Эластовискозиметр Советский патент 1981 года по МПК G01N11/16 

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств вещества, а именно к информационно-измерительным преобразователям и предназначено для определения вязкоупругих характеристик и материалов как органического, так и неорганического происхождения. Известно устройство 1 для измерения динамического модуля упругости G и динамической вязкости исследуемого материала, основанное на измерении модуля динамической системы и фазы ее колебаний с последующей корреляционной обработкой результатов измерений и расчетов величин GI и TI ПО аиалитическим выражениям с помощью ЦВМ. Выбором числа периодов для расчета корреляционных функциГ может быть достигнута высокая точность измерений измеряемых величин G и г) материала. Недостатком известного устройства является принципиальная невозможность измерения составляющих комплексного модуля материала при их изменении во времени. Кроме того, в расчетных формулах есть постоянные коэффициенты (упругость вспомогательных пружин, собственное демпфирование и др.), характеризующие электромеханическую часть, устройства, которые могут изменяться в зависимости от условий эксперимента, внешних условий, что, в конечном итоге, приводит к снижению точности измерений. Известно устройство, реализующее способ определения вязкоэластических свойств полимеров 2, содержащее корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества и датчик амплитуды перемещения штока. Это устройство позволяет получить информацию о комплексном модуле вещества, а такЛСе изучать процессы его изменения во вре.мени. Выделение модуля и фазы колебаний динамической системы либо определение составляющих комплексного модуля вещества нзвестным устройством требует вторичной обработки результатов, что значительно снижает точность измерений динамической вязкости и динамического модуля упругости. Известно устройство для измерения динамического модуля упругости вещества, например эластомер 3, содержащий корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества, датчики перемещения щтока н усилия, развиваемого исследуемым веществом, выходами связанные со входом формирователя сигнала канала модуля упругости, выходом связанного со входом исиолнительного блока канала модуля уаругости, выход которого связан со входом обратного преобразователя модуля yiipyrocni. Использование параметрического KOMiieHcaтора, реализованного в виде обратного преобразователя модуля упругости, позволяет обеспечить высокую точность измерения модуля упругости. В то время в большинстве технологических процессов требуется получение информации и о вязкой составляющей комплексного модуля. Одновременно измерение вязкости и модуля упругости вещества в ходе технологического процесса открывает возможности автоматизации измерений, решения задач стаоилизации физико-механических свойств конечного продукта.

Известен также эластовискозиметр 4J, содержащий корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих колебаний, кювету для исследуемого вещества, датчики перемещения щтока, усилия и скорости перемещения щтока, обратные иреооразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статора и якорей, закрепленных соответственно на корпусе и штоке, формирователи сигнала модуля упругости и вязкости, исполнительные блоки каналов модуля упругости и вязкости, причем выходы датчиков, перемещения штока и усилия соединены со входами формирователя сигнала модуля упругости, выход которого через исполнительный блок канала модуля упругости связан с якорем обратного преобразователя модуля упругости, а выходы датчиков перемещения штока и усилия соединены со входами формирователя сигнала вязкости, выход которого через исполнительный илок канала вязкости связан со статором обратного преобразователя вязкости, а выход датчика скорости перемещения штока связан с якорем обратного преобразователя вязкости.

Эластовискозиметр позволяет одновременно измерять вязкую и упругую составляющие комплексного модуля в достаточно широком диапазоне их изменения. Однако сложность конструкции, обусловленная наличием двух обратных преобразователей, датчики скорости перемещения штока и формирователей сигналов упругости и вязкости в виде аналоговых множительных устройств, имеющих невысокую точность, снижает точность измерения реологических характеристик веществ и требует фильтрации второй гармоники входного сигнала на выходах исполнительных блоков.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение конструкции и повышение точности измерения составляющих комплексного модуля.

Цель достигается тем, что в известный эластовискозиметр, содержащий корпус, щток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества, датчик перемещения штока, ооратный преобразователь, статор и якорь которого закреплены на корпусе и штоке соответственно, исполнительные блоки, первый из которых выходом подключен к об.мотке якоря и обратного иреооразователя, введены датчик задающего перемещения, блоки определения модуля и фазы комплексного модуля и фазовращатель, причем входы блоков определения модуля и фазы комплексного модуля связаны с выходами датчиков перемещения штока и задающего перемещения, первый вход фазовращателя соединен с выходом датчика перемещения штока, его второй вход - с выходом второго исполнительного блока, а выход - с осмоткой статора осратного преооразователя, входы первого и второго ислолннтельных иликов подключены к выходам блоков определения модуля и фазы комплексного модуля соответственно.

На чертел е нриведена схема предлагаемого эластовискизиметра.

Эластовискозиметр содержит электродвигатель 1, вал которого через профилированный кулачок 2 связан с подвижным стаканом 3, на наружной поверхности которого закреплена шторка 4 фотоэлектрического датчика задающих пере.мещений. Ь стакане 3 с помощью пружнны о упруго подвешен шток 6, на котором укреплены шторка 7 датчика неремещения штока, якорь обратного преобразователя с катушкой 8 и зонд 9, погруженный в кювету 1U с исследуемым веществом 11. Фотоэлектрические датчики задающего перемещения и перемещения штока включают также ненодвижные основания 12 н 13 и установленные на них источники излучения14 и 15 (например светодиоды и фотодиоды 16 и 17). Статор 18 обратного преобразователя с катушкой 19 укреплен на корпусе прибора (не показан). Кроме того, эластовискозиметр содержит блоки определения модуля 20 и фазы 21 комплексного модуля, представляющие собой соответственно амплитудный и фазовый детекторы, исполнительные блоки 22 и 23 каналов модуля и фазы, состоящие из последовательно соедиьенных интегратора и усилителя, регистрирующие блоки 24 и 25 каналов модуля н фазы и фазовращатель 26. Входы блоков определения модуля 20 и фазы 21 комплексного модуля соединены с выходами фотодиодов датчика перемещения щтока и задающего перемещения, а их выходы соединены со входами исполнительных блоков 22 и 23 канала модзля и фазы соответственно. Первый вход фазовращателя 26 соединен с выходом датчика перемещения штока, его второй вход - с первым выходом исполнительного блока канала фазы 23, а выход соединен с обмоткой IS статора 18 обратного преобразователя комплексного модуля, сбмотка якоря 8 обратного иреобразователя соединена с первым выходом иcпOv нитeльнoгo блока 22 канала модуля. Регистраторы 24 и 25 подключены к вторым выходам исполнительных блоков 22. и 23 каналов модуля и фазы соответственно.

Эластовискозиметр работает следующим образом.

Электродвигатель 1 вращает профилированный кулачок 2, который вынуждает подвижный стакан 3 соверщать колебания по синусоидальному закону. Эти колебания через пружину 5 передаются на щток 6 с зондом 9 и преобразуются соответствующими датчиками в электрические сигналы перемещения щтока и задающего перемещения, которые поступают с выходов фотодиодов 16 и 17 на блоки определения модуля 20 и фазы 21 комплексного модуля настроенных таким образом, чтобы при отсутствии вещества в кювете 9 их выходные сигналы принимают нулевые значения, что обуславливает отсутствие сигналов на входах исполнительных блоков 22 и 23 в каналах модуля и фазы, при этом на выходе фазовращателя 26, меняющего фазу колебаний, поступающих на его вход с выхода фотодиода 17 датчика перемещения щтока, в зависимости от сигнала с исполнительного блока 23 будет сигнал, равный по амплитуде и фазе сигналу датчика перемещения щтока. Этот сигнал поступает на обмотку 19 статора 18 обратного преобразователя, а в обмотке якоря 8 обратного преобразователя ток будет отсутствовать, таким образом, обратный преобразователь не будет развивать компенсирующего усилия и амплитуда и фаза перемещения штока будет обусловлена свойствами механической части прибора (упругостью пружины, массой, собственным демпфированием).

При наличии вещества в кювете 10, за счет его реологических свойств на заданной частоте деформации изменяется амплитуда и фаза перемещений щтока, что приведет к появлению сигналов на выходах блоков определения модуля 20 и фазы 21 комплексного модуля, которые пропорциональны изменению амплитуды и фазы перемещений щтока, пролорциокальных, в свою очередь, модулю и фазе комплексного модуля. Эти сигналы интегрируются и усиливаются в исполнительны.к блоках 22 п 23 и вызывают, с одной стороны - изменение фазы сигнала на выходе фазовращателя 26, с другой стороны - появление тока в обмотке якоря обратного преобразователя, обуславливающего появление компенсирующей силы, действующей на шток 6. Это будет происходить до тех пор, пока модуль и фаза силы компенсапии не будут равны по модулю и фазе силы, возникающей за счет вязко-упругих свойств вещества. При выполнении этого условия амплитуда и фаза перемещений щтока станет такой же, как и при отсутствии вещества, при этом

сигналы на выходах блоков определения модуля 20 и фазы 21 будут равны нулю, а сигналы на выходах исполнительных блоков канала модуля 22 и фазы 23 будут нропорциональны модулю и фазе комплексного модуля вещества, что зафиксирует соответствующие регистраторы 24 и 25. При необходимости получить информацию о вязкости и модуле упругости вещества сигналы с выходов исполнительных блоков могут поступать в вычислительное устройство, где ироисходит перемножение сигналов модуля соответственно на синус и косинус сигнала фазы.

Устройство позволяет упростить конструкцию эластовискозиметра за счет исключения одного обратного преобразователя, датчика скорости перемещения щтока и новысить точность измерения комплексного

модуля вещества из-за исключения аналоговых множительных устройств, что позволяет измерять реологические характеристики веществ с малыми значениями комплексного модуля упругости.

-л

Формула изобретения

Эластовискозиметр, содерх ащий корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества, датчик перемещения штока, обратный преобразователь, статор и якорь которого закреплены соответственно на корпусе и щтоке, и исполнительные блоки,первый из которых подключен к обмотке якоря обратного преобразователя, отличающпйся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности измерений, он снабжен датчиком задающего перемещения, блоками определенпя модуля и фазы комплексного модуля, фазовращателем, причем входы блоков определения модуля и фазы комплексного модуля связаны с выходами датчиков перемещения щтока п задающего перемещения, первый вход фазовращателя соединен с выходом датчика перемещения штока, его второй вход - с вы;;одом второго псполнптельного блока, а выход - с обмоткой статора обратного преобразователя, входы первого и второго исполнительных блоков подключены к выходам блоков определения модуля и фазы комплексного модуля соответственно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Rheol. Acta № 2, 1969, p. 201-205.

2.Авторское свидетельство СССР jXo 267163, кл. G 01N 11/16, 1968.

3.Авторское свидетельство СССР № 507805, кл. G 01N 11/14, 1974.

4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2383852/25, кл. G 01N 11/16, 1976 (прототип).