RU2011959C1

RU2011959C1 - Device for investigating thixotropic properties of materials

Info

Publication number: RU2011959C1
Authority: RU
Inventors: Ю.К. Казанов; А.В. Никитенко; М.А. Быстров; Я.З. Нис
Original assignee: Новочеркасский политехнический институт
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1991-07-15
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: base carries a rack on which a main rocker is hinged so that one arm has a system for balancing movable parts of the device, which is made like a horizontal threaded regulator provided with a weight nut, and bears a measuring plate suspended so that it is submerged in liquid to be investigated. From the opposite arm of the main rocker on a non-extensible thread is suspended a smaller rocker, having one arm coupled by a non-extensible thread with a solenoid core and other arm linked kinematically by a non-extensible thread with a dynamometric device. The solenoid and the dynamometric device are rigidly secured on the base. A detachable cell filled with liquid to be tested is so constructed that it can be rigidly attached to a vertically movable rod of a vibrator fixed on a base. Two bases are separate units and mounted on shock-absorbers. The arrester of the main rocker is mounted on the rack for movement without rotation, is lifted by a spring and is fixed by a bolt. In the middle of the main rocker is mounted an upright threaded regulator with a weight nut. The control unit is made up of a relay having one coil finish connected to the positive bus of a bipolar power source and other coil finish connected to a make contact and a start button, ends of which are connected to an output of a main rocker position pickup. To the positive bus is connected a make contact which in turn is connected to a break contact of the relay connected to the output to the vibrator, and to a voltage divider having the middle point connected to the output to a timer and its second end connected to the middle point of the bipolar power source. To the positive bus is connected a voltage divider a second end of which is connected to the middle point of the bipolar power source and the middle point of which is connected to a contact of the relay and to an output to an integrator. To the positive bus is connected a voltage divider a second end of which is connected to the middle point of the bipolar power source, and its middle point is connected to a contact and an output to a timing device. An output of the timer is connected to an input of a control unit relay of which an output is connected to the middle point of the bipolar power source. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для исследования технологических свойств коагуляционно-тиксотропных пластично-вязких полидисперсных систем, в частности для исследования их тиксотропных свойств, и может быть применено как в исследовательских лабораториях, так и на предприятиях, использующих в производстве технологические дисперсные системы (шламы, шликеры и т. п. ). The invention relates to devices for studying the technological properties of coagulation-thixotropic plastic-viscous polydisperse systems, in particular for studying their thixotropic properties, and can be applied both in research laboratories and in enterprises using technological dispersed systems (sludges, slips and etc.).

Известно устройство для измерения тиксотропии, состоящее из емкости для исследуемой жидкости, чувствительного элемента, системы фиксации начала течения образца, набора стальных шариков-грузов, неподвижного контейнера для приема шариков и вибратора для разрушения исследуемого образца [1] . A device for measuring thixotropy, consisting of a container for the test fluid, a sensing element, a system for fixing the beginning of the flow of the sample, a set of steel balls, weights, a stationary container for receiving balls and a vibrator to destroy the test sample [1].

