Эластовискозиметр Советский патент 1986 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к измерению

вязкоупругих характеристик различных мг1териапов с нелинейными реологическими свойствами и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругих свойств во времени в широком диапазоне частот деформации.

Цель изобретения - повьшение точности измерения реологических характеристик веществ с нелинейными вязко- упругими свойствами.

На фиг. 1 приведена электрокинематическая схема эластовискозиметра; на фиг. 2 - CTpyKTypig.ie электрические схемы формирователей каналов измерения модуля упругости и вязкости соответственно.

Эластовискозиметр (фиг. 1) содержит шток 1, жестко связанный одним концом через датчик 2 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезокристалла и усилителя, а другим концом через зонд 3 с исследуемым веществом 4, помещенным в кювету 5. На штоке 1 укреплены якорь 6 с катушкой 7 обратимого преобразователя. На корпусе эластовискозиметра также укреплены магнитопровод 8 с постоянным магнитом 9 статора обратимого преобразователя и привод 10 задаюпщх колебаний с профилированным кулачком 11. Кинематическое замыкание кюветы 5 с кулачком 11 осуществляется с помощью пружин 12. Устройство также содержит N пар генераторов синусоидальных 13.k и косинусоидальных 14.k (,N) к олебаний, синхронизивыходу фазовращателя 19.1, выходу ге нератора 13.1 синусоидальных колебаний и второму входу блока 22.1 модели, к выходу генератора 14.1 косину45

рованных по входу с положением и профилем кулачка 11 привода 10, причем 40 соидальных колебаний и второму входу генератор 13.1 синусоидальных колеба- ° 25.1 модели. Аналогично пост- НИИ выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы 5, а генератор 14.1 косинусоидальных колебаний выдает сигнал, сдвинутый по фазе на угол Т/2 относительно выходного сигнала генератора 13.1 синусоидальных колебаний. Частота выходных сигналов k-ой пары генераторов 13.k и 14.k в k раз больше частоты первой пары генераторов 13.1 и 14.1. Эластовискозиметр содержит также суммирующий усилитель 15 мощности, выход которого подключен к катушке 7 якоря 6 обратимого преобразователя, а один из входов соединен с выходом датчика 2 вязкоупругой cилыJ, и N идентичных

контуров 16.k (,N) измерения реороены остальные N-1 контуров измерения реологических характеристик. Входы фильтров 18 и выходы суммирующих усилителей 17 подключены соответственно к выходу датчика 2 вязкоупругой силы и входу суммирующего усилителя 15 мощности.

Формирователи 20 каналов измерения модуля упругости выполнены идентично и каждый из них (фиг. 2) содер жит суммирующий усилитель 26 и два перемножителя 27 и 28, выходы которых подключены к входам суммирующего уси 55 лителя 26. Входы перемножителя 27 являются первым и третьим входами формирователя 20. Входы перемножителя 28 являются вторым и четвертым

50

логических характеристик, предназначенных для определения на соответствующей частоте составляющих комплексного модуля упругости. Так, первый

контур 16.1 измерения реологических .характеристик на частоте со,, равной частоте деформации исследуемого вещества, включает суммирующий усили- гель 17.1, выход которого подключен

к входу суммирующего усилителя 15

мощности, последовательно соединенные фильтр 18.1 и фазовращатель 19.1 синусоидальных сигналов, настроенных на частоту со, , и два идентичных канала измерения модуля упругости и вязкости. Канал измерения модуля упругости состоит из последовательно соединенных формирователя 20.1, исполнительного блока 21.1 и блока 22.1

модели модуля упругости, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя 17.1 Канал измерения вязкости состоит из последовательно соединенньп формирователя

23.1, исполнительного блока 24.1 и блока 25.1 модели вязкости, вькод которого также подключен к входу суммирующего усилителя 17.1 Исполни- |твльные блоки 21.1 и 24.1 представляют собой генераторы, а блоки 22.1 и 25.1 модели выполнены в виде множительных устройств. Первые, вторые, третьи и четвертые входы формирователей 20.1 и 23.1 подключены соот ветственно к -выходу фильтра 18.1,

выходу фазовращателя 19.1, выходу генератора 13.1 синусоидальных колебаний и второму входу блока 22.1 модели, к выходу генератора 14.1 косинусоидальных колебаний и второму входу ° 25.1 модели. Аналогично пост-

соидальных колебаний и второму входу ° 25.1 модели. Аналогично пост-

роены остальные N-1 контуров измерения реологических характеристик. Входы фильтров 18 и выходы суммирующих усилителей 17 подключены соответственно к выходу датчика 2 вязкоупругой силы и входу суммирующего усилителя 15 мощности.

