Устройство для измерения реологических характеристик материалов

 

(72) Автор изобретения

Л. П. Ульянов

1 а

1.-;

Центральное конструкторское бюро уннка ного йриборостроени

АН СССР (7! ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕ ГЕНИЯ РЕОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Изобретение 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. характе-. ристик широкого класса материалов в широком диапазоне температур.

Известно устройство для измерения реологических характеристик материалов, содержащее задакщий генератор, подключенный к нему электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образца и прибор для измерения электрического импеданса катушки преобразоватеНедостатком этого устройства является большая трудоемкость обработки ре-.. . зо эультатов измерения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения реологических характеристик материалов с помощью вынужденных гармонических колебаний низкой час готы, содержащее последовательно с оединенные регулируемый по частоте задакп ий генератор, имеюший два выхода с фазами напряжений на этих выходах 0 и 90; регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор, усилитель мощности и электромеханический преобразователь для возбуждения колебаний образца исследуемого материала, виброизмерительный преобразователь, блоки выделения действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца, к одним входам которых подключены выходы задакицего генератора с фазами напряжений о

0 и 90 соответственно, и регистратор (2) .

Однако. известное устройство выполнено так, что в отсутствии образца в преобразователе нет casma фаз между напряжением и перемещением подвижной катушки преобразователя. Деформируемый

3 . 9493

/ образец изменяет характеристики преобразователя и вызывает появление фазового сдвига, Если разложить вектор колебаний образца на действительную, т.е. совпадакщую по фазе с напряжением

5 фазы 0 генератора, и мнимую, т.е. о сдвинутую на 90, составляющие, то величина действительной сосгавляюшей будет пропорциональна динамическому модулю упругости, а мнимая — динами- о ческому модулю потерь. Точность определения реологических характерис гик зависит от гочности выделения дейсгвительной и мнимой компонент колебаний.

И от гочности измерительного (регис гри- 5 рующего) устройства. В известном устройстве производится прямое измерение вьщеленной компоненты и поэтому фазовый дискриминатор. определяющий точность блоков. выделения должен иметь высокую линейность во всем возможном диапазоне изменении угла фазового сдвига. Этот диапазон в области углов, близких к 0 и 90, ограничен также уровнем шума о

Ф и фона, поэтому точность измерения реологических харвктерис гик материала, имеющего малые величины динамического модуля потерь, будет низкой.

Бель изобретения — повьппение точности измерения реологических характеристик >< материалов, имеющих малые величины динамического модуля потерь и, гем самым, расширение частотного диапазона измерения.

Бель достигается тем, Это устройство, 5 снабжено дополнительными регуляторами напряжений обеих фаэ, соединенными с сумматором, серводвигателями, усилителями, задатчиком уровня, источником постоянного стабилизированного напряжения, 40 элементом сравнения, двумя управляемыми

H неуправляемыми делителями напряжения, дополнительный регулятор напряжения фазы о

О механически связан с. серводвигвтелем, 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 преобразователя, а другим входом через задатчик уровня - к выходу генератора с о напряжением фазы О, а дополнительный регулятор напряжения фазы 90 механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения мнимой составляющей, второй вход

97 которого подключен к выходу элемента сравнения, а звдатчик уровня механически связан с регуляторами напряжений обеих фаэ и неуправляемым делителем напряжения, подключенным входом к источнику стабилизированного напряжения, в выхо- дом — к входам управляемых делителей напряжения, каждый из которых механически связан с. одним из дополнительных регуляторов напряжения и соединен выходом с регистратором.

Устройство содержит регулируемый

l по частоте задающий генератор 1, имеющий два выхода с фазами напряжений на этих выходах О -и 90О, регуляторы

2-5 напряжений фаз 0 и 90, дополнительные регуляторы 6 и 7 напряжений о фаз 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 9 мощности и электромеханический (электромагнитный, электродинамический) преобразователь 10, служащий для возбуждения колебаний образца 11, помешенного в термокриоквмеру 3 2, оснвшенную терморегулятором 13, компенсатор 14

HopMNIbHbIx напряжений, возникающий B 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, в вход - к выходу генератора 1 с напряжением фазы О, блоки 18 и 19 выделения действительной и мнимой составляющих векгора колебаний образца

11, один вход каждого из которых подключен к выходу элемента 16 сравнения, второй вход блока 18 подключен к выходу генератора 1 с напряж<нием фазы 0, а второй вход блока 19 — к выходу генератора 1 с фазой нвпряжения 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 неуправляемого делителя 25, логарифмические усилители

28-30, входыкоторых подключены сооч.397 6

1. Глок 19 выбирает из сигнала виброизмерительного ггреобразователя 1 5 часть ,напряжения, совпадающую по фазе с напряжением фазы 90 генератора 1. Выделенное напряжение подается через усилитель 21 на серводвигатель 23, который перемешает движок дополгнггльного регулятора таким образом, чтобы уровень . мнимой составляющей сигнала виброиэ-меритатьного преобразователя 1 5 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.

