Устройство для измерения вязкоупругих характеристик веществ

 

%4 з.

О П И С АЛ„И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

С щиалистических

Республик

«и 708201 (б1) Дополнительное к авт. свмд-ву— (22) Заввлеио 080677 (21) 2477019/18-25 (51)М, Кл.

G 01 N 11/00 с присоедииеиием заявки Йо (23) Приоритет

Государствеииый комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 532. 137 (088. 8) Опубликоваио 05-0180 5 оллетеиь о 1

Дата опубликования описания 10,01. 80 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГ1ЕРЕНИЯ

ВЯЗКОУПРУГHX XAPAKТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ способ измерения модуля упругости и вязкости (21.

Принцип действия известного устройства заключается в том, что на рабо,чем узле,.выполненном в виде штока с зондом, связанного через вспомогательную пружину с корпусом, алгебраически суммируются силы, обусловленные модулем упругости и вязкости исследуемого вещества, с искусственно создаваемыми силами обратных преобразователей модуля упругости и вязкости.

Устройство содержит корпус, кювету с исследуемым веществом, рабочий

15 узел, выполненный в виде штока со сменнйм зондом, привод блок изменения частоты, датчик усилия, развиваемого

"исследуемым веществом при деформации, датчик перемещения и измеритель ско20 .рости перемещения штока, обратные преобразователи модуля упругости и вязкос*и, якори которых связаны со штоком, формирователи сигналов моду.ля упвугости и вязкости, исполнитель25 ные блоки каналов модуля упругости и вязкости, входы квторых связаны с выходамы формирователей сигналов модуля упругости и вязкости. Первые входы формирователей связаны с выхо30 дами датчика усилия, вторые входы—

Изобретение относится к технике исследования физико-механических свойств твердеющих веществ, а именно к устройствам для одновременного измерения динамического модуля упругости и динамической вязкости и регистрации процессов их изменения, например, в ходе физико-химического синтеза.

Известно устройство для регистрации изменения модуля упругости твердеющих веществ f1). Особенностью устройства является характер формирования сигнала, пропорционального измеряемому модулю упругости ае есТаа.

Сигнал разности перемещений кюветы с исследуемым веществом и коромысла в ходе измерения детектируются сигналом перемещения коромысла в формиру1ощем устройстве, выходной сигнал которого пропорционален величине измеряемого модуля упругости.

Устройство не позволяет получить точные результаты измерений в случае быстроизменяющихся вязкости и модуля упругости.

Наиболее близкиМ техническим решением к предложенному является устройство, реализующее компенсационный

М. С. Катков, Л. Б. Ьогатин, Е. В, Смородинов

A . .A. Умнов

708201 с выходом датчика перемещения штока и одним выходом измерителя скорости его перемещения, другой выход которого связан со входом катушки обратного преобразователя вязкости. Выходы исполнительных блоков связаны с

;катушками обратных преобразователей модуля упругости и вязкости. 11агнитопроводы обратных преобразователей, статор датчика перемещений штока и статор измерителя скорости его перемещения укреплены на платформе, связанной с приводом, где также установлена кювета с исследуемым веществом.

Статор датчика усилия закреплен на корпусе устройства, а выходы формирователей сигналов модуля упругости и вязкости связаны со входами исполнительных блоков через фильтрующие блоки, настроенные на заданную частоту колебаний платформы.

Известное .устройство имеет невы- 20 сокую точность измерений, при интенсивном изменении модуля упругости и вязкости иэ-за наличия перекрестных связей между каналами измерения.

Это обусловлено тем, что сигнал, про- 25 порциональный усилию, возникающему при деформации вещества, участвует одновременно в формировании сигналов, пропорциональных модулю упругости и вязкости. Конструкция статора 30 обратного преобразователя модуля упругости обуславливает строгое симметрирование магнитных полей и прецизионное исполнение его якоря с катушкой. Полюса статора и якорь с катушками обратного преобразователя вязкости должны быть выполнены таким образом, чтобы их взаимное перемещение не влияло на величину усилия.

Фильтры каналов модуля упругости и вязкости не обеспечивают фильтрацию сигналов в широком диапазоне изменения частоты деформации, так как не связаны с блоком ее настройки.

Цель изобретения — повышение точности измерений в широком диапазоне

45 скоростей изменения модуля упругости и вязкости путем разделения каналов измерения.

Эта цель достигается тем, что канал модуля упругости снабжен квадрато ром блоком фильтров, элементов сравненйя и блоком настройки, канал вязкости — блоком фильтров, Рабочий узел устройства выполнен в виде коромысла, вход квадратора свя45 зан с выходом датчика перемещения.

Выход квадратора через первый вход блока фильтров канала модуля упругости подключен к первому входу элемента сравнения, выполненного в ви- 6О де суммирующего усилителя. Второй вход элемента сравнения соединен с выходом блока настройки, представляющего собой стабилизированный источник напряжения. Вторые входы блоков фильтров каналов модуля упругости и вязкости связаны со вторым выходом блока изменения частоты.

