Эластовискозиметр

(э а) 01 н 11/16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН СТО ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 356526, кл. 0 01 Б 11/10, 1972.2. Авторское свидетельство СССР Р 378756 кл. 0 01 И 11/10, 1973.3. Авторское свидетельство СССР Р 756277, кл. С 01 Б 11/14, 1978 (прототип).(54)(57) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последователь но соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала изме.рения вязкости, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения модуля упру гости и вязкости и обеспечения воэможности измерения присоединенной массы, в него введены датчик ускорения штока, весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал измерения присоединенной массы, состоящий из последовательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока подключен к первому входу формироО вателя и второму входу блока модели канала измерения присоединенной массы, а также к первому входу весо" вого сумматора, второй и третий входы которого подключены соответственно к датчикам перемещения и ско- ф рости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с пер- фф вым входом блока оценки силы сопротивления вещества, второй вход ко-, торого соединен с выходом генера- ОО тора задающих колебаний, а выход () подключен к вторым входам формиро- я вателей всех каналов измерения, при аюф этом выходи генератора, блока оценки а сыды сопротивления вещества и пер- ее вого суюмрующего усилителя подклю- арфчены через второй суммирующий усилитель к катушке якоря обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластозискозиметра, 1080070Изобретение относится к областйизмерения и регистрации вязкоУпругих характеристик различных материа-лов как органического, так и неорганического происхождения, и можетбыть использовано для исследова"ния процессов измерения их вязкоупругих свойств во времени в широкомдиапазоне частот.Известен ротационный амплитудно-.частотный вискозиметр для определения структурно-механических свойствпластично-вязких материалов привибрировании, содержащий. наружный,же"тко соединенный с источникоммеханических вертикально-непрерывных колебаний, и внутренний,приводимый во вращение вокруг вертикальной оси, коаксиальные цилиндры, станину, измерители момента искорости вращения внутреннего цилиндра.Данный вискоэиметр позволяет получить информацию об амплитуде периодических деформаций исследуемойсреды при вращении чувствительного 5элемента за счет того, что усилие,вызванное периодическим смещением наружного цилиндра, передается внутреннему только через исследуемыйматериал. По скорости вращения внутреннего цилиндра, весу падающихгрузов измерителя момента и зазору между наружным и внутренним цилиндрами определяют стационарныереологические характеристики, а повозмущающей силе возбудителя механических колебаний и заданной колебательной скорости наружного цилиндра - динамические вязкоупругие характеристики 1.Недостатками известного устройства являются необходимость дополнительной расшифровки экспериментальных данных, аналитической обработки результатов, а также невоэможность измерения статическихвязкоупругих характеристик веществвследствие полного разрушения структуры исследуемой среды.Известно устройство, в которомна исследуемую вяэкоупругую средунакладываются гармонические колебания, амплитуда которых превиааетамплитуду свободных колебаний чувствительного органа, состоящееиз крутильного маятника, иа концекоторого укреплен плунжер, приводагармонических незатухающих колеба- .ний, кюветы, механически связаннойс приводом гармонических незатухающих колебаний, и датчика угла поворота крутильного маятника. Вещество, находящееся между стенками плунжера и кюветы, под действием механических колебаний кюветы разрушается и меняет свои реологическиесвойства. Изменение реологических65 свойств исследуемого вещества приводит к изменению сил вязкоупругоготрения, действующих через плунжер на крутильный маятник, совершающий свободные колебания вокруг оси вращения, В результате действия этих сил, а также изменения величины присоединенной массы амплитуда и частота этих. колебаний изменяются, что регистрируется датчиком угла поворота крутильного маятника,Г 23.устройство не обеспечивает достаточной точности измерения вяэкоупругих характеристик материала в процессе их изменения и обладает узким частотным диапазоном, так как в процессе измерения непрерывно изменяющихся вязкоупругих характеристик вещества амплитуда и частота свободных. колебаний маятника также непрерывно изменяются, что требует дополнительной обработки результатов эксперимента и приводит к снижению точности. Кроме того, в данном устройстве принципиально невозможно измерение величины присоединенной массы вещества, так как угол поворота крутильного маятника и его ускорение находятся в противофазе. Следовательно, ошибка измерения модуля ф;пругости вещества пропорциональна величине присоединенной массч, что также приводит к снижению точности измерений.