SU708202A1 - Device for measuring rheologic characteristics of visco-elastic media - Google Patents

Description

1one

Изобретение относитс  к технике исследовани  в экоупругих характеристик различных материалов, в частноети полимерных,в широком частотном диапазоне и может быть использовано дл  исследовани  процессов изменени  их в зкоупругйх свойств в динамических режимах совмещенного деформировани .The invention relates to the technique of research in the eco-elastic characteristics of various materials, in particular polymeric, in a wide frequency range, and can be used to study the processes of changing their viscoelastic properties in dynamic modes of combined deformation.

Известно устройство дл  измерени  реологических характеристик в зкоупругйх сред 1 путем наложени  на исследуемую в зкоупругую среду гармонических колебаний, амплитуда которых превышает амплитуду свободных колебаний чувствительного органа , и регистрации амплитуды колебаний чувствительного органа. При этсм не достигаетс  высока  точность измерени  в зкоупругйх характеристик материалов в процессе их изменени . Кроме того, устройство имеет узкий частотный диапазон.A device is known for measuring the rheological characteristics of viscoelastic media 1 by superimposing harmonic oscillations on the visco-elastic medium under study, whose amplitude exceeds the amplitude of free oscillations of the sensitive organ, and recording the amplitude of oscillations of the sensitive organ. With efs, the measurement accuracy of the viscoelastic characteristics of materials during their change is not high. In addition, the device has a narrow frequency range.

Это объ сн етс  тем, что вместе с изменением амплитуды свободных колебаний чувствительного органа в процессе измерений иэмен юьдихс  во времени э зкоупругих характеристик измен етс  частота и фаза этих колебаНИИ о Поэтому необходима дополнительна  обработка результатов зкспериментов , что снижает точность измерений .This is explained by the fact that together with the change in the amplitude of free oscillations of the sensitive organ during the measurement of emenes just over time, the frequency and phase of these oscillations change. Therefore, additional processing of the experimental results is necessary, which reduces the accuracy of measurements.

Ближайшим техническим решением к предложенному, позвол ющим обеспечить высокую точность .измерений в зкоупругйх свойств в процессе их измерени  и расширить частотный диапазон ,  вл етс  устройство 2,The closest technical solution to the proposed one, which makes it possible to ensure high accuracy of measurements of the elastic-elastic properties in the process of their measurement and to extend the frequency range, is device 2,

00

Устройство содержит корпус с размещенным в нем штоком с зондом, кювету , привод, датчики абсолютного и относительного перемещени  штока), датчик скорости абсо.пютного перемещени  штока, обратные преобразователи модул  упругости и в зкости, формирователи сигналов модул  упругости и в зкости исследуемых материалов , исполнительные блоки каналов модул  упругости и в зкости, выходы которых св заны с катушками статоров соответствующих преобразователей, а входы - с выходами соответствующих формирователей сигналов молул  упругости и в зкости, входы которых соединены с выходами датчиков абсолютного и относительного перемещени  тока и скорости его абсо.гпотного пеемещени .The device includes a housing with a stem with a probe, a cuvette, an actuator, sensors for absolute and relative movement of the rod), an absolute speed sensor for the absolute movement of the rod, inverse transducers of the elastic modulus and viscosity modulators of the modulus of elasticity and viscosity of the materials under study, blocks of the modulus of elasticity and viscosity, the outputs of which are connected to the coils of the stators of the corresponding transducers, and the inputs to the outputs of the corresponding signal conditioners of the molar of elasticity and viscous Spines, the inputs of which are connected to the outputs of the sensors for absolute and relative movement of current and the speed of its absolute transfer.

К недостаткам устройства следует тнести узкий диапазон частот деЛорации , который определ етс  физичесими параметрами механической части. величение частоты деформации привоит к снижению точности измерений.To the drawbacks of the device one should carry a narrow frequency range of deloration, which is determined by the physical parameters of the mechanical part. the magnitude of the strain frequency leads to a decrease in measurement accuracy.

Цель изобретен   - повышение точности и расширение частотного диапазона измерений.The goal is invented - improving the accuracy and expanding the frequency range of measurements.

