ОРТОГОНАЛЬНЫЙ РЕОМЕТР
ORTHOGONAL RHEOMETRE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству, предназначенному для измерения реологических характеристик пробного образца вязкоупругого материала, такого как каучук.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Вязкоупругие характеристики материала описываются с помощью физических параметров, таких как модуль (G") вязкости, модуль (G') упругости, или иначе с помощью отношения , которое представляет тангенс угла смещения между напряжением и деформацией, когда материал подвергается механическому синусоидальному напряжению, и которое делает возможным, в числе прочего, определять явление рассеяния внутри материала.
Имеется широкий выбор средств, которые делают возможным измерение этих физических характеристик. Наиболее широко распространенным средством является вибрационный реометр, в котором подлежащий численной оценке образец удерживается между двумя дисками, вращающимися один относительно другого. Значения модулей вязкости и упругости являются результатом измерения усилий, оказываемых образцом на ось вращения, если подвижный диск колебательно движется в пределах малой угловой величины. Эти средства являются известными, в качестве примера, из публикации US 2752778 или из публикации WO 02/42739. Иное средство, физические принципы которого описали Gent в Journal Apply of Physics (Журнал прикладной физики) (1960, 11, 165) или Maxwell и RP Chartoff в обозрении Soc. Rheol (1965, 9, 41), является известным по наименованию «ортогональный реометр». Физические законы такого реометра были разработаны, в качестве примера, C.W. Macosko и W.M. Davis в посвященном реометрии издании, которое носит заглавие Rheometry Acta (1974, 13, 814).
1
1
2
2
Ортогональный реометр, блок-схема которого показана на Фиг.1 и 2, содержит два вращающихся диска 10 и 20, плоскости которых являются параллельными друг другу, и которые находятся на заданном расстоянии e друг от друга. Подлежащий измерению образец E, или сечение S, помещается между этими двумя дисками. Оси вращения этих двух дисков, соответственно, a a' и a a' не являются коллинеарными, а предпочтительнее смещены на расстояние d в направлении XX', которое перпендикулярно по отношению к упомянутым осям вращения и параллельно плоскости дисков.
Ортогональный реометр предшествующего уровня техники, который описан в вышеупомянутой работе Maxwell и Chartoff, содержит приводной двигатель, который способен приводить верхний диск во вращение с постоянной скоростью ω, другой диск удерживается посредством вала с самым низким возможным сопротивлением трению. Сам этот вал приводится во вращение через образец E со скоростью вращения, равной ω.
1
1
2
2
Поперечные силы, оказываемые образцом на нижний диск в направлении XX' и в направлении YY', которое перпендикулярно направлению XX' и к осям вращения a a' и a a', то есть, соответственно, Fx и Fy, измеряются посредством подходящего средства и делают возможным вычисление значения G' и G" с равной ω частотой механического напряжения.
Рассматривая значение , получают нижеследующие результаты:
Эти уравнения являются действительными, когда значение γ достаточно мало, и когда игнорируют эффекты, связанные с инерцией дисков.
Будет отмечено, что одним из известных преимуществ этого типа реометра, является то, что он дает возможность измерять образец, имеющий сечение любой формы, при условии, что значение этого сечения является известным во время измерения.
В публикации US 4095461 описывается ортогональный реометр, который основывается на этих принципах, в котором верхний диск приводится во вращение посредством двигателя, установленного на неподвижной раме, и в котором нижний диск установлен на валу, который имеет очень низкое трение вращения и на котором измеряются поперечные силы Fx и Fy.
Нижний вал установлен на платформе, которая способна перемещаться относительно неподвижной рамы с тем, чтобы делать возможным перемещение оси нижнего диска в сторону от оси верхнего диска на требуемое значение d в направлении XX'.
Однако, тип конструкции, описанной в упомянутых выше в качестве ссылки публикациях, создает напряжения, которые наносят вред для качества измерения. Это происходит в силу того, что с использованием этого типа монтажа образец приводит во вращение нижний диск, и создается момент силы трения между подвижной платформой и нижним основанием, который связан с тормозным моментом, создаваемым опорами нижнего диска.
