Устройство для измерения реологических характеристик материалов

2) Автор изобретения Ульян ого приборостроени Ы"-) Заявител Центральное конструкторское бюрАН СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕ РЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ.М атком этого устройствая трудоемкость обраизмерения,ее близким к изобретей сущности являетсяэмерения реологичесввх ботки ре- .,г нию по устройхаракНедост ется больш эультатов Наибол техническо ство для и1Изобретение 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 а угла механических потерь и др, характеристик широкого класса материалов в широком диапазоне температур.Известно устройство для измерения реологических характеристик материалов, содержащее эадакший генератор, подключенный к нему электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образца и прибор для измерения электрического импеданса катушки преобразоватетеристик материалов с помощью вынужденных гармонических колебаний низкой частоты, содержащее последовательно с оединенные регулируемый по частоте задающий генератор, имеющий два выхода с фазами напряжений на этих выходах 0 и 90; регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор, усилитель мощности и электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образна исследуемого материала, виброизмерительный преобразователь, блоки выделения действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца, к одним входам которых подключены выходы эадакацего генератора с фазами напряженийо0 и 90 соответственно, и регистратор Г 2 .Однако. известное устройство выполнено так, что в отсутствии образца в преобразователе нет сдвига фаз между напряжением и перемещением подвижной катушки преобразователя. Деформцруемый/образец изменяет хараггеристики преоб-разователя и вызывает появление фазового сдвига, Если разложить вектор колебаний образца на действительную, т.е,совпадакщую по фазе с напряжением5фазы 0 генератора, и мнимую, т.е.осдвинутую на 90, составляющие, то величина действительной составляющейбудет пропорциональна динамическомумодулю упругости, а мнимая - динамическому модулю потерь. Точность определения реологических характеристик зависит от точности выделения действительной и мнимой компонент колебанийи от точности измерительного (регистрирующего) устройства. В известном устройстве производится прямое измерениевьщеленной компоненты и поэтому фазовыйдискриминатор. определяющий точностьблоков выделения должен иметь высокуюлинейность во всем возможном диапазонеизменении угла фазового сдвига. Этотдиапазон в области углов, близких к 0и 90, ограничен также уровнем шумаоФи фона, поэтому точность измерения реологических характеристик материала,имеющего малые величины динамическогомодуля потерь, будет низкой,Бель изобретения - повьпцение точности измерения реологических характеристикматериалов, имеющих малые величиныдинамического модуля потерь и, тем самым, расширение частотного диапазонаизмерения.Цель достигается тем, Фто устройство,снабжено дополнительными регуляторами напряжений обеих фаэ, соединенными с сумматором, серводвигателями, усилителями, задатчиком уровня, источником постоянного стабилизированного напряжения,40 элементом сравнения, двумя управляемыми и неуправляемыми делителями напряжения, дополнительный регулятор напряжения фазыо0 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 а преобразователя, а другим входом через задатчик уровня - к выходу генератора сонапряжением фазы О, а дополнительный регулятор напряжения фазы 90 механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходомблока выделения мнимой составлякщей, второй вход которого подключен к выходу элементасравнения, а задатчик уровня механическисвязан с регуляторами напряжений обеихфаэ и неуправляемым делителем напряжения, подключенным входом к источнику стабилизированного напряжения, а выхо-дом - к входам управляемых делителейнапряжения, каждый из которых механически связан с. одним из дополнительныхрегуляторов напряжения и соединен выходом с регистратором.Устройство содержит регулируемый/по частоте задающий генератор 1, нмеющий два выхода с фазами напряжений на этих выходах 0 и 90 О, регуляторы 2-5 напряжений фаз 0 и 90 , дополнительные регуляторы 6 и 7 напряженийофаз 0 и 90 соответственно, сумматор 8, к которому подключены выходы регуляторов 2-5 и дополнительных регуляторов 6 и 7,. последовательно соединенные после сумматора 8 усилитель 9мощности и электромеханический (электромагнитный, электродинамический) преобразователь 10, служащий для возбуждения колебаний образца 11, помещенного в термокриокамеру 12, оснашенную терморегулятором 13, компенсатор 14нормальных напряжений, возникающийв образце при изменении температурного режима, виброизмерительный преобразователь 15, к которому подключен одним входом элемент 16. сравнения, задатчик 17 уровня, выход которого 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 образца11, один вход каждого из которыхподключен к выходу элемента 16 сравнения, второй вход блока 18 подключенк выходу генератора 1 с напряжниемфазы 0, 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, подключенные к выходам усилителей 20 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 неупраыщемого делителя 25, логарифмические усилители 28-30, входыкоторых подключены сооч397 61. Гзпок 19 выбирает из сигнала виброизмерительного преобразователя 15 часть ,напряжения, совпадающую по фазе с напряжением фазы 9 СР генератора 1. Выделенное напряжение подается через усилитель 21 на серводвигатель 23, который перемешает движок дополнит льного регулятора таким образом, чтобы уровень мнимой составляющей сигнала виброиэ- меритиьного 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. 5 949ветственно к выходам управляемых делителей 26 и 27 и механически соединены с задатчиком частоты (на чергежене показан) задающего генератора 1регуляторы 2 и 3 соединены с эадатчиком частоты задающего генератора, регуляторы 4 и 5 соединены с эадатчиком17 уровня, а дополнительные регуляторы6 и 7 связаны с серводвигателями 22и 23 соответственно, 1 ОУстройство работает следующим образом.