Вибрационные вискозиметры

Вибрационные вискозиметры основаны на измерении частоты или амплитуды вынужденных колебаний тела определенных объема и массы, помещенного в анализируемую жидкость, являющихся функцией вязкости этой жидкости.

Для изучения влияния вибрации на структурно-механические свойства пищевых масс используют различные виды вибровискозиметров. Наиболее распространенными среди них являются ротационные. Эти приборы можно подразделить на три типа:

- приборы с коаксиальными цилиндрами, в которых внешний источник создает вибрацию всего объема испытуемого образца;

- приборы, в которых вибрация в образце создается благодаря колебаниям одного из цилиндров относительно неподвижного;

- одноцилиндровые приборы для изучения свойств материала, подвергаемого вибрации.

Для изучения воздействия вибрации на поведение полимерных и дисперсных систем создан виброреометр с коаксиальными цилиндрами, в котором наружному цилиндру задается перемещение с частотой 6-110 Гц. Эти перемещения воспроизводятся механической системой, включающей эксцентрик.

Ряд исследователей использовали известные приборы, приспособив их для изучения свойств структурированных систем при вибрации, например серийный вискозиметр РВ-8. Наружный цилиндр устанавливали на вибростенде, а внутренний крепили на специальном штативе.

С целью изучения механизма процесса разрушения структуры при одновременном действии вибрации и деформации сдвига разработана вибрационная приставка к ротационному эластовискозиметру, которая позволяет изменять ускорения гармонической вибрации в пределах от 0 g до 20 g, а при ударном режиме – до 500 g. Параметры вибрации определяют с помощью измерительного микроскопа и блока измерения частоты, скорости и ускорения, снабженного пьезоэлектрическим датчиком. На пленке осциллографа одновременно с изменением момента на валу внутреннего ротора записывают и изменение ускорения вибрации.

Приборы, определяющие реологические характеристики материала при вибрации, можно условно разделить на три основные группы. К первой относятся вискозиметры, предназначенные для определения вязкости системы методом вибрации. Вибровискозиметр такого типа содержит колеблющийся измерительный элемент (пластину, шар, стержень), погруженный в жидкость. По параметрам колебаний, которые зависят от свойств исследуемой среды, определяется вязкость. Вибровискозиметры первой группы позволяют создать устройства для непрерывного и автоматического измерения вязкости, например в потоке.

Вторую группу составляют вибровискозиметры, которые обеспечивают измерение вязкости в условиях наложения колебаний на стационарное течение.

В третью группу входят вибровискозиметры, моделирующие исследуемый процесс. К недостаткам этих конструкций относятся: неинвариантность реологических характеристик к размерам приборов, а также необходимость частого использования условных величин.

В МТИППе создан ротационный вибровискозиметр в котором использован механический источник колебаний. С помощью вибровискозиметра определяют скорость сдвига, напряжение сдвига и эффективную вязкость. Схема измерительной головки представлена на рис. 3.24.

Измерительная головка содержит внутренний 9 и наружный 10 цилиндры, неподвижную камеру 2 с поршнем 1. Цилиндр 10 имеет рифленую втулку 11. Внутренний цилиндр приводится во вращение парой свободнопадающих грузов 3, подвешенных на нитях 4, которые закреплены на барабане 6 и перекинуты через блоки 5. Барабан 6 жестко посажен на вал внутреннего цилиндра 9. Поршень 1 пермещается по камере 2 с помощью винтового механизма, содержащего винт 16, гайку 17 и маховик 18.

Давление в массе фиксируется датчиком 12, сигналы которого усиливаются прибором 13 и регистрируются на приборе 14. Для центрирования поршня служит шарик 15. Для обеспечения избыточного давления наружный цилиндр имеет заглушку 8 с фторопластовым уплотнительным кольцом 7. Наружный цилиндр 10 снабжен двумя сменными рычагами 20 и 26 (рис. 3.24, б и в). Рычаг 20 служит для сообщения наружному цилиндру осевых колебаний, он может поворачиваться вокруг неподвижной оси 21 и присоединяется к цилиндру 10 так, что пальцы 22 цилиндра входят в соответствующие пазы рычага 20. Рычаг 26 служит для сообщения наружному цилиндру вращательных колебаний. Оба рычага имеют вилку, которая охватывает эксцентрик 19 вибратора. Для фиксации необходимого направления колебаний наружного цилиндра предназначено направляющее устройство, состоящее из кронштейна 23 и планки 24 с пазом. К наружному цилиндру привинчивается конический палец 25, который при колебаниях цилиндра скользит по поверхности паза.

Рис. 3.24 Ротационный вибровискозиметр МТИППа:

а – измерительная головка; б – и в – колебательные устройства

Основные размеры измерительной части вискозиметра: диаметр наружного цилиндра 30 мм, диаметр внутреннего цилиндра 10 мм, длина цилиндра 80 мм. Частота вращения эксцентрика изменяется от 62 об/мин до 1915 об/мин, эксцентриситет – в диапазоне 0-6 мм.

Испытуемую массу загружают в камеру 2 и поршнем 1 нагнетают в кольцевую цилиндрическую полость между внутренним и наружным цилиндрами. С помощью коробки передач и клиноременных передач устанавливают необходимое значение частоты вращения эксцентрика, а по индикатору – заданную величину суммарного эксцентриситета. Затем нагружают внутренний цилиндр. Груз 3, опускаясь, нажимает на верхнюю планку А (см. рис. 3.24, а), которая замыкает электрическую цепь счетчика-секундомера. После прохождения груза мимо нижней планки Б последняя размыкает цепь секундомера. Тем самым измеряется время прохождения грузом расстояния между планками А и Б.

Расчет линейной амплитуды колебаний А (в м) наружного цилиндра производится по формуле:

А = е К_р, (3.11)

где е - величина эксцентриситета, м; К_Р - коэффициент рычага, определяемый отношением длин его плеч.

Угловая скорость , 1/с внутреннего ротора:

= 2 n_р / , (3.12)

где n - общее количество оборотов ротора, об/мин; - время, за которое груз проходит расстояние между контактами, с.

В вибрационных вискозиметрах используются две схемы измерения параметров, связанных с вязкостью среды: измеряют затухание свободных колебаний пластинки, погруженной в контролируемую среду, или измеряют амплитуду вынужденных колебаний такой же пластинки, находящейся под действием периодически возникающей силы с постоянной характеристикой.

Принцип действия вибрационного вискозиметра (рис. 3.25) основан на измерении амплитуды вынужденных колебаний.

Рис. 3.25 Структурная схема вибрационного вискозиметра

В емкость 1, в которой находится анализируемая жидкость, опускается вибрационная насадка 2, получающая колебания от электромагнитного возбудителя 3. Напряжение, пропорциональное амплитуде вынужденных колебаний насадки 2, снимается с электромагнитного приемника (адаптера) 4 и подается на усилитель 5, с которого сигнал измерительной информации поступает на прибор 6.

Прибор М. Бирнбойма имеет электромагнитное возбуждение малоамплитудных колебаний и раздельное измерение усилий и деформаций. Деформирование образца осуществляется при аксиальных смещениях соосных цилиндров (рис. 3.26).

С.В. Сорокиным и С.А. Мачихиным разработан маятниковый вискозиметр (рис. 3.27) предназначенный для определения вязкости ньютоновских и маловязких жидкостей. Прибор имеет точное теоретическое обоснование только для ньютоновских жидкостей. При испытании аномальных систем определяется эффективная вязкость, соответствующая средней скорости движения рабочего тела. Принцип работы основан на регистрации логарифмического декремента колебаний физического маятника в испытуемой жидкости.

Испытуемая жидкость помещается в сосуд, расположенный в нижней части прибора. Маятник отклоняется кулачково-зубчатым механизмом на начальный угол, не превышающий, как правило, 10 градусов; жидкость в сосуде термостатируется с помощью водяной рубашки. В случае необходимости в рабочей камере создается избыточное давление или разрежение. Затем маятник выводится из отклоненного положения, возникающие после этого затухающие колебания регистрируются самопишущим прибором. Определение вязкости испытуемой жидкости не требует каких-либо сложных расчетов, поэтому прибор является экспрессным.

Рис. 3.26 Принципиальная схема вибровискозиметра: 1 - неподвижный стакан; 2 - изучаемый материал; 3 - колеблющийся стержень; 4 - упругие подвески; 5 - постоянный магнит; 6 - магнито-провод; 7 - датчик перемещений; 8 - силовая обмотка; А – от датчика колебаний; Б – к измерительной системе

Рис. 3.27 Маятниковый вискозиметр МТИППа: 1 - основание; 2 -рабочее тело; 3, 17 - штуцера для теплоносителя; 4 - болт; 5 - крышка; 6 - маятник; 7 - перфорированный диск; 8 - опора; 9 - ось; 10 - манометр; 11-штуцердля сжатого воздуха; 12 -зубчатый сектор; 13 - стержень; 14 -сменный груз; 15 - фиксатор; 16 -водяная рубашка

Поверка представляет собой его одновременную градуировку. Сначала определяется постоянная прибора при затухании колебаний маятника в воздухе, затем строится график зависимости времени затухания колебаний маятника от первоначальной амплитуды до заданной, в зависимости от динамической вязкости калибровочных жидкостей.

Наиболее значительная погрешность наблюдается при испытании слабоструктурированныханомальновязких жидкостей. При увеличении скорости сдвига, например для жидких полуфабрикатов хлебопекарного производства более 12 с^-1, погрешность измерения эффективной вязкости составляет около 10 %.

Ряд исследователей использовали известные приборы, приспособив их для изучения свойств структурированных систем при вибрации, например серийный вискозиметр РВ-8. Наружный цилиндр устанавливали на вибростенде, а внутренний крепили на специальном штативе.

Вибрационный вискозиметр ВНИИМПа состоит из зонда и электронного блока. Зонд представляет собой герметичный металлический цилиндр, в дно которого впаяна полуволновая магнитострикционная пластинка, одна половина которой выступает за пределы цилиндра, а другая расположена внутри него и охватывается смонтированной в нем катушкой с возбуждающей обмоткой. В места впая пластинки возникают продольные колебания, частота которых определяется ее длиной. Колебания пластинки, возбуждая в окружающей среде поперечные волны, затухают вследствие обратной реакции среды, зависящей от ее вязкости. Эта зависимость регистрируется электронным показывающим индикатором.

Вибрационные вискозиметры позволяют измерять вязкость ньютоновских и неньютоновских сред в диапозоне от сотых долей до 10⁶ Па·с и могут использоваться для непрерывного измерения вязкости.

С целью изучения механизма процесса разрушения структуры при одновременном действии вибрации и деформации сдвига служит вибрационная приставка к ротационному эластовискозиметру, позволяющая изменять ускорения гармонической вибрации в пределах от 0 g до 20 g, а при ударном режиме – до 500 g. Источником гармонических колебаний является стенд, работающий от усилителя звуковых колебаний УЗГ-10 в диапазоне частот 20-200 Гц и амплитуд 1,0-0,1 мм. Параметры вибрации определяют с помощью измерительного микроскопа и блока измерения частоты, скорости и ускорения, снабженного пьезоэлектрическим датчиком. На пленке осциллографа одновременно с изменением момента на валу внутреннего ротора записывают и изменение ускорения вибрации.

Учитывая преимущества, присущие вибрационным вискозиметрам, а также особенности большинства пищевых продуктов как объектов измерений, следует признать перспективность для пищевой промышленности ультразвуковых устройств, которые в настоящее время выпускаются как унифицированные приборы общепромышленного применения.