УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Устройство относится к технике для определения деформационных кривых течения и исследования структурно-механических свойств структурированных дисперсных систем, при воздействии на них физических полей, а именно ультразвукового поля, и может быть использовано в лабораторной и заводской практике для проведения исследований и испытаний.
Известно устройство, содержащее измерительную ячейку в виде двух коаксиально установленных цилиндров, механизм вертикального перемещения внутреннего цилиндра относительно наружного под действием приложенной сдвигающей силы и датчика перемещения [Урьев Н.Б., Талесник М.А. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс. М., Пищевая промышленность 1976 г. стр.89]. Недостатком данного устройства является низкая воспроизводимость результатов параллельных измерений (разброс значений до 20%) в виду сложности выставления равномерного зазора (т.е. обеспечения коаксиальной установки цилиндров) между цилиндрами (не более 0,1 мм) [Урьев Н.Б., Талесник М.А. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс. М., Пищевая промышленность 1976 г., стр.64] при работе с высококонцентрированными массами. Кроме того, данное устройство не предназначено для определения реологических характеристик структурированных дисперсий при воздействии на них ультразвуком (частота свыше 16000 Гц).
Известен капиллярный вискозиметр, содержащий корпус, выполненный в виде волновода, сменный капилляр и нагружающее устройство [SU 1035473, 15,08.83]. Однако в данном устройстве достигаемый технический результат не предусматривает определение структурно-механических характеристик дисперсных масс (пластической прочности, модулей упругости, пределов текучести и др.)
Наиболее близким решением к заявляемому является вискозиметр с коаксиальными продольно смещающими цилиндрами, содержащий измерительную ячейку в виде двух коаксиально установленных цилиндров, механизма вертикального перемещения внутреннего цилиндра относительно наружного под действием приложенной сдвигающей силы и датчика перемещения [Урьев Н.Б., Талесник М.А. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс. М., Пищевая промышленность., 1976 г., стр.89].
Однако данное устройство не позволяет определять структурно-механические характеристики структурированных масс при воздействии на них ультразвуком, поскольку конструктивно не предусмотрена возможность работы устройства в таких условиях.
Заявляемое устройство решает задачу расширение функциональных возможностей устройств с коаксиально установленными цилиндрами при определении структурно-механических характеристик структурированных дисперсий.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном устройстве содержащее установленные коаксиально наружный и внутренний цилиндры, механизм вертикального перемещения для обеспечения последовательного нагружения и снятия нагрузки с внутреннего цилиндра, по крайней мере, один из цилиндров выполнен в виде волновода и дополнительно оснащен ультразвуковым преобразователем, подключенным к ультразвуковому генератору.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройств с коаксиально установленными цилиндрами при определении структурно-механических характеристик дисперсных систем, в том числе, при ультразвуковом воздействии на них в измерительной ячейке устройства.
На фиг.1, 2 представлены принципиальные схемы предлагаемого устройства. В зависимости от исполнения возможны следующие варианты:
Вариант 1.
Устройство включает измерительную ячейку и механизм вертикального перемещения внутреннего цилиндра. Измерительная ячейка смонтирована на столике 1 и состоит из двух коаксиальных цилиндров: наружного 2 и внутреннего 3. Оба цилиндра выполнены с поперечными к продольной оси рифлениями на цилиндрической поверхности. При этом как наружный, так и внутренний цилиндры выполнены в виде волноводов и жестко закреплены на магнитострикционных преобразователях 4, 5 подключенных к ультразвуковому генератору (на Фиг. не показан). Кроме того, внутренний цилиндр выполнен с возможностью перемещения относительно наружного под действием сдвигающей силы, прикладываемой к нему посредством механизма вертикального перемещения, включающего установленный на стойке 6, блок 7 и подвеску для грузов 8.
Вариант 2.
