SU1608545A1

SU1608545A1 - Apparatus for measuring volumetric effects

Info

Publication number: SU1608545A1
Application number: SU884439735A
Authority: SU
Inventors: Александр Иванович Осецкий; Александр Сергеевич Снурников; Валерий Константинович Канюка; Владимир Иванович Аненко
Original assignee: Институт проблем криобиологии и криомедицины АН УССР
Priority date: 1988-06-13
Filing date: 1988-06-13
Publication date: 1990-11-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и позвол ет расширить функциональные возможности устройства в услови х невесомости. Устройство обеспечивает трансформацию объемных эффектов в продольную деформацию упругого элемента, которую осуществл ют в режиме релаксации внешних напр жений, и измерение величины этой деформации с помощью тензометрических датчиков. Устройство содержит рабочую и эталонную чейки с установленными в них сильфонными вставками, механизм нагружени , состо щий из подвижного силового винта и двух упругих элементов, дифференциально св занных с чейками, и систему регистрации, включающую динамометр и тензометрические датчики. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.The invention relates to a measurement technique and allows the device to expand its functionality in zero gravity. The device provides the transformation of volume effects into the longitudinal deformation of the elastic element, which is carried out in the mode of relaxation of external stresses, and the measurement of the magnitude of this deformation using strain gauges. The device contains working and reference cells with bellows inserts installed in them, a loading mechanism consisting of a moving power screw and two elastic elements differentially associated with the cells, and a recording system including a dynamometer and strain gauges. 1 hp f-ly, 1 ill.

Description

Изобретение относитс к технике изме- и теплофизических характеристик и мо- быть использовано дл измерени мнений объема охлаждаемых, нагревае- или наход щихс при посто нной темперйтуре жидкостей, газов, биологических фиалов и твердофазных веществ. Целью изобретени вл етс уменьще- погрешности измерений и возможность едени измерений в услови х невесо- и. На чертеже представлена схема предлаraeN ого устройства.The invention relates to a technique of measuring and thermophysical characteristics and can be used to measure the opinions of the volume of cooled, heated, or at constant temperature liquids, gases, biological vials and solid phase substances. The aim of the invention is to reduce measurement errors and the possibility of unit measurements under weightless conditions. The drawing shows a diagram of the proposed device.

/стройство содержит, опорную колонну 1ижней части которой расположены ра- 2 и эталонна 3 дилатометрические имеющие цилиндрические K(jpnyca соответственно, внутри которых разме- сильфонные вставки 6 и 7 с заглушка- /19. Корпуса4и5подвешены в подвижных 10 и 11 так, что смонтированные на/ device contains, the supporting column of the lower part of which is located 2- and reference 3 are dilatometric cylindrical K (jpnyca, respectively, inside which spacer inserts 6 and 7 are plug-in / 19. Cases 4 and 5 are suspended in movable 10 and 11 so that they are mounted on

ренren

жет изм мыхischm

мат(;mat(;

ние про моеmy knowledge

1, в1 in

бОЧсbochs

чейкиcells

4и54 and 5

щен)Schen)

ми8mi8

захв|атахcapture |

опорной колонне неподвижные толкатели 12 и 13 упираютс в заглушки 8 и 9сильфон- ных вставок 6 и 7. Дл измерени температуры растворов или наход щихс в ампулах 14 и 15 твердофазных образцов и тханей чейки 2 и 3 снабжены термометрами 16 и 17 сопротивлени . Программируемое изменение или стабилизаци температуры образцов производитс с помощью терморегулируемой камеры 18. В верхней части устройства расположен механизм 19 нагружени , состо щий из электропривода, редуктора и вертикально перемещающегос силового винта 20. Нагрузка от последнего передаетс чейкам 2 и 3 с помощью захватов 10 и 11 через нагрузочную цепочку, состо щую из верхнего упругого элемента 21, штока 22 и нижнего упругого элемента 23. При этом эталонна чейка 3 св зана кронштейном 24 непосредственно с нижним упругим элементом 23, а рабоча чейка 2The supporting column fixed tappets 12 and 13 abut against plugs 8 and 9 of the bellows inserts 6 and 7. To measure the temperature of the solutions or in the ampoules 14 and 15 of the solid-phase samples and the two cells 2 and 3, they are equipped with resistance thermometers 16 and 17. A programmable change or stabilization of the temperature of the samples is carried out using a temperature-controlled chamber 18. In the upper part of the device, a loading mechanism 19 is located, consisting of an electric drive, a gearbox and a vertically moving power screw 20. The load from the latter is transmitted to cells 2 and 3 using grippers 10 and 11 through a load chain consisting of the upper elastic element 21, the stem 22 and the lower elastic element 23. In this case, the reference cell 3 is connected by a bracket 24 directly to the lower elastic element 23, and the working cell 2

о оoh oh

0000

елate

4 Л4 L

включена в нагрузочную цепь через динамометр 25. Приложение нагрузки к ней осуществл етс за счет контакта втулки 26 с опорным ДИСКОМ.27, который мож т перемещатьс вдоль штока 22 и устанавливатьс на нем перед.экспериментом в одно из требуемых положений. Дл поддержани рабочей чейки 2 в полностью разгруженном состо нии в устройстве предусмотрен перемещающийс по опорной колонне фиксатор 28.included in the load circuit through the dynamometer 25. The load is applied to it through the contact of the sleeve 26 with the supporting DISK.27, which can be moved along the rod 22 and installed on it before the experiment in one of the required positions. In order to maintain the working cell 2 in a fully unloaded state, a fixture 28 is moved along the support column in the device.

Измерение объемных эффектов производитс как с помощью динамометра 25, так и с помощью датчика 29 малых перемещений , включаемого так, что его корпус св зан с одним концом динамометра 25, а сердечник - с другим. Сигнал от динамометра 25 и датчика 29 регистрируетс двухкоординат- ным графопостроителем, на вторую коор- динату которого подаетс сигнал от термометра 16 сопротивлени . Дл предотвращени выхода датчика 29 перемещени из линейной зоны, что характерно дл измерени с высокой чувствительностью, в приборе предусмотрен автоматический сброс нул . Он реализуетс с помощью св занного с корпусом датчика 29 дифференциального микрометрического винта 30, вращаемого шаговым двигателем 31.The volumetric effects are measured using both a dynamometer 25, and a small displacement sensor 29, turned on so that its body is connected to one end of the dynamometer 25 and the core to the other. The signal from the dynamometer 25 and the sensor 29 is recorded by a two-coordinate plotter, to the second coordinate of which a signal is sent from the resistance thermometer 16. To prevent the displacement sensor 29 from moving out of the linear zone, which is typical for measuring with high sensitivity, an automatic zero reset is provided in the device. It is implemented using a differential micrometer screw 30 associated with the sensor body 29, rotated by a stepper motor 31.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Дилатометрические чейки 2 и 3 на специальном вакуумном стенде заполн ют исследуемым и эталонным растворами соответственно. При исследовании твердофазных материалов или биологических тканей их помещают в рабочую чейку 2 в эластичных ампулах 14. Одновременно в эталонную чейку 3 в таких же ампулах 15 помещают образцы из кварца, объем которых равен объему исследуемого материала . После этого чейки 2 и 3 заполн ют дилатометрической жидкостью по стандартной методике. Заполненные чейки 2 и 3 подвешивают на захватах 10 и 11 так, чтобы толкатели 12 и 13 упирались в заглушки 8 и 9. Упругие элементы 21 и 23 при этом не напр жены, а св занна с рабочей чейкой втулка 26 соприкасаетс с фиксатором 28. В этот момент Г1роизводитс установка опорного диска 27. Его положение определ етс услови ми эксперимента, в частности величиной нагрузки, которую необходимо приложить к рабочей чейке 2 в данном опыте. Затем монтируетс терморегулируема камера 18, устанавливаетс необходима начальна температура образца и эталона и начинаетс процесс нагружени чеек. Этот процесс состоит из двух этапов. На первом этане происходит непрерывное раст жениеDilatometric cells 2 and 3 on a special vacuum stand are filled with the test and reference solutions, respectively. In the study of solid-phase materials or biological tissues, they are placed in the working cell 2 in elastic ampoules 14. At the same time, samples of quartz, the volume of which is equal to the volume of the material under investigation, are placed in the reference cell 3 in the same ampoules 15. Thereafter, cells 2 and 3 are filled with dilatometric fluid according to standard procedures. The filled cells 2 and 3 are suspended on the grippers 10 and 11 so that the pushers 12 and 13 abut against the plugs 8 and 9. The elastic elements 21 and 23 are not tensioned, and the sleeve 26 connected to the working cell is in contact with the latch 28. In This moment is the installation of the support disk 27. Its position is determined by the experimental conditions, in particular, the load that must be applied to the working cell 2 in this experiment. Then the temperature-controlled chamber 18 is mounted, the initial temperature of the sample and the reference is necessary, and the cell loading process begins. This process consists of two stages. Continuous stretching occurs on the first ethane.

св занных с силовым винтом упругих элементов 21 и 23, и нагрузка воспринимаетс только эталонной чейкой 3. Это происходит до тех пор, пока поднимающийс в процессе нагружени опорный диск 27 не коснетс наход щейс на фиксаторе 28 втулки 26, св занной через кронштейн с рабочей чейкой 2. С этого момента начинаетс нагружение рабочей чейки, причемelastic elements 21 and 23 connected with the power screw, and the load is perceived only by the reference cell 3. This happens until the supporting disk 27 rising during the loading process does not touch the sleeve 26 connected to the clamp 28 connected through the bracket with the working cell 2. From this moment the loading of the working cell begins, and

действующую в ее цепи силу FR можно определить какthe FR force acting on its circuit can be defined as

FR KiXi-K2X2... ,(i)FR KiXi-K2X2 ..., (i)

где KI и К2 - коэффициенты жесткости верхнего и нижнего упругих элементов соответственно;where KI and K2 are the stiffness coefficients of the upper and lower elastic elements, respectively;

Xi и Х2 - нат жение (упруга деформаци ) упругих элементов.Xi and X2 - tension (elastic deformation) of elastic elements.

После достижени заданного уровн нагрузки FR FRI, который фиксируетс динамометром 25, механизм 19 нагружени останавливаетс , производитс стабилизаци устройства в течение нескольких минут и начинаетс процесс измерени .After reaching a predetermined load level FR FRI, which is fixed by a dynamometer 25, the loading mechanism 19 stops, the device is stabilized for several minutes and the measurement process begins.

Конструкци устройства позвол ет проводить измерени двух типов; в изотермических услови х и при сканировании температуры с заданной скоростью. Реализаци второго типа измерений в приборах, работающих в режиме релаксацми, крайнеThe design of the device allows measurements of two types; in isothermal conditions and when scanning temperature at a given speed. The implementation of the second type of measurements in instruments operating in the relaxation mode is extremely

затруднительна. Это св зано с тем, что изменение температуры деталей прибора, в том числе и температуры дилатометриче- . ской жидкости, приводит к изменению начальной длины нагрузочной цепочки изis difficult. This is due to the fact that the change in temperature of parts of the device, including the temperature, is dilatometric. liquid, leads to a change in the initial length of the load chain from

упругих элементов и, как следствие, к изменению нагрузки в этой цепи. В результате возникают погрешности за счет эффектов сжимаемости исследуемых растворов. Так, например, при изменении температурыelastic elements and, as a result, changes in the load in this chain. As a result, errors arise due to the compressibility effects of the studied solutions. For example, when the temperature changes

чейки объемом Vo 10 см на АТ 100°С смещение ее корпуса относительно неподвижного толкател (фиг. 1)равноcells with a volume of Vo 10 cm at АТ 100 ° С displacement of its body relative to a fixed pusher (fig. 1)

Ahi ;8VoAT/ S -0,2cM, (2)Ahi; 8VoAT / S -0,2cM, (2)

где /3 - коэффициент теплового объемного расширё1ни исследуемого раствора, который в случае водных растворов биомолекул where / 3 is the coefficient of thermal volumetric expansion of the test solution, which in the case of aqueous solutions of biomolecules

S -площадь эффективного поперечного сечени сильфонной вставки (,5см). В случае применени обычных схем нагружени с помощью одного упругого элемента , даже имеющего весьма низкие значени S is the effective cross section area of the bellows insert (, 5 cm). In the case of the use of conventional loading schemes using a single elastic element, even having very low values

коэффициента жесткости KTV кг/см, изменение нагрузки в измерительной цепи за счет смещени Ahi равноstiffness coefficient KTV kg / cm, the change in load in the measuring circuit due to the displacement Ahi is

AFpi KI Ahi ,2кг.AFpi KI Ahi, 2kg.

(3)(3)

)то приводит к изменению объема исс- леду ;мого раствора за счет эффекта сжима- емосгги на величину AVvThis leads to a change in the volume of the study of the mobile solution due to the effect of compressing the mass by the value of AVv

APRi. „-5 , У S W где t- коэффициент сжимаемости, равный в данном случае APRi. „-5, S S W where t is the compressibility factor, which is equal in this case

1з (4) следует, что разрешающа способность дилатометров, использующих традиционную схему релаксационного на- , ограничена значением 10 %. римен ема в предлагаемом устрой- ;хема нагружени позвол ет значитель- эту величину. На основании (1) еличины APRi имеем1c (4), it follows that the resolution of dilatometers using the traditional relaxation scheme is limited to 10%. Used in the proposed device, the loading circuit allows for this value. Based on (1) APRi value, we have

ГR

стве ( но повысить(but increase

дл for

AXiAxi

4four

где жени изме ного туры. Вwhere marriages vary tours. AT

нижнего двух сbottom two

гдеWhere

FRI Ki AXi-К2 АХ2 (5)FRI Ki AXi-K2 AX2 (5)

Ahi и АХ2- изменени нат - i упругих элементов 21 и 23 за счет Ahi and АХ2 - changes nat - i of elastic elements 21 and 23 due to

ени объемов исследуемого и эталон- растворов при изменении их темперадан юм случае изменение нат жени упругого- элемента 23 состоит из оставл ющихThe volume of the test and standard solutions, when their temperature changes, in the case of a change in the tension of the elastic element 23 consists of

АХг -Ahi+Ah2,(6)AHg-Ahi + Ah2, (6)

hi и Ah2 - изменени нат жени элеме|нта 23 за счет изменени объемов ис- змого и эталонного растворов в чей- 1 3 соответственно.hi and Ah2 are the changes in the tension of the element 23 due to the change in the volumes of the reference and reference solutions in someone's 1 3, respectively.

