Эластовискозиметр

СОЮЗ СОВЕТСННХСОЦНАЛНСТНЧЕСННХРЕСПУБЛНН 1) 4 С 01 М 1/10, 11/1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ Н ОТНРЫ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ таци измерительным преобразов онарных и нестационарных ких характеристик вещест козиметр обеспечивает оц(71) Ленинградский институт авиационного приборостроения(56) Авторское свидетельство СССР 9 378756, кл. С 01 И 11/10, 1971,Авторское свидетельство СССР 9 1080070, кл, С 01 И 11/10, 1983. (54) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР(57) Изобретение касается измерения и регистрации физических свойств материалов и относится к информационноателям реоло в. Элачесовиставгостиьнотныенсаенку с ляющих комплексного модбез временной, задержкигармонической деформацими частотой и фазой за ля упр тносит изв чет к ционного ения силвязкоупругова и обработвременном релового балан- одновременноум взаимно лениям исслеусоидальному аЮ го сопротивления вещес ки, основанной на един шенин двух уравнений с а, полу о дефор ерпенди емых за счет рования по лярным напр щества по с 3 ф лыф уемого в акону. 2 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯИзобретение относится к области измерения к регистрации физических свойств материалов, а именно к информационно-измерительным преобразо 5 вателям стационарных и нестационарных реологических характеристик веществ как органического, так и неорганического происхождения, и может быть использовано при экспериментальных ис следованиях кинетики быстро протекающих реологических процессов.Целью изобретения является повышение быстродействия процесса измере" ния нестационарных реологических ха рактеристик веществ.На фиг.1 приведена электрокинематическая схема эластовискозиметра; на фиг.2 и 3 - структурные электрические схемы блоков оценки модуля 20 упругости и вязкости соответственно,Эластовискозиметр (фиг.1) содержит первый шток 1, жестко связанный одним концом с вторым штоком 2 через первый датчик 3 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезокристалла, а другим концом через зонд 4 - с исследуемым веществом 5, помещенным в кювету 6. На первом штоке 1 укреплены якорь 7 с катушкой 8 30 первого обратного преобразователя. На корпусе эластовискозиметра укреплены магнитопровод 9 с постоянным магнитом 10 статора первого обратного преобразователя, первый привод 11 задающих колебаний с профилированным кулачком 12. Кинематцческое замыкание кюветы 6 с кулачком 12 осуществляется с помощью пружины 13, Устройство содержит также первый уси литель 14, вход которого подключен к выходу первого датчика 3 вязкоупругой силы, а выход - к катушке 8 якоря 7 первого обратного преобразователя. К выходу первого привода 11 задающих колебаний подключены генераторы 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний соответственно, причем генератор 15 синусоидальных колебаний выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы 6, а генератор 16 косинусоидальных колебаний выдает сигнал, сдвинутый по фазе на угол Г 2 относительно выходного сигнала генератора 15 синусоидальных колебаний, Каждый из генераторов 15 и 16 выполнен, налример, в виде последовательно соединенных преобразователя угол " код и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), адресные входы которого подключены к выходупреобразователя угол - код. В ПЗУ генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний записаны соответственно синусоидальная и косинусоидальная гармоники задающих колебаний, причем синхронизация входных сигналов ПЗУ приводом 11 задающих колебаний осуществляется путем жесткого соединения вала привода 11 задающих колебаний с входным валом преобразователя угол в .код таким образом, что нейтральному положению кюветы 6 в направлении оси первого штока 1 соответствует нулевой выходной сигнал ПЗУ генератора 15 синусоидальных колебаний и максимальный выходной сигнал ПЗУ генератора 16 косинусоидальных крлебаний. Эластовискозиметр содержит второй привод задающих колебаний, выполненный в виде пары конических шестерен 17 и профилированного кулачка 18, идентичного кулачку 12, причем одна из конических шестерен 17 жестко связана с валом первого привода 11 задающих колебаний, Кинематическое замыкание кулачка 18 с кюветой 6 осуществляется с помощью пружины 19. На втором штоке 2 укреплены якорь 20 с катушкой 21 второго обратного преобразователя. Концы второго штока 2 жестко связаны с кор. пусом эластовискозиметра через датчики 22 вязкоупругой силы, выполненные, например, в виде пьезокристаллов. На корпусе также укреплен магнитопровод 23 с постоянным магнитом 24 статора второго обратного преобразователя. Эластовискозиметр содержит второй усилитель 25, вход которого подключен к выходам датчиков 22 вязкоупругой силы, а выход - к катушке 21 якоря 20 второго обратного преобразователя, и блоки 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости соответственно. Причем первые входы блоков 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости подключены к выходу второго усилителя 25, вторые их входы - к выходу первого усилителя 14, а третьи и четвертые входы соединены соот- ветственно с выходами генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний.Блок 26 оценки модуля упругости(фиг,2) содержит суммирующий усилитель 28 и два перемножителя 29 и 30, 1383138выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 28, Выходы перемножителя 29 являются первым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости, Входы перемножителя 30 являются вторым и четвертым входами блока 26 оценки модуля упругости, а выход суммирующего усилителя 28 - выходом блока 26 оценки моду ля упругости вещества 5.Блок 27 оценки вязкости (фиг.3) содержит суммирующий усилитель 31 и два перемножителя 32 и 33, выходы которых подключены к входам суммирующе го усилителя 31. Входы перемножителя 31 являются вторым и четвертым входами блока 27 оценки вязкости. Входы перемножителя 33 являются первым и третьим входами блока 27 оценки вяз кости, а выход суммирующего усилителя 31 - выходом блока 27 оценки вязкости вещества 5.Зластовискозиметр работает следующим образом. 25При включении первого привода 11 под действием кулачков 12 и 18 и пружин 13 и 19 кювета 6 совершает плоскопараллельное вращательное движение с частотой задающих колебаний. Кулач ки 12 и 18 и оси штоков 1 и 2 ориентированы таким образом, что плоскость перемещения кюветы параллельна плоскости расположения штоков 1 и 2. При этом на выходах генераторов 15 и 16 появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 6 гармонические сигналы с частотой задающих колебаний.При отсутствии вещества 5 в кювете 6 силы, действующие на зонд 4 и што ки 1 и 2, равны нулю. Следовательно, выходные сигналы датчиков 3 и 22 вязкоупругой силы, усилителей 14 и 25 также равны нулю. Наличие нулевых сигналов на выходах усилителей 14 и 25 обуславливает нулевые сигналы на выходах всех перемножителей 29, 31, 32 и 33 и, следовательно, нулевые сигналы на выходах блоков 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости.При наличии вещества 5 в кювете 6 возникает сопротивление движению кюветы 6, которое подается на жестко закрепленные штоки 1 и 2 и датчики 3 и 22 вязкоупругой силы. При этом на выходе датчика 3 вязкоупругой силы появится сигнал, пропорциональный силе, действующей вдоль штока 1, а на выходе датчиков 22 - пропорциональной силе, действующей вдоль оси штока 2. Наличие сигнала на выходе датчика 3 вязкоупругой силы обусловливает появление только компенсирующего сигнала на выходе первого усилителя 14 по величине и направлению, который возбуждает в якоре 7 с катушкой 8 первого обратного преобразователя силу, приводящую шток 1 в равно-, весие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси первого штока 1 с зондом 4, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5 равна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал первого усилителя 14 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси первого штока 1. Наличие сигнала на выходе датчиков 22 вязкоупругой силы обусловливает появление такого компенсирующего сигнала на выходе второго усилителя 25 по величине и направлению, кото-рый возбуждает в якоре 20 с катушкой 21 второго обратного преобразователя силу, приводящую второй шток 2 в равновесие. При этом сумма сил, действующих вдоль оси второго штока 2, независимо от характера изменения вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, равна нулю в каждый момент времени, Следовательно, выходной сигнал второго усилителя 25 пропорционален составляющей вязкоупругой силы сопротивления вещества 5, направленной вдоль оси второго штока 2, сумма сил, создаваемых первым и вторым обратными преобразователями, всегда равна вязкоупругой силе сопротивления вещества 5При гармонической деформации вещества 5, реологические характеристики которого не изменяются во времени, вязкоупругая сила сопротивления вещества 5 и выходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют синусоидальныи характер с частотой, равной частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 29 и 30 блока 26 оценки модуля упругости, На выходе каждого перемножителя появится сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составля"1383138 где Кой ющую удвоенной частоты задающих колебаний. Причем переменные составляющие находятся в противофазе. В результате сложения выходных сигналов перемно 5 жителей 29 и 30 суммирующим усилителем 28 выходной сигнал блока 26 оценки модуля упругости пропорционален только модулю упругости вещества 5.Аналогичным образом на выходе . 10 блока 27 оценки вязкости формируется сигнал, пропорциональный вязкости ве" щества 5 на частоте задающих колебаний. Сигналы генераторов 15 и 16 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигналы усилителей 14 и 25 поступают на входы перемножителей 32 и 33 блока 27 оценки вязкости. На выходе кажддго перемножителя 32 и 33 появляется сигнал, содержащий посто янную составляющую, пропорциональную вязкости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты задающих колебаний. Причем переменные составляющие находятся в противофазе. В 25 результате сложения выходных сигналов перемножителей 32 и 33 суммирующим усилителем 31 выходной сигнал блока 27 оценки вязкости пропорционален только вязкости вещества 5, 30При гармонической деформации вещества 5, реологические характеристики которого изменяются во времени, вязкоупругая сила вещества 5 ивьходные сигналы усилителей 14 и 25 имеют периодический косинусоидальный