Формирователи 20 каналов измерения модуля упругости выполнены идентично и каждый из них (фиг. 2) содержит суммирующий усилитель 26 и два перемножителя 27 и 28, выходы которых подключены к входам суммирующего уси- лителя 26. Входы перемножителя 27 являются первым и третьим входами формирователя 20. Входы перемножителя 28 являются вторым и четвертым

31

вxo.aми формирователя 20, а выход суммирующего усилителя 26 - выходом формирователя 20.

Форьшрователи 23 каналов измерения вязкости вьтолнены идентично и каждый из них (фиг. 3) содержит суммирующий усилитель 29 и два перемножителя 30 и 31, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 29. Входы перемножителя 30 явля ются первым и четвертым входами формирователя 23. Входы перемножитепя 31 являются вторым и третьим входами формирователя 23, а выход суммирующего усилителя 29 - выходом формиро- вателя 23.

Генераторы 13.k и 14.k,k-oй гармоники выполнены в виде преобразовате- ря угол - код и постоянных Двух запоминающих устройств (ПЗУ), адресные входы которых подключены к выходу - преобразователя угол - код. В ПЗУ записаны k-e синусоидальная и косину- соидапьная гармоники соответственно, причем синхронизация входных сигна- лов ПЗУ с приводом 10 осуществляется путем жесткого соединения вала привода 10 с входным валом преобразователя угол - код таким образом, что нейтральному положению кюветы 5 COOTветствуют нулевой выходной сигнал первого ПЗУ и максимальный вькодной сигнал второго ПЗУ.

Эластовискозиметр работает следующим образом.

При включении привода 10 под дай ствием кулачка 11 и пружины 12, кювета 5 перемещается по синусоидальному закону с частотой колебаний и, . При этом на выходах генераторов 13.k и lA.k появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 5 синусоидальные сигналы с частотой kО, (k 1, N).

При отсутствии вещества 4 в кювете 5 сила, действующая на шток 1 с зондом 3, равна нулю. Следовательно, выходные сигналы датчика 2 вязкоупругой силы, фильтров 18 и фазовращателей 19 -также равны нулю.. Наличие нулевых сигналов на выходах контуров 16 измерения реологических характеристик обусловливает нулевые сигналы на выходах исполнительных блоков 21 и 24 всех каналов измерения модуля упру- гости и вязкости. Так как блоки 22 и 25 моделей представляют собой множительные устройства, то их выходные

$Ю15

jg 25 Q

5 0 5

35

40

7464

сигналы равны нулю, что приводит к нулевому выходному сигналу суммирующего усилителя 15 мощности.

При наличии вещества 4 в кювете 5 возникает сопротивление движению кюветы 5, которое передается на жестко закрепленные шток 1 с зондом 3 и датчик 2 вязкоупругой силы. На выходе усилителя датчика 2 вязкоупругой силы появляется компенсируклций сигнал, такой по величине и направлению, что возбуждает в якоре 6 с катушкой 7 силу, приводящую щток 1 с зондом 3 в равновесие. При этом сумма сил, действующих на шток 1 с зондом 3, независимо от величины сигналов, поступающих с контуров 16 измерения реологических характеристик, равна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы пропорьщонален нескомпенсированному усилию вязкоупругого сопротивления вещества 4.

При гармонической деформации с частотой Ц), вещества 4, реологические характеристики которого не зависят от амплитуды и скорости деформации, вяз- коупругая сила сопротивления вещества 4 и выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь синусоидальный характер с частотой, равной частоте деформации со, . Сигнал датчика 2 вязкоупругой силы появится только на выходе фильтра 18.1, настроенного на частоту Деформации. На выходах остальных фильтров 18.k (,II), настроенных на частоты, кратные и,, будут нулевые сигналы, что обусловливает нулевые сигналы на выходах этих контуров измерения реологических характеристик. В формирователе 20.1 модуля упругости формируется сигнал, пропорциональный только модулю упругости.

Сигналы генераторов 13.1, 14.1 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и фазовращатель 19.1 поступают на входы перемножителей 27.1, 28.1, формирователя 20.1 канала измерения модуля упругости. На выходе- каждого перемножителя 27.1,28.1 появляется сигнал, содержа- постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты генератора 13.1 синусоидальных колебаний. При этом переменные составляющие находятся в про- тивофазе. В результате сложения вынитная сила, величина которой в каждый момент времени равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак - обратный знаку силы сопротивления. При этвм равенство нулю сигнала на выходе фильтра 18.1 и, следовательно, на выходе датчика 2 вязкоупругой силы свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения

Аналогичным образом на выходе формирователя 23.1 формируется сигнал, пропорциональный вязкости вещества 4

ные сигналы исполнительных блоков 15 21,1, 24.1 пропорциональны, соответственно, модулю упругости и вязкости.

