Приборы для измерения структурно-механических свойств в технологическом потоке

Технологические приборы. В некоторых приборах, применяемых в пищевой промышленности, не производится непосредственное измерение вязкости продукта, но получаемая на них диаграмма, ее форма и размеры зависят от этой величины.

Таким прибором является амилограф фирмы «Брабендер» (рис. 3.29). Этот прибор позволяет косвенным путем определять изменение вязкости при замесе теста.

Порядок работы на приборе следующий: смеситель 9 заполняется суспензией муки в воде, в него погружается деталь, которая связана с чувствительной измерительной системой 6. С помощью электродвигателя 1 смесителю 9 придается равномерное вращение, при этом наличие вязкого материала заставляет деталь 10 поворачиваться на некоторый угол.

Возникающий таким образом момент через измерительную систему регистрируется записывающим приспособлением 5.

Рис. 3.29 Амилограф

При необходимости может производиться подогревание суспензии электрическим обогревателем 2, температура контролируется контактным термометром 8, установка необходимой температуры производится вращением рукоятки 7. Исследование можно проводить как при постоянной, так и при непрерывно и равномерно повышающейся температуре. В последнем случае для автоматического управления присоединяется устройство 3 с синхронным двигателем 4. Таким образом, на непрерывно движущейся бумаге вычерчивается диаграмма, причем перемещение пишущего устройства пропорционально вязкости суспензии.

В технологических лабораториях для определения качества и особенностей обработки пшеничного теста применяется фаринограф (рис. 3.30). На фаринографе можно производить специальные исследования влияния температуры, различных добавок и времени расстойки на консистенцию теста.

Рис. 3.30 Фаринограф

Работает он следующим образом: в месилку 1 загружается 450 г исследуемого теста. Движение месильным лопастям передается от электродвигателя 3, ось ротора которого находится в подшипнике 4. Сопротивление, которое испытывают лопасти месилки при вращении в исследуемом тесте, изменяется и как реактивный момент передается на корпус двигателя, поворачивая его в противоположном направлении. Это сопротивление через систему рычагов 7, колебания которых смягчаются масляным демпфером 8, передается на весы 5 и регистрирующий прибор 6. На приборе записывается диаграмма в осях «нагрузка-время», высота кривой показывает плотность теста. Термостат 2 обогревает корпуса месилки и демпфера.

Одним из недостатков некоторых методов исследования хлебопекарных свойств муки является то, что в исследуемом образце теста нет такого важного компонента, как дрожжи. Это устраняется использованием прибора фирмы «Брабендер» – матурографа (рис. 3.31).

Рычаг 1 на одном конце шарнирно закреплен, на другом имеет ролик, находящийся в контакте с кулачковой шайбой. Усилие замыкания кинематической пары создается грузом 4, асимметрично установленным на рычаге. Вал с жестко закрепленным на нем диском 3 механически связан с регистрирующим пером.

Рис. 3.31 Матурограф:

1 - рычаг; 2 - вал; 3 - диск; 4 - груз; 5 - кулачок; 6 - регистрирующее перо

Порядок работы на приборе следующий: порция теста 9150 г) закладывается в стакан и помещается в камеру, где поддерживается температура 30 ⁰С и относительная влажность 80-85 %. В начале испытания расстояние между дном стакана и диском минимальное (36 мм).

Прибор регулируется так, чтобы давление диска на тесто достигло 200 ед., в которых протарирован матурограф. Каждые 2 мин автоматически происходит механическое сжатие теста, помещенного в стакан, после чего диск как постоянный груз давит на бродящее тесто. В зависимости от количества газа, выделенного при брожении, газоудерживающей способности и упругости теста диск поднимается до различных уровней, но через 2 мин опять вдавливается в тесто. Перемещения диска фиксируются на диаграмме регистрирующего механизма.

Для оценки хлебопекарных свойств муки используются три величины: продолжительность окончательной расстойки, сопротивление теста и стабильность теста в конце расстойки.

Наряду с приборами, реализующими традиционные реологические методы измерения, в последнее время получили распространение промышленные и лабораторные приборы, основанные на других способах.

Для контроля структуры и консистенции сыра предложен прибор, в котором рабочим органом является струна. По усилию резания струной можно судить о консистенции сыра.

Также в молочной и мясной промышленности получил распространение метод среза продукта: между поверхностями плоских пластин, между цилиндрами с отверстиями, при вдавливании поршня диаметром 0,04 м в образец толщиной 0,05 м и т.д.

Существуют приборы, которые моделируют разжевывание продукта, раздавливание и пр.

Для определения готовности фарша при куттеровании используют приборы с упругой балкой консольного типа. На конце консоли закреплен рабочий орган: сфера, пластина, шток и др.

Вискозиметр Г.В. Бакунца имеет (рис. 3.32) рабочий орган, который помещают в «неограниченную» движущуюся среду, например в фарш, находящийся в чаше куттера. В соприкосновение с продуктом приходит только часть шаровой поверхности, что вызывает поворот шара. Момент силы вязкого сопротивления уравновешивается моментом закручивания пружины, показания отсчитываются на шкале прибора.

Рис. 3.32 Вискозиметр Г.В. Бакунца:

1 - сферическая измерительная поверхность; 2 - щиток; 3 - механическая система для регистрации угла закручивания сферы; 4 - электрический датчик угла закручивания (переменное проволочное сопротивление)

Плотность (количество массы вещества в единице объема) жидкообразных систем определяют ареометрами или пикнометрами, с помощью которых измеряют вес определенного объема жидкости. Плотность пластично-вязких систем определяют пикнометрами. Для продукта берут сосуд цилиндрической формы. Значения плотности в большой степени зависят от тщательности укладки и давления.

Непрерывнодействующие приборы. В настоящее время появляется все большая необходимость в непрерывном контроле вязкости различных масс в производственных процессах.

Швейцарская фирма «Контравес» изготавливает для этих целей вискозиметры, которые могут погружаться в открытые ванныили встраиваться в трубопроводы. В случае необходимости такие промышленные вискозиметры могут подключаться к регулирующим вязкость приборам – так называемым вискостатам, например, с целью поддержания неизменной вязкости данного вещества путем изменения температуры или другого технологического параметра.

Представляют интерес автоматические вискозиметры фирмы «Брабендер» (Германия), которые позволяют испытывать неньютоновские жидкости при различной температуре (20-97 ⁰С), постоянной и переменной во времени. Этой же фирмой производится конвиграф – устройство для непрерывного измерения вязкости суспензии и эмульсии, паст, шоколадных масс (рис. 3.33).

Цилиндрическая головка измерителя, смонтированная на изогнутом валу, помещается в трубопровод, по которому непрерывно движется материал. Для повышения точности замера вязкости продукта (путем исключения воздействия скоростного напора движущейся массы) головка измерителя заключается в защитный кожух с продольными прорезями. Гибкая рубашка предотвращает попадание массы в корпус прибора и в опоры вала измерителя. Синхронный электродвигатель, имеющий две частоты вращения (15 и 20 об/мин), приводит во вращение вал головки измерителя, движению которой препятствуют силы вязкостного трения материала. Когда измеряют вязкость масс малой консистенции, на головке измерителя закрепляется обечайка. В результате увеличиваются рабочая поверхность головки и равнодействующая сил вязкостного сопротивления, что повышает точность определения консистенции.

Прибор крепится к материалопроводу накидной гайкой. Устанавливая переключатель, диапозона измерения момента сопротивления в определенное положение и задавая соответствующую частоту вращения головке, можно определять вязкость в широких пределах. Точность измерения составляет + 1 % от предельного значения шкалы. Прибор может также быть использован в системах автоматического регулирования вязкости дисперсных систем, транспортируемых по различным каналам.

В МТИММПе разработано устройство для исследования структурно-механических свойств колбасного фарша в потоке (рис. 3.34.). Устройство включает корпус, имеющий неподвижную часть 14 и подвижную часть 6. На неподвижной части укреплена рама 15 с роликами 2 и проушина 11, связанная с подпружиненным кронштейном 5. Внутри рамы 15 установлена катушка 13 с первичной обмоткой 10 и вторичными встречновключенными обмотками 9 и 12, подключенными через преобразователь к потенциометру (на чертеже не показаны). Встречное включение вторичных обмоток необходимо для компенсации начальной э.д.с. при отсутствии внешней нагрузки. Подвижная часть 6 корпуса имеет рифления 1 для контактирования с исследуемым продуктом, нагревательные элементы 4, поддерживающие постоянную температуру в месте контакта, каналы 3, служащие направляющими для роликов 2, сердечник 7 из магнитного материала и возвратную пружину 8.

Рис. 3.33 Конвиграф: 1- защитный кожух с прорезями; 2 - головка измерителя; 3 - обечайка; 4 - гибкая рубашка; 5 - изогнутый вал; 6 - накидная гайка; 7 – измеритель крутящего момента; 8 - задатчик; 9 - переключатель диапазона измерения; 10 - электродвигатель; 11 - верхняя крышка

Рис. 3.34 Устройство для измерения реологических свойств материала в потоке.

При определении структурно-механических свойств устройство устанавливают в технологической машине при помощи подпружиненного кронштейна 5 таким образом, чтобы рифления 1 соприкасались с исследуемым материалом. После этого включают нагревательные элементы, которые поддерживают температуру рифленой поверхности в пределах 35-36 ⁰С. Затем подают на первичную обмотку переменное напряжение, что вызывает возникновение э.д.с. во вторичных обмотках, фиксируемое контрольными приборами, например автоматическим потенциометром.

При движении продукта относительно устройства он взаимодействует с рифлениями 1 подвижной части корпуса, при этом происходит ее перемещение относительно неподвижной части. Сердечник 7, перемещаясь в катушке 13, меняет э.д.с. вторичных обмоток, что фиксируется контрольным прибором.

Контроль может осуществляться в течение всей технологической операции или периодически.

При использовании автоматического записывающего потенциометра в качестве контрольного прибора возможно фиксирование изменения структурно-механических свойств исследуемого материала во времени.

В качестве приборов, позволяющих замерять характеристики продуктов в потоке, могут быть использованы ультразвуковые вискозиметры. Однако серийный прибор ВУЗ-1 не нашел широкого применения из-за малой точности и сложности. В работе предлагается проточный низкочастотный вискозиметр (рис. 3.35, который содержит сердечник 1 цилиндрической формы с запрессованным в нем магнитом 3. Сердечник укреплен на растяжках 7 на съемном кольце 6. Верхняя часть сердечника входит в высокочастотную катушку индуктивности 2. Возбуждающая катушка 4 расположена снаружи корпуса 5 и соединена с усилителем мощности. Исследуемая жидкость протекает по направлению стрелок на рисунке через стакан 8 и корпус 5.

Рис. 3.35 Проточный вискозиметр:

(А – к высокочастотному генератору, Б – к усилителю мощности)

Во ВПКНИИ автоматизации пищевой промышленности разработано устройство для непрерывного измерения вязкости теста, приготовляемого на тестомесильных машинах непрерывного действия. Работает оно следующим образом. Тесто непрерывным потоком поступает в бункер, а затем двухступенчатым шнеком нагнетается в камеру под мембрану датчика давления. Пройдя камеру, тесто выходит через отверстие. Изменение физико-механических свойств теста влияет на давление, воспринимаемое мембраной датчика, по показаниям которого определяют вязкость теста.

Приведенный перечень приборов, конечно, не является исчерпывающим, в нем приведены основные приборы, используемые в пищевой промышленности.

В каждой работающей конструкции измерительных приборов должны быть учтены особенности, способные влиять на точность результатов. Практика измерений показывает, что один и тот же прибор обладает различной точностью измерений в зависимости от степени однородности испытуемой структуры.

Опыты показывают, что максимально допустимые отклонения величин параллельных измерений механических параметров не должны превышать 10-15 %. При повышении этих отклонений необходимо уточнить, чем они вызваны и принять меры, способствующие улучшению условий измерения, вплоть до использования измерительного прибора другой конструкции.

Контрольные вопросы:

1. Дайте классификацию реометров и определите область их применения.

2. Опишите схемы ротационных вискозиметров и обоснуйте необходимость получения инвариантных величин сдвиговых структурно-механических характеристик при использовании различных конструкций приборов.

3. Дайте классификацию методов измерения реологических характеристик.

4. Какие вискозиметры используют для измерения вязкости жидких (условно-ньютоновских) молочных продуктов?

5. Какие вискозиметры используют для измерения структурно-механических характеристик жидкообразных и твердообразных молочных продуктов?

6. Назовите приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов.

7. Назовите приборы для измерения компрессионных свойств пищевых масс.

8. Назовите приборы для измерения поверхностных свойств пищевых продуктов.

9. Назовите приборы для измерения структурно-механических свойств в технологическом потоке.

10. Какие приборы получили наибольшее распространение для измерения предельного напряжения сдвига?