Вибрационный измеритель реологических характеристик веществ

 

пц777556

Союз Советских

Социалистических

Республик

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 20.11.78 (21) 2686438/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.11.80. Бюллетень № 41 (45) Дата опубликования описания 07.11.80 (51) М. Кл. б OIN 11/16

Государственный камнтет.

СССР по делам нзобретенйй н открытнй (53) УДК 548.137 (088.8) (72) Авторы изобретения М. С. Катков, Ю. А. Колмаков, В. А. Рожков и Е. В. Смородинов (71) Заявитель Ленинградский институт авиационного приборостроения (54) ВИБРАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к измерению и регистрации вязкоупругих свойств неньютоновских, в частности полимерных, материалов и может быть использовано для определения их реологических характеристик при 5 динамических режимах нагружения.

Известен ротационный амплитудно-частотный вискозиметр для определения структурно-механических свойств пластично-вязких материалов при вибрировании, Ip содержащий наружный, жестко соединенный с источником механических вертикально направленных колебаний, и внутренний, приводимый во вращение вокруг вертикальной оси, коаксиальные цилиндры, станину 15 и устройство для измерения момента и скорости вращения внутреннего цилиндра (1).

Данный вискозиметр позволяет получить информацию об амплитуде периодических деформаций исследуемой среды при вращении чувствительного элемента за счет того, что усилие, вызванное периодическим смещением наружного цилиндра, передается внутреннему только через исследуемый материал. По скорости вращения внутреннего цилиндра, весу падающих грузов измерителя момента и зазору между наружным и внутренним цилиндрами определяют стационарные реологические характеристики, а по возмущающей силе возбудителя механи- 30 ческих колебаний и заданной колебательной скорости наружного цилиндра определяют динамические вязкоупругие характеристики.

Недостатком известного вискозиметра является необходимость дополнительной расшифровки экспериментальных данных, аналитическая обработка результатов и невозможность измерения статических вязкоупругих характеристик веществ вследствие полного разрушения структуры исследуемой среды.

Известно устройство, реализующее способ определения реологических характеристик веществ, позволяющее с высокой точностью измерить модуль упругости и вязкость исследуемого вещества в диапазоне инфранизких частот, верхний предел которых ограничен собственной частотой механической части устройства (2).

Устройство содержит шток, кювету, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости относительного перемещения штока, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, каналы измерения модуля упругости и вязкости и привод гармонических колебаний.

Измерение модуля упругости и вязкости осуществляется путем компенсации обратными преобразователями сил реакции, дей777556 ствующих на подвижный шток со стороны деформируемого образца.

Однако в этом устройстве увеличение частоты деформации приводит к снижению точности измерений, так как в области частот деформаций, близких к собственной частоте механической части устройства, на результаты измерения влияет изменение амплитуды и фазы ее колебаний.

Известно также устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред, содержащее корпус, шток со сменным зондом, кювету с исследуемым веществом, привод измерительной частоты, регистраторы модуля упругости и вязкости, датчики абсолютного и относительного перемещения штока, обратный преобразователь модуля упругости, формирователь сигнала модуля упругости, входы которого связаны через усилитель с первыми выходами датчиков абсолютного и относительного перемещений, а его выход через фильтр — с входом исполнительного блока канала модуля упругости, выход которого связан со входом катушки 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 вторым выходом датчика относительного перемещения штока, а его выход через фильтр — с входом исполнительного блока канала вязкости, выход которого связан со входом катушки статора обратного преобразователя вязкости, второй выход датчика абсолютного перемещения штока через усилитель связан с катушкой якоря обратного преобразователя модуля упругости, а второй выход датчика скорости абсолютного перемещения штока через усилитель — с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости, регистраторы модуля упругости и вязкости своими входами соединены со вторыми выходами соответствующих исполнительных блоков, генератор колебаний и пьезоэлектрический преобразователь, установленный на штоке и содержадий пьезокристалл, расположенный между держателями и наконечником, выполненным в виде зонда, которые механически связаны с помощью крышки и накидной гайки, причем выход генератора электрически связан с пьезокристаллом через держатель и крышку, которые электрически изолированы друг от друга изоляционной втулкой (3).

Это устройство позволяет измерять вязкость и модуль упругости исследуемого вещества и регистрировать процессы их изменения в широком частотном диапазоне.

Недостатком устройства является то, что точность измерения в большой степени зависит от величины силы сопротивления движению зонда, т. е. от величины модуля уп10

4 ругости и вязкости образца, так как при изменении вязкоупругих характеристик исследуемого материала изменяется амплитуда вибрации. Кроме того, контроль амплитуды вибрации зонда устройства затруднен.