Указанна  цель достигаетс  за счет того, что устройство дл  измерени  реологических характеристик в э коупругих сред дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлект рическим преобразователем, выполненным в. виде пьезокристалла, жестко свЯ занного противоположными гран ми с держателем и наконечником в виде зонда с помощью крышки и накидной гайки . При этом выход генератора электрически св зан с пьезокристаллом через электрически изолированные друг от друга держатель и крьаику.This goal is achieved due to the fact that the device for measuring the rheological characteristics in e-elastic media is additionally equipped with an oscillator and a piezoelectric transducer made in. in the form of a piezocrystal rigidly connected by opposite edges with a holder and a tip in the form of a probe with the help of a cap and a cap nut. In this case, the generator output is electrically connected to the piezocrystal through a holder and a striker electrically insulated from each other.

Это позвол ет реализовать дефор .мацию сдвига исследуемого вещества по всей длине зонда в широком диапазоне частот, что приведет к изменению его в зкоупругих свойств . Низкочастотна  деформаци  вещества зондом при перемещении его вместе со штоком со стороны привода, измерение и обработка полученной информации с помощью измерителей, формирователей по каналам модул  упругости и в зкости , компенсаци  возникающего сопротивлени  вещ.ества с помощью ис-полнительных блоков и обратных преобразователей позволит измерить в зкость и модуль упругости вещества, соответствующие частоте генератора колебаний.This allows realizing the shear strain of the test substance along the entire length of the probe in a wide frequency range, which will lead to a change in its viscoelastic properties. Low-frequency deformation of a substance by a probe when moving it along with a rod on the drive side, measuring and processing the information obtained using meters, drivers for the modulus of elasticity and viscosity, compensating for the arising resistance of a material with the help of executive units and inverse transducers will measure viscosity and modulus of elasticity of the substance corresponding to the frequency of the oscillation generator.

На чертеже представлена функциональна  схема предложенного устрой .ства дл  измерени  реологических характеристик в зкоупругих сред.The drawing shows the functional diagram of the proposed device for measuring the rheological characteristics in viscoelastic media.

Устройство содержит шток 1 с установленным на нем пьезоэлектрическим преобразователем, содержащим пьезокристалл 2, держатель 3, изол ционную втулку 4, крыдку 5, накидную гайку 6 и наконечник в виде зон ,да 7; Пьезокристалл 2 жестко св зан противоположными гран ми с зондом 7 и держателем 3 с помощью накидной гайки б и крышки 5 через изол ционную втулку 4. В устройство вход т также кювета 8 дл  исследуемого ма . териала 9, пруишна 10, размеаценна  между пластинами 11 и 12 толкател  13 и св занна  со штоком 1 через скобу 14; кулачок 15, укрепленный на валу 16 привода 17 и св занный с толкателем 13,The device contains a rod 1 with a piezoelectric transducer mounted on it containing a piezocrystal 2, a holder 3, an insulating sleeve 4, a lid 5, a cap nut 6 and a tip in the form of zones, yes 7; Piezocrystal 2 is rigidly connected by opposite edges with probe 7 and holder 3 by means of a cap nut b and a cover 5 through an insulating sleeve 4. The device also includes a cuvette 8 for the investigated ma. The material 9, prune 10, is dimensioned between the plates 11 and 12 of the pusher 13 and connected to the stem 1 through the clip 14; a cam 15 mounted on the shaft 16 of the actuator 17 and connected to the pusher 13,

На штоке 1 укреплены шторка 18 датчика абсолютного перемещени  штока , шторка 19 датчика относительного перемещени  штока,  корь 20 датчика Скорости абсолютного перемещени  ; штока, выполненный в виде посто нного магнита,  корь 21 с катушкой 22 обратного преобразовател  модул  упругости ,  корь 23 с катушкой 24 обратного преобразовател  в зкости.On the stem 1, the shutter 18 of the absolute displacement transducer of the rod, the shutter 19 of the relative displacement transducer of the rod, the measles 20 of the Absolute displacement velocity sensor 20 are reinforced; rod, made in the form of a permanent magnet, measles 21 with a coil 22 of a modulus of elasticity inverter, measles 23 with a coil 24 of a reverse viscosity converter.

