по величине и направлению, который возбуждает в якоре 7 с катушкой 8 первого обратного преобразователя силу, приводящую шток 1 в равно-, весие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси первого штока 1 с зондом 4, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5 равна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал первого усилителя 14 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси первого штока

1. Наличие сигнала на выходе датчиков 22 вязкоупругой силы обусловливает появление такого компенсирующего сигнала на выходе второго усилителя

25 по величине и направлению, кото- рый возбуждает в якоре 20 с катушкой

21 второго обратного преобразователя силу, приводящую второй шток 2 в равновесие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси второго штока 2, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, равна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал второго усилителя 25 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси второго штока 2, сумма сил, создаваемых первым и вторым обратными преобразователями, всегда равна вязкоупругой силе сопротивления вещества 5 °

При гармонической деформации вещества 5, реологические характеристики которого не изменяются во времени, вязкоупругая сила сопротивления вещества 5 и выходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют синусоидальныи характер с частотой, равной частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 29 и 30 блока 26 оценки модуля упругости. На выходе каждого перемножителя появится сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составля"

1383138 где

K0ï

55 ющую удвоенной частоты задающих колебаний. Причем переменные составляющие находятся в противофазе. В результате сложения выходных сигналов перемно5 жителей 29 и 30 суммирующим усилителем 28 выходной сигнал блока 26 оценки модуля упругости пропорционален только модулю упругости вещества 5.

Аналогичным образом на выходе . 10 блока 27 оценки вязкости формируется сигнал, пропорциональный вязкости вещества 5 на частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных коле-15 баний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 32 и 33 блока 27 оценки вязкости. На выходе кажддго перемножителя 32 и 33 появляется сигнал, содержащий посто- 20 янную составляющую, пропорциональную вязкости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты задающих колебаний. Причем переменные составляющие находятся в противофазе. В 25 результате сложения выходных сигналов перемножителей 32 и 33 суммирующим усилителем 31 выходной сигнал блока

27 оценки вязкости пропорционален только вязкости вещества 5. 30

При гармонической деформации вещества 5, реологические характеристики которого изменяются во времени, вязкоупругая сила вещества 5 и вь|ходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют периодический косинусоидальный характер. Формирование оценок составляющих комплексного модуля упругости в блоках 26 и 27 оценки модуля упругости и Вязкости принципиально Не отли 40 чается от формирования оценок составляющих комплексного модуля упругости вещества 5, реологические характеристики которого не изменяются во времени.

Полную компенсацию сил вязкоупругого сопротивления вещества 5 на частоте задающих колебаний компенсирующими силами обратных преобразователей можно охарактеризовать уравнения50 ми баланса сил, действующих на штоки 1 и 2

К д С (ц,t) cicrat + G (ÿ, t)cctQtJ

q VL

Ко() (> С А (С (и,t) sic(tet + >) 6

С (Q,t)cos(Qt + -)1) = К V

00 21 — коэффициент формы рабочего узла, зависящий от геометрических размеров зонпа 4 и кюветы б; — коэффициент передачи обратных преобразователей; — амплитуда деформации ве ества щ

С (u,t), и

С ((.),t) — упругая и вязкая составляющие комплексного модуля упругости вещества на частоте деформацииЯ;

V,, Ъ2 . — выходные сигналы усилителей 14 и 25 соответственно.

По измеренным значениям .< и Ч2 с помощью выражений (1) могут быть определены нестационарные реологические характеристики С (Я,t) и С (И,t) С (сд t) = .— --(V sinut + V cosset)

1 Ко()

К А 2

C {д t) = — — (V cosset -V sin(at ).(2) II Ко() К(уАо

В суммирующем усилителе 28 блока

26 модуля упругости, входы которого подключены к выходам перемножителей

29 и 30, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с первым уравнением системы. (2). В суммирующем усилителе 31 блока 27 оценки вязкости, входы которого подключены к выходам перемножителей 32 и 33, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с вторым уравнением системы (2).

Таким образом, на зонде предлагаемого эластовискозиметра осуществляется алгебраическое суммирование сил, обусловленных нестационарным комплексным модулем упругости при деформации в широком диапазоне и ортогонально ориентированных компенсирующих сил обратных преобразователей, обеспечивающих повышение быстродействия и точности оценивании быстроизменяющихся вязкоупругих характеристик.

1383138

Введение этой совокупности признаков расширяет метрологические возможности и область применения эластовискозиметра за счет безынерционного оценивания нестационарных составляющих комплексного модуля упругости в широком диапазоне частот и позволяет с высокой точностью исследовать кинетику быстропротекающих реологических 10 процессов.

Формула и з обретения

1. Эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, первый шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, первый привод задающих колебаний, направленных по оси первого штока, кинемати- 20 чески связанный с кюветой, первый обратный преобразователь, содержащий укрепленный на корпусе статор в виде магнитопровода и постоянного магнита и укреплейный на штоке якорь с катуш-25 кой, первый усилитель, выход которого подключен к катушке якоря первого обратного преобразователя, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия процесса из- 3О мерения нестационарных реологических характеристик веществ, в него введены второй шток, ось которого перпендикулярна оси первого штока, второй привод задающих колебаний, направленных по оси второго штока, связанный кинематически с кюветой и синхровходом с первым приводом задающих колебаний, второй обратный преобразователь, содержащий укрепленный на корпусе ста- 4р тор в виде магнитопровода и постоянного магнита и укрепленный на втором штоке якорь с катушкой, второй усилитель, генераторы синусоидальных и косинусоидальных колебаний, синхровходы которых связаны с, первым приводом задающих колебаний, блоки оценки модуля упругости и вязкости, первый и второй датчики вязкоупругой силы, оси чувствительности которых направлены соответственно вдоль осей первого и второго штоков, причем выходы первого и второго датчиков вязкоупругой силы подключены соответственно к входам первого и второго усилителей, выход второго усилителя подключен к катушке якоря второго обратного преобразователя и первым входом блоков оцен-, ки модуля упругости и вязкости, вторые входы которых подключены к выходу первого усилителя, третьи и четвертые входы блоков оценки модуля

I упругости и вязкости подключены соответственно к выходам генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, при этом первый шток жестко связан через первый датчик вязкоупругой силы с вторым штоком, который жестко связан через второй датчик вязкоупругой силы с корпусом.

2. Эластовискозиметр по и. 1, отличающийся тем, что блок оценки модуля упругости содержит два перемножителя и суммирующий усилитель, входы которого подключены к выходам перемножителей, причем входы первого перемножителя служат первым и четвертым входами блока оценки модуля упругости, входы второго перемножителя служат вторым и третьим входами блока оценки модуля упругости, а выход суммирующего усилителя— выходом блока оценки модуля упругости, 3. Эластовискозиметр по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что блок оценки вязкости содержит два перемножителя и суммирующий усилитель, входы которого подключены к выходам перемножителей, причем входы первого перемножителя служат вторым и четвертым входами блока оценки вязкости, входы второго перемножителя служат первым и третьим входами блока оценки вязкости, а выход суммирующего усилителя — выходом блока оценки вязкости, I

i383138

al/)

ВНИИПИ Заказ 1285/37

Подписное

Произв.-полигр. Hp òèå, г. Ужгород, ул. Проектная„ 4