Устройство для исследования структурно-механических свойств вязко-пластичных продуктов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ ПРОДУКТОВ, содержащее корпус со штоком, установленным; с возможностью перемещения и снабженным индентором, емкость для исследуемого продукта и блок управления , отличающееся тем. А So что, с целью повышения точности и сокращения времени, оно снабжено пьезоэлектрическим преобразователем, установленное в полости индентора, электроприводом, кинематически связанным со штоком, блоком памяти, рюгистратором перёмацения индентора, самопишущим прибором и вычислительным блоком, состоящим из последовательно связанных между собой квадратора , делителя, множителя и операционного усилителя, подключенного к самопишущему прибору, при этом электропривод и регистратор перемещения индентора связаны с блоком ианцгтл непосредственно, а соответст% венно с квадратором и множителем вычислительного блока посредством первого и второго сумматоров, другие входы, последних подключены к блоку памяти, причем пьезоэлектрический преобразователь связан с блоком управления , а выходы последнего подключены к электроприводу и блоку памяти. О о: 41 4;; 00:

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

Н

РЕСПУБЛИК

3(59 6 01 N 33 12

Р="- — . "

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ; .:, н втоясному свидетельств

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

По ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И атНРЫТИЙ (21) 3458125/28-13 (22) 25.06 ° 82 (46) 15 .01.84. Бюл. У 2 !

72) В.Д.Косой, A.Ф.Зимин, Q..В.Самусенко и А.Р.Дажин !

71) Московский ордена-Трудового

Красного Знамени технологический институт мясной и молочной промышленности (53) 6 37. 512.7 (088. 8) (56) 1. Горбатов A.Â. Реология мясных и молочных продуктов. М., Пищевая промыаленность", 1979, с. 14-53.

2. Авторское свидетельство СССР

9 822022, кл . G 01 М 33/12, 1979. (54)(57) YCTPOACTBO ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ CBOACTB

ВЯЗКОПЛАСТИЧНИ(ПРОДУКТОВ, содержащее корпус со штоком, установленные. с воэмОжностью перемещения и снабженным индентором, емкость для исследуемого продукта и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, „. SUÄÄ 438 A что, с целью повыаения точности и сокращения времени, оно снабжено пьезоэлектрическим преебраэователем, установленным в полости индентора, электроприводом, кинематически связанным со штоком, блоком памяти, регистратором перемещения индентора, самопишущим прибором и вычислительным блоком, состоящим из последовательно связанных между собой квадратора, делителя, множителя и операционного усилителя, подключенного к самопишущему прибору, при этом электропривод и регистратор перемещения индентора связаны с блоком памяти непосредственно, а соответственно с квадратором и множителем вычислительного блока посредством первого и второго сумматоров, другие входы последних подключены к блоку памяти, причем пьезоэлектрический преобразователь связан с блоком управления, а выходы последнего подключены к электроприводу и блоку памяти.

106743&

Изобретение относится к мясомолочной и пищевой промышленности и может найти применение для оценки качества вязкопластичных продуктов по консис.енции, например рыбных и мясных фаршей, теста, шоколадных 5 масс и т.д., а также сыпучих продуктов по степени сыпучести, например сухих молочных продуктов, муки и т.д., упругих продуктов по твердости, .таких как сублимированное 10 мясо, сахар, хлебопекарные и конди" терские изделия.

Известны устройства для исследования структурно-механических, свойств вяэкопластичных продуктов.

Известно устройство для оценки прочности структуры пищевых продуктов с помощью конического пластометра КП-3 Ноларовича, содержащее кювету с исследуемым продуктом, конус со штангой и поперечиной„ обойму для осевого перемещения штанги, индикатор часового типа для измерения перемещения штанги t 1)

Известно также устройство для исследования структурно-механических свойств вязкопластичных продуктов., содержащее корпус со штоком, установленным с воэможностью перемещения и снабженным индентором, емкость для исследуемого продукта и блок управления (2).

Однако эти устройства характеризуются недостаточной чувствительностью и точностью при определении структурно-механических свойств неэлектропроводных продуктов вследствие отсутствия автоматической фиксации момента касания индентора продукта, кроме того, они не позволяют проследить динамику процесса.

Целью изобретения является повышение точности и сокращение времени измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для исследова- 45 ния структурно-механических свойств вязкопластичных продуктов, содержащее корпус со штоком, установленным ,с воэможностью перемещения и снаб женным индентором, емкость для исследуемого продукта и блок управления, снабжено пьезоэлектрическим преобразователем, установленным в полости индентора, электроприводом, кинематически связанным со штоком, блоком, памяти, регистратором перемещения индентора, самопишущим при бором и вычислительным блоком, состоящим из последовательно связанных между собой квадратора, делителя, множителя и .операционного усилителя, 60 подключенного к самопишущему прибору, при этом электропривод и регистратор перемещения индентора связаны с блоком памяти непосредственно, а соответственно с квадрато- 65 ром и множителем вычислительного блока посредством первого и второго сумматоров, другие входы последних подключены к блоку памяти, причем пьезоэлектрический преобразователь связан с блоком управления, а выходы последнего подключены к электроприводу и блоку памяти.

На фиг. 1 показан график зависимости. частоты вращения ротора злектропривода. от тока якоряу на фиг. 2— схема устройства для исследования структурно-механических свойств: вязкопластичных продуктов.

Известно, чтб в двигателях постоянного тока параллельного и независимого возбуждения ток (1>) якоря пропорционален моменту (М) на .вал а зависимость частоты (Я) вращения ротора двигателя от тока (1 ) представляет уравнение прямой через две точки: идеальный холостой ход (1„=0у Я=О) и пуск (1n Я=О) (фйг. 1) °

С целью смягчения механической характеристики в -обмотку якоря ротора электропривода включено добавочное сопротивление, падение напряжения Y,íà котором пропорционально току якоря (V 1 ), а следовательно, и моменту (М) сопротивления на валу электропривода.

Напряжение сдвига твердообраз" ных систем определяется методом погружения конусообразного индентора по уравнению

О=К (() (,г где 9 — напряжение едвига, Па;

К вЂ” константа индентора, Н/кг;

tn - масса индентора, кг;

b — глубина погружения индентора, м.

Согласно теории Шведова-Бингама для твердообразных систем, име кщих предельное напряжение сдвига, течение описывается следукшим уравнением: ео="о (2) где - напряжение сдвига, Па;

8 - -предельное напряжение сдвиО га, Пау пластическая вязкость, Па-с;

:ф - градиент скорости, с-1 °

Из уравнения (2) следует, что если ф,О, то при остановке индентора 9=60 (3)

Усилие, с которым индентор внедряется в продукт, определяется уравнением

РМ(Е, (4) где% - момент, создаваеьий электроприводом, Н му

t - плечо, на которое действует момент М, м.

С другой стороны, величина P oIpeделяется из соотношения

Р=п „ ф, (5) 1067438 где юпр- приведенная масса индентора, кг; ускорение свободного падения, м/с 2.

Согласно уравнениям (4) и (5) приведенная масса индентора (mpp) пропорциональна моменту (N), создаваемому электроприводом, а следовательно, и падению напряжения Ч на добавочном сопротивлении. известно, .что твердость (Н) ис- (О следуемого материала определяется по зависимости

Н=Р/5 i (6) где P - усилие, с которым индентор внедряется в продукт, Н;,5

5 - площадь поверхности погруженного в продукт. индентора, м

Поверхность погруженного в про-; дукт индентора, например конусообраз- ного, определяется иэ уравнения

5 = Л з1 и (d. /2 ) b 2 (7)

20 где о(— угол при вершине конуса, рад; глубина погружения конуса, м.

Подставляя уравнение (7) в уравнение (6) с учетом уравнения (4), получаем

РУэ,„ Id l2}h2 1 Ъ2 где К вЂ” константа индентора, м-" . ЗО (1 Х9э 0(ñ dt2 I

Устройство содержит предметный столик 1, емкость 2 для иссле- 35 дуемого продукта 3, шток 4, снабженный индентором 5, в полости которого установлен пьезоэлектрический преобразователь 6, подключенный к блоку .7 управления. Блок 7 управле- 40 ния электрической цепью соединен с блоком 8 памяти и эЛектроприводом 9, кинематически связанным со штоком 4, механизмом (не показан) протяжки диаграммной ленты самопишущего прибора 10 и регистратором 11 перемещения индентора 5.

Электропривод 9 электрически связан с блоком 8 памяти и одним иэ входов сумматора 12, второй вход которого подключен к одному иэ выходов блока 8 памяти. Регистратор 11 перемещения индентора 5 подключен к второму входу блока 8 памяти и к одному из входов сумматора 13, второй вход которого подключен к второму выходу блока 8 памяти. Выходы сумматоров 12 и 13 подключены к ана- логовому вычислительному блоку 14, состоящему из квадратора 15, делителя 16, множителя 17 и операционно- 60

ro усилителя 18, причем выход суаематора 13 через квадратор 15 и делитель 16 подключен к одному из входов множителя 17, второй вход которого . соединен с суыкатором 12. Выход мно- 65 жителя 17 через операционный усилитель 18 подключен к самопишущему прибору 10 с отметчиком временных интервалов °

Устройство работает следукщим образом.

При исследовании структурно-механических свойств вязкопластичных, а также сыпучих материалов исследуемый продукт 3 помещают в емкость 2, которую фиксируют на предметном столике 1 ° В случае исследования упругих материалов продукт фиксируют непосредственно на предметном столике 1.

С блока 7 управления напряжение питания поступает на электропривод 9, который првводит в движение механизм протяжки диаграммной ленты самопишущего прибора 10, шток 4 и реохорд (не показан) регистратора 11 перемещения индентора 5.

С электропривода 9 снимают текущее значение падения напряжения V на добавочном сопротивлении и подают на один иэ входов сумматора 12 и на первый вход блока 8 памяти. Блок 8 памяти беэ поступления управлякщего сигнала с блока 7 управления имеет на выходе сигнал V, равный текущему значению .Ч (V„=V ). Сумматор 12 производит математическую операцию вычитания сигналов (Ч2=Ч вЂ” Ч„), т;е. выходной сигнал Ч2 — О.

При движении реохорда регистратора 11 перемещения индентора 5 происходит изменение импеданса, пропорционального линейному перемещению индентора 5, а следовательно, и величине выходного сигнала Ч регистз ратора 11. Текущее значение сигнала V> поступает на один иэ входов сумматора 13 и на второй вход блока 8 памяти. Аналогично сумматору 12 сумматор 13 производит математическую операцию вычитания сигналов: сигнала Ч, поступающего.с второго выхода блока 8 памяти и сигнала Чэ с выхода регистратора 11 перемещения индентора 5, в результате чего выходной сигнал vy сумматора 13 равен нулю (Vg=Ч -V = О) . В момент

5 3 касания индентора 5 поверхности исследуемого продукта 3 пьезоэлектрический преобразователь 6 вырабатывает импульс напряжения, поступающий на блок 7 управления, в котором формируется управлякщий сигнал, поступакщий в блок 8 памяти.

В блоке 8 памяти сформированный управляющий сигнал вызывает запоминание падение напряжения Ч=Ч„ на добавочном сопротивлении в момент касания поверхности исследуемого продукта 3 индентором 5 и выходной сигнал U3 регистратора 11 перемещения индентора 5 (Ч. =Ч, )..

При погружении индентора 5 -в исследуемый продукт 3 возникающее

) 067438 напряжение сдвига противодействует внедрению индеитора 5. в исследуемый продукт 3, вызывая изменение момента (И), создаваемого электроприводом 9, а следовательно, и приращение текущего падения напряжения Ч=Ч2 5 на выходе сумматора 12.

Выходной сигнал Ч = Y -Ч ФО сумматора 13, пропорциональный линейному перемещению индентора 5, поступает на вход квадратора 15 аналогового вычислительного блока 14. Квадратор 15 производит математическую операцию возведения s квадрат, имея на выходе напряжение, пропорциональное Ч 2, которое поступает на вход делителя 16, имекщего на выходе сигнал, обратно пропорциональный входному (1/ Ч ), и подает его на первый вход мйожителя 17, на второй вход которого поступае выходной сиг-.() нал Ч с сумматора 12. Множитель 17 производит операцию перемножения входных сигналов, имея на выходе сигнал пропорциональный У / Ч5. кото рый поступает на вход операцйонного усилителя 18 ° Операционный усилитель 18 подает сигнал V(, к самопишущему прибору 10 с отметчиком временных.интервалов, равный

Ч, = К о Y / Y (10) где Кр — масштабный коэффициент пропорциональности, выбор которого определяется" коэффициентами пропорциональности элементов аналогового вычислительного устройства 14, регистратора 11 перемещения З5 иидентора 6, самопишущего прибора 10 с отметчиком временных интервалов, передаточного коэффициента электропривода 9 и константы К или К индентора 5. Выходной сигнал Ч 40 операционного усилителя 18 пропорционален напряжению сдвига (8) или твердости (Н) (см. уравнения 1,8 и 10).

Предлагаемое устройство обладает более высокой точностью измерений по сравнению с коническим пластометром КП-3 Воларовича и прототипом (2).

Q коническом пластометре КП-3 глубина погружения индентора измеряется .индикатором часового типа. Пружина индикатора оказывает существенное сопротивление перемещению подвижной части прибора (до 0,055 кг) (1j, поэтому в формулу (1) следует вводить поправку г

l77 - tn о " («I

,г где mс — величина сопротивления, которая определяется градуировкой в каждом частном чае и зависит от величины деформации пружины, гистерезиса деформаций и времени старения пружины, кг.

Устройство (2) исключает погрешность измерений, возникающих в результате использования йружины в индикаторе часового типа. Однако при измерении структурно-механических характеристик неэлектропроводящих продуктов фиксацию момента соприкосновения продукта с индентором определяют визуально.

В предлагаемом устройстве момент касания индентором как электропроводящих, так и неэлектропроводящих продуктов фиксируется автоматически.

Подбором масштабного коэффициента пропорциональности Ке можно измерять величину направления сдвига (6) и твердости (Н) практически с любой точностью, так как операционный усилитель 18 имеет коэффициент собственного усиления порядка 10

Устройство позволяет сократить время измерения. Так, в коническом пластометре КП-3 Воларовича и в прототипе время определения глубины погружения составляет 4 мин.

Определение напряжения сдвига осуществляется но формуле И1 нли 1) .

Кроме того, необходимы подготовитуЬьные работы: подбор массы грузов,.

Фиксация момента касания продукта (в прототипе - для неэлектропроводных материалов). Предлагаемое устройство за счет принудительного движения штока 4 с индентором,5 позволяет сократить время измерения напряжения сдвига в среднем до 5 ч ,(до полной остановки при определении предельного напряжения сдвига). Самопишущий прибор с отметчиком временных интервалов позволяет получать кривые течения твердообразных систем в трехмерном пространстве: напряжение сдвига (8) или твердость (Н), глубина погружения индентора Ь в любой момент времени 7 для дальнейшей математической обработки и получения математической модели исследуемых продуктов.

Таким образом, предлагаемое устройство может быть применено при проведении научно-исследовательских работ, а также в пищевой промыиленности для контроля структурно-механических характеристик продуктов.

106 7438

Составитель Н.Арцибашева

Редактор М.Петрова ТехредИ. Метелева Корректор В.Вутяга

Заказ 11203/49 Тираж 828 Подписное

ВНИИПИ-Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3-35, Раушская наб., д. 4/5

° ФЯО М М

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4