Эластовискозиметр Советский патент 1981 года по МПК G01N11/16 

1

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств вещества, а именно к информационно-измерительным преобразователям и предназначено для определения вязкоупругих характеристик материалов как органического, так и неорганического происхождения.

Известно устройство для измерения динамического модуля упругости G и динамической вязкости il исследуемого материала, основанное на измерении модуля дина№€ческой систеьвй и фазы ее колебаний с последующей, корреляционной обработкой результатов измерения и расчетов величин G и по аналитическим выражениям с помощью ЦВМ. Выбором числа периодов для расчета корреляционных функций может быть достигнута высокая прочность измерений измepяe ыx величин G и Vj материала 1 J.

Недостатком известного устройства является принципиальная невозможность

измерения составляющих кo rшeкcнoгo модуля материала при их изменении во времени. Кроме того, в расчетных формулах есть постояннь е коэффициенты (упругость вспомогательных пpy собственное демпфирование и др./ , характеризующие Электр о-механи1 еск)ю часть устройства, которые могут изменяться в зависимости от условий эксперимента, внешних условий, что, в коtoнечном итоге, приводит к снижению точности измерений.

Известно устройство, реализующее способ определения вязкоэластичных

15 свойств полимеров, содержащее корпус, шток, с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества и датчик амплитуды перемещения штока. Это устройство

20 позволяет получить информацию о комплексном модуле вещества, а также изучать процессы его изменения во времени 2. 3 Однако выделение модуля и фазы колебаний динамической системы либо определение составляющих комплексного модуля вещества известным устройством требует вторичной обработки результатов, что значительно снижает точность измерений динамической вязкости и динамического модуля упругости. Известно устройство для измерения вязкой и упругой составляющих комплек сного модуля, содержащее корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества, датчик перемещения што ка, обратный преобразователь, статор и якорь которого закреплены соответст венно на корпусе и штоке, блоки опред . ления модуля и фазы комплексного модуля, фазовращатель и исполнительные блоки, 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 об моткой статора обратного преобразователя, входы первого и второго исполнительных блоков подключены к выходам блоков определения модул5§ и фа зы комплексного модуля соответственно, выход первого исполнительного блока подключен к обмотке якоря обратного преобразователя. Применение блоков определения модуля и фазы комплексного модуля в виде амопитудного и фазового детекторов позволяет обеспечить высокую точность измерения модуля и фазы комплексного модуля 3Однако в большинстве технологических процессов требуется получение информации о величинах вязкости и модуля упругости. Для определения их требуется дополнительное вычислительное устройство, содержащее перемножители. Кроме того, амплитудный и фазовый детекторы и особенно, фазовращатель, являются сложными техническими устрой ствами. Наиболее близким по технической реализации и максимальному количеству общих существеша1х признаков с заявля емым является эластовискозиметр, содержащий корпус, щток с зондом, связанный с приводом задакнцих колебаний, кювету для исследуемого вещества, датчики перемещения штока, усилия и скорости перемещения штока, обратные 1. 4 преобразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статоров и якорей, закрепленных соответственно на корпусе и штоке, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости, выполненнь1е в виде множительных устройств, 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 скорости перемещения штока и усилия соединены с входами формирователя сигнала вязкости, выход которого через исполнительный блок канала вязкости связан со статором обратного преобразователя вязкости, а выход датчика скорости перемещения штока связан с якорем обратного преобразователя. Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерения составляюп их комплексного модуля. Указанная цель достигается тем, что в известный эяастовискозиметр, содержащий корпус, шток fc зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету для исследуемого вещества, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статоров и якорей, закрепленных соответственно на корпусе и штрке, датчик перемещения штока, выход которого соединен с сигнальным входом формирователя сигнала модуля упругости, датчик скорости перемещения штока, выход которого соединен с якорем обратного преобразователя вязкости, исполнительный блок канала модуля упругости, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала модуля упругости, а выход связан с якорем обратного преобразователя модуля упругости, исполнительный блок канала вязкости, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала вязкости, а выход связан со статором обратного преобразователя вязкости, введены генератор импульсов фиксации, синхронизируюпщй вход которого связан с приводом эадающих перемещений, а формирователи сигналов модуля упругости и вязкости выполнены в виде управляемых ключей, причем управляющие входы формировате58

лей сигналов модуля упругости и вязкости соединены с соответствующими выходами генератора импульсов фиксации, а сигнальный вход формирователя сигнала вязкости соединен с выходом датчика перемещения штока.

На фиг. 1 изображена схема описываемого эластовискозиметра; на 4иг. 2 - один из возможных вариантов выполнения генератора импульсов фикссщии; на фиг. 3 - представлен график синхронизации выходных сигналов генератора импульсов (}иксации и перемещения стакана 3.

Эластовискозиметр содержит электродвигатель 1, вал которого через профилированный кулачок 2 связан с подвижным стаканом 35 в котором с помощью пружины 4 упруго подвешен шток 5, на котором укреплены шторка 6 фотоэлектрического датчика перемещения штока, якори обратных преобразователей модуля упругости и вязкости с катушками 7 и 8, якорь датчика скорости перемещения штока в виде постоявного магнита 9 и зонд 10, погруженный в кювету 1I с исследуемым веществом 12. Фотоэлектрический датчик перемещения штока включает также неподвижное основание 13 и установленные на нем источники 14 и приемники 15 излучения, например, светодиоды и фотодиоды. Статор обратного преобразователя модуля упругости, выполненный в виде постоянного магнита 16, статор обратного преобразователя вязкости с катушкой 17 и статор датчика скорости перемещения штока с катушкой 18 укреплены на корпусе прибора (не показан . Генератор импульсов фиксации 19 может быть выполнен (см. фиг. 2) в виде диска 20. закрепленного на валу электродвигателя 1 и имеющего отверстие 21 и два смещенных на 90 источника 22 и приемника 23 излучения, укрепленных на корпусе прибора с противоположных сторон от диска 20. Кроме того, Эластовискозиметр содержит формирователя 24 и 25 сигналов модуля упругости и вязкости, выполненные в виде управляемых ключей, исполнительные блоки 26 и 27 каналов модуля упругости И..ВЯЗКОСТИ, состоящие из последовательно соединенных интегратора и усилителя. Управляющие входы формиро вателей 25, 24 подключены к первому и второму выходам генератора импульсов фиксации 19 соответственно, а их сигнальные входы соединены с выходом

14

приемника излучения 15 датчика перемещения штока. Катушка 7 якоря обратного преобразователя модуля упругости через исполнительный блок 26 канала модуля упругости соединена с выходом формирователя 24. Катушка 8 якоря обратного преобразователя вязкости соединена с выходом катушки 18 статора датчика скорости, а катушка 17 статор обратного преобразователя вязкости через исполнительный блок канала вязкости 27 соединена с выходом формирователя 25.

Эластовискозиметр работает следующим образом.

При отсутствии вещества 12 в кювете 11 включение привода 1 вызовет гармоническое колебание стакана 3 вида XQ (t) a sinujt, что обуславливает появление периодического сигнала x(t) - AsiniDt +4 на выходе фотодиодов 15 датчика перемещения штока, амплитуда и фаза которого будет определяться амплитудой и частотой задающих колебаний стакана 3 и параметрами механической части устройства ( мае сой, собственным демп(1ированием, упругостью пружины). Этот сигнал поступает на сигнальные входы формирователей 26 и 24, на вторые входы которых поступают последовательности импульсов с первого и вт.орого выходов генератора импульсов фиксации 19 соответственно. Импульсные сигналы на выходе генератора 19 появляются в моменты прохождения отверстий 21 диска 20 между оптическими парами 22, 23. Диск 20 устанавливается на валу электродвигателя 1, т. е. чтобы импульсы,Z. на первом выходе генератора 19 появля- :. лись в -момент прохождения стаканом 3 своего среднего положения, т. е. в моменты времени, для которых OOt Ziui,

где п- +, 1, 2,... (см. фиг. 3). Так как вторая оптическая пара светодиод 22 - фотодиод 23 сдвинута по дуге на 90 относительно первой пары, то импульсы Zj( на втором выходе генератора появляются со сдвигом от-, носительно импульсов первого выхода на четверть периода следования импульсов, т. е. в моменты времени, для которых

U)t Т1(2К + 1/2), К О, 1, 2.-..

I

В моменты прихода импульсов с генератора 19 на управляющие входы формиро7вателей 24, 25, выполненных в виде у равляемых ключей, открываются и пропускают на выход сигнал с датчика перемещения штока. Формирователи настраиваются таким образом, чтобы в отсутствии вещества 12 амгагатуда импульсных сигналов на их выходах бьща равна нулю (это можно сделать, например смещением уровня сигнала на сигнальном входе ключей), В этом случае нулевыми будут сигналы на выходе исполнительных бло ков 26 и 27 и в обратных преобразова телях каналов модуля упругости вязкости не будут развиваться компенсирую1цие усилия. При наличии вещества 12 в кювете 1i возникает сопротивление движению зонда 0, которое обусловлено его комплексным модулем. Это вызовет изменение амплитуды и фазы колебаний штока 5 и, следовательно, амплитуды и фазы выходного сигнала датчика перемещения штока, сигнал с которого по ступает на сигнальные входы фор иирователей 24 и 25 сигналов модуля упру гости и вязкости. Это происходит потому, что формирователи позволяют вы делить соответственно действительную и мнимую части частотной характеристи ки эластовискозиметра, который в свою очередь пропорциональны соответственно активной и реактивной составляющим Комплексного модуля исследуемого вещества, т. е. модулю упругости и вязкости. Формула изобретения Эластовискозиметр, содержащий корпус, шток с зондом, связанный с приводом задающих перемещений, кювету дпя исследуемого вещества, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, состоящие из статоров и якорей, закрепленных соответственно на корпусе и штоке, датчик перемеще1ния штока, датчик скорости перемещения штока, выход которого соединен с якорем обратного преобразователя вязкости, формирователь сигнала модуля упругости, сигнальньй вход которого соединен с выходом датчика перемещения штока, и формирователь сигнала вязкости, исполнительный блок канала модуля упругости, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала модуля упругости, а выход связан с якорем обратного преобразователя модуля упругости, и исполнительный блок . канала вязкости, вход которого соединен с выходом формирователя сигнала вязкости, а выход связан со статором обратного преобразователя вязкости, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции и повьше шя точности измерений, в него введен генератор импульсов фиксации, синхронизирующий вход которого связан с приводом задающих перемещений, а формирователи сигналов модуля упру- гости и вязкости выполнены в виде управляемых ключей, причем управлякицие входы формирователей сигналов модуля упругости и вязкости связаны с соответствующими выходами генератора, импульсов фиксации, а сиснальный вход формирователя сигнала вязкости соединен с выходом датчика перемещения штока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Watson J. D. The n asurement о freguency characteristics applidto oscilatory testing in rheology. Red acta Bd -8, № 2, 1969, p. 201-205. 2.,Авторское свидетельство СССР по зайвке № 2777080, кл. G 01 N 11/16, 1979. 3.Авторское свидетельство СССР № 267163, кл. G 01 N 11/16, 1968. 4.Авторское свид.етельство СССР по заявке № 2383852, кл. G 01 N 11/16, 1976 (прототип).

//7777777У//7/

Фш

21 j //Х /хГ//Y//7//Y/Y//77 2Ь

Фи1.2

Фиг.5