ПРИБОР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК G01N33/02 

Изобретение относится к устройствам для исследования в широком диапазоне изменения структурно-механических характеристик упруго-пластично-вязких материалов, преимущественно пищевых продуктов (твердых и мягких сыров, творога, творожно-сырковых масс, маргаринов, сливочного масла, йогуртов и др.).

Известно устройство для исследования структурно-механических свойств продуктов, содержащее основание, стойку, плиту для размещения исследуемого материала, индентодержатель со сменными инденторами, механизм перемещения, датчики усилий и перемещений, регистрирующую аппаратуру [1].

Недостатки его следующие: невозможность использования для исследования слабоструктурированных систем, обладающих малой прочностью; невысокая точность измерений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является прибор для исследования структурно-механических свойств малопрочных пищевых продуктов, содержащий корпус, стойку, плиту для размещения сосуда с исследуемым образцом, механизм перемещения, индентодержатель со сменными инденторами, силоизмеритель, датчик линейных перемещений индентора, регистрирующую аппаратуру [2].

В этом приборе силоизмеритель выполнен в виде динамометрической спирали с наклеенными на ней тензодатчиками, имеющей по всей длине отверстия для соединительных винтов и образования тем самым тензометрического кольца переменного диаметра. Недостатком конструкции силоизмерителя является различная жесткость на изгиб левой и правой частей тензометрического кольца из-за наличия неодинакового количества ослабляющих сечения кольца отверстий. Это приведет при нагружении к нарушению его строго эллипсоидной формы, что в свою очередь будет способствовать отклонению нижней его части от вертикальной оси, возникновению дополнительных боковых усилий на внедряемый индентор и, в конечном счете, к снижению точности измерений. Следует также отметить, что из теории прямого изгиба (см. Н.М.Беляев. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976. - С.217-222, формула 11.9) известно, что в пределах упругости материала кольца, деформации растяжения и сжатия в поверхностном слое будут тем больше, чем дальше этот слой будет расположен от его нейтрального (срединного) слоя. Вследствие того, что для измерения малых усилий толщина полосы, из которой выполнено кольцо, мала, то на основании вышеизложенного величина деформаций тензодатчика, приклеенного к кольцу, будет недостаточна для получения высокой точности результатов силоизмерения. Кроме того, следует отметить узкий диапазон работы силоизмерителя, а также определенную сложность изменения жесткости тензометрического кольца и необходимость повторной его тарировки.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений.

Указанная цель достигается тем, что в приборе для исследования структурно-механических свойств продуктов, содержащем корпус, стойку, плиту для размещения сосуда с исследуемым образцом, механизм перемещения, индентодержатель со сменными инденторами, силоизмеритель, датчик линейных перемещений индентора и регистрирующую аппаратуру, силоизмеритель выполнен в виде консольно закрепленной на стойке балочки прямоугольного поперечного сечения с наклеенными на ней сверху и снизу датчиками омического сопротивления (далее - тензодатчиками) в области, прилегающей к стойке, а сбоку напротив тензодатчиков и строго по продольной оси балочки просверлен ряд отверстий. На свободном ее конце снизу и перпендикулярно продольной оси установлены два индентодержателя с фиксирующими винтами. При этом стойка, имеющая в центральной части продольный паз, установлена во втулке, закрепленной перпендикулярно к плите и снабженной шпонкой, контактирующей с пазом стойки, на нижнем конце стойки выполнена резьба, входящая в гайку, зафиксированную в упорных подшипниках от вертикального перемещения и приводимую во вращение от электропривода. Датчик линейных перемещений индентора выполнен в виде диска, закрепленного соосно на гайке и имеющего расположенные с равным шагом по окружности радиальные щелевые прорези, напротив которых с одной стороны диска установлен осветитель, а с другой стороны диска напротив осветителя расположен фотоэлемент (счетчик импульсов).

Прибор позволяет выполнять при заданных скоростях перемещения индентора следующие исследования: определение предельного напряжения сдвига; исследование адгезионных свойств; определение прочностных и деформационных характеристик при сжатии образца; определение прочностных свойств образцов при резании струной и при изгибе; исследование релаксационных процессов.

На фиг. 1 изображена схема прибора; на фиг.2 - вид силоизмерителя по стрелке А; на фиг.3 - разрез стойки в сечении Б-Б; на фиг.4 - индентор-диск; на фиг.5 - струнный нож; на фиг.6 - приспособление для испытания образцов на изгиб.

Прибор имеет корпус 1, установленный на одной неподвижной 2 и двух регулируемых опорах 3 и 4 и снабженный уровнем 5. На плите 6 зафиксирована втулка 7, в которой перемещается стойка 8, продольный паз 9 которой контактирует с регулируемой шпонкой 10, жестко прикрепленной к плите 6 винтами 11, причем продольный паз и шпонка выполнены треугольной формы, что позволяет исключить при поступательном перемещении стойки ее угловые смещения (фиг.3).

