Эластовискозиметр Советский патент 1984 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к области измерения и регистрации вязкоупругих характеристик различных матери лов как органического, так и неорганического происхождения, и может быть использовано для исследования процессов измерения их вязкоуп гих свойств во времени в широком диапазоне частот. Известен ротационный амплитудно частотный вискозиметр для определения структурно-механических свой пластично-вязких материгшов при вибрировании, содержащий наружный, жестко соединенный с источником механических вертикально-непрерывных колебаний, и внутренний, приводимый во вращение вокруг вертикальной оси, коаксиальные цилинд ры, станину, измерители момента и скорости вращения внутреннего цилиндра. Данный вискозиметр позволяет по лучить информацию об амплитуде периодических деформаций исследуемой среды при вращении чувствительного элемента за счет того, что усилие, вызванное периодическим смещением ружного цилиндра, передается внутреннему только через исследуемый материал. По скорости вращения вну реннего цилиндра, весу падающих грузов измерителя момента и зазору между наружным и внутренним цилиндрами определяют стационарные реологические характеристики, а по возмущающей силе возбудителя механических колебаний и заданной коле бательной скорости наружного цилинд ра - динамические вязкоупругие характеристики С ЗНедостатками известного устройства являются необходимость дополнительной расшифровки экспериментальных данных, аналитической обработки результатов, а также невозможность измерения статических вязкоупругих характеристик веществ вследствие полного разрушения стру туры исследуемой среды. Известно устройство, в котором на исследуемую вязкоупругую среду накладываются гармонические колебания, амплитуда которых превыщает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа, состоящее из крутильного маятника, на конце которого укреплен плунжер, привода гармонических незатухаквдих колебаНИИ, кюветы, механически связанной с приводом гармонических незатухающих колебаний, и датчика угла поворота крутильного маятника. Вещество, находящееся между стенками плун жера и кюветы, под действием механических колебаний кюветы разрушается и меняет свои реологические свойства. Изменение реологических свойств исследуемого вещества приводит к изменению сил вязкоупругого трения, действующих через плунжер на крутильный маятник, совершающий свободные колебания вокруг оси вращения, В результате действия этих сил, а также изменения величины присоединенной массы амплитуда и частота этих колебаний изменяются, что регистрируется датчиком угла поворота крутильного маятника.f2. Устройство не обеспечивает достаточной точности измерения вязкоупругих характеристик материала в процессе их изменения и обладает узким частотным диапазоном, так как в процессе измерения непрерывно изменяктшхся вязкоупругих характеристик вещества амплитуда и частота свободных, колебаний маятника также непрерывно изменяются, что требует дополнительной обработки результатов эксперимента и приводит к снижению точности. Кроме того, в данном устройстве принципиально невозможно измерение величины присоединенной Массы вещества, так как угол поворота крутильного маятника и его ускорение находятся в противофазе. Следовательно, ошибка измерения модуля упругости вещества пропорциональна величине присоединенной массч, что также приводит к снижению точности измерений. Наиболее близким к изобретению является устройство, позволяющее обеспечить более высокую точность измерения вязкоупругих свойств в процессе их измерения и расширить частотный диапазон, содержащее кор пус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой , первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости З. К недостаткам этого устройства следует отнести узкий диапазон частоты деформации вследствие сильной зависимости результатов измерения от стабильности частоты и амплитуды задающих колебаний, от стабильности характеристик датчиков и параметров механической части, от стабильности массы подвижной части уст ройства. Сигналы на выходе формирователей изменяются пропорционально как изме ряемым параметрам исследуемого вещества, так и пропорционально квадрату амплитуды перемещения штока, которая определяется амплитудой задающих колебаний и, кроме того, собственными динамическими характеристиками щтока при отсутствии вещества, а именно жесткостью пружины через которую передаются задающие колебания на шток, собственными дем фирующими силами штока и параметрам сигналов настройки формирователей для заданной частоты задающих колеб ний. Изменение величины присоединенно массы вследствие измерения реологич ких свойств или качественного соста ва вещества приводит к изменению силы инерции штока, что вызывает ошибки измерения модуля упругости вещества пропорционально величине присоединенной массы и квадрата частоты задающих колебаний. Изменение частоты задающих колебаний, связанное с нестабильностью частоты или переходом на другую задающую частоту, приводит к изменению величины силы инерции и ампли туды скорости перс.мещения штока про порционально квадрату частоты задаю щих колебаний,что вызывает либо ошибку измерения модуля упругости вещества, либо необходимость перестройки устройства на новую задающую частоту. Это существенно усложняет экспл атацию данного устрой ства при большом числе фиксированны частот задающих колебаний. Кроме того, данное устройство принципиально не может работать в режиме непрерывно меняющейся амплитуды и частоты задающих колебаний, так как в этом случае потребуется непрерывная подстройка каналов измерения модуля упругости и вязкости которую невозможно произвести в режиме измерения реологических свойст исследуемого вещества. Цель изобретения - повышение точ ности измерения модуля упругости и вязкости и обеспечение возможности измерения присоединенной массы. Указанная цель достигается тем, что в эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобд азователь, содержащий статор в вид магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока кюдели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому вхэду фор-, мирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости. введены датчик ускорения штока, весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, Состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения присоединенной массы, а также к первому входу весово го сумматора, второй и третий входы которого подключены соответственно к датчикам перемещения и скорости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопротивления вещества, второй вход которого соединен с выходом генератора задающих колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при этом выходы генератора, блока оценки силы сопротивления вещества и первого суммирующего усилителя подключены через второй суммирующий усилитель к катушке якоря обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластовискозиметра. На чертеже приведена схема предлагаемого зластовискозиметра. Эластовискозиметр содержит шток 1, связанный одним концом через пружину 2 с корпусом, а другим концом через зонд 3, погруженный в исследуемое вещество 4, - с кюветой 5, жестко закрепленной на корпусе эластовискозиметра. На штоке 1 также укреплены шторка 6 Датчика перемещения штока 1, магнит 7 датчика скорости перемещения штока 1 и якорь 8 с катушкой 9 обратного преобразователя. На корпусе эластовискозиметра укреплены корпус датчика 10 перемещения штока 1 с лампочками 11 и фотодиодами 12, магнитопровод 13 с магнитом 14 статора обратного преобразователя и катушка 15 датчика скорости перемещения штока 1. Датчик ускорения штока выполнен в виде . дифференциатора 16, подключенного входом к катушке 15, а выходом - к первому входу весового сумматора 17 второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам фотодиодов 12 и катушки 15. Канал измерения модуля упругости содержит последовательно соединенные формирователь 18, исполнительный блок 19 и блок модели 20. Канал измерения вязкости содержит последовательно соединенные формирователь 21, исполнительный блок 22 и блок модели 23. Канал измерения присоеди