Способ измерения вязкости и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике в области вискозиметрии высоких и сверхвысоких вязкостей и может быть использовано для измерения упругой деформации, замедленно-упругой деформации и вязкости аморфных материалов . Цель изобретения - упрощение процесса измерения, расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Способ заключается в определении малых смещений в результате наблюдения в реальном времени голографической картины интерференции двух волн на фотопластинке при нагружении объекта , при этом одна из интерферирующих волн отражается от отражателя, закрепленного на наблюдаемой стороне исследуемого объекта, который, в свою очередь, закреплен на котировочном столике, а другая волна восстанавливается голограммой и соответствует исходному состоянию отражателя , и расчет вязкости производится по формуле tf 2GhAtcosy /SA (n-n0). Устройство включает гелий-неоновый газовый лазер 1, светоделитель 2, расположенный по ходу излучения и образующий объектный и опорный лучи, объективы 3 и 4 для расширения полученных лучей, отражатель 5, распо

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ts»s G 01 N

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4654336/25 (22) 20.12.88 (46 30.06.91. Бюл. М 24 (71) Специальное конструкторское бюро по проектированию приборов и средств автоматизации (72) К.И.Оцхели и Г.Л.Джишкариани (53) 532.137-(088.8) (56) Carinl G.!., Cutronl M... Wanderllngh.

F,"Holographic nuasurement of higt

vtskoslties", Optuka апб Laser Technology, 1978, v10,,N5,,р. 241 — 242.

Островский Ю.И., Бутусов М.M., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия, М,: Наука, 1977. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике в области вискозиметрии высоких и сверхвысоких вязкостей и может быть использовано для измерения упругой деформации, замедленно-упругой

„„5U„„1659777 Al деформации и вязкости аморфных материалов. Цель изобретения — упрощение процесса измерения, расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения. Способ заключается в определении малых смещений в результате наблюдения в реальном времени голографической картины интерференции двух волн на фотопластинке при нагружении объекта, при этом одна иэ интерферирующих волн отражается от отражателя, закрепленного на наблюдаемой стороне исследуемого объекта, который, в свою очередь. закреплен на юстировочном столике, а другая волна восстанавливается голограммой и соответствует исходному состоянию отражателя, и расчет вязкости производится по формуле r/= 2Ghhtcosy /S А (n-л0). Устройство включает гелий-неоновый газовый лазер 1, светоделитель 2, расположенный по ходу излучения и образующий объектный и опорный лучи, объективы 3 и 4 для расширения полученных лучей, отражатель 5, распо1659777

da Ла

dt Б

6At

Ч Бг а 1

Ла =, д поженный по ходу объектного луча и закрепленный на наблюдаемой стороне исследуемого объекта 6, который, в свою очередь. расположен на юстировочном столике 7, и фотопластинку 8 с проявленным голографическим изображением отражателя 5, К верхней грани исследуемого образца 6 прикреплена пластина с грузом, передающим на образец деформирующее напряжеИзобретение относится к контрольноизмерительной технике в области вискоэи метрии высоких и сверхвысоких вязкостей и может, быть использовано для измерения упругой деформации, замедленно-упругой 5 деформации и вязкости аморфных и твердых материалов, Измерение вязкости заключается в определении малых смещений голографическим методом верхней грани пробы, 10 имеющей вид прямоугольного параллелепипеда, относительно нижней грани, вызванных деформацией пробы иэ исследуемого материала под действием постоянного касательного напряжения, при- 15 по>кенного к верхней грани пробы в течение определенного промежутка времени.

Цель изобретения — упрощение процесса-.измерения, расширение функциональных возможностей и повышение точности 20 измерения.

На фиг.1 изображена проба с закрепленным отражателем для вывода расчетных соотношений; на фиг.2 -- устройство для осуществления способа; на фиг.3 — схема креп- 25 пения и нагружения пробы, вид сбоку; на фиг.4 — схема крепления и нагружения пробы, вид сверху.

При вязком течении аморфного материала связь между постоянным касательным 30 напряжением а = —, скоростью деформаG

da ции сдвига о и динамической вязкостью

01

g для пробы 6, имеющей вид прямоугольно- 35 го параллелепипеда (фиг.1), описывается уравнением Максвелла

da ат da G

unu ——

d r clГ S ф

dа 40 где — - скорость деформации сдвига;

G — сила, действующая на верхнюю грань пробы 6 площадью S в плоскости этой грани, перпендикулярно ребру АВ (фиг,1);, . — динамическая вязкость, 45 ние, На юстировочном столике 7 предусмот-. рен выступ с внутренним прямым углом лдпя фиксации образца 6 с отражателем 5 в одном постоянном положении. Юстировочный столик 7, имеющий три взаимно перпендикулярные оси вращения, поворачивается с помощью юстировочных винтов 12. 2 с и. ф лы. 4 ил.

