Устройство для определения реологических характеристик материалов

 

Изобретение относится к устройствам для определения реопогических вязкоупругих характеристик, основанным на акустических методах промышленного контроля состава и свойства материалов, и может быть использовано при обработке технологии получения стекол с заранее заданными свойствами в промышленности, вьпгуекающей и использующей оптические элементы радиотехнических устройств, а также для научных исследований. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет определения энергетических характеристик релаксационных процессов в материалах. Устройство содержит измерительный преобразователь, выполненный в виде цилиндрического стержня, разветвленного на первом и втором концлх на два какала ввода упругой волны и два канала отраженной упругой волны соответственно, которые соединены с первым и вторым четвертьволновыми отражателями, первый и второй каналы ввода упругой волны и узлы крепления первого и второго экспо пенни атьных концентраторов на общем кронштейне разделены гасящими демпферами. Первый и второй пьезопреобразователи электрически связаны с входами первого и второго блоков обработки информации соответственно, каждый из которых содержит усилитель, зондирующий генератор, два аналоговых ключа, генератор стробирукщих импульсов , блок выделения огибающей, двухвходовой интегратор, два триггера, два преобразователя код-напряжения, источник опорного напряжения, электронный ключ, генератор тактовых импульсов , счетчик, индикатор, логический элемент И. 2 ил. (Л 05 ГО vl со tsD

союз советских социАлистичесних

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1627920

А1

« 51)5 G 01 N 11/16

411«. ly j

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4676962/25 (22) 11.04.89 (46) 15.02,91. Бюл, К« 6 (71) Воронежский политехнический институт (72) В.А.Ломовской и В.Г.Шаталов (53) 548. 137 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

1I« 587369, кп. С Ol N 11/16, 1977. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕ«1ЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИА10В (5?) Изобретение относится к устройствам для определения реопогических вязкоупругих характеристик, основанным на акустических методах промь«шленного контроля состава и свойства материалон, и может быть использовано при обработке технологии получения стекол с заранее заданными свойствами в прая «шленности, выпускающей и использукщей оптические элементы радиотехнических устройств, а также дпя научных исследований. Цель изобретения — понышение точности и расширение функциональных возможностей за счет определения энергетических характеристик ре««ахсациа««««ь«х проИзобретение относится к устройствам для определения вязко-упругих ре" алогических характеристик, основанным на акустических методах промьш«ленного контроля состава и свойств материалов, и может быть использовано при отработке технологии получения стекол с заранее заданными свойствами в промышленности, выпускающей и использующей оптические элементы радицессов в материалах. Устройство содержит измерительный преобразователь, выполненный н виде цилиндрического стержня, разветвленного на первом и втором концах на два канала ввода упругой вол«ы и два канала отраженной упругой волны соответст»анно, которые соединены с первым и вторым четвертьволновыми отражателями, первый и второй каналы ввода упругой волны и узлы креппеп «я первого и второго экспоненциальных концентраторов на общем кронштейне разделены гасящими демпферами. Первый и второй пьезопреобр аз ователи э««е ктри чески с вяз аны с входами пер»ого и»торого блоков об(0 работки информации соответственно, каждый из которых содержит усилитель, зондирующий генератор, два аналоговых ключа, генератор стробирукщих импуль- С сов, блок вьщеления огибающей, двухвходовой интегратор, два триггера, дна преобразователя код-напряжения, источник опорного напряжс««ия, элек- ф тронный ключ, re нор атор т актовых импульсов, счетчик, и«щикатор, логический элемент И, 2 ил. Ж отехннческих устройств, а также для научных исследований.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функцианапь««ь«х воэможностей за счет определения энергетических хар ктеристик релаксационных процессов в материалах.