Наиболее близким к изобретению является устройство, позволяющее обеспечить более высокую точность измерения вязкоупругих свойств в процессе их измерения и расширить частотный диапазон, содержащее кор пус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, генератор задающих колебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суммирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из.которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля угругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости 3 .К недостаткам этого устройства следует отнести узкий диапазон частоты деформации вследствие сильной1 О зависимости результатов измеренияот стабильности частоты и амплитудызадающих колебаний, от стабильности характеристик датчиков и параметров механической части, от стабильности массы подвижной части устройства,Сигналы на выходе формирователейизменяются пропорционально как измеряемым параметрам исследуемого вещества, так и пропорционально квадрату амплитуды перемещения штока,которая определяется амплитудойзадающих колебаний и, кроме того,собственными динамическими характеристиками штока при отсутствии вещества, а именно жесткостью пружины,через которую передаются эадаощиеколебания на шток, собственными демпфирующими силами штока и параметрамисигналов настройки формирователейдля заданной частоты задающих колебаний.Изменение величины присоединенноймассы вследствие измерения реологических свойств или качественного состава вещества приводит к изменениюсилы инерции штока, что вызываетошибки измерения модуля упругостивещества пропорционально величинеприсоединенной массы и квадратачастоты задающих колебаний.30Изменение частоты задающих колебаний, связанное с нестабильностьючастоты или переходом на другуюзадающую частоту, приводит к изменению величины силы инерции и ампли- З 5туды скорости пер.мещения штока пропорционально квадрату частоты задающих колебаний, что вызывает либоошибку измерения модуля упругостивещества, либо необходимость пере- , 40стройки устройства на новую задающую частоту. Это существенно усложняет экспл,атацию данного устройства при большом числе фиксированныхчастот задающих колебаний. 45Кроме того, данное устройствопринципиально не может работать врежиме непрерывно меняющейся амплитуды и частоты задающих колебаний,так как в этом случае потребуетсянепрерывная подстройка каналов измерения модуля упругости и вязкости,которую. невозможно произвести в режиме измерения реологических свойствисследуемого вещества.Цель изобретения - повышение точности измерения модуля упругости ивязкости и обеспечение воэможностиизмерения присоединенной массы.Указанная цель достигается тем,что в эластовискозиметр, содержащий 60корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженнымв исследуемое вещество, генераторзадающих кОлебаний, обратный преобразователь, содержащий статор в виде 65 магнитопровода и постоянного магнита, закрепленных на корпусе, и закрепленные на штоке якорь с катушкой, первый суьмирующий усилитель, каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам первого суммирующего усилителя, датчик перемещения што" ка, выход которого подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения модуля упругости, и датчик скорости перемещения штока, выход которого подключен к первому входу фор- мирователя и второму входу блока модели канала измерения вязкости введены датчик ускорения штока,) весовой сумматор, блок оценки силы сопротивления вещества, второй суммирующий усилитель и канал из- мерения присоединенной массы, состоящий из последсвательно соединенных формирователя, исполнительного блока и блока модели, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя, причем выход датчика ускорения штока подключен к первому входу формирователя и второму входу блока модели канала измерения присоединенной массы, а =акже к первому входу весово" го сумматора, второй и третий входы которого подключены соответственно к датчикам перемещения и скорости перемещения штока, выход весового сумматора соединен с первым входом блока оценки силы сопро" тивления вещества, второй вход которого соединен с выходом генерато.ра задающих колебаний, а выход подключен к вторым входам формирователей всех каналов измерения, при этом выходы генератора, блока оценки силы сопротивления вещества и первого суммирующего усилителя подключены через второй суммирующий усилитель к катушке якоря обратного преобразователя, а шток упруго связан с корпусом эластовискоэиметра,На чертеже приведена схема предлагаемого эластовискоэиметра.Зластовискозиметр содержит шток 1, связанный одним концом через пружину 2 с корпусом, а другим концом через зонд 3, погруженный в исследуемое вещество 4, - с кюветой 5, жестко закрепленной на корпусе эластовискоэиметра, На штоке 1 также укреплены шторка 6 датчика перемещения штока 1, магнит 7 датчика скорости перемещения ш".