РЕОМЕТР ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ КИСЛОТНО-СЫЧУЖНОГО СГУСТКА Российский патент 2007 года по МПК G01N33/04 

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования кислотно-сычужного сгустка при производстве сыров. Кроме того, оно может быть использовано для контроля образования молочно-белкового сгустка при производстве кисломолочных и т.п. продуктов молочной промышленности, а также в других отраслях промышленности для контроля процессов гелеобразования.

Известен консистометр «Элгеп», предназначенный для контроля консистенции молочного сгустка непосредственно в ванне, содержащий корпус, в котором смонтировано силоизмерительное устройство, снабженное блоком, электропривод с барабаном, электрическую схему, задатчик желаемой консистенции сгустка, индентор, выполненный в виде горизонтально расположенной крестовины с тремя концентрическими кольцами (перфорированный диск), к центру которой прикреплена гибкая связь, переброшенная через блок силоизмерительного устройства и прикрепленная к барабану электропривода [1].

При включении электропривода гибкая связь наматывается на барабан и индентор начинает подниматься от дна ванны, разрезая сгусток, в котором при этом возникают нормальные напряжения. При увеличении плотности сгустка увеличивается сопротивление движению индентора, фиксируемое силоизмерительным устройством. Процесс останавливают при достижении заданной плотности сгустка.

Недостатком данного прибора является налипание сгустка к индентору, что ухудшает воспроизводимость, а следовательно, и точность контроля процесса. Устройство относится к приборам разрушающего контроля, что искажает реальную физическую картину образования структуры и упрочнения сгустка.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является реометр для непрерывного контроля процесса свертывания молока, работающий на принципе деформации упругих мембран под влиянием повышенного давления. Он состоит из основания, на котором соосно и параллельно в вертикальной плоскости закреплены две капсулы, закрытые упругими гофрированными мембранами, расположенными навстречу друг другу, одна из которых соединена шлангом с поршневым насосом с электроприводом, задающим циклически повышенное давление в одной из капсул, которое вызывает определенное перемещение ее нагружающей мембраны, а вторая мембрана - приемник соединена шлангом с измерителем линейных перемещений, состоящим из камеры давления, при помощи штока соединенной с сердечником трансформаторного датчика с линейной дифференциальной характеристикой, подключенного к электрической схеме. При свертывании молока и увеличении плотности сгустка пульсации мембраны - приемника увеличиваются [2].

Недостатком данного прибора является то, что использование двух упругих гофрированных мембран с капсулами усложняет конструкцию прибора и его эксплуатацию. Наличие задатчика избыточного давления в виде поршневого насоса и приемной камеры давления также усложняют конструкцию устройства и связано с многочисленными эксплуатационными неудобствами, характерными для герметизированных систем. Все это в конечном итоге приводит к снижению точности измерений.

Задачей изобретения является упрощение конструкции прибора и повышение точности измерений.

Задача достигается тем, что в реометре для контроля образования кислотно-сычужного сгустка, содержащем основание, нагружающую и приемную мембраны, циклический задатчик давления с электроприводом, камеру давления, шток, датчик линейных перемещений, электрическую схему, нагружающий элемент выполнен в виде горизонтально расположенного нагружающего диска, соосно закрепленного на штоке, перемещающемся в двух подшипниках центральной втулки, а снизу соосно и параллельно нагружающему диску установлен диск-отражатель, прикрепленный при помощи трех регулируемых по высоте шпилек, расположенных с равным шагом по окружности, к пластине, зафиксированной на нижнем конце центральной втулки. На ее верхнем конце закреплено основание, на котором смонтировано нагружающее устройство, состоящее из уравновешивающих сменных грузов, соединенных переброшенной через блок гибкой связью соосно со штоком. При этом блок установлен в прецизионном шарикоподшипнике на кронштейне, прикрепленном к основанию. Для создания цикличности нагружения на кронштейне перпендикулярно штоку установлен мотор-редуктор с управляющими кулачками, один из которых контактирует с антифрикционной упорной втулкой, зафиксированной на штоке, а второй - с установленным на основании конечным выключателем индуктивного датчика линейных перемещений, сердечник которого соосно зафиксирован на штоке, а корпус этого датчика прикреплен к кронштейну. Для предотвращения угловых смещений нагружающего диска на штоке установлена перпендикулярно стойка с прецизионным шарикоподшипником, входящим с минимальным зазором в продольный паз центральной втулки.

