SU777556A1 - Вибрационный измеритель реологических характеристик веществ - Google Patents

Description

бтвующих на подвижный шток со стороны деформируемого образца.

Однако в этом устройстве увеличение частоты деформации приводит к снижению точности измерений, так как в области частот деформаций, близких к собственной частоте механической части устройства, на результаты измерени  вли ет изменение амплитуды и фазы ее колебаний.

Известно также устройство дл  измеренн  реологических характеристик в зкоупругих сред, содержащее корпус, шток со сменным зондом, кювету с исследуемым веществом , привод измерительной частоты, регистраторы модул  упругости и в зкости, датчики абсолютного и относительного перемещени  штока, обратный преобразова . тель модул  упругости, формирователь сигнала модул  упругости, входы которого св заны через усилитель с первыми выходами датчиков абсолютного и относительного перемещений , а его выход через фильтр - с входом исполнительного блока канала модул  упругости, выход которого св зан со входом катушки статора обратного преобразовател  модул  упругости, датчик скорости абсолютного перемещени  штока, обратный преобразователь в зкости, формирователь сигнала в зкости, входы которого св заны через усилитель с первым выходом датчика скорости абсолютного неремещени  штока и вторым выходом датчика относительного перемешени  штока, а его выход через фильтр - с входом исполнительного блока канала в зкости, выход которого св зан со входом катушки статора обратного преобразовател  в зкости, второй выход датчика абсолютного перемещени  штока через усилитель св зан с катушкой  кор  обратного преобразовател  модул  упругости , а второй выход датчика скорости абсолютного перемещени  штока через усилитель - с катушкой  кор  обратного преобразовател  в зкости, регистраторы модул  упругости и в зкости своими входами соединены со вторыми выходами соответствующих исполнительных блоков, генератор колебаний и пьезоэлектрический преобразователь , установленный на штоке и содержащий пьезокристалл, расположенный между держател ми и наконечником, выполненным в виде зонда, которые механически св заны с помощью крышки и накидной гайки, причем выход генератора электрически св зан с пьезокристаллом через держатель и крышку, которые электрически изолированы друг от друга изол ционной втулкой {3.

Это устройство позвол ет измер ть в зкость и модуль упругости исследуемого вещества и регистрировать процессы их изменени  в широком частотном диапазоне.

Недостатком устройства  вл етс  то, что точность измерени  в большой степени зависит от величины силы сопротивлени  движению зонда, т. е. от величины модул  упругости и в зкости образца, так как при изменении в зкоупругих характеристик исследуемого материала измен етс  амплитуда вибрации. Кроме того, контроль амплитуды 5 вибрации зонда устройства затруднен.

Цель изобретени  - повышение точности измерений в широком диапазоне частот деформации .

10 Указанна  цель достигаетс  тем, что вибрационный измеритель реологических характеристик веществ, содержащий корпус, шток со сменным зондом, кювету с исследуемым веществом, св занную с приводом

15 измерительной частоты, обратны.е преобразователи модул  упругости и в зкости, состо щие из статоров и  корей с катушками, закрепленные соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости относительного п.еремещени  штока, вибратор, состо щий из катушки и посто нного магнита, закрепленные на корпусе и штоке соответственно, генератор задающей

5 частоты, каналы измерени  модул  упругости и в зкости, каждый из которых содержит второй усилитель и последовательно соедин,енные первый усилитель, формирователь , второй вход которого подключен к

Q выходу второго усилител , фильтр, исполнительный блок и регистратор, причем второй выход второго усилител  соответствующего канала подключен к катушке  кор  одноименного обратного преобразовател ,

5 катушка статора которого соединена с вторым выходом исполнительного блока этого же канала, в измеритель введены контур стабилизации амплитуды задающих колебаний штока, содержащий блок настройки амплитуды задающих колебаний и последовательно соединенные фильтр задающей частоты , вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещени  штока, детектор, блок сравнени , второй вход которого подключен к выходу блока настройки амплитуды задающих колебаний, и усилитель с переменным коэффициентом усилени , второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а выход - с входом катушки вибратора, первый фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещени  штока, а выход - к входам первых усилителей каналов измерени 

5 модул  упругости и в зкости, второй фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика относительного перемещени  штока, а выход - к входу второго усилител  канала измерени 

o модул  упругости, третий фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика скорости относительного перемещени  штока, а выход - к входу второго усилител  канала измерени  в зкости .

Это позвол ет реализовать деформацию сдвига исследуемого вещества по всей длине зонда заданной амплитуды в широком диапазоне изменени  частоты независимо от класса материалов.

На чертеже приведена схема предлагаемого вибрационного измерител .

Он содержит шток 1, св занный одним концом с корпусом измерител  через пружину 2, а на другом его конце укреплен сменный зонд 3. На штоке 1 укреплены шторка 4 датчика относительного перемещени  штока, шторка 5 датчика абсолютного перемещени  штока,  корь 6 с катушкой 7 обратного преобразовател  модул  упругости ,  корь 8 с катушкой 9 обратного преобразовател  в зкости,  корь 10 датчика скорости относительного перемещени  и  корь 11 вибратора, выполненные в виде посто нных магнитов, лампочки 12 и фотодиоды 13 датчика абсолютного перемещени , статор 14 с катушкой 15 обратного преобразовател  модул  упругости, статор 16 с катушкой 17 обратного преобразовател  в зкости и катушка 18 вибратора, укрепленные на корпусе измерител , кювета 19 с исследуемым веществом 20, наход щемс  в зазоре с коаксиально выполненным зондом 3, св зана через кулачек 21 с приводом 22 измерительной частоты, на корпусе кюветы укреплены лампочки 23 с фотодиодами 24 датчика относительно перемещени  и катущки 25 датчика скорости относительного перемещени .

Первый выход фотодиодов 13 св зан с входом фильтра 26 задающей частоты, выдел ющего высокочастотную составл ющую выходного сигнала датчика абсолютного перемещени . Выход фильтра св зан с входом детектора 27, детектирующего и усиливающего сигнал с выхода фильтра, при этом выход детектора св зан с первым входом блока сравнени  28, представл ющего собой суммирующий усилитель, второй вход которого подключен к выходу блока 29 настройки амплитуды задающих колебаний - источник стабилизированного напр жени . Выход блока сравнени  св зан с п.ервым входом усилител  30 с переменным коэффициентом усилени . Величина коэффициента пропорциональна величине выходного сигнала блока сравнени  28. Второй вход этого усилител  соединен с выходом генератора 31 задающей частоты, а выход - с входом катущки 18 вибратора, в которой наводитс  неременное магнитное поле.

Второй выход фотодиодов 13 св зан с входом первого фильтра 32 измерительной частоты, выдел ющего низкочастотную составл ющую выходного сигнала датчика абсолютного перемещени  штока, измерительной схемы, содержащей усилитель 33 канала модул  упругости и усилитель 3.4 канала в зкости, входами св занные с выходом первого фильтра. Выход первого усилител  33 подключен к первому входу формировател  35 сигнала модул  упругости, представл ющего собой множительное устройство . Формирователь 36 сигнала в зкости , также представл ющий собой множительное устройство, первым входом св зан с выходом первого усилител  34. Фильтры 37 и 38 канала модул  упругости и канала в зкости соответственно своими входами

соединены с выходами формировател  35 и формировател  36. Исполнительные блоки 39 и 40 канала модул  упругости и канала в зкости представл ют собой интеграторы и св заны с выходами фильтров 37 и 38 соответственно . Регистраторы 41 и 42 модул  упругости и в зкости, входы которых св заны с первыми выходами исполнительных блоков 39 и 40 соответствен 10, при этом вторые выходы исполнительных блоков подключеиы к входам катушек 15 и 17. Второй вход формировател  35 через первый выход второго усилител  43 канала измерени  модул  упругости св зан с выходом второго фильтра 44 измерительной частоты, выдел ющего низкочастотную составл ющую сигнала и входом св занного с выходом фотодиодов 24 датчика относительного перемещен1  . Второй вход формировател  36 через первый выход второго усилител  45

канала измерени  в зкости св зан с выходом третьего фильтра 46 измерительной частоты . Последний входом соединен с выходом катущки 25 датчика скорости относительного перемещени , выдел ющего низкочастотную составл ющую сигнала. Вторые выходы вторых усилителей 43 и 45 св заны с входами катущкн 7 обратного преобразовател  модул  упругости н катущкн 9 соответственно .

Вибрационный измеритель работает следующим образом.

Требуемую частоту колебаний штока 1 устанавливают с помощью вибратора генератором задающей частоты 31. Якорь 11

колеблетс  в переменном магнитном поле катущки 18. Наход т и частоту деформации сдвига исследуемого вещества 20, расположенного в зазоре между зондом 3 и внутренними стенками коаксиально выполненной кюветы 19. Амплитуда деформации определ етс  величиной коэффициента усилени  усилител  30 с переменным коэффициентом усилени . Величина коэффициента усилени  пропорциональна разности снгнала блока 29 настройки амплитзды задающих колебаний и сигнала с выхода детектора 27, величина которого пропорциональна амплитуде задающих колебаний штока. При изменении в зкоупругих свойств вещества . измен етс  снла сопротивлени  перемещению штока, а следовательно, и амплитуда его колебаний. Это приводит к тому , что сигнал на выходе блока сравнени  28 измен етс . Причем уменьшение разности , указывающее на рост амплитуды колеаний штока, св зано с уменьшением коэфициента усилени  усилител  30 и амилиуды колебаний штока 1. Если разность величитс , что свидетельствует об уменьении амплитуды колебаний штока, то коффициент усилени  усилител  30 увеличит  до такой величины, нри которой амнлитуда колебаний будет равна требуемой.

Дл  измерени  в зкоупругих характеритик веш:ества на заданной вибратором частоте деформации и нри заданной ее амилиуде включают иривод 22 измерительной частоты, который с номощью кулачка 21 существл ет низкочастотные колебани  кюветы 19. Низкочастотные колебани  кюветы вызывают колебани  штока с той же частотой, но с другой амплитудой и фазой, величины которых однозначно определ ютс  в зкоупругими характеристиками вещества .

Фильтры 32, 44 и 46 измерительной частоты , настроенные на частоту колебаний привода 22, пропускают только составл ющие колебаний штока и их скорости на частоте колебаний привода. Причем на выходе формировател  35 сигнала модул  упругости наблюдаетс  активна  состав.л юща  реакции вещества, т. е. составл юща , пропорциональна  модулю упругости, так как сигнал с выхода фотодиодов 13, пропорциональный комплексному модулю вещества, детектируетс  здесь сигналом с выхода фотодиодов 24. На выходе формировател  36 сигнала в зкости - реактивна  составл юща  реакции вещества, т. е. составл юща , пропорциональна  его в зкости, так как сигнал с выхода фотодиодов 13 детектируетс  здесь сигналом с выхода катущки 25, сдвинутым на угол п/2 но отношению к сигналу датчика относительного перемещени . Сигналы с выхода фотодиодов 24 и выхода катущки 25 через фильтры 44 и 46 измерительной частоты и вторые выходы вторых усилителей 43 и 45 поступают на входы ка,тушек 7 и 9  корей 6 и 8 обратных преобразователей модул  упругости и в зкости, сигналы которых создают в зазорах обратных преобразователей неременные магнитные пол , а их взаимодействие с магнитными нол ми катушек 15 и 17 статоров 14 и 16 обуславливает силы, действующие на шток I. Величины этих сил пропорциональны величинам токов в катущках 15 и 17, на которые поступают сигналы с вторых выходов исполнительных блоков 39 и 40.

Таким образом, наличие сигналов на выходах формирователей 35 и 36, величины которых пропорциональны модулю упругости и в зкости исследуемого вещества 20 на частоте колебаний вибратора, вызывает изменение сигналов на выходах исполнительных блоков 39 и 40, св занных своими входами через фильтры 37 и 38 с выходами формирователей, до тех пор и в такую сторону , чтобы электромагнитные силы, действующие на  кори обратных преобразователей , скомпенсировали бы силы, действующие на шток со стороны исследуемого вещества . Равенство этих сил обусловит нулевые сигналы на выходах формирователей 35 и 36, а величина сигнала на выходе исполнительного блока 39 пропорциональна величине модул  упругости вещества, котора  зарегистрируетс  в регистраторе 41. Величина сигнала на выходе исполнительного блока 40 пронорциональна величине в зкости вещества, котора  зарегистрируетс  в регистраторе 42.

