Способ измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (>958911 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 19.02.81 (21) 3254612/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М.К .

G 01 N 11/16

G 01 N 29/00

:Гасударственный кемнтет

Опубликовано 15.09.82. Бюллетень № 34

Дата опубликования описания 25.09.82 (53) УДК 532.137 (088.8) на делам нзоеретеннй н еткрмтий (72) Авторы изобретения

Ковтонюк, ф. . :. 1> (j . .

С. М. Константинов, 1О. А. Скрипник,л. А. Глазко

Н. Ф. Ковтонюк и В. С. Шевел (71) Заявитель Киевский технологический институт легкой про (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ

И СДВИГОВОИ ВЯЗ КОСТЕЛ

4 (- л) (1)

1) 3 кл

f

Изобретение относится к приборостроению и может быть применено при акустических методах контроля состава и свойств веществ в промышленных и лабораторных условиях.

Известен акустический способ измерения реологических характеристик различных сред, заключающийся в том; что в контролируемой среде возбуждают акустические колебания, определяют акустические параметры (наиболее часто — это скорость распространения и коэффициент затухания акустической волны), характеризующие свойства среды и далее с помощью известных аналитических зависимостей судят о контролируемом параметре (1).

Недостатком такого способа является низкая точность измерения определяемых величин, обусловленная методической погрешностью, возникающей при измерении абсолютных акустических параметров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения вязкости полимерных материалов, заключающийся в том; что в контролируемой среде последовательно возбуждают акустические колебания двух различных частот, измеряют коэффициент затухания на этих частотах и определяют отношение объемной 1 и сдвиговой н вязкостей по формуле

5 где, — экспериментально измеренное значение коэффициента затухания;

1о (л- коэффициент затухания, рассчитанный согласно классической теории распространения звука поформуле Стокса-Кирхгофа, которая приписывает затухание лишь сдвиговой вязкости, растущее пропорционально квадрату частоты (2).

Недостатком прототипа является его низкая точность, обусловлен най необходимостью измерения абсолютного значения коэффициента затухания и низкой точностью величин, используемых в качестве исходных при аналитических расчетах.

Действительно, измерение абсолютного значения коэффициента затухания объек958911

W )10 W (2)

50 где W — характеристическая частота релаксации, известная величина, феноменологических связанная с реологичеокими характеристиками исследуемой среды.

Выбранное неравенство Wq/W> > 10

55 обеспечивает практическое постоянство фа- . зовой скорости С на частотах в диапазоне от Жя до W) тивно отягощено методической ошибкой, обусловленной главным образом неидеальностью ввода акустической энергии в исследуемую среду. На практике к этому добавляются некотролируемые ошибки, вызванные, например, образованием на поверхности излучателя полимерной пленки, акустической неоднородностью среды и т. п.

Низкая же точность величин, используемых при аналитических расчетах, обусловлена практически всегда имеющим место несоответствием параметров среды (плотность, температура, давление и т. п.), применяемых при расчетах, действительным параметрам среды в момент измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу кзмерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей, основанному на прозвучивании исследуемой среды акустическими волнами разных частот и определении характеристик, связанных с затуханием этих волн, периодически изменяют частоту акустических волн в заданное число раз, большее чем 1,3,, задавая при этом низкую частоту не менее чем в 10 раз выше характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют первый сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, вновь изменяют частоту акустических волн в то же самое число раз, большее, чем 1,3, однако во втором случае задают максимальную частоту такой, чтобы она была не менее чем в 10 раз ниже характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют второй сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, а по отношению первого и второго сигналов судят об отношении объемной и сдвиговей вязкостей.

На фиг. 1 изображена зависимость квадрата фазовой скорости С акустических коллебаний от частоты W> и условно показаны спектральные составляющие частот, используемых по описываемому способу; на фиг. 2 — эпюры, поясняющие способ.

По описываемому способу осуществляют первоначальное прозвучивание исследуемой среды на частоте Wq. Конкретное значение частоты W определяют из условия выполнения неравенства

5 о !

5 го г5 зо

4О

Далее увеличивают частоту Wz в 1 раз, переходя тем самым к прозвучиванию контролируемой среды на частоте Wz.

Значение 1 выбирают из условия обеспечения заданной точности определения величины изменения коэффициента затухания акустических колебаний, которое появляется вследствие изменения частоты прозвучивания. При этом руководствуются данными об изменении коэффициента затухания и реальной разрешающей способности приемно-измерительного устройства. Для большинства случаев практического применения число 1 определяется в интервале с нижней границей, равной 1,3.

Путем периодического изменения частоты прозвучивания получают на выходе приемно-измерительного устройства периодически изменяющийся сигнал, переменная составляющая которого пропорциональна отношению сдвиговой вязкости к плотности контролируемой среды Р (фиг. 26).

