Устройство для измерения сдвиговой вязкости и упругости сред Советский патент 1979 года по МПК G01N11/16 

1

Изобретение относится к приборам для исследования свойств вязкоупругих сред, преимущественно крови в процессе свертывания.

Известны устройства для исследования процесса свертывания крови, а именно, тромбоэластграфы, содержащие кювету для исследуемой крови, электродвигатель с механизмом для создания вращательно-возвратных движений кюветы, порщень, установленный в полости кюветы и соединенный с противодействующей пружиной и схемой регистрации движения поршня 1.

При помощи этих приборов исследуются некоторые комплексные показатели, косвенно связанные с величинами сдвиговой вязкости и упругости.

Известны также приборы для измерения вязкости сред ротационного типа. Датчики этих приборов состоят из камеры, образованной поверхностями двух тел вращения. Однако из тел вращения приводится во вращательное движение и определяется момент вращения второго тела, обусловленный вязкими силами, возникающими в исследуемом образце 2.

Недостатком подобных вискозиметров является необходимость сравнительно больщего объема исследуемой среды, весьма

ограниченный частотный диапазон и низкая надежность.

Для исследования в широком частотном диапазоне колебаний используется устройство с колебательной системой, выполненной в виде камертона 3.

Однако при помощи упомянутых устройств можно исследовать только жидкие среды, при этом необходим сравнительно большой объем исследуемого вещества.

Указанные недостатки устранены в устройстве, в котором в качестве чувствительного элемента используется камертон, снабженный опорным устройством.

Известное устройство для измерения вязкости и упругости резиноподобных полимеров имеет колебательную систему, выполненную в виде камертона, укрепленного в держателе, опорное устройство, выполненное в виде единого бруска, электромагнитный возбудитель механических колебаний камертона, соединенный с генератором непрерывных колебаний, и пьезоприемник, преобразующий механические колебания камертона в электрические, являющийся датчиком амплитуды колебаний камертона.

Образец исследуемого вещества помещается в зазоре между ножками камертона и опорным бруском. Измеряется изменение резонансной частоты и изменение добротности колебательной системы. Этих двух измеренных величин достаточно для определения сдвиговой вязкости и упругости образца. Однако это известное устройство имеет недостаточную чувствительность для исследования сдвиговой упругости и вязкости сред с малыми абсолютными значениями этих параметров. Кроме того, измерительная схема устройства не позволяет исследовать среды, в которых вязкоупругие свойства быстро изменяются во времени, а также измерять параметры сред при различных сдвиговых скоростях, что имеет большое значение при исследовании неньютоиовских сред. Цель изобретения - повышение чувствительности устройства для обеспечения возможности измерения вязкоупругих параметров сред с малыми абсолютными значениями сдвиговой вязкости и упругости. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения сдвиговой вязкости и упругости сред, содержащем первичный преобразователь, выполненный в виде укрепленного в держателе камертона с пассивным элементом (опорным устройством), возбудитель камертона, например электромагнитный, датчик амплитуды колебаний камертона, например пьезоэлектрический, и измерительную схему, подключенную к возбудителю и датчику амплитуды колебаний, пассивный элемент первичного преобразователя выполнен в виде камертона. Кроме того, возможность измерения параметров сред, свойства которых быстро изменяются во времени, обеспечивается введением в измерительную схему генератора с элементами электрической регулировки частоты и амплитуды. Для измерения вязкоупругих параметров сред (неньютоновских сред) при различных сдвиговых скоростях в измерительную схему устройства введен аттенюатор. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схематическое изображение первичного преобразователя. Устройство содержит первичный преобразователь 1, возбудитель 2 акустических колебаний, например электромагнитного типа, датчик амплитуды колебаний 3, например пьезоэлектрического типа, и измерительную схему, включающую генератор 4 синусоидального напряжения, снабженный элементами, регулирующими амплитуду и частоту выходного напряжения (на чертежах не показаны), аттенюатор 5, линейный усилитель 6, фазовый детектор 7, снабженный усилителем разбаланса (на чертежах не показан). Сравнивающее устройство 8, снабженное источником порогового напряжения и усилителем разбаланса (на чертежах не показан), регистрирующее устройство 9, которое обеспечивает запись на ленте самописца временной зависимости амплитуды выходного напряжения генератора 4, и регистрирующее устройство 10, обеспечивающее запись на ленте самописца временной зависимости частоты выходного напряжения генератора 4. Первичный преобразователь 1 выполнен в виде укрепленного в держателе камертона И с пассивным элементом 12 (фиг. 2), который выполнен в виде камертона. Первичный преобразователь 1 соединен с возбудителем акустических колебаний 2, который подключен к выходу генератора 4, и с датчиком амплитуды колебаний 3, который через аттенюатор 5 соединен с линейным усилителем 6. Линейный усилитель 6 подключен к одному из входов фазового детектора 7, второй вход которого соединен с выходом генератора 4, а выход - с регулирующим частоту элементом генератора 4. Выход линейного усилителя 6 через сравнивающее устройство соединен с регулирующим амплитуду элементом генератора 4. Один из выходов генератора 4 подключен ко входу регистрирующего устройства 9, которое обеспечивает запись на ленте самописца временной зависимости амплитуды выходного напряжения генератора 4. Другой выход генератора подключен ко входу регистрирующего устройства 10, обеспечивающего запись на ленте самописца временной зависимости частоты выходного напряжения генератора 4. Исследуемая среда помещена между торцами камертонов И и 12 в контакте с ними. Устройство работает следующим обраЗОМ. Предварительно вся торцовая поверхность камертона 12 покрывается слоем исследуемой среды 13. Между торцами камертонов 11 и 12 устанавливается фиксированный зазор очень малой величины, при этом он оказывается заполненным исследуемой средой. В ка.мертоне 11 с помощью электромагнита возбудитель 2 возбуждает колебания той же частоты, что и частота напряжения генератора 4. Торцы ножек камертона 11 при малых амплитудах колебаний перемещаются практически в горионтальной плоскости и при этом касаютя поверхности исследуемой среды 13, наесенной на торцы ножек камертона 12 (пассивного элемента). Параметры камерона 12 выбираются таким образом, чтобы го собственная резонансная частота была иже резонансной частоты камертона 11. этом случае на частоте первого собственого резонанса камертона И пассивный лемент 12 представляет собой чисто инерионную нагрузку. Датчик амплитуды коебаний 3 преобразует механические колеания, возникающие в камертоне 11, в

электрические. Электрический сигнал, прошедший через аттенюатор 5, усиливается линейным усилителем 6 и поступает на один из входов фазового детектора 7. На второй вход фазового детектора поступает напряжение, вырабатываемое генератором 4.

В случае резонанса первичного преобразователя напряжение датчика амплитуды колебаний 3 совпадает по фазе с напряжением генератора 4, в противном случае между этими напряжениями существует сдвиг фаз. Фазовый детектор 7 вырабатывает напряжение, пропорциональное сдвигу фаз между входными сигналами, которое подается на генератор 4 и управляет его частотой. Изменение сдвиговой вязкости и упругости среды 3, в частности крови, в процессе свертывания, изменяет резонансную частоту колебательной системы (первичного преобразователя), частота генератора 4 уже не соответствует резонансу механических колебаний, между входными сигналами фазового детектора 7 появляется сдвиг фаз, а на выходе напряжение, пропорциональное этому сдвигу фаз, которое, воздействуя на соответствующий элемент схемы генератора, изменяет частоту генератора 4 до такого значения, при котором сдвиг фаз между сигналами, поступающими на входы фазового детектора 7, практически равен нулю. Наличие исследуемой среды 13 изменяет и амплитуду колебаний ножек камертсма 11 на резонансе (а, следовательно, и величину сдвиговой скорости) и соответственно величину сигнала, принятого датчиком амплитуды колебаний 3. Для получения постоянной заданной амплитуды колебаний ножек камертона 11 необходимо поддерживать постоянное значение амплитуды сигнала, принятого датчиком 3. С этой целью между линейным усилителем 6 и генератором 4 включено сравнивающее устройство 8, которое выра: батывает напряжение, пропорциональное разности напряжений: напряжения, поступающего от усилителя 6 и некоторого порогового. Выходное напряжение сравнивающего устройства 8 управляет амплитудой генератора 4, воздействуя на соответствующий элемент схемы генератора, что и позволяет поддерживать заданную амплитуду колебаний ножек камертона 11. Для получения вязкоупругих характеристик сред при различных значениях сдвиговых скоростей в схему включен амплитудный аттенюатор 5. В процессе свертывания крови регистрирующие устройства 9 и 10 регулируют изменение резонансной частоты колебательной системы и амплитуды напряжения генератора 4, значения которых аналитически связаны со сдвиговой вязкостью и упругостью исследуемой среды.

Так как вязкоупругие параметры сильно зависят от температуры, первичный преобразователь необходимо термостатировать.

По сравнению с известными, предлагаемое устройство для измерения сдвиговой вязкости и упругости сред, в частности крови, в ироцессе свертывания, имеет ббльщую чувствительность, что позволяет измерять сдвиговые вязкость и упругость сред с малыми абсолютными значениями этих параметров.

Кроме того, устройство позволяет автоматизировать процесс измерения параметров, что имеет большое значение при исследовании быстропротекающих процессов.

Предложенное устройство дает возможность измерять вязкоупругие параметры сред при различных сдвиговых скоростях, что необходимо при исследовании неньютоновских сред.

Для исследования требуется малый объем пробы (0,005 мл).

Формула изобретения

Устройство для измерения сдвиговой вязкости и упругости сред, содержащее первичный преобразователь, выполненный в виде укрепленного в держателе камертона с пассивным элементом, возбудитель камертона, датчик амплитуды колебаний камертона, ;И измерительную схему, подключенную к возбудителю и датчику амплитуды колебаний, отл и ч а ю н;ееся тем, что, с целью повышения чувствительности измерений, пассивный элемент первичного преобразователя выполнен в виде камертона.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 371925, кл. G 01N 11/00, 1969.

2.Авторское свидетельство СССР № 168518, кл. G 01N 11/14, 1965.

3.Авторское свидетельство СССР № 329445, кл. G 01N 11/16, 1967.

4.Hopkins L, Dynamie Shear Properties of Rubberlike Polymers, Transactions of the A SME February, 1951.

11

V,

//////////////