Как известно, измерение вязкости должно начинаться после момента времени г, когда выполняется условие

С учетом этого уравнение (1) переписывается таким образом где Ла — угол сдвига, прошедшего за промежуток времени At.

При малом угле сдвига Лалинейное перемещение d верхнего ребра отражателя

5 (фиг.1), закрепленного на наблюдаемой стороне пробы 6, с большой точностью можно принять за дугу окружности радиуса h где h — высота отражателя.

Тогда уравнение можно записать следующим образом

Смещение d при перемещении точек отражателя перпендикулярно его наблюдаемой поверхности за промежуток времени

Лt равно

d = (и - п ) il/(cos y+ cosO ), (4) где по — число интерференционных полос в момент времени t = 0 начала наблюдения;

n — число имеющихся интерференционных полос через промежуток времени Л1;

1- длина волны источника излучения; — угол между падающим пучком и нормалью к поверхности отражателя 5; .Π— угол наблюдения, измеренный от нормали к поверхности отражателя, 1659777

10

3а начало отсчета принимается полоса, проходящая через нижнее ребро наблюдаемой поверхности отражателя 5.

Для зеркально отражающего объекта у--О. Поэтому уравнение (6) можно записать следующим образом

d =- (п - n ) X /2cos у.

Подставляя найденное значение d в уравнение (3), получают расчетную формулу для определения вязкости где 6 — сила, действующая на верхнюю грань пробы площадью S в плоскости этой грани, перпендикулярно ребру АВ (фиг.1);

h — высота отражателя;

Л t — время появления и - п полос;

y — угол между падающим пучком и нормалью к поверхности отражателя;

S — площадь поверхности пробы, к которой приложено деформирующее напряжение;

1 — длина волны излучателя; п — число интерференционных полос в момент времени т = 0 начала наблюдения; и — число имеющихся интерференционных полос через промежуток времени Л t.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения измерения заранее подготавливают исследуемый образец с приспособлением для его нагружения, фиксируя его на юстировочном столике, а на наблюдаемой стороне исследуемого объекта закрепляют отражатель. После этого излучение лазерного излучателя пропускают через светоделитель с последующим расширением полученных опорного и объектного лучей соответствующими объективами и наблюдают на фотопластинке, имеющей прозкспонированное и проявленное голографическое изображение отражателя; интерференцию двух волн. Одна из интерферирующих волн восстанавливается голограммой и соответствует исходному состоянию отражателя, а другая отражается от отражателя и интерферирует с восстановленным изображением отражателя. На интерферограмме, в результате того, что положение отражателя не совпадает точно с тем его положением, которое он занимал при экспонировании голограммы, появляются интерференционные полосы. Они устраняются с помощью юстировочного столика, имеющего возможность поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения.

После нагружения исследуемого образца на интерферограмме появляется большое число параллельных горизонтальных полос в результате упругой деформации исследуемого образца, устранение которых достигается путем поворота юстировочного .-,толика. Далее имеет место замедленно-упругая деформация, вследствие чего скорость появления интерференционных полос уменьшается, После того, как скорость появления интерференционных полос становится постоянной, производится измерение вязкости с расчетом по формуле (2).

Полученная интерференционная картина позволяет определить деформацию счета исследуемого образца за любой нужный промежуток времени. Измерение вязкости любого числа проб можно проводить с помощью одной единственной фотопластинки с проэкспонированным на ней изображением отражателя.

Устройство для осуществления способа (фиг.2) включает лазерный источник 1 излучения, светоделитель 2, расположенный по ходу излучения и образующий объектный и опорный лучи, объектив 3, расширяющий объектный луч, и объектив 4, расширяющий опорный луч, отоажатель 5, расположенный по ходу объектного луча и закрепленный на наблюдаемой стороне исследуемого объекта 6, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, который, в свою очередь, расположен на юстировочном столике 7, и фотопластинку 8 с проявленным голографическим изображением отражателя 5, на которую падают опорный луч и объектный луч, отраженный от отражателя 5.

К верхней грани исследуемого образца

6 прикреплена пластина 9 с грузом 10, передающим на образец 6 деформирующее напряжение (фиг.3 и 4).

Для того, чтобы во время измерения все исследуемые образцы 6 находились в одинаковом положении, на юстировочном столике 7 предусмотрен выступ 11 (фиг.3 и 4) с внутренним прямым углом/3(фиг.4), к которому вплотную устанавливается образец 6 с отражателем 5.

