Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред

Союз Соватскик Сщиалистическик Республик(23) Приоритет -ОпубликованО 05.01.80. Бюллетень Й 9 1Дата опубликования описания 10.01,80 Кг6 01 Б 11/16 Государственный коиитет СССР по делан изобретений и открытий( 54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЯЗКОУПРУГИХ СРЕДИзобретение относится к технике исследования вязкоупругих характеристик различных материалов, в частности полимерных, в широком частотном диапазоне и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругйх свойств в динамических режимах совмещенного деформирования.Известно устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред 11 путем наложения на исследуемую вязкоупругую среду гармонических колебаний, амплитуда которых превышает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа, и регистрации амплитуды колебаний чувствительного органа. При этом не достигается высокая точность измерения вязкоупругих характеристик материалов в процессе их изменения. Кроме того, устройство имеет узкий частотный диапазон.Это объясняется тем, что вместе с изменением амплитуды свободных колебаний чувствительного органа в процессе измерений изменяющихся ва времени вязкоупругих характеристик изменяется частота и фаза этих колеба ний. Поэтому необходима дополнительна я обработка результатов экспериментов, что снижает точность измерений.Ближайшим техническим решением к предложенному, позволяющим обеспечить высокую точность измерений вяэкоупругих свойств в процессе их изме рения и расширить частотный диапа-, зон, является устройство 2),Устройство содержит корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики абсолютного иотносительного перемещения штока,15 датчик скорости абсолютного перемещения штока, обратные преобразователи модуля упругости и вязкости, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости исследуемых материа 20 лов, исполнительные блоки каналовмодуля упругости и вязкости, выходыкоторых связаны с катушками статоровсоответствующих преобразователей, авходы - с выходами соответствующихформирователей сигналов модуля упругости и вязкости, входы которых соединены с выходами датчиков абсолютного и относительного перемещенияштока и скорости его абсолютного пе 30 ремещения,10 15 20 25 30 35 40 60 65 К недостаткам устройства следуетотнести узкий диапазон частот деАорМации, который определяется Физическими параметрами механической части,Увеличение частоты деформации приводит к снижению точности измерений,Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона измерений.Укаэанная цель достигается засчет того, что устройство для измерения реологических характеристик вяэкоупругих сред дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в, виде пьезокристалла, жестко свя. занного противоположными гранями сдержателем и наконечником в виде эонда с помощью крышки и накидной гайки. При этом выход генератора электрически связан с пьезокристалломчерез электрически изолированныедруг от друга держатель и криику,Это позволяет реализовать деформацию сдвига исследуемого веществапо всей длине зонда в широком диа -пазоне частот, что приведет к изменению его вяэкоупругих свойствНизкочастотная деформация вещества зондом при перемещении его вместе соштоком со стороны привода, измерениеи обработка полученной информации спомощью измерителей, формирователейпо каналам модуля упругости и вязкости, компенсация возникающего сопротивления вещества с помощью исполнительных блоков и обратных преобразователей позволит измерить вязкость и модуль упругости вещества,соответствующие частоте генератораколебаний,На чеутеже представлена функциональная схема предложенного устройства для измерения реологических характеристик вязкоупругих сред.Устройство содержит шток 1 с установленным на нем пьезоэлектрическим преобразователем, содержащимпьезокристалл 2, держатель 3, изоляционную втулку 4, крышку 5, накидную гайку 6 и наконечник в виде зон,да 7, Пьезокристалл 2 жестко связанпротивоположными гранями с зондом 7и держателем 3 с помощью накиднойгайки б и крышки 5 через иэоляцион"ную втулку 4, В устройство входяттакже кювета 8 для исследуемого материала 9, пружина 10, размещеннаямежду пластинами 11 и 12 толкателя13 и связанная со штоком 1 черезскобу 14; кулачок 15, укрепленный навалу 16 привода 17 и связанный с тол.кателем 13;На штоке 1 укреплены шторка 18датчика абсолютного перемещения штока, шторка 19 датчика относительногоперемещения штока, якорь 20 датчикаскорости абсолютного перемещенияштока, выполненный в виде постоянного магнита, якорь 21 с катушкой 22обратного преобразователя модуля упругости, якорь 23 с катушкой 24 обратного преобразователя вязкости. Статоры 25 и 26 с катушками 27. и 28 обратных преобр-зователей модуля упругости и вязкости соответственно, кювета 8, катушка 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, Фотодиоды 30 и электрические.лампочки 31 датчика абсолютного переме" щения штока укреплены на корпусе устройства (на чертеже не показан), а Фотодиоды 32 с электрическими лампочками 33 датчика относительного перемещения штока укреплены на пластине 12 толкателя 13, Первые выходы Фотодиодов 30 и 32 через усилители 34 и 35 соответственно связаны со входом Формирователя 36 сигнала модуля упругости, выход которого через Фильтр 37, настроенный на частоту деформации привода 17, связан со вхо дом исполнительного блока 38 канала модуля упругости, первый выход которого подключен к катушке 27 статора 25 обратного преобразователя модуля упругости. Вход катушки 22 якоря 21 последнего через усилитель 39 связан со вторым выходом фотодиодов 30 датчика абсолютного перемещения штока, а второй выход блока 38 подключен к входу регистратора 40 модуля упругости. Второй выход датчика относительного перемещения и первый выход датчика скорости абсолютного перемещения через усилители 41 и 42 соответственно связаны со входами Формирователя 43 сигнала вязкости, выход которого через фильтр 44, настроенный на частоту деформации привода, подключен к входу исполнительного блока 45 канала вязкости, первый выход которого связан со входом катушки 28 статора 26 обратного преобразователя вязкости. Вход катушки24 якоря 23 которого через усилитель 46 соединен с вторым выходом катушки 29 статора датчика скорости абсолютного перемещения штока, а вто рой выход исполнительного блока 45 канала вязкости связан со входом регистратора 47 вязкости.Выход генератора 48 электрически связан с верхней гранью пьезокристалла 2 через держатель 3, а с нижнейгранью - через крышку 5 и накидную гайку б, Устройство для измерения реологических характеристик вязкоупругихсред работает следующим образом. При включении привода 17, настроенного на фиксированную деформацию,и отключении генератора 48 исследуемый материал 9, находящийся в зазоре между цилиндрическими стенками;кюветы 8 и коаксиально установленнымнакойечником зонда 7, подвергаетсядеформации с фиксированной амплиту 708202дой, Реакция материала 9 определяется его комплексно модулем на заданной частоте деформации и выражаетсяв том, что иэменяется амплитуда ифаза выходных сигналов фотодиодов 30и 32 датчиков абсолютного и относительного перемещений штока и катушки 29 датчика скорости абсолютногоперемещения. В формирователях Зб, 43сигналов модуля упругости и вязкости, представляющих собой множительные устройства, сигнал с первого ивторого выходов фотодиодов 32 датчика относительного перемещения детектируется сигналом с первого выходафотодиодов 30 датчика абсолютногоперемещения и сигналом, сдвинутым наугол 7 Г/2, с первого выхода датчикаскорости абсолютного перемещения. По.этому на выходе Формирователя Зб будет сигнал, пропорциональный активной составляющей комплексного модулявещества, т. е. модулю упругости, ана выходе формирователя 43 - сигналпропорциональный реактивной составляющей, т. е. вязкости вещества. ВФильтрах 37 и 44 отфильтровываетсядвойная гармоника выходных сигналовформирователей 36 и 43 и на входыисполнительных блоков 38 и 45 поступают сигналы, пропорциональные изменению модуля упругости и вязкости соответственно, Эти сигналы вызываютизменение токов на выходах исполнительных блоков 38 и 45, а следовательно, и токов в катушках 27 и 28 статоров обратных преобразователей модуля упругости и вязкости до тех пори в ту сторону, пока электромагнитное усилие, возникшее на якоре 21обратного преобразователя модуля упругости, полностью не скомпенсируетусилие, пропорциональное модулю упругости среды, а усилие, возникающеена якоре 23 обратного преобразователя вязкости, не скомпенсирует усилие,пропорциональное вязкости среды, обеспечив тем самым нулевые значения сигналов на выходах формирователей 36,43 сигналов модуля упругости и вязкости, Частотный диапазон деформациивеществ в этом случае ограничивается100 Гц.При включении генератора 48 возбуждается пьезокристалл 2. Вызываявибрацию наконечника зонда с частотой генератора, которая может дости- .гать сотен килогерц, обуславливаюттем самым расширение диапазона частоты деформации исследуемого материала,Если частота вибрации пьезокристалла 2 значительно превосходит час-тоту деформации приводом 17, то комплексный модуль среды будет практически соответствовать частоте вибрации пьезокристалла и, следовательно,на выходах исполнительных устройств38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на частоте виб- рации.Если частота вибрации пьезокристалла 2 соизмерима с частотой деформации приводом 17, то на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его вязкости на смешанной частоте, т. е.будут соответствовать режиму совмещенного деформирования,Формула изобретенияУстройство для измерения реологи ческих характеристик вязкоупругихсред, содержащее корпус с размещенным в нем штоком, кювету, привод, ре"гистраторы модуля упругости и вязкости, датчики абсолютного и относитель ного перемещения, обратный преобразо-ватель модуля упругости, Формирователь сигнала модуля упругости, входыкоторого связаны через усклитель с первыми выходами датчиков абсолютного 25 и относительного перемещения, а еговыход через Фильтр связан со входомисполнительного блока канала модуляупругости, выход которого, в своюочередь, связан со входом катушки Э 0 статора обратного преобразователямодуля упругости, датчик скоростиабсолютного перемещения штока, обратный преобразователь вязкости, формирователь сигнала вязкости, входыкоторого связаны через усилитель спервым выходом датчика скорости абсолютного перемещения штока и вторьпм выходом датчика относительногоперемещения, а его выход череэ фильтрсвязан со входом исполнительногоблока канала вязкости, выход которого, в свою очередь, связан со входомкатушки статора обратного преобразователя вязкости; второй выход датчика абсолютного перемещения штока приэтом через усилитель связан с катушкой якоря обратного преобразователямодуля .упругости, а второй выходдатчика скорости абсолютного перемещения штока - через усилитель связан 50 с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости; регистраторы модуля уйругости и вязкости своими входами связаны со вторыми входами соответствующих исполнительных блоков, 55 о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности и расширения частотного диапазона измерений,оно дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлектрическим 60 преобразователем, выполненным в виде пьезокристалла, жестко связанногопротивоположными гранями с держателем и наконечником в виде зоила с памощью крышки и накидной гайки, при у этом выход генератора электрически,708202 1, Авторское свидетельство СССР 9 378756, кл. а 01 И 11/16, 1973.2. Авторское свидетельство по заявке 9 2383852, кл. С 01 И 11/16, 1976 (прототип)Составител едактор Т, Орловская Техред Й,БЗаказ 8474/36 Тираж 10 Подписно ЦНИИПИ Государствен по делам изобрет3035, Москва, Х(-35, Р Патен П г. Ужгород, ул. Проектная электрически изолированные друг отдруга держатель и крышку. Источ ник и и нфо рмации,принятые во внимание при экспертизеКатковрка Корректор Е. Пап го комитета СССРий и открытийушская наб., д. 4/