Эластовискозиметр

 

М

М. С. Катков, T. Э. Липатова, Е. В.уСмородйй6@ н,,В. Ф. Ц умский

Ф ",м. г

У т

Ленинградский институт авиапионного, прибброщюййи, Институт химии высокомолекулярных соединений Aft /

Украинской CCP и Институт органической химии (72) Авторы изобретения (71) Заявители (54) ЭЛАСТОВИСКОЗИМЕТР

Изобретение относится к измерению и регистрации вязкоупругих характерис-, тик различных материалов, в частности полимерных, и может быть использовано для исследования процессов изменения их вязкоупругих свойств во времени в широком диапазоне частот.

По основному авт. св. М 864062 известно устройство для измерения вяэкоупругих характеристик seBNG содержащее корпус, кювету для исследуемого вещества, закрепленную на корпусе, шток с зондом, кинематически связанный с приводом задающих колебаний; обратный преобразователь модуля упругости со стоящий иэ статора с катушкой и якоря, выполненного в виде постоянного магнита, укрепленных соответственно на корпусе и штоке, обратный преобразователь вязкости, состоящий иэ статора с катушкой и zo якоря с катушкой, укрепленных соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости абсолютнся о

2 перемещения штока, выход которого связан через усилитель с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости, каналы измерения модуля упругости и вяз - . кости, содержащие формирователи сигналов модуля упругости и вязкости соответственно, первые входы которых подключены к выходу датчика относительного перемещения штока, блоки регистрами и исполнительные блоки, выход каждого из которых подключен х катушке статора одноименного обратного преобразова теля и к входу соответствующего блока регистрации, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, а второй вход формирователя сигнала вязкости — к выходу усилителя. Выход формирователя сигнала в каждом канале измерения соединен с входом соответствующего исполнитальноо блока Д б

Это устройство позволяет с высокой точностью измерить модуль упругости и

2 4 го в виде постоянного магнита, укрепленных соответственно на корпусе и што ке, обратный преобразователь вязкости, состоящий из статора с катушкой и якоря с катушкой, укрепленных соответст венно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости абсолютного перемещения штока, выход которого связан через усилитель с катушкой якоря обратного преобразователя вязкости, каналы измерения модуля упругости и вязкости, содержащие формирователи сигналов модуля упругости и вязкости соотввтственно, первые входы которых подключены к

)выходу датчика относительного перемещения штока, блоки регистрации и исполнительные блоки, выход каждого из которых подключен к катушке статора одноименного обратного преобразователя и к входу соответствующего блока регистрации, причем второй вход формирователя сигнала модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, а второй вход формирователя сигнала вязкости — к выходу усилителя, в каждый из каналов измерения введен блок коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока, включающий квадратор, суммирующий усилитель и блок деления, первый вход которого через суммирующий усилитель подключен к выходу формирователя сигнала одноименного канала измерения, второй вход подключен к выходу квадратора, а выход— к входу исполнительного блока этого же канала, при этом вход квадратора канала измерения модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, вход квадратора канала измерения вязкости подключен к выходу усилителя, а его выход — к йторым входам суммирующих усилителей обоих каналов измерения.

На чертеже приведена схема предлагаемого эластовискозиметра.

3 99310 вязкости исследуемого образца на заданной фиксированной частоте деформации вещества.

К недостаткам этого устройства относится узкий диапазон частоты деформации вследствие сильной зависимости результатов измерения от стабильности частоты и амплитуды задающих колебаний, от стабильности характеристик датчиков и параметров механической части. 16

Сигналы на выходе формирователей будут изменяться пропорционально как измеряемым параметрам исследуемого вещества, так и квадрату амплитуды перемещения штока, которая определяется амплитудой задающих колебаний и, кроме того, собственными динамическими характеристиками штока при отсутствии вещества, а именно жесткостью пружины, че рез которую передаются задающие колебания на шток, собственными демпфирук шими силами штока и параметрами сигналов настройки формирователей для данной частоты задающих колебаний.

Изменение частоты задающих колебаний, связанное с нестабильностью частоты или с переходом на другую измеряемую частоту, приведет к изменению величины сил инерции штока пропорционально квадрату частоты задающих колебаний, что вызовет либо ошибку измерения модуля упругости вещества, либо необходимость перестройки устройства на новую задающую частоту, что существенно усложняет эксплуатацию данного устройстЗ5 ва при большом числе фиксированных частот задающих колебаний.

Данное устройство не может работать в режиме непрерывно изменяющейся частоты задающих колебаний, так как в этом случае потребуется непрерывная подстройка каналов измерения модуля упругости и вязкости, которую невозможно произвести в режиме измерения реологических свойств исследуемого вешест45 в&, Бель изобретения — повышение точности измерения в широком диапазоне частот задающих колебаний и обеспечение возможности измерения при непрерывном

so изменении задающей частоты.

Указанная пель достигается тем, что в эластовискозиметр, содержащий корпус, кювету для исследуемого вещества, закрепленную на корпусе, шток с зондом, кииематически связанный с приводом за 55 дающих колебаний, обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из статора с катушкой и якоря, выполненноЭластовискозиметр содержит шток 1, связанный одним концом через пружину

2, закрепленную в стакане 3, с профилированным кулачком 4 привода 5, а другим концом через плунжер 6, погруженный в исследуемое вещество 7, с кюветой 8, жестко закрепленной на корпусе эластовискозиметра. На штоке 1 такж укреплены шторка 9 датчиков абсолютного и относительного перемещений штока

1, якорь 10 обратного преобразователя модуля упругости и якорь 1 1 дат шка

5 AAA t скорости перемещения штока 1, выполненные в виде постоянных магнитов, а также. якорь 12 с катушкой 13 обратного преобразователя вязкости. На корпусе эластовискозиметра установлены корпус

14 датчика абсолютного перемещения штока

1 с лампочками 15 и фотоднодами 16, статор 17 с катушкой 18 обратного преобразователя модуля упругости, статор 19 с катушкой 20 обратного npeo6- to разователя вязкости и катушка 21 датчика скорости перемещения штока 1. На стакане 3 жестко закреплены корпус 22 с лампочками 23 и фотодиодами 24, выход которых подключен к первым входам фор- >5 мирователя 25 сигнала модуля упругости и формирователя 26 сигнала вязкости.

Второй вход формирователя 25 сигнала модуля упругости соединен с фотодиодами 16 датчика абсолютного перемещения 20 штока 1, а катушка 13 якоря 12 обратного преобразователя вязкости и второй вход формирователя 26 сигнала вязкости подключены через усилитель 27 к выходу катушки 21 датчика скорости 25 перемещения штока 1. Выходы исполнительных блоков 28 и 29 каналов измерения модуля упругости и вязкости подкшочены к катушкам 18 и 20 статоров

17 и 19 обратных преобразователей за модуля упругости и вязкости и к блокам

30 и 31 регистрации соответствующих каналов измерения.

Каналы измерения модуля упругости и вязкости включают в себя соответст венно блоки 32 и 33 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока

1. Блок 32 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока 1 кана"а измерения модуля упругости со- 4о держит квадратор 34, вход которого подключен к фотодиодам 16 датчика абсолютного перемещения штока 1, суммирующий усилитель 35 и блок 36 деления, первый вход которого через суммирующий усилитель 35 подключен к выхо ду формирователя 25 сигнала модуля упругости, второй вход - к выходу квадратора 34, а выход — к входу исполиитеш ного блока 28 этого же канала измерения. Блок 33 коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока также содержит квадратор 37, вход которого подключен через усилитель 27 к катушке 21 датчика скорости перемещения

55 штока 1, суммирующий усилитель 38 и блок 39 деления, первый вход которого через суммирующий усилитель 38 подключен к выходу формирователя 26 сигА2 6 цапя вязкости, а выход - к входу исполни« тельного, блока 29, причем выход квадРатора 37 подключен к второму входу блока 39 деления и к вторым входам суммирующих усилителей 35 и 38 обоих блоков 32 и 33 коррекции.

Элаотовискозиметр работает следующим образом.

При отсутствии вещества 7 в кювете

8 приводом 5 устанавливают фиксированную частоту врашения профилированного кулачка 4, сжимающего через стакан 3 пружину 2. Деформация сжатия пружины

2 передается на шток 1 с зондом 6, который будет колебаться по синусоидальному закону, но с амплитудой и фазой отличающимися от колебаний стакана 3, что обусловлено собственным деыпфированием и силами инерции штока 1. Сигналы с фотодиодов 16 и 24, пропорциональные соответственно абсолютному и относительному перемещениям штока 1, перемножаются в формирователе 25 сиг нала модуля упругости. Таким образом, в формирователе вырабатывается сигнал, пропорциональный силам упругого сопротивления вещества и силе инерции штока 1, так как ускорение штока 1 совпадает по фазе с его перемещением.