Действительно, если в выражение для коэффициента затухания А акустических колебаний в вязкой среде (3) (где W — круговая частота колебаний, С вЂ” скорость звука в среде) подставить значение коэффициента объемной вязкости на частотах выше частоты релаксации Wp) 0, — — 1 — - р р з (4) (где С и Со — скорость звука при частоте, стремящейся к бесконечности и к нулю), то после предельного перехода по условию

W/%р» 1 (в нашем случае W/W > 10) получим выражения для коэффициентов затухания на крайних частотах прозвучивания W> и Wz:

Ф +ге -(С„ — Со ) (5) и из условия Wi = CWq 2 д2 + + Р (Сг Сл) (6) ОО CCI

Амплитуда огибающей сигнала А равна (фиг. б).

А =d(W> ) — (Я/л) = (Р— 1) х х 2Ю Е 3 р (7)

В результате выполнения этих операций получают не только промежуточную информацию о величинах, характеризующих контролируемую среду, и но и повышают точ958911 ность их измерения по сравнению с прототипом, так как при выделении амплитуды огибающей исключаются не только аддитивные составляющие, обусловленные объемной вязкостью, что следует из выражения(5) но и те составляющие, которые обусловлены, например, полимеризационной пленкой, неконтролируемо образующейся на поверхности преобразователя.

Изменяют частоту и вновь прозвучивают контролируемую среду. Как и раньше осуществляют периодическое изменение частоты в 1 раз, однако при этом. сохраняют отношение более высокой частоты Ъз (фиг. 1 и 2 а) к характеристической частоте релаксации менее 0,1.

30

Аг (Ч + ) = (Юз) — a(W4) =

= (р — 1) ЪУл (4, + ) 2Ус (10) 35 приводят ее к значению AI ч2 сз

Я с (1 + 3

Р А у) g7 4

2 О 40 и, выделив переменную составляющую А приведенного сигнала А„, судят об измеряемом отношении

Зъуз сз

45 — = Л- — = kA, Ч (13) 2 сз где k = - — + — —.

Ь Ъ74 С, Из последнего выражения видно, что бла- . годаря выполнению указанных выше операций результат измерения определяется из- ss мерямым отношением $/g и коэффициентом пропорциональности k; При этом можно утверждать, что величины, определяющие

В результате периодического измерения частоты прозвучивания на выходе приемно-измерительного устройства получают попеременно изменяющийся сигнал (фиг. 2б), При этом, когда прозвучивание осуществляется на частоте W4, этот сигнал равен

20 (W4 ) = грС, (З "+ 1 ), (8) а при прозвучивании на частоте W> — —,IW4

«(З) = — — — (— Il + ).

2Р С з 3 (9)

Выделяют переменную составляющую сигнала, пропорциональную сумм сдвиговой.и объемной составляющих вязкости, коэффициент пропорциональности k, имеют детерминированные значения и в отличие от прототипа, практически не зависят от времени, внешних и внутренних условий.

Действительно, погрешность определения частот Юз, W4 не превышает значений

10 5 — 104 Вместе с этим, в случае выполнения указанных соотношений между рабочими частотами и частотой релаксации погрешность определения значения фазовой скорости распространения акустических колебаний Со и С также является малой величиной по сравнению с методическими погрешностями методов, применяемых для определения реологических характеристик жидких сред. И результат измерения не отягощен погрешностями, возникающими за счет изменения. плотности контролируемой среды в момент- измерения. Это достигается тем, что устраняется необходимость измерения абсолютного значения коэффициента затухания акустических колебаний.

Таким образом, применение предлагаемого способа измерения отношения объемной составляющей вязкости позволяет повысить точность определения отношения объемной и сдвиговой вязкостей.

Формула изобретения

Способ измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей, основанный на прозвучивании исследуемой среды акустическими волнами разных частот и определении характеристик, связанных с затуханием этих волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения отношения объемной и сдвиговой вязкостей, периодически изменяют частоту акустических волн в заданное число раз, большее чем 1,3, задавая при этом низкую частоту не менее чем в 10 раз выше характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют первый сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, вновь изменяют частоту акустических волн в то же самое число раз, большее чем 1,3, однако во втором случае задают максимальную частоту такой чтобы она была не менее чем в 10 раз ниже характерной частоты релаксации исследуемой среды, выделяют второй сигнал, пропорциональный разности коэффициентов затухания волн на крайних частотах, а по отношению первого и второго сигналов судят об отношении объемной и сдвиговой вязкостей.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 699399, кл. G 01 N ll/14, 1979.

2. Потапов А. И., Игнатов В. М., Александров Ю. Б Технологический неразрушающий контроль пластмасс. Л., «Химия», 1979, с. 7 — 8 (прототип).

958911

Составитель В. Крутин

Редактор М. Дылын Техред А. Бойкас Корректор Е. Рошко

Заказ 6754/57 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного кбмитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4