КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ СТРУКТУРОМЕТР
OSCILLATING STRUCTURE METER

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса гелеобразования при производстве, например, сыров и кисломолочных продуктов, а также для контроля процессов структурообразования в других отраслях промышленности, производящих или применяющих структурированные жидкости.
Известен реометр, предназначенный для исследования кинетики сдвиговой деформации пищевых материалов в условиях вибрации [1]. Прибор имеет основание, на котором на движущейся вертикально и возвратно-поступательно платформе установлена кювета с исследуемой пищевым материалом, в которую вертикально вставлен чувствительный элемент - пластина. Верхним концом пластина подвешена к штоку механического измерителя перемещений часового типа, предназначенного для измерения частоты и амплитуды ее колебаний. Корпус механического измерителя перемещений связан с двуплечим рычагом, на втором плече которого подвешен груз. Исследования проводят при варьировании статических напряжений (при изменении веса груза) и параметров вибрации. Возвратно-поступательные перемещения платформы обеспечиваются эксцентриковым возбудителем (кулачком) от электропривода.
Недостатки в конструкции прибора следующие: а) перемещения платформы с кюветой обеспечиваются эксцентриковым возбудителем (кулачком) с постоянной амплитудой, что снижает область применения прибора, т.к. у различных гелеобразующих сред прочность структуры отличается на порядки. По этой причине для таких сред необходимо экспериментально устанавливать оптимальные значения амплитуды. Например, для сред с "нежной" консистенцией (кисломолочные продукты, крема и др.) необходимо уменьшать амплитуду сдвиговых деформаций, чтобы избежать чрезмерного разрушения структуры и снижения точности измерений, а для сред повышенной прочности - наоборот увеличивать; б) для измерения контролируемого параметра - линейных перемещений пластины (чувствительного элемента) применен механический измеритель часового типа, быстродействие которого ограничивается инерционностью его подвижных деталей, а точность измерений - от квалификации оператора, т.е. от человеческого фактора; в) конструкцией прибора не предусмотрено получение выходного сигнала для автоматической регистрации результатов измерений, что не позволяет использование его в системах автоматического управления технологическим процессом.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является колебательный сдвигометр [2]. Он содержит корпус, основание, на котором смонтировано нагружающее устройство, состоящее из шагового электродвигателя, на валу которого закреплен кулачок, выполненный в виде втулки, к которой с регулируемым эксцентриситетом прикреплен диск винтами, проходящими через два продолговатых отверстия, выполненные в нем по осевой линии. На диск напрессован шарикоподшипник, наружное кольцо которого контактирует с полым подпружиненным толкателем, установленным под кулачком в прикрепленной перпендикулярно основанию центральной втулке с возможностью поступательного перемещения.
Измерительное устройство состоит из калиброванной цилиндрической винтовой пружины, закрепленной верхним витком к нижнему концу полого толкателя, а нижним витком - к измерительному стержню, установленному в подшипниках соосно полому штоку, на нижнем конце которого закреплен чувствительный элемент в виде рифленой пластинки, которая погружена в емкость с контролируемой средой.
Измеритель контролируемого параметра (сил сопротивления среды перемещениям чувствительного элемента) закреплен соосно измерительному стержню на кронштейне, установленном на основании, и включает в себя постоянный магнит, выполненный в виде цилиндра кольцевого поперечного сечения с приклеенным сверху кольцевой формы плоским диском, в отверстие которого соосно постоянному магниту запрессован сердечник. В кольцевую щель между постоянным магнитом и сердечником с зазором и соосно вставлена закрепленная на верхнем конце измерительного стержня катушка с обмоткой, выводы которой подключены к блоку регистрации и обработки результатов измерений.