5 ,1260746

ходных сигналов перемножителей 27.1 и 28.1 суммирующим усилителем 26.1 выходной сигнал формирователя 20.1 пропорционален только модулю упругости вещества 4, что обусловливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 21.1, который модулируется сигналом генератора 13.1 сину- coHAajTbHbix- колебаний в блоке 22.1. модели канала измерения модуля упру- 10 модуля упругости и вязкости и полной гости. Выходной сигнал блока 22.1 мо- компенсации силы сопротивления ве- дели, моделирующий упругую составля- щества 4 сигналами с выходов блоков ющую силы сопротивления вещества 4 22.1, 25.1 моделей. При этом выход- движению кюветы 5, поступает через вход суммирующего усилителя 17.1 в суммирующий усилитель 15 мощности.

При гармонической деформации с частотой со, вещества 4, реологические характеристики которого зависят от на частоте деформации , . Сигнал ге-20 амплитуды и скорости деформации, вяз- нераторов 13.1, 14.1 синусоидальных коупругая сила вещества 4 и выходной и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и формирователь 19.1 поступает на входы перемножителей 30.1, 25 31.1 форМ1фователя 23.1 канала измерения вязкости. На выходе каждого пе- ремножителй 30.1, 31.1 появляется сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную вязкости, и 30 переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты генератора 13.1 синусоидальных колебаний. При этом переменные составляющие находятся в

сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь периодический несинусоидальный характер. Выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы поступает на входы фильтров 18, где из иего выделщот гармонические составляннцие.

Формирование компенсирующих сигналов каждого контура измерения реологических характеристик при деформировании вещества 4 с нелинейными вязкоупругими свойствами принципиально не отличается от формирования компенсирующего сигнала при деформировании вещества 4 с вязкоупругими характеристиками, не зависящими от амплитуды и скорости деформации. Выходные сигналы каждого контура 16.k (,N) моделируют гармонические составляющие реакции вещества 4 на синусоидальную деформацию и через суммирующий усилитель 15 мощности попадают в катушку 7 якоря 6 обратного преобразователя, возбуждая электромагнитную силу, величина которой в каждый момент времени равна силе сопро- ивления вещества 4, а ее знак - об- Ьатный знаку силы сопротивления. При (этом выходные сигналы исполнительных блоков 21.k и 24.k контуров 16.k измерения реологических характеристик пропорциональны соответственно упругой и вязкой составляющим комплекс- HOi o модуля упругости вещества 4 при И данной частоте и амплитуде деформации, причем выходные сигналы исполнительных блоков 21.1, 24.1 характеризуют линейную часть составляющих

протийофазе. В результате сложения выходных сигналов перемножителей 30.1, 31.1 суммирующим усилителем 29,1, выходной сигнал формирователя 23.1 пропорционален только вязкости вещества 4, что обусловливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 24.1, который модулируется сигналом генератора 14.1 косинусоидальных колебаний в блоке 25.1 модели канала измерения вязкости. Выходной сигнал блока 25,1 модели, моделир то- щий вязкую составляклцую силы сопротивления вещества 4 движению кюветы 5, поступает через вход суммирующего усилителя 17.1 в суммирующий усилитель 15 мощности.

Выходные сигналы контура 16.1 измерения реологических характеристик и датчика 2 вязкоупругой силы суммируются суммирующим усилителем 15 мощности, сигнал с которого подается в катушку 7 якоря 6 обратного преоб разователя, где возникает электромаг

нитная сила, величина которой в каждый момент времени равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак - обратный знаку силы сопротивления. При этвм равенство нулю сигнала на выходе фильтра 18.1 и, следовательно, на выходе датчика 2 вязкоупругой силы свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения

модуля упругости и вязкости и полной компенсации силы сопротивления ве- щества 4 сигналами с выходов блоков 22.1, 25.1 моделей. При этом выход-

ные сигналы исполнительных блоков 21,1, 24.1 пропорциональны, соответственно, модулю упругости и вязкости.

