Эластовискозиметр

(51)4 С 01 Б 11 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРС ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Ленинградский институт авиационного приборостроения(56) Авторское свидетельство СССР Р 378756, кл. С 01 В 11/10, 1971.Авторское свидетельство СССР У 1080070, кл. С 01 И 11/10, 1983. (54) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР(57) Изобретение относится к области измерения вяэкоупругих характеристик материалов с нелинейными реологическими свойствами., Целью изобретения является повышение точности измерения вяэкоупругих характеристик веществ с нелинейньячи реологическими свойствами. Эластовискозиметр содержит корпус, кювету, шток с зондом, привод задающих колебанийобратный преобразователь, суммирующий усилитель мощности, первый контур измерения реологических характеристик на. задающей частоте, содержащий суммиру. кщий усилитель, первый фильтр, фазовращатель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый иэ которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительныйблок и блок модели, датчик вяэкоупругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, Н пар генераторов синусоидальных и косинусоидальных колебаний, Кконтуров измерения модуля упругости и вязкости начастотах, кратных частоте задающихколебаний, аналогичных первому, причем входы всех фильтров подключены кдатчику вязкоупругой силы, а выходывсех суммирующих усилителей через суммирующий усилитель мощности подключены к катушке якоря обратного преобра- сэователя. Новьвю является введение датчика вязкоупругой силы, жестко связывающего шток с корпусом, 0 пар генераторов синусоидальных и косинусои- Сдальных колебаний, 0-1 дополнительныхконтуров измерения реологических характеристик, первого фильтра, первого фазовращателя в контур измеренияреологических характеристик на частоте задающих колебаний. Эластовискоэиметр может быть использован в химической промышленности для измерениясвойств материалов со стационарнымии нелинейными реологическими характеристиками, в нефтяной промышленности,д медицине. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.12Изобретение относится к измерениювязкоупругих характеристик различных материалов с нелинейными реологическими свойствами и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругих свойств во времени в широком диапазоне частот деформации.Цель изобретения - повышение точности измерения реологических характеристик веществ с нелинейными вязко- упругими свойствами.На фиг. 1 приведена электрокинематическая схема зластовискозиметра; на фиг. 2 - структурнае электрические схемы формирователей каналов измерения модуля упругости и вязкости соответственно,Эластовискозиметр (фиг. 1) содержит шток 1, жестко связанный одним концом через датчик 2 вязкоупругой силы, выполненный, например, в виде пьезокристалла и усилителя, а другим концом через зонд 3 с исследуемым веществом 4, помещенным в кювету 5. На штоке 1 укреплены якорь б с катушкой 7 обратимого преобразователя. На корпусе эластовискозиметра также укреплены магнитопровод 8 с постоянным магнитом 9 статора обратимого преобразователя и привод 10 задающих колебаний с профилированным кулачкомКинематическое замыкание кюветы .5 с кулачком 1 1 осуществляется с помощью пружин 12. Устройство также содержит Б пар генераторов синусоидальных 13.1 и косинусоидальных 14.1 с Ос 1,Й) колебаний, синхронизированных по входу с положением и проФилем кулачка 11 привода 10, причем генератор 13,1 синусоидальных колебаний выдает сигнал, строго пропорциональный перемещению кюветы 5, а генератор 14.1 косинусоидальных колебаний выдает сигнал, сдвинутый по фазе на угол 7/2 относительно выходного сигнала генератора 13.1 синусоидальных колебаний. Частота выходных сигналов Е-ой пары генераторов 1 ЗЛ и 14.1 в Е раз больше частоты первой пары генераторов 13.1 и 14.1. Эластовискоэиметр содержит также суммирующий усилитель 15 мощности, выход которого подключен к катушке 7 якоря 6 обратимого преобразователя, а один иэ входов соединен с выходом датчика 2 вязкоупругой силы и М идентичных контуров 16 А В=1,Б) измерения рео 60746логических характеристик, предназначенных для определения на соответствующей частоте составляющих комплексного модуля упругости. Так, первыйконтур 161 измерения реологических,характеристик на частоте я равнойчастоте деформации исследуемого вещества, включает суммирующий усили 1 тель 17.1, выход которого подключен 10 к входу суммирующего усилителя 15мощности, последовательно соединенныефильтр 18.1 и фазовращатель 19.1 синусоидальных сигналов, настроенных начастоту Я и два идентичных кана ла измерения модуля упругости и вязкости. Канал измерения модуля упругости состоит из последовательно соединенных Формирователя 20.1, исполнительного блока 21.1 и блока 22.1 20 модели модуля упругости, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя 17.1 Канал измерения вязкости состоит из последовательно соединенньг формирователя 25 23,1, исполнительного блока 24.1 иблока 25.1 модели вязкости, выход которого также подключен к входу суммирующего усилителя 17.1 Исполнительные блоки 21, 1 и 24. 