Устройство для измерения вязкоупругих характеристик сред Советский патент 1979 года по МПК G01N11/16 

t

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств различных сред, в частности оно предназначено для измерения модуля упругости и вязкости веществ как органического, так и неорганического происхождения, например, в процессе синтеза, при снятии термометрических характеристик, релаксационных спектров. Устройство может быть использовано для автоматического контроля вязкости и модуля упругости смазочных материалов, топлива, различных жидких сред при загрязнении рек и озер промышленными отходами и сточными водами, для снятия процессов тромбообразования крови.

Известно устройство для измерения модуля упругости вещества, содержащее корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, привод перемеше1шя штока, датчик перемещения, датчик усилия, развиваемого исследуемым веществом, выходом связанный с входами формирователя сигнала упругости, выходом связанного с входом исполнительного блока канала модуля упругости, выход которого связан с входом катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости 1. Изменения амплитуды колебання штока с зондом обусловлены как вязкими, так н упругими свойствами исследуемого вещества. Однако выделение вязкой и упрутой составляющих комплексного модуля упругости н одновреме1шое их юмерение с высокой точностью невозможны. Использование в этом устройстве обратного преобразователя модуля упругости позволяет повысить точность измере0ния упругой составляющей комплексного модуля, однако, не позволяет исключить взаимное влнянне вязкой н упрутой составляющих в процессе измерения. Диапазон частот измерения в этом устройстве ограничен сверху параметрами

5 механической части устройства (масса зо}ща со штоком, собственное демпфирование, жесткость вспомогательной пружины), а снизу - фильтрующими свойствами нзмер1ггельной части устройства. На пыходе форм1фователя сигнала модуля упругости необходимо установить дополнительный фильтр, насфанваемый на двойную частоту пробных колебаний привода, что является сложной задачей, особенно в области нифранизких частот (10 - }) Гц. Практически сигнал низкой частоты с выхода формирователя сигнала модуля упругости вызывает колебания с той же частотой выходного сигнала исполнительного блока, который, имея постоянную составляющую, величина которой пропорциональна -измеряемому модулю упругости вещества, как бы следит за переменной составляющей сигнала с выхода формирователя. Эти 1солеба11ия вызывают нежелательные колебания тока в обмотке катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости и регистрируются регистратором, что снижает точность измерения. Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для измерения пязкоупругих характеристик сред, содержащее корпус, кювету для исследуемой среды, шток с зондом, соединенный с приводом, обрат ный преобразователь модуяя упругости, состоящий из якоря с катушкой и статора, обратный преобразователь вязкости, состояш Й из якоря с катушкой и статора с катушкой, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости, регистраторы модуля упругости и вязкости, дат чик перемещешш и датчик усилия, выходами связанные через усилители с входами формирователя сигнала модуля упругости, исполнительный блок канала модуля упругости, первым входом связанный с входом катушки якоря обратного преобразователя моруля упругости, а вторым - с входом регистратора модуля упругости, измеритель скорости пфемещения што ка, связаюийй своим выходсш через усилитель сигнала измерителя скорости с входом катушки якоря обратного преобразователя вязкости и с первым входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого связан с выходом ус лителя сигнала датчика усилия, исполнительный блок канала вязкости, первым выходом связан ный с катушкой статора обратного преобразователя вязкости, а вторым - с входом регистратора вязкости 2. Разделение каналов «юдуля упругости и вяз кости обеспечивает значительное снижение взаимного влишпш процессов измерения модуля упругости и вязкости, одновременное получеш качественных и количественных характеристик как вязкости, так и модуля упругости. Однако при излучении вязкоупругих свойств различных веществ чрезвычайно важно знать модуль упругости и вязкости на инфранизких частотах деформации, сблизить методику зкспериментов вибрационными эластовискозиметрами с методикой статических испытаний. В зтом случае фильтрующих свойств измерительной части ювестного устройства явно недостаточно. Переме ные составляющие на выходах форм1фователей сигналов модуля упругости и вязкости вызову 6 4 ежелательные колебания выходных сигналов сполнительных блоков каналов модуля упруости и вязкости, что приведет к появлению ополнительных колебаний тока в обмотках атушки статора обратного преобразователя язкости и катушки якоря обратного преобраователя модуля упругости, а также и в соотетствующих регистраторах. Целью изобретешш является повышение точости и расширение динамического диапазона змерений. Достигается это тем, что устройство дополнительно снабжено детекторами, пороговыми элементами, блоками настройки порога и ключами в каналах модуля упругости и вязкости, причем детектор канала модуля упругости своим входом связан через второй выход усилителя с выходом датчика перемещения штока, а выходом - с первым входом порогового элемента, второй вход которого соединен с блоком настройки порога, первый выход - с вторым входом ключа канала модуля упрутоак, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала модуля упругости, а выход ключа связан с входом исполнительного блока канала модуля упругости, вход детектора канала вязкости через фетий выход усилителя сигнала измерителя скорости перемещения штока связан с выходом нзм жтеля скорости перемещения штока, а выход детектора канала вязкости связан с первым входом порогового элемента канала вязкости, второй вход которого соединен с блоком нас-фойки порога, а первый выход с вторым входом ключа, нервый вход которого связан с выходом формирователя сетнала вязкости, а выход ключа соединен с входом исполнительного блока канала вязкости, причем вторые выходы пороговых элементов каналов модуля упругости и вязкости связаны с вторыми входами регистраторов. На чертеже приведена схема предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2, погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4. Другой конец щтока через пружину 5, скобу 6, кулачок 7 и блок изменения частоты 8 связан с приводом 9, с помощью которых шток 1 и зонд 2 совершают колебательное движение заданной амплитуды и частоты, значение которой может изменяться в широких диапазонах. На корпусе (на чертеже не показан) устройства установлены датчик перемещения 10 щтока 1,. статор 11 обратного преобразователя модуля упругости, статор S2 измерителя скорости перемещения штока 1 к статор 13 с катушкой 14 обратного преобразователя вязкости. На штоке 1 укреплены якорь 15 датчика перемещения 10 и якорь 16 датчика усилия 17, корпус которого связан со скобой 6, а выходной сигнал про порционален разности входных колебаний и ко лебаний штока 1. На штоке 1 укреплены такж якорь 18 обратного преобразователя модуля упругости с катушкой 19, якорь 20 с кату, лкой 21 измерителя скорости перемещения што ка и якорь 22 с катушкой 23 обратного преоб разователя вязкости. Выз(.од датчика усилия 17 электрически свя зан с входом усилителя 24, первый и второй выходы которого соответственно соединены с вторыми входами формирователя сигналов модуля упругости 25 и вязкости 26, при этом пер вый вход формлфователя 25 сигнала модуля упругости связан с первым выходом усилителя 27, вход которого связан с выходом датчика перемещения 10. Первый вход формирователя 26 сигнала вязкости связан с вторым выходом усилителя 28 измерителя cKopocTit, своим входом связанного с катупжой 21 якоря 20 измерителя скорости перемещения штока 1, а выходы формирователей сигнала модуля упругости 25 и вязкости 26 связаны соответственно с пер выми входами ключа 29 канала модуля упругости и ключа 30 канала вязкости. Выход ключа 29 канала модуля упругости связан с входом исполнительного блока 31 канала модуля упругости, первый выход которого связан с катушкой 19 якоря 18 обратного преобразователя мо дуля упрутосгк, а второй его выход связан с первым входом регистратора модуля упругости 32. Первый выход ключа 30 канала вязкости связан с входом испотштельного блока 33, пер вый выход которого связан с входом катушки 14 статора 13 обратного преобразователя вязкости, а второй его выход связан с первым входом регистратора вязкости 34. Второй выход усилителя 27 сигнала датчика перемещения Ю связан с входом детектора 35 канала модуля упругости, выходом связанного с первым входом порогового элемента 36 канала модуля упругости, выполненного в виде триггера Шмидта, второй вход которого связан с выходом блсжа 37 настройки порога канала модуля упругости. Первый выход порогового элемента 36 канала модуля упругости свяэан с вторым входом ключа 29 канала модуля упругости, а второй его выход связан с вторым входом регистратора модуля упругости 32. Первый выход усилителя 28 сигнала измерителя Скорости перемещения штока связан с входом катушки 23 якоря 22 обратного преобразователя вязкости, а его третий выход соединен с входом детектора 38 канала вязкости, выходом связанного спервым входом порогового элемента 39 кшала вязкости, выполненно776го в виде триггера Шмидта, второй выход которого связан с выходом блока 40 настройки порога канала вязкости. Первый выход порогового элемента 39 канала вязкости связан с вторым входом ключа 30 канала вязкости, а второй его выход связан с вторым входом регистратора вязкости 34. Устройство работает следующим образом. В случае отсутствия вещества 4 в кювете 3, при колебаниях штока 1 с зондом 2 от привода 9, являющегося задатчиком пробных колебаний, выходные сигналы датчиков 10, 17 и катушки 21 Измерителя скорости будут определяться параметрами электромеханической части устройства. Формирователи 25 к 26, связанные с усилителями 27 и 24, настраиваются таким образом, чтобы их выходные сигналы были равны нулю. На выходах детекторов 35 и 38, своими входами связанных с вторым и третьим выходами усилителя 27 и 28, соответственно, будут сдвинутые по фазе на п/2 детектированные двухполупериодные сигналы, которые поступают на пороговые элементы 36 и 39, порог срабатывания которых установлен с помощью блоков 37 и 40 настройки порогов. Когда сигналы на выходах детекторов 35 и 38 достигают величины порога, происходит срабатывание пороговых элементов 36 и 39 и на их выходах появляются постоянные по величине сигналы всегда в одной и той же полярности. Как только сигналы на выходе детекторов 35 и 38 yмeлJ)Щaтcя до величины порога, пороговые элементы 36 и 39 возвращаются в исходное положение, т.е. сигнал на их выходах становится равным нулю. Сигналы с первых выходов пороговых элементов 36 и 39 поступают на вторые выходы ключей 29 и 30, предс гавляющнх собой реле с герметиэированными контактами и управляющими обмоткаьт, « которые подаются сигналь с выходов пороговых элеглентов. Сами контакты соединяют (либо разрывают) выходы формирователей 25 и 26 соответственно с входами исполнительных блоков 31 и 33. Сигналы вторых выходов пороговых элементов 36 и 39 поступают на вторые входы регистраторов 32 и 34, подключая их горизлнтальную развертку только в момент подключения исполнительных блоков 31 и 32 к формирователям 25 ч 26 соответственно. Таким образом происходит периодическое замыкание контактов ключей 29 и 30 и периодическое включение горизонтальной развертки регистраторов 32 и 34. Длительность включения пороговых элементов 36 и 39 определяется уровнем порога и частотой пробных колеаний, а коммутации ключей 29 и 30 происхоят со сдвигом по фазе на угол я/2 в момент времени, когда амплитуды колебаний и скорости колебаний штока 1 с зондом 2 близки к максимальному значению. Катушка 19 якоря 18 обратного преобразователя модуля упругости и катушка 14 статора 13 обратного преобразователя вязкости при отсутствии вещества 4 будут обесточены, так как входы исполнительных блоков 31-и 33 также обесточеизь При наличии вещества 4 в кювете 3 возникает сопротивление перемещению зонда 2, что приводит к появлению вьгходного сигнала датчика 17. В формирователе 25 формируется сигнал, пронорщюнальпый модулю упругости вещества, а в формирователе 26 - сигнал, пропоршюнальный его вязкости. Сигналы формирователей 25 и 26 в моменты максимальной деформации и максимальной скорости деформации достигают максимума. В моменты времени, ког да значения деформащ1И и скорости деформации обращаются в ноль, сигналы с формирователей 25 и 26 также обращаются в ноль. Так как клю чи 29 и 30 в зтот момент времени разомкнуты, то сигналы с выходов формирователей 25 и 26 не поступают на входы исполнительных блоков 31 и 33. В предлагаемом устройстве за счет использования дополнительных блоков - детектора, порогового элемента, ключа и блока настройки порога в каждом из измерительных каналов, исполнительные блоки 31 и 33 подключаются к выходам формирователей сигналов модуля упру гости 25 и вязкости 26 в течение коротких промежутков времени, причем исполнительный блок 31 канала модуля упругости в тот момент, когда амплитуда деформации, а следовательно, и упругое сопротивление деформащш достигает максимального значения, а вход исполнительного блока 33 канала вязкости подключают к выходу формирователя 26 сигнала вязкости в тот момент, когда амплитуда скорости деформации, а следовательно, и вязкое сопротивление деформации достигает максимального значения. В предлагаемом устройстве моменты времени достижения максимального значения амплиту ды деформации ее скорости определяются с помощью детекторов 35 и 38, пороговых элементов 36 и 39 и ключей 29 и 30 в обоих измерительных каналах. Если к моменту срабатывания порогового элемента 36 будет иметь место изменение выходзюго сигнала формирователя 25, то исполнительный блок 31 канала модуля упругости изменит ток в обмотке катушки 19 яко ря 18 обратного преобразователя модуля упругости до такого значения, чтобы скомпенсировать это изменение. При этом изменение сигнала на выходе исполнительного блока 31 будет пропор1шона.чьно изменению модуля упругости вещества, которое регистрируется регистратором 32 модуля упругости. Уменьщение амплитуды д ормации приведет к возвращению порогового лемента 36 в исходное состояние, отключению лючей 29 исполнительного блока 31 от формиователя 25 и остановке горизонтальной разверти регистратора 32, который фиксирует величиу, пропорщюнальиую модулю упругости исслеуемого вещества. При дальнейшем изменении деформации, увеличении ее в противоположную сторону до величины, равной порогу, вновь срабатывает пороговый элемент 36, включив горизонтальную развертку регистратора 32 и подключив ключей 29 выход формирователя ключем 29 выход формирователя 25 к входу испол1штельного блока 31. Если изменений модуля упругости за 1/2 периода деформации не произошло, то сигнал иа выходе исполнительного блока 31 не изменится, а в регистраторе 32 изменится только горизонтальное положение указателя. Срабатывание порогового элемента 39 происходит со сдвигом на угол 7г/2 относительно срабатывания порогового элемента 36, так как вход порогового элемента 39 связан с выходом детектора 38, детектирующего сигнал скорости перемещения щтока, поступающего с выхода усилителя 28 измерителя скорости перемещения щтока. Поэтому подключение входа исполнительного блока 33 к выходу формирователя 26 сигнала вязкости происходит в момент максимальной скорости деформации. Если к моменту срабатыва1шя порогового элемента 39 на выходе формирователя 26 сигнала вязкости будет иметь место изменение сигнала, то исполнительный блок 33 изменит значение тока в обмотке 14 статора 13 обратного преобразователя вязкости, а пороговый элемент 39 подключит горизонтальную развертку регистратора 34, где зарегистрируется значение вязкости во времени. Уменьщение сигнала с выхода усилителя 28 и, следовательно, с выхода детектора 38 канала вязкости до величины, равной порогу срабатывания порогового элемента 39, приведет к отклонению исполнительного блока 33 К.ШОЧОМ 30 и остановке горизонтальной развертки регистратора 34 вязкости, где зафиксируется значение нзмере1шой вязкости. Изменение знака скорости перемещения щтока и дальнейщее ее увеличение вновь приведет к срабатыванию порогового элемента 39 и подключению исполнительного блока 33 к форм1фователю 26 ключом 30 и включению горизонтальной развертки регистратора 34. Процесс компенсации и регистрации вязкости происходит аналогипю описа1шому процессу компенсации и регистрации модуля упругости. Реализащ1я устройства расишряет метрологические возможности вибрацио1гных эластовискозиметров, повышает их точность в широком диапазоне частот. Появляется возможность исследования с высокой точностью медленно протекающих процессов тромбообразования крови, структуирования, набухания различных полимеров. Исследование реологических характеристик веществ в области низкочастотных деформаций позволяет изучить их физико-механические свойства в условиях, близких к статическому деформированию. Формула изобретения Устройство для измерения вязкоупругих характеристик сред, содержащее корпус, кювету для исследуемой среды, шток с зондом, соединенный с приводом, обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из якоря с катуш кой и статора, обратный преобразователь вязкости, состоящий из якоря с катушкой и статора с катушкой, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости, регистраторы модуля упругости и вязкости, датчик перемещения и датчик усиления, выходами связанные через усилители с входами формирователя сигнала модуля упругости, исполните.пьный блок канала модуля упругости, первым входом связанный со входом катушки якоря обратного преобразователя мо дуля упругости, а вторым - со входом регистратора модуля упругости, измеритель скорости переме щения штока, связанный своим выходом через уси литель. сигнала измерите тя скорости со входом катушки якоря обратного преобразователя вязкости и с первым входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого связан с выходом усилителя сигнала датчика усилия, исполнительный блок канала вязкости, первым выходом связанный с катушкой статора обратно го преобразователя вязкости, а вторым - с входом регистратора вязкости, о т л н ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точнскти и расширения щшамического диапазона измерений ка}1алы модуля упругости и вязкости дополнительно снабжены детекторами, пороговыми элементами, блоками настройки порога и ключами соответственно, при зтом детектор канала модуля упругости своим входом связан через второй выход усилителя сигнала датчика перемещения штока с выходом датчика перемещения нггока, а выходом - с первым входом порогового элемента, второй вход которого соединен с блоком настройки порога, а первый выход - с вторым входом ключа канала модуля упругости, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала модуля упругости, выход ключа соединен с входом исполните.ЩзНого блока канала модуля утфугости, вход детектора канала вязкости через третий выход усилителя сигнала измерителя скорости перемещения штока связан с выходом измерителя скорости перемещения штока, а выход детектора канала вязкости соединен с первым входом порогового элемента канала вязкости, второй вход которого соединен с блоком настройки порога, а первый выхоп -с вторым входом ключа, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала вязкости, а выход ключа соещшен с входом исполнительного блока канала вязкости, вторые выхода пороговых элементов каналов модуля упругости и вязкости связаны с вторыми входами регистраторов. Источники 1шформации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР N 507805, кл. G 01 N 11/14. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2383852, кл. G 01 N И/14, 1976 (прототип).