На верхнем конце стойки 8 на втулке 12, фиксируемой винтом 13, консольно закреплена балочка силоизмерителя 14 прямоугольного поперечного сечения, на которую в зоне ее закрепления сверху и снизу наклеены одинаковые тензодатчики 15, причем в зоне их расположения в балочке 14 просверлены сбоку и строго по продольной ее оси несколько одинакового диаметра отверстий 16.

Показания с тензодатчиков 15 поступают в регистрирующий блок (на схеме условно не показан), снабженный микропроцессором, где они суммируются по абсолютной величине, что дополнительно повышает чувствительность и точность силоизмерения, усиливаются и выдаются на цифровой индикатор. Кроме того, на регистрирующем блоке установлены задатчики силы F, перемещений индентора Н, времени выстойки системы под нагрузкой "Пауза", тумблер перемещения стойки 8 "вверх" или "вниз", а также тумблер установки диапазона силоизмерения "10F" или "F". Кроме того, предусмотрены разъемы для подключения самописца и ЭВМ.

На свободном конце балочки 14 снизу и перпендикулярно ее продольной оси закреплены два индентодержателя 17 и 18, снабженных винтами 19 для фиксации штоков 20 сменных инденторов 21.

В нижней части стойки 8 выполнена резьба 22, входящая в гайку 23, зафиксированную от вертикального перемещения в подшипниковой опоре 24 и приводимую во вращение через шестерню 25 коробки передач 26 реверсивным электродвигателем 27.

Датчик измерителя линейных перемещений индентора соосно закреплен на гайке 23 и выполнен в виде диска 28 с равномерно расположенными по окружности радиальными щелевыми прорезями 29, напротив которых установлен снизу источник постоянного света 30, а сверху фотоприемник (счетчик импульсов) 31, сигналы с которого поступают в регистрирующий блок, где они после обработки высвечиваются на цифровом индикаторе в абсолютных единицах перемещения индентора 21 или передаются на самописец (или в ЭВМ).

Движение стойки вниз ограничивается конечным выключателем 32, а вверх - конечным выключателем 33, контактирующими с ее выступом 34. Сигналы со счетчика импульсов 31, конечных выключателей 32 и 33 поступают также в регистрирующий блок.

Испытуемый образец 35, помещенный в термостатируемую емкость 36, имеющую внизу кольцевой выступ 37, фиксируется на плите 6 за этот выступ двумя парами диаметрально расположенных фиксаторов 38, снабженных винтами 39, соосно индентодержателю 17 или 18.

При этом расстояния X₁ и Х₂ (фиг.1), определяющие положение индентодержателей 17 и 18 по отношению к тензодатчикам 15, рассчитаны такими, чтобы измеряемые усилия относились, например, 10:1. Это позволит при исследовании высокопрочных продуктов с использованием индентодержателя 17 получать значения силы умножением результата измерений на множитель 10, т.е. "переносом запятой", производимой в регистрирующем блоке простым переключением тумблера, что не потребует перенастройки (тарировки) электронной схемы силоизмерения.

Наличие в балочке 14 силоизмерителя отверстий 16 в зоне наклейки тензодатчиков 15 уменьшает жесткость балочки на изгиб, по сравнению с остальной ее длиной, что вызовет местное увеличение деформации ее поверхностных слоев, а следовательно, и тензодатчиков 15. Кроме того, выполнение балочки 14 значительно большей высоты (толщины), по сравнению с толщиной полосы динамометрического кольца силоизмерителя прототипа [2] вызовет возникновение значительно больших напряжений растяжения и сжатия в поверхностных слоях балочки в зоне наклейки тензодатчиков 15, а следовательно, на основании закона Гука - в пределах упругости материала напряжения σ вызывают прямо пропорциональные им деформации (Δl):
σ = E•ε = E•Δl/l,
где Е - модуль упругости материала балочки 14;
Δl - абсолютная линейная деформация поверхностных слоев балочки (т.е. тензодатчиков 15);
l - первоначальная длина участка, на которой измеряется Δl (т.е. база тензодатчиков 15).

Все это позволит повысить точность силоизмерения. А использование двух индентодержателей 17 и 18 позволит в требуемых пределах изменять диапазон силоизмерения.

Прибор работает следующим образом. Перед проведением измерений плиту 6 прибора при помощи регулировочных опор 3, 4 выставляют по уровню 5 в горизонтальной плоскости. Устанавливают в коробке передач 26 максимальную скорость и включают тумблер "вверх". При этом стойка 8 ускоренно движется вверх, упором 34 нажимает на конечник 33 и останавливается (раздается короткий звуковой сигнал).