Сигнал с выхода катушки 21 датчика скорости абсолютного перемещения штока 1, пропорциональный амплитуде и частоте колебаний штока 1, через усилитель

27 поступает в квадратор 37, выходной сигнал которого пропорционален квадрату частоты колебаний штока 1 и, следовательно, его силе инерции. Выходные сигналы формирователя 25 и квадратора

37 вычитаются один из другого в суммирующем усилителе 35, чем обеспечивается независимость выходного сигнала суммирующего усилителя 35 от сил инерции штока 1. Выходной сигнал суммирующего усилителя 35 в блоке 36 деления чормируется по амплитуде сигналом фотодиодов 16 датчика абсолютного перемещения штока 1, поступающим через квадратор 34 на второй вход блока

36 деления. Коэффициенты передачи формирователя 25 сигнала модуля упругости и квадратора 37 выбираются таким образом, чтобы сигналы на выходе суммирующего усилителя 35 и выходе исполнительного блока 28, выполненного в виде интегратора, были равны нулю, Этим обеспечивается независимость сигнала на выходе исполнительного блока 28 от сил инерции на данной частоте задающих колебаний. При плавном изменении час7 993 1 тоты задающих колебаний приводом 5 выходные сигналы формирователя 25 модуля упругости и квадратора 37 растут пропррционально квадрату этой частоты, оставаясь равными один другому. Следова-s тельно, сигналы на выходе суммирующего усилителя 35 и исполнителвного блока

28 не изменяется, что обеспечивает независимость выходного сигнала канала измерения модуля упругости вещества . 6 от изменения частоты задающих колебаний. Независимость выходного сигнала канала измерения модуля упругости веще ства от изменения амплитуды колебаний штока 1 обеспечивается делением выход- r5 ного сигнала суммирующего усилителя

35 на квадрат амплитуды колебаний штока 1, т.е. нормированием сигнала суммирующего усилителя 35 по амплитуде колебаний штока 1. 26

При наличии вещества 7 в кювете 8 возникают дополнительные силы, дейс ьвующие через плунжер 6 на шток 1, обусловленные силами вяэкоут.ругого сопротивления вещества 7. Под действием 2$ этих сил амплитуда и фаза колебаний штока 1 изменяется, что приводит к изменению сигналов на выходах формировате лей 25 и 26 сигналов модуля упругости и вязкости и, следовательно, на выходах 36, блоков 36 и 39 деления пропорционально

I . ТОЛЬКО МОДУЛЮ ÒH Й ВЯЗКОСТИ ВЕшества соответственно. Нричем величины выходных сигналов блоков 36 и 39 деления инвариантны к изменениям частоты и амплитуды колебаний штока 1. Эти сигналы через исполнительные блоки 28 и 29 изменяют величину токов компенсации, протекающих через катушки 18 и

20 обратных преобразователей модуля g6 упругости и вязкости, и, следовательно, величины компенсирующих усилий, дейст-. вующих на шток 1 через якори 10 и 12 обратных преобразователей модуля упругости и вязкости.

4fi

Процесс формирования компенсирующих усилий протекает до тех пор, пока силы вязкоупругого трения вещества не скомпенсируются компенсирующими силами обратных преобразователей. При этом выходные сигналы исполнительных блоков

02 8

28 и 29 пропорциональны только величинам модуля упругости и вязкости соот;ветственно, а их входные сигналы равны нулю. Величины выходных сигналов исполнительных блоков 28 и 29 регистрируются блоками 30 и 31 регистрации.

Такий образом, предлагаемый эласто вискозиметр позволяет повысить точность измерения в широком диапазоне частот деформации и сократить время пе встройки каналов компенсации путем введения авто.матической коррекции сигналов формирователей сигналов модуля упругости и вязкости по амплитуде и частоте колебаний штока, а также дает возможность измерять реологические характеристики веществ на частотах, сколь угодно близко отстоящих одна от другой, без увели- чения аппаратурной сложности и времени настройки устройства.

Формула изобретения

Эластовискозиметр по авт. св. № 864062, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения в широком диапазоне частот задающих колебаний, в каждый из каналов измерения введен блок коррекции сигнала по амплитуде и частоте колебаний штока, содержаши9 квадратор, сумми рующнй усилитель и блок деления, первый вход которого через суммирующий усилитель подключен к выходу формиров ателя сигнала одноименного канала измерения, второй вход подключен к выходу квадратора, а выход - к входу исполнительного блока этого же канала, при этом вход квадратора канала измеренин модуля упругости подключен к выходу датчика абсолютного перемещения штока, вход квадратора канала измерения вязкости подключен к выходу усилителя, а его выход - к вторым входам суммирующих усилителей обоих каналов измерения, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 864062, кл. Q 01 М 11/16, 1976.

Mh f02

Составитель В, Алексеев

Редактор А. Лежиина Техред Л. Пекарь Корректор У. Пономаренко

Заказ 445/58 Тйраж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4