Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред Советский патент 1980 года по МПК G01N11/16 

1

Изобретение относится к технике исследования вяэкоупругих характеристик различных материалов, в частноети полимерных,в широком частотном диапазоне и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругйх свойств в динамических режимах совмещенного деформирования.

Известно устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругйх сред 1 путем наложения на исследуемую вязкоупругую среду гармонических колебаний, амплитуда которых превышает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа, и регистрации амплитуды колебаний чувствительного органа. При этсм не достигается высокая точность измерения вязкоупругйх характеристик материалов в процессе их изменения. Кроме того, устройство имеет узкий частотный диапазон.

Это объясняется тем, что вместе с изменением амплитуды свободных колебаний чувствительного органа в процессе измерений иэменяюьдихся во времени эязкоупругих характеристик изменяется частота и фаза этих колебаНИИ о Поэтому необходима дополнительная обработка результатов зкспериментов, что снижает точность измерений.

Ближайшим техническим решением к предложенному, позволяющим обеспечить высокую точность .измерений вязкоупругйх свойств в процессе их измерения и расширить частотный диапазон, является устройство 2,

0

Устройство содержит корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики абсолютного и относительного перемещения штока), датчик скорости абсо.пютного перемещения штока, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости исследуемых материалов, исполнительные блоки каналов модуля упругости и вязкости, выходы которых связаны с катушками статоров соответствующих преобразователей, а входы - с выходами соответствующих формирователей сигналов молуля упругости и вязкости, входы которых соединены с выходами датчиков абсолютного и относительного перемещения тока и скорости его абсо.гпотного пеемещения.

К недостаткам устройства следует тнести узкий диапазон частот деЛорации, который определяется физичесими параметрами механической части. величение частоты деформации привоит к снижению точности измерений.

Цель изобретеняя - повышение точности и расширение частотного диапазона измерений.

Указанная цель достигается за счет того, что устройство для измерения реологических характеристик вяэ коупругих сред дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлект рическим преобразователем, выполненным в. виде пьезокристалла, жестко свЯ занного противоположными гранями с держателем и наконечником в виде зонда с помощью крышки и накидной гайки. При этом выход генератора электрически связан с пьезокристаллом через электрически изолированные друг от друга держатель и крьаику.

Это позволяет реализовать дефор.мацию сдвига исследуемого вещества по всей длине зонда в широком диапазоне частот, что приведет к изменению его вязкоупругих свойств . Низкочастотная деформация вещества зондом при перемещении его вместе со штоком со стороны привода, измерение и обработка полученной информации с помощью измерителей, формирователей по каналам модуля упругости и вязкости, компенсация возникающего сопротивления вещ.ества с помощью ис-полнительных блоков и обратных преобразователей позволит измерить вязкость и модуль упругости вещества, соответствующие частоте генератора колебаний.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устрой.ства для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред.

Устройство содержит шток 1 с установленным на нем пьезоэлектрическим преобразователем, содержащим пьезокристалл 2, держатель 3, изоляционную втулку 4, крыдку 5, накидную гайку 6 и наконечник в виде зон,да 7; Пьезокристалл 2 жестко связан противоположными гранями с зондом 7 и держателем 3 с помощью накидной гайки б и крышки 5 через изоляционную втулку 4. В устройство входят также кювета 8 для исследуемого ма. териала 9, пруишна 10, размеаценная между пластинами 11 и 12 толкателя 13 и связанная со штоком 1 через скобу 14; кулачок 15, укрепленный на валу 16 привода 17 и связанный с толкателем 13,

На штоке 1 укреплены шторка 18 датчика абсолютного перемещения штока, шторка 19 датчика относительного перемещения штока, якорь 20 датчика Скорости абсолютного перемещения ; штока, выполненный в виде постоянного магнита, якорь 21 с катушкой 22 обратного преобразователя модуля упругости, якорь 23 с катушкой 24 обратного преобразователя вязкости.

Статоры 25 и 26 с катушками 27 и 28 обратных-преобразователей модуля упругости и вязкости-соответственно, кювета В, катушка 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, фотодиоды 30 и электрические.лампочки 31 датчика абсолютного перемещения штока укреплены на корпусе устройства (на чертеже не показан), а фотодиоды 32 с электрическими лам-почками 33 датчика относительного перемещения штока укреплены на пластине 12 толкателя 13. Первые выходы фотодиодов 30 и 32 через усилители 34 и 35 соответственно связаны со входом формирователя 36 сигнала модуля упругости, выход которого через 0 фильтр 37, настроенный на частоту

деформации привода 17, связан со входом исполнительного блока 38 канала .модуля упругости, первый выход которого подключен к катушке 27 статора 5 25 обратного преобразователя модуля упругости. Вход катушки 22 якоря 21 последнего через усилитель 39 связан со вторым выходом фотодиодов 30 датчика .абсолютного перемещении што0 кй/ а второй выход блока 38 подключен к входу рех-истратора 40 модуля . упругости. Второй выход датчика относительного перемещения и первый выход датчика скорости абсолютного 5 перемещения через усилители 41 и 42 соответственно связаны со входс1ми формирователя 43 сигнала вязкости, выход которого через фильтр 44, настроенный на частоту деформации при- вода, подключен к входу исполнительного блока 45 канала вязкости, первый выход которого связан со входом катушки 28 статора 26 обратного преобразователя вязкости. Вход катушки 24 якоря 23 которого через усилитель 46 соединен с вторым выходом кат1шки 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, а второй выход исполнительного блока 45 канала вязкости связан со входом регистратора 47 вязкости.

Выход генератора 48 электрически связан с верхней гранью пьезокристалла 2 через держатель-3, а с низкней гранью - через крышку 5 и накидную 55 гайку б .

Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред работает следующим образом.

При включении привода 17, настро60 анного на фиксированную деформацию, и отключении генератора 48 исследуемый материал 9, находящийся в зазоре между цилиндрическими стенками . кюветы В и коаксиально установленным 65 наконечником зонда 7, подвергается деформации с фиксированной амплитудои. Реакция материала 9 определяется его комплексннм модулем на заданной частоте деформации и выражается в том, что изменяется амплитуда и фаза выходн ых сигналов Фотодиодов 30 и 32 датчиков абсолютного и относительного перемещений штока и катушки 29 датчика скорости абсолютного перемещения. В формирователях 36, 43 сигналов модуля упругости и вязкости, представляющих собой множительные устройства, сигнал с первого и второго выходов фотодиодов 32 датчика относительного перемещения детектируется сигналом с первого вьлхода .фотодиодов 30 датчика абсолютного перемещения и сигналом, сдвинутьгм на угол , с первого выхода датчика скорости абсолютного перемещения. Поэтому на выходе формирователя 36 будет сигнал, пропорциональный активной составляющей комплексного модуля вещества, т, е. модулю упругости, а на выходе формирователя 43 - сигнал пропорциональный реактивной составляющей, т. е. вязкости вещества. В фильтрах 37 и 44 отфильтровывается ; двойная гармоника выходных сигналов формирователей 36 и 43 и на входы i исполнительных блоков 38 и 45 поступают сигналы, пропорциональные изменению модуля упругости и вязкости соответственно. Эти сигналы вызывают изменение токов на вьлходах исполнительных блоков 38 и 45, а следователь но, и токов в катушках 27 и 28 статоров обратных преобразователей модуля упругости и вязкости до тех пор и в ту сторону, пока электромагнитное усилие, возникшее на якоре 21 обратного преобразователя модуля упругости, полностью не скомпенсирует усилие, пропорциональное модулю упругости среды, а усилие, возникающее на якоре 23 обратного преобразователя вязкости, не скомпенсирует усилие пропорциональное вязкости среды, обес печив тем самым нулевые значения сигналов на выходах формирователей 36, 43 сигналов модуля упругости и вязкости. Частотный диапазон деформации веществ в этом случае ограничивается 100 Гц.

При включении генератора 48 возбуждается пьезокристалл 2. Вызывая . вибрацию наконечника зонда с часто1ой генератора, которая может достигать сотен килогерц, обуславливают тем самым расширение диапазона частоты деформации исследуемого материала .

Если частота вибрации пьезокристалла 2 значительно превосходит частоту деформации приводс 17, то комплексный модуль среды будет практически соответствовать частоте -вибрации пьезокристалла и, следовательно, на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на частоте вибрации .

Если частота вибрации пьезокристалла 2 соизмерима с частотой деформации приводом 17, то на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на смешанной частоте, т. е будут соответствовать режиму совмещеного деформирования.

Формула изобретения

Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред, содержащее корпус с размещенным в нем штоком, кювету, привод, регистраторы модуля ynpyrocTii и вязкости, датчики абсолютного и относительного перемещения, обратный преобразователь модуля упругости, формирователь сигнала модуля упругости, входы которого связаны через усилитель с пвыми выходами датчиков абсолютного и относительного перемещения, а его выход через фильтр связан со входом исполнительного блока канала модуля упругости, выход которого, в свою очередь, связан со входом катушки статора обратного преобразователя модуля упругости, датчик скорости абсолютного перемещения штока, обратный преобразователь вязкости, фор мирователь сигнала вязкости, входы которого связаны через усилитель с первым выходом датчика скорости абсолютного перемещения штока и вторым выходом датчика относительного перемещения, а его выход через фильтр связан со входом исполнительного блока канала вязкости, выход которого, в свою очередь, связан со входом катушки статора обратного преобразователя вязкости второй выход датчика абсолютного перемещения штока при этом через усилитель связан с катушкой якоря обратного преобразователя модуля .упругости, а второй выход датчика скорости абсолютного перемеадения штока - через усилитель связан ;с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости; регистраторы модуля упругости и вязкости своими входами связаны со вторыми входами соответствующих исполнительных блоков, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона измерений, оно дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде пьезокристалла, жестко связанного противоположными гранями с держателем и наконечником в виде зог)да с помощью крышки и накидной гайки, при этом выход генератора электрически подсоединен к пьезокристаллу через