5 949 ветственно к выходам управляемых делителей 26 и 27 и механически соединены с задатчиком частоты (на чергеже не показан) задающего генератора 1 регуляторы 2 и 3 соединены с задатчи- 5 ком частоты задающего генег.аторо, регуляторы 4 и 5 соединены с эадатчиком

17 уровня, а дополнительные регуляторы

6 и 7 связаны с серводвигателями 22 и 23 соответственно. 1О

Устройство работает следующим образом.

В исследуемом образце 11, помещенном втермокрггокамеру 12, температура в которой может быть задана постоянной или изменяться по определенной программе, возбуждакеся с помощью элек- . тромеханического преобразователя 10, питаемого усилителем 9 мощности, крутильные колебания, частота и уровень ко- 26 торых задаются генератором 1. Для определения действительной составляющей вектора колебаний образца 11 сигнал с виброизмерительного преобразователя

l5 подается на вход блока 18 выделения 2$ действительной составляющей через элемент 16 сравнения. На второй вход блока 18 поступает напряжение генератора

1 с фазой ОО. Блок 18 выделения действительной составляющей выбирает из . За сигнала виброиэмерительного преобразователя 15 часть напущжения, совпадающего с напряжением фазы О генератора 1. Это выделенное напряжение усиливается усилителем 20 и подается на серводвигатель 22, который перемещает движок дополнительного регулятора 6 таким образом, и обы уровень действительной составляющей вектора колебаний образца стал равен заданному уровню.

При достижении заданного уровня напряжения на входах элемента 16 сравнения станут равными и серводвигатель 22 остановится. Напряжение, снимаемое с угг-. равляемого делителя 26 и пропорцио45 нальное налряжению, снимаемому с дсаолннтельного регулятора 6, определяющего уровень действигельной составляющей вектора колебаний образца, через логарифмический усилитель 28, определякший .вид масштаба регистрации, подается на

SO регистратор 31.

I Ф

Для выделения мнимой составляющей вектора колебаний образца сигнал виброизмерительного преобразователя 15 подается через элемент 16 сравнения на блок 19, на второй вход которого посту- .

О пает напряжение с фазой 90 генератора .

Запись действительной и мнимой составляющих вектора колебаний образца производится в функции частоты. Развертка регистратора 31 по оси частот осуществггяется с цомогцью механически связанного с задатчиком частоты генератора логарифмического усилителя 30.

Регуляторы. 2-5 напряжения служат для компенсации сдвига фазы между иапо ряжением 0 фазы генератора и неремещением подвижной катушки электромеханического 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 устройствег 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 C) Q Q

Повышение разрешшошей способности блоков выделения и, как следствие этого, повышение точности определения характеристики материалов с малыми величинами модуля динамических потерь и расыирение частотного диапазона испытаний в область низких частот, позволяет значительно расширить диапазон материалов, исследуемых с помощью предлагаемого устройства.

1О

Формула изобретения

Устройство для измерения реологических характеристик материалов с помошыо вынужденных гармонических колебаний низкой частоты, содержашее последовательно соединенные регулируемый по частоте задаюший генератор, 20 имеющий два выхода с фазами нап яже-. о ний на этих выходах 0 и 90, регуляторы напряжений обеих фаз, сумматор, усилитель мощности и электромеханичес- . кий преобразователь для возбуждения ко- 25 лебаний образца исследуемого материала, виброизмерительный преобразователь, блоки выделения действительной и мнимой сеставляквцих вектора колебаний образца, к одним входам которых подключены вы- зй ходы задающего генератора с фазами напряжений О и 90 соответственно, и регистратор, о т л и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения реологическйх характеристик материалов, имекщих малые величины динамического модуля потерь, и расширения час тотнот о диапазона измерения, оно снабжено дополнительными регуляторами напряжений обеих фаз, соединен- 4g

397 ными с сумматором, серводвигателями, усюпгтелями, задатчиком уровня, источником постоянного стабилизированного нап яжения, элементом сравнения, двумя управляемыми и неуправляемыми делителями напряжения, дополнительный регулятор напряжения фазы 0 механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом бпока выделения действительной составляюшей, .второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, подключенного одним входом к выходу виброизмерительного преобразователя, а другим входом через задатчик уровня - к .выходу генератора с напряжением фазы Оо, а дополнительный регулятор напряжения фазы 90 механически связан с серводвигателем, подключенным к выходу усилителя, вход которого соединен с выходом блока выделения мнимой составляюшей, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, а задатчик уровня механически связан с регуляторами напряжений обеих фаз и неуправляемым делителем напряжения, подключенным входом к источнику стабилизированног? напряжения, а ж ходом — к входам управляющих делителей напряжения, каждый их которых механически связан с одним из дополнительных регуляторов напряжения и соеди, нен выходом с регистратором.

Источники инфо1?мации, принятые во внимание при экспертизе

1. Жк. Ферри. Вязкоупругие свойства полимеров, М., Иностранная литература, 1 963, с. 1 3 5-1 39.

2. Патент Японии M 18280, кл. 112 Х 1, 1963 (прототип), !