Способ определения реологических характеристик веществ и устройство для его реализации

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕВИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ИТВЛЬСТВУ Севз Советских Социалистических Республик(5)М. Кл.з 6 01 М 11/16 Государстоениый комитет СССР ио делам изобретений и открытийДата опубликования описания 150981(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ ца при этом судят по изменению параметров колебаний штока с зондом 1.По известному способу о вяэкопругих свойствах вещества судят по разности между задаваемым и измеряемым углами поворота зонда, а раздельное определение упругой и вязкой составляющих комплексного модуля осуществ- ляют графически, при помощи двухкоординатного регистратора. На графике по осям откладываются величины задаваемого и измеряемого воздействия, Если вещество обладает чисто вязки ми свойствами, то на графике будет15 изображен прямоугольник, расположенный. горизонтально, высота которого пропорциональна вязкости, а ширина - величине. задаваемого угла поворота.Если вещество обладает упругими свой ствами, то на графике будет изображена прямая линия с наклоном, угол которого пропорционален величине модуля упругости. Если вещество обладает вязкими и упругими свойствами, то прямоугольник, высота которого пропорциональна вязкости, будет повернут на угол, пропорциональный модулю упругости.Таким образом, определение вяэ кой и упругой составляющих по это 1,Изобретение относится к областиисследования физико-механическихсвойств, конкретнее, к методам определения их реологических характеристик, и предназначено для определениявяэкоупругих свойств веществ как органического, так и неорганическогопроисхождения, например, в процессеих синтеза, при снятии релаксационного спектра веществ. фиксированнойфизико-химической структуры, Изобретение также может быть использованопри создании измерительных преобразователей для автоматического дистанционного управления различными технологическими процессами, контролявязкости и упругих свойств топливаи различных жидких сред, в частности, при загрязнении рек и озер промышленными отходами и сточными во"дами,Известен способ определения реологических характеристик веществ,основанный на вибрационном методе,осуществляемом путем периодическойдеформации образца, помещенного вкювету, от внешнего источника вибрации при помощи штока с зондом, погруженным в исследуемый образец, Ореологических характеристиках образ" Е. М. Баранова, . Б. БбгЪтин...у :нособу требует дополнительной1 р,го-аналитической обработки.Недостатком такого способа является то, что снижается точность измерении при исследовании веществ сзаданными Физико-механическими свойствами, а его использование для исследования процессов изменениявязкости и модуля упругости веществзатруднительно, так как резко снижается точность измерений вследствие размазывания графика, ОНаиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ определения реологических характеристик веществ путем деформации .исследуемой среды с помощью 15колебаний чувствительного элемента отвнешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитудыэтих колебаний и компенсации этогоотклонения путем регулирования подво эОдимой энергии 2.Этот способ реализуют устройствомсодержащим корпус с размещенным внем штоком с зондом, кювету, привод,датчики перемещения и усЪлия, выходы которых связаны со входами формирователя сигнала упругости, выходкоторого соединен со входом исполнительного блока канала упругости, выход которого всвою очередь связансо входомобратного преобразователямодуля упругости.Отклонения амплитуды колебанияштока с зондом по известному способу обусловлены как вязкими, так иупругими свойствами исследуемого ве- З 5щества.Однако выделение вязкой и упругойсоставляющих и одновременное их измерение с высокой точностью невозможны.Использование в этом способе об" 4 Оратного преобразователя модуля упругостси позволяет повысить точностьизмерения упругой составляющей, однако не позволяет полностью исключитьвзаимное влияние вязкой и упругойсоставляющих в процессе измерения,а также выделить упругую составляющую,Целью изобретения является повы.шения точности при одновременномизмерении вязкой и упругой составля"ющих комплексного модуля и расширениедиапазона измерений,Это достигается тем,что по предлагаемому способу реакцию исследуе"мой среды определяют путем одновре- ээменного измерения амплитуды колеба"йий зонда чувствительного элемента,составляющих комплексного модуля,одна из которых пропорциональнаяусилию сопротивления деформациищисследуемой среды, а вторая - скорос"ти перемещения чувствительного элемента, формируют сигналы, пропорцио"нальные активной и реактивной составляющим комплексного модуля путем перемножения составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформации соответственно с отклонением амплитуды колебаний чувствительногоэлемента зонда и скоростью его перемещения, устраняют влияние активнойсоставляющей комплексного модуля напроцесс измерения его реактивнойсоставляющей, а на процесс измеренияактивной составляющей - влияние реактивной составляющей комплексного моду.