Известен вискозиметр для исследования малоконцентрированных суспензий и шликеров [2] , принятый в качестве прототипа и состоящий из коромысла с подвешенным к его одному плечу замком для крепления измерительных элементов - рифленой пластины или конуса и площадки для грузов на другом плече. Коромысло снабжено стрелкой для фиксации перемещения рифленой пластины (глубины погружения). Ось коромысла установлена в опорах, размещенных на стойке, закрепленной вертикально относительно горизонтальной станины. Арретир для фиксации коромысла выполнен в виде механизма подъема опор коромысла в вертикальном положении. На стойке расположена система отсчета расстояния перемещения рифленой пластинки (или конуса), включающая шкалу и стрелку, под площадкой с грузами - коробчатая вертикальная стойка, в которой консольно на гибкой балке подвешен соленоид с возможностью перемещения вручную в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Под рифленой пластинкой установлена платформа для размещения ячейки с исследуемой суспензией. Прибор снабжен набором грузов, вес которых определяет величину нагрузки, сообщаемой измерительной рифленой пластине (или конусу) после снятия груза соленоидом с грузовой платформы. Для задания интервалов времени восстановления структуры суспензии служит механический ручной секундомер. Система уравновешивания подвижных частей устройства состоит из гири, навешиваемой на коромысло над рифленой пластиной. Прибор предназначен для выявления закономерностей структурообразования керамических суспензий и шликеров и позволяет и определять тиксотропные свойства исследуемых суспензий. A known viscometer for the study of low-concentration suspensions and slips [2], adopted as a prototype and consisting of a rocker arm with a lock suspended to one shoulder for mounting measuring elements - a corrugated plate or cone and platform for loads on the other shoulder. The beam is equipped with an arrow for fixing the movement of the corrugated plate (immersion depth). The axis of the rocker arm is installed in supports placed on a rack, mounted vertically relative to the horizontal bed. The arrestor for fixing the rocker arm is made in the form of a mechanism for lifting the rocker arms in a vertical position. On the rack there is a reference system for the distance of movement of the corrugated plate (or cone), including a scale and an arrow, under the platform with loads - a box-shaped vertical rack in which a solenoid is suspended on a flexible beam with the possibility of manual movement in horizontal and vertical planes. Under the corrugated plate, a platform is installed to accommodate the cell with the test suspension. The device is equipped with a set of weights, the weight of which determines the amount of load reported to the measuring corrugated plate (or cone) after the load has been removed by the solenoid from the cargo platform. To set the time intervals for the restoration of the suspension structure, a mechanical manual stopwatch is used. The balancing system of the moving parts of the device consists of a weight mounted on a beam above a corrugated plate. The device is designed to identify patterns of structure formation of ceramic suspensions and slips and allows to determine the thixotropic properties of the suspensions under study.

Целью изобретения является повышение точности измерений при расширении технологических возможностей в исследовании быстропротекающих коагуляционных процессов в полидисперсных пластично-вязких системах. The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements while expanding technological capabilities in the study of fast-flowing coagulation processes in polydisperse plastic-viscous systems.

Это достигается тем, что устройство содержит станину со стойкой, ячейку для исследуемой жидкости, соленоид, динамометрическое устройство, секундомер, измерительную пластину, основное коромысло с замком для крепления измерительной пластины на одном плече, вибратор, систему уравновешивания подвижных частей устройства, арретир для фиксации коромысла; причем на противоположном плече основного коромысла на нерастяжимой нити подвешено малое коромысло таким образом, что одно плечо малого коромысла кинематически связано нерастяжимой нитью с сердечником соленоида, а другое плечо - с динамометрическим устройством, неподвижно смонтированным на станине, причем вход динамометра через дифференциальный усилитель и пиковый детектор подключен к индикатору силы тяги соленоида, вход соленоида через операционный усилитель и интегратор - к блоку управления, к которому также подключены датчик положения основного коромысла, реле времени, секундомер и вибратор. This is achieved by the fact that the device contains a stand with a stand, a cell for the test fluid, a solenoid, a dynamometer, a stopwatch, a measuring plate, a main beam with a lock for mounting the measuring plate on one shoulder, a vibrator, a balancing system for the moving parts of the device, an arrester for fixing the beam ; moreover, on the opposite arm of the main beam, on the inextensible thread, a small beam is suspended so that one shoulder of the small beam is kinematically connected by an inextensible thread to the core of the solenoid, and the other shoulder to a dynamometer fixed to the bed, and the dynamometer input through a differential amplifier and peak detector connected to the indicator of the traction force of the solenoid, the input of the solenoid through the operational amplifier and integrator to the control unit, to which the polo sensor is also connected The main rocker arm, time relay, stopwatch and vibrator.

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 - блок управления. In FIG. 1 presents the proposed device; in FIG. 2 - control unit.

На станине 1 со стойкой 2 шарнирно закреплено основное коромысло 3, на одном плече которого выполнена система уравновешивания подвижных частей устройства в виде горизонтального резьбового регулятора с грузом-гайкой 4, а также подвешена измерительная пластина 5 таким образом, что обеспечивается ее постоянное погружение в ячейку 6 с исследуемой жидкостью. The main beam 3 is hinged on a bed 1 with a stand 2, on one shoulder of which a balancing system for the moving parts of the device in the form of a horizontal threaded adjuster with a load-nut 4 is made, and a measuring plate 5 is suspended so that it is constantly immersed in cell 6 with test fluid.

