Способ измерения вязкости и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01N11/00 

фиг г

ложенный по ходу объектного луча и закрепленный на наблюдаемой стороне исследуемого объекта б, который, в свою очередь, расположен на котировочном столике 7, и фотопластинку 8 с проявленным голографи- ческим изображением отражателя 5. К верхней грани исследуемого образца б прикреплена пластина с грузом, передающим на образец деформирующее напряжение. На котировочном столике 7 предусмотрен выступ с внутренним прямым глом /Здля фиксации образца 6 с отражателем 5 в одном постоянном положении. Юстировоч- ный столик 7, имеющий три взаимно перпендикулярные оси вращения, поворачивается с помощью котировочных винтов 12. 2 с,п. ф-лы. 4 ил,

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике в области вискозиметрии высоких и сверхвысоких вязкостей и может быть использовано для измерения упругой деформации, замедленно-упругой деформации и вязкости аморфных материалов. Цель изобретения - упрощение процесса измерения, расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Способ заключается в определении малых смещений в результате наблюдения в реальном времени гологра- фической картины интерференции двух волн на фотопластинке при нагружении объекта, при этом одна из интерферирующих волн отражается от отражателя, закрепленного на наблюдаемой стороне исследуемого объекта, который, в свою очередь, закреплен на котировочном столике, а другая волна восстанавливается голограммой и соответствует исходному состоянию отражателя, и расчет вязкости производится по формуле tf 2GhAtcosy /SA (n-n0). Устройство включает гелий-неоновый газовый лазер 1, светоделитель 2, расположенный по ходу излучения и образующий объектный и опорный лучи, объективы 3 и 4 для расширения полученных лучей, отражатель 5, распо

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике в области вискозиметрии высоких и сверхвысоких вязкостей и может, быть использовано для измерения упругой деформации, замедленно-упругой деформации и вязкости аморфных и твердых материалов.

Измерение вязкости заключается в определении малых смещений голографиче- ским методом верхней грани пробы, имеющей вид прямоугольного параллелепипеда, относительно нижней грани, вызванных деформацией пробы из исследуемого материала под действием постоянного касательного напряжения, приложенного к верхней грани пробы в течение определенного промежутка времени.

Цель изобретения - упрощение процесса.измерения, расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения.

На фиг.1 изображена проба с закрепленным отражателем для вывода расчетных соотношений; на фиг.2-устройство для осуществления способа; на фиг.З - схема крепления и нагружения пробы, вид сбоку; на фиг.4 - схема крепления и нагружения пробы, вид сверху.

При вязком течении аморфного материала связь между постоянным касательным

S

напряжением О - , скоростью деформации сдвига --V-- и динамической вязкостью

rj для пробы 6, имеющей вид прямоугольного параллелепипеда (фиг.1), описывается уравнением Максвелла

da OT Ч

dt

da

млиdadt

G S

j П

скорость деформации сдвига;

dt

G - сила, действующая на верхнюю ь пробы 6 площадью S в плоскости этой и, перпендикулярно ребру АВ (фиг.1);

ij- динамическая вязкость.

Как известно, измерение вязкости должно начинаться после момента времени t2, когда выполняется условие

da dt

Да

ДТ10

С учетом этого уравнение (1) переписывается таким образом

где Да - угол сдвига, прошедшего за промежуток времени At.

При малом угле сдвига Да линейное перемещение d верхнего ребра отражателя 5 (фиг.1), закрепленного на наблюдаемой стороне пробы 6, с большой точностью можно принять за дугу окружности радиуса h

Да

-I

25

где h - высота отражателя.

Тогда уравнение можно записать следующим образом

30

GAth Sd

Смещение d при перемещении точек отражателя перпендикулярно его наблюдаемой поверхности за промежуток времени At равно

d (n - п0) А/fcos у + cos© ), (4) где по - число интерференционных полос в момент времени t 0 начала наблюдения;

n - число имеющихся интерференционных полос через промежуток времени At; А-длина волны источника излучения; у - угол между падающим пучком и нормалью к поверхности отражателя 5;

0- угол наблюдения, измеренный от нормали к поверхности отражателя.

За начало отсчета принимается полоса, проходящая через нижнее ребро наблюдаемой поверхности отражателя 5.

Для зеркально отражающего объекта у 0. Поэтому уравнение (6) можно записать следующим образом

d (n - n0)A/2cosy.

Подставляя найденное значение d в уравнение (3), получают расчетную формулу для определения вязкости

. 2 Gi h At cos у 0 S Я ( n - no )

где G - сила, действующая на верхнюю грань пробы площадью S в плоскости этой грани, перпендикулярно ребру АВ (фиг.1);

h - высота отражателя;

At- время появления n - п0 полос;

у-угол между падающим пучком и нормалью к поверхности отражателя;

S - площадь поверхности пробы, к которой приложено деформирующее напряжение;

Я- длина волны излучателя;

По - число интерференционных полос в момент времени t О качала наблюдения;

n - число имеющихся интерференционных полос через промежуток времени A t.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения измерения заранее подготавливают исследуемый образец с приспособлением для его нагружения, фиксируя его на котировочном столике, а на наблюдаемой стороне исследуемого объекта закрепляют отражатель. После этого излучение лазерного излучателя пропускают через светоделитель с последующим расширением полученных опорного и объектного лучей соответствующими объективами и наблюдают на фотопластинке, имеющей про- экспонированное и проявленное голографическое изображение отражателя, интерференцию двух волн. Одна из интерферирующих волн восстанавливается голограммой и соответствует исходному состоянию отражателя, а другая отражается от отражателя и интерферируете восстановленным изображением отражателя. На ин- терферограмме, в результате того, что положение отражателя не совпадает точно с тем его положением, которое он занимал при экспонировании голограммы, появляются интерференционные полосы. Они устраняются с помощью котировочного столика, имеющего возможность поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения.

После нагружения исследуемого образца на интерферограмме появляется большое число параллельных горизонтальных полос в результате упругой деформации исследуемого образца, устранение которых достигается путем поворота котировочного столика. Далее имеет место замедленно-упругая деформация, вследствие чего скорость появления интерференционных полос

0 уменьшается После того, как скорость появления интерференционных полос становится постоянной, производится измерение вязкости с расчетом по формуле (2).

Полученная интерференционная карти5 на позволяет определить деформацию счета исследуемого образца за любой нужный промежуток времени. Измерение вязкости любого числа проб можно проводить с помощью одной единственной фотопластинки

0 с проэкспонированным на ней изображением отражателя.

Устройство для осуществления способа (фиг.2) включает лазерный источник 1 излучения, светоделитель 2, расположенный по

5 ходу излучения и образующий объектный и опорный лучи, объектив 3, расширяющий объектный луч, и объектив 4, расширяющий опорный луч, отражатель 5, расположенный по ходу объектного луча и закрепленный на

0 наблюдаемой стороне исследуемого объекта б, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, который, в свою очередь, -расположен на котировочном столике 7, и фотопластинку 8 с проявленным голографи5 ческим изображением отражателя 5, на которую падают опорный луч и объектный луч, отраженный от отражателя 5.

К верхней грани исследуемого образца 6 прикреплена пластина 9 с грузом 10, пере0 дающим на образец 6 деформирующее напряжение (фиг.З и 4).

Для того, чтобы во время измерения все исследуемые образцы б находились в одинаковом положении, на котировочном сто5 лике 7 предусмотрен выступ 11 (фиг.З и 4) с внутренним прямым углом/(фиг.4), к которому вплотную устанавливается образец б с отражателем 5.

На котировочных винтах 12 (фиг.З и 4)

0 имеются насечки 13, устанавливаемые во время экспонирования голограммы напротив отметок 14 на котировочном столике 7, имеющем три взаимно перпендикулярные оси вращения, пересекающиеся в одной i

5 точке.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 6 в ненагруженном состоянии закрепляют на котировочном столике 7, а на его наблюдаемой

стороне закрепляют отражатель (фиг.З и 4). Все три котировочных винта 12 устанавливают в положение, при котором насечки 13 оказываются напротив соответствующих отметок 14 (фиг.З).

После этого (фиг.1) включают гелий-неоновый газовый лазер, 1, излучение которого проходит через светоделитель 2, образующий обьектный и опорный лучи, расширяемые соответствующими объективами 3 и 4. Опорный луч после расширения попадает На фотопластинку 8 и восстанавливает запи- санное заранее на ней голографическое изображение отражателя 5. Объектный луч, отражаясь от отражателя 5, также попадает на фотопластинку 8 и интерферирует с восстановленным изображением отражателя 5. На годограмме 8 после этого можно различить интерференционные полосы, которые появляются в результате того, что положение отражателя 5 не совпадает точно с тем положением, которое он занимал при экспонировании голограммы.

Нежелательные интерференционные полосы устраняются следующим образом. Котировочный столик 7, на котором расположен исследуемый образец 6, слегка поворачивается при помощи котировочных винтов 12 вокруг каждой из трех взаимно перпендикулярных осей. Заметив направление вращения, при котором расстояние между полосами уменьшается, можно найти нужное направление поворота для каждой оси. Для устранения нежелательных интерференционных полос выполняется несколько таких регулировок по каждой из осей.

Затем производится нагружение образца (фиг.З). Сразу же после нагружения имеет место упругая деформация, подчиняющаяся закону Гука. Поэтому на интерферограмме (фиг.2) появляется большое число параллельных горизонтальных интерференционных полос, которые устраняются при помощи котировочных винтов 12.

Далее имеет место замедленно-упругая деформация, следовательно, скорость появления интерференционных полос уменьшается. После того, как скорость появления полос становится постоянной, можно начинать измерение вязкости. Расчет вязкости производится по формуле (5).

Поскольку в устройстве имеется возможность определения времени наступления пластической деформации, т.е. наступления момента времени t2, то очевидно, что это приводит к повышению его быстродействия. Расширены- и функциональные возможности устройства, так как по сравнению с известным устройством имеется возможность измерения упругой и

замедленно-упругой деформации. Повышение точности измерения достигается за счет того, что в устройстве исключено влияние времени экспонирования голограммы на

точность измерения.

Кроме того, в устройстве фотопластинка 8с записанным и проявленным на ней голо- графическим изображением отражателя 5 может быть использована для измерений

любого числа исследуемых образцов, так Как один и тот же отражатель может устанавливаться на каждый из исследуемых образцов перед его исследованием, что приводит к увеличению экономичности устройства.

Формула изобретения 1. Способ измерения вязкости аморфных материалов, заключающийся в определении малых смещений в результате

наблюдения в реальном времени топографической картины интерференции двух волн на фотопластинке при нагружении исследуемого объекта, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерения, расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения, одну из интерференционных волн пропускают через отражатель, закрепленный на наблюдаемой стороне исследуемого объекта, который закреплен на котировочном столике, а другую волну восстанавливают голограммой и она соответствует исходному состоянию отражателя, расчет вязкости ц производят по формуле

2 Gh At cos у SA(n -n0)

П

где G - деформирующая сила сдвига; h - высота отражателя;

Л t- промежуток времени наблюдения; у- угол между объектным лучом и нормалью к поверхности отражателя;

S - площадь поверхности пробы, на ко- торую распространяется напряжение сдвига;

п0 - число интерференционных полос в момент времени to начала наблюдения;

п - число интерференционных полос че- рез промежуток времени Л t;

А- длина волны источника излучения. 2. Устройство для измерения вязкости аморфных материалов, содержащее гелий- неоновый газовый лазер, светоделитель, расположенные по ходу излучения, два объектива для расширения полученных объектного и опорного лучей, исследуемый объект с возможностью нагружения, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда и

расположенный на столике по ходу объектного луча, и фотопластинку, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса измерения, расширения функциональных возможностей устройства и повышения точности измерения, оно снабжено юстировоч- ным столиком, имеющим возможность

поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения, для закрепления и юстировки образца и отражателем, закрепленным на наблюдаемой стороне образца, причем фотопластинка имеет проэкспони- рованное и проявленное голографическое изображение отражателя.

Фие.1

Фиг.З

П

«- /Э

п

D

01/гЛ