Кроме того, вертикальная нагрузка Fz, которая прикладывается с тем, чтобы удерживать образец E между торцевыми поверхностями верхнего диска и нижнего диска, создает момент силы трения, который ощущается в образце E, который затем подвергается паразитному напряжению кручения. Это имеет следствием изменение в значении сил Fx и Fy, которое принимает форму знакопеременного синусоидального сигнала (той же частоты, что и частота вращения ω). Анализ сигнала измерения затем требует использования датчиков с очень высокой полосой пропускания, средства фильтрации и подходящего программного обеспечения обработки данных.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить решение этих проблем путем предоставления возможности устранения эффектов, связанных с инерцией дисков и моментом силы трения, с тем чтобы повысить точность измерения поперечных сил и вычисления значения параметров G' и G" для пробного образца.
Устройство, предназначенное для измерения реологических характеристик материала в соответствии с изобретением, относится к типу ортогонального реометра. Оно составлено из верхнего вращающегося диска и из нижнего вращающегося диска, которые способны применять давление к противоположным торцевым поверхностям образца E материала, который подлежит измерению. Оси вращения упомянутых дисков расположены параллельно друг другу в направлении, перпендикулярном плоскости, образуемой дисками, и смещены друг от друга на расстояние d. Это устройство отличается тем, что оно содержит два независимых двигателя, которые способны приводить во вращение, соответственно, верхний диск и нижний диск с одинаковой скоростью вращения ω, не создавая какое-либо угловое смещение между этими двумя дисками.
Такая сборочная единица, содержащая два двигателя, дает возможность устранить вышеупомянутые недостатки в том, что каждый из дисков приводится во вращение независимо друг от друга. Паразитные силы, вызываемые приведением в движение нижнего диска посредством верхнего диска через передаваемый образцом момент, устраняются, и измеренные силы Fx и Fy являются более близкими к фактическим реологическим величинам.
Удерживающая сила Fz, которая предназначена, чтобы удерживать образец, затем может изменяться в соответствии с требованиями к удержанию образца E, без воздействия этого на вращение дисков и на силы Fx и Fy.
Специалист в данной области техники поймет, что для того, чтобы измерение было действительным, эти два диска должны вращаться строго с одной и той же скоростью. Другими словами, в каждый временной промежуток эти два диска должны подвергаться идентичному угловому отклонению для того, чтобы препятствовать какому-либо вращательному смещению между этими двумя дисками, чтобы не создавать какой-либо момент кручения внутри образца.
Такое функционирование достигается с помощью использования двигателей, соответствующих типу шагового двигателя, в котором управляющие сигналы являются абсолютно синхронными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
Нижеследующее описание основывается на фигурах чертежей Фиг.1-4 и дает возможность проиллюстрировать предпочтительный вариант осуществления изобретения, в котором
Фиг.1 и 2 - показ блок-схем ортогонального реометра, уже упомянутых в параграфах выше,
Фиг.3 - показ вида в поперечном сечении одного примера монтажа реометра в соответствии с изобретением,
Фиг.4 - показ блок-схемы управляющих и измерительных элементов ортогонального реометра в соответствии с изобретением.
На Фиг.3 показано в соответствии с изобретением устройство измерения, в котором можно видеть верхний диск 10 и нижний диск 20, которые размещены в параллельных друг другу плоскостях и которые предназначены, чтобы удерживать подлежащий измерению образец E материала. Эти диски опираются на вращательные опоры, соответственно 11 и 21, которые приводятся во вращение посредством электрических двигателей, соответственно, 12 и 22.
1
1
2
2
Показывается, что будет особенно выгодно выровнять выходной ротор двигателя, вращательную опору и ось вращения диска вдоль одной и той же оси, то есть, соответственно, a a' для верхней сборочной единицы и a a' для нижней сборочной единицы.
Вращательные опоры 11 и 21 установлены соответственно на верхней платформе 15 и нижней платформе 26.
Верхняя платформа 15 скользит на стойке 31 в вертикальном направлении перпендикулярно к плоскости, образуемой диском 10. В поднятой позиции возможен доступ к дискам с тем, чтобы вставлять или удалять образец. В позиции измерения и в присутствии образца диски сводятся вместе, чтобы вызвать заранее установленное удерживающее давление на противоположные торцевые поверхности образца E с тем, чтобы диски были установлены на расстоянии e друг от друга. Будет отмечено, что это расстояние e, которое соответствует по существу толщине образца E, не требует являться калиброванным, и может быть оценено посредством подходящего средства во время измерения.
На практике будет предприниматься осторожность, чтобы препятствовать какому-либо скольжению торцевых поверхностей образца относительно дисков путем тщательного выбора режима механической обработки поверхности дисков, которые находятся в контакте с противоположными торцевыми поверхностями образца. В качестве примера, обработка резанием поверхности дисков, содержащей канавки алмазной резки (ромбовидные), дает хорошие результаты независимо от модулей используемых материалов. Эти предосторожности дают возможность уменьшить значение силы Fy, которая в вертикальном направлении прикладывается дисками к образцу.
1
1
2
2
Нижняя платформа 26 установлена на раме 25 с тем, чтобы иметь возможность быть перемещаемой горизонтально по оси XX' (не показано). Путем перемещения нижней платформы 26 в этом направлении относительно верхней платформы является возможным создавать смещение d между осями a a' и a a'. Это поступательное движение может регулироваться посредством механического кулачкового исполнительного механизма 27, или иначе посредством микрометрической таблицы. Сама рама 25 установлена на стойках 32 с тем, чтобы освободить нижнее пространство, которое требуется для размещения двигателя и нижней опоры.
Как было видно выше, управление двигателями является очень важным с тем, чтобы обеспечивать, что два диска вращаются строго с одинаковой скоростью. На Фиг.5 показана блок-схема управляющего средства, которое дает возможность получать такое функционирование.
Чтобы обеспечивать абсолютно синхронное вращение двигателей 12 и 22, предпочтительно будут выбраны двигатели, известные как шаговые двигатели.
Это происходит вследствие того, что данный тип техники дает возможность управлять двигателями одновременно без необходимости измерять разность по отношению к следящей величине, что имело бы эффект создания углового смещения между двумя дисками.
Эти двигатели снабжены управляющими блоками C1 и C2, которые управляются посредством импульсов. Каждый импульс вызывает поворот на один шаг, который задается на выходном валу двигателя. Чтобы обеспечивать высокий уровень точности, будут выбираться двигатели типа, которые вызывают поворот менее чем на 1° на один шаг, или на один импульс. Практически, хорошие результаты были получены с наличием двигателей, выполняющих 500 шагов за один оборот. Если один оборот представляет угол 360°, это является эквивалентным повороту на угол 0,72° на один импульс.
ой
На основании комбинированного питания на катушки, также является возможным управлять двигателем до 1/10 шага, что повышает точность управления с коэффициентом 10.
Подобным образом является важным, что два диска могут вращаться вместе абсолютно синхронным образом с тем, чтобы избежать вызова какого-либо паразитного скручивания образца. Для такого результата посылаются одинаковые последовательности импульсов на каждый из управляющих блоков Cl и C2, управляя этими двумя блоками посредством генератора O осциллирующих колебаний, частота генерации которого модулируется в виде функции требуемой скорости вращения ω.
Таким образом, является возможным вынудить эти два диска вращаться с одинаковой скоростью, действуя таким образом, чтобы два диска выполняли строго одинаковое угловое смещение в течение вращения. Таким образом, в любой заданный момент времени полное смещение вращения между двумя дисками меньше или равно углу в 0,25°. Это означает, что деформация кручения, налагаемая на образец дисками в результате смещения вращения между этими двумя дисками, в любое время не превышает угол в 0,25°, что может рассматриваться незначительным. Практически является возможным получать значения угла меньше 0,2°.
Одна конкретная проблема, которая подлежит решению, касается конфигураций запуска и прекращения работы, в течение которых значения моментов являются выше моментов, которые требуются в установившемся состоянии. Для этого результата будут выбираться двигатели, которые имеют номинальную мощность, которая на несколько порядков величины выше мощности, требуемой для приведения дисков во вращение, когда образец помещен в реометр для того, чтобы подлежать измерению.
Практически будут выбираться двигатели, которые имеют мощность, которая более чем в 3 раза выше мощности, требуемой, чтобы заставить диски вращаться в присутствии образца. Скорость вращения ω дисков, таким образом, может изменяться от остановленного положения до установившегося положения без создания какого-либо углового смещения между двумя дисками.
Также возможно регулировать смещение вращения между двумя дисками в течение этой стадии запуска посредством обеспечения, чтобы механические сборочные единицы для этих двух дисков были по существу идентичными. Таким образом, путем выбора двигателей 12 и 22 одинаковой модели и по существу равного веса, наряду с дисками 10, 20 и опорами 11 и 21, которые являются по существу идентичными, является возможным получить сборочные единицы весьма сходного веса и инерции. Таким образом, все аномалии управления имеют по существу одинаковое воздействие на каждый из дисков.
Скорость ω, с которой выполняется измерение, является стабилизированной на уровне, представительном для частот напряжения материала. Практически, возможно выполнять измерения со скоростями, которые могут изменяться от нескольких оборотов в минуту до 2500 оборотов в минуту или даже до 3000 оборотов в минуту в случае материалов, которые подвергаются напряжению с очень высокой частотой.
Как показано на Фиг.4, одна из осей предназначена, чтобы нести средство для измерения сил Fx и Fy, которые создаются образцом в виде реакции на налагаемые деформации, которым он подвергается. Такие средства измерения являются обычно датчиками деформаций (тензодатчиками). Средства измерения могут предусматриваться на оси либо верхнего диска, либо нижнего диска.
Также является возможным оснастить один из дисков датчиком, который дает возможность оценивать силу, прикладываемую к образцу в вертикальном направлении, и которая соответствует удерживающей силе, требуемой для того, чтобы удерживать упомянутый образец в течение измерения.
1
1
2
2
Знание значений параметров e и d получают во время измерения с помощью средства (23), которое дает возможность оценивать расстояние между этими двумя дисками, и средства (24), которое дает возможность оценивать смещение между осями a a' и a a'.
Таким образом, обеспечиваются значения параметров e и d, которые являются необходимыми для того, чтобы вычислить значение γ. Практически, в зависимости от толщины e образца E, значение d смещения между осями настраивается так, чтобы получать достаточно малое значение для отношений .
Значения G' и G" определяются путем вычислений с использованием алгоритмов и средств, которые являются известными, и которые не составляют часть предмета настоящего описания.
Образец должен быть подготовлен тщательно. Это происходит потому, что является важным, чтобы образец E имел постоянную толщину по его полному сечению. Значение (площади) сечения S для образца может быть определено с точностью посредством цифровой камеры.
Имея точность измерения, которую получают с помощью реометра в соответствии с изобретением, таким образом, возможно измерять образцы, которые имеют толщину лишь нескольких десятых долей мм, форма сечения S и толщина которых не требуют, чтобы были калиброваны заранее.
Подобным образом, когда желательно исследовать вязкоупругие материалы, такие как каучуки, становится возможным выполнять измерения на невулканизованном материале без деформирования последнего под воздействием его высокого уровня пластичности, вследствие низкой требуемой удерживающей силы, а также крайне высокой быстроты измерения. Это происходит потому, что могут быть достаточными несколько оборотов, чтобы получить значимые значения для модулей упругости и вязкости материала.