Изменение частоты генератора 31 приводит к изменению частоты колебаний штока 1 и, следовательно, к изменению частоты деформации исследуемого вещества. В свою очередь, это измен ет в зкоупругие характеристики вещества и силу сопротивлени  движению щтока 1, т. е. изменение амплитуды колебаний, которое регистрируетс  датчиком абсолютного перемещени , и на выходе блока сравнени  28 изменитс  величина разности сигналов с выхода блока 29 настройки амплитуды задающих колебаний и с выхода детектора 27. Изменение величины разности сигналов ведет к изменению коэффициента усилени  усилител  30, что обусловит коррекцию амплитуды колебаний штока. Изменение в зкоупругих свойств исследуемого вещества, приводит к изменению .реакции штока на колебани  со стороны привода 22 измерит.ельной частоты. Это приводит к изменению амплитуды и фазы сигнала с выхода первого фильтра 32, который детектируетс  в формировател х 35 и 36 сдвинутыми на угол  /2 сигналами с выходов фильтров 44 и 46. Сигналы на вы- . ходах формирователей 35 и 36 вызовут изменение сигналов на выходах исполнительных блоков 39 и 40 и, следовательно, изменение компенсирующих усилий на  кор х 6 и 8, которые скомпенсируют изменение модул  упругости и в зкости исследуемого вещества. Величины выходных сигналов исполнительных блоков 39 и 40 регистрируютс  регистраторами 41 и 42 соответственно .

Claims (3)

1. Предлагаемый измеритель повышает точность измерений в щироком диапазоне частот деформации путем наложени  высокочастотной деформации со стабилизированной и управл емой амплитудой со стороны штока на исследуемое вещество. При изменении в зкоупругих свойств исследуемого вещества и отсутствии системы стабилизации амплитуды высокочастотной деформации происходит изменение величины этой амплитуды вследствие изменени  сил, нагружающих вибратор, что приводит к изменению внутренних напр жений в веществе и дополнительному изменению в зкоупругих свойств вец;ества. Введение контура стабилизации амплитуды высокочастотной деформации позвол ет исключить ошибки измерени , вызванные изменением амплитуды в широком диапазоне частот деформации , контролировать и управл ть амплитудой и частотой высокочастотной деформации путем изменени  настройки генератора задающей частоты и блока настройки амплитуды задающей частоты и выбирать амплитуду высокочастотной деформации, не привод щую к разрушению внутренней структуры исследуемого вещества. Формула изобретени  Вибрационный измеритель реологических характеристик веществ, содержащий корпус , шток со сменным зондом, кювету с исследуемым веществом, св занную с приводом измерительной частоты, обратные преобразователи модул  упругости и в зкости, состо щие из статоров и  корей с катушками , закрепленные соответственно на корпусе и штоке, датчики абсолютного и относительного перемещений штока, датчик скорости относительного перемещени  штока, вибратор, состо щий из катушки и посто нного магнита, закрепленные на корпусе и штоке соответственно, генератор задающей частоты, каналы измерени  модул  упругости и в зкости, каждый из которых содержит второй усилитель и последовательно соединенные первый усилитель, формирователь , второй вход которого подключен к выходу второго усилител , фильтр, исполнительный блок и регистратор, причем второй выход второго усилител  соответствующего канала подключен к катушке  кор  однонменного обратного преобразовател , катушка статора которого соединена с вторым выходом исполнительного блока этого канала , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений в широком диапазоне частот деформации, в измеритель введены контур стабилизации амплитуды задающих колебаний штока, содержащий блок настройки амплитуды задающих кол.ебаний и последовательно соединенные фильтр задающей частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещени  штока, детектор, блок сравнени , второй вход которого подключен к выходу блока настройки амплитуды задающих колебаний, и усилитель с переменным коэффициентом усилени , второй вход которого соединен с выходом генератора задающей частоты, а выход - с входом катушки вибратора, первый фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика абсолютного перемещени  штока, а выход - к входам первых усилителей каналов измереНИИ модул  упругости и в зкости, второй фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика относительного перемещени  штока, а выход - к входу второго усилител  канала измерени  модул  упругости, третий фильтр измерительной частоты, вход которого подключен к выходу датчика скорости относительного перемещени  штока, а выход - к входу второго усилител  канала измерени  в зкости . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 356526, кл. G OI.N 11/10, 1972.
2. 2. Авторское свидетельство СССР по за вке № 3283852/25 кл. G 01N 11/16, 1979.
3. 3. Авторское свидетельство СССР по за вке № 2518213/25, кл. G OIN 11/16, 1977 (прототип).