Эластовискозиметр Советский патент 1988 года по МПК G01N1/10 G01N11/16 

00

эо

00

со 00

Изобретение относится к области измерения к регистрации физических свойств материалов, а именно к информационно-измерительным преобразо- вателям стационарных и нестационарны реологических характеристик веществ как органического, так и неорганического происхождения, и может быть использовано при экспериментальных ис- следованиях кинетики быстро протекающих реологических процессов.

Целью изобретения является повышение быстродействия процесса измерения нестационарных реологических ха- рактеристик веществ.

На фиг.1 приведена электрокинематическая схема эластовискозиметра; на сриг.2 и 3 - структурные. электрические схемы блоков оценки модуля упругости и вязкости соответственно. Эластовискозиметр (фиг.1) содержит первый шток 1, жестко связанный одним концом с вторым штоком 2 через первьй датчик 3 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезо- кристалла, а другим концом через зон 4 - с исследуемым веществом 5, помещенным в кювету 6. На первом штоке 1 укреплены якорь 7 с катушкой 8 первого обратного преобразователя. На корпусе эластовискозиметра укреплены магнитопровод 9 с постоянным магнитом 10 статора первого обратног преобразователя, первый привод 11 задающих колебаний с профилированным кулачком 12. Кинем&тчческое замыкание кюветы 6 с кулачком 12 осуществляется с помощью пружины 13. Устройство содержит также первый уси- литель 14, вход которого подключен к выходу первого датчика 3 вязкоупругой Силы, а выход - к катушке 8 якоря 7 первого обратного преобразователя. К выходу первого привода 11 за дающих колебаний подключены генераторы 15 и 16 синусоидальных и коси- нусоидальных колебаний соответственно, причем генератор 15 синусоидальных колебаний выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы 6, а генератор 16 косинусоидальных колебаний вьщает сигнал, сдвинутьй по фазе на угол п /2 относительно выходного сигнала генератора 15 сину- соидальньЪс колебаний. Каждый из генераторов 15 и 16 выполнен, надример, в виде последовательно соединенных преобразователя угол - код и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адресные входы которого подключены к выходу преобразователя угол - код. В ПЗУ генераторов 15 и 1 6 синусоидальных и косинусоидальных колебаний записаны соответственно синусоидальная и косину соидальная гармоники задающих колебаний, причем синхронизация входных сигналов ПЗУ приводом 11 задаю- щих колебаний осуществляется путем жесткого соединения вала привода 11 задающих колебаний с входным валом преобразователя угол -.код таким образом, что нейтральному положению кюветы 6 в направлении оси первого штока 1 соответствует нулевой выходной сигнал ПЗУ генератора 15 синусоидальных колебаний и максимальный выходной сигнал ПЗУ генератора 16 ко- синусоидальньк крлебаний., Эластовискозиметр содержит второй привод задающих колебаний, выполненный в виде пары конических шестерен 17 и профи-: лированного кулачка 18, идентичного кулачку 12, причём одна из конических шестерен 17 жестко связана с валом первого привода 11 задающих колебаний. Кинематическое замыкание кулачка 18 с кюветой 6 осуществляется с помощью пружины 19. На втором штоке 2 укреплены яКорь 20 с катушкой 21 йто- рого обратного преобразователя. Концы второго штока 2 жестко связаны с корпусом эластовискозиметра через датчики 22 вязкоупругой силы, выполненные, например, в виде пьезокристал- лов. На корпусе также укреплен магнитопровод 23 с постоянным магнитом 24 статора второго обратного преобразователя. Эластовискозиметр содержит второй усилитель 25, вход которого подключен К выходам датчиков 22 вязкоупругой силы, а выход - к катушке 21 якоря 20 второго обратного преобразователя, и блоки 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости соответственно. Причем первые входы блоков 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости подключены к выходу второго усилителя 25, вторые их входы - к выходу первого усилителя 14, а третьи и четвертые входы соединены соответственно с выходами генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний, t

Блок 26 оценки модуля упругости (фиг.2) содержит суммирующий усилитель 28 и два перемножителя 29 и 30,

выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 28. Выходы перемножителя 29 являются первым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости. Входы перемножителя 30 являются вторым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости, а выход суммирующего усилителя 28 - выходом блока 26 оценки модуля упругости вещества 5.

Блок 27 оценки вязкости (фиг.З) содержит суммируюп;ий усилитель 31 и два перемножителя 32 и 33, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 31. Входы перемножителя 31 являются вторым и четвертым входами блока 27 оценки вязкости. Входы перемножителя 33 являются первым и третьим входами блока 27 оценки вязкости, а выход суммирующего усилителя 31 - выходом блока 27 оценки вязкости вещества 5.

Эластовискозиметр работает следующим образом.

При включении первого привода 11 под действием кулачков 12 и 18 и пружин 13 и 19 кювета 6 совершает плос- копараллельное вращательное движение с частотой задающих колебаний. Кулачки 12 и 18 и оси штоков 1 и 2 ориентированы таким образом, что плоскость перемещения кюветы параллельна плоскости расположения штоков 1 и 2. При этом на выходах генераторов 15 и 16 появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 6 гармонические сигналы с частотой задающих колебаний

При отсутствии вещества 5 в кювете 6 силы, действующие на зонд 4 и штоки 1 и 2, равны нулю. Следовательно, выходные сигналы датчиков 3 и 22 вязкоупругой силы, усилителей 14 и 25 также равны нулю. Наличие нулевых сигналов на выходах усилителей 14 и 25 обуславливает нулевые сигналы на выходах всех перемножителей 29, 31, 32 и 33 и, следовательно, нулевые сигналы на выходах блоков 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости.

При наличии вещества 5 в кювете 6 возникает сопротивление движению кюветы 6, которое подается на жестко закрепленные штоки 1 и 2 и датчики 3 и 22 вязкоупругой силы. При этом на выходе датчик а 3 вязкоупругой силы появится сигнал, пропорциональный силе, действующей вдоль штока 1, а на выходе датчиков 22 - пропорцио

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нальной силе, действующей вдоль оси штока 2. Наличие сигнала на выходе датчика 3 вязкоупругой силы обусловливает появление только компенсирующего сигнала на выходе первого усилителя 14 по величине и направлению, который возбуждает в якоре 7 с катушкой 8 первого обратного преобразователя силу, приводящую шток 1 в равновесие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси первого штока 1 с зондом 4, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5 равна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал первого усилителя 14 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси первого штока 1. Наличие сигнала на выходе датчиков 22 вязкоупругой силы обусловливает появление такого компенсирующего сигнала на выходе второго усилителя 25 по величине и направлению, который возбуждает в якоре 20 с катушкой 21 второго обратного преобразователя силу, приводящую второй шток 2 в равновесие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси второго штока 2, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, равна нулю в каждый момент вре- i мени. Следовательно, выходной сигнал второго усилителя 25 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси второго штока 2, сумма сил, создаваемых первым и вторым обратными преобразователями, всегда равна вязкоупругой силе сопротивления вещества 5.

При гармонической деформации вещества 5, реологические характеристики которого не изменяются во времени, вязкоупругая сила сопротивления вещества 5 и выходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют синусоидальный характер с частотой,равной частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и коси нусоидальных колебаний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 29 и 30 блока 26 оценки модуля упругости. На выходе каждого перемножителя появится сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составля513831386

ющую удвоенной частоты задающих коле- + G (w.t)cos(cot +-)1 К V

о оп2. баний. Причем переменные составляющие J .

Изобретение касается измерения и регистрации физических свойств материалов и относится к информационноизмерительным преобразователям стационарных и нестационарных реологических характеристик веществ. Эластовис- козиметр обеспечивает оценку составляющих комплексного модуля упругости без временной, задержки относительно гармонической деформации с известными частотой и фазой за счет компенсационного измерения силы вязкоупруго- го сопротивления вещества и обработки, основанной на единовременном решении двух уравнений силового баланса, получаемых за счет одновременного деформирования по двум взаимно перпендикулярным направлениям исследуемого вещества по синусоидальному закону. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. с S сл

находятся в противофазе. В результате сложения выходных сигналов перемно- жителей 29 и 30 суммирующим усилителем 28 выходной сигнал блока 26 оценки модуля упругости пропорционален только модулю упругости вещества 5.

Аналогичным образом на выходе . блока 27 оценки вязкости формируется сигнал, пропорциональный вязкости вещества 5 на частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 32 и 33 блока 27 оценки вязкости. На выходе кажддго перёмножителя 32 и 33 появляется сигнал, содержащий посто- янную составляющую, пропорциойальную вязкости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты задающих колебаний. Причем переменные составляющие находятся в противофазе. В результате сложения выходных сигналов перемнолсителей 32 и 33 суммирующим усилителем 31 выходной сигнал блока 27 оценки вязкости пропорционален только вязкости вещества 5,

При гармонической деформации вещества. 5, реологические характеристики которого изменяются во времени, вязгкоупругая сила вещества 5 и выходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют периодический косинусоидальный характер. Формирование оценок составляющих комплексного модуля упругости в блоках 26 и 27 оценки модуля упругости и-вязкости принципиально не отли- чается от формирования оценок составляющих комплексного модуля упругости вещества 5,- реологические характеристики которого не изменяются во времени.

Полную компенсацию сил вязкоупру- гого сопротивления вещества 5 на частоте задающих колебаний компенсирующими силами обратных преобразователей можно охарактеризовать уравнениями баланса сил, действующих на што- ки 1 и 2

К А..,Гс (C0,t)sincot+G (co,t)cosut1 9 TL

KonV,,

.IT

К (w,t)sin((ot+-) +

(1)

де

К

Ф

К

00

А.

О (0,t),

коэффициент формы рабочего узла, зависящий от геометрических размеров зонда 4 и кюветы 6;

коэффициент передачи обратных преобразователей;

амплитуда деформации вещества;

G (о, t) - упругая и вязкая

составляющие комплексного модуля упругости вещества на частоте деформации сО;

Vi, V .- выходные сигналы усилителей 14 и 25 соответственно.

По измеренным значениям V, и V с омощью выражений (1) могут быть опеделены нестационарные реологические арактеристики G (бЭ,t) и G (0,t)

G (Q, t) .-f - (V. s inat + у„ со sot)

0

Коп

K

G (a, t) --|-(V, coscot - Vj sinaf). (2)

в суммирующем усилителе 28 блока 26 модуля упругости, входы которого подключены к выходам перемножителей 29 и 30, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с первым уравнением системы (2). В суммирующем усилителе 31 блока 27 оценки вязкости, входы которого подключены к выходам перемножителей 32 н 33, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с вторым уравнением системы (2).

Таким образом, на зонде предлагаемого эластовискозиметр а осуществляется алгебраическое суммирование сил, обусловленньш нестационарным комплексным модулем упругости при деформации в широком диапазоне и ортогонально ориентированных компенсирующих сил обратных преобразователей, обеспечивающих повышение быстродействия и точности оценивания быстроизменяющих- ся вязкоупругих характеристик.

Введение этой совокупности признаков расширяет метрологические возможности и область применения эластовис козиметра за счет безынерционного оценивания нестационарных составляющих комплексного модуля упругости в широком диапазоне частот и позволяет с высокой точностью исследовать кинетику быстропротекающих реологических процессов.

Формула изобретения

чувствительности которых направлены соответственно вдоль осей первого и второго штоков, причем выходы первог и второго датчиков вязкоупругой силы подключены соответственно к входам первого и второго усилителей, выход второго усилителя подключен к катушке якоря второго обратного преобразователя и первым входом блоков оцен ки модуля упругости и вязкости, вторые входы которых подключены к выходу первого усилителя, третьи и четвертые входы блоков оценки модуля упругости и вязкости подключены соответственно к вьпсодам генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, при этом первый шток жестко связан через первый датчик вязкоупругой силы с вторым штоком, который жестко связан через второй датчик вязкоупругой силы с корпусом.

-

-

30

&

О

ui.f

fe;

Фиг.

,i}