Методология, классификация методов и приборов для измерения структурно-механических свойств пищевых масс

При таком методе основными  характеристиками механических свойств  структуры являются указанные напряжения и соответствующие деформации, по которым рассчитывают вязкость и модули упругости сдвига.

Третий способ измерений  структурно-механических свойств структуры менее распространен, чем два первых.   В этом случае на предельно возможных больших скоростях создают постоянную величину деформации испытуемого образца и измеряют первоначальное и уменьшающееся во времени выдержки напряжение деформированной структуры.

Перечисленные методы измерений  структурно-механических характеристик  пищевых продуктов могут быть использованы для измерений деформаций не только сдвига, но и сжатия, растяжения. Чаще всего они реализуются при  измерениях деформаций сдвига.

Для исследований, требующих  большой производительности и точности измерений, предпочтительны приборы  с автоматической записью параметров, которые дают показания на шкале  регистрирующего прибора (гальванометра, потенциометра, осциллографа и др.), градуированного на заданный показатель (вязкость и т.п.).

Укрупненная классификация  применяемых приборов, предназначенных  для исследования описанных выше структурно-механических свойств и  текстуры исходного сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов, предложенная   А.В. Горбатовым и Ю.А. Мачихиным и  переработанная с учетом специфики  их выбора для определения основных реологических показателей выпускаемой  в молочной отрасли промышленности продукции представлена в табл. 3..

Таблица 5.

Реометры, используемые для исследования молочных продуктов

Реометры	Вид нагружения (течения)	Измеряемая величина	Исследуемые      продукты
Вискозиметры: капиллярные   ротационные шариковые колебательные	Одномерное  сдвиговое течение  То же  Течение Стокса  Одномерное и  двухмерное  сдвиговое течение	Коэффициенты динамической эффективной  и пластической вязкости, индекс течения, а также параметры текстуры	Молоко, сливки, пахта, сыворотка, кефир, простокваша, йогурт, сметана, творог, творожные изделия, сливочное масло, мороженое
Пенетрометры	Многомерное пенетрационное течение	Предельное  напряжение сдвига, параметры текстуры	Творог, творожные изделия, сливочное масло, мороженое, сыр
Компрессионные  приборы	Сжатие  образца	Предел  прочности при сжатии, объемная вязкость, модули упругости, периоды релаксации, параметры текстуры	Сливочное масло, мороженое, сыр
Универсальные приборы типа  «Инстрон»	Растяжение, сжатие, изгиб, сдвиг и другие простейшие виды нагружения исследуемого продукта	Прочностные характеристики, параметры текстуры	То же
Трибомеры	Сдвиг	Фрикционные характеристики	Сыр
Адгезиометры	Отрыв контактирующего элемента от поверхности  исследуемого материала	Адгезионные характеристики	Молоко, сливки, пахта, молочная сыворотка, кефир, простокваша, йогурт, сметана, творог, творожные изделия, сливочное масло, мороженое

 

 

Приборы для измерения  сдвиговых свойств пищевых продуктов                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

 

Сдвиговые свойства измеряют приборами, позволяющими определить силу сопротивления внутри материала  при относительном смещении его  слоев.

 Наиболее важные сдвиговые  свойства – предельное напряжение  сдвига и вязкость (пластическая, эффективная и пр.). Сдвиговые  свойства проявляются при касательном  смещении слоев продукта, который  может представлять собой жидко-  или твердообразную систему, а  также «твердое» тело, т.е. неразрушенную  среду (например, сыр и пр.) Приборы  для измерения сдвиговых свойств  по принципу действия делят  на следующие группы: ротационные  вискозиметры, капиллярные и с  падающим шариком, вибрационные, акустические вискозиметры, конические  пластометры, сдвигомеры и др.