На юстировочных винтах 12 (фиг.3 и 4) имеются насечки 13, устанавливаемые во время экспонирования голограммы напротив отметок 14 на юстировочном столике 7, имеющем три взаимно перпендикулярные оси вращения, пересекающиеся в одной точке.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый образец 6 в ненагруженном состоянии закрепляют на юстировочном столике 7, а на его наблюдаемой

1559777 стороне закрепляют отражатель (фиг.3 и 4).

Все три юстировочных винта 12 устанавливают в поло>кение, при котором насечки 13 оказы ваются напротив соответствующих отметок 14 (фиг,3), После этого (фиг,1) включают гелий-неоновый газовый лазер, 1, излучение которого проходит через светоделитель 2, образующий объектный и опорный лучи, расширяемые соответствующими объективами 3 и 4.

Опорный луч после расширения попадает на фотопластинку 8 и восстанавливает записанное заранее на ней голографическое изображение отражателя 5. Объектный луч, отражаясь от отражателя 5, также попадает на фотопластинку 8 и интерферирует с восстановленным изображением отражателя 5.

На голограмме 8 после этого можно различить интерференционные полосы, которые появляются в результате того, что положение отражателя 5 не совпадает очно с тем положением, которое он занимал при экспонировании голограммы.

Нежелательные интерференционные полосы устраняются следующим образом.НЗстировочный столик 7, на котором расположен исследуемый образец 6, слегка поворачивается при помощи юстировочных винтов 12 вокруг каждой из трех взаимно перпендикулярных осей. Заметив направление вращения, при котором расстояние между полосами уменьшается, можно найти нужное направление поворота для каждой оси. Для устранения нежелательных интерференционных полос выполняется несколько таких регулировок по каждой иэ осей, Затем производится нагружение образца(фиг,3). Сразу же после нагружения имеет место упругая деформация, подчиняющаяся закону Гука. Поэтому на интерферограмме (фиг.2) появляется большое число параллельных горизонтальных интерференционных полос, которые устраняются при гомощи юстировочных винтов 12.

Далее имеет место замедленно-упругая деформация, следовательно, скорость появления интерференционных полос уменьшается. После того, как скорость появления голос становится постоянной, можно начинать измерение вязкости. Расчет вязкости г роизводится по формуле (5).

Поскольку в устройстве имеется возможность определения времени наступле - ия пластической деформ"öèè,,т.е. наступления момента времени t2, то очевидно, что это приводит к повышению его быстродействия. Расширены и функциональные возможности устройства, так как г.о сравнению с известным устройством имеется возможность измерения упругой и

10 как один и тот же отражатель может устанавливаться на каждый из исследуемых образцов перед его исследованием, что приводит к увеличению экономичности уст15 ройства, Формула изобретения

1. Способ измерения вязкости аморфных материалов, заключающийся в определении малых смещений в результате

20 наблюдения в реальном времени голографической картины интерференции двух волн на фотопластинке при нагружении исследуемого обьекта, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса изме25 рения, расширения функциональных возможностей и повышения точности измерения, одну из интерференционных волн пропускают через отражатель. закрепленный на наблюдаемой стороне исследуе30 мого объекта, который закреплен на юстировочном столике, а другую волну восстанавливают голограммой и она соответствует исходному состоянию отражателя, расчет вязкости у производят по формуле

2Ghh icos

БХ

55 замедленно-упругой деформации. Повышение точности измерения достигается за счет того, что в устройстве исключено влияние времени экспонирования голограммы на точность измерения.

Кроме того, в устройстве фотопластинка

8 с записанным и проявленным на ней голографическим изображением отражателя 5 может быть использована для измерений любого числа исследуемых образцов, так

Т где G — деформирующая сила сдвига;

h — высота отражателя;

Л t — промежуток времени наблюдения; у- угол между обьектным лучом и нормалью к поверхности отражателя;

S — площадь поверхности пробы, на которую распространяется напряжение сдвига; по — число интерференционных полос в момент времени to начала наблюдения; и — число интерференционных полос через промежуток времени Л t;

А- длина волны источника излучения.

2. Устройство для измерения вязкости аморфных материалов, содержащее гелийнеоновый газовый лазер, светоделитель, расположенные по ходу излучения, два объектива для расширения полученных объектного и опорного лучей, исследуемый объект с воэможностью нагружения, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда и

1659777

9иг.3 расположенный на столике по ходу объектного луча, и фотопластинку, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью упрощения процесса измерения, расширения функциональных возможностей устройства и повышения точности измерения, оно снабжено юстировочным столиком, имеющим возможность поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей вращения, для закрепления и юстировки образца и отражателем, закрепленным на наблюдаемой стороне образца, 5 причем фотопластинка имеет проэкспонированное и проявленное голографическое изображение отражателя.

1659777

12

Составитель Л; Ульянов

Редактор И. Касарда Техред М.Моргентал Корректор Э. Лончакова

Заказ 1835 Тираж 389 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101