Статоры 25 и 26 с катушками 27 и 28 обратных-преобразователей модул  упругости и в зкости-соответственно, кювета В, катушка 29 статора датчика скорости абсолютного перемещени  штока , фотодиоды 30 и электрические.лампочки 31 датчика абсолютного перемещени  штока укреплены на корпусе устройства (на чертеже не показан), а фотодиоды 32 с электрическими лам-почками 33 датчика относительного перемещени  штока укреплены на пластине 12 толкател  13. Первые выходы фотодиодов 30 и 32 через усилители 34 и 35 соответственно св заны со входом формировател  36 сигнала модул  упругости, выход которого через 0 фильтр 37, настроенный на частотуThe stators 25 and 26 with coils 27 and 28 of the elastic modulus and viscosity inverse converters, respectively, cuvette B, the stator coil 29 of the absolute speed movement sensor stator, the photodiodes 30 and the absolute movement rod electric lamps 31 are mounted on the device body (in the drawing not shown), and photodiodes 32 with electric lamina-kidneys 33 of the sensor of relative displacement of the rod are mounted on the plate 12 of the pusher 13. The first outputs of the photodiodes 30 and 32 through the amplifiers 34 and 35, respectively, are connected to the input of the sigma generator 36 ala modulus, whose output is 0 through filter 37 tuned to the frequency

деформации привода 17, св зан со входом исполнительного блока 38 канала .модул  упругости, первый выход которого подключен к катушке 27 статора 5 25 обратного преобразовател  модул  упругости. Вход катушки 22  кор  21 последнего через усилитель 39 св зан со вторым выходом фотодиодов 30 датчика .абсолютного перемещении што0 кй/ а второй выход блока 38 подключен к входу рех-истратора 40 модул  . упругости. Второй выход датчика относительного перемещени  и первый выход датчика скорости абсолютного 5 перемещени  через усилители 41 и 42 соответственно св заны со входс1ми формировател  43 сигнала в зкости, выход которого через фильтр 44, настроенный на частоту деформации при- вода, подключен к входу исполнительного блока 45 канала в зкости, первый выход которого св зан со входом катушки 28 статора 26 обратного преобразовател  в зкости. Вход катушки 24  кор  23 которого через усилитель 46 соединен с вторым выходом кат1шки 29 статора датчика скорости абсолютного перемещени  штока, а второй выход исполнительного блока 45 канала в зкости св зан со входом регистратора 47 в зкости.the deformation of the drive 17 is connected with the input of the executive unit 38 of the channel. elastic modulus, the first output of which is connected to the coil 27 of the stator 5 25 of the inverter of the elastic modulus. The input of the coil 22 of the core 21 of the latter through the amplifier 39 is connected with the second output of the photodiodes 30 of the sensor. Absolute movement of the rod / and the second output of the block 38 is connected to the input of the receiver 40 of the module. elasticity. The second output of the relative displacement sensor and the first output of the speed sensor of the absolute 5 displacement through amplifiers 41 and 42, respectively, are connected to the input of the viscosity signal generator 43, the output of which is connected through the filter 44 tuned to the deformation frequency of the drive to the executive unit 45 of the channel viscosity, the first output of which is connected to the input of the coil 28 of the stator 26 of the inverse viscosity converter. The input of the coil 24 of the bark 23 of which is connected via an amplifier 46 to the second output of the stator speed sensor 29 stator of absolute movement of the rod, and the second output of the execution unit 45 of the viscosity channel is connected to the input of the viscosity recorder 47.

Выход генератора 48 электрически св зан с верхней гранью пьезокристалла 2 через держатель-3, а с низкней гранью - через крышку 5 и накидную 55 гайку б .The output of the generator 48 is electrically connected with the upper face of the piezocrystal 2 through the holder-3, and with the low edge through the cover 5 and the cap nut 55 b.

Устройство дл  измерени  реологических характеристик в зкоупругих сред работает следующим образом.A device for measuring the rheological characteristics of viscoelastic media works as follows.

При включении привода 17, настро60 анного на фиксированную деформацию, и отключении генератора 48 исследуемый материал 9, наход щийс  в зазоре между цилиндрическими стенками . кюветы В и коаксиально установленным 65 наконечником зонда 7, подвергаетс  деформации с фиксированной амплитудои . Реакци  материала 9 определ етс  его комплексннм модулем на заданной частоте деформации и выражаетс  в том, что измен етс  амплитуда и фаза выходн ых сигналов Фотодиодов 30 и 32 датчиков абсолютного и относительного перемещений штока и катушки 29 датчика скорости абсолютного перемещени . В формировател х 36, 43 сигналов модул  упругости и в зкости , представл ющих собой множительные устройства, сигнал с первого и второго выходов фотодиодов 32 датчика относительного перемещени  детектируетс  сигналом с первого вьлхода .фотодиодов 30 датчика абсолютного перемещени  и сигналом, сдвинутьгм на угол , с первого выхода датчика скорости абсолютного перемещени . Поэтому на выходе формировател  36 будет сигнал, пропорциональный активной составл ющей комплексного модул  вещества, т, е. модулю упругости, а на выходе формировател  43 - сигнал пропорциональный реактивной составл ющей , т. е. в зкости вещества. В фильтрах 37 и 44 отфильтровываетс  ; двойна  гармоника выходных сигналов формирователей 36 и 43 и на входы i исполнительных блоков 38 и 45 поступают сигналы, пропорциональные изменению модул  упругости и в зкости соответственно . Эти сигналы вызывают изменение токов на вьлходах исполнительных блоков 38 и 45, а следователь но, и токов в катушках 27 и 28 статоров обратных преобразователей модул  упругости и в зкости до тех пор и в ту сторону, пока электромагнитное усилие, возникшее на  коре 21 обратного преобразовател  модул  упругости , полностью не скомпенсирует усилие, пропорциональное модулю упругости среды, а усилие, возникающее на  коре 23 обратного преобразовател  в зкости, не скомпенсирует усилие пропорциональное в зкости среды, обес печив тем самым нулевые значени  сигналов на выходах формирователей 36, 43 сигналов модул  упругости и в зкости . Частотный диапазон деформации веществ в этом случае ограничиваетс  100 Гц.When the actuator 17 is turned on, which is set to a fixed deformation, and the generator 48 is turned off, the material under study 9 located in the gap between the cylindrical walls. The cuvette B and the probe tip 7, which is coaxially mounted with 65, is subjected to a deformation with a fixed amplitude. The reaction of material 9 is determined by its complex modulus at a given strain frequency and is expressed in that the amplitude and phase of the output signals of Photodiodes 30 and 32 of the absolute and relative displacement transducers of the rod and the coil 29 of the absolute displacement velocity sensor change. In the modulators 36, 43 of the modulus of elasticity and viscosity, which are multipliers, the signal from the first and second outputs of the photodiodes 32 of the relative displacement sensor is detected by the signal from the first turn of the photodiodes 30 of the absolute displacement sensor and the signal shifted by an angle from the first absolute displacement speed sensor output. Therefore, at the output of the imaging unit 36 there will be a signal proportional to the active component of the complex modulus of the substance, i.e., elastic modulus, and at the output of the imaging unit 43, a signal proportional to the reactive component, i.e., the viscosity of the substance. Filters 37 and 44 are filtered out; the double harmonic of the output signals of the formers 36 and 43 and the inputs i of the execution units 38 and 45 receive signals proportional to the change in the modulus of elasticity and viscosity, respectively. These signals cause changes in the currents of the execution units 38 and 45, and consequently, the currents in the coils 27 and 28 of the stators of the inverse transducers of the modulus of elasticity and viscosity, as well as in the other direction, while the electromagnetic force arising on the inverse transducer 21 the modulus of elasticity does not fully compensate the force proportional to the modulus of elasticity of the medium, and the force arising on the core 23 of the inverse viscosity converter does not compensate for the force proportional to the viscosity of the medium, thereby ensuring zero values Cheney outputs signals to generators 36, 43 signals modulus and viscosity. The frequency range of deformation of substances in this case is limited to 100 Hz.

При включении генератора 48 возбуждаетс  пьезокристалл 2. Вызыва  . вибрацию наконечника зонда с часто1ой генератора, котора  может достигать сотен килогерц, обуславливают тем самым расширение диапазона частоты деформации исследуемого материала .When the generator 48 is turned on, a piezocrystal 2 is excited. Call. The vibration of the probe tip with a frequent generator, which can reach hundreds of kilohertz, thereby causes the expansion of the range of the strain frequency of the material under study.

