Изобретение касается реологических исследований полимерных систем в диапазоне низких и инфранизких частот с помощью вынужденных крутильных колебаний. Известен крутильный вискозиметр для исследования полимеров, содержащий генератор инфранизких частот, током которого запитывается ириводная катущка, помещенная в однородное поле постоянного магнита и скрепленная с образцом, датчик с усилителем, термокамеру, регулятор температуры и регистрирующее устройство. Ток генератора протекает по приводной катущке и, взаимодействуя с магнитным полем, создает синусоидальный крутящий момент, прикладываемый к образцу. Под воздействием крутящего момента приводная катущка вместе с образцом соверщает колебания, которые по окончании переходного процесса приобретают синусоидальный характер. Эти колебания регистрируются самопищущим прибором. Одновременно самопишущим прибором регистрируют колебания тока возбуждения, протекающего по приводной катущке. По амплитудам тока возбуждения и колебаний образца и по разности фаз между ними рассчитывают вязкоупругие характеристики образца полимера. Цель изобретения - расщирение диапазона измерений в области низких частот и сокращение времени измерений. Это достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено зеркальным гальванометром, расположенным параллельно -приводной катушке в однородном магнитном поле и подключенным к генератору инфранизких частот, выход которого соединен с дифференциальным разложителем вектора гармонических колебаний в полярных координатах, причем напротив заркал, закрепленных на приводной катушке и гальванометре, освещаемых коллимированным пучком оптического квантового генератора, установлена призма полного внутреннего отражения, направляющая световой поток на два дифференциально включенных фотоэлемента, выходы которых через нагрузку, буферный усилитель цодклю-чены к входу системы управления, выход которой подключен к обмотке приводной катушки и к дифференциальному разложителю вектора гармонических колебаний в полярных координатах. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. Приводная катушка 1 и зеркальный гальванометр 2 помещены в однородное магнитное поле постоянного магнита 3. Верхний держатель образца 4 жестко скреплен с приводной катушкой 1, нижний держатель образца 4 - с взвешенной подвижной кареткой 5, способной перемещаться в вертикальной плоскости по шариковым направляющим. Образец 4 помещен в термокамеру 6, подключенную к регулятору 7 температуры. На фотоэлементы b и 9 через призму 10 полного внутреннего отражения, систему зеркал, закрепленных на приводной катушке 1 и гальванометре 2, и модулятор 11 светового потока поступает коллимированный пучок света оптического квантового генератора 12. Зеркальный гальванометр 2 подключен к генератору 13 инфранизких частот.
Обмотка приводной катушки 1 подключена к выходу автоматической системы управления 14, состоящей, например, из операционного усилителя с цепями коррекции. Вход автоматической системы управления 14 через буферный усилитель 15 подключен к общей нагрузке 16 дифференциально включенных фотоэлементов 8 и 9. К выходу автоматической системы управления 14 и к генератору 13 инфраиизких частот подключен дифференциальный разложитель 17 вектора гармонических колебаний в полярных координатах, снабженный устройствами отсчета фазы и амплитуды крутящего момента.
Зеркальный гальванометр 2 совершает эталонные гармонические колебания с амнлитудой и частотой, заданными генератором 13 инфранизких частот. Колебания гальванометра 2 сравниваются с колебаниями приводной катушки 1. Сигнал рассогласования поступает на автоматическую систему управления 14. В последней формируется ток, протекающий по приводной катушке 1, который и создает крутящий момент, поворачивающий катущку 1 в сторону уменьшения сигнала рассогласования. Таким образом происходит синфазное слежение приводной катушки 1 за заданными колебаниями зеркального гальванометра 2. Это позволяет проводить исследования образцов полимеров при определенных заданных относительных деформациях сдвига.
Качество автоматической системы управления определяет точность отслеживания и время установления гармонических колебаний, т. е. время переходного процесса приводной катушки. Практически оно составляет незначительную долю периода колебаний. Это позволяет начать измерения требуемых параметров, спустя незначительное время переходного процесса.