Цель изобретения — повышение точности измерений в широком диапазоне частот деформации, Указанная цель достигается тем, что вибрационный измеритель реологических характеристик веществ, содержащий корпус, шток со сменным зондом, кювету с исследуемым веществом, связанную с приводом измерительной частоты, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статоров и якорей с катушками, закрепленные соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости относительного перемещения штока, вибратор, состоящий из катушки и постоянного магнита, закрепленные на корпусе и штоке соответственно, генератор задающей частоты, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит второй усилитель и последовательно соединенные первый усилитель, формирователь, второй вход которого подключен к выходу второго усилителя, фильтр, исполнительный блок и регистратор, причем второй выход второго усилителя соответствующего канала подключен к катушке якоря одноименного обратного преобразователя, катушка статора которого соединена с вторым выходом исполнительного блока этого же канала, в измеритель введены контур стабилизации амплитуды задающих колебаний штока, содержащий блок настройки амплитуды задающих колебаний и последовательно соединенные фильтр задающей частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, детектор, блок сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока настройки амплитуды задающих колебаний, и усилитель с переменным коэффициентом усиления, второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а выход — с входом катушки вибратора, первый фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, а выход — к входам первых усилителей каналов измерения модуля упругости и вязкости, второй фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика относительного перемещения штока, а выход — к входу второго усилителя канала измерения модуля упругости, третий фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика скорости относительного перемещения штока, а выход — к входу второго усилителя канала измерения вязкости.

777556

Это позволяет реализовать деформацию сдвига исследуемого вещества по всей длине зонда заданной амплитуды в широком диапазоне изменения частоты независимо от класса материалов.

На чертеже приведена схема предлагаемого вибрационного измерителя.

Он содержит шток 1, связанный одним концом с корпусом измерителя через пружину 2, а на другом его конце укреплен сменный зонд 3. На штоке 1 укреплены шторка 4 датчика относительного перемещения штока, шторка 5 датчика абсолютного перемещения штока, якорь 6 с катушкой

7 обратного преобразователя модуля упругости, якорь 8 с катушкой 9 обратного преобразователя вязкости, якорь 10 датчика скорости относительного перемещения и якорь 11 вибратора, выполненные в виде постоянных магнитов, лампочки 12 и фотодиоды 13 датчика абсолютного перемещения, статор 14 с катушкой 15 обратного преобразователя модуля упругости, статор

16 с катушкой 17 обратного преобразователя вязкости и катушка 18 вибратора, укрепленные на корпусе измерителя, кювета 19 с исследуемым веществом 20, находящемся в зазоре с коаксиально выполненным зондом

3, связана через кулачек 21 с приводом 22 измерительной частоты, на корпусе кюветы укреплены лампочки 23 с фотодиодами 24 датчика относительно перемещения и катушки 25 датчика скорости относительного перемещения.

Первый выход фотодиодов 13 связан с входом фильтра 26 задающей частоты, выделяющего высокочастотную составляющую выходного сигнала датчика абсолютного перемещения. Выход фильтра связан с входом детектора 27, детектирующего и усиливающего сигнал с выхода фильтра, при этом выход детектора связан с первым входом блока сравнения 28, представляющего собой суммирующий усилитель, второй вход которого подключен к выходу блока 29 настройки амплитуды задающих колебаний — источник стабилизированного напряжения.

Выход блока сравнения связан с первым входом усилителя 30 с переменным коэффициентом усиления. Величина коэффициента пропорциональна величине выходного сигнала блока сравнения 28. Второй вход этого усилителя соединен с выходом генератора 31 задающей частоты, а выход — с входом катушки 18 вибратора, в которой наводится переменное магнитное поле.

Второй выход фотодиодов 13 связан с входом первого фильтра 32 измерительной частоты, выделяющего низкочастотную составляющую выходного сигнала датчика абсолютного перемещения штока, измерительной схемы, содержащей усилитель 33 канала модуля упругости и усилитель 34 канала вязкости, входами связанные с выходом первого фильтра, Выход первого усистоты. Последний входом соединен с выходом катушки 25 датчика скорости относительного перемещения, выделяющего низкоЗ5 частотную составляющую сигнала. Вторые выходы вторых усилителей 43 и 45 связаны с входами катушки 7 обратного преобразователя модуля упругости и катушки 9 соответственно.

4р Вибрационный измеритель работает следующим образом, Требуемую частоту колебаний штока 1 устанавливают с помощью вибратора генератором задающей частоты 31. Якорь 11

45 колеблется в переменном магнитном поле катушки 18. Находят и частоту деформации сдвига исследуемого вещества 20, расположенного в зазоре между зондом 3 и внутренними стенками коаксиально выполнен5р ной кюветы 19. Амплитуда деформации определяется величиной коэффициента усиления усилителя 30 с переменным коэффициентом усиления. Величина коэффициента

6р

5

)р

2Р

25 зр лителя 33 подключен к первому входу формирователя 35 сигнала модуля упругости, представляющего собой множительное устройство. Формирователь 36 сигнала вязкости, также представляющий собой множительное устройство, первым входом связан с выходом первого усилителя 34. Фильтры

37 и 38 канала модуля упругости и канала вязкости соответственно своими входами соединены с выходами формирователя 35 и формирователя 36. Исполнительные блоки

39 и 40 канала модуля упругости и канала вязкости представляют собой интеграторы и связаны с выходами фильтров 37 и 38 соответственно. Регистраторы 41 и 42 модуля упругости и вязкости, входы которых связаны с первыми выходами исполнительных блоков 39 и 40 соответственно, при этом вторые выходы исполнительных блоков подключены к входам катушек 15 и 17. Второй вход формирователя 35 через первый выход второго усилителя 43 канала измерения модуля упругости связан с выходом второго фильтра 44 измерительной частоты, выделяющего низкочастотную составляющую сигнала и входом связанного с выходом фотодиодов 24 датчика относительного перемещения. Второй вход формирователя 36 через первый выход второго усилителя 45 канала измерения вязкости связан с выхо,дом третьего фильтра 46 измерительной чаусиления пропорциональна разности сигнала блока 29 настройки амплитуды задающих колебаний и сигнала с выхода детектора 27, величина которого пропорциональна амплитуде задающих колебаний штока.

При изменении вязкоупругих свойств вещества изменяется сила сопротивления перемещению штока, а следовательно, и амплитуда его колебаний. Это приводит к тому, что сигнал на выходе блока сравнения

28 изменяется. Причем уменьшение разности, указывающее на рост амплитуды коле777556 баний штока, связано с уменьшением коэффициента усиления усилителя 30 и амплитуды колебаний штока 1. Если разность увеличится, что свидетельствует об уменьшении амплитуды колебаний штока, то коэффициент усиления усилителя 30 увеличится до такой величины, при которой амплитуда колебаний будет равна требуемой.

Для измерения вязкоупругих характеристик вещества на заданной вибратором частоте деформации и при заданной ее амплитуде включают привод 22 измерительной частоты, который с помощью кулачка 21 осуществляет низкочастотные колебания кюветы 19. Низкочастотные колебания кюветы вызывают колебания штока с той же частотой, но с другой амплитудой и фазой, величины которых однозначно определяются вязкоупругими характеристиками вещества.

Фильтры 32, 44 и 46 измерительной частоты, настроенные на частоту колебаний привода 22, пропускают только составляющие колебаний штока и их скорости на частоте колебаний привода. Причем на выходе формирователя 35 сигнала модуля упругости наблюдается активная составляющая реакции вещества, т. е. составляющая, пропорциональная модулю упругости, так как сигнал с выхода фотодиодов 13, пропорциональный комплексному модулю вещества, детектируется здесь сигналом с выхода фотодиодов 24. На выходе формирователя 36 сигнала вязкости — реактивная составляющая реакции вещества, т. е. составляющая, пропорциональная его вязкости, так как сигнал с выхода фотодиодов 13 детектирчется здесь сигналом с выхода катушки 25, сдвинутым на угол л/2 по отношению к сигналу датчика относительного перемещения, Сигналы с выхода фотодиодов 24 и выхода катушки 25 через фильтры 44 и 46 измерительной частоты и вторые выходы вторых усилителей 43 и 45 поступают на входы катушек 7 и 9 якорей 6 и 8 обратных преобразователей модуля упругости и вязкости, сигналы которых создают в зазорах обратных преобразователей переменные магнитные поля, а их взаимодействие с магнитными полями катушек 15 и 17 статоров 14 и 16 обуславливает силы, действующие на шток

1. Величины этих сил пропорциональны величинам токов в катушках 15 и 17, на которые поступают сигналы с вторых выходов исполнительных блоков 39 и 40.

Таким образом, наличие сигналов на выходах формирователей 35 и 36, величины которых пропорциональны модулю упругости и вязкости исследуемого вещества 20 на частоте колебаний вибратора, вызывает изменение сигналов на выходах исполнительных блоков 39 и 40, связанных своими входами через фильтры 37 и 38 с выходами формирователей, до тех пор и в такую сторону, чтобы электромагнитные силы, дейст5

ЗО

65 вующие на якори обратных преобразователей, скомпенсировали бы силы, действующие на шток со стороны исследуемого вещества. Равенство этих сил обусловит нулевые сигналы на выходах формирователей 35 и 36, а величина сигнала на выходе исполнительного блока 39 пропорциональна величине модуля упругости вещества, которая зарегистрируется в регистраторе 41. Величина сигнала на выходе исполнительного блока 40 пропорциональна величине вязкости вещества, которая зарегистрируется в регистраторе 42.

