Эластовискозиметр Советский патент 1987 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к области измерения и регистрации физических свойств материалов, а именно к информационно-измерительным преобразователям реологических веществ, и может быть использовано для исследования процессов изменения во времени их вязко-упругих свойств в широком ди- ,апазоне частот.

Цель изобретения - повьшение точ- ности за счет увеличения быстродействия процесса измерения.

На чертеже изображена электрокинетическая схема эластовискозиметра.

Эластовискозиметр содержит корпус

I,кювету 2 для исследуемого вещества шток с зондом 3, погр женным в исследуемое вещество, привод 4 задающих колебаний, кинематически связанньй с кюветой 2 и синхронным генератором

5 гармоник, обратной преобразователь 6, состоящий из статора в виде магни- топровода с постоянным магнитом и якоря с рамкой, укрепленных на штоке с зондом 3. На корпусе 1 закреплен ; датчик 7 силы, выполненньй, например, в виде пьезокристаллов. Конец штока с зондом 3 жестко связан с датчиком 7 силы. Выход датчика 7 силы подклю- чен ко входу усилителя 8, выход которого соединен с обмоткой рамки якоря., а также со входом фазовращателя 9 на и /2 и первыми вxoдa ш первого перемножителя 10 и второго перемножителя

II,-Выход фазовращателя 9. на 1Г/2 соединен с первыми входами третьего перемножителя 12 и четвертого перемножителя 13. На первом выходе синхронного генератора 5 гармоник сигнал, синхронньй по фазе с задающими колебаниями кюветы 2 от привода 4 задающих колебаний, а на втором выходе синхронного генератора 5 гармоник сигнал, сдвинутый на 11/2 относительно сигнала с первого выхода. Синхронный генератор 5 гармоник может быть реализован, например, как соединение функционального преобразователя угол- код и постоянного запоминающего уст- ройства (ПЗУ), причем адресные входы ПЗУ соединены с выходами функционального преобразователя угол-код, а в

ПЗУ записаны синусоидальные и коси- нусоидальные гармоники. Синхронизация сигналов синхронного генератора 5 гармоник с задающими колебаниями осу- щест вляется путем жесткого соединения вала привода 4 задающих колебаний с

валом функционального преобразователя угол-код таким образом, что нейтральному положению кюветы 2 соответствует нулевой сигнал на первом выходе синхронного генератора 5 гармоник и максимальньй сигнал на втором выходе. Первьй выход синхронного генратора 5 гармоник подключен ко вторым входам второго перемножителя 11 и четвертого перемножителя 13, а второй выход - ко вторым входам первого перемножителя 10 и третьего перемножителя 12. Входы первого сумматора 14 соединены с выходами второго перемножителя 11 и третьего перемножителя 12, а входы второго сумматора 15 соединены с выходами первого перемножителя 10 и четвертого перемножителя 13. Выход первого сумматора 14 является измерительным выходом упругости, а выход второго сумматора 15 является измерительньм выходом вязкоти.

Операции перемножения и суммирования могут осуществляться как в аналоговом виде, так и в цифровом виде на перемножителях и сумматорах, построенных на основе цифровых микросхем среднего уровня интеграции,

Эластовискозиметр работает следующим образом.

При включении привода 4 задающих колебаний кювета 2 приводится в кру- тильно-колебательное движение по закону

Ч м sin cot,

где cprn амплитуда колебаний;

со - циклическая частота задающих колебаний.

При этом на выходах синхронного генератора 5 гармоник появляются соответственно сигналы

,sinut

на первом выходе и

if (f sinCcjt +

I m

),

где cp и q)J - амплитудные значения

сигналов.

При отсутствий вещества в кювете 2 на шток с зондом 3 не будут действовать силы. Сигналы на выходах датчика 7 силы, усилителя 8 и фазовращателя 9 на ТГ/2 будут равны нулю, следовательно, нулевыми будут сигналы на выходах всех перемножителей и сумматоров 14 и 15.

При наличии вещества с стационарными реологическими характеристиками в кювете 2 возникает сопротивлени движению Кюветы 2, которое передается на шток с зондом 3 и датчик 7 силы. При этом на выходе датчика 7 сил появится сигнал, пропорциональньп моменту, действующему по оси штока с зондом 3. Наличие этого сигнала обуславливает появление сигнала на выходе усилителя 8, такого по величине и направлению, который возбуждает в якоре с катушкой обратного преобразо вателя 6 момент, приводящий шток с зондом 3 в равновесие. При этом сумма моментов, действующих на ось штока с зондом 3, равна нулю в каждый момент времени (независимо от изме- нения вязкоупругой силы сопротивления вещества). Следовательно, выходной сигнал усилителя 8 пропорционален вязкоупругому моменту силы сопротивления вещества относительно ос штока с зондом 3. При гармонической деформации вещества с линейными реологическими характеристиками вязко- упругий момент силы сопротивления вещества и выходной сигнал усилителя 8 будут иметь синусоидальньй характе с частотой, равной частоте задающих колебаний. На входы перемножителя 11 поступают сигналы с выхода усилителя 8 и первого выхода синхронного гене- ратора 5 гармоник, а на входы перемножителя 12 поступают сигналы с выхода фазовращателя 9 на « /2 и второго выхода синхронного генератора 5 гармоник. На выходе перемножителей

11и 12 появляются сигналы, пропорциональные модулю упругости и переменным составляющим удвоенной частоты задающих колебаний, причем переменные составляющие находятся в про- тивофазе. В результате сложения выходных сигналов перемножителей 11 и

12выходной сигнал сумматора 14 будет пропорционален только модулю упругости вещества.

Аналогичным образом производится измерение вязкости. На входы перемножителя 10 поступают сигналы с выхода усилителя 8 и второго выхода синхронного генератора 5 гармоник. На входы перемножителя 13 поступают сигналы с выхода фазовращателя 9 на 1Г/2 и первого выхода синхронного генератора 5 гармоник. На выходе пере- множнтелей 10 и 13 появляется сигнал содержащий постоянную составляющую, пропорциональную вязкости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты задающих колебаний Причем переменные составляющие находятся в фазе. В результате вычитания выходных сигналов перемножителей 10 и 13 выходной сигнал сумматора 15 будет пропорционален только вязкости вещества.

При гармонической деформации вещества с изменяющимися во времени кусочно-стационарными реологическими характеристиками, формирование оценок составляющих комплексного модуля принципиально не отличается от формирования оценок комплексного модуля вещества, реологические характеристики которого не меняются во времени.

Полную компенсацию момента силы вязкоупругого сопротивления вещества на частоте задающих колебаний, компенсирующим моментом обратного преобразователя 6, можно охарактеризовать уравнением баланса моментов, действую11р1х на ось штока с зондом 3.

G (и) sin U t+G (со) cos cj t , ( где К - коэффициент формы рабочего

узла, зависящий от геометрических размеров штока с зондом 3 и кюветы 2; коэффициент передачи обратного преобразователя 6} G иG - соответственно упругая и

вязкая составляющие комплекного модуля вещества на частоте деформации

со - частота деформации вещества и - выходной сигнал усилителя 8 Уравнение баланса моментов, действующих на ось штока с зондом 3, записанное относительно выхода фазовращателя 9 на имеет вид

)G (co)coscot-G sinot , (2)

где и - выходной сигнал фазовращателя 9 на .