ненной массы содержит последовательно соединенные формирователь 24 исполнительный блок 25 и блок модел 26,причем выходл всех блоков моделей 20, 23 и 26 подключены к входам первого суммирукяцего усилителя 27, Первый вход блока 28 оценки сил сопротивления вещества подключен к вы ходу весового сумматора 17, а второ вход блока 28 оценки сил сопротивле ния вещества подключен к выходу генератора 29. Второй суммирующий уси литель 30 подключен выходом к катуш ке 9, а его входы подключены к выхо дам первого суммирующего усилителя 27,блока 28 оценки сил сопротивления веще,ства и генератора 29. Первы входы формирователей 18, 21 и 24 подключены соответственно к выходам фотодиодов 12, катушки 15, дифферен циатора 16 и, соответственно, к вто рым входам блоков моделей 20, 23 и 26, а второе входы формирователей 1 21 и 24 подключены к выходу блока 2 оценки сил сопротивления вещества. Эластовискозиметр работает следующим образом. При отсутствии вещества 4 в кювете 5 генератором 29 через второй суммирующий усилитель 30 возбуждаются механические колебания штока 1, что обуславливает появление сигналов на выходах фотодиодов 12 датчика перемещения штока 1, катушки 15 датчик скорости перемещения штока 1 и дифференциатора 16, форма которых определяется формой сигнала генератора 29 и параметрами механической части эластовискозиметра (массой подвижной части, собственным демпфированием, упругостью вспомогательной пружины 2). Сигналы фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16 поступают на входы весового сумматора 17, весовые коэффициенты которого выбираются таким образом, чтобы выходной сигнал весового сумматора 17 быв. равен в каждый момент времени выходному сигналу генератора 29 Выходные сигналы весового сумматора 17 и генератора 29 поступают нэ дифференциальные входы блока 28 оценки силы сопротивления вещества, выполненного в виде дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления. Так как входнке сигналы блока 28 оценки силы сопротивления вещества равны, то его выходной сигнал равен нулю и, следовательно, равны нулю сигналы на выходах формирователей 18, 21 и 24 и исполнительных блоков 19, 22 и 25 всех каналов измерения. Сигналы с выходов фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16 поступают соответственно на вторые входы блока модели 20модуля упругости, блока модели 23 вязкости и блока модели 26 присоединенной массы, первые входы которых соответственно связаны с выходами исполнительных блоков 19, 22 и 25. Блоки моделей 20, 23 и 26 представляют собой множительные устройства, поэтому при отсутствии вещества 4 в кювете 5 сигналы с их выходов равны нулю. Следовательно, нулевым будет и сигнал на выходе первого суммирующего усилителя, связанного через второй суммирующий усилитель 30 со входом катушки 9 якоря 8 обратного преобразователя. При наличии вещества 4 в кювете 5 возникает сопротивление движению зонда 3, которое обусловлено вязкоупругими характеристиками вещества 4 и силовой инерции его массы, присоединенной к зонду 3. Это вызывает изменение амплитуды выходных сигналов фотодиодов 12, катушки,15 и дифференциатора 16. Следовательно, равновесие сигналов на входах блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 нарушается. На выходе блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 появляется компенсирующий сигнал такой величины, который приводит входные сигналы этого блока в равновесное состояние, что возможно только при полной компенсации силы вязкоупругого сопротивления ия и силы инерции присоединенной массы вещества 4. Поэтому выходной сигнал блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 пропорционален нескомпенсированному усилию вязкоупругого сопротивления и силе инерции присоединенной массы вещества 4. В формировааеле 18 модуля упругости, где происходит перег ножение сигнала, пропор ционсшьного сипе сопротивления вещества 4, и сигнала, пропорционального перемещению штока 1 формируется сигнал, пропорциональный модулю упругости, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 19, который модули ется сигналом перемещения штока 1