На противоположном плече основного коромысла 3 подвешено на нерастяжимой нити 7 малое коромысло 8, одно плечо которого связано нерастяжимой нитью 9 с сердечником 10 соленоида 11, а другое плечо кинематически связано нерастяжимой нитью 12 с динамометрическим устройством 13. Причем соленоид 11 и динамометрическое устройство 13 жестко закреплены на основании 1. On the opposite arm of the main beam 3, a small beam 8 is suspended on an inextensible string 7, one arm of which is connected by an inextensible string 9 to the core 10 of the solenoid 11, and the other shoulder is kinematically connected by an inextensible string 12 with a torque device 13. Moreover, the solenoid 11 and the torque device 13 are rigidly fixed based on 1.

Съемная ячейка 6 выполнена с возможностью неподвижной фиксации на вертикально перемещающемся штоке вибратора 14, неподвижно закрепленного на основании 15. Станина 1 и основание 15 не связаны между собой и установлены на амортизаторах. Арретир 16 основного коромысла 3 соединен подвижно без вращения со стойкой 2, поднимается усилием пружины 17 и фиксируется при помощи винта 18. Посредине основного коромысла 3 смонтирован вертикальный резьбовой регулятор с грузом-гайкой 19. Для закрепления измерительной пластины 5 использован замок 20. The removable cell 6 is made with the possibility of fixed fixation on a vertically moving rod of the vibrator 14, fixedly mounted on the base 15. The frame 1 and the base 15 are not interconnected and are mounted on shock absorbers. The arrester 16 of the main rocker arm 3 is movably connected without rotation to the strut 2, is lifted by the force of the spring 17 and fixed with the screw 18. In the middle of the main rocker arm 3, a vertical threaded regulator with a load nut 19 is mounted. A lock 20 is used to secure the measuring plate 5.

Блок управления 21 (фиг. 3) состоит из реле К1, один конец катушки которого соединен с шиной +U_пит двухполярного питания, а другой конец - с нормально разомкнутым контактом К1.1 и кнопкой "ПУСК", концы которых соединены с входом А от датчика 22 положения основного коромысла 3. К шине +U_пит подключен нормально разомкнутый контакт К1.2, который соединен с нормально замкнутым контактом К2.1 реле К2, подключенным к выходу В на вибратор 14, и с делителем напряжения R1, подключенным средней точкой к выходу С на блок 23 и вторым концом - к средней точке двухполярного питания.The control unit 21 (Fig. 3) consists of a relay K1, one end of the coil of which is connected to the + U _pit bus of a bipolar power supply, and the other end is with a normally open contact K1.1 and a "START" button, the ends of which are connected to input A from the sensor 22 of the position of the main rocker arm 3. To the + U _pit bus, a normally open contact K1.2 is connected, which is connected to a normally closed contact K2.1 of relay K2 connected to output B of vibrator 14 and to a voltage divider R1 connected by midpoint to exit C to block 23 and the second end to the midpoint bipolar of power.

К шине +U_пит подключен второй делитель напряжения R2, второй конец которого соединен со средней точкой двухполярного питания, а средняя точка его - с контактом К2.2 реле К2 и подключена к выходу Д на блок 24. К шине +U_пит подключен делитель напряжения R3, второй конец которого соединен со средней точкой источника двухполярного питания, которая соединена с контактом К2.3 и подключена к выходу Е на блок 23.A second voltage divider R2 is connected to the + U _pit bus, the second end of which is connected to the midpoint of the bipolar power supply, and its middle point is connected to terminal K2.2 of the relay K2 and connected to the output D on block 24. A voltage divider is connected to the + U _pit bus R3, the second end of which is connected to the midpoint of the bipolar power source, which is connected to terminal K2.3 and connected to the output E to block 23.

Выход блока 23 соединен со входом F реле К2 блока 21, выход которого соединен со средней точкой двухполярного питания. The output of block 23 is connected to the input F of relay K2 of block 21, the output of which is connected to the midpoint of the bipolar power supply.