ока 1 и якорь 8 с катушкой 9 обратного преобразователя. На корпусе эластовискоэиметра укреплены корпус датчика 10 перемещения штока 1 с лампочками 11 и1080070 ходов Фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16 поступают соответственно на вторые входы блока модели 20 модуля упругости, блока модели 23 вязкости и блока модели 26 присоединенной массы, первые вхо ды которых соответственно связаны с выходами исполнительных блоков 19, 22 и 25. Блоки моделей 20, 23 и 26 представляют собой множительные устройства, поэтому при отсутствии вещества 4 в кювете 5 сигналы с их выходов равны нулю. Следовательно, нулевым будет и сигнал на выходе первого суммирующего усилителя, связанного через второй суммирующий усилитель 30 со входом катушки 9 якоря 8 обратного преобразователя.При налички вещества 4 в кювете5 возникает сопротивление движению зонда 3, которое обусловлено вяэкоупругими характеристиками вещества 35 4 и силовой инерции его массы, присоединенной к зонду 3. Это вызывает изменение амплитуды выходных сигналов фотодиодов 12, катушки 15 и дифференциатора 16. Следовательно, ,40 равновесие сигналов на входах блока28 оценки силы сопротивления вещества 4 нарушается. На выходе блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 появляется компенсирующий 45 сигнал такой величины, который приводит входные сигналы этого блока в равновесное состояние, что возможно только при полной компенсации силы вязкоупругого сопротивления ия и силы инерции присоединенной массы а вещества 4. Поэтому выходной сигналблока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 пропорционален нескомпенсированному усилию вязкоупругого сопротивления и силе инерции присоединенной массы вещества 4. В Формирователе 18 модуля упругости, где происходит перемножение сигнала, пропор ционального силе сопротивления вещества 4, и сигнала, пропорцисналь ного перемещению штока 1 Формируется сигнал, пропорциональйый модулю упругости, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 19, который модули ууется сигналом перемещения штока 1 фотодиодами 12, магнитопровод 13 смагнитом 14 статора обратного преобразователя и катушка 15 датчикаскорости перемещения штока 1. Датчик ускорения штока выполнен в видеднфференциатора 16, подключенноговходом к катушке 15, а выходом - кпервому входу весового сумматора 17,второй и третий входы которогоподключены соответственно к выходам Фотодиодов 12 и катушки 15. Канал измерения модуля упругости содержит последовательно соединенныеформирователь 18, исполнительныйблок 19 и блок модели 20. Канал из"мерения вязкости содержит последовательно соединенные формирователь21, исполнительный блок 22 и блокмодели 23, Канал измерения присоединенной массы содержит последовательно соединенные Формирователь 24,исполнительный блок 25 и блок модели26, причем выходы всех блоков моделей 20, 23 и 26 подключены к входампервого суммирующего усилителя 27,Первый вход блока 28 оценки сил сопротивления вещества подключен к выходу весового сумматора 17, а второйвход блока 28 оценки сил сопротивления вещества подключен к выходу генератора 29, Второй суммирующий усилитель 30 подключен выходом к катушке 9, а его входы подключены к выходам первого суммирующего усилителя27, блока 28 оценки сил сопротивления вещеатва и генератора 29. Первыевходы формирователей 18, 21 и 24подключены соответственно к выходамФотодиодов 12, катушки 15, дифференциатора 16 и, соответственно, к вторым входам блоков моделей 20, 23 и26, а вторые входы Формирователей 182 Х и 24 подключены к выходу блока 28оценки сил сопротивления вещества,Эластовискоэиметр работает следующим образом,При отсутствии вещества 4 в кювете 5 генератором 29 через второйсуммирующий усилитель 30 возбуждаются механические колебания штока 1,что обуславливает появление сигналовна выходах фотодиодов 12 датчика перемещения штока 1, катушки 15 датчикскорости перемещения штока 1 и дифференциатора 16, форма которых определяется формой сигнала генератора29 и параметрами механической части эластовискоэиметра (массой подвижной части, собственным демпфированием, упругостью вспомогательнойпружины 2 ), Сигналы фотодиодов 12,катушки 15 и дифференциатора 16 поступают на входы весового сумматора17, весовые коэффициенты котороговыбираются таКим образом, чтобывыходной сигнал весового сумматора 17 бьщ равен в каждый момент времени выходному сигналу генератора 2 Выходные сигналы весового сумматора 17 и генератора 29 поступают надифференциальные входы блока 28оценки силы сопротивления вещества,выполненного в виде дифференциаль ного усилителя с большим коэффициентом усиления. ак как входные сигналы блока 28 оценки силы сопротивления вещества равны, то его выходной сигнал равен нулю и, следова тельно, равны нулю сигналы на выхо"дах формирователей 18, 21 и 24 иисполнительных блоков 19, 22 и 25 всех каналов измерения. Сигналы с выс выхода фотодиодов 12 в блоке модели 20 канала измерения модуля упру гости, Выходной сигнал блока модели 20, моделирующий упругую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению зонда 3, попадает через5 первый вход в первый суммирующий усилитель 27.В формирователе 21 канала измерения вязкости, где происходит перемножение сигнала, пропорционально- О го силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный скорости перемещения штока 1, формируется сиг нал, пропорциональный величине вязкости вещества 4, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 22, который модулируется сигналом, пропорциональным скорости перемещения штока 1 с выхода катушки 15, в блоке модели 23, Выходной сигнал блока модели 23 моделирует вязкую составляющую силы сопротивления движению зонда 3, который через второй вход попадает в первый суммирующий усилитель 27.В формирователе 24 канала измерения присоединенной массы, где прс,. исходит перемножение сигнала, пропорционального силе сопротивления вещества 4, на сигнал, пропорциональный ускорению штока 1, Формируется сигнал, пропорциональный ве,личине присоединенной массы, что обуславливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 25который модулируется сигналом, пропор 35 циональным ускорению штока 1 с выхода дифференциатора 16, в блоке модели 26. Выходной сигнал блока модели 26 моделирует силу инерции вещества 4, вызванную присоединенной мас сой, и через третий вход попадает в первый суммирующий усилитель 27.Выходные сигналы первого суммирующего усилителя 27 и блока 28 оценки силы сопротивления вещества 4 суммируются вторым суммирующим усилителем 30 и попадают в катушку 9 якоря 8 обратного преобразователя, где возникает электромагнитная сила, величина которой в каждый момент време 50 ни равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак - обратный знаку си-лы сопротивления. При этом равенствс нулю сигналов на выходах формирователей 18, 21 и 24 и, следовательно, на выходе блока 28 оценки силы сопро тивления вещества свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения модуля упругости, вязкости, присоединенной массы и полной компенсации сил сопротивле ния движению зонда 3 сигналами с выходов блоков моделей 20, 23 и 26.При этом выходные сигналы исполни-.тельных блоков 19, 22 и 25 пропорциональны соответственно модулю упрЪ 65 гости, вязкости вещества 4 и величине присоединенной массы,При изменении модуля упругости,вязкости или величины присоединенноймассы появляются сигналы на выходеблока 28 силы сопротивления вещества 4,и, следовательно, сигналы на выходах формирователей 18, 21 и 24,что приводит к соответствующему изменению выходных сигналов блоков модели 20, 23 и 26, первого суммирующего усилителя 27 и тока в катушке9 якоря 8 обратного преобразователядо такой величины и в такую сторону,чтобы сила сопротивления веществабыла скомпенсирована электромагнитной силой обратного преобразователя,Таким образом, алгебраическая сумма сил, действующих на шток со стороны исследуемого вещества и обратного преобразователя, всегда равна силе возбуждения от сигнала генератора 29, что свидетельствует опостоянстве частотной характеристики электромеханической системы. Этопозволяет изменять в широких пределах частоту деформации вещества 4с помощью генератора 29,При изменении амплитуды или частоты задающих колебаний изменяютсяамплитуда и частота колебаний штока1, а также величины упругой силы,сил инерции и собственного демпфирования штока 1, что приводит кизменению величины сигналов на выходах датчиков перемещения, скоростии ускорения штока 1. Изменение величины выходно"о сигнала блока 28оценки силы сопротивления вещества 4, связанное с изменением упругой силы пружины 2, силы собственного демпфирования и силы инерции штока 1, компенсируется в весовом сумматоре 17 изменением величины сигналовдатчиков ускорения, скорости и перемещения штока 1, При этом выходнойсигнал блока 28 оценки силы сопро-,тивления вещества 4 пропорционалентолько нескомпенсированному усилителю сопротивления вещества 4. Таккак в каждый момент времени силасопротивления вещества 4 скомпенсирована электромагнитной силой обратного преобразователя независимо отвеличины выходного сигнала первогосуммирующего усилителя 27, то переходные процессы в каналах измерения не влияют на стабильность частотной характеристики электромеханической системы. Так как выходнойсигнал блока 28 оценки сил сопротивления вещества приводится к нулю,то ошибки измерения модуля упругос"ти, вязкости и присоединенной массыне зависит от изменения амплитуды и частоты колебаний штока..Кузьма остав ехред И. Муска Редактор М. Товтин кт 1328/45 ВКИИПИ Го по делам 113035, МосТираж 823дарственного комизобретений и отка, Ж, Раушска За Подписноеета СССРтийнаб д 4/5 ПП "Патент", г, Ужгород оектная, 4 Фнл Таким образом, предлагаеияй эластовискоэиметр позволяет повысить точность измерения модуля упругости и вязкости и обеспечить возможность измерения присоединенной массы, а также измерять реологические характеристики вецеств при непрерывном изменении спектрального состава сигнала возбуждения без увеличения аппаратурной сложности н времени настройки устройства. При этом точность измерения модуля упругости и вязкости в предлагаемом устройстве вьаае по мэдулюупругости в 5,8 раэ, по вязкостив 1,2 раза.5 Кроме того, устройство обеспечивает возможность измерения присоединенной массы с точностью 2,1,что позволяет судить об измененияхфизико-механических свойств ве щества в процессе измерения.