Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред

 

Союз Советскик

С щиалистическик

Республик пц 7О8202 (6!) Дополиительиое к авт. саид-ву— (22) Заявлено 240877 (21) 2518213/18-25 с присоедииеиием заявки №вЂ” (23) Приоритет—

ОпубликованО05.01.80. Бюллетень ¹ 1

Дата опубликования описаиия 10.01. 80

К„г

G 01 Б 11/16

Государственный коиитет

СССР по делан изобретений и открытий (53) УДК 532.137 (088 . 8) И. С. Катков, Л. Б. Богатин, А. A. Дунец, В. М. Постников и Е. В. Смородинов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОУПРУГИХ СРЕД

Изобретение относится к технике исследования вязкоупругих характеристик различных материалов, в частности полимерных, в широком частотном диапазоне и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругйх свойств в динамических режимах совмещенного деформирования.

Известно устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред (1) путем наложения на исследуемую вязкоупругую среду гармонических колебаний, амплитуда которых превышает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа, и регистрации амплитуды колебаний чувствительного органа. При этом не достигается высокая точность измерения вязкоупругих характеристик материалов в процессе их изменения.

Кроме того, устройство имеет узкий частотный диапазон.

Это объясняется тем, что вместе с изменением амплитуды свободных колебаний чувствительного органа в процессе измерений изменяющихся ва времени вязкоупругих характеристик изменяется частота и фаза этих колеба ний. Поэтому необходима дополнительна я обработка результатов экспериментов, что снижает точность измерений.

Ближайшим техническим решением к предложенному, позволяющим обеспечить высокую точность измерений вяэкоупругих свойств в процессе их изме рения и расширить частотный диапа-.

10 зон, является устройство (2).

Устройство содержит корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики абсолютного и относительного перемещения штока, датчик скорости абсолютного перемещения штока, обратные преобразователи модуля упругости и в язкости, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости исследуемых материалов, исполнительные блоки каналов модуля упругости и вязкости, выходы которых связаны с катушками статоров соответствующих преобразователей, а входы — с выходами соответствующих формирователей сигналов модуля упругости и вязкости, входы которых соединены с выходами датчиков абсолютного и относительного перемещения штока и скорости его абсолютного пе30 ремещения.

708202

40

К недостаткам устройства следует отнести узкий диапазон частот дефор мации, который определяется физическими параметрами механической части.

Увеличение частоты деформации приводит к снижению точности измерений, Цель изобретения — повышение точности и расширение частотного диапа-зона измерений.

Укаэанная цель достигается за счет того, что устройство для измерения реологических характеристик вяэ коупругих сред дополнительно снабжеНо генератором колебаний и пьезоэлект рическим преобразователем, выполненным в. виде пьезокристалла, жестко свя . занного противоположными гранями с держателем и наконечником в виде зон. да с помощью крышки и накидной гайки. При этом выход генератора электрически связан с пьезокристаллом через электрически изолированные друг от друга держатель и крымску.

Это позволяет реализовать деформацию сдвига исследуемого вещества по всей длине зонда в широком диа— пазоне частот, что приведет к изменению его вяэкоупругих свойств „ Низкочастотная деформация вещества зондом при перемещении его вместе со штоком со стороны привода, измерение и обработка полученной информации с помощью измерителей, формирователей по каналам модуля упругости и вязкости, компенсация возникающего сопротивления вещества с помощью ис» полнительных блоков и обратных преобразователей позволит измерить вязкость и модуль упругости вещества, соответствующие частоте генератора колебаний.

На чеутеже представлена функциональная схема предложенного устройства для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред.

Устройство содержит шток 1 с установленным на нем пьезоэлектрическим преобразователем, содержащим пьезокристалл 2, держатель 3, изоляционную втулку 4, крышку 5, накидную гайку 6 и наконечник в виде зон,да 7, Пьезокристалл 2 жестко связан противоположными гранями с зондом 7 и держателем 3 с помощью накидной гайки б и крышки 5 через изоляционную втулку 4, В устройство входят также кювета 8 для исследуемого материала 9, пружина 10, размещенная между пластинами 11 и 12 толкателя

13 и связанная со штоком 1 через скобу 14; кулачок 15, укрепленный на валу 16 привода 17 и связанный с толкателем 13;

На штоке 1 укреплены шторка 18 датчика абсолютного перемещения штока, шторка 19 датчика относительного перемещения штока, якорь 20 датчика скорости абсолютного перемещения штока, выполненный в виде постоянноro магнита, якорь 21 с катушкой ? 2 обратного преобразователя модуля упругости, якорь 23 с катушкой 24 обратного преобразователя вязкости.

Статоры 25 и 26 с катушками 27. и

28 обратных преобр-зователей модуля упругости и вязкости соответственно, кювета 8, катушка 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, фотодиоды 30 и электрические.лампочки 31 датчика абсолютного перемещения штока укреплены на корпусе устройства (на чертеже не показан), а фотодиоды 32 с электрическими лампочками 33 датчика относительного перемещения штока укреплены на пластине 12 толкателя 13. Первые выходы фотодиодов 30 и 32 через усилители

34 и 35 соответственно связаны со входом формирователя 36 сигнала модуля упругости, выход которого через фильтр 37, настроенный на частоту деформации привода 17, связан со вхо. дом исполнительного блока 38 канала модуля упругости, первый выход которого подключен к катушке 2.7 статора

25 обратного преобразователя модуля упругости. Вход катушки 22 якоря 21 последнего через усилитель 39 связан со вторым выходом фотодиодов 30 датчика абсолютного перемещения штока, а второй выход блока 38 подключен к входу регистратора 40 модуля упругости. Второй выход датчика относительного перемещения и первый выход датчика скорости абсолютного перемещения через усилители 41 и 42 соответственно связаны со входами формирователя 43 сигнала вязкости, выход которого через фильтр 44, настроенный на частоту деформации привода, подключен к входу исполнительного блока 45 канала вязкости, первый выход которого связан со входом катушки 28 статора 26 обратного преобразователя вязкости. Вход катушки

24 якоря 23 которого через усилитель 46 соединен с вторым выходом катушки 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, а вто. рой выход исполнительного блока 45 канала вязкости связан со входом регистратора 47 вязкости.