Динамометрическое устройство 13 является самостоятельным элементом и составлено последовательной схемой механотрон (динамометр)-дифференциальный усилитель-пиковый детектор-индикатор. The dynamometer device 13 is an independent element and is composed by a sequential circuit of a mechanotron (dynamometer) -differential amplifier-peak detector-indicator.

Блок 23 - реле времени составлен из интегратора и усилителя с токовым бустером. Block 23 - time relay is composed of an integrator and an amplifier with a current booster.

Блок 24 - интегратор и операционный усилитель - составлен из интегратора и усилителя с токовым бустером, вход его подключен к блоку 21, а выход - к соленоиду 11. Block 24 - the integrator and operational amplifier - is composed of an integrator and an amplifier with a current booster, its input is connected to block 21, and the output to the solenoid 11.

Блок 25 - секундомер - составлен из интегратора и его вход подключен к блоку 21, а выход - к индикатору 26. Block 25 - a stopwatch - is composed of an integrator and its input is connected to block 21, and the output to indicator 26.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В заарретированном положении основного коромысла 3 выставляют на ноль стрелку индикатора 26. Затем плавным поворотом винта 18 арретира 16 высвобождают основное коромысло 3. Вращением груза-гайки 4 выводят центр масс всей измерительной системы на вертикальную ось, проходящую через ось вращения основного коромысла 3, а вращением груза-гайки 19 добиваются перемещения центра масс системы до совпадения его с осью вращения основного коромысла 3. In the locked position of the main rocker arm 3, the indicator 26 arrow is set to zero. Then, by smoothly turning the screw 18 of the arresting arm 16, the main rocker arm 3 is released. By rotating the load nut 4, the center of mass of the entire measuring system is brought out onto the vertical axis passing through the rotation axis of the main rocker arm 3, and load nuts 19 achieve the displacement of the center of mass of the system until it coincides with the axis of rotation of the main beam 3.

Ячейку 6, в которую предварительно заливают исследуемую жидкость (например, эмалевый шликер), фиксируют на оси вибратора 14. В ячейку 6 погружают измерительную пластину 5, ось которой закрепляют на плече основного коромысла 3, затем запускают прибор блоком управления 21. В результате вибратор 14 с частотой 100 Гц в течение заданного времени (например, 5 с) воздействует на исследуемую систему до полного разрушения ее пространственной структуры. Таймер блока 23 после отработки заданного времени посредством блока 21 отключает вибратор 14 и запускает реле времени блока 25, а также систему управления линейно возрастающего напряжения (блоки 21, 24) на соленоиде 11. Соленоид 11 втягивает сердечник 10, который кинематически через малое коромысло 8, нерастяжимую нить 7, основное коромысло 3 одновременно передает усилие на измерительную пластину 5 и на динамометрическое устройство 13 до момента срыва измерительной пластины 5. После срыва измерительной пластины 5 блок 21 с помощью датчика положения 25 основного коромысла 3 приводит всю электронно-механическую систему в исходное положение, а на индикаторе 26 фиксируется время (или период времени t₁, отсчитываемое от начала восстановления предварительно разрушенной структуры исследуемой системы (момент отключения вибратора 14) до момента срыва измерительной пластины 5.The cell 6, into which the test fluid is preliminarily filled (for example, an enamel slip), is fixed on the axis of the vibrator 14. A measuring plate 5 is immersed in the cell 6, the axis of which is mounted on the shoulder of the main rocker arm 3, then the device is started by the control unit 21. As a result, the vibrator 14 with a frequency of 100 Hz for a given time (for example, 5 s) acts on the studied system until the complete destruction of its spatial structure. The timer of block 23 after practicing the set time by means of block 21 turns off the vibrator 14 and starts the time relay of block 25, as well as a ramp control system (blocks 21, 24) on the solenoid 11. The solenoid 11 draws in the core 10, which kinematically through the small rocker 8, inextensible thread 7, the main beam 3 simultaneously transmits the force to the measuring plate 5 and to the torque device 13 until the measurement plate 5 is torn off. After the measurement plate 5 is torn off, block 21 using a 25 o position sensor the main beam 3 brings the entire electronic-mechanical system to its original position, and the indicator 26 records the time (or time period t ₁ counted from the start of restoration of the previously destroyed structure of the system under study (the moment the vibrator 14 was turned off) until the measurement plate 5 breaks down.