В данном исполнении отличие от варианта 1 в том, что только внутренний цилиндр выполнен в виде волновода и жестко закреплен на магнитострикционном преобразователе 5, подключенном к ультразвуковому генератору (на Фиг. не показан).
Вариант 3.
В данном исполнении отличие от варианта 1 в том, что только наружный цилиндр выполнен в виде волновода и жестко закреплен на магнитострикционном преобразователе 4, подключенном к ультразвуковому генератору (на Фиг. не показан).
Вариант 4 (Фиг.2)
В этом исполнении торцевая поверхность внутреннего цилиндра выполнена в виде конуса, вершина которого находится на продольной оси данного цилиндра, а наружный цилиндр имеет сквозное отверстие, ось которого совпадает с продольной осью этого цилиндра. Остальное исполнение по одному из вариантов 1-3.
Работа устройства при любом варианте исполнения идентична и происходит следующим образом.
Порцию испытуемого материала загружают в рабочую полость наружного цилиндра 2. После чего внутренний цилиндр 3 опускают в крайнее нижнее положение. Объем исследуемой порции подбирается таким образом, чтобы зазор между цилиндрами был полностью заполнен. Излишки массы срезают вровень с краями цилиндров. При исполнении по варианту 4 внутренний цилиндр 3 в крайнее нижнем положении фиксируют с помощью конуса в отверстии днища наружного цилиндра. Фиксация внутреннего цилиндра относительно наружного обеспечивает равномерный зазор между цилиндрами (5±0.05), что положительно сказывается на точности измерений.
К внутреннему цилиндру присоединяют подвеску 8 с начальным грузом, уравновешивающим его вес. После этого включают ультразвуковой генератор и проводят обработку материала в течение заданного времени.
Затем дают первую рабочую нагрузку и одновременно включают секундомер. Деформацию отсчитывают по истечении 1,5, 10, 15, 20, 30, 45, 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15 мин. Затем нагрузку снимают. Обратную деформацию после снятия нагрузки отсчитывают в течение 3-5 мин.
через такие же интервалы времени. Последовательные нагружения и снятия нагрузки осуществляют до разрушения образца. Постепенно возрастающие с каждым нагруженном веса груза подбирают так, чтобы получить не менее шести нагружений.
Когда испытание необходимо проводить при строгом регулировании температуры (например, термопластичные массы) перед ультразвуковой обработкой проводят термостатирование материала. В этом случае измерительную ячейку помещают в термостат. Продолжительность выдержки при заданной температуре перед началом испытаний должна быть не менее 15 мин.
Обработку результатов и расчет структурно-механических и реологических характеристик проводят по методике, изложенной в [Урьев Н.Б., Талесник М.А. Физико-химическая механика и интенсификация образования пищевых масс. М., Пищевая промышленность 1976 г. стр.89].
Для проверки применимости заявляемого изобретения был изготовлен опытный образец устройства для определения структурно-механических и реологических характеристик, в котором наружный цилиндр был выполнен в виде продольно-поперечного волновода.
Результаты испытаний опытного образца устройства, проведенные на термопластичных шликерах из оксидов бериллия и пластических массах из оксида алюминия на водноорганической связке, показали его работоспособность. В качестве источника питания и преобразователя использовали серийный ультразвуковой генератор УЗГ 1,6-13 и магнитострикционный преобразователь ПМС 15-18. Результаты испытаний опытного образца устройства, проведенные на термопластичных шликерах из оксидов бериллия и алюминия, показали его работоспособность. По точности измерения вновь разработанный прибор не уступает прототипу.
В отличие от прототипа, где определение структурно-механических характеристик проводят только в обычных условиях (т.е. без ультразвуковых воздействий на материал), предлагаемое техническое решение позволяет определять характеристики структурированных дисперсий как при воздействии на них ультразвуком, так и без такого воздействия, т.е. к преимуществам предлагаемого устройства следует отнести его расширенные по сравнению с прототипом функциональные возможности.