Если частота вибрации пьезокристалла 2 значительно превосходит частоту деформации приводс 17, то комплексный модуль среды будет практически соответствовать частоте -вибрации пьезокристалла и, следовательно, на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его в зкости на частоте вибрации .If the frequency of vibration of the piezocrystal 2 is much higher than the frequency of deformation of the drives 17, then the complex medium modulus will almost correspond to the frequency of the vibration of the piezocrystal and, therefore, the outputs of the actuators 38 and 45 will have signals proportional to the modulus of elasticity of the analyte and its viscosity at the frequency of vibration.

Если частота вибрации пьезокристалла 2 соизмерима с частотой деформации приводом 17, то на выходах исполнительных устройств 38 и 45 будут сигналы, пропорциональные модулю упругости исследуемого вещества и его в зкости на смешанной частоте, т. е будут соответствовать режиму совмещеного деформировани .If the frequency of vibration of the piezocrystal 2 is commensurate with the frequency of deformation of the drive 17, then the outputs of the actuators 38 and 45 will be signals proportional to the elastic modulus of the test substance and its viscosity at the mixed frequency, i.e. will correspond to the mode of combined deformation.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Устройство дл  измерени  реологических характеристик в зкоупругих сред, содержащее корпус с размещенным в нем штоком, кювету, привод, регистраторы модул  ynpyrocTii и в зкости , датчики абсолютного и относительного перемещени , обратный преобразователь модул  упругости, формирователь сигнала модул  упругости, входы которого св заны через усилитель с пвыми выходами датчиков абсолютного и относительного перемещени , а его выход через фильтр св зан со входом исполнительного блока канала модул  упругости, выход которого, в свою очередь, св зан со входом катушки статора обратного преобразовател  модул  упругости, датчик скорости абсолютного перемещени  штока, обратный преобразователь в зкости, фор мирователь сигнала в зкости, входы которого св заны через усилитель с первым выходом датчика скорости абсолютного перемещени  штока и вторым выходом датчика относительного перемещени , а его выход через фильтр св зан со входом исполнительного блока канала в зкости, выход которого , в свою очередь, св зан со входом катушки статора обратного преобразовател  в зкости второй выход датчика абсолютного перемещени  штока при этом через усилитель св зан с катушкой  кор  обратного преобразовател  модул  .упругости, а второй выход датчика скорости абсолютного перемеадени  штока - через усилитель св зан ;с катушкой  кор  обратного преобразовател  в зкости; регистраторы модул  упругости и в зкости своими входами св заны со вторыми входами соответствующих исполнительных блоков, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  частотного диапазона измерений, оно дополнительно снабжено генератором колебаний и пьезоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде пьезокристалла, жестко св занного противоположными гран ми с держателем и наконечником в виде зог)да с помощью крышки и накидной гайки, при этом выход генератора электрически подсоединен к пьезокристаллу черезA device for measuring the rheological characteristics of viscoelastic media, comprising a housing with a stem, a cuvette, a drive, ynpyrocTii module and viscosity recorders, absolute and relative displacement sensors, an inverse elastic modulus converter, a modulus of elastic modulus, whose inputs are connected through an amplifier with the primary outputs of the absolute and relative displacement sensors, and its output through the filter is connected with the input of the executive unit of the elastic modulus channel, the output of which, in turn, an elastic modulus inverter stator coil input, an absolute displacement speed sensor, an inverse viscosity converter, a viscosity driver, whose inputs are connected through an amplifier to the first output of an absolute displacement speed sensor and the second relative displacement sensor output, and the output through the filter is connected to the input of the actuator of the viscosity channel, the output of which, in turn, is connected with the input of the stator coil of the inverse viscosity converter of the second Exit absolute displacement sensor rod with an amplifier coupled to the armature coil of inverter .uprugosti modulation, and the second sensor output of the absolute speed of the rod peremeadeni - via an amplifier coupled, with the armature coil of inverter viscosity; Registrars of elasticity and viscosity are connected to the second inputs of the respective executive units by means of their inputs, in order to increase the accuracy and expand the frequency range of measurements, it is additionally equipped with an oscillator and a piezoelectric transducer made in the form of a piezocrystal rigidly connected opposite faces with a holder and a tip in the form of sog) and with the help of a lid and a cap nut, while the generator output is electrically connected to the piezo crystal through s