Прибры для измерения компрессионных свойств

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………....3

1. Методы измерений………………………………………………………….. 5

2 Классификация реометров……………………………………………………9

3 Приборы для измерения компрессионных свойств продуктов……………12

4 Заключение…………………………………………………………………….19

Список использованных источников…………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основные структурно-механические свойства пищевых материалов. Структурно-механические свойства по виду приложения силы (нагрузки, напряжения) к продукту, разделяют на три связанные между собой группы: сдвиговые, компрессионные и поверхностные.

К основным сдвиговым реологическим свойствам материалов относятся-предельное напряжение сдвига, эффективная вязкость, пластическая вязкость, период релаксации.

Они представляют группу свойств, которые наиболее полно отражают внутреннюю сущность материала (объекта) и поэтому их принято считать основными. С их помощью рассчитывают течение материалов в технологических трубопроводах, рабочих органах машин и аппаратов, определяют необходимые усилия для перемещения продукта. Кроме того, они позволяют судить о качестве продукта и степени его обработки, т.е. дают возможность обосновать оптимальные технологические и механические условия процесса, а приборное оснащение позволяет их контролировать и регулировать, обеспечивая постоянное и стабильное качество.

Компрессионные свойства используются для расчета рабочих органов машин и аппаратов и для оценки качества продукта, например, при растяжении – сжатии. К ним относятся коэффициент бокового давления, коэффициент Пуансона, модули упругости и д.р. Кроме того, ряд механических моделей, приведенных выше (Максвелла, Кельвина и д.р.) описывают поведение продукта при осевом или объемном деформировании.

Плотность, как одно из компрессионных свойств, является существенной характеристикой при расчете ряда машин и аппаратов и при оценке качества продукта. Среднюю плотность ρ, кг/м3, для сравнительно небольшого объема определяют из соотношения:

ρ = М / V,     (1.1)

где: М – масса продукта, кг;

V – объем продукта, м3.

Истинная плотность равна пределу отношения массы к объему, когда последний стремится к нулю.

Между плотностью ρ и удельным весом γ [Н/м3] существует простая зависимость:

γ = ρ ∙ g,      (1.2)

где: g – ускорение свободного падения, м/с2.

Плотность смеси из нескольких компонентов, когда они не вступают во взаимодействие, при котором меняется состав или объем смеси, можно вычислить по зависимости:

 или  ,  (1.3)

где: сi – концентрация одного из компонентов в смеси, кг на 1 кг смеси;

ρi – плотность компонента, кг/м3;

i – число компонентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Методы измерений

Совокупность объектов реологических исследований в пищевой промышленности охватывает широкий диапазон агрегатных состояний материалов, начиная от твёрдых тел и кончая маловязкими жидкостями. Это, а также разнообразие целей реологических исследований, требует применения исключительного разнообразия приборов, как по принципу действия, так и по конструктивным особенностям.

Методы физико-химической механики находят все большее применение в различных областях производства пищевых продуктов. Определение структурно-механических свойств (СМС) пищевых масс связано с необходимостью постоянного технологического контроля производства. Существенные отклонения СМС от принятых норм могут сказаться не только на снижении качества готовых изделий, но и на снижении производительности оборудования при проведении отдельных технологических процессов. Поэтому, основной задачей реометрии является определение изменений свойств материала, происходящих под влиянием тех или иных факторов.

Методы измерения СМС весьма многочисленны, что обусловлено с одной стороны, огромным разнообразием реальных жидкостей и дисперсных систем, а с другой стороны, широким кругом практических условий их течения.

По виду измеряемой величины реологические методы делятся на четыре группы (таблица 1). Эта классификация в определённой мере условна, так как некоторые приборы позволяют варьировать две величины при постоянной третьей.

Первые два метода получили наибольшее распространение, особенно в вискозиметрии

. Первый метод – метод  постоянной скорости сдвига  – реализуется обычно путём применения электромеханического или гидравлического привода. При этом сила сопротивления среды измеряется различными динамометрами.

Второй метод – метод постоянной нагрузки или – конструктивно значительно проще, так как скорость перемещения или вращения измерительного тела легко измерить обычным секундомером или записать на диаграммной ленте.