Измерение предельного напряжения сдвига производят в следующей последовательности. На плите 6 прижимами 38 и винтами 39 закрепляют сосуд 36 с исследуемым продуктом 35 строго по оси индентодержателя 17, если продукт обладает большой прочностью (или по оси индентодержателя 18, если продукт малопрочен) и термостатируют. Опускают силоизмеритель 14 вниз, не доводя конус 21 до контакта с поверхностью образца 35, и фиксируют его винтом 13.

На регистрирующем блоке задают в зависимости от прочности структуры исследуемого продукта начальное значение силы F₀, глубину погружения H конуса 21 в образец 35. На коробке передач 26 устанавливают требуемую скорость внедрения конуса. Включают тумблер "вниз". При этом значение F₀ обнуляется, а конус 21 начинает внедряться в образец. После достижения усилия F₀, его значение вновь обнуляется и одновременно начинается отсчет силы нагружения F и глубины погружения H, т.е. подается напряжение на осветитель 30, а фотоприемник 31 начинает передавать импульсы в регистрирующий блок, где они преобразуются в сигнал, пропорциональный перемещению Н. По достижении заданного Н электропривод 27 останавливается и на цифровом индикаторе появляются значения достигнутой нагрузки F и заданной глубины погружения Н.

Предельное напряжение сдвига получают, используя формулу П.А.Ребиндера
τ = K_α•F/H²,
где K_α - коэффициент, зависящий от угла при вершине конуса 21.

После этого включают на коробке передач 26 максимальную скорость, переводят тумблер "вверх" и стойка возвращается в верхнее исходное положение. Измерение окончено.

Измерение прочностных характеристик продуктов на сжатие выполняют следующим образом. Пастообразные материалы помещают в сосуд 36, а из твердообразных вырезают образцы кубической или цилиндрической формы и устанавливают на плите 6 соосно требуемому индентодержателю 17 (18), в котором закрепляют шток с диском 40 (фиг.4). Опускают силоизмеритель 14, не доводя диск 40 до касания с поверхностью образца. Задают F₀ и включают тумблер "вниз". При этом значение F₀ обнуляется, диск 40 движется вниз с заданной скоростью. При достижении нагрузки на образец F₀ ее значение вновь обнуляется и начинается отсчет силы F и деформаций образца Н с записью самописцем диаграммы F=f(Н). При достижении максимальной нагрузки и ее снижении (при разрушении образца) привод 27 отключается и на индикаторе отображаются достигнутые F и Н.

По достигнутой нагрузке F рассчитывают предел текучести для пластичных продуктов или предел прочности - для хрупких.

Для определения упругих и пластических деформаций задают значения F₀, F, скорость нагружения. Устанавливают соответствующего диаметра диск 40 в индентодержателе 17 (18), а напротив - испытуемый образец 35. Включают тумблер "вниз". При этом диск 40 начинает с заданной скоростью двигаться вниз, значения F₀ и Н обнуляются. При контакте диска 40 с образцом 35 начинается отсчет F и Н. По достижении заданного значения F на индикаторе фиксируется значение перемещения H₁, а двигатель 27 реверсируется и диск 40 начинает движение вверх. По достижении значения F₀ на индикаторе высвечивается значение перемещения H₂. По полученным H₁ и H₂ судят об упругих и пластических свойствах материала.

Для исследования адгезии используют диски 40 подходящего диаметра, задают скорость перемещения диска, начальное усилие F₀, усилие F, до которого будет дополнительно нагружаться образец; и устанавливают переключателем "Пауза" время выдержки образца Т при заданной силе F, включают тумблер "вниз" и опускают диск до соприкосновения с образцом.

По достижении F₀, оно обнуляется и начинается отсчет F и Н, которые выводятся на индикатор и на самописец. По достижении F диск останавливается и выдерживается пауза T, в течение которой двигателем 27 управляющая схема поддерживает заданное F. После окончания паузы Т диск 40 начинает движение "вверх" и в момент его отрыва от закрепленного на плите 6 образца 35 на индикаторе фиксируется соответствующее ему значение F_max и H, а на самописце - диаграмма F=f(H).

Для исследования процесса резания в индентодержатель вставляют шток 20, на котором приварена жесткая скоба 41 с натянутой струной 42 (фиг.5), а на плите 6 укладывают образец продукта в виде параллелепипеда. Задают F₀, глубину Н и скорость резания, диапазон силоизмерения. Тумблер переводят в положение "вниз". При этом струна 42 внедряется в образец. При достижении F₀ результат обнуляется и начнется отсчет силы резания F и глубины резания Н с записью диаграммы на самописец. По достижении заданной Н на индикатор будут выведены значения F и Н. Зная длину L струны 42, вошедшей в продукт, рассчитывают удельное усилие резания F_y=F/L (н/м).

