Устройство для измерения вязкоупругих характеристик сред

Союз Советских

Соцналмстическнх республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (»I687377 в и --в!!! :,.„:.лп (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 22.11.77 (2 ) 2545553/18-25 с присоединением заявки 1Й— (23) Приоритет— (51)М. Кл.

G 01 N!1/16

ГвсуМрстееааай кастет

СССР аа делан кзабретеааа к етлрытай

Опубликовано 25.09.79 Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 25.09.79 (5Д) «> AK»2.137 (088.8) М. С. Катков, Л. Б. Богатин, Е. М. Баранова, Л. С. Болотникова, Ю. Н. Панов и О. А. Станиславский (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУ11РУГИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СРЕД

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств различных сред, в частности оно предназначено для измерения модуля упругости и вязкости веществ как органического, так и неорганического происхождения, например, в процессе синтеза, при снятии термометрических характеристик, релаксационных спектров. Устройство может быть использовано для автоматического контроля вязкости и модуля упругости смазочнътх материалов, топлива, различных жидких сред прн загрязнении рек и озер промышленными отходами и сточными водами, для снятия процессов тромбообразования крови.

Известно устройство для измерения модуля упрутости вещества, содержащее корпус, кювету для исследуемого вещества, шток с зондом, погруженным в исследуемое вещество, привод перемещения штока, датчик перемещения, датчик усилия, развиваемого исследуемым веществом, выходом связанный с входами формирователя сигнала упругости, выходом связанного с входом исполнительного блока канала модуля упругости, чыход которого связан с входом катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости !1). Изменения амплитуды колебания штока с зондом обусловлены как вязкими, так и упругими свойствами исследуемого вещества. Однако выделение вязкой и упругой составляющих комплексного модуля упругости и одновременное их измерение с высокой точностью невозможны. Использование в этом устройстве обратного преобразователя модуля упругости позволяет повысить точность измерения упругой составляющей комплексного модуля, однако, не позволяет исключить взаимное влияние вязкой и упругой составляющих в процессе измерения. Диапазон частот измерения в этом устройстве ограничен сверху параметрами механической части устройства (масса зонда со штоком, собственное демпфирование, жесткость вспомогательной пружины), а снизу — фильтрующими свойствами измерительной части устройства. На выходе формирователя сигнала модуля упрутости необходимо установить дополнительный фильтр, нас раиваемый иа двойную частоту пробных колебаний привода, что является сложной задачей, особенно в области инфраниэких частот (10" — 1) Гц. Практически сигнал низкой частоты с выхода формирователя сигнала модуля упругости вызывает колебания с той же частотой выходного сигнала исполнительного блока, который, имея постоянную составляющую, величина которой пропорциональна.измеряемому модулю упругости вещества, как бы "следит" эа переменной составляющей сигнала с выхода формирователя. Эти колебания вызывают нежелательные колебания тока в обмотке катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости и регистрируются регистратором, что снижает точность измерения.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство для измерения гязкоупругих характеристик сред, содержавшее корпус, кювету для исследуемой среды, шток с зондом, соединенный с приводом, обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из якоря с катушкой и статора, обратный преобразователь вязкости, состоящий из якоря с катушкой и GIRTop3 с катушкой, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости, регистраторы модуля упругости и вязкости, датчик перемещения и датчик усилия, выходами связанные через усилители с входами формирователя сигнала модуля упругости, исполнительный блок канала модуля упругости, первым входом связанный с входом катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости, а вторым — с входом регистратора модуля упругости, измеритель скорости перемещения штока, связанный своим выходом через усилитель сигнала измерителя скорости с входом катушки якоря обратного преобразователя вязкости и с первым входом формнрователм сигнала вязкости, второй вход которого связан с выходом усилителя сигнала датпиа усилия, исполнительный блок канала вязкости, первым выходом связанный с катушкой статора обратного нреобразователя вязкости, а вторым — с входом регистратора вязкости (2).

Разделение каналов модуля упругости и вязкости обеспечивает значительное снижение взаимного влияния процессов измерения модуля упругости и вязкости, одновременное получение качественных и количественных характеристик как вязкости, так имодуля упругости, Однако при излучении вяэкоупругих свойств различных веществ черезвычайно важно знать модуль упругости и вязкости на инфраиизких частотах деформации, сблизить методику экспериментов вибрацнониыми эластовискозиметрами с методикой статических испьпаний, В этом случае фильтрующнх cBOHGTB измерительной части иэвестного устройства явно недостаточно. Переменные составляющие на выходах формирователей сигналов модуля упругости и вязкости вызовут

7377 4

Предлагаемое устройство содержит шток 1, заканчивающийся сменным зондом 2, погруженным в кювету 3 с исследуемым веществом 4.

Hpyroh конец штока через пружину 5, скобу 6, кулачок 7 и блок изменения частоты 8 связан с приводом 9, с помощью которых шток 1 и зонд 2 совершают колебательное движение заданной амплитуды и частоты, значение которой может изменяться в широких диапазонах. На корпусе (иа чертеже ие показан) устройства установлены датчик перемещения 10 штока 1, статор 11 обратного преобразователя модуля упругости, статор 12 юмерителя скорости перемещения штока 1 и статор 13 с катушкой 14 обратного преобразователя вязкости. На штоке

1 укреплены якорь 15 датчика перемещения 10 нежелательные колебания выходных сигналов исполнительных блоков каналов модуля упругости и вязкости, что приведет к появлению дополнительных колебаний тока в обмотках катушки статора обратного преобразователя вязкости и катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости, а также и в соответствующих регистраторах.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений.

Достигается это тем, что устройство дополнительно снабжено детекторами, пороговыми элементами, блоками настройки порога и ключами в каналах модуля упругости и вязкости, причем детектор канала модуля упругости своим входом связан через второй выход усилителя с выходом датчика перемещения штока, а выходом — с первым входом порогового элемента, второй вход которого соединен с блоком настройки nopora, первый выход — с вторым входом ключа канала модуля упругости, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала модуля упругости, а выход ключа связан с входом исполнительного блока канала модуля упругости, вход детектора канала вязкости через третий выход усилителя сигнала измерителя скорости перемещения штока связан с выходом измерителя скорости перемещения штока, а выход детектора канала вязкости связан с первым входом порогового элемента канала вязкости, второй вход которого соединен с блоком настройки порога, я первый выход— с вторым входом ключа, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала вязкости, а выход ключа соединен с входом исцолнительного блока канала вязкости, причем вторые выходы пороговых элементов каналов модуля упругости и вязкости связаны с вторыми входами регистраторов.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

1о

5 и якорь 16 датчика усилия 17, корпус которого связан со скобой 6, а выходной сигнал пропорционален разности входных колебаний и колебаний штока 1. На штоке 1 укреплены также якорь 18 обратного преобразователя модуля упругости с катушкой 19, якорь 20 с кату. tкой 21 измерителя скорости перемещения штока н якорь 22 с катушкой 23 обратного преобразователя вязкости.

Выход датчика усилия 17 электрически связан с входом усилителя 24, первый и второй выходы которого соответственно соединены с вторыми входами формирователя сигналов модуля упругости 25 и вязкости 26, при этом первый вход формирователя 25 сигнала модуля упругости связан с первым выходом усилителя

27, вход которого связан с выходом датчика перемещения 10. Первый вход формйрователя

26 сигнала вязкости связан с вторь1м выходом усилителя 28 измерителя скорости, своим входом связанного с катушкой 21 якоря 20 измерителя скорости перемещения штока 1, а выходы формирователей сигнала модуля упрутости

25 и вязкости 26 связаны соответственно с первыми входами ключа 29 канала модуля упругости и ключа 30 канала вязкости, Выход ключа 29 канала модуля упругости связан с входом исполнительного блока 31 канала модуля унругости, первый выход которого связан с катушкой 19 якоря 18 обратного преобразователя модуля упругости, а второй его выход связан с первым входом регистратора модуля упругости 32.

Первый выход ключа 30 канала вязкости связан с входом исполнительного блока 33, первый выход которого связан с входом катушки 14 статора 13 обратного преобразователя вязкости, а второй его выход связан с первым входом регистратора вязкости 34, Второй выход усилителя 27 сигнала датчика перемещения 10 связан с входом детектора

35 канала модуля упругости, выходом связанного с первым входом порогового элемента 36 канала модуля упругости, выполненного в виде триггера Шмидта, второй вход которого связан с выходом блока 37 настройки порога канала модуля упругости. Первый выход порогового элемента 36 канала модуля упругости связан с вторым входом ключа 29 канала модуля упругости, а второй его выход связан с вторым входом регистратора модуля упругости 32.

Первый выход усилителя 28 сигнала измерителя скорости перемещения штока связан с входом катушки 23 якоря 22 обратного преобразователя вязкости, а его третий выход соединен с входом детектора 38 канала вязкости, выходом связанного с первым входом порогового элемента 39 канала вязкости, выполненно687377 6

ro в виде триггера Шмидта, второй выход которого связан с выходом блока 40 настройки порога канала вязкости. Первый выход порогового элемента 39 канала вязкости связан с вторым входом ключа 30 канала вязкости, а второй его выход связан с вторым входом регистратора вязкости 34.

Устройство работает следующим образом.

В случае отсутствия вещества 4 в кювете 3, при колебаниях штока 1 с зондом 2 от привода 9, являющегося задатчиком пробных колебаний, выходные сигналы датчиков 10, 17 и катушки

21 измерителя скорости будут определяться параметрами электромеханической части устройства. Формирователи 25 и 26, связанные с усилителями 27 и 24, настраиваются таким образом, чтобы их выходные сигналы были равны нулю.

На выходах детекторов 35 в 38, своими

20 входами связанных с вторым и третьим выходами усилителя 27 и 28, соответственно, будут сдвинутые по фазе на я/2 детектированные дву;ьпалупернодные сигналы, которые поступают на

25 пороговые элементы 36 и 39, порог срабатывания которых установлен с помощью блоков 37 и 40 настройки порогов. Когда сигналы на выходах детекторов 35 н 38 достигают величины порога, происходит срабатывание пороговых зо элементов 36 и 39 и па их выходах появляются постоянные по величине сигналы всегда в одной и той же полярности. Как только сигналы на выходе детекторов 35 и 38 уме..ьшатся до величины порога, пороговые элементы 36 и 39 возвращаются в нсходноа положение, т.е. сиг35 нгл иа их выходах становится равным нулю.

Сигналы с первых выходов пороговых элементов 36 и 39 поступают на вторые выходы ключей 29 и 30, представляющих собой реле с гер40 метизнрованными контактами и управляющими обмотками, на которые подаются сигналы с выходов пороговых элементов. Сами контакты соединяют (либо разрывают) выходы формирователей 25 и 26 соответственно с входами исполнительных блоков 31 и 33. Сигналы вторых вы45 ходов пороговых элементов 36 и 39 поступают на вторые входы регистраторов 32 и 34, подключая их горизлнтальную развертку только в момент подключения исполнительных блоков

3l и 32 к формирователям 25 и 26 соответственно. Таким образом происходит периодическое замыкание контактов ключей 29 и 30 и периодическое включение горизонтальной развертки регистраторов 32 и 34. Длительность вклю55 чения пороговых элементов 36 и 39 определяется уровнем nopora и частотой пробных холебанкй, а коммутации ключей 29 и 30 пронсхо дят со сдвигом по фазе на угол я/2 в момент времени, когда амплитуды колебаний и скорос687 ти колебаний штока 1 с зондом 2 близки к максимальному значению. Катушка 19 якоря 18 обратного преобразователя модуля упругости и катушка 14 статора 13 обратного преобразователя вязкости ири отсутствии вещества 4 будут обесточены, так как входы исполнительных блоков 31 и 33 также обесточены.

