Реометры одномерного сдвигового течения

Способы измерения структурно-механических характеристик пищевых продуктов во многом аналогичны способам и измерениям различных пластических материалов, структурированных дисперсных коллоидных систем и растворов полимеров.

Однако отождествлять эти способы нецелесообразно, так как структуры пищевых продуктов специфичны по своему деформационному поведению. Кроме того, при испытании молочных продуктов используют, как правило, малые рабочие напряжения. Обычно пользуются размерностью г·см^-2. Многие продукты обладают не только упругими, но и пластическими свойствами, поэтому необходимо использовать методы измерений упругих и пластических деформаций.

Приборы для измерения реологических свойств любых продуктов классифицируют на три группы: абсолютные, относительные и условные. Приборы первой группы показывают численные значения исследуемых характеристик в абсолютной системе единиц, основываясь на геометрических размерах рабочего органа и условиях проведения опыта; второй – требуют предварительной тарировки на эталонном материале, характеристики которых в условиях проведения опыта заведомо известны. В результате получают безразмерные, относительные показатели (числовые значения физических величин), которые с учетом тарировочных графиков легко пересчитать в абсолютные значения. Приборы обеих групп теоретически обоснованны, полученные с их помощью данные объективны и могут быть использованы для расчета рабочих узлов аппаратов и оценки качества сырья и продуктов. Приборы третьей группы дают значения измеряемых величин в условных единицах, что не пригодно для расчетов машин и оборудования, их используют главным образом для сравнения каких-либо качественных показателей.

Кроме того, реологические методы исследования и приборы можно разделить на интегральные, дающие возможность определять конечный суммарный эффект течения, и на дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать деформацию во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении. Чаще используют интегральные приборы. При этом в рабочих зазорах поля скоростей и деформаций могут быть однородными, т.е. изменяться одинаково по всему сечению, и неоднородными. Однородное поле напряжений может быть получено для образцов малого сечения при приложении к ним напряжений одного вида. При несоблюдении этих условий получается неоднородное поле напряжений и деформаций.

Разделение приборов для реологических исследований на интегральные и дифференциальные является условным, так как зависит от их назначения и конструкции.

К интегральным приборам с однородным полем напряжений относятся ротационные вискозиметры и приборы с поступательным перемещением рабочего органа.

Ротационные вискозиметры в соответствии с формой ротора делятся на четыре типа: цилиндрические, дисковые, биконические и конус – плоскость. Для цилиндрических и биконических приборов 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.

Применяются приборы с поступательным перемещением вертикальной пластины, вытаскиваемой продольно из сосуда с исследуемой массой; рифленого цилиндра, перемещаемого вдоль оси, когда снаружи находится материал; горизонтальной пластины, сдвигаемой тангенциально в испытуемом материале. Эти приборы применяются при сравнительно малых скоростях сдвига и деформациях.

К интегральным приборам можно также отнести приборы с одномерным растяжением материала.

Капиллярные вискозиметры относятся к интегральным приборам с неоднородным полем напряжения. Этот тип приборов получил наиболее широкое распространение для исследования веществ с малой вязкостью, хотя в некоторых случаях такие вискозиметры применялись и для изучения свойств материалов высокой вязкости.

На ротационных и капиллярных вискозиметрах экспериментально осуществляются принципиально различные типы течения. В ротационных приборах течение происходит в поле напряжений высокой степени однородности. В капиллярных вискозиметрах измерения проводят в существенно неоднородном поле скоростей деформаций и напряжений, причем время пребывания материала в капиллярах является ограниченным.

К дифференциальным приборам относятся ротационные вискозиметры, в которых на торце ротора можно наблюдать распределение скоростей в массе испытуемого вещества; капиллярные вискозиметры, в которых можно наблюдать изменение скоростей течения материала в трубах. В этих приборах хорошо заметна граница между зонами пластической и упругой деформаций.

Для вычисления значений величин свойств и обобщения данных наблюдений чрезвычайно важен выбор исходной математической модели (теоретической или эмпирической), которая с наибольшим приближением описывает поведение продукта в реальном процессе.

В зависимости от состояния исследуемого пищевого продукта (твердо- или жидкообразное) приборы для измерения структурно-механических свойств подразделяют на два вида; однако в ряде случаев одни и те же приборы (например, ротационные) пригодны для изучения свойств обеих групп продуктов.

В некоторых случаях измерение структурно-механических характеристик одного продукта различными способами дает неодинаковые результаты. Способ измерения характеризуется определенными геометрическими, кинематическими и динамическими параметрами прибора и условиями проведения опыта при постоянных исходных технологических показателях продукта. Указанные параметры и условия обусловлены теоретическими положениями, которые не всегда могут быть достаточно корректно учтены. При тщательной научно разработанной методике эксперимента измеряемые величины должны иметь одинаковые значения независимо от способов измерения.

Таким образом, для оценки качественного состояния продукта необходимо выбрать такие физические свойства и параметры прибора, которые дают наибольшее изменение величин свойств в рассматриваемом процессе. Обычно исследуемые характеристики не должны иметь больше одного экстремума. Иногда эти очевидные положения не учитывают. Так, в некоторых исследованиях отсутствуют обоснованные данные о методике выбора параметров прибора, математической модели продукта, часто не указаны технологические характеристики продуктов (влажность, дисперсность и пр.). Все это резко снижает ценность полученных результатов.

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

При работе на приборах возможны систематические и случайные ошибки. Удовлетворительной считается ошибка ± 10 % при измерении структурно-механических свойств пластично-вязких и ± 2 % при измерении структурно-механических свойств жидких продуктов. Тщательная разработка методики экспериментов позволяет в ряде случаев допускать ошибку соответственно не более ± 5 % и ±­ 0,5 %.

Приборы для измерения значений каждой группы свойств (сдвиговых, компрессионных и поверхностных) имеют свою специфику. Однако общими будут следующие, не считая температуры и технологических характеристик, четыре переменные: сила, момент или напряжение; расстояние, деформация, площадь или объем; время, скорость деформации или линейная скорость; энергия. В соответствии с этим механические измерительные приборы содержат устройства для регистрации усилий, деформаций, времени; энергия вычисляется по этим показателям либо измеряется специальными приборами.

По виду измеряемой величины реологические приборы можно классифицировать на четыре группы (табл. 3.2). Эта классификация в определенной мере условна, так как некоторые приборы позволяют варьировать две величины при постоянной третьей.

Таблица 3.2