Устройство для исследования тиксотропных свойств материалов

 

Использование: исследование реологических характеристик неньютоновских жидкостей, в частности, для излучения тиксотропных свойств вязкопластичных материалов, используемых в ряде технологических процессов и обладающих малым периодом восстановления структуры. Сущность изобретения: в станине со стойкой шарнирно закреплено основное коромысло, на одном плече которого выполнена система уравновешивания подвижных частей устройства в виде горизонтального резьбового регулятора с грузом-гайкой, а также подвешена измерительная пластина таким образом, что обеспечивается ее постоянное погружение в ячейку с исследуемой жидкостью. На противоположном плече основного коромысла подвешено на нерастяжимой нити малое коромысло, одно плечо которого связано нерастяжимой нитью с сердечником соленоида, а другое плечо кинематически связано нерастяжимой нитью с динамометрическим устройством. Соленоид и динамометрическое устройство жестко закреплены на основании. Съемная ячейка выполнена с возможностью неподвижной фиксации на вертикально перемещающемся штоке вибратора, неподвижно закрепленного на основании. Основания не связаны между собой и установлены на амортизаторах. Арретир основного коромысла соединен подвижно без вращения со стойкой, поднимается усилием пружины и фиксируется при помощи винта. Посредине основного коромысла смонтирован вертикальный резьбовой регулятор с грузом-гайкой. Блок управления состоит из реле, один конец катушки которого соединен с положительной шиной двухполярного питания, а другой - с нормально разомкнутым контактом и кнопкой "ПУСК", концы которых соединены с входом от датчика положения основного коромысла. К положительной шине подключен нормально разомкнутый контакт, который соединен с нормально замкнутым контактом реле, подключенным к выходу на вибратор, и с делителем напряжения, подключенным средней точкой к выходу на реле времени и вторым концом - к средней точке двухполярного питания. К положительной шине подключен делитель напряжения, второй конец которого соединен со средней точкой двухполярного питания, а средняя точка его соединена с контактом реле и подключена к выходу на интегратор. К положительной шине подключен делитель напряжения, второй конец которого соединен со средней точкой двухполярного питания, а средняя точка его соединена с контактом и подключена к выходу на секундомер. Выход реле времени соединен со входом реле блока управления, выход которого соединен со средней точкой двухполярного питания. 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для исследования технологических свойств коагуляционно-тиксотропных пластично-вязких полидисперсных систем, в частности для исследования их тиксотропных свойств, и может быть применено как в исследовательских лабораториях, так и на предприятиях, использующих в производстве технологические дисперсные системы (шламы, шликеры и т. п. ).

Известно устройство для измерения тиксотропии, состоящее из емкости для исследуемой жидкости, чувствительного элемента, системы фиксации начала течения образца, набора стальных шариков-грузов, неподвижного контейнера для приема шариков и вибратора для разрушения исследуемого образца [1] .

Известен вискозиметр для исследования малоконцентрированных суспензий и шликеров [2] , принятый в качестве прототипа и состоящий из коромысла с подвешенным к его одному плечу замком для крепления измерительных элементов - рифленой пластины или конуса и площадки для грузов на другом плече. Коромысло снабжено стрелкой для фиксации перемещения рифленой пластины (глубины погружения). Ось коромысла установлена в опорах, размещенных на стойке, закрепленной вертикально относительно горизонтальной станины. Арретир для фиксации коромысла выполнен в виде механизма подъема опор коромысла в вертикальном положении. На стойке расположена система отсчета расстояния перемещения рифленой пластинки (или конуса), включающая шкалу и стрелку, под площадкой с грузами - коробчатая вертикальная стойка, в которой консольно на гибкой балке подвешен соленоид с возможностью перемещения вручную в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Под рифленой пластинкой установлена платформа для размещения ячейки с исследуемой суспензией. Прибор снабжен набором грузов, вес которых определяет величину нагрузки, сообщаемой измерительной рифленой пластине (или конусу) после снятия груза соленоидом с грузовой платформы. Для задания интервалов времени восстановления структуры суспензии служит механический ручной секундомер. Система уравновешивания подвижных частей устройства состоит из гири, навешиваемой на коромысло над рифленой пластиной. Прибор предназначен для выявления закономерностей структурообразования керамических суспензий и шликеров и позволяет и определять тиксотропные свойства исследуемых суспензий.