ля, компенсируя отклонение вязкой иупругой составляющих комплексного модуля посредством создания усилий,равных им по величине и обратных познаку с помощью обратных преобразователей вязкости и упругости таким образом, что сводят к нулю их изменение с помощью исполнительных устройств канала модуля упругости и канала вязкости,Такой способ может быть осуществлен устройством для определения реологических характеристик веществ, содержащим корпус, с размещенным в немштоком с зондом, кювету, привод,датчики перемещения и усилия, выходы которых связаны со входами Форми-рователя сигнала упругости, выходкоторого соединен с входом исполнительного блока канала упругости, выход которого в свою очередь связансо входом обратного преобразователямодуля упругости, снабженным измерителем скорости перемещения "штока,обратным преобразователем вязкости,Формирователем сигнала вязкости иисполнительным блоком канала вязкос-.ти, причем статоры обратного преобразователя вязкости и измерителя скорости перемещения закреплены накорпусе устройства, а их якори укреплены на штоке и электрически связаны между собой, выход измерителяскорости соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй входкоторого соединен с выходом датчикаусилия, а выход - со входом исполнительного блока канала вязкости, выходкоторого связан со статором обратного преобразователя вязкости,Для изменения частоты пробных колебаний в широком диапазоне устройство снабжено блоком изменения частоты, связанным с приводом перемещения штока,На чертеже представлена схемапредлагаемого устройства для определения реологических характеристик.Устройство содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2,погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4. Другой конец штока через пружину 5, втулку б, кулачок 7 и блок 3изменения частоты связан с приводом9, при помощи которого шток 1 и зонд2 совершают колебательное движениезаданной амплитуды и частоты, величина которой может изменяться в широОчевидно, что выходной сигнал формирователя 21 зависит как от упругой, так и от .вязкой составляющих комплексного модуля, поэтому компенсация вязких свойств исследуемого образца электромагнитной вязкостью обратного преобразователя вязкости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 21 от вязкой составляющей. Компенсация,.упругой составляющей модуля вещества с помощью обратного преобразователя упругости обеспечивает независимость выходного сигнала формирователя 25 от упругой составляющей,Частотные свойства динамической системы остаются постоянными, что позволяет изменять в широких пределах частоту пробных колебаний зонда с помощью блока 8 изменения частоты.Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность одновременного. измерения модуля упругости и вязкости в любом диапазоне их изменения, позволяет получить новые сведения а кинетике, процессах полимериэации поликонденсации, процессах тромбообразования, так как впервые возникает возможность непрерывного и одновком диапазоне. На корпусе (на чертеже не показан) устройства установлены датчик 10 перемещен я штока 1, магнитопровод 11 с катушками 12 обратного преобразователя упругости, постоянный магнит 13 измерителя скоростиперемещения штока 1 и катушки 14 статора обратного преобразователя вязкости.На штоке 1 укреплены якорь 15 датчика 10 перемещения и якорь 16 датчика 17 усилия, корпус которого связан со втулкой 6, а выходной сигналпропорционален разности входных колебаний и колебаний штока 1. На штоке 1 укреплены якорь 18.обратногопреобразователя упругости, якорь 19измерителя скорости перемещения штока и якорь 20 обратного преобразо, -вателя вязкости,Выход датчика 10 перемещения электрически связан с первым входом формирователя 21 сигнала упругости, второй вход которого связан со вторым.выходом датчика 17 усилия, а выход -с исполнительным блоком 22 каналаупругости, выход которого в свою 25очередь связан с катушками 12 обратного преобразователя упругости. Наякоре 19 измерителя скорости перемещений укреплена катушка 23, второйвыход, которой электрически связанс обмоткой 24 якоря 20 обратного преобразбвателя вязкости, первый выходсвязан с первым входом формирователя 25 сигнала вязкости, второй входкоторого электрически связан с первым выходом датчика 17 усилия, авыход - с исполнительным блоком 26канала вязкости, выход которого злек"трически связан с катушками 14 статора обратного преобразователя вязкости. 40Устройство для определения реологических характеристик веществ- работает следующим образом,В случае отсутствия вещества 4в кювете 3 при колебаниях штока. 1 45с зондом 2 от привода 9 выходныесигналы датчиков 1.7 и 10 и катушки23 измерителя скорости определяютсяпараметрами электродинамической системы, и формирователи 21 и 25 настраивают так, чтобы их выходные сигналы были равны нулю. Это определяетотсутствие тока в катушках 12 и 14обратных преобразователей.При наличии вещества 4 в кювете3 возникает сопротивление перемещению зонда 2, что приводит к изменению выходных сигналов датчиков 10и 17 и обмотки 23 якоря 19 измерителя скорости перемещения штока сзондом. В формирователе 21 формиру.ется сигнал, пропорциональный упругим свойствам вещества, и это обуславливает появление тока на выходе исполнительного блока 22 и в катушке .12 обратного преобразователя упругос- у 5 ти, причем полярность сигнала в катушке 12 такова, что возникающаяэлектромагнитная сила связи якоря 18и сердечника 11 направлена встречновозникающему сопротивлению исследуемого вещества. Ток в катушке 12изменяется до тех пор, пока не скомпенсируется полностью сила, сопротивления вещества, и сигнал на выходеформирователя 21 не станет равнымнулю. Ток в катушке 12 обратногопреобразователя упругости пропорционален модулю упругости вещества..координат скорости штока с зондом иусилия приводит к отклонению выходнойкоординаты формирователя 25 вязкостипропорционально вязким свойствам вещества, что обуславливает наличиесигнала на выходе исполнительногоблока 26 и, следовательно, тока вкатушке 14 статора обратного преобразователя вязкости. Знак тока вкатушке 14 статора обратного преоб-.разователя вязкости определяет направление магнитного потока такимобразом, что возникающее в якоре 20усилие направлено встречно вязко-упругому сопротивлению перемещению зонда 2 в исследуемом образце 4. Изменение тока в обмотке 14 статора обратного преобразователя вязкости происходит до тех пор, пока сигнал навыходе формирователя 25 не станетравным нулю, что определяет компенсацию вязкой составляющей веществаэлектромагнитной силой обратногопреобразователя вязкости, Ток на выходе исполнительного блока 26 пропорционален вязкости вещества.ременного получения информации о динамических свойствах процессов структурирования, набухания полимеров, процессов коагуляции крови.Постоянство динамических свойств предлагаемого устройства обеспечива ет точную и достоверную информацию о вяэкоупругих характеристиках исследуемого вещества в широком частотном диапазоне пробных воздействий.Использование изобретения в качестве измерительного преобразовате.ля в технологических процессах синтеза новых материалов позволит получить значительный экономический эффект (примерно 150000 р на одно устройство),Формула изобретения1. Способ определения реологических характеристик веществ путем деформации исследуемой среды с помощью колебаний чувствительного элемента от внешнего источника, измерения реакции среды по отклонению амплитуды этих колебаний и компенсации этого отклонения путем регулирования подводимой энергии, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности при одновременном измерении вязкой и упругой составляющих комплексного модуля и расширения диапазона измерений, реакцию исследуемой среды определяют путем одновременного измерения амплитуды колебаний чувствительного элемента, составляющих компексного модуля, одна из которых пропорциональна усилию сопротивления деформации исследуемой среды, а вторая - скорости перемещения чувствительного элемента, формируют сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим комплексного модуля путем перемножения составляющей пропорциональной усилию сопротивления деформации соответствеМо с отклонением амплитуды колебаний чувствительного элемента и скоростью его перемещения устраняют влияние активной составляющей комплексного модуля на процесс измерения его реактивной составляющей, а на процесс измерения активйой составляющей - вЛияние реактивной составляющей комплексного модуля, компенсируя отклонение вязкой иупругой составляющих комплексногомодуля посредством создания усилийравных им по величине и обратныхпо знаку, при помощи обратных преобразователей вязкости и упругоститаким образом, что "водят к нулю ихизменение при помощи исполнительныхустройств канала модуля, упругостии канала вязкости.15 2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее корпус с размещенными в нем штоком с зондом, кювету, привод, датчики перемещенияи усилия, выходы которых связаны сощ входами формирователя сигнала упругости, выход которого соединен совходом исполнительного блока каналаупругости, выход которого в свою очередь связан со входом обратного преобразователя модуля упругости, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, оноснабжено измерителем скорости перемещения штока, обратным преобразователем вязкости, формирователем сигнала вязкости и исполнительнымблоком канала вязкости, причем статоры измерителя скорости и обратного преобразователя вязкости закреп, лены на корпусе, а их якоря закреплены на штоке и электрически связаЗ 5 ны между собой, выход измерителяскорости соединен со входом формирователя сигнала вязкости, второй входкоторого соединен с выходом датчикаусилия, а выход - со входом исполни-,4 О тельного блока канала вязкости,Ъвыход которого связан со ставором обратного преобразователя вязкости.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент США, Р 3722262,кл, 73-59, опублик. 1973.2. Авторское свидетельство СССРР 507805, кл. 6 01 И 11/14, 1974.г864062 Корректор Ю. Иакарен Редактор Л Подписно илиал ППП Патентф, г.ужгород, ул.Проектн Заках 7763/6 ВНИ и 113Составитель Н-Плотвикотанова Техред М Голйнка аж 910твенного комитета СССРретений и открытийЖ, Раушская наб., д.4 Тир И Государс делам иэоб 5, Иосква,