Приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов

Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений.

Для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов применяются приборы, позволяющие определить силу сопротивления внутри материала при относительном смещении его слоев. Приборы для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов по принципу действия делятся на следующие группы: капиллярные, ротационные, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и др.

Капиллярные вискозиметры. Они применяются для измерения вязкости ньютовских и неньютовских жидкообразных систем, не имеющих статического предельного напряжения сдвига, т.е. обладающие текучестью при любых напряжениях сдвига.

Теория капиллярных вискозиметров теоретически обоснована и основывается на гипотезе сплошности и непрерывности жидкости; использует следующие допущения и ограничения: скорость жидкости на стенке принимается равной нулю; продукт считается не сжимаемым; реологические характеристики неизменны по длине и не зависят от времени, т.е. на течение не оказывают влияния на процессы тиксотропии, реопексии и релаксации.

Главным требованием, предъявляемым к капиллярным вискозиметрам, является отсутствие турбулизации потока, т.е. режим движения должен быть ламинарным или структурным. Режим движения характеризуется критерием Рейнольдса Re, который не должен превышать 150, а длительность истечения жидкости через капилляр не должна быть меньше 100 с. В теории капиллярной вискозиметрии рассматривается только равномерное (силы инерции равны нулю) прямолинейное (центробежные силы равны нулю) движение жидкости в горизонтальной трубке (силы тяжести проектируются на ось, совпадающую с направлением движения и равны нулю).

Наиболее известны и широко применяются: капиллярные вискозиметры Уббелоде и Освальда, вискозиметр А.В. Горбатова и др., вискозиметр ВК-4, автоматические вискозиметры АКВ-3 и АКВ-5, шариковый вискозиметр Гепплера и др.

Вискозиметры Уббелоде и Освальда (рис. 4.1 а, б) представляют собой U-образные стеклянные трубки (1), в одно колено которых впаян капилляр (2) и двух шариков: шарика (3) для начального накопления исследуемой жидкости и шарика (4) для сбора протекшей через капилляр жидкости. Диаметр капилляра может быть от десятых долей до 2-3 мм. Длину капилляра выбирают такой, чтобы перетекание жидкости из одного шарика в другой происходило за время не меньше 100 с.

в

Рис. 4.1. Капиллярные вискозиметры:

а) - вискозиметр Уббелоде; б) - вискозиметр Освальда; в) - вискозиметр ВК-4

Перед измерением исследуемая жидкость заливается в шарик (1) до уровня между метками А и В. Затем прибор в вертикальном положении погружают в жидкостной термостат до уровня выше шарика (1) и выдерживают 20-30 мин при заданной температуре. После этого, освобождая края трубки от закрытия, дают жидкости свободно перетекать из шарика (1) в шарик (3), одновременно с помощью секундомера фиксируя время ее перетекания. Перетекание исследуемой жидкости из одного шарика в другой происходит в вискозиметре Уббелоде (рис. 4.1 а) за счет гидростатического давления, а Освальда (рис. 4.1 б), за счет создания давления или вакуума на одном конце трубки. Вязкость на приборах Уббелоде и Освальда обычно определяют по отношению к известной вязкости стандартной жидкости (вода, касторовое масло, глицерин).

Вязкость , Па·с, исследуемой жидкости рассчитывают по формуле

, или , (4.1)

где - вязкость воды, Па^.с; , - плотности исследуемой жидкости и воды соответственно, кг/м ; К – константа прибора, дается в паспорте прибора.

Горизонтальный вискозиметр ВК-4 (рис. 4.1 в) предназначен для измерения вязкости крови и имеет две калиброванные трубки (1). Каждая трубка состоит из двух капилляров с миллиметровой шкалой, которые служат резервуаром для жидкости. Между ними помещен узкий измерительный капилляр (2). Для термостатирования исследуемой жидкости обе трубки помещены в широкую стеклянную трубу (3), закрытую с торцов пробками, через которые выходят трубки. В трубу подается термостатирующая жидкость с конкретным значением температуры. Его конструкция позволяет исключить поправки на гидростатическое давление столба жидкости.

Вискозиметры ВПЖ-1, ВПЖ-2, ВПЖ-4 предназначены для определения вязкости желатина. Они схожи по конструкции с вискозиметрами Уббелоде, но отличаются формой и количеством колен трубок.

Для получения правильных результатов измерения на капиллярных вискозиметрах необходимо соблюдать: во-первых, движение жидкостей по капиллярам должно быть ламинарным и не превышать число Рейнольдса 150, и во вторых, условия проведения эксперимента должны быть для всех испытаний одинаковыми, особенно температурные.

Шариковый вискозиметр Гепплера (рис. 4.2), предназначен для определения динамической вязкости ньютовских и слабоструктурированных жидкостей. Он состоит из прецизионной стеклянной трубки (1), шарика (2), цилиндра (3) для термостатирования жидкости, термометра (4), ватерпаса (5), оси (6) для поворота термостата на 180º и подставки (7).

В вискозиметре, используется метод измерения вязкости с помощью свободно падающего шарика в трубе заполненной исследуемой жидкостью.

Рис. 4.2 Шариковый вискозиметр Гепплера

В начале измерений, в прецизионную трубку заливается 30 см исследуемой жидкости. В нее опускается один из шариков, которыми укомплектован прибор, предварительно выбранный с учетом вязкости жидкости. Выбор шарика проводится с учетом следующего требования, что расстояние между крайними отметками шарик должен проходить в интервале 30-300 с. Затем, исследуемая жидкость повергается темперированию в течение 10 мин. Во время перемещения шарика сверху вниз через исследуемую жидкость отмечают время, за которое он пройдет расстояние между верхней и нижней метками. Для повторного измерения термостатирующий цилиндр поворачивают на 180º.

Динамическую вязкость , Па^.с, рассчитывают по формуле

, (4.2)

где , - плотность материала шарика и исследуемой жидкости соответст-

венно, кг/м ; - время перемещения шарика на участке между метками, сек; К - константа прибора (дается в паспорте прибора).

В качестве стандартной жидкости могут использоваться вода, касторовое масло, глицерин.

Прибор не пригоден для измерения вязкости структурированных систем и систем, которые имеют предельное напряжение сдвига. Его трудно использовать для мутных, непрозрачных и содержащих твердые частицы систем.

Ротационные вискозиметры. Они предназначены для измерения сдвиговых характеристик высоковязких, вязко-пластичных и т.п. систем. Широко применяются в производственных лабораториях пищевых предприятий, в учебных заведениях, в научно-исследовательских институтах, центрах. Вискозиметры используют для контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также для контроля технологических процессов. Ротационные вискозиметры обладают большей универсальностью по сравнению с капиллярными, так наряду с вязкостью и предельным напряжением сдвига позволяют измерять другие реологические характеристики.

Теория ротационной вискозиметрии опирается на те же допущения и ограничения, которые были рассмотрены в теории капиллярной вискозиметрии, а именно: гипотезы сплошности и непрерывности; скорость жидкости на стенке неподвижного цилиндра равна нулю; равенство окружной скорости и скорости стенки вращающегося цилиндра; жидкость считается изотропной; движение должно быть установившееся, т.е. характерные параметры зависят только от координат рассматриваемой точки, но не зависят от времени; режим движения в коаксиальном зазоре должен быть ламинарным, турбулизация потока не допускается.

Ротационные вискозиметры по методу проведения испытаний разделяют на две группы: первая - для испытания материалов с постоянной скоростью деформации; вторая - для испытания материалов с постоянным напряжением сдвига. Для приборов первой группы крутящий момент определяется по углу закручивания упругой нити, на которой подвешен внутренний вращающийся цилиндр. У приборов второй группы ротор установлен в шарикоподшипниках и его вращение обеспечивается падающими грузами. При расчете крутящего момента из общей силы, создаваемой массой падающих грузов, вычитается сила трения. Конструкция и эксплуатация вискозиметров второй группы проще, поэтому они получили более широкое применение для измерения структурно-механических характеристик вязко-пластичных материалов.

Рис. 4.3. Формы измерительных органов ротационных вискозиметров

Основным измерительным органом ротационных вискозиметров является рабочая пара, состоящая из неподвижного элемента, чаще всего называемого стаканом или цилиндром, и подвижного, вращающего элемента называемого ротором. При этом ротор находится внутри стакана и между их коаксиальными поверхностями имеется зазор. Во время испытаний исследуемый материал укладывается в зазор между стаканом и ротором. Практически у большинства ротационных вискозиметров рабочие поверхности измерительных органов выполнены коаксиальными, т.е. строго параллельными.

Ротационные вискозиметры отличаются формой измерительных органов (рис. 4.3), которая может быть различной: коаксиально-цилиндрической (а, б); сферической (в); полусферической (г); конусной (д); плоско-парал-лельными пластинами (е); плоскими кольцами (ж); коническими кольцами (з); комбинированной: цилиндр-диск (и), цилиндр-полусфера (к), конус-диск (л), цилиндр-конус (м), цилиндр-конус-диск (н) и другими.

Вискозиметр Воларовича РВ-8 (рис. 4.4). Он предназначен для испытания вязких, вязко-пластичных материалов и используется для определения вязкости и предельного напряжения сдвига широкого круга пищевых материалов: мясных и рыбных фаршей, мучного теста, кондитерских масс и т.д.

Прибор состоит из шкива (1), вертикального вала (2), двух перекидных блоков (3) закрепленных на штангах, электронагревательных элементов (4), вращающего ротора (5) коаксиально-цилиндрической формы с полусферическим днищем, наружного неподвижного стакана (6), термостатирующего сосуда (7) с теплоизоляцией (8), фиксатора (9), неподвижной шкалы (10) и стрелки (11).

Рис. 4.4. Ротационный вискозиметр РВ-8

Принцип работы прибора. Вначале исследуемый продукт (мясной фарш) помещают в стакан в количестве равном 2/3 объема образующего зазора между ротором и стаканом. Затем стакан с продуктом подводят под ротор, постепенно поднимают вверх и фиксируют в специальной обойме. После измерительные органы прибора и сам материал погружаются в термостатирующий сосуд, где подвергаются выдержке в течение 10-20 мин.

Перед началом проведения измерений нити с закрепленными чашечками должны быть намотаны на шкив, сам шкив зафиксирован стопорным устройством, а стрелка установлена на начало шкалы отсчета.

Для определения предельного напряжения сдвига материала на чашечках, закрепленных на концах нитей, с помощью гирек разновесов устанавливают определенный вес и отводят стопорное устройство, освобождая шкив от фиксации. Если стрелка прибора не начала перемещаться, то к весу, который находится в чашечках, добавляют еще. Так продолжают делать до тех пор, пока стрелка не начнет перемещаться. В случае начала перемещения стрелки производят фиксирование массы грузов, одновременно находящихся в обеих чашечках. По результатам измерения рассчитывают предельное напряжение сдвига.

Для определения вязкости материала в чашечки кладется груз, массой несколько больше, чем при котором только началось перемещение стрелки, убирают стопорное устройство, и с помощью секундомера измеряют время, за которое шкив (т.е. ротор) совершит пять полных оборотов. Затем к данной массе добавляют еще груз и вновь повторяют измерение. Так делают до тех пор, пока время, за которое шкив совершит пять оборотов, не станет равным 1,5-2 сек. После все повторяют, но только в обратном направлении в сторону уменьшения массы грузов. По результатам измерений рассчитывают вязкость материала.

Для получения правильных значений измеряемых величин необходимо помнить, что степень измельчения сырья должна быть такой, чтобы в зазор между ротором и стаканом входило минимум две частицы исследуемого продукта. В противном случае сдвига как такого между слоями продукта не будет.

Предельное напряжение сдвига , Па, на приборе РВ-8 рассчитывают по формуле

, (4.3)

где - константа прибора, для случая сдвига; - масса грузов, при которой начинается сдвиг, кг.

Эффективную вязкость , Па·с, рассчитывают по формуле

, (4.4)

где К - константа прибора, для случая определения вязкости; m - масса грузов вращающих ротор, за вычетом массы трения, кг; N - частота вращения ротора, об/с.

Константы прибора и К рассчитывают по формулам, которые приведены в лабораторном практикуме.

Характеристика прибора: пределы измерения вязкости - от 0,5 до 10⁶ Па·с; пределы измерения напряжения сдвига - от 5 до 10⁴ Па; интервал температур - от -60 до 150 ^оС.

Ротационный вискозиметр МТИММПа (МАПБ). Прибор (рис. 4.5) создан на базе вискозиметра РВ-4 и предназначен для измерения реологических характеристик вязко-пластичных материалов при повышенном давлении.

Рис. 4.5 Ротационный вискозиметр МТИММПа (МАПБ)

Прибор смонтирован на подставке (1). Состоит из двух перекидных блоков (2) для нитей, шкива (3), хвостовика (4), вращающего рифленого ротора (5), тензометрических датчиков (6), неподвижного рабочего цилиндра (7), краника (8) для удаления излишков продукта, поршня (9), манометра (10) и мембраны (11) для измерения давления.

Работа прибора. Вначале фаршем заполняют пространство между ротором и стенками цилиндра. Затем перемещая поршень с помощью гайки, создают внутри объема с продуктом требуемое давление. Далее устанавливают грузики на чашечки и производят замер времени по количеству оборотов шкива. Диаметр ротора равен 32 мм, внутренний диаметр рабочего цилиндра - 38 мм.

Используя те же самые формулы, что и для прибора РВ-8, рассчитывают предельное напряжение сдвига и вязкость продуктов.

Данный вискозиметр при незначительных конструктивных изменениях в приборе может использоваться и для определения реологических характеристик пищевых материалов под вакуумом. Для создания вакуума в приборе требуется дополнительно вакуум-насос.

Среди приборов зарубежных фирм представляют интерес ротационные вискозиметры «Реотест RV», «Реотест RN» производства Германии и др.

Ротационные вискозиметры «Реотест» предназначены для определения сдвиговых свойств пищевых продуктов в широком диапазоне, в частности для измерения вязкости и предельного напряжения сдвига для средне- и высоковязких продуктов.

Рис. 4.6 Ротационный вискозиметр «Реотест-RV»

Ротационный вискозиметр «Реотест-RV». Прибор (рис. 4.6) смонтирован на станине (1), внутри которой установлен синхронный электродвигатель, соединенный с 12-ступенчатой коробкой передач, которая позволяет изменять частоту вращения внутреннего цилиндра 16 от 0 до 1500 с^-1. Крутящий момент от коробки передач передается ведущему валу (9) и далее через спиральную пружину (10) ведомому валу (12), соединенному с внутренним цилиндром (16) муфтой (14). Наружный цилиндр (15), крепится к корпусу прибора специальным зажимом (5). Прибор имеет термостатирующий сосуд (17), который снабжен термометром (13) и крепится к корпусу с помощью зажима (2). Величина крутящего момента отсчитывается по шкале прибора (6), скорость вращения устанавливается рычагом (3) и контролируется по указателю (4).

В приборе установлен измеритель моментов торсионного типа с омическими датчиками и работает по принципу превращения механических усилий в электрические импульсы. Показания прибора (6) прямо пропорциональны крутящему моменту, а также напряжению сдвига и вязкости исследуемого материала. Частота вращения синхронного электродвигателя и, следовательно, внутреннего цилиндра (16), зависит от напряжения тока в сети. Отклонения от номинальной частоты 50 Гц фиксируется прибором (7).

Характеристика прибора. Пределы измерения: вязкости - от 10^-2 до 10⁴ Па·с; скорости сдвига - от 0,1667 до 1,458^.10³ с^-1; напряжения сдвига - от 12 до 1·103 Па; температуры - от –30 до 150 ºС; погрешность измерений ±3 %.

Ротационный вискозиметр типа RN. Прибор (рис. 4.7) выпускается фирмой «Прюфгеретеверке» (Германия) и состоит из измерительного прибора (10), измерительной головки с вращающимся ротором (3) и термостатирующего сосуда (17). Вискозиметр крепится на штативе (11) с помощью кронштейна (12) и зажимного винта (13). Рукоятка (15) служит для установки требуемой частоты вращения ротора, на которой цифрам 1, 2, 4 и 10 соответствуют следующие частоты вращения ротора (в мин^-1): 160, 80, 40 и 16. Изменение скорости вращения ротора может производиться как при остановке, так и во время работы прибора.

Рис. 4.7. Ротационный вискозиметр типа RN (Германия)

Температура в термостате контролируется термометром (7). Ротор (3) соединяется с валом прибора с помощью муфты (6) и фиксируются гайкой (5). Наружный неподвижный цилиндр (18) расположен соосно с ротором (3) и крепится зажимным рычагом (16). Для очистки прибора от продукта днище неподвижного цилиндра (18) выполнено съемным, в виде крышки (1) с прокладкой и запорной гайкой (2). Термостатирующий сосуд (17) соединен с цилиндром (18) байонетным запором и фиксируется прижимным рычагом (4). Нижнее положение прибора на штативе (11) ограничивается упором (14).

Для расширения диапазона измерения вязкости вискозиметры RN поставляются с тремя съемными измерительными системами, состоящими из цилиндров разного диаметра и длины.

Характеристика прибора. Пределы измерения: вязкости - от 10^-2 до 420 Па·с; напряжения сдвига - от 5,0 до 1500 Па; скорости сдвига - от 5 до 492 с^-1; частоты вращения ротора - 16, 40, 80 и 160 мин^-1; температуры - от -30 до 120 ^оС. Погрешность измерений не более ±5 %.

Приборы с плоскопараллельным зазором. Они служат для измерения сдвиговых характеристик материалов в области практически неразрушенных структур при малых деформациях: предельного напряжения сдвига, вязкости, упругости, периода релаксации и др. Приборы такого типа впервые были разработаны П.А. Ребиндером, Д.М. Толстым, Б.А. Николаевым. В приборах плоскопараллельный зазор может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно.

Прибор С.Я. Вейлера и П.А. Ребиндера с вертикальным зазором. Прибор (рис. 4.8 а) состоит из пластины (1), кюветы (2), микрошкалы (4), груза (5) и снабжен микроскопом (3). Испытания проводятся следующим образом. Кювета с плоскопараллельным зазором заполняется исследуемым продуктом. В нее посередине вставляют пластину, соединенную с грузом через блок нитью, на которой закреплена микрошкала, отградуированная в десятых или сотых долях миллиметра. Напротив нее устанавливают микроскоп для наблюдения за деформацией сдвига. Груз состоит их двух частей, одна из которых уравновешивает пластину, вторая - рабочая. В момент испытаний наблюдатель включает секундомер. Груз перемещает пластину, а величину смещения, соответствующую деформации сдвига, наблюдают через микроскоп и измеряют по микрошкале. После некоторой выдержки и испытания продукта под напряжением, в результате действия которого развиваются упругие и пластические деформации в продукте, рабочую часть груза снимают. Пластина и груз уравновешиваются, вследствие чего развиваются деформации упругого последействия, их регистрируют до момента остановки указателя на шкале измерений.

в

Рис. 4.8. Приборы с плоскопараллельным зазором:

а) - прибор С.Я. Вейлера и П.А. Ребиндера; б) - его модификация; в) - прибор Д.М. Толстого

Его модификацией является прибор (рис. 4.8 б), в котором пластину в кювете сдвигают, путем опускания столика с закрепленной на нем кюветой. Испытываемое продуктом напряжение определяют по величине растяжения пружины.

Напряжение сдвига , Па, определяют по деформации пружины и рассчитывают по формуле

= Р/ (2F), (4.5)

где Р - нагрузка, соответствующая деформации, Н; F - площадь боковой поверхности пластины, м².

Предельное напряжение сдвига , Па, определяют по наибольшей нагрузке Р_mаx:

= Р_mаx /(2F). (4.6)

Метод тангенциального смещения пластины позволяет находить не только , но и модули упругости, эффективную вязкость, изучать процесс релаксации, а также снимать полные деформационные кривые при различных скоростях деформации. Приборы обладают большой чувствительностью и применимы для исследования свойств материалов в большом диапазоне - от слабоструктурированных золей и суспензий до твердообразных систем с высокопрочной структурой.

Прибор Д.М. Толстого (рис. 4.8 в). Он служит для нахождения констант упруго-пластично-вязких свойств материалов с практически неразрушенными структурами. Основными элементами прибора являются две пластины (5), между которыми помещается образец продукта (6). Размеры пластин 0,05×0,02×0,006 м. Плоскости пластин, примыкающие к продукту, имеют рифление, направленное в сторону, противоположную направлению усилий, деформирующих продукт. Деформацию образцов продукта измеряют при помощи упругой балочки (8), с наклеенными на нее тензорезисторами (9). Сдвигающее усилие на образец создают поворотом эксцентрика (1), гирями (2), которые устанавливают на неравноплечем рычаге (3) прибора. От него усилие на продукт передается через равноплечий рычаг (4) и верхнюю пластину (5). Перемещение верхней пластины (5) через рычаг (7) упругой балочке (8). Во время испытаний необходимо учитывать, чтобы толщина слоя позволяла одновременно находиться минимум двум частицам материала.

На приборе определяют модуль быстрой эластичной деформации сдвига G ₁, Па, модуль медленной эластичной деформации G ₂, Па, наибольшую пластическую вязкость , Па·с и условный статический предел текучести , Па, которые рассчитывают по формулам:

; ; , (4.7)

где - напряжение сдвига, Па; - условный статический предел текучести, Па; h - толщина слоя продукта, м; - начальная (условно-мгновенная) деформация, м; - эластичная деформация, м; - скорость сдвига, с^-1.

Пластометры, пенетрометры, консистометры. Эта группа приборов служит для измерения сдвиговых характеристик в области практически не разрушенных структур при малых деформациях, которые в дальнейшем используются для оценки прочности, нежности, консистенции материалов. В приборах в качестве рабочего органа (тела), внедряемого в продукт, является индентор, который может быть различной формы: конус, сфера, игла, цилиндр и пр.

Пенетрацией называется метод исследования структурно-механических свойств полутвердых и твердых продуктов путем определения сопротивления продуктов проникновению в них инденторов со строго определенными размерами, массой и материалом при точно определенной температуре и за определенное время. Испытания могут проводиться: с постоянным усилием пенетрации (при этом определяется глубина погружения); с постоянной глубиной погружения (измеряется усилие); с постоянной скоростью погружения (регистрируется усилие в зависимости от глубины погружения).

Приборы, использующие метод пенетрации для измерения структурно-механических свойств продуктов, принято называть пластометрами, пенетрометрами и консистометрами.

Предельное напряжение сдвига, как одна из важных реологических характеристик материала, служащих для оценки прочности его структуры, определяется при помощи конического пластометра.

Метод погружения конуса для измерения структурно-механических свойств вязко-пластичных тел предложен П.А. Ребиндером и Н.А. Семененко.

Согласно теории конических пластометров, разработанной акад. П.А. Ре-биндером, процесс погружения конуса в продукт представляет следующее. За начальное граничное условие принята точка касания вершины конуса с поверхностью продукта. При этом его движение во время испытаний должно быть строго вертикальным. Кинетика погружения конуса характеризуется кривой и представлена на рис. 4.9. В момент начала погружения конуса в продукт напряжение бесконечно велико (площадь касания равна нулю), его скорость равна нулю, а ускорение () соответствует ускорению силы тяжести. Поскольку сила, действующая на конус (равна массе подвижных частей системы), за все время погружения остается постоянной, а площадь соприкосновения конуса с продуктом увеличивается, то напряжение сдвига в системе конус-продукт уменьшается.

а б в

Рис. 4.9 Реограмма и схемы для расчета:

а) - зависимость скорости движения конуса от напряжения сдвига;

б) - схема для расчета предельного напряжения сдвига, в) - схема для расчета предельного давления.

При остановке конуса ( =0) погружение будет предельным, и внешняя сила уравновешивается пластической прочностью структуры. Для этого случая отсчитывается предельное напряжение сдвига (отношение силы у «смоченной» части боковой поверхности конуса, рис. 4.9 б) или предельное давление (отношение силы к горизонтальной площади сечения конуса, которое проходит по поверхности продукта, рис. 4.9 в). Выталкивающей силой продукта (Архимедова сила) пренебрегают вследствие ее малости. Если снять полную кривую течения (рис. 4.9 а), то можно вычислить изменения эффективной вязкости. Однако прибор для этих целей обычно не используют.

При определении предельного напряжения сдвига предполагается, что продукт течет вдоль образующей поверхности конуса (рис. 4.9 б). Условия равновесия сил на поверхности конуса получим, проектируя на образующую конуса движущую силу и приравнивая ее силе сопротивления :

. (4.8)

Предельное напряжение сдвига , Па, представляет собой отношение силы сопротивления Р^’ вдоль боковой поверхности конуса к площади F этой поверхности:

Р^’ / F = = К mg/h², (4.9)

где К - константа конуса, - угол при вершине конуса, град; m - масса конуса, кг; g - ускорение свободного падения, м/с²; h - глубина погружения конуса в продукт, м.

Константу конуса принимают по данным Н.Н.Аграната:

, град 30 40 45 60 89,33 90

К 0,958 0,530 0,417 0,214 0,0836 0,00683

Продолжительность испытания составляет 180 сек.

Конический пластометр КП-3. Прибор разработан М.П. Воларовичем и предназначен для определения предельного напряжения сдвига различных материалов, в том числе мясных фаршей и готовых мясных изделий. Подробно схему конструкции прибора, методику измерения и обработку результатов см. в «Лабораторном практикуме».

Значительный вклад в развитие конических пластометров внесли ученые В.Д. Косой, А.В. Горбатов и др. (МАПБ), которыми разработан целый ряд пластометров типа ПП-1, ПП-2, ПП-3, ПП-3М для исследования структурно-механических свойств вязко-пластичных материалов, в которых используется конический индентор. Приборы обладают достаточно высокой точностью измерений, компактны, надежны в работе и просты в обслуживании, имеют небольшую массу.

Полуавтоматический пластометр ПП-3М (рис. 4.10). Прибор состоит из корпуса с расположенным внутри него штоком (14) с индентором (18) в нижней части и демпфирующим элементом, представляющим собой цилиндр (13) с поршнем (12) - верхней части. Индентор (18) устанавливается в верхнем положении с помощью ручки (16) и фиксатора (17). Механизм регистрации перемещений индентора состоит из двух цилиндрических барабанов (6), (20), установленных на оси (5) с возможностью вращения. Первый цилиндрический барабан (6) соединен со штоком (14) посредством рычага (8), имеющего противовес (7), для балансировки механизма регистрации во время измерения. Первый цилиндрический барабан (6) снабжен контактной пластиной (3) из упругого магнитного материала, а второй цилиндрический барабан (20) - стрелкой (9) для регистрации величины перемещений индентора по шкале отсчета (10) и электромагнитом (4), установленным с возможностью воздействия на контактную пластину (3) при замыкании электрической цепи во время контакта индентора (18) исследуемым продуктом. Одновременно электромагнит (4) обеспечивает разбалансировку первого цилиндрического барабана (20), необходимую для возврата стрелки (9) в исходное положение при подъеме индентора (18). Тумблеры включения и выключения питания, ручки и контрольные лампочки расположены на передней панели прибора (21).

Во время испытания исследуемый продукт, например мясной фарш, помещают в емкость (19) и устанавливают под индентором (18), обеспечивая ее контакт через реле (2) с пластиной (1), и затем освобождают фиксатор (17). Индентор под действием силы тяжести вместе со штоком (14) перемещается вниз. В момент соприкосновения индентора с исследуемым продуктом замыкается электрическая цепь. Электромагнит (4) притягивает к себе пластину (3) и тем самым обеспечивает одновременное вращение двух барабанов (6), (20). По мере погружения индентора в исследуемый продукт стрелка перемещается по шкале отсчета (10), с которой считывают показания по окончании измерений.

Характеристика прибора: предельное напряжение сдвига - 10-10⁴ Па; напряжение - 220 В; габаритные размеры - 0,19×0,08×0,24 м; масса - 3 кг.

Рис. 4.10. Принципиальная схема полуавтоматического пластометра ПП-3М

Полуавтоматический прибор ПП-4 позволяет определить характеристики продукта с преобладающими проводниковыми и диэлектрическими свойствами и предназначен для работы в трех режимах: в первом - в режиме определения предельного напряжения сдвига продукта с преобладающими свойствами проводника; во втором - в режиме определения предельного напряжения сдвига продукта с преобладающими свойствами диэлектрика; в третьем - в режиме измерения пенетрации.

Полуавтоматический пенетрометр ПП-5 (рис. 4.11). Прибор ПП-5 является новой и перспективной моделью, разработан на базе прибора ПП-4 и позволяет за один опыт одновременно определять предельное напряжение сдвига и степень пенетрации как вязко-пластичных, так и упруго-пластичных продуктов.

Полуавтоматический пенетрометр ПП-5 состоит из корпуса (1), демпферного устройства (2), микровыключателя (3), фиксатора (4), рычага (5), пальца (6), ручки подъема индентора (7), противовеса (8), индентора (9) (конуса) со штоком, емкости (10) для продукта, подъемного столика (11), блока управления (12), пластин (13), (14) соответственно для фиксации степени пенетрации или максимально глубины погружения индентора, подвижной увеличивающей линзы (15), измерительной шкалы (16), барабанов (17), (18) с измерительными стрелками для отсчета максимальной величины погружения индентора и степени пенетрации, магнитов (19) для фиксации стрелок по окончании замера, магнитов (20) для фиксации момента соприкосновения индентора с продуктом и барабана (21) с пластиной и магнитами.

Рис. 4.11. Принципиальная схема пенетрометра ПП-5

Прибор работает следующим образом. Исследуемый продукт помещают в емкость и устанавливают на столике под индентором. С помощью реле задают время измерения степени пенетрации в секундах (3-10 сек) и предельного напряжения сдвига в минутах (2-5 мин). Высвобождают фиксатор, и шток с индентором перемещается вниз под действием собственного веса. В момент соприкосновения индентора с продуктом замыкается электрическая цепь управления электромагнитами, притягивающими к себе пластины. Три барабана объединяются и, совместно вращаясь, перемещают стрелки по шкале отсчета. По истечении заданного (в секундах) времени первый электромагнит отпускает работающую с ним в паре пластину, которая одновременно притягивается к жесткофиксированному на передней панели электромагниту. Таким образом, по шкале снимают показания для определения степени пенетрации. Шток с индентором продолжает погружение, и вторая стрелка перемещается по шкале до тех пор, пока не истечет заданное (в минутах) время, после чего аналогичным образом неподвижно фиксируется вторая стрелка. Показания ее служат для расчета предельного напряжения сдвига.

Пенетрация - это условно принятая величина, которая используется в качестве сравнительной оценки прочности, нежности, консистенции структуры между двумя, тремя и т.д. материалами и измеряется в относительных единицах. За единицу пенетрации принят 1 мм.

Учитывая то, что замер измерения пенетрации длится всего 3-10 сек, прибор ПП-5 можно использовать для экспресс-контроля и регулирования технологических параметров процесса.

Прибор дополнительно комплектуется набором игольчатых инденторов, содержащих либо одну иглу, либо несколько игл, запрессованных на диске по окружности (3-5 штук). В случае применения игольчатых инденторов, приборы можно использовать для определения консистенции готовых продуктов (например колбасных изделий) или для оценки нежности, прочности сырья (например мяса).

Прибор может работать в двух режимах: в первом - в режиме одновременного определения предельного напряжения сдвига и степени пенетрации материалов с преимущественно проводниковыми свойствами; во втором - в режиме одновременного определения предельного напряжения сдвига и степени пенетрации материалов с преимущественно диэлектрическими свойствами.

В.Д. Косой и др., на основании проведенных исследований установили, что значения величин предельного напряжения и степени пенетрации хорошо коррелируют между собой, на основании чего ими предложена зависимость между этими показателями:

, (4.10)

где К_П - коэффициент пропорциональности между степенью пенетрации и предельным напряжением сдвига; h_П - величина пенетрации.

Характеристика прибора: предельное напряжение сдвига - 10-10⁴ Па; степень пенетрации - до 4,5^.10^-2 м; напряжение - 220 В; габаритные размеры - 0,27×0,14×0,34 м; масса - 5 кг.