модуля упругости и вязкости и полной компенсации силы сопротивления ве- щества 4 сигналами с выходов блоков 22.1, 25.1 моделей. При этом выход-

При гармонической деформации с частотой со, вещества 4, реологические характеристики которого зависят от амплитуды и скорости деформации, вяз- коупругая сила вещества 4 и выходной

сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь периодический несинусоидальный характер. Выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы поступает на входы фильтров 18, где из иего выделщот гармонические составляннцие.

Формирование компенсирующих сигналов каждого контура измерения реологических характеристик при деформировании вещества 4 с нелинейными вязко; упругими свойствами принципиально не отличается от формирования компенсирующего сигнала при деформировании вещества 4 с вязкоупругими характеристиками, не зависящими от амплитуды и скорости деформации. Выходные сигналы каждого контура 16.k (,N) моделируют гармонические составляющие реакции вещества 4 на синусоидальную деформацию и через суммирующий усилитель 15 мощности попадают в катушку 7 якоря 6 обратного преобразователя, возбуждая электромагнитную силу, величина которой в каждый момент времени равна силе сопро- ивления вещества 4, а ее знак - об- Ьатный знаку силы сопротивления. При (этом выходные сигналы исполнительных блоков 21.k и 24.k контуров 16.k измерения реологических характеристик пропорциональны соответственно упругой и вязкой составляющим комплекс- HOi o модуля упругости вещества 4 при данной частоте и амплитуде деформации, причем выходные сигналы исполнительных блоков 21.1, 24.1 характеризуют линейную часть составляющих

71260746 8

комплексного модуля упругости вещест- IHOCTH, первый контур измерения реоло- ва 4, а выходные сигналы остальных гических характеристик на заданной исполнительных блоков 21,24 - нелинейную часть составляющих комплексного

5

модуля упругости вещества.

Изменение комплексного модуля упругости вещества приводит к появлению сигналов на выходах фильтров 18 нескольких или всех контуров 16 измерения реологических характеристик, в зави- ю симости от изменившихся свойств вещества 4, что вызывает последовательное изменение вькодных сигналов фор- -мирователей 20, 21, исполнительных блоков 22,24, блоков моделей 22,25 15 и приводит к соответствующему изменению выходных сигналов контуров 16 измерения реологических характеристик. Выходной сигнал k-oro контура 16.k (,N) измерения реологических характеристик будет изменяться до тех пор, пока выходной сигнал фильтра 18.k не будет равен нулю, что свидетельствует о полной компенсации k-ой

частоте, содержащий суммирующий усили- .I

тель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя, выход которого через суммирующий усилитель мощности подключен к катушке . якоря обратимого электромеханического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения реологических характеристик веществ с нелинейными

i

вязкоупругими свойствами, в него введены в первый контур измерения реологических характеристик последователь- 20 но соединенные фильтр и фазовращатель синусоидальных сигналов, настроенных на заданную частоту колебаний, датчик вязкоупругой силы, через ко- торьй шток жестко связан с корпусом.

вязкоупругими свойствами, в него введены в первый контур измерения реологических характеристик последователь- 20 но соединенные фильтр и фазовращатель синусоидальных сигналов, настроенных на заданную частоту колебаний, датчик вязкоупругой силы, через ко- торьй шток жестко связан с корпусом.

гармонической составляющей вязкоупру-25 N генераторов синусоидальных колебаний, гой силы сопротивления вещества.

Таким образом, на щтоке 1 предлагаемого эластовискозиметра осуществлясиихровходы которых связаны с приводом задакяцих колебаний, N генераторов косинусоидальных колебаний, син- хровходы которых связаны с приводом

сиихровходы которых связаны с приводом задакяцих колебаний, N генераторов косинусоидальных колебаний, син- хровходы которых связаны с приводом

ется алгебраическое суммирование сил,

обусловленных нелинейными реологичес- м 1 -.

задающих колебаний, причем частота кими характеристиками при одночастот-

„ ,сигналов этих генераторов выбрана

ной деформации исследуемого вещества ч. - ...

. iж кратной заданной частоте, Ы-1 дояоли силы обратного преобразователя, об- - «,

нительных.контуров измерения реологических характеристик, аналогичных первому и настроенных на частоты, соответствующие частотам генераторов синусоидальных колебаний, при этом : выхода суммирующих усилителей контуров измерения реологических характеристик подключены к соответствую- щим входам суммирующего усилителя мощности, в каждом контуре измерения

разуется как комплексных сил на каждой частоте, кратной частоте деформации, каждая из которых получается путем разделения реакции щтока на активную и реактивную составляющие в формирователях 21,24 сигналов модуля упругости и вязкости на каждой частоте, кратной частоте деформации, суммирования их в суммирукщем усилителе мощности и последукнцей компенсации реакции штока путем создания усилия, равного ей по величине и обрат- ного по знаку.