Для исследования образцов на изгиб применяют подставку, состоящую из основания 43 с продольным пазом 44, вдоль которого с возможностью перемещения установлены две опоры 45, закрепленные винтами 46, на которые укладывают плоский образец 47. При этом нагружение образца производится пластиной 48, приваренной к штоку 20 (фиг.6), зафиксированному в индентодержателе 17 (или 18).

Подставку с образцом устанавливают на плите 6 так, чтобы пластина 48 делила расстояние между опорами 45 точно пополам. После этого задают F₀, выбирают диапазон силоизмерения и скорость нагружения. После нажатия тумблера "вниз" пластина начнет изгибать образец 47, нагрузка достигнет значения F₀, обнулится и затем начнется отсчет силы F и деформации образца на изгиб Н. При разрушении образца на индикаторе будут выведены значения F и Н, электропривод 27 отключится.

Исследование релаксации проводят при заданном усилии F. Вначале задают значения F₀ и F, выбирают скорость нагружения и устанавливают образец 35 с сосудом 36 на плите 6. В индентодержатель 17 (или 18) закрепляют конус 21 (для исследования релаксации касательных напряжений) или диск 40 (для исследования релаксации нормальных напряжений). После этого включают тумблер "вниз". При этом значения F₀ и Н обнуляются. Конус (или диск) контактирует с образцом и при достижении F₀ начинается отсчет перемещений Н. Текущие значения F и Н записываются на самописец.

По достижении заданного значения F нагружение приостанавливается и начинается отсчет времени релаксации таймером, встроенным в регистрирующий блок, до тех пор, пока не установится постоянное значение F. На индикаторе высвечивается значение перемещения Н, при котором усилие равно заданному F, а также время релаксации (в секундах).

При подключении ЭВМ и наличии соответствующего программного обеспечения результаты всех видов испытаний могут быть обработаны и выведены на дисплей или на печать, а также могут быть использованы, как команды для управления технологическим оборудованием.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 506804, кл. G 01 N 33/02. 1979.

2. Авторское свидетельство СССР 807175, кл. G 01 N 33/02, 1981.

Изобретение касается пищевой промышленности. Прибор имеет корпус, установленный на нерегулируемой опоре и регулируемых опорах, и снабжен уровнем, горизонтальной плитой с закрепленной на ней втулкой, в которой перемещается ступенчатая стойка, продольный паз которой контактирует со шпонкой. На свободном конце верхней ступени стойки закреплена консольно балочка силоизмерителя прямоугольного сечения с наклеенными сверху и снизу двумя тензодатчиками и рядом отверстий, просверленных сбоку в балочке напротив тензодатчиков. На свободном конце балочки снизу закреплены два индентодержателя, в которых закрепляются штоки сменных инденторов, внедряемых в исследуемый продукт, помещенный в термостатируемый сосуд. Нижняя ступень стойки входит в гайку, установленную в подшипниковой опоре и приводимую во вращение через зубчатое колесо коробки передач реверсивным электродвигателем. Датчик линейных перемещений индентора выполнен в виде равномерно по окружности перфорированного чашеобразного диска. Напротив перфораций диска установлен осветитель, а с другой стороны и напротив осветителя - фотоприемник. Перемещения ступенчатой стойки ограничиваются конечными выключателями, контактирующими с ее выступом. При этом управление прибором осуществляется микропроцессором регистрирующего блока. Это позволяет повысить точность и расширить диапазон измерений. 6 ил.

Прибор для исследования структурно-механических свойств, содержащий корпус, стойку, плиту для размещения сосуда с исследуемым образцом, механизм перемещения, индентодержатель со сменными инденторами, силоизмеритель, датчик линейных перемещений индентора, регистрирующий блок, отличающийся тем, что силоизмеритель выполнен в виде консольно закрепленной на стойке балочки прямоугольного поперечного сечения с наклеенными на ней напротив сверху и снизу двумя тензодатчиками в области, прилегающей к стойке, а сбоку напротив тензодатчиков и строго по продольной оси в балочке просверлены несколько отверстий, а на свободном конце балочки снизу и перпендикулярно продольной оси закреплены два индентодержателя, при этом стойка, имеющая продольный паз, установлена во втулке, снабженной шпонкой, контактирующей с пазом стойки и закрепленной перпендикулярно к плите, а на нижнем конце стойки выполнена резьба, входящая в гайку, зафиксированную в упорных подшипниках от вертикального перемещения и приводимую во вращение от электропривода, причем датчик линейных перемещений индентора выполнен в виде диска, закрепленного на гайке и соосно с ней, в котором с равным шагом по окружности выполнены радиально расположенные щелевые прорези, напротив которых с одной стороны диска установлен источник постоянного света, а с другой стороны и напротив этого источника расположен приемник света.