Вибрационный эластовискозиметр

 

О П IИ"<. ;A.,È È Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0ц 567ll9

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.01.76 (21) 2311998/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.07.77. Бюллетень № 28

Дата опубликования описания 10.08.77 (51) M. Кл G 01N 11/16

Государственный комитет

Совета.Министров СССР по денеМ;.изобретений и открытий (53) УДК 532 137(088 8ь (72) Авторы изобретения

М. С. Катков, В. Ф. Буралкин, Л. Б. Богатин, Е. М. Баранова, О. А. Станиславский и А. С. Сафарян (71) Заявитель (54) ВИБРАЦИОННЫЙ ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР

Изобретение относится к области измерения и регистрации реологических характеристик веществ, в частности к эластовискозиметрам вибрационного типа и может быть использовано для о пределения вязко-упругих свойств различных веществ как органического, так и неорганического, происхождения, например для изучения вязко-упругих свойств веществ в процессе их синтеза.

Известно устройство, содержащее корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, лривод перемещения штока, датчики перемещения штока и усилия, развиваемого исследуемым веществом, выходами связанные со входами формирователя сигнала упругости, выходом связанного со входом исполнительного блока канала упругости, выходом связанного со входом обратного преобразователя упругости. (1)

Благодаря использованию .параметрической связи, выполненной в виде обратного преобразователя, реализующего отрицательную упругость, т. е. создающего силу, направленную встречно усилию упругости, возникающему в исследуемом веществе при одинаковом знаке перемещения, известное устройство имеет относительно высокую точность измерения упругой составляющей комплексного модуля, так как в электрической части устройства,выделяется координата, пропорциональная отклонению модуля упругости вещества, которая через исполнительное устройство изменяет коэффициент усиления (величина его эквивалентна модулю упругости) обратного пре5 образователя на такую величину и в такую сторону, чтобы скомпенсировать это отклонение. Вязкая составляющая в этом устройстве влияет на крутизну изменения координаты, про(порциональной отклонению модуля, т. е.

10 оказывает влияние только на быстродействие измерительного устройства, причем с ростом вязкости эта крутизна, а следовательно, и быстродействие уменьшаются. Поэтому возможны ошибки измерения при бьгстропроте15 кающих процессах изменения упругости. Кроме того, электромеханическая схема устройства выполнена так, что даже при отсутствии в кювете вещества на выходе блока формирования всегда имеет место сигнал, определя20 емый,параметрами как механической, так и электрической частей устройства, который в дальнейшем компенсируется при настройке прибора, что приводит к необходимости перенастраивать его при смене частоты пробных

25 колебаний и к уменьшению точности измерений, особенно малых значений модуля упругости, т. е. снижению точности и чувствительности измерений. В этом устройстве ис пользуется только один канал, выделяющий упру30 гую компоненту комплексного модуля.

567119

55 б0

Наиболее близким к предлагаемому эластовискозиметру является устройство, где, кроме элементов и функциональных связей, включены дополнительно измеритель скорости перемещения штока, формирователь сигнала вязкости, обратный преобразователь вязкости и исполнительное устройство канала вязкости, которое своим выходом соединено со входом обмотки статора обратного преобразователя вязкости, а его вход связан с выходом формирователя сигнала вязкости, входы которого связаны с выходами измерителя скорости перемещения штока и датчика силы сопротивления при деформации исследуемого вещества (2), т. е. здесь, помимо канала параметрической компенсации упругих свойств, сформирован канал параметрической компенсации вязких свойств вещества.

Со стороны обратного, преобразователя,вязкости на шток действует сила, пропорциональная величине вязкости и скорости деформации, которая направлена встречно силе сопротивления движению штока, обусловленной вязкими свойствами исследуемого вещества. Знак действующей со стороны обратного преобразователя силы определяется знаком тока в обмотке статора при заданной скорости, перемещения штока,,величина и знак которой определяются измерителем скорости перемещения штока, электрически связанным с обмоткой якоря обратного преобразователя вязкости. Сигнал, пропорциональный вязкому сопротивлению вещества, формируется в формирующем устройстве, представляющем собой множительное устройство, входы которого связаны с выходами измерителя скорости перемещения штока и датчика силы сопротивления вещества, а,выход — с исполнительным устройством, выполненным в виде интегратора. Если на заданной частоте колебаний в каждый момент времени сила, действующая на .шток со стороны обратного,преобразователя вязкости, равна по величине и обратна по знаку силе вязкого сопротивления, то сигнал на выходе формирующего устройства будет равен нулю, а на,выходе интегратора будет ток, величина которого пропорциональна вязкости веществ.

Если вязкость исследуемого вещества изменится, то изменится сила сопротивления движению штока, а это вызовет изменение амплитуды и фазы его вынужденных колебаний, т. е. изменение сигнала на выходе формирующего устройства, которое вызовет изменение величины тока на,выходе интегратора в таком направлении, чтобы вызвать соответствующее изменение силы со стороны обратного преобразователя до тех пор, пока она не скомпенсирует изменения силы вязко-o сопротивления вещества, а это в свою очередь обусловит равенство нулю сигнала на выходе формирующего устройства. Вязкостные свойства всей электромеханической системы, куда в качестве ее элемента входит исследуемое вещество, остаются постоянны5

З0

50 ми, т. е. ее амплитудная и фазовая частотная характеристики будут неизменными при любых значениях вязкости вещества. Предел ее измерения будет определяться только мощ ностными характеристиками обратного преобра= зователя.

Таким образом, использование двух каналов параметрической компенсации — канала упругости и канала вязкости †позволя обеспечить одновременное измерение модуля упругости вещества и его вязкость, повысить точность измерений,за счет ликвидации взаимного влияния измеряемых параметров.

Однако пробные периодические движения со стороны привода устройства передаются веществу через вспомогательную пружину и шток, что обуславливает наличие дополнительных инерционных сил, которые зависят как от приведенной массы перемещающихся частей, так и от ускорения. Их значительная величина затрудняет выделение сил, обусловленных вязкой и упругой составляющей модуля вещества, что приводит к снижению точности измерений. Этот недостаток особенно сильно проявляется при измерении .малых вязкостей и модулей упругости вещества.

Кроме того, при заданной частоте пробных колебаний приводом на выходе,формирователя сигнала вязкости и формирователя сигнала упругости при отсутствии в кювете вещества всегда будет иметь место сигнал, который обусловлен собственными динамическими характеристиками механической части прибора. Изменение частоты пробных колебаний приведет к изменению величины этих сигналов. Поэтому при исследовании вещества в широком частотном диапазоне всякий раз при смене частоты пробных колебаний необходимо проводить настройку устройства, что также отражается на точности измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений и чувствительности при измерении малых значений модуля упругости и вязкости веществ.

Указанная цель достигается тем, что кювета с исследуемым веществом установлена на ила форме, связанной с приводом, на,которой укреплены магнитопроводы обратных преобразователей упругости и вязкости, статор датчика перемещений штока и статор измерителя скорости его перемещения, а статордатчика усилия закреплен на корпусе устройства, при этом выходы формирователей сигналов упругости и вязкости связаны со входами исполнительных. блоков каналов упругости и вязкости через фильтрующие устройства, настроенные на заданную частоту колебаний платформы.

Так как пробные воздействия передаются со стороны платформы, то это позволяет исключить влияние дополнительных инерционных сил на точность измерений и чувствительность. А амплитуда и фаза колебаний штока будут зависеть только от динамиче567119 ских свойств механической системы и величин измеряемых параметров.

На чертеже .приведена принципиальная схема предлагаемого вискозиметра.

Он содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2, погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4. Другой конец штока через вспомогательную пружину 5 и втулку 6 связан с корпусом, прибора (на чертеже показан штриховкой). Платформа 7 с установленной на ней кюветой 3 совершает колебательное движение заданной амплитуды и частоты с помощью кулачка 8,,связанного с блоком изменения частоты колебаний 9 с приводом 10.

На корпусе прибора установлен статор датчика усилия, выходная координата которого пропорциональна усилию сопротивления деформации исследуемого вещества, включающий электрические лампочки 11 и фотодиоды 12.