Целью изобретения является повышение точности измерений при расширении технологических возможностей в исследовании быстропротекающих коагуляционных процессов в полидисперсных пластично-вязких системах.

Это достигается тем, что устройство содержит станину со стойкой, ячейку для исследуемой жидкости, соленоид, динамометрическое устройство, секундомер, измерительную пластину, основное коромысло с замком для крепления измерительной пластины на одном плече, вибратор, систему уравновешивания подвижных частей устройства, арретир для фиксации коромысла; причем на противоположном плече основного коромысла на нерастяжимой нити подвешено малое коромысло таким образом, что одно плечо малого коромысла кинематически связано нерастяжимой нитью с сердечником соленоида, а другое плечо - с динамометрическим устройством, неподвижно смонтированным на станине, причем вход динамометра через дифференциальный усилитель и пиковый детектор подключен к индикатору силы тяги соленоида, вход соленоида через операционный усилитель и интегратор - к блоку управления, к которому также подключены датчик положения основного коромысла, реле времени, секундомер и вибратор.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - блок управления.

На станине 1 со стойкой 2 шарнирно закреплено основное коромысло 3, на одном плече которого выполнена система уравновешивания подвижных частей устройства в виде горизонтального резьбового регулятора с грузом-гайкой 4, а также подвешена измерительная пластина 5 таким образом, что обеспечивается ее постоянное погружение в ячейку 6 с исследуемой жидкостью.

На противоположном плече основного коромысла 3 подвешено на нерастяжимой нити 7 малое коромысло 8, одно плечо которого связано нерастяжимой нитью 9 с сердечником 10 соленоида 11, а другое плечо кинематически связано нерастяжимой нитью 12 с динамометрическим устройством 13. Причем соленоид 11 и динамометрическое устройство 13 жестко закреплены на основании 1.

Съемная ячейка 6 выполнена с возможностью неподвижной фиксации на вертикально перемещающемся штоке вибратора 14, неподвижно закрепленного на основании 15. Станина 1 и основание 15 не связаны между собой и установлены на амортизаторах. Арретир 16 основного коромысла 3 соединен подвижно без вращения со стойкой 2, поднимается усилием пружины 17 и фиксируется при помощи винта 18. Посредине основного коромысла 3 смонтирован вертикальный резьбовой регулятор с грузом-гайкой 19. Для закрепления измерительной пластины 5 использован замок 20.

Блок управления 21 (фиг. 3) состоит из реле К1, один конец катушки которого соединен с шиной +U_пит двухполярного питания, а другой конец - с нормально разомкнутым контактом К1.1 и кнопкой "ПУСК", концы которых соединены с входом А от датчика 22 положения основного коромысла 3. К шине +U_пит подключен нормально разомкнутый контакт К1.2, который соединен с нормально замкнутым контактом К2.1 реле К2, подключенным к выходу В на вибратор 14, и с делителем напряжения R1, подключенным средней точкой к выходу С на блок 23 и вторым концом - к средней точке двухполярного питания.

К шине +U_пит подключен второй делитель напряжения R2, второй конец которого соединен со средней точкой двухполярного питания, а средняя точка его - с контактом К2.2 реле К2 и подключена к выходу Д на блок 24. К шине +U_пит подключен делитель напряжения R3, второй конец которого соединен со средней точкой источника двухполярного питания, которая соединена с контактом К2.3 и подключена к выходу Е на блок 23.

Выход блока 23 соединен со входом F реле К2 блока 21, выход которого соединен со средней точкой двухполярного питания.

Динамометрическое устройство 13 является самостоятельным элементом и составлено последовательной схемой механотрон (динамометр)-дифференциальный усилитель-пиковый детектор-индикатор.

Блок 23 - реле времени составлен из интегратора и усилителя с токовым бустером.

Блок 24 - интегратор и операционный усилитель - составлен из интегратора и усилителя с токовым бустером, вход его подключен к блоку 21, а выход - к соленоиду 11.

Блок 25 - секундомер - составлен из интегратора и его вход подключен к блоку 21, а выход - к индикатору 26.

Устройство работает следующим образом.

В заарретированном положении основного коромысла 3 выставляют на ноль стрелку индикатора 26. Затем плавным поворотом винта 18 арретира 16 высвобождают основное коромысло 3. Вращением груза-гайки 4 выводят центр масс всей измерительной системы на вертикальную ось, проходящую через ось вращения основного коромысла 3, а вращением груза-гайки 19 добиваются перемещения центра масс системы до совпадения его с осью вращения основного коромысла 3.

Ячейку 6, в которую предварительно заливают исследуемую жидкость (например, эмалевый шликер), фиксируют на оси вибратора 14. В ячейку 6 погружают измерительную пластину 5, ось которой закрепляют на плече основного коромысла 3, затем запускают прибор блоком управления 21. В результате вибратор 14 с частотой 100 Гц в течение заданного времени (например, 5 с) воздействует на исследуемую систему до полного разрушения ее пространственной структуры. Таймер блока 23 после отработки заданного времени посредством блока 21 отключает вибратор 14 и запускает реле времени блока 25, а также систему управления линейно возрастающего напряжения (блоки 21, 24) на соленоиде 11. Соленоид 11 втягивает сердечник 10, который кинематически через малое коромысло 8, нерастяжимую нить 7, основное коромысло 3 одновременно передает усилие на измерительную пластину 5 и на динамометрическое устройство 13 до момента срыва измерительной пластины 5. После срыва измерительной пластины 5 блок 21 с помощью датчика положения 25 основного коромысла 3 приводит всю электронно-механическую систему в исходное положение, а на индикаторе 26 фиксируется время (или период времени t₁, отсчитываемое от начала восстановления предварительно разрушенной структуры исследуемой системы (момент отключения вибратора 14) до момента срыва измерительной пластины 5.

Данные измерения повторяются несколько раз с различной скоростью нарастания усилия втягивания сердечника 10 соленоида 11, которая регулируется путем изменения постоянного входного напряжения на регуляторе блока 20. Соответственно прямые 1, 2, 3, . . . , i на фиг. 1 характеризуют нарастание напряжения сдвига на измерительной пластине 5. После срыва измерительной пластины 5 зафиксированные данные (P_стi и t_i) являются координатами i-той экспериментальной точки. По полученным данным может быть построена полная кривая восстановления пространственной структуры в координатной системе Р_ст - t и рассчитаны константы Т и Р₀.

Требования к качеству поверхности измерительной пластины зависят от вида исследуемой жидкости, например, для эмалевых шликеров наиболее приемлема металлическая сетка с размером ячейки в свету 180-300 мкм. При нагружении она позволяет избежать проскальзывания измерительной пластины, которое может возникнуть в результате тенденции шликеров к расслоению на жидкую и твердую фазы.

Опытный образец устройства, изготовленный по заявляемой схеме, позволяет точно определять тиксотропные свойства неньютоновских жидкостей и, прежде всего, грубодисперсных высококонцентрированных пластично-вязких силикатных систем, например, эмалевых шликеров, имеющих период восстановления структуры 0,5-3,0 с. Точность измерения обеспечивается тем, что в заявляемом устройстве осуществляется автоматическое управление совместным взаимодействием вибратора для разрушения структуры суспензии, соленоида для формирования на измерительной пластине линейно возрастающей нагрузки, пикового детектора для фиксации предела прочности структуры суспензии при данной скорости нагружения и электронного секундомера с автоматическим остановом при достижении максимального уровня прочности суспензии.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТИКСОТРОПНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ, содержащее станину со стойкой, ячейку для исследуемой жидкости, соленоид, секундомер, измерительную пластину, основное коромысло с замком для крепления измерительной пластины на одном плече, систему уравновешивания подвижных частей устройства, арретир для фиксации коромысла, отличающееся тем, что на противоположном плече основного коромысла подвешено малое коромысло, на одном плече которого первой нерастяжимой нитью подвешен сердечник соленоида, другое плечо малого коромысла второй нерастяжимой нитью соединено с динамометрическим устройством, а соленоид через операционный усилитель и интегратор подключен к первому выходу блока управления, к первому входу которого подключен датчик положения основного коромысла, вторые вход и выход связаны соответственно с выходом и входом реле времени, третий выход подключен к входу вибратора, а четвертый выход через секундомер связан со входом индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3