1 представля- ЗО ют собой генераторы, а блоки 22.1 и25.1 модели выполнены в виде множительных устройств. Первые, вторые,третьи и четвертые входы формирователей 20.1 и 23.1 подключены соответственно к выходу фильтра 18.1,выходу фаэовращателя 19.1, выходу генератора 13.1 синусоидальных колебаний и второму входу блока 22.1 модели, к выходу генератора 14.1 косинусоидальных колебаний и второму входублока 25.1 модели. Аналогично построены остальные Хконтуров измерения реологических характеристик, Входы фильтров 18 и выходы суммирующих 45 усилителей 17 подключены соответственно к выходу датчика 2 вязкоупругойсилы и входу суммирующего усилителя15 мощности.формирователи 20 каналов измерения модуля упругости выполнены идентично и каждый из них (фиг. 2) содержит суммирующий усилитель 26 и дваперемножителя 27 и 28, выходы которыхподключены к входам суммиру ощего усилителя 26. Входыперемножителя 27 являются первым и третьим входами формирователя 20. Входы перемножителя 28 являются вторым и четвертым.;ормиронателя 20.Формирователи 23 каналон измерения вязкости выполнены идентично икаждый из них (фиг, 3) содержит суммирующий усилитель 29 и два перемножителя 30 и 31, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя 29. Входы перемножителя 30 явля ются первым и четвертым входами Формирователя 23. Входы перемножителя31 являются вторым и третьим входамиформирователя 23, а выход суммирующего усилителя 29 - выходом формирователя 23,Генераторы 13.1 с и 14,1 с,1 с-ой гармоники выполнены в виде преобразователя угол - код и постоянных двух запоминающих устройств ПЗУ), адресные щвходы которых подключены к выходупреобразователя угол - кодВ ПЗУ записаны 1 с-е синусоидальная и косинусоидальная гармоники соответственно,причем синхронизация входных сигналов ПЗУ с приводом 10 осуществляется путем жесткого соединения налапривода 10 с входным валом преобразователя угол - код таким образом, чтонейтральному положению кюветы 5 соответствуют нулевой выходной сигнал первого ПЗУ и максимальный выходной сигнал второго ПЗУ.Эластовискозиметр работает следующим образом.При включении привода 10 под дей 35ствием кулачка 11 и пружины 12, кювета 5 перемещается по синусоидальномузакону с частотой колебаний и, . Приэтом на выходах генераторов 13.Е и401.4.Е появляются строго синхронизированные с перемещением кюветы 5 синусоидальные сигналы с частотой Ея, Ос1, Н).При отсутствии вещества 4 в кювете 45 5 сила, действующая на шток 1 с зондом 3, равна нулю. Следовательно, вы" ходные сигналы датчика 2 вязкоупругой силы, фильтров 18 и фазовращателей 19 также равны нулю. Наличие нулевых 50 сигналов на выходах контуров 16 измерения реологических характеристик обусловливает нулевые сигналы на выходах исполнительных блокон 21 и 24 всех каналов измерения модуля упру гости и вязкости. Так как блоки 22 и 25 моделей представляют собой множительные устройства, то их выходные сигналы равны нулю, что приводит к нулевому выходному сигналу суммирующего усилителя 15 мощности.При наличии вещества 4 н кювете 5 возникает сопротивление движению кюветы 5, которое передается на жестко закрепленные шток 1 с зондом 3 ч датчик 2 нязкоупругой силы. На выходе усилителя датчика 2 вязкоупругой силы появляется компенсирующий сигнал, такой по величине и направлению, что возбуждает н якоре 6 с катушкой 7 силу, приводящую шток 1 с зондом 3 в равновесие. При этом сумма сил, действующих на шток 1 с зондом 3, независимо от величины сигналов, поступающих с контуров 16 измерения реологических характеристик, ранна нулю в каждый момент времени. Следовательно, выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы пропорционален нескомпенсиронанному усилию вязкоупругого сопротивления вещества 4.При гармонической деформации с частотой я, вещества 4, реологические характеристики которого не зависят от амплитуды и скорости деформации, вязкоупругая сила сопротивления вещества 4 и выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы будут иметь синусоидальный характер с частотой, равной частоте деформации ц Сигнал датчика 2 нязкоупругой силы появится только на выходе фильтра 18.1, настроенного на частоту деформации. На выходах остальных фильтров 18.1 с Ос 2,1), настроенных на частоты, кратные а будут нулевые сигналы, что обусловливает нулевые сигналы на выходах этих контуров измерения реологическнх характеристик. В формирователе 20. 1 модуля упругости формируется сигнал, пропорциональный только модулю упругости.Сигналы генераторон 13. 1, 14. 1 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и фазовращатель 19.1 поступают на входы перемножителей 27.1, 28.1, формирователя 20.1 канала измерения модуля упругости, На выходе-каждого перемножителя 27.1, 28.1 появляется сигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную модулю упругости, и переменную гармоническую составляющую удвоенной частоты генератора 13.1 синуЮ соидальных колебаний. При этом переменные составлявзцие находятся в противофазе. В результате сложения вы 1260746кодных сигналов перемножителей 27.1 и 28.1 суммирующим усилителем 26.1 выходной сигнал формирователя 20.1 пропорционален только модулю уп.эугости вещества 4, что обусловливает появление сигнала на выходе исполнительного блока 21.1, который модулируется сигналом генератора 13.1 сину соидачьных колебаний в блоке 22,1. модели канала измерения модуля упру- О гости. Выходной сигнал блока 22.1 модели, моделирующий упругую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению кюветы 5, поступает через вход суммирующего усилителя 17.1 в 15 суммирующий усилитель 15 мощности.Аналогичным образом на выходе формирователя 23.1 формируется сигнал, пропорциональный вязкости вещества 4 на частоте деформации я . Сигнал ге нераторов 13.1, 14.1 синусоидальных и косинусоидальных колебаний и сигнал датчика 2 вязкоупругой силы через фильтр 18.1 и формирователь 19.1 поступает на входы перемножителей 30.1, 2531.1 формирователя 23.1 канала измерения вязкости. На выходе каждого перемножителя 30,1, 31.1 появляетсясигнал, содержащий постоянную составляющую, пропорциональную вязкости, и ЗОпеременную гармоническую составляющуюудвоенной частоты генератора 13.1синусоидальных колебаний. При этом переменные составляющие находятся впротивофазе. В результате сложениявыходных сигчалов перемножителей 30.1, 31.1 суммирующим усилителем29.1, выходной сигнал формирователя23.1 пропорционален только вязкостивещества 4, что обусловливает появле-Оние сигнала на выходе исполнительногоблока 24.1, который модулируется сиг.налом генератора 14.1 косинусоидальных колебаний в блоке 25.1 моделиканала измерения вязкости. ВыхОДнОЙ 45сигнал блока 25,1 модели, моделирую"щий вязкую составляющую силы сопротивления вещества 4 движению кюветы5, поступает через вход суммирующегсусилителя 17.1 в суммирующий Усилитель 15 мощности.Выходные сигналы контура 16.1 измерения реологических характеристик и датчика 2 вязкоупругой силы суммируются суммирующим усилителем 15 15 мощности, сигнал с которого подается в катушку 7 якоря 6 обратного преоб" разователя, где возникает электромагнитная сила, величина которой в каждый момент времени равна силе сопротивления вещества 4, а ее знак - обратный знаку силы сопротивления. При этюм равенство нулю сигнала на выходе фильтра 18.1 и, следовательно, на выходе датчика 2 вяэкоупругой силы свидетельствует об окончании переходных процессов в каналах измерения модуля упругости и вязкости и полной компенсапии силы сопротивления вещества 4 сигналами с выходбв блоков 22.1, 25.1 моделей, При этом выходные сигналы исполнительных блоков 211, 24.1 пропорциональны, соответственно, модулю упругости и вязкости.При гармонической деформации с частотой и, вещества 4, реологическиехарактеристики которого зависят отамплитуды и скорости деформации, вязкоупругая сила вещества 4 и выходнойсигнал датчика 2 вязкоупругой силыбудут иметь периодический несинусоидальный характер. Выходной сигнал датчика 2 вязкоупругой силы поступает на входы фильтров 18, где иэ него выделяют гармонические составлянш 1 Ие.Формирование компенсирующих сигналов каждого контура измерения реологических характеристик придеформированин вещества 4 с нелинейными вязкоупругими свойствами принципиально не отличается от формирования компенсирующего сигнала при деформировании вещества 4 с вязкоупругими характеристиками, не зависящими от амплитуды и скорости деформации. Выходные сигналы каждого контура 16.1 с В=1,И) моделируют гармонические составляющие реакции вещества 4 на синусоидальную деформацию и через суммирующий усилитель 15 мощности попадают в катушку 7 якоря б обратного преобразователя, возбуждая электромагнитную силу, величина которой в каждый момент времени равна силе сопро ивления вещества 4, а ее знак " обатный знаку силы сопротивления. При этом выходные сигналы исполнительных блоков 21.Е и 24. контуров 16.1 измерения реологических характеристик пропорциочальны соответственно упругой и вязкой составляющим комплек "ного модуля упругости вещества 4 при данной частоте и амплитуде деформации, причем выходные сигналы исполнительных блоков 21,1, 24. 1 характеризуют линейную часть составляющих1 1260 комплексного модуля упругости вещества 4, а выходные сигналы остальных исполнительных блоков 21,24 - нелинейную часть составляющих комплексного модуля упругости вещества.Изменение комплексного модуля уп- ругости вещества приводит к появлению сигналов на выходах фильтров 18 нескольких или всех контуров 16 измерения реологических характеристик, в эави- .1 О симости от изменившихся свойств вещества 4, что вызывает последовательное изменение выходных сигналов фор.мирователей 20, 21, исполнительных блоков 22,24, блоков моделей 22,25 и приводит к соответствующему изменению выходных сигналов контуров 16 измерения реологических характеристик. Выходной сигнал 1-ого контура 16.К Ь=Г,% измерения реологических характеристик будет изменяться до тех пор, пока выходной сигнал фильтра 18.1 не будет равен нулю, что свидетельствует о полной компенсации М-ой гармонической составляющей вяэкоупру гой силы сопротивления вещества.Таким образом, на штоке 1 предлагаемого эластовискоэиметра осуществляется алгебраическое суммирование сил, обусловленных нелинейными реологичес- ЗО кими характеристиками при одночастотной деформации исследуемого вещества и силы обратного преобразователя, об. разуется как сумма комплексных сил на каждой частоте, кратной частоте деформации, каждая иэ которых получается путем разделения реакции штока на активную и реактивную составляющие в формирователях 21,24 сигналов модуля упругости и вязкости на каждой частоте, кратной частоте деформации, суммирования их в суммирующем усилителе мощности и последующей компенсации реакции штока путем создания усилия, равного ей по величине и обрат ного по знаку.Предлагаемый эластовискозиметр позволяет исследовать реологические характеристики в области нелинейной вязкоупругости с высокой точностью.формула изобретения1. Эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, привод задаю щнх колебаний, связанный с кюветой, обратимый электромеханический преобразователь, суммирующий усилитель мощ 146 Яности, первый контур измерения реологических характеристик на заданной частоте, содержащий суммирующий усили тель и каналы измерения модуля упругости и вязкости, каждый из которых содержит последовательно соединенные формирователь, исполнительный блок и блок модели, выходы которых подключены к входам суммирующего усилителя, выход которого через суммирующий усилитель мощности подключен к катушке якоря обратимого электромеханического преобразователя, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повьппения точности измерения реологическьх характеристик веществ с нелинейными 3вязкоупругими свойствами, в него введены в первый контур измерения реологических характеристик последовательно соединенные фильтр и фазовращатель синусоидальных сигналов, настроенных на заданную частоту колебаний, датчик вязкоупругой силы, через который шток жестко связан с корпусом, К генераторов синусоидальных колебаний. синхровходы которых связаны с приводом задающих колебаний, И генераторов косинусоидальных колебаний, синхровходы которых связаны с приводом задающих колебаний, причем частота сигналов этих генераторов выбрана кратной заданной частоте, Идополнительных контуров измерения реологических характеристик, аналогичных первому и настроенных на частоты,. соответствукпцие частотам генераторов синусоидальных колебаний, при этом .выходысуммирующих усилителей контуров измерения реологических харак- . теристик подключены к соответствующим входам суммирующего усилителя мощности, в каздом контуре измерения реологических характеристик первые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фильтра, вторые входы формирователей подключены к выходу соответствующего фаэовращателя, третьи входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения модуля упругости подключены к выходу соответствующего генератора синусоидальных колебаний, четвертые входы формирователей и второй вход блока модели канала измерения вязкости подключены к выходу соответствующего генератора косинусоидальных колебаний, а выход датчика вязкоупругой силы подключен к соответствующему9 1260746 1 Овходу суммирующего усилителя мощности теля - выходом формирова - и входам всех фильтров, теля./3. Эластовискозиметр по п.1 о т 2. Эластовискозиметр по п. 1, л и ч а ю щ и й с я тем, что формио т л и ч а ю щ и й с я тем, что рователь канала измерения вязкости формирователь канала измерения моду- содержит два перемножителя и суммиля упругости содержит два перемножи- рующий усилитель, входы которого подтеля и суммирующий усилитель, входы ключены к выходам перемножителей) которого подключены к выходам перем- причем входы первого перемножителя ножителей, причем входы первого пере- О являются первым и четвертым входами множителя являются первым и третьим формирователя, входы второго перемновходами формирователя, входы второго жителя являются вторым и третьим перемножнтеля являются вторым и чет- входами формирователя, а выход суммивертым входами формирователя, рующего усилителя - выходом формироа выход суммирующего усиги - 5 вателя.1260746 Фариа Сирохман орректо Заказ 5218 Тиралс 778рственногозобретенийЖ, Раушс Поднисно ВНИИПИ Госудпо делам113035, Москва,5 оиэводственно-полиграфиче предприятие,едактор М. Товти ставитель В. Крутинхред Л.Олейник комитета СССРи открытийкая наб., д. 4 город, ул, Проектная, 4