double arrow

Приборы для измерения поверхностных свойств продуктов

Приборы и методы измерения адгезии основаны на разрушении адгезионного соединения путем приложения внешнего усилия. Определение адгезионных свойств продуктов, в зависимости от способа приложения усилия, производят: методом отрыва и методом сдвига. Для указанных методов могут применяться различные способы их проведения, которые схематично представлены на рис. 3.18, где пищевой продукт (адгезив) показан темным, а материал, с которым он контактирует (субстрат) - светлым.

Разделение (отрыв) контактирующих тел в зависимости от их природы и технологических условий может быть по границе контакта (адгезионный отрыв), по слою продукта (когезионный отрыв) или смешанным (адгезионно-когезионный отрыв). Учитывая эти обстоятельства, перед испытаниями необходимо тщательно подготавливать образцы исследуемого продукта (адгезива) и материала (субстрата) с которым он будет контактировать. При адгезионном отрыве нарушаются внешние связи между материалом и продуктом, которые характеризуют энергию свободной поверхности. При когезионном отрыве нарушаются внутренние связи в продукте, которые зависят от энергии взаимодействия между элементами структуры в условиях объемного напряженного состояния. Для пищевых продуктов чистый адгезионный отрыв наблюдается редко, поэтому в опытах измеряют усилие отрыва материала (субстрата), часто без конкретизации его вида.

Рис. 3.18 Способы измерения адгезии:

1 - отрыв нормальной силой при растяжении; 2 - отрыв при внецентренном растяжении (сжатии);

3, 4 - отслаивание материалов при изгибе; 5, 6 - отслаивание при отрыве;

7, 8 - разрушение соединения при сдвиге; 9, 10 - сдвиговое разрушение при кручении.

На величину адгезии влияют: технологические свойства самого продукта (температура, влажность, состав и др.); марка конструкционного материала; шероховатость поверхности материала; условия измерения (геометрические, кинематические и динамические параметры прибора).

Требования, предъявляемые к адгезиометрам:

- показания приборов должны быть первичными, т.е. не нуждаться в предварительной тарировке на каком-либо эталонном материале и выражаться в абсолютной системе единиц;

- перед измерением продукт должен прижиматься к субстрату для установления контакта и удаления из него воздушных пузырьков;

- нанесение продукта заданной толщины на пластины прибора должно проводиться с помощью шаблона, чтобы исключить влияние толщины на его адгезионные свойства;

- в приборах должна быть предусмотрена возможность замены пластин с целью определения влияния марки материала пластин и степени его обработки (шероховатости) на прочность молекулярных контактов;

- приборы должны допускать возможность варьирования, скорости приложения силы отрыва или сдвига в широком диапазоне, для установления влияния силы отрыва на распределение деформаций и усилий между пластинами и продуктом.

Характеристикой адгезионной способности продукта могут быть следующие величины: сила отрыва, отнесенная к площади контакта; работа отрыва, отнесенная к площади контакта; время, необходимое для разрушения связи между субстратом и адгезивом под действием заданной нагрузки. Удельную минимальную силу иначе называют адгезионной прочностью, адгезионным напряжением (давлением), давлением прилипания или удельным прилипанием.

Приборы для определения адгезионных характеристик по способу приложения нагрузки делят: на адгезиометры с постоянным отрывом, адгезиометры с мгновенным отрывом, а также на сдвигомеры. При равномерном отрыве нагрузка прикладывается перпендикулярно плоскости субстрата, при этом адгезия характеризуется нормальной силой, отнесенной к единице площади контакта, т.е. нормальным напряжением. При сдвиге определяются касательные напряжения, возникающие при относительном смещении слоев адгезива относительно субстрата. Для исследования адгезии пищевых вязко-пластичных материалов используются приборы, основанные на способе нормального отрыва.

Адгезиометр Б.А. Николаева (рис. 3.19). Прибор прост: сконструирован по принципу рычажных весов и предназначен для исследования адгезии вязких пищевых продуктов. Он состоит из измерительной пластины (субстрата) (1), выполненной в виде диска, двухплечевого рычага (2), к которому с одной стороны подвешен субстрат, а с другой - груз (3) и основания прибора (5). Между диском и основанием нанесен адгезив (4). Во время испытания, постепенно увеличивая массу груза (3), добиваются отрыва диска (1) от адгезива (4). По результатам измерения рассчитывают липкость материала.

Адгезиометр Ю.В. Клаповского (рис. 3.19 б). Прибор предназначен для определения адгезионных свойств вязких пищевых материалов, в частности конфетных масс. Он прост по конструкции и надежен в эксплуатации.

Прибор состоит из рычага (7), к нему шарнирно закреплен вертикальный шток (8), расположенный в направляющих, к которому через упругое измерительное кольцо (9) крепится пластина (10). Для создания предварительного контакта имеются распорный винт (5) и упор (4). Усилие отрыва измеряют при помощи тензорезисторов (6) наклеенных на упругое измерительное кольцо (9). Перемещение пластины (10) измеряют при помощи фотодиода (3), при этом шторка (2) перекрывает часть светового пучка осветителя (1), изменяя освещенность фотодиода. Исследуемый продукт укладывают в специальную емкость (11), которая имеет крышку с отверстием, в которое с малым зазором входит пластина-субстрат. Во время испытаний показания тензорезисторов и фотодиода после усиления записываются на шлейфовом осциллографе, позволяя фиксировать изменение во времени усилия отрыва и перемещение субстрата относительно адгезива.

Универсальный адгезиометр МТИММПа (МАПБ). Прибор (рис. 3.20) предназначен для измерения адгезионных свойств продуктов и позволяет менять в широком диапазоне геометрические, кинематические и динамические и другие параметры измерения.


Рис. 3.19 Адгезиометры:

а) - адгезиометр Б.А.Николаева; б) - Адгезиометр Ю.В.Клаповского.

Прибор имеет корпус (1), подъемный столик (2) с микрометрическим винтом для крепления нижней пластины (субстрата) (3) и устройство для нагружения продукта и отрыва верхней пластины. Верхняя пластина фиксируется держателем, который смонтирован на тензобалке (4), и имеет хвостовик для обеспечения соосности подвижной части системы. В верхней части прибора на поперечной балке корпуса закреплена втулка (8), в которую вставлена поперечина (7) с хвостовиком, на концах которой закреплены серьги (6). На верху корпуса установлен приводной вал с набором шкивов (10) разных диаметров. Вертикально вверх тензобалка перемешается серьгами, которые оканчиваются призмами и шарнирно укреплены на поперечине с хвостовиком. Последняя перемещается во втулке посредством нити (9) и набора шкивов, которые приводятся во вращение от электродвигателя через редуктор (на рисунке не показаны). Для создания предварительного контакта на тензобалку устанавливают грузы (5). В каждой серии опытов тензобалку тарируют, получая зависимость: величина нагрузки - отклонение «зайчика» на осциллограмме.

Рис. 3.20 Универсальный адгезиометр МТИММПа

Параметры прибора: давление предварительного контакта от 300 до 3,5·10 Па; длительность предварительного контакта - 3; 60; 180; 300; 600 с; скорость отрыва верхней пластины от продукта - 0,00167; 0,00358; 0,0093;

0,0193 м/с; площадь пластин - 0,0005; 0,0007; 0,0010; 0,0015 м ; материал пластин - сталь Ст. 3, нержавеющая сталь 1Х18Н9Т, дюралюминий, чугун, фторопласт-4, латунь; высота продукта - от 0,00003 до 0,003 м; относительная погрешность прибора - ±4 %.

Адгезиометр АМ-1. На приборе определение адгезионных свойств продуктов основано на методе сдвига и предназначен для исследования вязко-пластиных материалов, в частности для теста.

Прибор состоит из станины (1), фиксатора (2), штока (3), втулки (4), упругого элемента (5) с закрепленными на нем тензорезисторами, груза (6), матрицы (7) с заготовкой и платформы (8).

Во время испытания, матрица с выпеченной тестовой заготовкой крепится к вертикальному штоку, затем заготовка обжимается двумя полуконическими колодками. При повороте платформы вокруг вертикальной оси происходит сдвиг заготовки относительно неподвижной матрицы. Подъем матрицы при помощи груза позволяет определить усилие отрыва.

Приборы для определения коэффициентов трения. Приборы, применяемые для определения коэффициентов трения, пищевых продуктов называют трибометрами.


Рис. 3.21 Адгезиометр АМ-1

Коэффициент внешнего трения пищевых материалов в зависимости от реологических свойств, состояния фрикционных поверхностей и скорости скольжения определяется различными способами. Классический тип прибора для измерения силы внешнего трения представляет собой пару тел, соприкасающихся плоскими поверхностями, площадь которых может быть от долей квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров. При этом одно из тел смещается относительно другого. Сила, прикладываемая для смещения (трения) одного тела относительно другого, измеряется тензометрическими, динамометрическими или какими-либо другими датчиками.

И. В. Крагельский, положив в основу геометрический и кинематический принципы, предложил известные методы определения коэффициента трения разделить на четыре группы, которые в виде схем показаны на рис. 3.22.

Первая группа - методы, в которых одна плоскость поступательно перемещается относительно другой плоскости (рис. 3.22 а, б, в). По схеме а, продукт перемещается по движущейся исследуемой поверхности, при этом сила трения измеряется динамометром любого типа. Таким наиболее распространенным методом определяют трение твердообразных материалов: мяса, рыбы, хлеба и т.п.

По схеме б, продукт перемещается с помощью груза по исследуемой неподвижной поверхности. Сила трения в этом случае равна минимальной массе груза, необходимой для равномерного перемещения продукта. Этим методом определяют коэффициент трения таких продуктов, как сыр, рыба, кондитерские изделия и др.

По схеме в, продукт скользит по наклонной поверхности. Коэффициент трения определяется по минимальному углу наклона поверхности испытуемого конструкционного материала, по которому скользит пищевой продукт. Такой метод позволяет определить статический коэффициент трения для сыра, сухарей, сыпучих продуктов. Метод считается недостаточно точным и широкого применения не получил.





Рис. 3.22 Методы измерения силы трения скольжения:

а), б), в) - при поступательном перемещении плоскостей;

г), д) - при вращательном движении одной из фрикционных пар;

е) - при соприкосновении образующей цилиндра с плоскостью;

ж) - при перемещении цилиндрической или плоской гибкой поверхности по цилиндрической поверхности

Вторая группа - методы, при которых одна из фрикционных пар совершает вращательное движение. По схеме г продукт, закрепленный на упругой балочке, скользит по вращающейся поверхности из исследуемого материала. Этим методом определяют коэффициент трения мяса, рыбы и т.п. По схеме д продукт лежит на вращающемся диске, исследуемый конструкционный материал скользит по вращающемуся продукту. Сила трения определяется по крутящему моменту, передаваемому от диска образцу.

Третья группа - методы, в которых образующая цилиндра соприкасается с плоскостью. По схеме е балка, совершающая колебательные движения на двух вращающихся навстречу друг другу роликах.

Четвертая группа - методы, в которых одна цилиндрическая или плоская гибкая поверхность перемещается по цилиндрической поверхности (рис. 3.22 ж).

Трибометр с тележкой (рис. 3.23 а). Прибор позволяет определить силу трения и вычислить истинный и эффективный коэффициенты внешнего трения. Он состоит из устройства (1) для измерения силы трения (тензобалка), устройства (2) для создания давления контакта, рамки с исследуемым продуктом (3), тележки с закрепленной на ней пластиной (4) и электропривода (5) со шкивом.

Во время испытаний исследуемый продукт помещают в рамку, устанавливают на плоскую поверхность пластины тележки и включают электродвигатель. Нить, наматываясь на шкив, начинает перемещать тележку, и вместе с ней продукт, заключенный в рамку, от которой через нить передается тензобалке, которая под действием усилия отгибается от своего первоначального положения. При дальнейшем перемещении тележки, усилия между рамкой с продуктом и тензобалкой увеличиваются и, достигнув критической величины, начинается скольжение рамки с продуктом по поверхности пластины тележки. При этом прогиб тензобалки будет оставаться на том же уровне постоянным. Сила трения, возникающая между продуктом и пластиной, фиксируется отклонением тензобалки, величина которого с помощью тензодатчиков, прикрепленных к ней, передается на ленту осциллографа. Для изменения скорости тележки имеется четырехступенчатый шкив, на который наматывается нить. Прибор позволяет менять геометрические (размер площади поверхности контакта, чистоту обработки поверхности и др.), кинематические (скорость смещения тележки, время предварительного контакта и пр.) и динамические (давление предвари тельного контакта, скорость нарастания силы и пр.) факторы. Прибор снабжен комплектом сменных пластин изготовленных из разного материала.

Рис. 4.23 Трибометры:

а) - трибометр с тележкой; б) - трибометр с параллельным смещением пластин;

в) - трибометр с приводной подвижной частью от гидроцилиндров.

Трибометр с параллельным смещением пластин (рис. 3.23 б). Прибор предназначен для определения адгезионных характеристик твердых продуктов, например сыра. Он состоит из грузового устройства (1) для измерения силы трения, устройства (2) для создания давления контакта, пластины (4), снизу и сверху которой, расположен слой исследуемого продукта (3), грузового привода (5) и устройства для измерения перемещения в виде индикатора часового типа (6). Привод пластины осуществляется от груза с подпрессовкой образцов винтовым механизмом. Смещение пластины измеряется индикатором часового типа. Прибор может быть использован для измерения как внешнего трения, так и вязкости при малых градиентах скорости.

Трибометр с приводом подвижной части от гидропривода (рис. 3.23 в). Прибор предназначен для определения силы трения при малой площади контакта и больших нормальных усилиях. Он состоит из тензобалки (1), устройства (2) для создания предварительного контакта, пластины (4) и гидропривода. При измерении больших усилий трения система гидропривода имеет преимущество по сравнению с электроприводом, кроме того, гидропривод обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости.

В настоящее время для достаточно многих мясных продуктов, природа адгезии не выяснена, хотя этому вопросу посвящено большое количество исследований и предложено несколько гипотез для объяснения физико-механи-ческой сущности адгезионных явлений.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: