КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ СДВИГОМЕТР
OSCILLATORY SHIFT METRE

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования молочного сгустка при производстве сыров и кисломолочных продуктов. Кроме того, реометр может быть использован для контроля процессов структурообразования в биологической, химической и других отраслях промышленности.
Известен прибор, предназначенный для исследования кинетики сдвиговой деформации пищевых материалов в условиях вибрации [1]. Прибор имеет основание, на котором на движущейся возвратно-поступательно платформе установлена кювета с исследуемым пищевым материалом, в которую вертикально вставлена 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 от электропривода.
Недостатком прибора является то, что для измерения линейных перемещений пластины применен механический измеритель часового типа, быстродействие которого ограничивается инерционностью его составляющих деталей и может внести погрешности в результаты измерений. Кроме того, конструкция прибора не позволяет получать выходной сигнал для его использования в системе автоматического управления технологическим процессом.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является вибрационный реометр [2]. Он состоит из корпуса, в котором на основании смонтировано нагружающее устройство, включающее мотор-редуктор, на валу которого закреплен кривошип с рычагом, нижний конец которого шарнирно соединен с полым штоком, установленным с возможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения в двух подшипниках. Измерительный блок выполнен в виде стальной цилиндрической пружины, верхний конец которой соосно прикреплен к штоку, а нижний конец - к стержню с измерительным элементом в виде полого шара. Измеритель линейных перемещений шара включает прозрачный диск, на котором с равным шагом по окружности нанесена контрастным цветом радиальная штриховая шкала, напротив которой с одной стороны диска установлен источник постоянного света, а с другой стороны и напротив источника света расположен счетчик импульсов. Причем диск закреплен на измерительном валике, установленном в подшипнике на основании. Вращение прозрачного диска осуществляется замкнутой подпружиненной гибкой связью, переброшенной через измерительный валик и одноручьевой шкив, установленный в подшипнике на основании. Вращение одноручьевого шкива осуществляется прикрепленной к нему гибкой связью, второй конец которой присоединен соосно к стержню с шаром.
При включении реометра мотор-редуктор через кривошип, рычаг, полый шток и цилиндрическую пружину передаст возвратно-поступательные движения шару, погруженному в исследуемую контролируемую среду - образующийся молочный сгусток. По мере образования и упрочнения молочного сгустка сопротивление движению шара будет возрастать, что приведет к отставанию его линейных перемещений от возвратно-поступательных перемещений штока, задаваемых мотор-редуктором. Это вызовет деформацию пружины, которая через гибкую связь, одноручьевой шкив и замкнутую гибкую связь вызовет поворот прозрачного диска счетчика импульсов, от которого сигнал будет передан в блок регистрации и обработки для формирования управляющего сигнала для системы автоматического управления процессом.
Недостатками реометра являются: сложность конструкции, что затрудняет настойку и обслуживание прибора; применение подпружиненной замкнутой гибкой связи может снизить точность измерений из-за возможного ее проскальзывания относительно измерительного валика и(или) одноручьевого шкива. Кроме того, в реометре не предусмотрена возможность регулирования угловой скорости вала мотор-редуктора, что усложняет возможность изменения частоты колебаний измерительного элемента при настройке прибора для контроля образования сычужных или кисломолочных сгустков, имеющих различные прочностные характеристики структуры готовых сгустков.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.
Реометры, в которых принцип измерения основан на создании в контролируемой среде касательных напряжений чистого сдвига, называют сдвигометрами. В частности, такие напряжения возникают в сплошной среде при использовании чувствительного элемента в виде поступательно перемещающейся пластинки, которая и применена в описываемом предлагаемом изобретении.
Сущность изобретения заключается в том, что в сдвигометре для контроля образования молочного сгустка, содержащем корпус, основание, чувствительный элемент, нагружающее устройство и измерительное устройство, нагружающее устройство включает шаговый электродвигатель, установленный на основании, на валу которого закреплен кулачок, состоящий из втулки, к которой с регулируемым эксцентриситетом прикреплен диск винтами, проходящими через две прорези, выполненные в нем по осевой линии. На диск напрессован шарикоподшипник, наружное кольцо которого контактирует с тарелкой полого подпружиненного толкателя, установленного в прикрепленной к основанию центральной втулке с возможностью поступательного перемещения, обеспечиваемого запрессованным в него перпендикулярно продольной оси пальцем, изготовленным из антифрикционного материала и перемещающимся с минимальным зазором в продольном пазу центральной втулки. Измерительное устройство состоит из калиброванной цилиндрической винтовой пружины, закрепленной верхним витком к кронштейну, установленному на нижнем конце полого толкателя, а нижним витком - к кронштейну, зафиксированному на установленном в двух прецизионных подшипниках соосно полому штоку измерительном стержне, на нижнем конце которого закреплен чувствительный элемент в виде вертикально расположенной рифленой с обеих сторон пластинки. При этом верхний прецизионный подшипник установлен на пластине, прикрепленной к кронштейну, установленному на основании, а нижний - в стакане, зафиксированном соосно на центральной втулке. На кронштейне, закрепленном на основании соосно измерительному стержню, установлен постоянный магнит, выполненный в виде цилиндра кольцевого поперечного сечения с приклеенным сверху кольцевой формы плоским диском, в отверстие которого соосно постоянному магниту запрессован сердечник. Причем диск и сердечник изготовлены из мягкой стали. В кольцевую щель между постоянным магнитом и сердечником с зазором и соосно вставлена обмотка, намотанная на катушке, закрепленной на верхнем конце измерительного стержня.
На фиг.1 изображена схема колебательного сдвигометра, на фиг.2 - вид по стрелке А, на фиг.3 - вид по стрелке В, на фиг.4 - сравнительные реограммы образования сычужного сгустка, полученные на предлагаемом изобретении (реограмма 1) и на лабораторном ротационном вискозиметре "Rheotest-2" (реограмма 2) (Германия).
Колебательный сдвигометр (далее по тексту - сдвигометр) имеет основание 1, на котором на кронштейне 2 закреплен шаговый электродвигатель 3, на горизонтально расположенном валу которого зафиксирован кулачок, выполненный в виде втулки 4, к которой винтами (условно не показаны) прикреплен с регулируемым эксцентриситетом е диск 5, в котором по оси симметрии выполнены две прорези 7 для винтов (фиг.2). На диск 5 для уменьшения трения напрессован шарикоподшипник 6, который прижат к тарелке 8 полого толкателя 9, нагруженного для обеспечения постоянного контакта с кулачком (с подшипником 6) пружиной 10 и установленного в закрепленной на основании 1 центральной втулке 11, с возможностью поступательного перемещения, для обеспечения которого в полый толкатель 9 запрессован перпендикулярно его продольной оси палец 12, изготовленный из антифрикционного материала, который перемещается с минимальным зазором в продольном пазу 13, выполненном в центральной втулке 11 (фиг.3).
К нижнему концу полого толкателя 9 при помощи кронштейна 14 прикреплен верхний виток измерительной калиброванной цилиндрической винтовой пружины 15 (далее по тексту - измерительная пружина 15), а ее нижний виток при помощи кронштейна 16 присоединен к соосно проходящему через полый толкатель 9 измерительному стержню 17, на нижнем конце которого при помощи замка 18 зафиксирован держатель 19 с чувствительным элементом на конце, выполненным в виде рифленой с обеих сторон пластинки 20. Рифления предназначены для исключения проскальзывания пластинки 20 относительно образующегося сгустка, что позволит повысить точность измерений при работе сдвигометра. Измерительный стержень 17 установлен в двух прецизионных подшипниках. Причем верхний подшипник 21 установлен на пластине 22, прикрепленной к кронштейну 2, а нижний подшипник 23 - в нижней части стакана 24, соосно и герметично закрепленного на центральной втулке 11.
К кронштейну 2 при помощи регулировочной вставки 25 прикреплен соосно измерительному стержню 17 постоянный магнит 26, выполненный в виде цилиндра кольцевого поперечного сечения, с приклеенным сверху кольцевой формы плоским диском 27, в отверстие которого соосно постоянному магниту 26 запрессован сердечник 28. При этом диск 27 и сердечник 28 выполнены из мягкой стали. В кольцевой щели между постоянным магнитом 26 и сердечником 28 установлена с зазором и соосно катушка 29 с обмоткой 30, закрепленная на верхнем конце измерительного стержня 17. Выводы обмотки 30 подключены к блоку управления (условно не показан).
Для обеспечения герметичности при проведении санитарной обработки сдвигометр закрыт герметичным корпусом 31. Кроме того, на нижней части стакана 24 навинчена крышка 32, в центральном отверстии которой установлен конусообразной формы кольцевой уплотнитель 33. При завинчивании крышки 32 уплотнитель 33 контактирует с конусом 34, закрепленным на измерительном стержне 17. При этом измерительная пружина 15 сжимается и герметизирует соединение «уплотнитель 33 - конус 34».
Для уменьшения начальной деформации измерительной пружины 15 детали измерительного блока: измерительный стержень 17, замок 18, держатель 19 с рифленой пластинкой 20, кронштейн 16 и конус 34 выполнены из легких сплавов, а катушка 29 - из картона.
Сдвигометр работает следующим образом. Его закрепляют к стенке рабочего резервуара при помощи кронштейна (условно не показан) таким образом, чтобы рифленая измерительная пластинка 20 полностью погрузилась в контролируемую молочную среду.
Подключают выводы обмотки 30 и сетевой кабель шагового электродвигателя 3 с заземляющей шиной к блоку управления (условно не показан), который затем подсоединяют к сети. Т.к. измерительная пружина 15 имеет начальную упругую деформацию, вызванную весом деталей измерительного блока реометра, то эту деформацию компенсируют («обнуляют») электрическим путем, нажав на блоке управления кнопку «Сброс». В зависимости от вида получаемого сгустка (сычужный, кисломолочный и др.) на блоке управления задают требуемую скорость вращения вала шагового двигателя, а также периодичность его включения. При этом схема управления шаговым двигателем 3 настроена таким образом, что кулачок с подшипником 6 в исходном состоянии всегда занимает положение, при котором полый толкатель 9 находится в верхнем положении, как показано на фиг.1. Сдвигометр к работе готов.
Процесс контроля образования молочного сгустка. С панели блока управления нажатием кнопки «Пуск» подают напряжение на шаговый электродвигатель 3, вал которого приведет во вращение с заданной угловой скоростью диск 5 кулачка, подшипник 6 которого передаст заданное поступательное перемещение, равное эксцентриситету е (фиг.2), через тарелку 8, полый толкатель 9, измерительную пружину 15 и измерительный стержень 17 чувствительному элементу - рифленой пластинке 20, погруженной в контролируемую молочную среду. Сделав один оборот (одно измерение), шаговый электродвигатель 3 отключится на заданное время. Затем измерения будут циклически повторяться до готовности сгустка.
0
В начале измерений молоко находится в жидком состоянии и практически оказывает незначительное вязкостное сопротивление перемещениям рифленой пластинки 20 (реограмма 1, фиг.4). По мере образования объемной структуры сгустка сопротивление возвратно-поступательным перемещениям рифленой пластинки 20 при каждом цикле измерений будет возрастать, вследствие чего на ее рабочих плоскостях будут увеличиваться значения предельных напряжений сдвига θ, которые вычисляют по формуле:
2
0
где F - текущее значение продольной силы, возникающей в измерительной пружине 15, Н; 2А - площадь рифленых плоскостей пластинки 20, м; С - жесткость измерительной пружины 15 при сжатии, Н/м, определяемая ее тарировкой или расчетным путем; х - линейная деформация измерительной пружины 15, равная разности задающих линейных перемещений полого толкателя 9 и текущих линейных перемещений рифленой пластинки 20 в упрочняющемся сгустке при каждом цикле нагружения.
0
0
o
o
max
Линейные деформации х измерительной пружины 15 через кронштейн 16, измерительный стержень 17 вызовут равные этим деформациям перемещения катушки 29 с обмоткой 30 относительно магнитной системы 26, 27, 28. При каждом пересечении постоянного магнитного поля в обмотке 30 катушки 29 будет возникать электрический сигнал, пропорциональный текущим значения деформаций х. Этот сигнал будет передан в блок управления, и после обработки по формуле (1) результат будет выдан в абсолютных единицах на индикаторе в виде текущих значений предельных напряжений сдвига θ, Па. На стадии готовности сгустка, т.е. максимального его упрочнения (при θ=θ) показания датчика линейных перемещений становятся постоянными. В блоке управления будет сформирован звуковой сигнал о готовности сгустка и подан управляющий сигнал в систему автоматизированного управления для перехода к следующей технологической операции его обработки. Цикл измерений окончен.
Следует отметить, что конструкция сдвигометра позволяет использовать его также и в лабораторных условиях при разработке новых видов сыров и кисломолочных напитков.
o
э
-1
Для контроля достоверности реограммы процесса образования сычужного сгустка, полученной на заявляемом сдвигометре в координатах «предельное напряжение сдвига θ - продолжительность процесса t» (реограмма 1, фиг.4), параллельно были проведены исследования процесса образования сычужного сгустка на лабораторном ротационном вискозиметре «Rheotest-2» (Германия). Исследования были выполнены с использованием измерительной ячейки S/S2 при постоянной скорости сдвига γ=2,25 с. В результате была получена реограмма зависимости «эффективная вязкость η - продолжительность процесса t» (реограмма 2, фиг. 4). Сравнительные исследования образования сычужных сгустков были проведены для молочной смеси, приготовленной по технологии производства мягких кислотно-сычужных сыров. 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 характерных для данного процесса участка: АВ, (AB) - стадия индукции (молочная смесь жидкая); ВС, (BC) - стадия флокуляции (начало образования хлопьев, объемной структуры и упрочнение сгустка); CD, (CD) - стадия метастабильного равновесия (достижение в точках С, (C) максимальной прочности сгустков; реограммы терпят излом и выходят на горизонтальный участок) - прочность сгустков не изменяется. При этом отклонения продолжительности соответствующих стадий процесса образования сычужных сгустков находятся в пределах Δ<±3%, т.е. лежат в пределах относительной погрешности измерений ротационного вискозиметра «Rheotest-2».
Источники информации
1. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник / Под ред. Ю.А.Мачихина. - М.: Агропромиздат. - 1990. - 271 с.
7
2. Пат. 2371702 Российская Федерация, МПК G01N 11/14. Вибрационный реометр / А.Н.Пирогов, А.В.Шилов. Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности - №2008130243/28; заявлен 21.07.08; опубл. 27.10.09, Бюл №30.