 

 РОТАЦИОННЫЕ ВИСКОЗИМЕТРЫ

 

 В настоящее время  конструкций ротационных вискозиметров  насчитывается несколько сотен,  которые можно разделить на  две основные группы. К первой  группе относятся приборы, имеющие постоянный момент вращения ротора при переменной частоте вращения. Вторую группу составляют приборы, имеющие постоянную частоту вращения ротора при переменном вращающем моменте

Широкое распространение  для измерения вязкости жидкостей  получили ротационные приборы, основанные на измерении моментов сопротивления  или крутящих моментов, передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному  элементу, которые являются функцией вязкости жидкости. Чаще других применяются  приборы с коаксиальными цилиндрами, вращающимися телами и вращающимися параллельными дисками, погружаемыми в анализируемую жидкость. При  вращении тела в вязкой жидкости возникает  противодействующий момент, обусловленный  вязкостным сопротивлением этой жидкости. Если вращение происходит с постоянной скоростью, то этот момент равен крутящему и пропорционален динамической вязкости, т.е.:

М = С

,                                             

где   М – момент силы, Н·м; С – момент сопротивления, м³; – угловая скорость, 1/с;  μ – динамическая вязкость, Па·с.

 

 

Рис.4. –   Схема рабочей головки с торсионом ротационного вискозиметра   В.П. Павлова

Вращение от синхронного  электродвигателя передается внутреннему  ротору 1 вискозиметра. В зазор шириной 0,25 мм, образованный ротором и внешним  цилиндром 3, подается при помощи ручного  пресса 2 исследуемая масса. Цилиндр 3 посредством шестерни 4 связан с  торсионным проволочным подвесом 5; напряжение создаваемое крутящим моментом, уравновешивает напряжение, возникающее в деформируемом материале. Перед испытанием образец темперируется в водяном термостате 6, соединенным с ультратермостатом. Градиент  скорости сдвига в описываемом приборе может изменяться от 0,4 с^-1 до 3000 с^-1. Прибор В.П. Павлова можно без особых затруднений усовершенствовать для измерения упруго-эластичных модулей при малых градиентах скорости деформации, так как у него имеется торсионный подвес.

 

 

 

Рис.  5.–  Принципиальные схемы ротационных вискозиметров

Ротационный вискозиметр  «Реотест» состоит из четырех основных узлов: станины с синхронным электроприводом, блока многоступенчатого редуктора с переключателем скоростей и измерительного блока, которые объединены в общем корпусе, и измерительной головки, состоящей из четырех сменных цилиндрических роторов, двух сменных стаканов со съемным дном и водяной бани.

 

Рис. 6. –  Вискозиметр «Реотест RV»:

1- станина; 2 - внутренний  цилиндр;  3-наружный цилиндр; 4 - ведомый  вал; 5 - спиральная пружина; 6 - ведущий  вал; 7 - измеритель частоты; 8 - измеритель  крутящего момента; 9 - указатель   скорости вращения 

 

В полностью укомплектованный стенд для проведения исследований помимо прибора входят ультратермостат и самопишущий логометр. У вискозиметра «Реотест» высота продукта всегда постоянна, во время опыта меняют не крутящий момент, а частоту вращения ротора.

КАПИЛЛЯРНЫЕ   ВИСКОЗИМЕТРЫ

 

Вязкость ньютоновских и жидкообразных систем измеряют преимущественно капиллярными и шариковыми вискозиметрами. Теоретически приборы обоснованы. Более универсальными считаются капиллярные, так как они дают возможность исследовать аномалию вязкости,  меняя давление истечения, т.е. получить зависимости γ(θ). Общим для этих вискозиметров является наличие капилляра, устройства для измерения расхода или объема жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. Под термином капилляр подразумевают прямые трубки диаметром от долей миллиметров до 2-3 мм. Получаемые результаты, как правило, инвариантны, т.е. не зависят от диаметра трубки. Для неньютоновских жидкостей с более высокой вязкостью и пластично-вязких систем  диаметр капилляра может достигать нескольких десятков миллиметров, а результаты измерений часто зависят от диаметра, т.е неинвариантны. Диаметр капилляра входит в теоретически полученные формулы для соответствующих моделей тел.                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Шариковыми вискозиметрами измеряют эффективную вязкость. Эти  приборы относятся к интегральным с неоднородными полями скоростей деформаций.