Статоры обратных преобразователей закреплены на к орпусе устройства, причем на статоре <.братного преобразователя модули упругости смонтирована катушка, связанная с первым выходом исполнительного блока канала модуля упругости, катушка его якоря через второй выход усилителя соединена с датчиком перемещения.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения вяэкоупругих характеристик вещества, содержащая рабочий узел, выполненный в виде коромысла 1, подвешенного на неподвижной опоре 2, закрепленные на коромысле по одну сторону от опоры шторку 3 датчика усилия, шторку 4 .датчика перемещения коромысла, якорь

5 с катушкой б обратного преобразователя модуля упругости, якорь 7 с катушкой 8 обратного преобразователя вязкости, якорь 9 с катушкой 10 измерителя скорости перемещения коромысла, зонд 11, погруженный в исследуемое вещество 12, находящееся в кювете 13, расположенной на платформе

14, совершающей возвратно-поступательное движение фиксированной амплитуды и частоты с помощью кулачка 15, сочлененного с приводом 16, который связан с первым выходом блока 17 изменения частоты.

Устройство содержит также статор

18 измерителя скорости перемещения коромысла, статор датчика перемещения коромысла, включающего фотодиоды

19 и лампочки 20, закрепленные на платформе 14; статор 21 обратного преобразователя модуля упругости с катушкой 22, статор 23 обратного преобразователя вязкости с катушкой 24 и статор датчика усилия, состоящее из фотодиодов 25 и лампочек 26, статор 27 блока установки нуля с катушкой .28, закрепленный на корпусе устройства. Якорь 29 блока установки нуля закреплен на коромысле 1 с противоположной стороны от опоры ?, а потенциометр 30 электрически связан с катушкой 28 блока установки нуля.

Выход датчика перемещения коромысла связан с усилителем 31, первый виход которого подключен к входу квадратора 32, выход которого через первый вход блока фильтров 33 связан с первым входом элемента сравнения 34.

Второй вход элемента сравнения соединен с выходом блока 35 настройки частоты канала модуля упругости. Выход элемента сравнения связан с входом исполнительного блока Зб, первый вьн од которого подключен к катушке

22 статора 21 обратного преобразова, теля модуля упругости, а второй выход — к входу регистратора 37 модуля 708201

При изменении модуля упругости вещества вместе с платформой будет перемещаться и коромысло, причем эти колебания будут иметь одинаковую фазу. Сигнал с выхода формирователя

39 сигнала вязкости при этом не изменится, так как íà его входы поступают сигналы с выходов датчика усилия (фотодиодов 25) и измерителя скорости перемещения (катушки 10), сдвинутые на угол )Г/2, но амплитуда сигнала с выхода датчика перемещения (фотодиодов 19) изменится, что приведет к изменению, сигнала на выходе квадратора 32 и, следовательно — на выходе элемента сравнения 34. Это, в свою очередь, приведет к изменению тока на выходе исполнительного блока 36 канала модуля упругости, представляющего собой интегратор, до тех пор пока сила на якоре 5 не скомпенсирует силу, обусловленную изменением модуля упругости вещества.

Сигнал со второго выхода исполнительупругости исследуемого вещества. Вход катушки 6 якоря 5 обратного преобразователя модуля упругости связан со вторым выходом усилителя 31. Выход катушек 10 якоря 9 измерителя скорости перемещения подключен к входу усилителя 38, первый выход которого соединен с первым входгы формирователя

39 сигнала вязкости, представляющего собой множительное устройство. Второй вход формирователя 39 через усилитель 40 связан с выходом датчика ,усилия, а выход формирователя соединен с первым входом блока фильтров

41. Выход блока фильтров 41 связан со входом исполнительного блока 42 .канала вязкости, первый вход которого 15 подключен к входу катушки 24 статора

23 обратного преобразователя вязкости, а выход — с входом регистратора 43 вязкости исследуемого вещества.

Устройство работает следующим об- 20 разом. По сигналу блока 17 изменения частоты настраиваются блоки фильтров

33 и 41 и привод 16 через кулачок 15 сообщает платформе 14 возвратно-поступательное движение определенной амплитуды с заданной частотой. Вместе с платформой возвратно-поступательное движение совершает кювета 13 с исследуемым веществом, статор 18 измерителя скорости перемещения и статор дат- 3(1 чика перемещения с фотодиодами 19 и лампочками 20. Через зонд 11 на рабочий узел, выполненный в виде коромысла 1, со стороны вещества действует сила, пропорциональная его комплексному модулю на.частоте деформации, а через якоря 5 и 7 обратных преобразователей — силы, пропорциональные вязкости и модулю упругости, .сумма которых направлена встречно силе, пропорциональной комплексному модулю вещества. При равенстве этих сил момент относительно опоры 2 будет равен нулю, что обеспечит горизонтальное положение. коромысла 1 и его неподвижность. Сигнал на выходе дат- 45 чика усилия при этом равен нулю, а сигнал на выходе датчика перемещения будет иметь некоторое значение, определяемое амплитудой и частотой колебаний платформы 14. Следователь-5О но, на выходе формирователя 39 сигнала вязкости сигнал будет равен нулю, и на выходе кнадратора 32 будет постоянная составляющая„ пропорциональная квадрату амплитуды колебаний 55 платформы, и переменная составляющая отфильтровываемая в блоке фильтров

33 канала модулю упругости, настроенного на двойную частоту деформации.