На фиг. I приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — диаг1627920 раммы напряжений в точках функциональных узлов схемы, Устройство для определения реологических характеристик материалов сос5 тоит из измерительного преобразователя 1, первого 2 и второго 3 каналов ввода упругой волны> первого 4 и второго 5 каналов отражения упругой волны, первого 6 и второго 7 экспоненци- 1р альных концентраторов, гасящих демпферов 8, первого 9 и второго 10 четвертьвоп новых отражателей, второго

11 и первого 12 преобразователей, кронштейна 13 крепления экспоненциаль-15 ных концентраторов, рубашки 14 принудительного охлаждения пьезопреобраэователей, емкости 15, нагревательных элементов 16, исследуемого расплава стекла 17, зондирующего генератора

18, усилителя 19, генератора 20 стробнрующпх импульсов, второго 21 и первого 22 аналоговых ключей, второго 23 и первого 24 блока выделения огибающей, логического элемента И 25, двух- 25 входового интегратора 26, I К"триггер» 27, первого 28 и второго 29 преобразователя напряжения-код, RS-триггера 30, электронного ключа 31, TBKTQBQ го генератора 32, счетчика 33 импуль- 30 сов, источника 34 опорного напряжения, индикатора 35, первого блока 36 обработки информации, второго блока

37 обработки информации, первой 38 и второй 39 выходных клемм.

Устройство работает для определения реологическпх характеристик материалов следующим образом, С генератора 18 зондирующих сигналов подается короткий электричес- 40 кий импульс на первый пьезопреобраэователь 12 первого канала ввода упругой волны. Первый пьезопреобраэователь 12 преобразует электрический сигнал в упругую механическую волну, 5 (см. фиг. 2а), Лкустические колебания преобразуются первым пьеэопреобразователем 12 в электрический сигнал и поступают на усилитель 19, откуда через первый 22 и второй 21 аналоговые клю- .

> чи — на первый 24 и второй 23 блоки выделения огибающей. и алоговые клюш управляются генератором 20 стробирующих импульсов (диаграммы б, в) таким обр аэ ом, что чер ез первый аналоговый ключ 22 пропускается серия отражешь х импульсов (диаграмма r) > а через второй аналоговый ключ 21 первый этраженный импульс (диагр л. ма д), Иа выходе Первого блока 24 вылеления огибающей (выпрямителя) импульсы имеют вид, показанный на фыг. 2 (диаграмма е). На выходе второго блока 23 выделения огибающих имеется

RC-цепь, заряд емкости конденсатора которой происходит через блок 23 первым отраженным импульсом, а разряд — через резистор К> при этом получается серия импульсов, приведенных на диаграмме ж. Импульсы с выхода первого блока 24 выделения огибакщей поступают на вычитающий вход двухвходового инте гр атор а 26, а импульсы с RC-цепочки на суммирукиций вход через логический элемент И 25, который управляется I К"триггером 27, на один вход которого подаются импульсы от зондирующего генератора 18, а на другой вход — импульсы, задержанные относительно зондирулцих при помощи двух последовательно соединенных преобразователей напряжениекод на время 6 (диаграмма и), при

2 этом через логический элемент И 25 проходит часть импульсов с RC "цепи от момента Ф » до следующего зондирующего импульса. Преобразователи напряжение-код вырабатывают импульсы, задержанные относительно входных на время, пропорциональное управляющему напряжению U о. Это напряжение U подается на первый преобразователь 28 напряжение-код с источника 34 опорного напряжения и величина 0 выбирается о в зависимости от начальных условий. При этом вырабатывается импульс, задержани ныи относительно входного на время (диаграмма з) . Второй преобразователь

29 напряжение-код управляется напряжением> поступающим с выхода двухвходового интегратора 26, Начальными условиями являются условия, при которых коэффициент затухания в измерительном преобразователе 1 минимален, т. е. интегральная площадь серии отраженных импульсов (диаграмма е) максимальна. Обычно. это соответствует нахождению волновода измерительного преобразователя в воздухе. При этом изменением напряжения

О изменяют площади импульсов, подаваемых на двухвходовый интегратор 26 с логического элемента И 25 до тех пор, пока не начнет выполняться равенство

I о> ад °

7920

S$< 5с2

162 где S - интегральная площадь импульо сов, подаваемых на вычитающий вход интегратора 26 с первого блока 24 выделения огибающей;

Sot - интеграпьная площадь импульсов, поступакщих на суМ ру А вход двух входового интегратора

26 с ло гич ес ко го эл емента И при начальных усло виях, т.е, при напряжении на выходе интегратора, равном нулю (диаграммы е, к) .

