Устройство для измерения реологических характеристик материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N3/38 

Изобретение относится к исследованию механических свойств материалов, а именно к устройствам для измерения реологических характеристик материалов, и может быть использовано для измерения динамического модуля упругости, тангенс угла механических потерь и др; xapiairre ристик широкого класса материалов в широком диапазоне температур. Известно устройство для измерения реологических характеристик материалов, содержащее задакщий генератор, подключенный нему электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образца и прибор для измерения электрического импеданса катушки преобразовате ля, 1., Недостатком этого устройства является большая трудоемкость обработки результатов измерения. Наиболее близким к изобретению по технической сушности является устройство для измерения реологических харак- теристик материалов с помощью вьшужденных гармонических колебаний низкой частоты, содержащее последовательно соединенные регулируемый по частоте задающий генератор, имеющий два выхода, с фазами напряжений на этих выходах О и 90, регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор, усилитель мощности и электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образца исследуемого материала, вибронзмерительный преобразователь, блоки вьзделения действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца, к одним входам которых подключены выходы задающего гецератора с фазами напряжений О и 90 соответственно, и регистратор 2 . Однако, известное устройство вьтолнеио так, что в отсутствии образца в прЫ бразоваггеле нет сдвига фаз между напроженнем в перемещением подвижной катушки преобразователя. Дeфop П pyeмый офаэец изменяет характеристики преобразователя и выэьюает появление фазового сдвига. Если разложить вектор колебаний образца на действительную, т.е. совпадающую по фазе с напряжением фазы о генератора, И мнимую, т.е. сдвинутую на 9О°, составляющие, то величина действительной составляющей будет прсшорцибнальна динамическому модулю упругости, а мнимая - динамическому модулю потерь. Точность определения реологических характеристик зависит от точности выделения действительной и мнимой компонент колебаний И от точности измерительного (регистри- рующего) устройства. В известном устройстве производится прямое измерение выделенной компоненты и поэтому фазовы дискриминатор, определяющий точность блоков выделения, должен иметь высокую линейность во всем воа ложном диапазоне изменения угла фазового сдвига. Этот диапазон в обягютн углов, бпизкик к О и 90°, ограничен также уровнем шума и фона, поэтому точность тл лерепкя реологических характеристик материала, имеющего малые величины динамического модуля потерь, будет низкой. . Цель изофетения - повышение точнос ти измерения реологических характеристи материалов, имеющих малые величины динамического модуля потерь и, тем самым, расширение частотного диапазона измерения.Цель достигается тем, fro устройство снабжено дшюлнительными регуляторами напряжений обеих фаз, соеди;ненными с сумматором, серводвигателями, усилителями, задет-чиком уровня, источником пос тоянного стабшшзированного напряжения, элементом сравнения, двумя управляемьп и неуправляемыми делителями напряжени дополнительный регулятор напряжения фа О механически связан с серводвигателе подключенным к Выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения действительной составляюшей, , второй вход которого подключен к выход элемента сравнения, подключенного одним входом к ВЫХОДУ вифоизмерительного преофазователя, а другим входом через задатчик уровня - к выходу генератора с напряжением фазы О , а дополнительны регулятор напр$1жения фазы 9 О механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделе ния мнимой составляющей, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнешш, а задатчик уровня механически связан с регуляторами напряжений обеих фаз и неуправляемым де/пггелем напряжения, подключенным входом к источнику стабилизированного напряжения, а выходом - к входам управляемых делителей напряжения, каждый из которых механически связан с одним из дополнительных регуляторов напряжения и соединен выходом с регистратором. Устройство содержит регулируемый по частоте задающий генератор 1, нме- кяций два выхода с фазами напряжений на этих выходах О и 9О°, регутшторы 2-5 напряжений фаз О и 90 , дополнительные регуляторы 6 и 7 напряжений фаз О и 90 соответственно, сумматор 8, к которому подключены выходы регуляторов 2-5 и дополнительных регуляторов 6 и 7,. последовательно соединенные после сумматора 8 усилитель 9 мощности и электромеханический (электромагнитный, электродинамический) преобразователь 1О, служащий для возбуждения колебаний образца 11, помешенного в гермокриокамеру 12, оснащенную терморегулятором 13, компенсатор 14 нормальных НЁШряжений, возникающийв образце при изменении температурного режима, виброизмерительный преобразователь 15, к которому подключен одним входом элемент 16. сравнения, задатчик 17 уровня, выход котоцого подключен к второму входу элемента 16 сравнения, а вход - к ВЫХОДУ генератора 1 с напряжением фазы о, блоки 18 и 19 выделения действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца 11, один вход каждого из которых подключен к выходу элемента 16 сравнения, второй вход блока 18 подключен к выходу генератора 1 с напряжением фазы О, а второй вход блока 19 - к выходу генератора 1 с фазой напряжения 90°, усилители-20 и 21, подключенные к выходам блоков 18 и 19 соотвественно, подключеншле к выходам усилителей 2О и 21 серводвигатели 22 и 23, источник 24 стабилизированного напряжения, подключенный к нему неуправляемый делитель 25 напряжения, который механически связан с задатчиком 17 уровня, управляемые делители 26 и 27, которые механически связаны с дополнительными регуляторами 6 и 7 и подключены к выходу неуправляемого делителя 25, логарифмические усишггели 28-30, входы которых подклгочоны сосп ветствеино к выходам управляе пах делителей 26 и 27 и механически соединены с задатчиком частоты {на чертеже не показан) задающего генератора 1 регуляторы 2 и 3 соединены с задатчиком частоты задакщего генератора, регуляторы 4 и 5 соединены, с аадатчиком 17 уровня, а дополнительные регуляторы 6 н 7 связаны с серводвигателями 22 и 23 соответственно. Устройство работает следующим образом. . В исследуемом образце 11, помещенном в термокрнокамеру 12, температура в I которой может быть задана постоянной или изменяться по определенной программе, возбуждаюггся с помощью элек- . тромеханического преобразователя Ю, питаемого усилителем 9 мощности, крутильные колебания, частота н уровень ко торых задаются генератором 1. Для оп- ределения действительной составляющей вектора колебаний образца 11 сигнал с виброизмерительного преобразователя 15 подается на вход блока 18 вьщеления действительной составляющей через элемент 16 сравнения. На второй вход блока 18 поступает напряжение генератора 1 с фазой О Блок 18 выделетет действительной составлякацей выбирает из сигнала вифоизмерктепьного преобразователя 15 часть напряжения, совпадающего с напряжением фазы О генератора 1. Это выделенное напряжение усиливается усилителем 2О и подается на сер водвигатель 22, который перемещает движок дополнительного регулятора 6 таким образом, чтобы уровень действительной составляющей вектора колебаний образца стал равен заданному уровню. При достижении заданного уровня напряжения на входах элемента 16 сравнения станут равными и серводвигеггель 22 остановится. Напряжение, снимаемое с управляемого делителя 26 и пропорциональное напряжению, снимаемому с допол нительного регулятора 6, определяющего уровень действительной составляющей вектора колебаний образца, через логарифмический усилитель 28, определякщий вид масщтаба регистрации, подается на

регистратор 31.

Для выделения мнимой составляющей ; вектора колебаний образца сигнал ви оизмерительного преобраэоватетш 15 подается через элемент 16 с|:1авнения на блок 19, на второй вход которого поступает напряжение с фазой 9О генератора 9

управляемые делителя 26 и 27, посредством которых на регистратор 31 подаются постоянные напряжения, пропорциональные переменным напряжениям, снимаемым с движков дополнительных регуляггоров 6 и 7, т.е. пропо|5циональные динамическим модулям упругости и потерь исследуемого материала. 976 1. Блок 19 выбирает но сигнолп пиброизмерительного преобразователя 15 часть напряжения, совпадающую по фазе с напряжением фазы 9СР генератора 1. Выделенное напряжение подается через усилитель 21 на серводвигатель 23, который перемещает движок дополнительного регулятора таким образом, чтобы уровень мнимой составляющей сигнала виброиэмеритшьного преобразователя 15 стал равен нулю. Напряжение, снимаемое с управляемого делителя 27 и пропорциональное напряжению, снимаемому с дополнительного регулятора 7 и компенсирующему мнимую составляющую вектора колебаний образца, через логарифмический усилитель 29 подается на регистратор 31. Запись действительной и мнимой составляющих вектора колебаний оброзиа производится в функции частоты. Развертка регистратора 31 по оси частот осуществляется с помощью механически связанного с задатчиком частоты генератора логарифмического усилителя ЗО. Регуляторы 2-5 напряжештя служат для компенсации сдвига фазеы межцу напряжением О фазы генератора и перемещением подвижной катущки электромеханического преобразователя Ю без обраэца при различных амплитудах и частотах колебаний.-Снимаемое с даюкка регулятора 7 напряжение фазы 90 ко ипенсирует сдвиг фазы, вызванный наличием потерь в материале образца 11, поэтому блок 19 всегда работает как индикатор нулевого уровня. Такой режим работы позволяет значительно повысить разрещающую способность устройства, а это, в свою очередь, повышает точность определения характеристик материалов, особенно имекэщих малые величины модути динамических потерь. Нижний предел диапазона рабочих частот, при которых определяются реологические характеристики материала, составляет десятые доли герца, поэтому непосредственная регистрация амплитуды выходного пере менного напряжения генератора представпяет значительные трудности. В предяагаемом устройстве, для этой цели служат

Повышение разрешающей способности блоков выделения и, как следствие этого, повышение точности определения характеристтси материалов с малыми величинами модуля динамических потерь и расширение частотного диапазона испытаний в область низких частот, позволяет значительно расширить диапазон материалов, исследуемых с помощью предлагаемого устройства.

Ф о

рмула изобретения

Устройство для измерения реологичес них характеристик материалов с помощью вынужденных гармонических |солебаний низкой частоты, содержащее последовательно соединенные регулируемый по частоте задающий генератор, имеющий два выхода с фазами напяже- НИИ на этих выходах О и 90 , регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор, усилитель мощности и электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний исследуемого материала виброизмерительный преобразователь, блоки выделения действительной и мнимо С1эставляю1дих вектора колебаний образца к одним исодвм которьвс подключены выходы эадакяцего генератора с фазами напряжений О и 90° соагветственно, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения реологические х актеристик материалов, нмеюиоис малые величины динамического модуля потерь, и расширения частотного диапазона измерения, оно снабжено дополнительными регуляторами напрял е1П{й обеих фаз, соединениыми с c TviMaTopoM, серводвигателями, усшпгтелями, задатчиком уровня, источником постоянного стабилизиро1шнного нап яжешш, элементом сравнения, двумя управляемыми и неуправляемыми делителями напряжения, дополнительный регулятор напряжения фазы О механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения действительной составляющей, .второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, подключенного одним входом к выходу виброизмерительного преобразователя, а другим входом через задатчик уровня - к .выходу генератора с напг1яжением фазы О, а дополнительный регулятор напряжения фазы 90 механически связан с серводвигателем, подключённым к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения мнимой составляющей, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, а задатчик уровня механически связан с регуляторами напряжений обеих фаз и неуправляемым делителем напряжения, подключенным входом к источнику стабилизированного напряжения, а ньЕХодом - к входам управляющих делителей напряжения, каждый их которы механически связан с одним из дополнительных регуляторов напряжения и соеди. нен выходом с регистратором. Источники инфармации, принятые во внимание при экспертизе

1.Дж. Ферри. Вязкоупругие свойства полимеров. М., Иностранная литература 1963, с. 135-139.

2.Патент Японии № 18280, кл. 112 Т 1, 1963 (прототип).

са

Л

tr

If I

L5J

i;