Классификация приборов для измерения структурно-механических свойств
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ СРЕД В МАШИНАХ
Переработка различных пищевых сред сопровождается сложными физико-химическими, биохимичекими и механическими процессами. Изучение этих процессов позволит разработать рациональные конструкции оборудования и оптимальные режимы переработки пищевых сред, а также организовать эффективный и объективный контроль качества и управление технологическим циклом.
Структурно-механические свойства пищевых сред положены в основу расчета механических и гидромеханических процессов, протекающих в машинах и аппаратах. Для глубокого изучения физики явлений, происходящих при обработке пищевых сред, необходимо сделать правильный выбор методов и средств контроля структурно-механических свойств.
Определение реологических свойств пищевых масс связано с необходимостью повседневного технологического контроля производства. В зависимости от условий проведения технологического процесса или исследования, агрегатного состояния вещества, температуры среды, давления и многих других факторов для определения структурно-механических свойств могут использоваться различные методы и приборы.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ СРЕД В МАШИНАХ
Переработка различных пищевых сред сопровождается сложными физико-химическими, биохимичекими и механическими процессами. Изучение этих процессов позволит разработать рациональные конструкции оборудования и оптимальные режимы переработки пищевых сред, а также организовать эффективный и объективный контроль качества и управление технологическим циклом.
Структурно-механические свойства пищевых сред положены в основу расчета механических и гидромеханических процессов, протекающих в машинах и аппаратах. Для глубокого изучения физики явлений, происходящих при обработке пищевых сред, необходимо сделать правильный выбор методов и средств контроля структурно-механических свойств.
Определение реологических свойств пищевых масс связано с необходимостью повседневного технологического контроля производства. В зависимости от условий проведения технологического процесса или исследования, агрегатного состояния вещества, температуры среды, давления и многих других факторов для определения структурно-механических свойств могут использоваться различные методы и приборы.
Классификация приборов для измерения структурно-механических свойств
В настоящее время для определения структурно-механических свойств пищевых сред применяются приборы различных типов (рис. 7.1). Они классифицируются следующим образом: в зависимости от состояния исследуемого пищевого продукта; от условия проведения эксперимента; по физико-математической обоснованности; по назначению и конструкции; по однородности поля напряжений и деформаций.
В зависимости от состояния исследуемого пищевого продукта (твердо- или жидкообразное) приборы для измерения свойств подразделяют на два вида, однако в ряде случаев одни и те же приборы (например, ротационные) пригодны для изучения свойств обеих групп продуктов. Кроме того, учитывая условия при которых проводятся измерения свойств, приборы могут быть разделены на четыре группы:
• промышленные приборы (вискозиметры, консистометры), устанавливаемые непосредственно на технологических машинах и регистрирующие свойства масс в потоке;
• лабораторные приборы (пенетрометры, пластографы, амилографы и др.) массового назначения для проведения ускоренного контроля за ходом технологического процесса;
• приборы (вискозиметры РВ-8 и ≪ Реотест≫, конические пластометры, экстенсографы, фаринографы, адгезиометры и др.), позволяющие проводить более углубленные испытания в лабораториях предприятий;
• приборы (вибровискозиметры), предназначенные для исследовательских целей, для измерения некоторых специфических физических свойств материалов.
По физико-математической обоснованности принципа работы приборы для измерения реологических свойств любых продуктов подразделяют на три группы:
• абсолютные;
• относительные;
• условные.
Приборы первой группы позволяют получить численное значение свойств в абсолютной системе сил, основываясь на геометрических размерах рабочего органа и условиях проведения опыта.
Приборы второй группы требуют предварительной тарировки на эталонном образце, в результате получают относительные показатели, которые легко пересчитать в абсолютные значения. Данные, полученные на этих приборах, объективны, их можно использовать для расчета рабочих узлов машин и аппаратов и для оценки качества продукта.
На приборах третьей группы получают некоторые условные величины. Значения измеряемых величин, полученные на этих приборах, непригодны для расчетов машин и оборудования, их используют для сравнения каких-либо качественных показателей, а также для изучения влияния технологических и других факторов в процессе производства на испытуемые материалы.
Приборы могут быть:
• интегральные, дающие возможность определять суммарный эффект течения;
• дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать распределение скорости и деформации во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении.
Разделение приборов для измерения стрктурно-механических свойств пищевых сред на интегральные и дифференциальные является условным, так как зависит от их назначения и конструкции.
Рис. 7.1. Классификация приборов для определений структурно-механических свойств пищевых сред
В измерительной технике также выделяются приборы с однородным и неоднородным полем напряжений и деформаций. Однородное поле напряжений может быть получено для образцов малого сечения при
приложении к ним напряжений одного вида. Несоблюдение этих условий приводит к неоднородному полю напряжений и деформаций.
К интегральным приборам с однородным полем напряжений относятся ротационные вискозиметры четырех видов: цилиндрические, дисковые, биконические и конус-плоскость; приборы с поступательным пе-
редвижением рабочего органа.
Наиболее широкое распространение нашли ротационные вискозиметры. Главное их преимущество в том, что свойства масс определяются после предварительной механической обработки, т. е. как бы в условиях, в которых материал находится в перерабатывающей машине. В цилиндрических и биконических приборах скорость сдвига принимается одинаковой во всех точках деформируемого материала, что позволяет при изменении скорости выяснить ее зависимость от величины напряжения, т. е. получить кривые течения.
При сравнительно малых скоростях сдвига и величинах деформаций применяются приборы с поступательным перемещением: вертикальной пластины, вытаскиваемой продольно из сосуда с исследуемой пи-
щевой средой; рифленого цилиндра, перемещаемого вдоль оси, когда снаружи находится материал; горизонтальной пластины, сдвигаемой тангенциально на кубике из испытуемого вещества.
К интегральным приборам с неоднородным полем напряжений относятся капиллярные вискозиметры, конические пластомегры, приборы, основанные на методе падения шарика в трубе и приборы основанные
на методе колебаний.
Для исследования веществ с малой вязкостью наиболее широкое распространение получили капиллярные вискозиметры, хотя в некоторых случаях они могут использоваться и для изучения свойств пищевых
сред с высокой вязкостью.
На капиллярных и ротационных вискозиметрах экспериментально осуществляются принципиально различные типы течения. В капиллярных вискозиметрах измерения проводят в существенно неоднородном
поле скоростей деформаций и напряжений, причем время пребывания среды в капиллярах является ограниченным. В ротационных же приборах, напротив, течение происходит в поле напряжений высокой сте-
пени однородности.
К дифференциальным приборам относятся ротационные вискозиметры, в которых на торце ротора можно наблюдать распределение скоростей в массе испытуемого вещества и капиллярные вискозиметры, в которых можно наблюдать изменение скоростей течения материала в трубах. В этих приборах хорошо заметна граница между зонами пластической и упругой деформаций.
Следует отметить, что представленная классификация не имеет четкого разграничения всех приборов по указанным группам, так как одни и те же приборы могут с успехом использоваться в различных условиях.
Например, ротационные приборы пригодны для изучения свойств, как твердообразных продуктов, так и жидкообразных, а вискозиметр РВ-8 применяется как в заводских, так и исследовательских лабораториях.
Классификация методов измерения структурно-механических свойств. Наиболее простой метод изучения структурно-механических свойств пищевых сред заключается в построении кривых кинетики деформации. По
этим кривым можно найти семь независимых друг от друга деформационных характеристик материала: модули мгновенной упругости и упругого последействия; вязкости — релаксационную (течения) и упругого последей-
ствия; пределы упругости, текучести и прочности. Величина предела прочности не является инвариантной, так как зависит от механического режима деформирования. Перечисленные константы позволяют объединить деформационное поведение материала и достаточно полно характеризовать их структурно- механические свойства. Получение таких характеристик возможно в процессе изучения реологических свойств пищевых сред, т. е.
при изучении процесса их течения под действием постоянного напряжения.
Приборы для измерения значений каждой группы свойств (сдвиговых, компрессионных и поверхностных) имеют свою специфику. Однако общими будут следующие (не считая температуры и технологических характе-
ристик) четыре переменные:
1) сила, момент или напряжение;
2) расстояние, деформация, площадь или объем;
3) время, скорость деформации или линейная скорость;
4) энергия.
В соответствии с этим по виду измеряемой величины проведена классификация методов измерения структурно-механических свойств (табл. 7.1). Эта классификация в определенной мере условна, так как не-
которые приборы позволяют измерять две величины при постоянной третьей.
Таблица 7.1- Классификация методов измерения структурно-механических свойств
| Измеряемая величина | Постоянные величины | Пример прибора |
| 1. Динамическая (сила, момент, напряжение). | Геометрические, кинематические | Вискозиметр «Реотест» |
| 2. Кинематическая (время, скорость). | Динамические, геометрические | Вискозиметры: РВ-8, Оствальда, Гепплера |
| 3. Геометрическая (длина, пло- щадь, объем). | Динамические, кинематические (время) | Пенетрометры, пластометры |
| 4. Энергия (мощность) | Геометрические, кинематические | Форинограф |
Первые два метода получили наибольшее распространение, особенно в вискозиметрии.
Первый метод— постоянной скорости сдвига— реализуется обычно путем применения электромеханического или гидравлического привода, сила измеряется различными динамометрами.
Второй метод — метод постоянной нагрузки — конструктивно значительно проще, так как скорость перемещения или вращения легко измерить обычным секундомером или записать на диаграммной ленте.
При третьем методе измерения постоянная сила нагружения обусловлена неизменной массой подвижной части прибора, время измерения обычно постоянно (180...300 с) и принимается несколько больше, чем
период релаксации. В приборах измеряют глубину погружения при уменьшающейся скорости, которая в пределе достигает нуля.
Четвертый метод позволяет по площади диаграммы определить энергию деформирования, а ордината на диаграмме показывает усилие.