Напрял еиие, приложенное автоматической системой управления 14 к приводной катущке 1, пропорциональное крутящему моменту, поступает также на дифференциальный разложитель 17 вектора гармонических колебаний в полярных координатах. С него считывается разность фаз ф между током возбуждения приводной катушки и заданными колебаниями и амплитудное значение крутящего момента М. Разность фаз ф и амплитуда крутящего момента М зависят от свойств испытуемого образца полимеров и констант прибора
(например, от главного центрального момента инерции, упругости и вязкости приводной катушки). Вре.мя вычисления параметров ф и Л1 разложителем 17 вектора определяется временем переходного процесса встроенных фильтров низких частот и также составляет незначительную часть периода заданных колебаний. Сравнение колебаний приводной катушки 1
с колебаниями зеркального гальванометра 2 происходит следующим образом.
Световой пучок оптического квантового генератора 12, промодулированный модулятором 11, отражается от зеркала, закреплениого на приводной катушке 1, на зеркало гальванометра 2, носле чего вновь поступает на зеркало катушки 1, а от него на нризму 10 полного внутреннего отражения. В начальном (нулевом) ноложении зеркал пучок
света отражается от граней призмы 10 обратно, и фотоэлементы 8 и 9 затемнены. При повороте зеркала гальванометра 2 в ту или иную сторону часть пучка света проходит через призму 10 на один из фотоэлементов 8 или 9.
Возникающий при этом фототок создает на нагрузке 16 падение напряжения той или иной полярности. Это напряжение усиливается буферным усилителем 15 и поступает на вход автоматической управляющей системы 14.
При компепсации угла рассогласования угол поворота катущки 1 вдвое больще угла поворота гальванометра 2.
Применение в качестве коллимированного источника света оптического квантового генератора позволяет за счет исключения хроматической аберрации и за счет малого угла расхождения пучка света (3 - 6) получить малую начальную освещенность фотоэлементов. Это обеспечивает высокую чувствительность устройства к углу рассогласования положения зеркал и практически исключает дрейф его от температурной и временной нестабильности фотоэлементов. Динамические характеристики нолимеров
измеряются в различных температурных режимах. Для этой цели образец по.мещен в термокамеру б, в которой с помощью терморегулятора 7 поддерживается заданная температура.
Для снятия нормальных напряжений в образце 4, возникающих вследствие термического расширения или сжатия, нижний держатель образца жестко скреплен с взвешенной подвижной кареткой 5, свободно перемещающейся в вертикальной плоскости по щариковым направляющим.
Устройство позволяет исследовать полимеры в диапазоне частот 10 - 10 гц и в интервале температур 100 - 300° С с погрешностью поддержания температуры не ниже ± 0,5° С. Погрешность измерения фазы ± 1°, амплитуды 1%.
Устройство позволяет на порядок повысить точность измерения фазы, особенно при малых
тангенсах угла потерь. Это достигается компенсацией реакции упругой составляющей комплексного модуля сдвига образца, которая достигается введением комбинированной обратной связи параллельно (и независимо) автоматической системе управления 14.
Предмет изобретения
Устройство для измерения реологических характеристик полимерных систем, содержащее приводную катушку, связанную с держателем образца и помещенную в однородное магнитное поле постоянного магнита, нижний держатель образца, закрепленный на взвешенной подвижной каретке с шариковыми направляющими, генератор гармонических колебаний, термокамеру с регулятором температуры, датчик угла колебаний приводной катушки и автоматическую систему управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и сокращения времени установления вынужденных синусоидальных колебаний образца, оно снабжено зеркальным гальванометром, расположенным параллельно приводной катушке в однородном магнитном поле и подключенным к генератору инфранизких частот, выход которого соединен с дифференциальным разложителем вектора гармонических колебаний в полярных координатах, причем напротив зеркал, закрепленных на приводной катушке и гальванометре, освещаемых коллимированным пучком оптического квантового генератора, установлена призма полного внутреннего отражения, направляющая световой поток на два дифференциально включенных фотоэлемента, выходы которых через нагруЗКу, буферный усилитель подключены к входу системы управления, выход которой подключен к обмотке приводной катушки и к дифференциальному разложителю вектора гармонических колебаний в полярных координатах.