На штоке 1 укреплены: шторка 13 датчика усилия, якорь 14 измерителя скорости перемещения,штока (скорости изменения усилия), выполненный в виде постоянного магнита, якорь обратного преобразователя вязкости, выполненный в виде легкого каркаса 15 с катушкой 16, якорь обратного преобразователя упругости, выполненный в виде легкого каркаса 17 с катушкой 18, шторка 19 датчика относительного перемещения штока 1, На платформе 7 закреплены статор датчика перемещения штока, включающий фотодиоды 20 и электрические лампочки 21, .магнитопровод обратного преобразователя вязкости с катушками 22, магнитопровод обратного преобразователя упругости 23 с постоянными магнитами 24 и статор измерителя скорости относительного перемещения, штока, выполненный в виде катушки 25. Первый и второй выходы датчика усилия 12 электрически связаны соответственно со входами усилителей 26 и 27, причем выход усилителя 26 связан с первым входом формирователя сигнала упругости 28, а выход усилителя 27— с первым входом формирователя сигнала вязкости .29, вторые входы которых связаны через усилители 30 и 31 с выходами датчика относительного перемещения 20 и первым выходом измерителя скорости относительного перемещения 25 соответственно, а их выходы связаны с фильтрующими устройствами 32 и

33, выходы которых связаны соответственно со входами исполнительных блоков 34 канала упругости 35 и канала вязкости, первые выходы которых по каналу упруго сти связаны со входом катушки 18 обратного преобразователя упругости, а по каналу вязкости— со входом катушки 22 обратного преобразователя вязкости, а второй выход измерителя скорости относи тельного перемещения.25 связан со входом усилителя 36, выход которого соединен со входом ка-,ушки 16 якоря обратного преобразователя, вязкости. Вторые выхо5

6 ды исполнительных блоков 34 и 35 соединены соответственно со входами регистратора 37 модуля упругости и регистратора 38 вязкости.

Устройство работает следующим образом.

Колебания платформы 7 с фиксированной амплитудой, величина которой определяется профилем кулачка 8 и частотой, устанавливаемой в блоке изменения частоты 9 от привода 10, вызывают колебания закрепленных на ней кюветы 3, магнитопровода обратного преобразователя вязкости с катушкой 22, магнитопровода обратного преобразователя упругости 23 и статора датчика относительного перемещения, включающего фотодиоды 20 и датчики 21.

Прн отсутствии вещества 4 в кювете 3 шток 1 с закоепленными на нем элементами будет неподвижен. Это обуславливает отсутствие сигнала на выходах формирователя сигнала упругости 28 и формирователя сигнала вязкости 29, представляющих собой множительные устройства, первые входы которых чепез усилители 26 и 27 соответственно связаны с пепвым и вторым выходами датчика усилия. сигналы которых отсутствуют.

Следовательно, будет отсутствовать ток в катушке 18 обоатного ппеобпазователя упругости и в катанке 22 обоатного ппеобпазователя вязкости, своими входами связанными соответственно с первыми выходами исполнительных блоков 34 и 35, ппедставляюших собой ннтегрир ю пне устройства, входы которых чепез соотчетств ющие фильтрчошие стоойства 32 и ЗЗ связаны с выходами формипователей сигна.тов упругости 28 и вязкости 29. На вт-.тходах усилителя 30. вход которого связан с выходом датчика относительного перемешения. т"снлителей 31 и 36. своими входами связанных с выходами измеоителя 25 скорости относительного пепемcILения штока, будчт сигналы, величина котооых поопоопиональна амплитуде колебаний платформы 7. Отсутствие тока на втопых выходах исполнительных блоков 34 и 35 определит начальные точки отсчета монокля с"по гости и вязкости в их регистоатопах 37 и 38, входы котовых соединены со вторыми выходами соответствующих интеграторов. Наличие вещества 4 в кювете 3 вызовет колебание штока и всех связанных с ним элементов с частотой колебаний кюветы, но амплитуда и фаза этих колебаний будут о пределять ся вязкими и упругими свойствами вещества 4.

Если вещество обладает чисто упругими свойствами, то амплитуда и фаза колебаний штока будут зависеть от динамических свойств механической системы и величины модуля упругости вещества. Сигнал с выходом датчика усилия через усилители 26 и 27 пост пит на пепвые входы формипователя сигнала упругости 28 и сигнала вязкости 29.

На второй вход формирователя сигнала упругости 28 через усилитель 30 поступит сигнал с выхода датчика относительного перемс567119

2Э

65 щения .штока, а на второй, вход формирователя сигнала вязкости 29 через усилитель 31 поступит сигнал, сдвинутый на л/2 по отношению к первому (с первого выхода измерителя скорости относительного перемещения

25) .