Выход генератора 48 электрически связан с верхней гранью пьезокристалла 2 через держатель.3, à с нижней гранью — через крышку 5 и накидную гайку б.

Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред работает следующим образом.

При включении привода 17, настроенного на фиксированную деформацию, и отключении генератора 48 исследуемый материал 9, находящийся в зазоре между цилиндрическими стенками; кюветы Я и коаксиально установленным накойечником зонда 7, подвергается деформации с фиксированной амплиту708202 дой. Реакция материала 9 определяется его комплексно модулем на заданной частоте деформации и выражается в том, что иэменяется амплитуда и фаза выходных сигналов фотодиодов 30 и 32 датчиков абсолютного и относительного перемещений штока и катушки 29 датчика скорости абсолютного перемещения. В формирователях Зб, 43 сигналов модуля упругости и вязкости, представляющих собой множительные устройства, сигнал с первого и второго выходов фотодиодов 32 датчика относительного перемещения детектируется сигналом с первого выхода фотодиодов 30 датчика абсолютного перемещения и сигналом, сдвинутым на угол K/2, с первого выхода датчика скорости абсолютного перемещения. Поэтому на выходе формирователя Зб будет сигнал, пропорциональный активной составляющей комплексного модуля вещества, т. е. модулю упругости, а на выходе формирователя 43 — сигнал пропорциональный реактивной составляющей, т. е. вязкости вещества. В фильтрах 37 и 44 отфильтровывается двойная гармоника выходных сигналов формирователей 36 и 43 и на входы исполнительных блоков 38 и 45 поступают сигналы, пропорциональные изменению модуля упругости и вязкости гоответственно. Эти сигналы вызывают изменение токов на выходах исполнительных блоков 38 и 45, а следователь но, и токов в катушках 27 и 28 статоров обратных преобразователей модуля упругости и вязкости до тех пор и в ту сторону, пока электромагнитное усилие, возникшее на якоре 21 обратного преобразователя модуля упругости, полностью не скомпенсирует усилие, пропорциональное модулю упругости среды, а усилие, возникающее на якоре 23 обратного преобразователя вязкости, не скомпенсирует усилие, пропорциональное вязкости среды, обес печив тем самым нулевые значения сигналов на выходах формирователей 36, 43 сигналов модуля упругости и вязкости. Частотный диапазон деформации веществ в этом случае ограничивается

100 Гц.

При включении генератора 48 возбуждается пьезокристалл 2. Вызывая вибрацию наконечника зонда с частотой генератора, которая может дости- . гать сотен килогерц, обуславливают тем самым расширение диапазона частоты деформации исследуемого материала.

Если частота вибрации пьезокристалла 2 значительно превосходит частоту деформации приводом 17, то комплексный модуль среды будет практически соответствовать частоте .вибрации пьезокристалла и, следовательно, на выходах исполнительных устройств

38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на частоте виб- рации.

Если частота вибрации пьезокристалла 2 соизмерима с частотой деформации приводом 17, то на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на смешанной частоте, т. е, будут соответствовать режиму совмещенного деформирования.

Формула изобретения

Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред, содержащее корпус с размещенным в нем штоком, кювету, привод, регистраторы модуля упругости и вязкости, датчики абсолютного и относитель20 ного перемещения, обратный преобразо- ватель модуля упругости, формирователь сигнала модуля упругости, входы которого связаны через усклитель с первыми выходами датчиков абсолютного

25 и относительного перемещения, а его выход через фильтр связан со входом исполнительного блока канала модуля упругости, выход которого, в свою очередь, связан со входом катушки

3Q статора обратного преобразователя модуля упругости, датчик скорости абсолютного перемещения штока, обратный преобразователь вязкости, формирователь сигнала вязкости, входы которого связаны через усилитель с первым выходом датчика скорости абсолютного перемещения штока и вторьпм выходом датчика относительного перемещения, а его выход череэ фильтр связан со входом исполнительного блока канала вязкости, выход которого, в свою очередь, связан со входом катушки статора обратного преобразователя вязкости; второй выход датчика абсолютного перемещения штока при этом через усилитель связан с катушкой якоря обратного преобразователя модуля .упругости, а второй выход датчика скорости абсолютного переме:щения штока — через усилитель связан

50::с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости; регистраторы модуля уйругости и вя" êîñòè своими входами связаны со вторыми входами соответствующих исполнительных блоков, 55 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона измерений, оно дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлектрическим

QQ преобразователем, выполненным в виде пьезокристалла, жecтко связанного противоположными гра ня ми с дер. <ате— лем и наконечником в виде зонда с па. мощью крышки и накидной гайки, при у этом выход генератора электрически

/ подсоединен к пьезокристаллу ч<зрез

:.м!;.; . ,708202 электрически изолированные друг от друга держатель и крышку.

Источ ник и и нфо рмации, принятые во внимание при экспертизе

Редактор T. Орловская

Заказ 8474/36

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )(-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

7 / )

Y(jS, Юй

1. Авторское свидетельство СССР

Р 378756, кл. G 01 N 11/16, 1973.

2. Авторское свидетельство по заявке 9 2383852, кл. G N 11/16, 1976 (прототип) °

Состав итель М. Катков

Техред Н. Бабурка Корректор Е. Папп

Ъ

Тираж 1019 Подписное