В процессе измерения коэффициент затухания 0Е связан с изменением динамической вязкости > (Я) согласно теор рии Стокса От (Я) > (2)

3 3 где 03 — круговая частота; р плотность;

С вЂ” скорость звука, зависящая от температуры !.

Чем больше динамическая вязкость (Я), тем больше коэффициент затухания 0, тем меньше площадь отраженных импульсов и создается условие, когда выполняется неравенство (3) где S — интеграпьиая площадь имС1 пульсов, подаваемых на вычитающий вход двухвходового интегратора 26 от первого блока 24 выделения огибающей в процессе измерения. Напряжение на выходе двухвходового интегратора начинает увеличиваться, а так как оио подается на управляющий вход второго преобразователя 29 напряжение-код, тс и э адержка импул ьс а, о прокидыв ающего I К"триггер 27, увеличивается.

Следовательно, площадь импульсов, поступающих на суммирующии вход интегратора, начинает уменьшаться и это происходит до тех пор, пока не начнется выполняться равенство

5, =S 2 (4) где S - интегральная площадь им12 пульсов, поступающих на суммирующий вход двухвходового интегратора 26 через логический элемент И 25 в процессе измерения, При этом напряжение н а выходе д ву хвход о в о го инте гр ато р а

О перестает изменяться, принимая

ff NT значение, пропорциональное разности

U<1Hr 02 5дц (>)

При дальнейшем увеличении коэффициента затухания напряжение иа выходе интегратора О Инг еще более возрастает, а при уменьшешш коэффициента saтухания процесс протекает в обратном порядке. !

О

Таким образом, напряжение на выходе двухвходового интегратора 26

U!,и однозначно зависит от изменения значения динамической вязкости ((Я) и по величине аналогового сигнала

U „„можно судить о величине динамической вязкости по одному иэ каналов ввода упругой волны.

Сигнал с выходов преобразователей напряжение-код поступает на RS-триг20 rep 30, с выхода которого сигнал поступает на вход управления электронного ключа 31, через который импульсы от тактового генератора 32 поступают на счетчик 33 импульсов.

25 Длительность импульсов íà выходе триг гера 30 равна (диаграмма л) л л A

Ь l("pб

16) где ь — длительность сигнала на выЛ ходе RS-триггера 30;

Л общая задержка сигнала на двух пре о бр аз ов ат елях напряжение-код;

Л задержка сигнала в первом преобразователе 23 наиряже35 ние-код. л !

1ри начальных условиях, когда ь в =

= Лг„, длительность импульсов иа выходе RS-триггера 30 равна нулю.

Б процессе измерения Си ) ьв и чем больше значение динамической вязкости (И, тем больше длительность и миул ьс он Р .

Таким образом, от тактового генератора 32 через электроииьп» ключ 31

45 на счетчик 33 импульсов поступают импульсы, количество которых пропорционально измеряемой величине динамической вязкости "„(63) (фиг. 2, диаграмма м), 50

Аналогичным образом работает и второй канал ввода упругой волны (фиг. 1), однако, частота возбуждения упругой волны в измерительном преобраэовате55 ле 1 по второму каналу отличается от частоты воэб. жде ыя упругой волны в измерительном преобразователе по первому каналу. При этом, как это видно из формулы (2), коэффициент з ату1627920 хания g находится в пропорциональной зависимости от значения динамической вязкости $ (Я) . Чем больше f (Я), тем больше коэффициент затухания ф .

Однако в силу релаксационных свойств механических характеристик материалов величина динамической вязкости g (9) сама зависит от частоты воздействия

Я на расплав и в силу температурно- 10 временной суперпоэиции изменение частоты (Д ведет к смещению кривых зависимости динамической вязкости по температурной оси, В силу этого по тангенсу угла наклона зависимости: 15

1п О =F(— — ) (7)

Т можно определить энергию активации этих релаксационных процессов, протекающих в материапах, В данной зависимости Т вЂ” температура исследований в Кельвинах.

Таким образом, частота воздействия упругой волны на расплав стекла по первому каналу равна Я,, а по второму каналу — (д . Значение динамической вязкости, получаемое по первому каналу, будет соответственно 9, (И(), а по второму каналу — P g (Q ) . Для того чтобы достичь равенства динами- З0 ческой вязкости по первому каналу (t (Я,) з иачению динамической вяз кости по второму канапу (Ю ), необходимо изменить температуру расплава стекла и совместить релаксационные кривые зависимости динамической вязкости ), (Я ) с (((д ) на температурной оси. Это величина — изменение частоты Я или температуры Т " и будет параметром прямо пропорционально связанным со значением энергии активации процесса согласно формуле (7) °

Таким образом, аналоговые сигналы

;)ли число импульсов по первому и второму каналам при Т1 отличаются друг 45 от друга, так как

Я, g Qg

1, (<0,).1,(.,) J

Число импульсов по первому каналу при Т(и частоте Я, равно Й, > чему

50 соответствует значение динамической вязкости I< (Я,) . Это число импульсов ( запоминается в запоминающем устройстве вычислительной машины.

Число импульсов по второму каналу

55 при T и частот (g> равно N

Это изменение температуры расплава стекла 17 идет до тех пор, пока по второму каналу на частоте Я число им ульсов й2 при та стет рав им числу импульсов и . В этот момент времени реализуется условие

Я, 4Яа

) ()-Ь (" ) (9) Затем прекращается изменение температуры и вычисляется энергия актинации согласно выражению (7) . ч ор мул а иэоор ет еним

Устройство для определения реологических характеристик материалов, содержащее измерительный преобразователь, выполненный в виде цилиндрического стержня, первый пьеэопреобраэователь, первый экспоненциапьный конце нтр атор, первый чет верт ьвол новой отражатель и первый блок обработки информации, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных воэможностей за счет определения энергетических релаксационных процессов в материалах, в устройство введены два одинаковых блока обработки информации, измерительный преобразователь выполнен в виде цилиндрического стержня, разветвленного на первом и втором концах на два канала ввода упругой волны и два канала отражения упругой волны соответственно, которые соединены с первым и вторым четвертьволновыми отражателями, первый и второй каналы ввода упругой волны и узлы крепления первого и второго экспоненциапьных концентраторов на общем кронштейне разделены гасящими демпферами, первый и второй пьезопреобраэователи электрически соединены с входами первого и второго блоков обработки информации соответственно, входом каждого из блоков обработки информации является вход усилителя, который соединен с входом зоипирукщего генератора, выход усилителя соединен с входами первого и второго аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора стробирукщих импульсов, выход первого аналогового ключа соединен через первый блок выделения огибающей

1627920 с вычитающим входом двухвходового интегратора, выход второго аналогового ключа подключен к входу второго блока выделения огибающей и первому выводу параллельной RC-цепи, второй вывод

5 которой подключен к общей шине, выход второго блока выделения огибак1щей соединен с первым входом логического элемента И, выход которого соединен с 1< суммирующим входом двухвходового интегратора, выход генератора зондирующих импульсов соединен с первым входом первого преобраэователя код-напряжение и с I -входом I K-триггера, выход источника опорного напряжения подключен к второму входу первого преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с S-входом RS-триггера и первым входом второго преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с К-входом IK-триггера, и R-входом RS-триггера, выход которого соединен с входом электронного ключа, управляяций вход которого соединен с генератором тактовых импульсов> выход элекгронного ключа соединен с входом счетчика импульсов, выход которого подключен к входу индикатора, выход двухвходового интегратора подключен к второ у входу второго преобраэователя код-напряжение и к первой выходной клемме, выход IК-триггера подключен к второму входу логического элемента >I выход второго блока обработки информации подключен к второй выходной кл емме.

1627920

Составитель Л,Талонина

Техред М.Дидык Корректор М.Самборская

Редактор А,Долинич

Заказ 334 Тир аж 378 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открьггиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101