В исследуемом образце 11, помещенном втермокриокамеру 12, температура вкоторой может быть задана постояннойили изменяться по определенной программе, возбуждакеся с помощью элек- .тромеханического преобразователя 10,питаемого усилителем 9 мощности, крутильные колебания, частота и уровень которых задаются генератором 1. Для определения действительной составляющейвектора колебаний образца 11 сигналс виброизмерительного преобразователя15 подаегся на вход блока 18 вьщелення 25действительной составлякецей через элемент 16 сравнения. На второй вход блока 18 поступает напряжение генератора1 с фазой 0, Блок 18 выделения действительной составляющей выбирает изсигнала виброиэмерительного преобразователя 15 часть напущжения, совпадающего с напряжением фазы 0 генератора 1, Это выделенное напряжение усиливается усилителем 20 и подается на серводвигатель 22, который перемешаетдвижок дополнительного регулятора 6таким образом, фггобы уровень действительной составляющей вектора колебанийобразца сгал равен заданному уровню.При достижении заданного уровня напряжения на входах элемента 16 сравнениястанут равными и серводвигатель 22 осгановится. Напряжение, снимаемое с управляемого делителя 26 и пропорцио 45нальное напряжению, снимаемому с дополнительного регулятора 6, определяющегоуровень действюгельной составпяквцейвектора колебаний образца, через логарифмический усилитель 28, определякиций.вид масштаба регистрации, подается на50регистратор 31,ъ 1 ФДля выделения мнимой составлякщейвектора колебаний образца сигнал виброизмерительного преобразователя 15 подается через элемент 16 сравнения на блок 19, на второй вход которого постуОпает напряжение с фазой 90 генератора Запись действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца производится в функции частоты. Развертка регистратора 31 по оси частот осуществляется с помощью механически связанного с задатчиком частоты генератора логарифмического усилителя 30.Регуляторы. 2-5 напряжения служат для компенсации сдвига фазы между иапоряжением 0 фазы генератора и неремещением подвижной катушки элекгромеханического преобразователя 10 без образца при различных амплитудах и частотах колебаний. Снимаемое с движка регулятора 7 напряжение фазы 90 компенсирует сдвиг фазы, вызванный наличием потерь в материале образца 11, поэтому блок 19 всегда работает как индикатор нулевого уровня, Такой режим работы позволяет значительно повысить разрешающую способносгь устройства, а это, в свою очередь, повышает точность определения характеристик материалов, особенно имеющих малые вепичины модуля динамических потерь, Нижний пре-, дел диапазона рабочих частот, при которых определяются реологические характеристики материала, составляет десятые доли герца, поэтому непосредственная регистрация амплитуды выходного пере менного напряжения генератора представляет значительные трудности. В предлагаемом устройстве, для этой цели служат управляемые делители 26 и 27, посредством которых на регистратор 31 подаются постоянные напряжения, пропорциональные переменным напряжениям, снимаемым с движков дополнительных регуляторов 6 и 7, т,е. пропорциональные динамическим модулям упругости и потерь исс:ледуемого материала.7 С)гОПовышение разрешшошей способности блоков выделения и, как следствие этого, повышение точности определения характеристики 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.10формула изобретенияУстройство для измерения реологических характеристик материалов с помощью вынужденных гармонических колебаний низкой частоты, содержащее последовательно соединенные регулируемый по частоте задающий генератор, 20 имеющий два выхода с фазами нап яжеоний на этих выходах 0 и 90, регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор усилитель мощности и электромеханичес- . кий преобразователь для возбуждения ко лебаний образца исследуемого материала, виброизмерительный преобразователь, блоки выделения действительной и мнимой сестввлякюцих вектора колебаний образца, к одним входам которых подключены вы- ЭО ходы задающего генератора с фазами напряжений 0 и 90 соответственно, и регистратор, отли чаюш е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения реологическйх характеристик материалов, кмекщих малые величины динамического модуля потерь, и расширения час тотнот о диапазона измерения, оно снабжено дополнительными регуляторами напряЖений обеих фаз, соединен 397ными с сумматором, серводвигвтелями,усаштелями, задатчиком уровня, источником постоянного стабилизированногонап яжения элементом сравнения, двумяуправляемыми и неуправляемыми делителями напряжения, дополнительный регулятор напряжения фазы 0 механическисвязан с серводвигвтелем, подключеннымк выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения действительной составляющей, .второй входкоторого подключен к выходу элементасравнения, подключенного одним входомк выходу виброизмерительного преобразователя, а другим входом через звдатчик уровня - к .выходу генератора снапряжением фазы О, в дополнительныйрегулятор напряжения фазы 90 механически связан с серводвигателем,подключенным к выходу усилителя, входкоторого соединен с выходом блока выделения мнимой составляющей, второйвход которого подключен к выходу элемента сравнения, а задатчик уровня меха.нически связан с регуляторами напряжений обеих фаз и неуправляемым делителем напряжения, подключенным входомк источнику стабилизированногнапряжения, а юходом - к входам управляющихделителей напряжения, каждый их которыхмеханически связан с одним из дополнительных регуляторов напряжения и соеди, нен выходом с регистратором,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1.,Вк. ферри. Вязкоупругие свойстваполимеров, М., "Иностранная литература,1963, с, 135-139.2. Патент Японии % 18280,кл. 112 Х 1, 1963 (прототип),