Таким образом, на выходе формирователя сигнала упругости 28 выделится сигнал, пропорциональный активной составляющей реакции вещества на деформацию, т. е. модулю упругости, а на выходе формирователя сигнала вязкости 29 сигнала не будет, так как вегцествс обладает чисто упругими свойствами.

Через фильтр 32, входом связанный с выходом формирователя сигнала упругости 28 и настроенный на заданную частоту (устройства перенастройки диапазонов фильтрации фильтров 32 и 33 на чертеже не показаны), выходной сигнал формирователя, поступит на вход исполнительного блока 34, выходной сигнал первого выхода которого изменит ток в катушке 18 обратного прео бразователя упругости, а выходной сигнал его второго выхо-,а изменит положение пера регистратора

37, выполненного в видс двухкоординатного планшетного потенциометра. Ток в катушке

18 обратного, преобразователя упругости создает магнитный поток, который, взаимодействуя с магнитным .потоком статора обратного преобразователя упругости 23, создаваемого постоянными магнитами 24, вызовет появлечие усилия, обратного iIIo знаку усилию сопротивления исследуемого вещества деформации, а по величине пропорционального току в катушке 18 обратного преобразователя упругости. Ток в обмотке катушки 18 будет изменяться до тех IIOp, пока разность силы реакции исследуемого вещества на деформаци.о и силы, создаваемой обратным преобразователем, не станет равной нулю.

При этом, шток остановится и сигнал на выходе формирователя сигнала упругости 28 станет равным нулю. На первом и на втором выходах исполнительного блока 34 установится ток, величина которого пропорциональна модулю упругости, который с одной стороны вызывает усилие, действующее на якоре

17 обратного преобразователя 23, а следовательно, и на штоке 1, равное по величине и обратное по знаку усилию сопротивления исследуемого вещества деформации, а с другой, — отклонение пера регистратора 37 на величину, пропорциональную модулю упругости вещества.

Если вещество обладает чисто вязкими свойствами, то амплитуда и фаза колебаний штока будут зависеть от динамических свойств механической системы и величины вязкости вещества. Сигнал с выходов датчика усилий изменится по амплитуде и по,фазе сдвигается на угол л/2, поэтому сигнал на выходе формирователя сигнала вязкости 29 будет н,1опорционален реактивной составляющей модуля вещества на заданной частоте его деформации — его вязкости.

Сигнал с выхода формирователя сигнала вязкости 29 через фильтрующсе устрой ство

33, настроенное на заданную частоту, .поступает на вход исполнительного блока 35 канала вязкости, сигнал с первого выхода которого изменит ток в обмотке катушки 22 обратного преобразователя вязкости, сигнал на катушку 16 якоря которого по ступает с выхода усилителя 36, вход кото рого связан со вторым выходом катушки 25 измерителя скорости относительного перемещения штока. Знак и величина силы, возникающей в каждый момент времени на якоре 15 обратного преобразователя вязкости за счет взаимодействия магнитных полей катушки 22 и катушки 16, зависят от величины и знака тока в катушке

22 и величины и фазы тока в катушке 16, которые подключены своими входами к выходам исполнительного блока 35 и усилителя

36 таким образом, что знак этой силы обратен знаку силы вязкостного трения исследуемого вешества, а ее величина зависит от величины тока в катушке 22 обратного преобразователя вязкости. Таким образом, ток с выхода исполнительного блока 35 канала вязкости пропорционален вязкости исследуемого вещества и будет изменяться до тех пор, пока сила, действуюшая на шток со стороны якоря 15 обратного преобразователя вязкости не станет равной силе вязкостного сопротивления вещества.

Когда шток о становится, сигнал на выходе формирователя сигнала вязкости 29 стан ет равным нулю, а на перовом выходе исполнительного блока 35 будет ток, величина которого про порциональна вязкости, второй выход которого изменит положение пера регистратора 38 вязкости, зафиксировав величину, пропорциональную вязкости исследуемого .веще ства.