По измеренным значениям U и U с помощью выражений (1) и (2) могут быть определены реологические характеристики G (U) и G° (со)

G (со) ----- Usinut + U cosot, М-(3)

Кс

G (Q) Uc о s Q t - и s in со t

Б первом сумматоре 14, входы кото poi o подключены к выходам перемно5ки телей 11 и 12, происходит cyMNfflpoBa- ние выходных сигналов последних в соответствии с первым уравнением системы (3). Во втором сумматоре 15 входы которого подключены к выходам перемножителей 10 и 13, происходит вычитание выходных сигналов последни в соответствии со вторым уравненршм системы (3),

Таким образом, на штоке с зондом происходит алгебраическое суммирование момента силы вязкоупругого сопротивления вещества при х армоничес- кой деформации и момента кo пeнcaцIiи обратного преобразователя,, При этом для измерения составляющих комплексного модуля вещества используются сигнал оценки вязко-упругой силы сопротивления вещества при гармонической деформации и сигнал, сдвинутьй на н /2 относительно этого сигнала оценки, что обеспечивает повышение

быстродействия и, следовательно, точности ок.енивания кусочно-стационарных изменяющихся реологических характеристик.

Использование предлагаемого элас- тозискозиметра (по сравнсн йю с известными) расширяет метрологические возможности и область применения э/1а.стовискозиметра за счет безынерционного оценивания кусочно-стацко- нарных составляющгх комплексного модуля Е широком диапазоне частот д;::форм 1,ии и позволяет с высокой тсг- ностью - сследонать кинетику рео- ло1Ч Г:еск.их процессов на инфр,:.ннзких ч-с-гстах деформации вещества. Формула и 3 о б р г т е н и я

Э.11астовискозш .етр, со.и/.флсащий корпус, кювету для исследуемого вещестСоставитель В.Вощанкин Редактор А.Ренин Техред А.Кравчук Корректор С.Шекмар

Заказ 2415/38 Тираж 776Подписное

ЕНЙИШ4 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

13173236

на, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, привод задающих

5

колебаний, механически соединенный с кюветой, обратный преобразователь, состоящий из статора в виде магнито- провода с постоянным магнитом, закрепленных на корпусе и якоря с катушкой, укрепленной на щтоке, усилитель, первый и второй перемножители, причем выход усилителя соединен с обмоткой якоря обратного преобразователя и первыми входами первого и второго перемножителей, отличающийся тем, что, с целью повьше- ния точности за счет увеличения быстродействия процесса измерения в эластовискозиметр введены синхронный генератор гармоник, механически связанный с приводом задающих колебаний, датчик силы, закрепленньм на корпусе и жестко связанньй со штоком, фазовращатель на /2, третий и четвертый перемножители, первый и второй сумматоры, причем вход фазовращателя на ir/2 с выходом усилителя, а выход соединен с первыми входами третьего и четвертого пере- миожителей, первый выход синхронного Г€;нератора гармоник соединен с вто- pbiMn входами второго и четвертого перемножителей, а второй выход синхронного генератора гармоник соединен с вторым;: входами перво го и третьего перемножителей, при этом сигнал первого выхода синхронного генератора гармоник фазно синхронизирован с приводом задающих колебаний, а сигнал второго выхода синхронного генерато- ря гармоник сдвинут на п /2 относительно сигнала первого выхода, входы первого сумматора соединены с выходами второго и третьего перемножителей, а входы второго сумматора соединены с выходами первого и четвертого пере- мнс,.:чтелей, выход датчика силы соединен с входом усилителя.

0

5

5

0

Изобретение относится к области измерения и регистрации нестационарных реологических характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности измерений. Эластовиско- зиметр обеспечивает безынерционную оценку составляющих комплексного мо- дуля упругости за счет компенсационного измерения силы вязкоупругого сопротивления вещества при гармонической деформации последнего с известной частотой и фазой и обработки, основанной на единовременном решении двух уравнений силового баланса, одно из которых описывает баланс сил, действугаищх на чувствительный элемент в виде зонда 3, погруженного в исследуемое вещество, со стороны вещества при гармонической деформации, .и силы обратного преобразователя 6, который включается в цепь усилителя 8 и датчика 7 силы, действующей с на чувствительный элемент 3 как отрицательная обратная связь, при этом второе уравнение формируется путем сдвига фаз гармоник левой и правой частей первого уравнения на относительно известной гармонической деформации . 1 ил. fS W VJI ю со