е
Недостатками колебательного сдвигометра являются: а) в регулируемом кулачке конструктивно не предусмотрена возможность точной установки заданного значения эксцентриситета ; б) сложность конструкции (наличие измерительного стрежня, катушки с обмоткой и составного постоянного магнита); в) при измерениях перемещаются чувствительный элемент, измерительный стержень с прикрепленным к нему кронштейном с калиброванной пружиной, которые обладают определенной инерцией покоя, что снижает точность измерений; г) вследствие шагового (дискретного) вращения вала электродвигателя, особенно при малых угловых скоростях вращения кулачка, на исследуемый материал будут передаваться дополнительные динамические импульсы, которые могут вызвать частичное разрушение образующейся структуры среды и тем самым снизить достоверность результатов измерений.
Реометры, которые предназначены для мониторинга процесса гелеобразования в сплошных средах, т.е. для исследования образования и упрочнения их структуры, называют структурометрами. В качестве контролируемого параметра принимают напряжения или силы сопротивления перемещениям чувствительного элемента в исследуемой среде. В частности, ниже приведены в качестве примера реограммы, полученные при мониторинге процесса гелеобразования молочно-белковых сгустков - сырного сгустка и сметаны с различной массовой долей жира.
Сущность изобретения заключается в том, что в колебательном структурометре, содержащем основание, корпус, нагружающее устройство, измерительное устройство, емкость и блок управления, нагружающее устройство включает присоединенный к валу шагового электродвигателя понижающий редуктор, с передаточным отношением не менее 20:1, на выходном валу которого зафиксирована втулка кулачка, к которой винтами прикреплен диск кулачка с выполненным по его центру сквозным окном. Со стороны втулки и симметрично центральной оси диска кулачка, перпендикулярной оси продолговатых отверстий для винтов, в нем выполнен прямоугольной формы паз, в который с возможностью вращения помещен эксцентрик с шлицем, хвостовик которого с зазором вставлен в центральное отверстие втулки. При этом диск кулачка контактирует с установленным соосно ему в центральной втулке, прикрепленной вертикально над ним к кронштейну основания, толкателем, на верхнем конце которого горизонтально зафиксирован столик с емкостью. Измерительное устройство состоит из размещенного с зазором в емкости чувствительного элемента, выполненного в виде рифленых пластинок, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню, зафиксированному в замке прецизионного тензометрического силоизмерителя, установленного на кронштейне основания.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.
е
На фиг. 1 изображена схема колебательного структурометра, на фиг. 2 - вид по стрелке А; на фиг. 3 - вид эксцентрика для точной регулировки кулачка; на фиг. 4 - вид по стрелке Б; на фиг. 5 - реограммы сырных сгустков в зависимости от варьирования амплитуды (эксцентриситета ) перемещений емкости с исследуемой средой, полученные на предлагаемом изобретении; на фиг. 6 - сравнительные реограммы образования сгустков сметаны с массовой долей жира, %: 15 и 20, полученные на предлагаемом изобретении (фиг. 5, а, реограммы 1 и 2) и на сертифицированном лабораторном ротационном вискозиметре "Rheotest-2 RV" (Германия) (фиг. 5, б, реограммы 1' и 2′), соответственно.
е
Колебательный структурометр имеет основание 1, на котором на кронштейне 2 закреплен шаговый электродвигатель 3, который соединен с понижающим редуктором 4 с передаточным отношением не менее 20:1, на валу которого зафиксирован кулачок, состоящий из втулки 5, к которой прикреплен с заданным эксцентриситетом  диск 6 при помощи винтов, проходящих через два продолговатых отверстия 7, выполненных по оси симметрии диска 6 (фиг. 2). В диске 6 со стороны втулки 5 имеется прямоугольной формы паз 8, расположенный по его оси симметрии, перпендикулярной оси продолговатых отверстий 7. В паз 8 установлен с возможностью вращения эксцентрик 9 с выполненным в нем шлицем 10, хвостовик 11 которого входит в центральное отверстие втулки 5 кулачка (фиг. 3). Для доступа к шлицу 10 эксцентрика 9 в диске 6 предусмотрено центральное отверстие 12 (фиг. 2). Для уменьшения трения на диск 6 напрессован подшипник (кольцо из антифрикционного материала, например капролона, или шарикоподшипник) 13, которое контактирует с толкателем 14 (фиг. 2).
e
max
-3
Толкатель 14 установлен вертикально и соосно над кулачком в закрепленной на кронштейне 2 центральной втулке 15 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, обеспечиваемого любым стандартным способом, например, запрессованным перпендикулярно его продольной оси пальцем 16, который с минимальным зазором перемещается в продольном пазу 17, выполненном в центральной втулке 15 (фиг. 1, фиг 4). При этом на фиг. 2 и фиг. 3 показано положение эксцентрика, при котором эксцентриситет кулачка равен =6·10 м.
На верхнем конце толкателя 14 горизонтально установлен столик 18 с зафиксированной термостатируемой емкостью 19, снабженной входным 20 и выходным 21 патрубками для подключения к жидкостному термостату (детали крепления емкости 19 к столику 18 условно не показаны). В емкость 19 с исследуемой средой погружен чувствительный элемент, состоящий, например, из алюминиевых рифленых пластинок 22, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню 23, который при помощи замка 24 прикреплен к прецизионному тензометрическому силоизмерителю 25, который зафиксирован при помощи пластины 26 на трубчатой стойке 27, установленной на основании 1.
При этом в качестве тензометрического силоизмерителя 25 применен стандартный прецизионный тензометрический блок электронных аналитических лабораторных весов, выпускаемых серийно. Например, Весы Сартогосм MB 210-А. http://www.sartogosm.ru/sartogosm_mv_210_a.html.
Для обеспечения герметичности электропривода при проведении санитарной обработки предусмотрен корпус 28. Для доступа к эксцентрику 9 кулачка в корпусе 28 предусмотрено окно, закрываемое крышкой 29.
е
е
-3
Для установки требуемого значения амплитуды колебаний столика 18 с емкостью 19 (т.е. эксцентриситета кулачка ) предусмотрен индикатор 30 линейных перемещений ИЧ-10 с ценой деления 0,01·10 м, измерительный шток которого упирается в верхний торец емкости 19 (фиг. 1). Индикатор закрепляют на кронштейне 31, зафиксированном винтом 32 на стойке 27. Затем открывают крышку 29 корпуса 28, отверткой через окно 12 ослабляют винты 7 кулачка и, вставив отвертку в шлиц 10, поворачивают эксцентрик 9 (фиг. 2). По показаниям индикатора 30 устанавливают требуемое для исследуемой среды значение амплитуды колебаний (эксцентриситета ) столика 18. Затем завинчивают винты 7 и устанавливают на место крышку 29. После этого, ослабив винт 32, сдвигают кронштейн 31 с индикатором 30 вверх по стойке 27 и фиксируют винтом 32.
Колебательный структурометр работает следующим образом. Подключают разъемы тензометрического силоизмерителя 25 и сетевой кабель шагового электродвигателя 3 с заземляющей шиной к блоку управления (условно не показан), который затем подключают к сети. На столике 18 закрепляют емкость 19, заполненную исследуемой жидкостью, и подключают ее патрубки 20, 21 при помощи шлангов к жидкостному термостату (условно не показан). Затем в замке 24 фиксируют держатель 23 чувствительного элемента 22. На блоке управления задают скорость вращения вала шагового двигателя 3, обнуляют показания тензометрического силоизмерителя 25. При этом схема управления шаговым электродвигателем 3 настроена так, что кулачок 5, 6, 13 в исходном состоянии всегда занимает позицию, при которой толкатель 14 находится в верхнем положении, как показано на фиг. 1 и фиг. 2.
е
Контроль гелеобразования выполняется по следующей методике. С панели блока управления нажатием кнопки «Пуск» подают напряжение на шаговый электродвигатель 3, вал которого приведет во вращение с заданной угловой скоростью диск 6 кулачка, подшипник 13 которого передаст заданные вертикальные возвратно-поступательные перемещения, равные заданному эксцентриситету , через толкатель 14, столик 18, емкости 19 с исследуемой средой. При этом вследствие внутреннего трения среды на чувствительном элементе 22 возникнут силы сопротивления, которые будут возрастать по мере образования и упрочнения объемной структуры геля, которые будут измерены тензометрическим силоизмерителем 25 и переданы в блок управления для обработки и представления результатов измерений.
o
В начале измерений гелеобразующая среда находится в жидком состоянии и практически не оказывает сопротивления перемещениям чувствительного элемента 22. По мере образования объемной структуры в среде сопротивление на поверхности чувствительного элемента 22 при каждом цикле измерений будет возрастать. Вследствие этого на его рабочих плоскостях будут увеличиваться значения предельных напряжений сдвига θ, которые вычисляют по формуле
2
где F - текущее значение силы, регистрируемой тензометрическим силоизмерителем 25, Н; 8 A - площадь рифленых плоскостей 4-х пластинок 22, м(фиг. 1).
При достижении максимальной прочности геля в блоке управления будет сформирован звуковой сигнал о его готовности, а также подан управляющий сигнал в систему автоматизированного управления для перехода к следующей технологической операции его обработки. Цикл измерений окончен.
-3
-3
е
На фиг. 5 показано влияние амплитуды колебаний (при фиксированиии всех других факторов процесса гелеобразования) на форму реограмм и на прочность структуры готового сырного сгустка, полученных на заявляемом изобретении. При этом варьировали амплитуду колебаний емкости 19 в пределах (1,0÷6,0)·10 м. Из анализа реограмм видно, что наиболее достоверно описывает процесс образования геля реограмма, полученная при =2·10 м, на которой четко прослеживаются основные стадии процесса гелеобразования: АВ - стадия индукции, ВС - стадия коагуляции, CD - стадия метастабильного упрочнения.
o
3
э
<mrow><mover accent="true"><mi>γ</mi><mo>˙</mo></mover><mo>=</mo><mn>2,25</mn><msup><mrow><mtext> с</mtext></mrow><mrow><mtext>-1</mtext></mrow></msup></mrow>
Для контроля достоверности реограммы процесса образования сгустков сметаны с массовой долей жира 15 и 20%, полученных на заявляемом колебательном структурометре в координатах «предельное напряжение сдвига θ - продолжительность процесса t» (реограммы 1 и 2, фиг. 6, а), параллельно были проведены сравнительные исследования процесса образования сгустков на лабораторном ротационном вискозиметре «Rheotest-2 RV» (Германия). Исследования были выполнены с использованием измерительной ячейки S/S при постоянной скорости сдвига
. В результате была получены реограммы зависимости «эффективная вязкость η - продолжительность процесса t» (реограммы 1′ и 2′, фиг. 6, б). Опыты выполнены при температуре 32±2°С.
1
1
1
1
1
1
1
Из анализа реограмм видно, что они имеют подобный характер. На обеих реограммах четко выделяются три характерные для данного процесса участка: АВ (АВ) - стадия индукции (молочная смесь жидкая); ВС (ВС) - стадия флокуляции (начало образования объемной структуры и упрочнение сгустков); CD (CD) - стадия метастабильного равновесия (достижение в точках С (С) максимальной прочности сгустков, реограммы терпят излом и выходят на горизонтальный участок) - прочность сгустков не изменяется. При этом отклонения продолжительности соответствующих стадий процесса образования сметанных сгустков находятся в пределах Δ<±4%, т.е. лежат в пределах максимальной относительной погрешности измерений ротационного вискозиметра «Rheotest-2 RV».
Источники информации
1. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник / Под ред. Ю.А. Мачихина. - М.: Агропромиздат. - 1990. - 271 с.
7
2. Пат. 2454655 Российская Федерация, МПК G01N 11/14. Колебательный структурометр / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности - №2011100982/28; заявлен 12.01.11; опубл. 27.06.12, Бюл. №18.