Способ определения реологических характеристик веществ и устройство для его реализации

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТВЛЬСТВУ

Союз Советских

Социапнстнческих

Республик >864062 (б1) Дополнительное к авт, свид-ву. (22) Заявлено 21.0776 (21) 2383852/25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (5!)М. Кд 3

G 01 N 11/16

Государственный комитет ссср но делам изобретений и отнрыти й

Опубликовано 150981 Бюллетень М 34 (53) УДК 532 137 (088, 8) Дата опубли о ния описания 150981 (72) Авторы изобретения

М.С. Катков, В.Ф. Буралкин и В.С. Ионов (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

XAPAKTEPHCTHK ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

1, Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств, конкретнее, к методам определения их реологических характеристик, и предназначено для определения вяэкоупругих свойств веществ как органического, так и неорганического происхождения, например, в процессе их синтеза, при снятии релаксационного спектра веществ. фиксированной физико-химической структуры. Изобретение также может быть использовано при создании измерительных преобразователей для автоматического дистанционного управления различными технологическими процессами, контроля вязкости и упругих свойств топлива и различных жидких сред, в частности, при загрязнении рек и озер промышленными отходами и сточными водами.

Известен способ определения реологических характеристик веществ, основанный на вибрационном методе, осуществляемом путем периодической деформации образца, помещенного в кювету, от внешнего источника вибрации при помощи штока с зондом, погруженным в исследуемый образец. О реологических характеристиках образ"

i E.M.Баранова, .Б.Бо HH.,„",а

1 ца при этом судят по изменению параметров колебаний штока с зондом pl), По известному способу о вяэкопругих свойствах вещества судят по разности между задаваемым и измеряемым углами поворота зонда, а раздельное определение упругой и вязкой составляющих комплексного модуля осуществ- ляют графически, при помощи двухкоординатного регистратора. На графике по осям откладываются величины задаваемого и измеряемого воздействия.

Если вещество обладает чисто вязки ми свойствами, то на графике будет

15 изображен прямоугольник расположенный. горизонтально, высота которого пропорциональна вязкости, а ширина— величине задаваемого угла поворота.

Если вещество обладает упругими свой20 ствами, то на графике будет изображена прямая линия с наклоном, угол которого пропорционален величине модуля упругости. Если вещество обладает вязкими и упругими свойствами, то прямоугольник, высота которого пропорциональна вязкости, будет повернут на угол, пропорциональный модулю упругости.

Таким образом, определение вяэ30 кой и упругой составляющих по это864062

45.лу <:нособу требует дополнительной

i Р.iфо-аналитической обработки.

Недостатком такого способа являгся то, что снижается точность из— мерении при исследовании веществ с заданными физико-механическими свойствами, à его использование для исследования процессов изменения вязкости и модуля упругости веществ затруднительно, так как резко снижается точность измерений вследствие размазывания графика, !О

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения реологических характеристик веществ путем деформации .исследуеь1ой среды с помощью 15 колебаний чувствительного элемента от внешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитуды этих колебаний и компенсации этого отклонения путем регулирования подво димой энергии (2).

Этот способ реализуют устройством, содержащим корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещения и усЪ лия, выходы которых связаны со входами формирователя сигнала упругости, выход которого соединен со входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою очередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости.

Отклонения амплитуды колебания штока с зондом по известному способу обусловлены как вязкими, так и упругими свойствами исследуемого вещества.

Однако выделение вязкой и упругой составляющих и одновременное их изме рение с высокой точностью невозможны.

Использование в этом способе об" gQ ратного преобразователя модуля упруroc позволяет повысить точность измерения упругой составляющей, одна-. ко не позволяет полностью исключить взаимное влияние вязкой и упругой составляющих в процессе измерения, а также выделить упругую составляющую, Целью изобретения является повышения точности при одновременном измерении вязкой и упругой составля" ющих комплексногo модуля и расширение диапазона измерений, Это достигается тем,что по предлагаемому способу реакцию исследуемой среды определяют путем одновре- ээ менного измерения амплитуды колебайий зонда чувствительного элемента, составляющих комплексного модуля, одна из которых пропорциональная усилию сопротивления деформации щ исследуемой среды, а вторая - скорос" ти перемещения чувствительного элемента, формируют сигналы, пропорцио" нальные активной и реактивной составляющим комплексного модуля путем пеРемножения составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформа ции соответственно с отклонением амплитуды колебаний чувствительного элемента зонда и скоростью его перемещения, устраняют влияние активной составляющей комплексного модуля на процесс измерения его реактивной составляющей, а на процесс измерения активной составляющей — влияние реак-. тивной составляющей комплексного модуля, компенсируя отклонение вязкой и упругой составляющих комплексного модуля посредством создания усилий, равных им по величине и обратных по знаку с помощью обратных преобразователей вязкости и упругости таким образом, что сводят к нулю их изменение с помощью исполнительных устройств канала модуля упругости и канала вязкости.

