Способ определения реологических характеристик веществ и устройство для его реализации Советский патент 1981 года по МПК G01N11/16 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ . ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО

,1.

Изобретение относится к области ;1сследования физико-механических свойств, конкретнее, к методам определения их реологических характеристик, и предназначено для определения вязкоупругих свойств веществ как органического, так и неорганического происхождения, например, в процессе их синтеза, при снятии релаксационного спектра веществ фиксированной физико-химической структуры.. Изобретение также может быть использовано при создании измерительных преобразователей для автоматического дистанционного управления различнымитехнологическими процессами, контроля вязкости и упругих свойств .топлива и различных жидких сред, в частности, при загрязнении рек и озер промышленными отходами и сточными водами.

Известен способ определения реологических характеристик веществ, основанный на вибрационном методе, осуществляемом путем периодической деформации образца, помещенного в кювету, от внешнего источника вибрации при помощи штока с зондом, погруженным в исследуемый образец. О реологических характеристиках образДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

ца при этом судят по изменению параметров колебаний штока с зондом Ц. По известному способу о вязкопругих свойствах вещества судят по разности между задаваемым и измеряемым углами поворота зонда, а раздельное определение уп эугой и вязкой составляющих комплексного модуля осущёствляют графически, при помощи двухко10ординатного регистратора. На графике по осям откладываются ве.г1ичины задаваемого и измеряемого воздействия. Если вещество обладает чисто вязки ми свойствами, то на графике будет

15 изображен прямоугольник, расположенный горизонтально, высота которого пропорциональна вязкости, а ширина величине, задаваемого угла поворота. ЕСЛИ вещество обладает упругими свойствами, то на графике будет изобра20жена прямая линия с наклоном, угол которого пропорционален величине модуля упругости. ЕСЛИ вещество обладает вязкими и упругими свойствами,

25 то прямоугольник, высота которого пропорциональна вязкости, будет повернут на угол, пропорциональный модулю упругости.

Таким образом, определение вязкой и упругой составляющих по этому способу требует дополнительной 1-рафо-пналитической обработки.

Недостатком такого способа является то, что снижается точность измерении при исследовании веществ с заданн 1ми физико-механическими свойствами, а его использование для исследования процессов изменения вязкости и модуля упругости веществ затруд(ительно, так как резко снижается точность измерений вследствие размазывания графика. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения реологических характеристик веществ путем деформации .исследуемой среды с помощью колебаний чувствительного элемента о внешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитуды этих колебаний и компенсации этого отклонения путем регулирования подвоДИМОЙ энергии 2.

Этот способ реализуют устройством содержащим корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со входами формрователя сигналаУпругости, выход которого соединен со входом исполнительного блока канала упругости, выход которого всвою очередь связан со ВХОДОМ обратного преобразователя модуля упругости.

Отклонения амплитуды колебания штока с зондом по известному способу обусловлены как вязкими, так и упругими свойствами исследуемого вещества.

Однако выделение вязкой и упругой составляющих и одновременное их измерение с высокой точностью невозможны

Использование в этом способе обратного преобразователя модуля упругости позволяет повысить точность измерения упругой составляющей, одна ко не позволяет полностью исключить взаимное влияние вязкой и упругой составляющих в процессе измерения а также выделить упругую составляющую .

Целью изобретения является повы.шения точности при одновременном измерении вязкой и упругой составляющих комплексного модуля и расширени диапазона измерений.

Это достигается тем,что по предлагаемому спосо.бу реакцию исследуемой среды определяют путем одновременного измерения амплитуды колебаний зонда чувствительного элемента, составляющих комплексного модуля, одна из которых пропорциональная усилию сопротивления деформации исследуемой среды, а вторая - скорости перемещения чувствительного элемента, формируют сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим комплексного модуля путем

перемножения составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформа ции соответственно с отклонением амплитуды колебаний чувствительного элемента зонда и скоростью его перемщения, устраняют влияние активной составляющей комплексного модуля на процесс измерения его реактивной составляющей, а на процесс измерения активной составляющей - влияние реак тивной составляющей комплексного модля, компенсируя отклонение вязкой и упругой составляющих комплексного модуля посредством создания усилий, равных им по величине и обратных по знаку с помощью обратных преобразователей вязкости и упругости-таким образом, что сводят к нулю их изменение с помощью исполнительных устройств канала модуля упругости и канала вязкости.

Такой способ может быть осуществлен, устройством для определения реолгических характеристик веществ, содежащим корпус, с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со входами формирователя сигнала упругости, выход которого соединен с входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою очередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости, снабженным измерителем скорости перемещенияшТока, обратным преобразователем вязкости, формирователем сигнала вязкости и исполнительным блоком канала вязкоети, причем статоры обратного преобразователя вязкости и измерителя скорости перемещения закреплены на корпусе устройства, а их якори укреплены на штоке и электрически связаны между собой, выход измерителя скорости соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого соединен с выходом датчика усилия/ а выход - со входом исполнительного блока канала вязкости, выход которого связан со статором обратного преобразователя вязкости.

Для изменения частбты пробных колебаний в широком диапазоне устройство снабжено блоком изменения частоты, связанным с приводом перемешения штока.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства для определения реологических характеристик.

Устройство содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2,погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4, Другой конец шгока через пружину 5, втулку 6, кулачок 7 и блок 8 изменения частоты связан с приводом 9, при помощи которого шток 1 и зонд 2 совершают колебательное движение заданной амплитуды и частоты, величина которой может изменяться в ыироком диапазоне. На корпусе (на черте же не показан) устройства установле ны датчик 10 перемещенчя штока 1, м нитопровод Не катушками 12 обратн го преобразователя упругости, посто янный магнит 13 измерителя скорости перемещения штока 1 и катушки 14 ст тора обратного преобразователя вязкости. На штоке 1 укреплены якорь 15 да чика 10 перемещения и якорь 16 датчика 17 усилия, корпус которого свя зан со втулкой 6, а выходной сигнал пропорционален разности входных колебаний и колебаний штока 1. На што ке 1 укреплены якорь 18 обратного преобразователя упругости, якорь 19 измерителя скорости перемещения што ка и якорь 20 обратного преобразователя вязкости. Выход датчика 10 перемещения эле трически связан с первым входом фор мирователя 21 сигнала упругости, вт рой вход которого связан со вторым -ВЫХОДОМ датчика 17 усилия, а выход с исполнительным блоком 22 канала упругости, выход которого в свою очередь связан с катушками 12 обрат ного преобразователя упругости. На якоре 19 измерителя скорости перемещений укреплена катушка 23, второ выход, которой электрически связан с обмоткой 24 якоря 20 обратного пр образователя вязкости, первый выход связан с первым входом формирователя 25 сигнала вязкости, второй вход которого электрически связан с первым выходом датчика 17 усилия, а выход - с исполнительным блоком 26 канала вязкости, выход которого эле трически связан с катушками 14 статора обратного преобразователя вязкости. Устройство для определения реоло гических характеристик веществ работает следующим образом. В случае отсутствия вещества 4 в кювете 3 при колебаниях штока 1 с зондом 2 от привода 9 выходные сигналы датчиков 1-7 и 10 и катушки 23 измерителя скорости определяются параметрами электродинамической системы, и формирователи 21 и 25 ..настраивают так, чтобы их выходные сигна лы были равны нулю. Это определяет отсутствие тока в катушках 12 и 14 обратных преобразователей. При наличии вещества 4 в кювете 3 возникает сопротивление перемещению зонда 2, что приводит к изменению выходных сигналов датчиков 10 и 17 и обмотки 23 якоря 19 измерителя скорости перемещения штока с зондом. В формирователе 21 формируется сигнал, пропорциональный упругим свойствам вещества, и это обусла ливает появление тока на выходе исполнительного блока 22 и в катушке 12 обратного преобразователя упругос ти, причем полярность сигнала в катушке 12 такова, что возникающая электромагнитная сила связи якоря 18 и сердечника 11 направлена встречно возникающему сопротивлению исследуемого вещества. Ток в катушке 12 изменяется до тех пор, пока не скомпенсируется полностью сила, сопротивления вещества, и сигнал на выходе формирователя 21 не станет равным нулю. Ток В катушке 12 обратного преобразователя упругости пропорционален модулю упругости вещества. .Возникающее изменение измеряемых . координат скорости штока с зондом и усилия приводит к отклонению выходной координаты формирователя 25 вязкости пропорционально вязким свойствам вещества, что обуславливает наличие сигнала на выходе исполнительного блока 26 и, следовательно, тока в катушке 14 статора обратного преобразователя вязкости. Знак тока в катушке 14 статора обратного преобразователя вязкости определяет направление магнитного потока таким образом, что возникающее в якоре 20 усилие направлено встречно вязко-упругому сопротивлению перемещению зонда 2 в исследуемом образце 4. Изменение тока в обмотке 14 статора обратного преобразователя вязкости происходит до тех пор, пока сигнал на выходе формирователя 25 не станет равным нулю, что определяет компенсацию вязкой составляющей вещества электромагнитной силой обратного преобразователя вязкости. Ток на выходе исполнительного блока 26 пропорционален вязкости вещества. Очевидно, что выходной сигнал формирователя 21 зависит как от упругой, так и от .вязкой составляющих комплексного модуля, поэтому компенсация вязких свойств исследуемого образца электромагнитной вязкостью обратного преобразователя вязкости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 21 от вязкой доставляющей. Компенсация.упругой составляющей модуля вещества с помощью обратного преобразователя упругости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 25 от упругой составляющей. Частотные свойства динамической системы остаются постоянными, что позволяет изменять в широких пределах частоту пробных колебаний зонда с помощью блока 8 изменения частоты. Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность одновременного, измерения модуля упругости и вязкости в любом диапазоне их изменения, позволяет получить новые сведения о кинетике, процессах полимеризации поликонденсации, процессах тромбообразования, так как впервые возникает возможность непрерывного и одновременного получения информации о динамических свойствах процессов структурирования, набухания полимеров, процессов коагуляции крови. Постоянство динамических свойств предлагаемого устройства обеспечива ет точную и достоверную информацию о вязкоупругих характеристиках исследуемого вещества в широком частот ном диапазоне пробных воздействий . Использование иэ.обретения в качестве измерительного преобразовате ля в технологических процессах синтеза новых материалов позволит полу чить значительный экономический эффект (примерно 150000 р на одно уст ройство). Формула изобретения 1. Способ определения реологичес ких Характеристик веществ путем деформации исследуемой среды с помощь колебаний чувствительного элемента от внешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитуды этих колебаний и компенсации этого отклонения путем регулирования подводимой энергии, отлича ющийся тем, что, с целью повышения точности при одновременном измерении вязкой и упругой составляющих комплексного модуля и расши рения диапазона измерений, реакцию исследуемой среды определяют путем одновременного измерения амплитуды колебаний чувствительного элемента, составляющих компексного модуля, одна из которых пропорциональна уси лию сопротивления деформации исследуемой среды, а вторая - скорости перемещения чувствительного элемент формируют сигналы, пропорциональные aкт fвнoй и реактивной составляющим комплексного модуля путем перемноже ния составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформации-соответствейГйо с отклонением амплитуды колебаний чувствительного элемента и скоростью его перемещения,, устраняют влияние активной составляющей комплексного модуля на процесс измерения его реактивной составлякицей, а на процесс измерения а.ктив ой составляющей - влияние реактивной составляющей комплексного моду- ля, компенсируя отклонение вязкой и упругой составляющих комплексного модуля посредством создания усилий равных им по величине и обратных по знаку, при помощи обратных пре образователей вязкости и упругости таким образом, что сводят к нулю их изменение при помощи исполнительных устройств канала модуля, упругости и канала вязкости. 2. Устройство для реализации способа по П.1, содержащее корпус с размещенными в нем штоком с зондом, кювету/привод, датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со входами формирователя сигнала упругости, выход которого соединен со входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою оч ередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости, о т личающеес я тем, что, оно снабжено измерителем скорости перемещения штока, обратным преобразователем вязкости, формирователем сигнала вязкости и исполнительным блоком канала вязкости, причем статоры измерителя скорости и обратно.го преобразователя вязкостц закреплены на корпусе, а их якоря закреплены на штоке и электрически связаны между собой, выход измерителя скоррсти соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого соединен с выходом датчика усилия, а выход - со входом исполни-, тельного блока канала вязкости, которого связан со статором обратного преобразователя вязкости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США, № 3722262, кл. 73-59, опублик. 1973. 2.Авторское свидетельство СССР № 507805, кл. G 01 N 11/14, 1974.