Е сли исследуемое вещество обладает как вязкими, так и упругими свойствами, фаза и ампл итуда выходного сигнала датчика усилия, |поступающего на входы усилителей 26 и

27, пропорциональны как вязкости, так и упругости. Следовательно, на первых входах формирователей сигнала упругости 28 и сигнала вязкости 29 будут сигналы, амплитуда и фаза которых обусловлены как вязкими, так и упругими свойствами вещества, à íà другие входы этих формирователей подаются сигналы с выхода усилителей 30 и 31, которые своими входами связаны соответственно с выходами датчика относительного перемещения и первым выходом измерителя скорости относительного перемещения 25, сигналы с которых сдвинуты по фазе на угол и/2, поэтому на выходах формирователей сигнала упругости 28 и сигнала вязкости 29 выделяются сигналы, пропорциональные активной состав.".яющей комплексного модуля, т. е. модулю упругости и его реактивной составляющей— вязкости соответственно.

Эти сигналы, пройдя фильтрующие устрой ства 32 и 33, своими вхолами связанные с

567119

>выходами формирователей 28 и 29, à выхо:дами — с исполнительными блоками 34 и 35, :вызовут соответствующее изменение тока в обмотке катушки 18 обратного преобразователя .упругости и,в о бмотке катушки 22 обратното преобразователя вязкости в такую сторону и до тех пор, пока силы, возникающие от взаимодействия полей этих катушек с магнитными полями соответственно постоянных магнитов 24 обратного преобразователя упругости и катушки 16 якоря преобразо вателя вязкости не скомпенсируют силы сопротивления деформации исследуемого вещества, обусловленные его упругими и вязкими свойствами, что при ведет к о стано вке штока

1 и изменению положения перьев регистраторов 37 и 38, которые .зафиксируют величину модуля упругости,и вязкость вещества, соответствующие заданной частоте деформации.

Так как отсутствие вещества 4 .в кювете 3 определяет исходное состояние устройства, т. е. точку его на стройки, которая фиксируется перьями регистраторов, то изменение их положения, вызванное наличием .вещества 4 в кювете З,,имеющего определенные вязкоупругие свойства, определит абсолютные (а не относительные) значения модуля,упругости и вязкости вещества.

Смена зонда 2 расширяет .метрологические возможности устройства, так как приводит к изменению коэффициента формы. Для каждого зонда определяется масштаб шкалы регистраторов 37 и 38 ло эталонным вещест вам.

Устройство позволяет повысить точность измерений при снятии релаксационных спектров веществ в широком диапазоне изменения частоты пробных воздействий без леренастройки прибора. Принцип измерения параметров, заложенный в устройстве, может быть использован для анализа физических параметров топлива в процессе эксплуатации энергетических установок и для управления различными технологическими процессами.

Формула изобретения

Вибрационный эластовискозиметр для определения реологическпх характеристик веществ, содержащий корпус, кювету с исследуемым веще ством, шток со сменным зондом, погруженным .в исследуемое вещество, привод, блок изменения частоты колебаний, связанный с,приводом, датчик усилия, развиваемого исследуемым веществом при деформации, датчик перемещения и измеритель скорости перемещения штока, обратные преобразователи упругости и вязкости, якори которых связаны со штоком, формирователи сигналов упругости и вязкости, исполнительные блоки каналов упругости и вязкости, входы которых связаны с выходами формиро вателей сигналов упругости и вязкости, первые входы которых связаны с выходами .датчика усилия, а вторые входы — с выхо.дом дат гика перемещения штока и одним выходом измерителя скорости его перемещения, другой выход которого связан со входом катушки обратного преобразователя вязкости, а выходы исполнительных блоков связаны с катушками обратных преобразователей упругости и вязкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и чувствительности при измерении малых значений модуля упругости и вязкости веществ, в нем кювета с исследуемым веществом установлена на платформе, связанной с приводом, на которой укреплены магнитопроводы обратных преобразователей упругости и вязкости, статор датчика перемещений штока и статор измерителя скорости его перемещения, а статор датчика усилия закреплен на корпусе устройства, причем выходы формирователей сигналов упругости и вязкости связаны со входами исполнительных блоков каналов упругости и вязкости через фильтрующие блоки, настроенные на заданную частоту колебаний платформы.

Источники информации, принятые во вни мание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 507805, кл. G 01N 11/14, 1974.

2. Патент,США № 3722262, кл. 73 — 54, 1973.

567119

Составитель А. Волков

Техред М. Семенов

Корректор Л. Брахнина

Редактор Н. Коляда

Типогоафия, пр. Сапунова, 2

Заказ 1668/7 Изд. Мз 615 Тираж 1109 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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