Способ измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей Советский патент 1982 года по МПК G01N11/16 G01N29/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ И СДВИГОВОЙ ВЯЗКОСТЕЙ

1

Изобретение относится к приборостроению и может быть применено при акустических методах контроля состава и свойств веществ в промышленных и лабораторных условиях.

Известен акустический способ измерения реологических характеристик различных сред, заключающийся в том, что в контролируемой среде возбуждают акустические колебания, определяют акустические параметры (наиболее часто - это скорость распространения и коэффициент затухания акустической волны), характеризующие свойства среды и далее с помощью известных аналитических зависимостей судят о контролируемом параметре 1.

Недостатком такого способа является низкая точность измерения определяемых величин, обусловленная методической погрешностью, возникающей при измерении абсолютных акустических параметров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения вязкости полимерных материалов, заключающийся в том, что в контролируемой среде последовательно возбуждают

акустические колебания двух различных частот, измеряют коэффициент затухания на этих частотах и определяют отношение объемной и сдвиговой 1 вязкостей по формуле

4 /ot;- ijt/L /14

t)3

где oL -- экспериментально измеренное значение коэффициента затухания; кл коэффициент затухания, рассчитанный согласно классической теории распространения звука поформуле Стокса-Кирхгофа, которая приписывает затухание лишь сдвиговой вязкости, растущее пропорционально квадрату частоты 2.

Недостатком прототипа является его низкая точность, обусловленная необходимостью измерения абсолютного значения коэффициента затухания и низкой точностью величин, используемых в качестве исходных при аналитических расчетах.

Действительно, измерение абсолютного значения коэффициента затухания объективно отягощено методической ошибкой, обусловленной главным образом неидеальностью ввода акустической энергии в исследуемую среду. На практике к этому добавляются некотролируемые ошибки, вызванHbie, например, образованием на поверхности излучателя полимерной пленки, акустической неоднородностью среды и т. п. Низкая же точность величин, используемых при аналитических расчетах, обусловлена практически всегда имеюш.им место несоответствием параметров среды (плотность, температура, давление и т. п.), применяемых при расчетах, действительным параметрам среды в момент измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей, основанному на прозвучивании исследуемой среды акустическими волнами разных частот и определении характеристик, связанных с затуханием этих волн, периодически изменяют частоту акустических волн в заданное число раз, большее чем 1,3,. задавая при этом низкую частоту не менее чем в 10 раз выше характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют первый сигнал, пропорциональный разности коэффициентов зётухания волн на крайних частотах, вновь изменяют частоту акустических волн в то же самое число раз, большее, чем 1,3, однако во втором случае задают максимальную .частоту такой, чтобы она была не менее чем в 10 раз ниже характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют второй сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, а по отношению первого и второго сигналов судят об отношении объемной и сдвиговой вязкостей.

На фиг. 1 изображена зависимость квадрата фазовой скорости С акустических коллебаний от частоты V и условно показаны спектральные составляющие частот, используемых по описываемому способу; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие способ.

По описываемому способу осуществляют первоначальное прозвучивание исследуемой среды на частоте W2. Конкретное значение частоты Wz определяют из условия выполнения неравенства W2 10pW. где W - характеристическая частота релаксации, известная величина, феноменологических связанная с реологическими характеристиками исследуемой среды. Выбранное неравенство Wa/Wp 10 обеспечивает практическое постоянство фазовой скорости С на частотах в диапазоне от V2 до W).

Далее увеличивают частоту Wa в 1 раз, переходя тем самым к прозвучиванию контролируемой среды на частоте W2.

Значение 1 выбирают из условия обеспечения заданной точности определения величины изменения коэффициента затухания акустических колебаний, которое появляется вследствие изменения частоты прозвучивания. При этом руководствуются данными об изменении коэффициента затухания и реаль.ной разрешающей способности при° емно-измерительного устройства. Для большинства случаев практического применения число I определяется в интервале с нижней границей, равной. 1,3.

Путем периодического изменения частоты прозвучивания получают на выходе при емно-измерительного устройства периодически изменяющийся сигнал, переменная составляющая которого пропорциональна отношению сдвиговой вязкости к плотности контролируемой среды j (фиг. 26). Действительно, если в выражение для коэффициента затухания ot акустических колебаний в вязкой среде

.,, W г 4 j.«4

(3) - -2JC S +)

(где W - круговая частота колебаний, С - скорость звука в среде) подставить значение коэффициента объемной вязкости f на частотах выше частоты релаксации WP)

.(4)

(где Се и Со - скорость звука при частоте, стремящейся к бесконечности и к н.улю), 35 то после предельного перехода по условию W/WP 1 (в нащем случае W/Wp 10) получим выражения для коэффициентов затухания на крайних частотах прозвучивания Wi и Wa:

cC(W.).A4.V(Cl-C|) (5)

40

3Cl JJ 2C| И из условия W| CWa

:yi: :.2

c)- (6)

i(W,) за + га Амплитуда огибающей сигнала А равна (фиг. б). А, oi(W,)-(W2) (12-1)х г rL 5с J В результате выполнения этих операций получают не только промежуточную информацию о величинах, характеризующих контролируемую среду, и но и повышают точность их измерения по сравнению с прототипом, так как при выделении амплитуды огибающей исключаются не только аддитивные составляющие, обусловленные объем ной вязкостью, что следует из выражения (5) но и те составляющие, которые обусловлены, например, полимеризационной пленкой, неконтролируемо образующейся на поверхности преобразователя. Изменяют частоту и вновь прозвучивают контролируемую среду. Как и раньше осуществляют периодическое изменение частоты в 1 раз, однако при этом, сохраняют отнощение более высокой частоты Wj (фиг. 1 и 2 а) к характеристической частоте релаксации менее 0,1. В результате периодического измерения частоты проЗ:Вучивания на выходе приемно-измерительного устройства получают попеременно изменяющийся сигнал (фиг. 26), При этом, когда прозвучивание осуществляется на частоте W, этот сигнал равен (л ) + а при прозвучивании на частоте Wj ,1W.4 ci(W3) (i +5)-(9) Выделяют переменную составляющую сигнала, пропорциональную сумм сдвиговой .и объемной составляющих вязкости, А2-(Г +)ci(W3) -bL(W4) ()(fT+1),(10) приводят ее к значению AI -.(i+T-b (П W| Со и, выделив переменную составляющую А приведенного сигнала , судят об измеряемом отнощении А - 4W|ct J - kA ТHS . - i fiИз последнего вь1ражения видно, что благодаря выполнению указанных выще операций результат измерения определяется измеримым отнощением 1/Jj и коэффициентом пропорциональности k. При этом можно утверждать, что величины, определяющие коэффициент пропорциональности k, имеют детерминированные значения и в отличие от прототипа, практически не зависят от времени, внещних и внутренних условий. Действительно, погрещность определения частот Wa, W не превыщает значений 10 10 Вместе с этим, в случае выполнения указанных соотнощений рабочими частотами и частотой релаксации погрещность определения значения фазовой скорости распространения акустических колебаний Со и С также является малой величиной по сравнению с методическими погрещностями методов, применяемых для определения реологических характеристик жидких сред. И результат измерения не отягощен погрещностями, возникающими за счет изменения- плотности контролируемой среды в момент измерения. Это достигается тем, что устраняется необходимость измерения абсолютного значения коэффициента затухания акустических колебаний. Таким образом, применение предлагаемого способа измерения отнощения объемной составляющей вязкости позволяет повысить точность определения отнощения объемной и сдвиговой вязкостей. Формула изобретения Способ измерения отнощения объемной и сдвиговой вязкостей, основанный на прозвучивании исследуемой среды акустическими волнами разных частот и определении характеристик, связанных с затуханием этих волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения отнощения объемной и сдвиговой вязкостей, периодически изменяют частоту акустических волн в заданное число раз, больщее чем 1,3, задавая при этом низкую частоту не менее чем в 10 раз выще характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют первый сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, вновь изменяют частоту акустических волн в то же самое число раз, большее чем 1,3, однако во втором случае задают максимальную частоту такой чтобы она была не менее чем в 10 раз ниже характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют второй сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, а по отнощению первого и второго сигналов судят об отнощении объемной и сдвиговой вязкостей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 699399, кл. G 01- N 11/14, 1979. 2. Потапов А. И., Игнатов В. М., Александров Ю. Б Технологический неразрущающий контроль пластмасс. Л., «Химия, 1979, с. 7-8 (прототип).

{

а3

3

«

3

t

- -

I. S

J.

t

и «

3

CS.

h3

къ 3

Iээ

сао

Xi «ч и Xi

«s

3 в

3

Ua