Предлагаемый эластовискозиметр позволяет исследовать реологические -характеристики в области нелинейной вязкоупругости с высокой точностью.

Формула изобретения

1. Эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, привод задаю- 55 щих колебаний, связанный с кюветой, обратимый электромехалический преобразователь, суммирующий усилитель мощIHOCTH, первый контур измерения реоло- гических характеристик на заданной

5

5

частоте, содержащий суммирующий усили- .I

тель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя, выход которого через суммирующий усилитель мощности подключен к катушке . якоря обратимого электромеханического преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения реологических характеристик веществ с нелинейными

i

вязкоупругими свойствами, в него введены в первый контур измерения реологических характеристик последователь- 0 но соединенные фильтр и фазовращатель синусоидальных сигналов, настроенных на заданную частоту колебаний, датчик вязкоупругой силы, через ко- торьй шток жестко связан с корпусом.

N генераторов синусоидальных колебаний,

N генераторов синусоидальных колебаний

сиихровходы которых связаны с приводом задакяцих колебаний, N генераторов косинусоидальных колебаний, син- хровходы которых связаны с приводом

1 -.

- «,

5

0

5 нительных.контуров измерения реологических характеристик, аналогичных первому и настроенных на частоты, соответствующие частотам генераторов синусоидальных колебаний, при этом : выхода суммирующих усилителей контуров измерения реологических характеристик подключены к соответствую- щим входам суммирующего усилителя мощности, в каждом контуре измерения

реологических характеристик первые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фильтра, вторые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фазовращателя, третьи входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения модуля упругости подключены к выходу соответствующего генератора синусоидальных колебаний,, четвертые входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения вязкости подключены к выходу соответствующего генератора косинусоидальных колебаний, а выход датчика вязкоупругой силы подключен к соответствующему

входу суммирующего усилителя мощности и входам всех фильтров.

2. Эластовискозиметр по п. 1, отличающийся тем, что формирователь канала измерения модуля упругости содержит два перемножителя и суммирующий усилитель, входы которого подключены к выходам перемножителей, причем входы первого пере- множителя являются первым и третьим входами формирователя, входы второго перемножителя являются вторым и четвертым входами формирователя, а выход суммирующего ycujiH

1260746

JO

теля - выходом формирова - теля.

3. Эластовискозиметр по п.1. о т- личающийся тем, что формирователь канала измерения вязкости содержит два перемножителя и суммирующий усилитель, входы которого подключены к выходам перемножителей, причем входы первого перемножителя являются первым и четвертым входами формирователя, входы второго перемножителя являются вторым и третьим входами формирователя, а выход суммирующего усилителя - выходом формиро - вателя.

Изобретение относится к области измерения вязкоупругих характеристик материалов с нелинейными реологическими свойствами.; I Целью изобретения является повьппение точности измерения вязкоупругих характеристик веществ с нелинейными реологическими свойствами. Эластовискозиметр содержит корпус, кювету, шток с зондом, привод задающих колебаний,.обратный преобразователь, суммирующий усилитель мощности, первый контур измерения реологических характеристик на. задающей частоте, содержащий суммирующий усилитель, первый фильтр, фазовращатель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, датчик вязкоуп- ругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, N пар генераторов синусоидальных и косинусоидаль- ных колебаний, N-1 контуров измерения модуля упругости и вязкости на частотах, кратных частоте задающих колебаний, аналогичных первому, причем входы всех фильтров подключены к датчику вязкоупругой силы, а выходы всех суммирукяцих усилителей через суммирующий усилитель мопщости подключены к катушке якоря обратного преобразователя. Новьм является введение датчика вязкоупругой силы,.жестко связывающего шток с корпусом, N пар генераторов синусоидальных и косинусои- дальных колебаний, N-1 дополнительных контуров измерения реологических характеристик, первого фильтра, первого фазовращателя в контур измерения реологических характеристик на частоте задающих колебаний. Эластовискозиметр может быть испол.ьзован в химической промышленности, для измерения свойств материалов со стационарными и нелинейными реологическими характеристиками, в нефтяной промышленности, я медицине. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. с S (О Од О kj 4 а

Редактор М. Товтин

Составитель В. Крутин Техред Л.Олейник

Заказ 5218/39Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

(put.2

flOtfa.J

Корректор Е. Сирохман