В элементе сравнения 34, выполненном Я) в виде суммирующего усилителя, происходит вычитание постоянной составляющей сигнала с выхода блока фильтров 33 и выходного сигнала блока настройки 35, представляющего собой ис-65 точник стабилизированного напряжения величина которого определяется амплитудой колебаний платформы 14 при равенстве нулю суммарной силы на коромысле 1 и выбирается такой величины и знака, чтобы сигнал на выходе элемента сравнения 34 был бы равен нулю. Сигнал со второго выхода усилителя 31, синфаэный с колебаниями платформы 14, поступает в катушку 6 якоря 5 обратного преобразователя модуля упругости, где создается переменное магнитное поле. Сигнал со второго выхода усилителя 38, вход которого связан с выходом катушки 10 якоря .измерителя скорости перемещения, поступает на катушку 8 якоря 7 обратного преобразователя вязкости, где создается также магнитное поле, сдвинутое относительно магнитного поля обратного преобразователя модуля упругости на угол (Y/2. Сила, действующая на якорь 5 обратного преобраэонателя модуля упругости будет пропорциональна произведению токов в катушке

6 якоря 5 и в катушке 22 статора 21 обратного преобразователя модуля упругости.

Следовательно, силы, действующие на якорь 5, будут пропорциональны амплитуде перемещения, синфазного с перемещениями платформы, и неличине модуля упругости.

Сила, действующая на якорь 7 обратного преобразователя вязкости, будет пропорциональна произведению тока в катушке 8 и тока в катушке

24 статора 23 обратного преобраэонателя вязкости, неличина которого пропорциональна вязкости вещества.

Следовательно, сила, действующая на якорь 7, пропорциональна скорости деформации и величине вязкости.

708201 ного блока 36 регистрируется в регистраторе 37.

При изменении вязкости вещества изменится фаза сигнала, пропорционального силе, что приведет к появлению сигнала на выходе формирователя 39 и к последующему изменению тока в катушке 24 статора 23 обратного преобразователя вязкости, которое будет происходить до полной компенсации вязкости вещества . Амплитуда сигнала на выходе датчика перемеще-ния коромысла 1 (фотодиодов 19) не изменится и величина сигнала на выходе квадратора 32 и, следовательно, тока исполнительного блока 36.

При изменении частоты деформации блоком изменения частоты 17 одновременно осуществляется перенастройка блоков фильтров 33 и 41.

Таким образом, н предложенном устройстве установкой кнадратора разделяются измерительные цепи каналов модуля упругости и вязкости: закреплением статоров на корпусе прибора и установкой катушки н статоре обратного преобраэонателя модуля упругости, созданием переменных магнитных полей, сднинутык по фазе на угол

"»/2, в катушках якорей обратных преобразователей, настройкой фильтрон на.частоту деформации обеспечинается разделение исполнительных каналов модуля упругости и вязкости, чем достигается антономность процессов измерения активной и реактивной составляющих комплексного модуля вещества в широком диапазоне скоростей их изменения.

Формула изобретения устройетво для измерения няэкоупругих характеристик веществ, содержащее корпус, кювету с исследуемым веществом, рабочий узел со сменным зондом, привод, блок изменения частоты, датчик усилия, датчик перемещения, и змеритель скорости перемещения рабочего узла, обратный преобразователь вязкости, содержащий статор с катушкой и якорь с катушкой, обратный преобразователь модуля упругости, содержащий статор и якорь с катушкой, исполнительные блоки канала модуля упругости, усилитель и измерительную систему, о т .л и ч а ющ е е с я тем, что, с,целью повышения точности измерения модуля упругости и вязкости путем разделения каналов измерения, канал модуля упругости дополнительно снабжен квадратором, блоком фильтров, элементом сравнения и блоком настройки, а канал вязкости — блоком фильтров, причем рабочий узел выполнен в виде коромысла, вход квадратора связан с выходом датчика перемещения, его выход, через первый вход блока фильт20 ров канала модуля упругости связан с первым входом элемента сравнения, выполненного н виде суммирующего усилителя, второй вход которого соединен с выходом блока настройки, выполненного н виде стабилизированного источника напряжения, вторые выходы блоков фильтров каналов модуля упругости и вязкости связаны со вторым ныходом блока изменения частоты, а

Зр статоры обратных преобразователей закреплены >на корпусе устройства, причем на статоре обратного преобразователя модуля упругости укреплена катушка, связанная с первым выходом исполнительного блока канала модуля упругости,, катушка его якоря через второй выход усилителя — с датчиком перемещения..Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 528482, кл. G 01 N 11/10 1976.

° 2. Анторское свидетельство СССР

9 567119, кл. G 01 N 11/16, 1977

4 (прототип) .

708201

Тираж 1019

Заказ 8474/36

Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель В. Воцанкин

Редактор Т. Орловская Техред Э.Чужик Корректор Е. Лукач