377 8 формации приведет к возвращению порогового элемента 36 в исходное состояние, отключению ключей 29 исполнительного блока 31 от формирователя 25 и остановке горизонтальной развертки регистратора 32, который фиксирует величину, пропорциональную модулю упругости иссле дуемого вещества.

При наличии вещества 4 в кювете 3 возникает сопротивление перемещению зонда 2, что приводит к появлению выходного сигнала датчика 17. В формирователе 25 формируется сигнал, пропорциональный модулю упругости вегцсства, а в формирователе 26 — сигнал, пропорциональный его вязкости. Сигналы формирователей 25 и 26 в моменты максимальной деформации и максимальной скорости деформации достигают максимума. В моменты времени, когда значения деформации и скорости деформации обращаются в ноль, сигналы с формирователей

25 и 26 также обращаются в ноль. Так как ключи 29 и 30 в этот момент времени разомкнуты, то сигналы с выходов формирователей 25 и 26 не поступают на входы исполнительных блоков

31 и 33.

В предлагаемом устройстве за счет использования дополнительных блоков — детектора, порогового элемента, ключа и блока настройки порога в каждом иэ измерительных каналов, исполнительные блоки 31 и 33 подключаются к выходам формирователей сигналов модуля упругости 25 и вязкости 26 в течение коротких промежутков времени, причем исполнительный блок

31 канала модуля упругости в тот момент, когда амплитуда деформации, а следовательно, и упругое сопротивление деформации достигает максимального значения, а вход исполнительного блока 33 канала вязкости подключают к выходу формирователя 26 сигнала вязкости в тот момент, когда амплитуда скорости деформации, а следовательно, и вязкое сопротивление деформации достигает максимального значения.

В предлагаемом устройстве моменты времени достижения максимального значения амплитуды деформации ее скорости определяются с помощью детекторов 35 и 38, пороговых элементов 36 и 39 и ключей 29 и 30 в обоих измерительных каналах. Если к моменту срабатывания порогового элемента 36 будет иметь место изменение выходного сигнала формирователя 25, то исполнительный блок 31 канала модуля упругости изменит ток в обмотке катушки 19якоря 18 обратного преобразователя модуля упругости до такого значения, чтобы скомпенсировать это изменение. При этом изменение сигнала на выходе исполнительного блока 31 будет пропорционально изменению модуля упругости вещества, которое регистрируется регистратором

32 модуля упрутости. Уменьшение амплитуды деПри дальнейшем изменении деформации, увеличении ее в противоположную сторону до величины, равной порогу, вновь срабатывает пороговый элемент 36, включив горизонтальную развертку регистратора 32 и подключив ключем 29 выход формирователя ключем 29 выход формирователя 25 к входу исполнительного блока 31.

Если изменений модуля упругости за !/2 периода деформации не произошло, то сигнал на выходе исполнительного блока 31 не изменится, а в регистраторе 32 изменится только горизонтальное положение указателя.

Срабатывание порогового элемента 39 происходит со сдвигом на угол я/2 относительно срабатывания порогового элемента 36, так как вход порогового элемента 39 связан с выходом детектора 38, детектирующего сигнал скорости перемещения штока, поступающего с выхода усилителя 28 измерителя скорости перемещения штока. Поэтому подключение входа исполнительного блока 33 к выходу формирователя 26 сигнала вязкости происходит в момент максималь30 ной скорости деформации. Если к моменту срабатывания порогового элемента 39 на выходе формирователя 26 сигнала вязкости будет иметь место изменение сигнала, то исполнительный блок 33 изменит значение тока в обмотке 14

35 статора 13 обратного преобразователя вязкости, а пороговый элемент 39 подключит горизонтальную развертку регистратора 34, где зарегистрируется значение вязкости во времени. Уменьше4, ние сигнала с выхода усилителя 28 и, следовательно, с выхода детектора 38 канала вязкости до величины, равной порогу срабатывания порогового элемента 39, приведет к отклонению исполнительного блока 33 ключом 30 и остановке

4 горизонтальной развертки регистратора 34 вязкости, где зафиксируется значение измеренной вязкости, Изменение знака скорости перемещения штока и дальнейшее ее увеличение вновь приведет к срабатыванию порогового элемента

39 и подключению исполнительного блока 33 к формирователю 26 ключом 30 и включению горизонтальной развертки регистратора 34. Процесс компенсации и регистрации вязкости происходит аналогипю описанному процессу компенсации и регистрации модуля упрутости.

Реализаш я устройства расширяет метрологические возможности вибрациоииых эластовискозиметров, повышает их точность в широком диапазоне частот. Появляется возможность исФормула изобретения

6873 следования с высокой точностью медленно протекающих процессов тромбообразования крови, структуирования, набухания различных полимеров. Исследование реологических характеристик веществ в области низкочастотных деформаций позволяет изучить их физико-механические свойства в условиях, близких к статическому деформированию.

Устройство для измерения вязкоупрутих характеристик сред, содержашее корпус, кювету для исследуемой среды, шток с зондом, соединенный с приводом, обратный преобразователь модуля упругости, состоящий из якоря с катушкой и статора, обратный преобразова-.ель вязкости, состоящий из якоря с катушкой и статора с катушкой, формирователи сигналов модуля упругости и вязкости, регистраторы модуля упругости и вязкости, датчик перемещения и датчик усиления, выходами связанные через усилители с входами формирователя сигнала модуля упругости, исполнительный блок канала мо- 15 дуля упрутости, первым входом связанный со входом катушки якоря обратного преобразователя модуля упругости, а вторым — со входом регистратора модуля упругости, измеритель скорости перемешения штока, связанный своим выходом через уси-зо литель сигнала измерителя скорости со входом катушки якоря обратного преобразователя вязкости и с первым входом формирователя сигнала вязкости, второй вход которого связан с выходом усилителя сигнала датчика усилия, ис- 3S полнительный блок канала вязкости, первым выходом связанный с катушкой статора обратного преобразователя вязкости, а вторым — с вхо77

10 дом регистратора вязкости, î е л и ч а ю щ ее с я тем, что, с IlcJIblo повышения точности и расширения динамического диапазона измерений каналы модуля упругости и вязкости дополнительно снабжены детекторами, пороговыми элементами, блоками настройки порога и ключами соответственно, при этом детектор канала модуля упругости своим входом связан через второй выход усилителя сигнала датчика перемещения штока с выходом датчика перемещения 1цтока, а выходом — с первым входом порогового эле. мента, второй вход которого соединен с блс ком настройки порога, а первый выход — с вторым входом ключа канала модуля упругости, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала модуля упругости, выход ключа соединен с входом исполнительного блока канала модуля упругости, вход детектора канала вязкости через третий выход усилителя сигнала измерителя скорости перемещения штока связан с выходом измерителя скорости перемещения штока, а выход детектора канала вязкости соединен с первым входом порогового элемента канала вязкости, второй вход которого соединен с блоком настройки порога, а первый выход с вторым входом ключа, первый вход которого связан с выходом формирователя сигнала вязкости, а выход ключа соединен с входом исполнительного блока канала вязкости, причем вторые выходы пороговых элементов каналов модуля упругости и вязкости связаны с вторыми входами регистраторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 507805, кл. G 01 N 11/14.

2. Авторское свидетельство СГСР ло заявке К 2383852, кл. 6 01 N 11/14, 1976 (прототип1.

687377!

Редактор Е. Гончар

Заказ 5570/41 Тираж 1090 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР ло делам изобретений и открытий

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

l1

Ю

11

1М

Составитель М. Катков

Техред 3.Фанта Корректор А. Гриценко

Филиал Г1ПЛ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4