Капиллярные вискозиметры, или вискозиметры истечения, получили широкое распространение в лабораторной практике благодаря высокой точности, широкому диапазону измерений и  сравнительной простоте. В последние  годы появились капиллярные вискозиметры, предназначенные также для автоматического  контроля и регулирования вязкости ньютоновских и жидкообразных систем в ходе технологических процессов.

При измерении вязкости жидкостей  следует иметь в виду значительное влияние на нее температуры, что  требует введения соответствующих  поправок.

Капиллярные вискозиметры Оствальда и Уббелоде (рис. 7.а, б) представляют собой U – образные вертикально установленные трубки,  в одно колено которых впаян капилляр.  Различие между ними заключается в следующем:  у вискозиметра Оствальда определенное количество жидкости из левого резервуара от метки А до В перетекает в правый за счет гидростатического давления.

В вискозиметре Уббелоде для истечения жидкости необходимо в одном колене создать давление или вакуум, это предопределяет его использование для исследования жидкообразных продуктов. Чтобы поддержать любую, заранее заданную температуру исследуемой жидкости, вискозиметры помещают в водяную баню или термостат. Таким образом, измерение вязкости сводится к измерению перепада давления между концами капиллярной трубки, через которую протекает анализируемая жидкость.

Рис.7– Капиллярные вискозиметры:

а - Оствальда; б – Уббелоде: 1- шарик для измерения объема протекающей через капилляр жидкости; 2 - капилляр; 3 - шарик для сбора жидкости для пластично-вязких (неньютоновских) продуктов. в - горизонтальный вискозиметр с двумя параллельно работающими капиллярами: 1- широкая трубка; 2 - капилляр; 3 - водяная рубашка

СДВИГОМЕРЫ

Приборы для измерения  деформации сдвига подразделяются на три основные группы в зависимости  от формы пространства (зазора), в  котором осуществляется деформация. По этому принципу чаще всего различают  приборы с плоскопараллельным зазором, кольцевым коаксиальным зазором  и, приборы, имеющие цилиндрическую форму узкой трубки или капилляра. Для того, чтобы получить более точные результаты измерений, приборы каждой из этих трех групп конструируют с минимально возможной шириной зазора или с минимальным диаметром зазора. Это делается для того, чтобы при испытаниях получить малые отклонения скорости деформаций и возникающих напряжений деформируемого материала по ширине или диаметру зазора. Структуры достаточно высокой вязкости трудно подать в узкий зазор. Такие структуры при подаче их в зазор могут разрушаться, теряя первоначальные механические свойства. В излишне широких зазорах напряжения создаются неоднородные, кроме того, сдвиг может не распространиться на всю ширину зазора. В этом случае необходимо определить максимально допустимую ширину зазора. Иначе безразмерная деформация (или тангенс угла сдвига) будет определена неправильно. Правильное определение данного параметра достигается постепенным увеличением ширины зазора до момента стабилизации скорости деформации сдвига, которая в начале увеличивается.  

В приборах с кольцевым  коаксиальным зазором неоднородность сдвига усиливается различными окружными  скоростями его внутреннего и  внешнего слоя. В приборах этого типа подобный недостаток устраняют, создавая такое отношение ширины зазора к его среднему радиусу, которое не превышало бы 1-2 %. В капиллярных пласто-вискозиметрах постоянство напряжений и скоростей деформаций сдвига обеспечивают специальными приспособлениями. Для того чтобы получить ламинарный поток, создают достаточно длинный капилляр, превышающий размер его диаметра, по крайней мере, в 5-10 раз.