Такой способ может быть осуществлен устройством для определения реологических характеристик веществ, содержащим корпус, с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со входами форми- рователя сигнала упругости, выход которого соединен с входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою очередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости, снабженным измерителем скорости перемещения ".штока, обратным преобразователем вязкости, формирователем сигнала вязкости и исполнительным блоком канала вязкос-. ти, причем статоры обратного преобразователя вязкости и измерителя скорости перемещения закреплены на корпусе устройства, а их якори укреплены на штоке и электрически связаны между собой, выход измерителя скорости соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй вход кбторого соединен с выходом датчика усилия, а выход — co входом исполнительного блока канала вязкости, выход которого связан со статором обратного преобразователя вязкости, Для изменения частоты пробных ко» лебаний в широком диапазоне устройство снабжено блоком изменения частоты, связанным с приводом перемещения штока.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для определения реологических характеристик.

Устройство содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2,погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4. Другой конец штока через пружину 5, втулку б, кулачок 7 и блок 3 изменения частоты связан с приводом

9, при помощи которого шток 1 и зонд

2 совершают колебательное движение заданной амплитуды и частоты, величина которой может изменяться в широ864062

Очевидно, что выходной сигнал формирователя 21 зависит как от упругой, так и от .вязкой составляющих комплексного модуля, поэтому компенсация вязких свойств исследуемого образца электромагнитной вязкостью обратного преобразователя вязкости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 21 от вязкой составляющей. Компенсация,.упругой составляющей модуля вещества с помощью обратного преобразователя упругости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 25 от упругой составляющей.

Частотные свойства динамической системы остаются постоянными, что позволяет изменять в широких пределах частоту пробных колебаний зонда с помощью блока 8 изменения частоты.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность одновременного. измерения модуля упругости и вязкости в любом диапазоне их изменения, позволяет получить новые сведения а кинетике, процессах полимериэации поликонденсации, процессах тромбообразования, так как впервые возникает возможность непрерывного и одновком диапазоне. На корпусе (на чертеже не показан) устройства установлены датчик 10 перемещен я штока 1, магнитопровод 11 с катушками 12 обратного преобразователя упругости, постоянный магнит 13 измерителя скорости перемещения штока 1 и катушки 14 статора обратного преобразователя вязкости.

На штоке 1 укреплены якорь 15 датчика 10 перемещения и якорь 16 датчика 17 усилия, корпус которого связан со втулкой 6, а выходной сигнал пропорционален разности входных колебаний и колебаний штока 1. На штоке 1 укреплены якорь 18 обратного преобразователя упругости, якорь 19 измерителя скорости перемещения штока и якорь 20 обратного преобразо,— вателя вязкости.

Выход датчика 10 перемещения электрически связан с первым входом фор- 20 мирователя 21 сигнала упругости, второй вход которого связан со вторым .выходом датчика 17 усилия, а выход— с исполнительным блоком 22 канала упругости, выход которого в свою 25 очередь связан с катушками 12 обратного преобразователя упругости. На якоре 19 измерителя скорости перемещений укреплена катушка 23, второй выход которой электрически связан с обмоткой 24 якоря 20 обратного преобразбвателя вязкости, первый выход связан с первым входом формирователя 25 сигнала вязкости, второй вход которого электрически связан с первым выходом датчика 17 усилия, а выход — с исполнительным блоком 26 канала вязкости, выход которого электрически связан с катушками 14 статора обратного преобразователя вязкости. 40

Устройство для определения реологических характеристик веществ- работает следующим образом.

В случае отсутствия вещества 4 в кювете 3 при колебаниях штока 1 45 с зондом 2 от привода 9 выходные сигналы датчиков 1-7 и 10 и катушки

23 измерителя скорости определяются параметрами электродинамической системы, и формирователи 21 и 25 настраивают так, чтобы их выходные сигналы были равны нулю. Это определяет отсутствие тока в катушках 12 и 14 обратных преобразователей.

При наличии вещества 4 в кювете

3 возникает сопротивление перемещению зонда 2, что приводит к измене нию выходных сигналов датчиков 10 и 17 и обмотки 23 якоря 19 измерителя скорости перемещения штока с зондом. В формирователе 21 формиру.ется сигнал,.пропорциональный упругим свойствам вещества, и это обуславливает появление тока на выходе исполнительного блока 22 и в катушке .

12 обратного преобразователя упругос- gg ти, причем полярность сигнала в катушке 12 такова, что возникающая электромагнитная сила связи якоря 18 и сердечника 11 направлена встречно возникающему сопротивлению исследуемого вещества. Ток в катушке 12 изменяется до тех пор, пока не скомпенсируется полностью сила, сопротивления вещества, и сигнал на выходе формирователя 21 не станет равным нулю. Ток в катушке 12 обратного преобразователя упругости пропорци онален модулю упругости вещества. ,Возникающее изменение измеряемых .координат скорости штока с зондом и усилия приводит к отклонению выходной координаты формирователя 25 вязкости пропорционально вязким свойствам вещества, что обуславливает наличие сигнала на выходе исполнительного блока 26 и, следовательно, тока в катушке 14 статора обратного преобразователя вязкости. Знак тока в катушке 14 статора обратного преоб-. разователя вязкости определяет направление магнитного потока таким образом, что возникающее в якоре 20 усилие направлено встречно вязко-упругому сопротивлению перемещению зонда 2 в исследуемом образце 4. Изменение тока в обмотке 14 статора обратного преобразователя вязкости происходит до тех пор, пока сигнал на выходе формирователя 25 не станет равным нулю, что определяет компенсацию вязкой составляющей вещества электромагнитной силой обратного преобразователя вязкости. Ток на выходе исполнительного блока 26 пропорционален вязкости вещества.

864062 ременного получения информации о динамических свойствах процессов структурирования, набухания полимеров, процессов коагуляции крови.

Постоянство динамических свойств предлагаемого устройства обеспечива. ет точную и достоверную информацию о вяэкоупругих характеристиках исследуемого вещества в широком частотном диапазоне пробных воздействий.

Использование изобретения в качестве измерительного преобразовате.ля в технологических процессах синтеза новых материалов позволит получить значительный экономический эффект (примерно 150000 р на одно устройство).

Формула изобретения

1. Способ определения реологических характеристик веществ путем деформации исследуемой среды с помощью колебаний чувствительного элемента от внешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитуды. этих колебаний и компенсации этого отклонения путем регулирования подводимой энергии, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном измерении вязкой и упругой составляющих комплексного модуля и расширения диапазона измерений, реакцию исследуемой среды определяют путем одновременного измерения амплитуды колебаний чувствительного элемента, составляющих компексного модуля, одна из которых пропорциональна усилию сопротивления деформации исследуемой среды, а вторая — скорости перемещения чувствительного элемента, формируют сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим комплексного модуля путем перемножения составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформации.соответствеМо с отклонением амплитуды колебаний чувствительного элемента и скоростью его перемещения,, устраняют влияние активной составляющей комплексного модуля на процесс измерения его реактивной составляющей, а на процесс измерения активйой составляющей — вЛияние реактивной составляющей комплексного модуля, компенсируя отклонение вязкой и упругой составляющих комплексного модуля посредством создания усилий равных им по величине и обратных по знаку, при помощи обратных преобразователей вязкости и упругости таким образом, что "водят к нулю их изменение при-помощи исполнительных устройств канала модуля, упругости и канала вязкости.

15 2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее корпус с размещенными в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со щ входами формирователя сигнала упругости, выход которого соединен со входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою очередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, оно снабжено измерителем скорости перемещения штока, обратным преобразователем вязкости, формирователем сигнала вязкости и исполнительным блоком канала вязкости, причем статоры измерителя скорости и обратного преобразователя вязкости закреп, лены на корпусе, а их якоря закреплены на штоке и электрически связаны между собой, выход измерителя скорости соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого соединен с выходом датчика усилия, а выход — co входом исполни-.

4g тельного блока канала вязкости, Ъ выход которого связан со ставором обратного преобразователя вязкости.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США, Р 3722262, кл, 73-59, опублик. 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 507805> кл. G 01 N 11/14, 1974.

864062

Составитель Н -Плотникова

Редактор Л.Батанова Техред N...ÃÎëéíêà

Корректор R). Макаренко

Подписное

Филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 4

Заках 7763/61 Тираж 910

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д.4/5