Изменение частоты генератора 31 приводит к изменению частоты колебаний штока

1 и, следовательно, к изменению частоты деформации исследуемого вещества. В свою очередь, это изменяет вязкоупругие характеристики вещества и силу сопротивления движению штока 1, т. е. изменение амплитуды колебаний, которое регистрируется датчиком абсолютного перемещения, и на выходе блока сравнения 28 изменится величина разности сигналов с выхода блока 29 настройки амплитуды задающих колебаний и с выхода детектора 27. Изменение величины разности сигналов ведет к изменению коэффициента усиления усилителя 30, что обусловит коррекцию амплитуды колебаний штока. Изменение вязкоупругих свойств исследуемого вещества, приводит к изменению .реакции штока на колебания со стороны привода 22 измерительной частоты, Это приводит к изменению амплитуды и фазы сигнала с выхода первого фильтра 32, который детектируется в формирователях 35 и 36 сдвинутыми на угол л/2 сигналами с выходов фильтров 44 и 46. Сигналы на выходах формирователей 35 и 36 вызовут изменение сигналов на выходах исполнительных блоков 39 и 40 и, следовательно, изменение компенсирующих усилий на якорях

6 и 8, которые скомпенсируют изменение модуля упругости и вязкости исследуемого вещества. Величины выходных сигналов исполнительных блоков 39 и 40 регистрируются регистраторами 41 и 42 соответственно.

Предлагаемый измеритель повышает точность измерений в широком диапазоне частот деформации путем наложения высокочастотной деформации со стабилизированной и управляемой амплитудой со стороны штока на исследуемое вещество. При изменении вязкоупругих свойств исследуемого вещества и отсутствии системы стабилйзации амплитуды высокочастотной деформации происходит изменение величины этой амплитуды вследствие изменения сил, нагружающих вибратор, что приводит к изменению внутренних напряжений в веществе и дополнительному изменению вязкоупругих свойств вещества. Введение контура стабилизации амплитуды высокочастотной деформации позволяет исключить ошибки

777556

10 измерения, вызванные изменением амплитуды в широком диапазоне частот деформации, контролировать и управлять амплитудой и частотой высокочастотной деформации путем изменения настройки генератора 5 задающей частоты и блока настройки амплитуды задающей частоты и выбирать амплитуду высокочастотной деформации, не приводящую к разрушению внутренней структуры исследуемого вещества, 10

Формула изобретения

Вибрационный измеритель реологических характеристик веществ, содержащий корпус, шток со сменным зондом, кювету с ис- д следуемым веществом, связанную с приводом измерительной частоты, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статоров и якорей с катушками, закрепленные соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости относительного перемещения штока, вибратор, состоящий из катушки и постоянного магнита, закрепленные на корпусе и 25 штоке соответственно, генератор задающей частоты, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит второй усилитель и последовательно соединенные первый усилитель, формирова- з0 тель, второй вход которого подключен к выходу второго усилителя, фильтр, исполнительный блок и регистратор, причем второй выход второго усилителя соответствующего канала подключен к катушке якоря одноименного обратного преобразователя, катушка статора которого соединена с вторым выходом исполнительного блока этого канала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в широком 40 диапазоне частот деформации, в измеритель введены контур стабилизации амплитуды задающих колебаний штока, содержащий блок настройки амплитуды задающих колебаний и последовательно соединенные фильтр задающей частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, детектор, блок сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока настройки амплитуды задающих колебаний, и усилитель с переменным коэффициентом усиления, второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а выход — с входом катушки вибратора, первый фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, а выход — к входам первых усилителей каналов измерения модуля упругости и вязкости, второй фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика относительного перемещения штока, а выход — к входу второго усилителя канала измерения модуля упругости, третий фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика скорости относительного перемещения штока, а выход — к входу второго усилителя канала измерения вязкости.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 356526, кл. G 01N 11/10, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке № 3283852/25 кл. G 01N 11/16, 1979.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2518213/25, - кл. G OIN 11/16, 1977 (прототип).

777556

Составитель В. Вощанский

Редактор М. Стрельникова Техред И. Пенчко

Корректор О. Гусева

Заказ 2270/18 Изд. Уо 530 Тираж 1033 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2