с выхода фотодиодов 12 в блоке модели 20 канала измерения модуля упру гос7и. Выходной сигнал блока модели 20, моделирующий упругую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению зонда 3, попадает через первый вход в первый суммирующий усилитель 27.

В формирователе 21 канала измерения вязкости, где происходит перемножение сигнала, пропорционального силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный скорости перемещения штока 1, формируется сиг нал, пропорциональный величине вязкости вещества 4, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 22, который модулируется сигналом, пропорциональным скорости перемещения штока 1 с выхода катушки 15, в блоке модели 23. Выходной сигнал блока мбдели 23 моделирует вязкую составляющую силы сопротивления движению зонда 3, который через второй вход попадает в первый суммирукхций усилитель 27. .

В формирователе 24 канала измерения присоединенной массы, где происходит перемножение сигнала, пропорционального силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный ускорению штока 1, форми-руется сигнал, пропорциональный ве личине присоединенной массы, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 25. который модулируется сигналом, пропорциональным ускорению штока 1 с выхода дифференциатора 16, в блоке модели 26. Выходной сигнал блока модели 26 моделирует силу инерции вещества 4, вызванную присоединенной маесой, и через третий вход попадает в первый суммируииций усилитель 27.

Выходные сигналы первого сумиирующего усилителя 27 и блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 сум мируются вторым суммирующим усилителем 30 и попадают в катушку 9 якоря 8 обратного преобразователя, где возникает электромагнитная сила, величина которой в каждый момент време ни равна силе сопротивления вещества 4 , а ее знак - обратный знаку силы сопротивления. При этом равенстве нулю сигналов на выходах формирователей 18, 21 и 24 и, следовательно, на выходе блока 28 оценки силы сопро тивления вещества свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения модуля упругости, вязкости, присоединенной масстл и полной компенсации сил сопротивления движению зонда 3 сигналами с выходов блоков моделей 20, 23 и 26. При этом выходные сигналы исполнительных блоков 19, 22 и 25 пропор- , циональны соответственно модулю ynpv

гости, вязкости вещества 4 и величине присоединенной массы.

При изменении модуля упругости, вязкости или величины присоединенно массы появляются сигналы на выходе блока 28 силы сопротивления вещества 4,и, следовательно, сигналы на входах формирователей 18, 21 и 24, что приводит к соответствующему изм нению выходных сигналов блоков модели 20, 23 и 26, первого суммирующего усилителя 27 и тока в катушке 9 якоря 8 обратного преобразователя до такой величины и в такую сторону чтобы сила сопротивления вещества была скомпенсирована электромагнитной силой обратного преобразователя.

Таким,образом, алгебраическая суыма сил, действующих на шток со стороны исследуемого вещества и обратного преобразователя, всегда раз™ на силе возбуждения от сигнала генератора 29, что свидетельствует о постоянстве частотной характеристики электромеханической системы. Это позволяет изменять в широких пределах частоту деформации вещества 4 с помощью генератора 29.

При изменении амплитуды или частоты задающих колебаний изменяются амплитуда и частота колебаний штока 1, а также величины упругой силы, сил инерции и собственного демпфирования штока 1, что приводит к изменению величины сигналов на выходах датчиков перемещения, скорости и ускорения штока 1. Изменение величины выходного сигнала блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4, связанное с изменением упругой силы пружины 2, силы собственного демпфирования и силы инерции штока 1, компенсируется в весовом сумматоре 17 изменением величины сигналов датчиков ускорения, скорости и перемещения штока 1. При этом выходной сигнал блока 28 оценки силы сопрО7 тивления вещества 4 пропорционален только нескомпенсированному усилителю сопротивления вещества 4. Так как в каждый момент времени сила сопротивления вещества 4 скомпенсиро вана электромагнитной силой обратного преобразователя независимо от величины выходного сигнала первого суммирующего усилителя 27, то переходные процессы в каналах измерения не влияют на стабильность частотной характеристики электромеханической системы. Так как выходной сигнал блока 28 оценки сил сопротивления вещества приводится к нулю, то ошибки измерения модуля упругости, вязкости и присоединенной массы не зависит от изменения амплитуды и -частоты колебаний штока.

Таким образом, предлагаегллй эластовискозиметр позволяет повысить точность измерения модуля упругости и вязкости и обеспечить возможность измерения присоединенной массы, а также измерять реологические характеристики веществ при непрерывном изменении спектрального состава сигнала возбуждения без увеличения аппаратурной сложности и времени настройки устройства.

При этом точность измерения модуля упругости и вязкости в предлагаемом устройстве Bfcaue по модулю упругости в 5,8 раз, по вязкости в 1,2 раза.

Кроме того, устройство обеспечивает возможность измерения присоединенной массы с точностью 2,1% что позволяет судить об изменениях физико-механических свойств вещества в процессе измерения.

ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и атерому входу блока модели канала измерения вязкости, отличающий с я тем, 4TOJ с целью повышения точности измерения модуля упру гости и вязкости и обеспечения возможности измерения присоединенной массы, в него введены датчик ускорения штока, весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока i подключен к первому входу формирователя и второ; входу блока модели (Л канала измерения присоединенной массы, а также к первому входу весоС вого сумматора, второй и третий . входы которого подключены соотйетственно к датчикам перемещения и скорости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопротивления вещества, второй вход ког ОС О торого соединен с выходом генератора эадаюЬшх колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при Iэтом выходы генератора, блока оценки силы сопротивления вещества и перзого суммирующего усилителя подключены через второй суммируюсций усилитель к катушке якоря Обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластовискозиметра.