Эластовискозиметр Советский патент 1983 года по МПК G01N11/16 

(54) ЭЛАСПГОВИСКОЗИМЕТР

Изобретение относится к измерению и регистрации вязкоупругих характерис-л тик различных материалов, в частности полимерных, и может бьпъ использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругих свойств во времени в широком i диапазоне частот. По основному авт. св. № 864О62 известно устройство для измерения вязкоупругих характеристик веществ, содержащее корпус, кювету для исследуемого вещества, закрепленную на корпусе, шток с зондом, кинематически связанный с приводом задающих колебаний обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из статора с катушкой и якоря, вьшолненного в виде постоянного магнит укрепленных соответственно на корпусе в штоке, обратный преобразователь вязкости, состоящий из статора с катушкой и 51коря с катушкой, укрепленных cooreet ственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного н относительного перемещений штока, датчик скорости абсолютного перемещения штока, выход которого связан через усилитель с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости, каналы измерена модуля упругости и вяз- кости, содержащие формирователи сигналов модуля упругости и вязкости соответ ственно, первые входы которых подключены к выходу датчика относительного перемещения штока, регистрации н исполнительные блоки, выход каждого из которых подключен к катущке статора одноименного обратного преобразователя и к входу соответствующего блока регистрации, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения щтока, а второй вход формирователя сигнала вязкости - к выходу усилителя. Выход формирователя сигнала в каждом канале измерения соединен с входом соответствующего исполнитвлыю го Gnosafi Это устройство позволяет с высокой точностью измерить модуль упругости и Бязкостя исследуемогх) образца на заданной фиксировтпюй частоте деформации вещества. К недостаткам этого устройства относится узкий диапазон частоты деформаШП1 вследствие сильной зависимости результатов измерения от стабильности частоты и амплитуды задающих колебаний, от стабильности характеристик датчиков и параметров механической части. Сигналы на выходе формирователей изменяться пропорционально как измеряемым параметрам исследуемого вещества, так и квадрату амплитуды перемещения штока, которая определяется амплитудой задающих колебаний и, кроме того, собственными динамическими харак теристиками штока при отсутствии веще- CTEwa, а именно жесткостью пружины, че- рез которую передаются задающие коле- бан1ш на шток, собственными демпфирующими силами штока и параметрами сигна лов настройки формирователей для данной частоты задающих колебаний. Изменение частоты задающих колебаНИИ, связанное с нестабильностью частоты или с переходом на другую измеряемую частоту, приведет к изменению величины сил инерции штока пропорционально квадрату частоты задающих колебаний что вызовет либо ошибку измерения моду ля упругости вещества, либо необходи- мость перестройки устрЪйства на новую задаюшую частоту, что существенно усложняет эксплуатацию данного устройства при большом числе фиксированных час тот задающих колебаний. Данное устройство не может работат в режиме непрерьшно изменяющейся частоты задающих колебаний, так как в этом случае потребуется непрерьюная подстройка каналов измерения модуля упругости и вязкости, которую невозмож но произвести в режиме измерения реоло гичес1сих свойств исследуемого вещества. Цель изобретения - повьпиение точнос ти измерения в широком диапазоне частот задающих колебаний и обеспечение возможности измерения при непрерьтном изменении задающей частоты. Указанная цель достигается тем, что в эластовискозкметр, содержащий корпус кювету для исследуемогю вещества, закрепленную на корпусе, шток с зондом, кинематически связанный с приводом задающих колебаний, обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из статора с катушкой и якоря, вьшолиенно- ГО в виде постоянного магнита, укрепленных соответственно на корпусе и штоке, обратный преобразователь вязкости, состоящий из статора с катущкой и якоря с катущкой, укрепленных соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости абсолютного перемеще,ния штока, выход которого связан через усилитель с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости, каналы измерения модуля упругости и вязкости, содержащие формирователи сигналов модуля упругости и вязкости соответственно, входы которых подключены к выходу датчика относительного перемещения штока, блоки регистрации к исполнительные блоки, выход каждого из которьк подключен к катущке статора одноименного обратного преобразователя и к входу соответствующего блока регистрации, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения щтока, а второй вход формирователя сигнала вязкости - к выходу усилителя, в каждьй из каналов измерения введен блок коррекции сигнала по ааиплитуде и частоте колебайий штока, включающий квадратор, суммирующий усилитель и блок деления, первый вход которого через суммирующий усилитель подключен к выходу формирователя сигнала одноименного канала измерения, второй вход подключен к выходу Квадратора, а выход - к входу исполнительного блока этого же канала, при этом вход квадратора канала измерения модуля упругости подключен к вькоду датчика абсогаотного перемещения штока, вход квадратора канала измерения вязкости подключен к выходу усилителя, а его вькод - к бторым входам суммирующих усилителей обоих каналов измерения. На чертеже приведена схема предлагаемого эластовискозкметра. Эластовискозиметр содержит шток 1, связанньй одним концом через пружину 2, закрепленную в стакане 3, с профилированным кулачком 4 привода 5, а другим концом через плунжер 6, погруженный в исследуемое-«вещество 7, с кюветой 8, жестко закрепленной на корпусе эластовискозиметра. На щтоке 1 также укреплены шторка 9 датчиков абсолют} ого и отаосительного перемещений штока 1, якорь Ю обратного преобразователя модуля упругости и якорь 11 датчика 5: скорости neiieMeiueiiHfl штока 1, вьпюлнен ные в виде постояга1ых магнитов, а также якорь 12 с катушкой 13 обратного преобразователя вязкости. На корпусе эпастовискозиметра установлень корпус 14 датчика абсолютного перемещения што 1 с пампочками 15 и фотодиодами 16, статор 17 с катушкой 18 обратного преобразователя модуля упругости, статор 19 с катушкой 20 обратного преобразователя вязкости и катушка.21 датч скорости перемещения штока 1. На стакане 3 жестко закреплены корпус 22 с лампочками 23 и фотодиодами 24, выхо которых подключен к первым входам фор мирователя 25 сигнала модуля упругост и формирователя 26 сигнала вязкости. Второй вход формирователя 25 сигнала модуля упругости соединен с фотодиодами 16 датчика абсолютного перемещени штока 1, а катушка 13 якоря 12 обратн го преобразователя вязкости и второй вход формирователя 26 сигнала вязкости подключены через усилитель 27 к выходу катушки 21 датчшса скорости перемещения штока 1. Выходы исполнительных блоков 28 и 29 каналов измерения модуля упругости и вязкости подключены к катушкам 18 и 2О статоров 17 и 19 обратных преобразователей модуля упругости и вязкости и к блокам ЗО и 31 регистрации соответствующих каналов измерения. Каналы измерения модуля, упругости и вязкости включают в себя соответст вешю блоки 32 и 33 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока 1. Блок 32 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока 1 канала измерения модуля упругости содержит квадратор 34, вход которого подключен к фотодиодам 16 датчика абсолютного перемещения штока 1, суммирующий усилитель 35 и блок 36 деле ния, первый вход которого через суммирующий усилитель 35 подключен к выхЬду формирователя 25 сигнала модуля упругости, второй вход - к выходу квадратора 34, а выход- к входу исполнигель Ного блока 28 этого же канала измерения. Блок 33 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока также содержит квадратор 37, вход которого подключен через усилитель 27 ккатуш ке 21 датчика скорости перемещения штока 1, суммирующий усилитель 38 и блок 39 деления, первый вход которого через суммирзюший усилитель 38 под- клзочпн к выходу формирювателя 26 сиг2«папа вязкости, а №1ход - к входу исполнительного (блока 20, причем выход квадратора 37 подклрэчен к второму входу блока 39 деления и к вторым входам суммирующих усилителей 35 и 38 обоих блоков 32 и 33 коррекции. Эластовнскозиметр работает следующим образом. При отсутствии вещества 7 в кювете 8 приводом 5 устанавливают фиксированную частоту вращения профилированного кулачка 4, сжимающего через стакан 3 пружину 2. Деформация сжатия пруж1шы 2 передается на шток 1 с зондом 6, которьй будет колебаться по синусоидальному зйкону, но с амплитудой и фазой оттгчающимися от колебаний стакана 3, что обусловлено собственным демпфированием и силами инерции штока 1. Сигналы с фотодиодов 16 и 24, пропэрциональные соответственно абсолютному и относительному перемещениям штока 1, перемножаются в формирователе 25 сиг- нала модуля упругости. Таким образом, в формирователе вырабатьтается сигнал, пропорциональный силам упругого сопротивления вещества и силе инерции щтока 1, так как ускорение штока 1 совпадает по фазе с его перемещением. Сигнал с выхода катушки 21 датчика скорости абсолютного перемещения штока 1, пропорциональный амплитуде и частоте колебаний штока 1, через усилитель 27 поступает в квадратор 37, выходной сигнал которого пропорционален квадрату частоты колебаний штока 1 и, следовательно, его силе и 1;ерции. Выходные сигналы формирователя 25 и квадратора 37 вычитаются один из другого в суммирующем усилителе 35, чем обеспечивается независимость вьгходного сигнала суммирующего усилителя 35 от сил инерции штока 1. Выходной сигнал суммирующего усилителя 35 в блоке 36 деления нормируется по амплитуде сигналом фотодиодов 16 датчика абсолютного перемещения штока 1, поступающим через квадратор 34 на второй вход блока 36 деления. Коэффициенты передачи фо1 мирователя 25 сигнала модуля упругости и квадр)атора 37 выбираются таким о&разом, чтобы сигналы на выходе суммирующего усилителя 35 и выходе исполнительного блока 28, выполненного в виде интегратора, были равны нулю. Этим обеспечивается независимость сигнала на выходе исполнительного блока 28 от сил на данной частоте задающих колебаний. При плавном изменении час- 76 ТОТЫ задающих колебаний приводом 5 выходные сигналы формирователя 25 модуля упругости и квадратора 37 растут пропррционально квадрату этой частоты, оставаясь равными один другому. Следова теяьно, сигналы на выходе суммирующего усилителя 35 и исполнителвного блока 28 не изменяется, что обеспечивает независимость выходногчэ сигнала канала измерения модуля упругости вещества от изменения частоты задающих колебайий. Независимость выходного сигнала канала измерения модуля упругости 5еще ства от изменения амплитуды колебаний штока 1 обеспечивается делением выходного сигнала суммирующего усилителя 35 на квадрат амплитуды колебаний щто ка 1, т.е. нормированием сигнала суммирующего усилителя 35 по амплитуде колебаний штока 1. При наличии вещества 7 в кювете 8 возникают дополнительные силы, дейст вующие через плунжер 6 на шток 1, обусловленные силами вязкоуиругого со- противле пш вещества 7. Под действием этих сил,амплитуда и фаза колебаний што ка 1 изменяется, что приводит к иаме- нению сигналов на выходах формировате- лей 25 к 26 сигналов модуля упругости и вязкости и, следовательно, sA выходах , блоков 36 и 39 деления пропорхшонально только модулю упругости и вязкости вещества соответственно. величины выходных сигналов блоков 36 и 39 деления инвариантны к изменениям частоты и амплитуды колебаний штока 1. Эти сигналы через исполнительнью блоки 28 и 29 изменяют величину токов компенсации, протекающих через катушки 18 и 20 обратньк преобразователей модуля упругости и вязкости, и, следовательно, величины компенсррующих усилий, дейст« вующих на шток 1 нерез якори 10 и 12 обратных преобразователей модуля упругости и вязкости. Процесс формирования компенсирующи устший протекает до тех пор, пока силы вязкоупругого трения вещества не скомпенсируются компенсирующими силами обратных преобразователей. При этом выходные сйг51алы исполнительных блоков 8 и 29 пропорциональны только величинам модуля упругости и вязкости СООТт ветственно, а их входные сигналы равны нулю. Величины выходных сигналов исполнительных блоков 28 и 29 регистрируются блоками 30 и 31 регистрации. Такшй образом, предлагаемый эласто вискозиметр позволяет повысить точность измерения в широком диапазоне частот деформации и сократить время перестройки каналов компенсации путем введения автоматической коррекции сигналов формирователей сигналов модуля упругости и вязкости по амплитуде и частоте колебаний щтока, а также дает возможность измерять реологические характеристики веществ на частотах, сколь угодно близко отстоящих одна от другой, без увеличения аппаратурной сложности и времени настройки устройства. Формула изобретения Эластовискозиметр по авт. св. № 864062, отличающийся . T€9vi, что, с целью повышения точности измерения в широком диапазоне частот задающих колебазаий, в каждый из каналов измерения введен блок коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока, содержащий квадратор, сумми рующий усилитель и блок деления, первый вход которого через суммирующий усилитель подключен к выходу формирователя сигнала одноименного канала измерения, второй вход подключен к выходу квадратора, а вькод - к входу иополнительного блока этого же канала, при этом вход квадратора канала измерения модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, вход квадратора канала измерения вязкости подключен к выходу усилителя, а его выход - к вторьш входам суммирующих усилителей обоих каналов измерения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское снидесепьство СССР № 864062, кл. G 01 N 11/16, 1976.

Ф 1л