Подставл (6) и (5) дл выполнени ус- А FRI О , получим соотношениеSubstituting (6) and (5) to perform a-A FRI O, we obtain the ratio

следу ках 2next kah 2

лови catch

И;AND;

ВИЯ л пуса ; непод (Ki+ К2) щени бочей Этого рабоче эффек ни ихVIA l Pusa; Nepal (Ki + K2) Schoenge Bochei This is the working effect of them

К2K2

(7) (7)

(7) следует, что дл выполнени уелоFRI О вертикальное смещение кор- эталонной чейки 3 относительно зижного толкател 13 должно быть в / К2 больше соответствующего сме- в процессе измерени корпуса 4 ра- чейки 2 относительно толкател 12. можно добитьс , подбира объемы и (Ураб) и эталонной (Уэт) чеек или ивные площади поперечного сече- сильфонных вставок так, чтобы они удовле твор ли условию(7) it follows that in order to carry out the UFRI O, the vertical displacement of the reference cell 3 relative to the squeeze pusher 13 must be in / K2 greater than the corresponding shift in the process of measuring the housing 4 of the races 2 relative to the pusher 12. You can achieve by selecting the volumes and ( Urab) and reference (WET) cells or cross-sectional cross-section of bellows inserts so that they satisfy the condition

АНAn

при та теплов иwith that heat and

VST Spa6 К2 + Kl Vpa6 VST Spa6 K2 + Kl Vpa6

злогичный результат можно получить :ом же соотношении коэффициентов )го объемного расширени рабочего эталс(нного растворов, т.е.The logical result can be obtained: the same ratio of the coefficients of the th volumetric expansion of the working ethanol (this

ВсThe sun

условийconditions

К2 -f Kl К2K2 -f Kl K2

(9)(9)

1стеме, удовлетвор ющей одному из (8) или (9), изменение результиру10For a system that satisfies one of (8) or (9), a change in the result

5five

00

5five

ющей силы FR в процессе измерений при переменных температурах крайне незначительно . Амплитуды колебани нагрузки в измерительной цепи здесь определ ютс возможными отклонени ми от условий (8) или (9), возникающими за счет возможных погрешностей при изготовлении чеек или подборе эталонных растворов, и при изменении температуры исследуемых образцов на дес тки градусов лежат в пределах ±0,1 г. Это позвол ет повысить разрешающую способность прибора до 10 % и создать объемные дилатометры качественно нового уровн .FR in the measurement process at variable temperatures is extremely small. The amplitudes of the oscillations of the load in the measuring circuit here are determined by possible deviations from conditions (8) or (9) arising due to possible errors in the manufacture of cells or selection of reference solutions, and when the temperature of the studied samples changes by tens of degrees lie within ± 0 , 1 g. This allows you to increase the resolution of the device up to 10% and create volumetric dilatometers of a qualitatively new level.

Таким образом, предлагаемое устройство исключает свойственное обычным дилатометрам трение в системах измерени и нагрузки, предотвраща тем самым погрешности за счет механических затиров и уменьша инерционность прибора. Оно делает процесс измерени объемных эффектов независ щим от веса элементов установки и исследуемых образцов, что позвол ет г роводить объемную дилатометрию в услови х невесомости.Thus, the proposed device eliminates the friction typical of conventional dilatometers in measurement and load systems, thereby preventing errors due to mechanical pastes and reducing the inertia of the instrument. It makes the process of measuring volumetric effects independent of the weight of the elements of the setup and the samples under study, which makes it possible to conduct bulk dilatometry under weightless conditions.

Claims

1. A device for measuring volumetric 30 effects, containing working and reference cells with mounted inlays, connected with a loading mechanism and a system for recording the longitudinal deformation of these inserts, in order to extend the functionality of the device by ensuring its work in conditions of weightlessness, the loading mechanism is designed in the form of a screw rigidly connected with a chain of two elastic elements connected by a rod with a supporting disk fixed on it, with the end of the second pack ugogo member coupled to the bellows insertion reference cell, and the bellows insert working cell is connected through a recording system situated above the supporting, drive sleeve, which passes through an opening stock.

2. The device according to claim 1, characterized in that the effective cross-sectional areas of the bellows inserts in the working 5rab and reference 5e cells or the volumes of the working Vpa6 and reference VST cells and the stiffness coefficients Ki and K2 of the elastic elements are related by

Spa6 UET K2 + KI Vpa6K2

five

79

20