Таблица 1. Классификация методов измерения реологических

характеристик

Измеряемая величина	Постоянные величины	Пример прибора
Динамическая (сила, момент, напряжение)	Геометрические, кинематические	Вискозиметр "Reotest"; универсальный прибор ВНИИМПа; сдвигометр Симоняна
Кинематическая (время, скорость)	Динамические, геометрические	Вискозиметры: РВ – 8, Оствальда, Уббелоде, Гепплера
Геометрическая (длина, площадь, объём)	Динамические, кинематические (время)	Пенетрометры (конический пластометр КП – 3 и др.)
Энергия (мощность)	Геометрические, кинематические	Фаринограф Брабендера, прибор Большакова – Фомина; приборы, дающие диаграмму сила – расстояние

 

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. На приборах измеряют глубину погружения в материал индентора специальной формы при уменьшающейся скорости, которая в пределе достигает нуля.

Четвёртый метод позволяет по площади диаграммы, получаемой в координатах «сила – перемещение», определить энергию деформирования, а ордината на диаграмме показывает усилие. Кроме того, в приборах этой группы энергия может быть вычислена по мощности, если прибор снабжён самопишущим или показывающим ваттметром или счётчиком.

По классификации М.П. Воларовича реологические методы исследования и приборы можно разделить на интегральные, дающие возможность определять суммарный эффект течения, и на дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать деформацию во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении.

Дифференциальные методы позволяют наблюдать изменение поля напряжений и деформаций во времени при исследовании сложных случаев течения структурированных систем. При этом наблюдения могут вестись визуально, а также с помощью рентгеноскопии, микрокиносъемки и т. д. Дифференциальные методы позволяют получить лишь качественную характеристику исследуемого явления. Например, при исследовании течения вязкопластичного материала в зазоре между двумя цилиндрами М.П. Воларович с сотрудниками перед исследованием нанесли на поверхность материала алюминиевую пудру. При деформировании (при вращении внутреннего цилиндра) на поверхности материала четко обозначились две зоны: а) зона пластического течения; б) зона упругого состояния (рис 1).

Интегральные методы позволяют наблюдать суммарный эффект течения. В зависимости от условий исследования при помощи модельного анализа в каждом отдельном случае определяют число независимых характеристик механических свойств изучаемой системы, необходимых для решения поставленной задачи. Наиболее совершенными являются методы капиллярной и ротационной вискозиметрии, внедрения конуса, продольного смещения пластинки, а также шариковые вискозиметры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Классификация реометров

При планировании и организации реометрических исследований большое значение имеет классификация приборов и методов исследований. М. Рейнер делит реометры на три типа:

1. Приборы, на которых реализуется однородная деформация. Например, машины для испытания твердых тел на растяжение и сжатие.
2. Приборы ламинарного полуоднородного сдвига, обработка данных на которых вследствие неоднородного поля деформаций требуют интегрирования или дифференцирования эмпирических результатов. Это, например, ротационные и капиллярные вискозиметры.
3. Приборы, на которых реализуется ламинарное течение более сложного вида. Например, вискозиметры с падающим шариком.

Приборы для изучения реологических свойств по их физико-математической обоснованности можно подразделить на абсолютные, относительные и условные.

На приборах первой группы получают значения исследуемых характеристик в абсолютных единицах.

При работе на приборах второй группы осуществляют их предварительную тарировку на эталонных материалах, характеристики которых в условиях проведения опыта заведомо известны. В результате экспериментов получают относительные значения, которые с учетом тарировочных графиков легко пересчитываются в абсолютные.

На приборах третьей группы получают некоторые условные величины, характерные для данного прибора. Эти условные характеристики могут быть использованы для сравнения различных масс, а также для изучения влияния на испытуемые материалы технологических и других факторов в процессе производства. Условные показатели имеют лишь качественный характер и не могут быть использованы для расчета машин и оборудования.

Данные, полученные на приборах первых двух групп, являющихся теоретически обоснованными, могут быть применены, как для оценки качества пищевых продуктов, так и для расчета рабочих узлов машин и выбора оптимальных режимов их работы.

Условия, при которых проводятся исследования на производстве, а также используемые методы и приборы определяются поставленной задачей. В соответствии с этим приборы, предназначенные для измерения СМС пищевых материалов, могут быть разделены на четыре группы:

1. промышленные приборы, устанавливаемые непосредственно на технологических машинах и регистрирующие свойства масс в потоке;
2. лабораторные приборы массового назначения для проведения ускоренного контроля за ходом технологического процесса;
3. приборы, позволяющие проводить более углубленные испытания в лабораториях предприятий;
4. приборы, предназначенные для исследовательских целей, для измерения некоторых специфических физических свойств материалов.

При выборе метода исследования и приборов для определения реологических свойств какого-либо материала необходимо помнить об условиях, в которых последний находится в перерабатывающих машинах.

В некоторых случаях измерение реологических параметров одного продукта различными методами дает неодинаковые результаты. Это объясняется тем, что каждый метод измерения характеризуется определенными геометрическими, кинематическими и динамическими параметрами прибора и условиями проведения опыта. Указанные параметры и условия обусловлены теоретическими положениями, при разработке которых всегда вводятся определенные допущения. При научно обоснованной методике эксперимента измеряемые величины должны иметь одинаковые значения независимо от способов измерения и конструкции прибора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Приборы для измерения компрессионных свойств продуктов

Наряду со сдвигом, объемное или осевое сжатие, а также осевое растяжение являются основными типами механической деформации продуктов. В ряде машин, как-то волчках, шприцах, дозировочно-формующих, прессах, дозаторах и др., продукты находятся при повышенных давлениях, что изменяет их первоначальный объем и плотность. На выходе из машины объем и плотность также могут отличаться от первоначальных. Эти изменения в продукте определяют, основываясь на компрессионных характеристиках.

Основными методами измерения (рис. 2) компрессионных характеристик продуктов являются: осевое сжатие (а), осевое растяжение (б), одностороннее объемное сжатие (в) и двухстороннее объемное сжатие.

а) б) в)

Рис. 2 Методы измерения компрессионных свойств продуктов.

Прибор для измерения компрессионных характеристик продуктов (рис. 3). Прибор предназначен для определения деформационных свойств продуктов при осевом сжатии.

Прибор состоит из корпуса (1), состоящего из нижней и верхней частей. Внутри верхней части установлен выдвижной столик (2), на котором расположена в фиксированном положении на призмах тензометрическая балка (3), с закрепленными на ней тензодатчиками (4). На тензометрической балке в средней ее части жестко закреплена бобышка для установки и крепления нижней пластины (5). Верхняя и нижняя пластины (5) могут быть выполнены из одного или разного материала. Подвижная штанга-гайка (6) получает возвратно-поступательное равномерное движение от винта (7), жестко соединенного с электродвигателем (9) через редуктор и ступенчатый вариатор, позволяющий создавать различные скорости движения штанги-гайки. В нижней части штанги-гайки крепится пластина-поперечина (10), служащая опорой для ножки индикатора, и верхняя рабочая пластина (5). На корпусе прибора установлены включатель и переключатель реверса. Прибор снабжен комплектом круглых пластин разного диаметра площадью 5, 7, 10, 15 см2.

Рис. 3 Прибор для измерения компрессионных характеристик продуктов

Перед началом испытаний прибор тарируют с помощью стандартных грузов. Для этого выдвигают столик и на нижнюю пластину поочередно устанавливают стандартные грузы. С помощью тензодатчиков на шлейфовом осциллографе отмечают значения прогиба тензобалки конкретному значению груза. После тарировки передвижной столик вкатывают назад. Затем между пластинами помещают образец продукта, верхнюю пластину подводят к образцу без нагрузки и устанавливают «зайчик» осциллографа на нуль при помощи скользящего реохорда моста. Во время испытания при включенном приводе механизма опускания-подъема пластины записывают напряжение-время. После этого привод выключают и записывают нисходящую ветвь кривой релаксации напряжений. По окончании испытаний «зайчик» осциллографа вновь устанавливают на нуль, если произошло его смещение. Испытания повторяют при различной скорости деформации образцов. Образцы продукта подготавливают вырезанием, либо формовкой в цилиндре. Погрешность прибора составляет ±3 %. Прибор также может использоваться для определения липкости продуктов.