Данные измерения повторяются несколько раз с различной скоростью нарастания усилия втягивания сердечника 10 соленоида 11, которая регулируется путем изменения постоянного входного напряжения на регуляторе блока 20. Соответственно прямые 1, 2, 3, . . . , i на фиг. 1 характеризуют нарастание напряжения сдвига на измерительной пластине 5. После срыва измерительной пластины 5 зафиксированные данные (P_стi и t_i) являются координатами i-той экспериментальной точки. По полученным данным может быть построена полная кривая восстановления пространственной структуры в координатной системе Р_ст - t и рассчитаны константы Т и Р₀.The measurement data is repeated several times with different slew rate of the retraction force of the core 10 of the solenoid 11, which is controlled by changing the constant input voltage on the regulator of the block 20. Correspondingly direct 1, 2, 3,. . . , i in FIG. 1 characterize the increase in shear stress on the measuring plate 5. After the measurement plate 5 is _{broken, the} recorded data (P _sti and t _i ) are the coordinates of the i-th experimental point. Based on the data obtained, a complete restoration curve of the spatial structure in the coordinate system P _st - t can be constructed and the constants T and P ₀ can be calculated.

Требования к качеству поверхности измерительной пластины зависят от вида исследуемой жидкости, например, для эмалевых шликеров наиболее приемлема металлическая сетка с размером ячейки в свету 180-300 мкм. При нагружении она позволяет избежать проскальзывания измерительной пластины, которое может возникнуть в результате тенденции шликеров к расслоению на жидкую и твердую фазы. Requirements for the surface quality of the measuring plate depend on the type of test liquid, for example, for enamel slips the most suitable metal mesh with a cell size in the light of 180-300 microns. Under loading, it avoids slippage of the measuring plate, which can occur as a result of the tendency of slips to separate into liquid and solid phases.

Опытный образец устройства, изготовленный по заявляемой схеме, позволяет точно определять тиксотропные свойства неньютоновских жидкостей и, прежде всего, грубодисперсных высококонцентрированных пластично-вязких силикатных систем, например, эмалевых шликеров, имеющих период восстановления структуры 0,5-3,0 с. Точность измерения обеспечивается тем, что в заявляемом устройстве осуществляется автоматическое управление совместным взаимодействием вибратора для разрушения структуры суспензии, соленоида для формирования на измерительной пластине линейно возрастающей нагрузки, пикового детектора для фиксации предела прочности структуры суспензии при данной скорости нагружения и электронного секундомера с автоматическим остановом при достижении максимального уровня прочности суспензии. A prototype device, made according to the claimed scheme, allows you to accurately determine the thixotropic properties of non-Newtonian fluids and, above all, coarsely dispersed highly concentrated plastic-viscous silicate systems, for example, enamel slips having a recovery period of 0.5-3.0 s. The measurement accuracy is ensured by the fact that the inventive device automatically controls the joint interaction of the vibrator to destroy the suspension structure, a solenoid to form a linearly increasing load on the measuring plate, a peak detector to fix the tensile strength of the suspension structure at a given loading speed and an electronic stopwatch with automatic stop when maximum suspension strength.

Claims

DEVICE FOR RESEARCH OF THISSOTROPIC PROPERTIES OF MATERIALS, containing a bed with a stand, a cell for the test fluid, a solenoid, a stopwatch, a measuring plate, a main beam with a lock for mounting the measuring plate on one shoulder, a balancing system for the moving parts of the device, an arrester for fixing the beam, different that a small rocker is suspended on the opposite shoulder of the main beam, on one shoulder of which the core of the solenoid and the other shoulder of the small crust are suspended by the first inextensible thread The second inextensible thread is connected to the dynamometer, and the solenoid is connected via the operational amplifier and integrator to the first output of the control unit, to the first input of which the main rocker position sensor is connected, the second input and output are connected respectively to the output and input of the time relay, the third output is connected to vibrator input, and the fourth output through a stopwatch is connected to the indicator input.