Методы и приборы для измерения сдвиговых характеристик
Сдвиговые свойства проявляются, как известно, при касательном смещении слоев продукта.
Приборы для измерения сдвиговых свойств по принципу действия подразделяют на следующие группы: ротационные и капиллярные вискозиметры, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и др.
Ротационные вискозиметры
Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили коаксиальноцилиндрические комбинированные поверхности для измерения характеристик вязких и пластично-вязких продуктов (мясной фарш, тесто, конфетные массы, помады и др.).
На рис. 3.1 показана принципиальная схема ротационного вискозиметра, рабочий орган которого имеет одну геометрическую форму в виде коаксиальных цилиндров.
На рис. 3.2. представлены схемы ротационных вискозиметров, рабочий орган которых комбинирован: цилиндр-полусфера (а) или цилиндр-конус-диск (б).
Между рабочими поверхностями находится исследуемый продукт, сила сопротивления внутри которого при вращении одной из поверхностей измеряется.
Известны два основных принципа действия приборов с коаксиальными цилиндрами.
В первом случае испытуемое вещество помещается в цилиндр, приводимый в равномерное вращательное движение. Подвешенный на упругой нити второй цилиндр находится коаксиально с первым. Вязкость вычисляется по величине скорости вращения первого цилиндра и по углу поворота второго цилиндра от его первоначального положения. Этот метод применяется для исследования жидкостей и газов.
Во втором варианте внешний цилиндр неподвижен, внутренний крепится на оси, вмонтированной для уменьшения трения в шариковых подшипниках, и приводится во вращение с помощью падающего груза. Экспериментально получают зависимость крутящих моментов от угловой скорости вращения измерительной поверхности.
При исследовании пищевых масс часто применяют ротационные вискозиметры РВ-4, РВ-7, РВ-8, разработанные М. П. Воларовичем. В этих приборах используется второй вариант привода от падающих грузов (рис. 3.3).
Для случая, когда сдвиг распространяется на всю толщину исследуемой массы, заключенной между двумя цилиндрами, М. П. Воларовичем предложены формулы для определения эффективной вязкости нЭф (Па х с) и предельного напряжения сдвига 9 (Па):
где К и К0 — константы прибора, зависящие от геометрических размеров и высоты, на которую загружается исследуемый продукт, m1 с-2;
М — масса вращающих ротор грузов, кг;
N — частота вращения ротора, об/с;
М0 — масса грузов, при которой начинается сдвиг, кг.
Капиллярные вискозиметры
Эти приборы используются для определения вязкости бульона, топленых жиров, крови, растительных масел.
Наибольшее распространение и применение получили вискозиметры Оствальда, Убеллоде (рис. 3.4).
Капиллярные вискозиметры представляют собой [/-образные трубки, в одно из колен которых помещен капилляр.
В приборе Убеллоде для истечения жидкости необходимо в одном из колен принудительно создавать давление или вакуум, в то время как в приборе Оствальда перетекание жидкости из одного колена в другое происходит за счет гидростатического давления.
Вискозиметр Оствальда используют как относительный прибор. Расчет производят по формуле
где Kt — водная константа прибора при t измерения, м2/с2; р — плотность жидкости при температуре заливки, кг/м3; т — время истечения, с.
Пенетрометры
Пенетрометры различных модификаций производства Венгрии, Германии, России предназначены для качественного и быстрого измерения как в лабораториях, так и в производственных условиях. Они широко применяются для испытаний в нефтеперерабатывающей, косметической, пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Принцип действия пенетрометров заключается в том, что прибор автоматически измеряет степень пенетрации, т. е. выраженное в 0,1 мм расстояние, на которое индентор (игла или конус) проникает в испытуемый материал перпендикулярно его поверхности при температуре 20°С в течение 5 с.
На рис. 3.5. представлены пенетрометры фирмы "Labor" (Венгрия).
Автоматические пенетрометры ОВ-204, ОВ-205, ОВ-202 имеют реле времени и тормозной механизм.
Арматура автоматического пенетрометра расположена в корпусе (1) из алюминиевого литья, установленном на трех регулируемых установочных винтах (2), с помощью которых, а также уровнемера (5) прибор устанавливается в горизонтальное положение.
До включения прибора в сеть необходимо сетевую колодку на задней панели прибора поставить в положение, соответствующее имеющемуся сетевому напряжению, а также заземлить прибор.
Прибор включается главным включателем. При этом включается лампа для освещения рабочего пространства (10), реле времени, электронная часть и проекционная лампа оптической части. Прибор следует включать за 30 мин. до начала измерений.
Испытуемый продукт помещается на столик подъемного винта (6), благодаря которому испытуемый материал поднимается до соприкосновения с индентором (8). Индентор (игла или конус) при помощи зажимной головки (9) ввинчивается в отверстие направляющей, выступающей из панели над рабочим пространством, и после ввода до отказа фиксируется винтом.
Перед измерением проводят нулевую коррекцию шкалы (11), по которой отсчитывается степень пенетрации. Нулевая метка шкалы должна совпадать с горизонтальной меткой матового стекла.
Для пуска индентора служит кнопка (4). В момент включения реле времени на 5 с выводит из действия пружину, крепящую направляющую штангу, и индентор проникает в испытуемый материал. Спустя 5 с реле включает магнит, и в действие вступает тормозная система, которая препятствует дальнейшему перемещению направляющей.
После каждого измерения реле прибора через 1 с готово к следующему испытанию. Результаты измерения отсчитываются по оптической проекционной шкале в градусах пенетрации (3-360), равном 0,1 мм.
Пенетрометр ручной переносной ППМ-4 показан на рис. 3.6.
По определяемому среднему арифметическому значению глубины пенетрации, выраженному в метрах, рассчитывают предельное напряжение сдвига (ПНС) по формуле П. А. Ребиндера:
где О — предельное напряжение сдвига, Па; Р — усилие пенетрации, Н;
h — глубина погружения конуса, глубина пенетрации, м; ка — константа конуса; при а = 60°, ка = 0,214. Усилие пенетрации (Р) определяется по формуле
где т — масса конуса с зажимной головкой (равняется 150 г, или 0,15 кг);
g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2).
Рассмотренные выше пенетрометры, а также пенетрометр переносной малогабаритный ППМ-4, разработанный профессором В. Д. Косым, применяются для определения пенетрации мясных продуктов по ГОСТу Р 50814-95 "Мясопродукты. Методы определения пенетрации конусом и игольчатым индентором".
Приборы с плоскопараллельным смещением пластин
Эти приборы служат для определения сдвиговых характеристик в области практически не разрушенных структур при малых величинах деформаций. С помощью этих приборов можно исследовать вязкость, упругость, период релаксации.
Метод смещения пластин используется в конструкции приборов со смещением верхней пластины, когда исследуемый материал находится между двумя пластинами (рис. 3.7).
Имеются также приборы со смещением пластины, погруженной в исследуемую среду (рис. 3.8).
В первом приборе (а) кювета (1) с исследуемым материалом устанавливается неподвижно, в нее помещается пластина (2). Пластина приводится в движение грузом (3) при помощи нити, переброшенной через блок. Часть груза уравновешивает пластину (2), другая — рабочую нагрузку.
Между пластиной и нитью установлена микрошкала (4), по которой с помощью микроскопа (5) измеряют величину деформации. Время отсчитывают по секундомеру.
Во второй модификации (б) пластина через микрошкалу прикрепляется к заранее тарированной пружине. При опускании столика с закрепленной на нем кюветой по величине растяжения пружины определяют напряжение.
Напряжение сдвига 9 вычисляют по деформации пружины, соответствующей этой нагрузке Р, и боковой поверхности пластины F:
