Устройство для определения реологических характеристик материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к устройствам для определения вязко-упругих реологических характеристик, основанным на акустических методах промышленного контроля состава и свойств материалов, и может быть использовано при отработке технологии получения стекол с заранее заданными свойствами в промышленности, выпускающей и использующей оптические элементы радиотехнических устройств, а также для научных исследовании.

Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет определения энергетических характеристик релаксационных процессов в материалах.

На фиг. I приведена структурная схема устройства на фиг. 2 - диаграммы напряжений в точках функциональных узлов схемы.

Устройство для определения реологических характеристик материалов сое- тоит из измерительного преобразователя 1, первого 2 и второго 3 каналов ввода упругой волны, первого 4 и второго 5 каналов отражения упругой волны, первого б и второго 7 экспоненци- ю РЯД - через резистор R, при этом под). На выходе первого блока 24 выде- ления огибающей (выпрямителя) импульсы имеют вид, показанный на фиг. 2 (диаграмма е), На выходе второго блока 23 выделения огибающих имеется RC-цепь, заряд емкости конденсатора которой происходит через блок 23 первым отраженным импульсом, а раз

Изобретение относится к устройствам для определения реопогических вязкоупругих характеристик, основанным на акустических методах промышленного контроля состава и свойства материалов, и может быть использовано при обработке технологии получения стекол с заранее заданными свойствами в промышленности, вьпгуекающей и использующей оптические элементы радиотехнических устройств, а также для научных исследований. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет определения энергетических характеристик релаксационных процессов в материалах. Устройство содержит измерительный преобразователь, выполненный в виде цилиндрического стержня, разветвленного на первом и втором концлх на два какала ввода упругой волны и два канала отраженной упругой волны соответственно, которые соединены с первым и вторым четвертьволновыми отражателями, первый и второй каналы ввода упругой волны и узлы крепления первого и второго экспо пенни атьных концентраторов на общем кронштейне разделены гасящими демпферами. Первый и второй пьезопре- образователи электрически связаны с входами первого и второго блоков обработки информации соответственно, каждый из которых содержит усилитель, зондирующий генератор, два аналоговых ключа, генератор стробирукщих импульсов, блок выделения огибающей, двух- входовой интегратор, два триггера, два преобразователя код-напряжения, источник опорного напряжения, электронный ключ, генератор тактовых импульсов, счетчик, индикатор, логический элемент И. 2 ил. (Л 05 ГО vl со tsD

альных концентраторов, гасящих демпферов 8, первого 9 и второго 10 четвертьволновых отражателей, второго 11 п первого 12 преобразователей,

кронштейна 13 крепления экспоненциаль-)5 двухвходового интегратора 26, а имных концентраторов, рубашки 14 принудительного охлаждения пьезопреобразо- вателей, емкости 15, нагревательных элементов 16, исследуемого расплава стекла 17, зондирующего генератора 20 18, усилителя 19, генератора 20 стро- бируюшдх импульсов, второго 21 и первого 22 аналоговых ключей, второго 23 и первого 24 блока выделения огибаюпульсы с RC цепочки на суммирующий вход через логический элемент И 25, который управляется 1К-триггером 27, на один вход которого подаются импульсы от зондирующего генератора 18 а на другой вход - импульсы, задержанные относительно зондирующих при помощи двух последовательно соединенных преобразователей напряжениеэтом через логический элемент И 25 проходит часть импульсов с RC-цепи о момента и до следующего зондирующего импульса. Преобразователи напрящей, логического элемента И 25, двух- 25 код на время Ј9 (диаграмма и), при входопого интегратора 26, 1К-тригге- ра 27, первого 28 и второго 29 преобразователя напряжения-код, RS Tpnrre- ра 30, электронного ключа 31, тактово-. го генератора 32, счетчика 33 импуль- Q жение-код вырабатывают импульсы, засов, источника 34 опорного напряже-держанные относительно входных на ния, индикатора 35, первого блока 36 время, пропорциональное управляюще- обработкн информации, второго блокаму напряжению U0. Это напряжение U0 37 обработки информации, первой 38 и подается на первый преобразователь 28 второй 39 выходных клемм. 35 напряжение-код с источника 3 опорного

Устройство работает для определения реологических характеристик материалов следующим образом.

С генератора 18 зондирующих сигналов подается короткий электричес- 40 vЈi

напряжения и величина UQ выбирается в зависимости от начальных условий. При этом вырабатывается импульс, задержанный относительно входного на время i0 (диаграмма з) . Второй преобразователь 29 напряжение-код управляется напряжением, поступающим с выхода двухвходового интегратора 26.

кий импульс на первый пьезопреобразо- ватель 12 первого канала ввода упругой полны. Первый пьезопреобразова- тель 12 преобразует электрический

напряжения и величина UQ выбирается в зависимости от начальных условий. При этом вырабатывается импульс, задержанный относительно входного на время i0 (диаграмма з) . Второй преобразователь 29 напряжение-код управляется напряжением, поступающим с выхода двухвходового интегратора 26.

Начальными условиями являются уссигнал в упругую механическую волну, 45 ловия, при которых коэффициент зату(см. фиг. 2а). Акустические колебания преобразуются первым пьезопреобразова- телем 12 в электрический сигнал и поступают на усилитель 19, откуда через первый 22 и второй 21 аналоговые клю- -Q чи - па первый 24 и второй 23 блоки выделения огибающей. Аналоговые ключи управляются генератором 20 строби- рующих импульсов (диаграммы б, в) таким образом, что через первый аналоговый ключ 22 пропускается серия отраженных импульсов (диаграмма г), а через второй аналоговый ключ 21 - первый отраженный импульс (диагрпмма

хашш в измерительном преобразователе 1 минимален, т.е. интегральная пло щадь серии отраженных импульсов (диаграмма е) максимальна. Обычно, это соответствует нахождению волновода из мерительного преобразователя в воздухе. При этом изменением напряжения Ufl изменяют площади импульсов, подаваемых на двухвходовый интегратор 26 с логического элемента И 25 до тех пор, пока не начнет выполняться равен ство

SOI S02

(1)

лучается серия импульсов, приведенных на диаграмме ж. Импульсы с выхода первого блока 24 выделения огибающей поступают на вычитающий вход

пульсы с RC цепочки на суммирующий вход через логический элемент И 25, который управляется 1К-триггером 27, на один вход которого подаются импульсы от зондирующего генератора 18 а на другой вход - импульсы, задержанные относительно зондирующих при помощи двух последовательно соединенных преобразователей напряжение код на время Ј9 (диаграмма и), при жение-код вырабатывают импульсы, задержанные относительно входных на время, пропорциональное управляюще- му напряжению U0. Это напряжение U0 подается на первый преобразователь 28 напряжение-код с источника 3 опорного

этом через логический элемент И 25 проходит часть импульсов с RC-цепи о момента и до следующего зондирующего импульса. Преобразователи напрякод на время Ј9 (диаграмма и), при жение-код вырабатывают импульсы, задержанные относительно входных на время, пропорциональное управляюще- му напряжению U0. Это напряжение U0 одается на первый преобразователь 28 апряжение-код с источника 3 опорного

код на время Ј9 (диаграмма и), при жение-код вырабатывают импульсы, задержанные относительно входных на время, пропорциональное управляюще- му напряжению U0. Это напряжение U0 подается на первый преобразователь 28 напряжение-код с источника 3 опорного

vЈi

напряжения и величина UQ выбирается в зависимости от начальных условий. При этом вырабатывается импульс, задержанный относительно входного на время i0 (диаграмма з) . Второй преобразователь 29 напряжение-код управляется напряжением, поступающим с выхода двухвходового интегратора 26.

Начальными условиями являются усхашш в измерительном преобразователе 1 минимален, т.е. интегральная площадь серии отраженных импульсов (диаграмма е) максимальна. Обычно, это соответствует нахождению волновода измерительного преобразователя в воздухе. При этом изменением напряжения Ufl изменяют площади импульсов, подаваемых на двухвходовый интегратор 26 с логического элемента И 25 до тех пор, пока не начнет выполняться равенство

SOI S02

(1)

где S

01

т.е.

3I627920

- интегральная площадь импульсов, подаваемых на вычитающий вход интегратора 26 с первого блока 24 выделения огибающей;

102 интегральная площадь импульсов, поступающих на суммирующий вход двух- входового интегратора 26 с логического элемента И при начальных условиях,

при напряжении на выходе интегU,

6

,

s

10

инг JM -71

При дальнейшем увеличении коэффи циента затухания напряжение на вых интегратора еще более возраст ет, а при уменьшении коэффициента з тухания процесс протекает в обратно порядке.

Таким образом, напряжение на выходе двухвходового интегратора 26

инг

однозначно зависит от изменен

значения динамической вязкости % (С и по величине аналогового сигнала

ратора, равном нулю (диаграммы е, к). 15 иинг можн° судить о величине динаВ процессе измерения коэффициент затухания (уЈ связан с изменением динамической вязкости 0 (СО) согласно теории Стокса

Об

2рС

5- (со

(2)

20

мической вязкости по одному из кан лов ввода упругой волны.

Сигнал с выходов преобразовател напряжение- код поступает на RS-три гер 30, с выхода которого сигнал п тупает на вход управления электрон ного ключа 31, через который импул сы от тактового генератора 32 пост пают на счетчик 33 импульсов.

где СО - круговая частота; Р - плотность; С - скорость звука, зависящая

от температуры Т. Чем больше динамическая вязкость у (О)) , тем больше коэффициент затухания Oi , тем меньше площадь отраженных импульсов и создается условие, когда выполняется неравенство (3)

5ц, sce,(з)

где S 0 - интегральная площадь импульсов, подаваемых на вычитающий вход двухвходового интегратора 26 от первого блока 24 выделения огибающей в процессе измерения. НапряжсЕше на выходе двухвходового интегратора начинает увеличиваться, а так как OEIO подается на управляющий вход второго преобразователя 29 напряжение-код то и задержка импульса, опрокидывающего 1К триггер 27, увеличивается. Следовательно, площадь импульсов, поступающих на суммирующий вход интегратора, начинает уменьшаться и это происходит до тех пор, пока не начнется выполняться равенство

Sfc-S j,(V

где - интегральная площадь импульсов, поступающих на суммирующий вход двухвходового интегратора 26 через логический элемент И 25 в процессе измерения, При этом напряжение на выходе двухвходового интегратора 1)имт перестает изменяться, принимая значение,, пропорциональное разности

20

U,

6

,

ы

инг JM -71

При дальнейшем увеличении коэффициента затухания напряжение на выходе интегратора еще более возрастает, а при уменьшении коэффициента затухания процесс протекает в обратном порядке.

Таким образом, напряжение на выходе двухвходового интегратора 26

инг

однозначно зависит от изменения

значения динамической вязкости % (СО) и по величине аналогового сигнала

15 иинг можн° судить о величине дина

20

25

мической вязкости по одному из каналов ввода упругой волны.

Сигнал с выходов преобразователей напряжение- код поступает на RS-триг- гер 30, с выхода которого сигнал поступает на вход управления электронного ключа 31, через который импульсы от тактового генератора 32 поступают на счетчик 33 импульсов.

Длительность импульсов на выходе триггера 30 равна (диаграмма л)

где

О

V

л Л

cjT °0i

16)

5

0

длительность сигнала на выходе RS-триггера 30; общая задержка сигнала на двух преобразователях напряжение-код;

задержка сигнала в первом преобразователе 23 напряжение-код.

л

При начальных условиях,

5

0

5

и« « длительность импульсов на выходе RS-триггера 30 равна нулю.

Б процессе измерения Ји -о и чем больше значение динамической вязкости # (СО) , тем больше длительность импульсов С.

Таким образом, от тактового генератора 32 через электронный ключ 31 на счетчик 33 имггульсов поступают импульсы, количество которых пропорционально измеряемой величине динамической вязкости Ј (СО) (фиг. 2, диаграмма м) .

Аналогичным образом работает и второй канал ииода упругой волны (фиг.1), однако, частота возбуждения упругой волны в измерительном преобразователе 1 по второму каналу отличается от частоты возбуждения упругой волны в измерительном преобразователе по первому каналу. При этом, как это видно из формулы (2), коэффициент затухания Ы находится в пропорциональной зависимости от значения динамической вязкости Ч (О). Чем больше Ј (СО) , тем больше коэффициент затухания & . Однако в силу релаксационных свойств механических характеристик материалов величина динамической вязкости Ј (У) сама зависит от частоты воздействия 63 на расплав и в силу температурив- временной суперпозиции изменение частоты 61 ведет к смещению кривых зависимости динамической вязко сти по температурной оси. В силу этого по тангенсу угла наклона зависимости:

Infl

F( iS- )

(7)

можно определить энергию активации этих релаксационных процессов, протекающих в материалах. В данной зависимости Т - температура исследований в Кельвинах.

Таким образом, частота воздействи упругой волны на расплав стекла по первому каналу равна (0| , а по второму каналу - СОд. . Значение динамической вязкости, получаемое по первому каналу, будет соответственно Јf(Wi) , а по второму каналу - Ј g (О) . Для того чтобы достичь равенства динамической вязкости по первому каналу 2, (С0() значению динамической вязкости по второму каналу 2(г) необходимо изменить температуру расплава стекла и совместить релаксационные кривые зависимости динамической вязкости Ч( (СО,) с Ч2 (OJj) на температурной оси. Это величина - изменение частоты СО или температуры Т - и будет параметром, прямо пропорционально связанным со значением энергии активации процесса согласно формуле (7

Таким образом, аналоговые сигналы шн число импульсов по первому и второму каналам при Т отличаются друг от друга, так как

0, У CDaI

I (w,)A2f(ojt)J

Число импульсов по первому каналу при Т, и частоте G), равно N,, чему соответствует значение динамической вязкости .(СО). Это число импульсов запоминается в запоминающем устройстве вычислительной машины.

Число импульсов по второму каналу при Г, и частот СО равно Ng/N). После сравнения значений N и N с помощью ЭВМ, подключаемой к первой 38

(8)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

(9)

и второй 39 выходным клеммам, изменяют температуру расплава стекла 17. Это изменение температуры расплава стекла 17 идет до тех пор, пока по второму каналу на частоте СО, число импульсов М при Т станет равным числу импульсов N4. В этот момент времени реализуется условие

00, У С0г «.

Затем прекращается изменение температуры и вычисляется энергия активации согласно выражению (7).

Формула иэооретеним

Устройство для определения реологических характеристик материалов, содержащее измерительный преобразователь, выполненный в виде цилиндрического стержня, первый пьеэопреобра- зователь, первый экспоненциальный концентратор, первый четвертьволновой отражатель и первый блок обработки информации, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет определения энергетических релаксационных процессов в материалах, в устройство введены два одинаковых блока обработки информации, измерительный преобразователь выполнен в виде цилиндрического стержня, разветвленного на первом и втором концах на два канала ввода упругой волны и два канала отражения упругой волны соответственно, которые соединены с первым и вторым четвертьволновыми отражателями, первый и второй каналы ввода упругой волны и узлы крепления первого и второго экспоненциальных концентраторов на общем кронштейне разделены гасящими демпферами, первый и второй пьезопреобраэователи электрически соединены с входами первого и второго блоков обработки информации соответственно, входом каждого из блоков обработки информации является вход усилителя , который соединен с входом зондирующего генератора, выход усилителя соединен с входами первого и второго аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с первым и вторым выходами генератора стробирующих импульсов, выход первого аналогового ключа соединен через первый блок выделения огибающей

с вычитающим входом двухвходового интегратора, выход второго аналогового ключа подключен к входу второго блока выделения огибающей и первому выводу параллельной RC-цепи, второй вывод которой подключен к общей шине, выход второго блока выделения огибающей соединен с первым входом логического элемента И, выход которого соединен с суммирующим входом двухвходового интегратора, выход генератора зондирующих импульсов соединен с первым входом первого преобразователя код-напряжение и с I-входом IK-триггера, вы- ход источника опорного напряжения подключен к второму входу первого преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с S-входом RS-триггеШ

ра и первым входом второго преобразователя код-напряжение, выход которого соединен с К-входом 11 -триггера, и R-входом RS-триггера, выход которого соединен с входом электронного ключа, управляющий вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, выход электронного ключа соединен с входом счетчика импульсов, выход которого подключен к входу индикатора, выход двухиходового интегратора подключен к второму входу второго пре- обрачователя код-напряжение и к первом выходной клемме, выход IK-триггера подключен к второму входу логического элемента И, выход второго блока обработки информации подключен к второй выходной клемме.

О

зв

Фиг.1

Фиг.2 .