характер. Формирование оценок составляющих комплексного модуля упругости в блоках 26 и 27 оценки модуля упругости и вязкости принципиально не отли 40 чается от формирования оценок составляющих комплексного модуля упругости вещества 5, реологические характеристики которого не изменяются во времени.45Полную компенсацию сил вязкоупругого сопротивлениявещества 5 на частоте задающих колебаний компенсирующими силами обратных преобразователей можно охарактеризовать уравнения 50 ми баланса сил, действующих на штоки 1 и 2 К А )С (и,я)яяпип + С (и,я)ссяиС 1" тКап)к А,)с (и,с)яяп(ис я-) 6С (Я,с) соз М + -)1) = К ЧОП йя- коэффициент формы ра"бочего узла, зависящий от геометрическихразмеров зонда 4 и кюветы б;- коэффициент передачиобратных преобразователей;- амплитуда деформацииве ества щС (а,с),иС (И,с) - упругая и вязкаясоставляющие комплексного модуля упругостивещества на частотедеформацииЯ; Ч 1 . - выходные сигналы усилителей 14 и 25 соответственно.По измеренным значениями Ч с помощью выражений (1) могут быть определены нестационарные реологические характеристики С (Я,с) и С Йд,с) С (я с) =, - (7 з 1 пы + Ч созЖ) 1 Ко КуАо С (я с) = -- (Ч соарес -Ч з 1 пас).(2)Кос)КрА ий В суммирующем усилителе 28 блока 26 модуля упругости, входы которого подключены к выходам перемножителей 29 и 30, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с первым уравнением системы. (2). В суммирующем усилителе 31 блока 27 оценки вязкости, входы которого подключены к выходам перемножителей 32 и 33, происходит суммирование выходных сигналов последних в соответствии с вторым уравнением системы (2). Таким образом, на зонде предлагаемого эластовискозиметра осуществляется алгебраическое суммирование сил, обусловленных нестационарным комплексным модулем упругости при деформации в широком диапазоне и ортогонально ориентированных компенсирующих сил обратных преобразователей, обеспечивающих повышение быстродействия и точности оценивании быстроизменяющихся вязкоупругих характеристик.Введение этой совокупности признаков расширяет метрологические возможности и область применения эластовискозиметра за счет безынерционного оценивания нестационарных составляющих комплексного модуля упругости вшироком диапазоне частот и позволяет с высокой точностью исследовать кинетику быстропротекающих реологических 10 процессов,Формула изобретения1. Эластовискозиметр, содержащий 15 корпус, кювету для исследуемого вещества, первый шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, первый привод задающих колебаний, направленных по оси первого штока, кинемати чески связанный с кюветой, первый обратный преобразователь, содержащий укрепленный на корпусе статор в виде магнитопровода и постоянного магнита и укреплейный на штоке якорь с катушкой, первый усилитель, выход которого подключен к катушке якоря первого обратного преобразователя, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия процесса из мерения нестационарных реологических характеристик веществ, в него введены второй шток, ось которого перпендикулярна оси первого штока, второй привод задающих колебаний, направленных по оси второго штока, связанный кинематически с кюветой и синхровходом с первым приводом задающих колебаний, второй обратный преобразователь, содержащий укрепленный на корпусе ста тор в виде магнитопровода и постоянного магнита и укрепленный на втором штоке якорь с катушкой, второй усилитель, генераторы синусоидальных и косинусоидальных колебаний, синхровхо ды которых связаны С, первым приводом задающих колебаний, блоки оценки модуля упругости и вязкости, первый и второй датчики вязкоупругой силы, оси чувствительности которых направленысоответственно вдоль осей первого ивторого штоков, причем выходы первогои второго датчиков вязкоупругой силыподключены соответственно к входампервого и второго усилителей, выходвторого усилителя подключен к катушке якоря второго обратного преобразователя и первым входом блоков оцен-,ки модуля упругости и вязкости, вторые входы которых подключены к выходу первого усилителя, третьи и четвертые входы блоков оценки модуляупругости и вязкости подключены соответственно к выходам генераторовсинусоидальных и косинусоидальных колебаний, при этом первый шток жесткосвязан через первый датчик вязкоупругой силы с вторым штоком, которыйжестко связан через второй датчиквязкоупругой силы с корпусом.2. Эластовискозиметр по и. 1,о т л и ч а ю щ и й с я тем, чтоблок оценки модуля упругости содержит два перемножителя и суммирующийусилитель, входы которого подключенык выходам перемножителей, причем входы первого перемножителя служат первым и четвертым входами блока оценкимодуля упругости, входы второго перемножителя служат вторым и третьимвходами блока оценки модуля упругости, а выход суммирующего усилителя -выходом блока оценки модуля упругости,3. Эластовискозиметр по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что блокоценки вязкости содержит два перемножителя и суммирующий усилитель,входы которого подключены к выходамперемножителей, причем входы первогоперемножителя служат вторым и четвертым входами блока оценки вязкости,входы второго перемножителя служатпервым и третьим входами блока оценки вязкости, а выход суммирующегоусилителя - выходом блока оценки вязкости, 1383138