Реометр предназначен для контроля образования кислотно-сычужного сгустка путем измерения модуля продольной упругости Е в процессе свертывания молока. Как известно, при одноосном растяжении и сжатии материала в пределах упругости справедлив закон Гука, который формулируется следующим образом: относительные линейные деформации ε прямо пропорциональны вызвавшим их нормальным напряжениям σ, т.е.:

Относительная линейная деформация (см. фиг.1) вычисляется по формуле:

где l - высота слоя молочной смеси (зазор между нагружающим диском и диском-отражателем), м;

Δl - абсолютная упругая линейная деформация сжатия образующегося кислотно-сычужного сгустка (перемещение нагружающего диска), м.

Нормальные напряжения сжатия при этом вычисляются по известной формуле:

где F - нагрузка на нагружающий диск, Н;

А=πD²/4 - площадь нагружающего диска, м²;

D - диаметр нагружающего диска, м.

Подставив (3) и (2) в (1), получим расчетную формулу для определения модуля продольной упругости образующегося кислотно-сычужного сгустка:

где константа прибора для конкретного вида вырабатываемого сыра

Из анализа формулы (4) видно, что величина модуля продольной упругости Е обратно пропорциональна (при прочих равных условиях) абсолютной упругой линейной деформации сжатия Δl образующегося кислотно-сычужного сгустка. Таким образом, замеряя через заданные промежутки времени величину Δl можно подучить с учетом формулы (4) реограмму «модуль продольной упругости Е - продолжительность процесса t»

На фиг.1 изображена схема реометра; на фиг.2 - реограмма «Е-t» процесса образования кислотно-сычужного сгустка для мягкого сыра.

Реометр имеет основание 1, к которому снизу прикреплена центральная втулка 2, в подшипниках 3 и 4 которой перемещается шток 5. На нижнем конце штока 5 соосно закреплен нагружающий диск 6. Для предотвращения угловых смещений нагружающего диска 6 на штоке 5 установлена перпендикулярно ему стойка 7 с прецизионным шарикоподшипником 8, входящим с малым зазором в продольный паз 9, выполненный в центральной втулке 2.

Соосно и параллельно нагружающему диску 6 снизу установлен диск-отражатель 10, зафиксированный при помощи трех шпилек 11, расположенных с равным шагом по окружности и снабженных для регулирования зазора между нагружающим диском 6 и диском-отражателем 10 гайками 12 и контрящими барашками 13, на пластине 14, которая закреплена на нижнем конце центральной втулки 2.

Постоянная по величине нагрузка F на нагружающем диске 6 создается частичным его уравновешиванием при помощи сменных грузов 15, соединенных со штоком 5 гибкой связью 16, переброшенной через блок 17, установленный в прецизионном шарикоподшипнике (условно не показан) на кронштейне 18, закрепленном на основании 1. При этом гибкая связь 16 присоединена к штоку 5 соосно. Передача этого усилия на упрочняющийся кислотно-сычужный сгусток производится циклически через заданные промежутки времени при помощи закрепленного на кронштейне 18 перпендикулярно штоку 5 мотор-редуктора 19, на выходном валу которого установлен нагружающий кулачок 20, контактирующий с упорной втулкой 21, закрепленной резьбовым стопором 22 на штоке 5 и выполненной из антифрикционного материала.

Для измерений линейных перемещений нагружающего диска 6 предусмотрен закрепленный на кронштейне 18 индуктивный датчик линейных перемещений 23, сердечник 24 которого установлен соосно на штоке 5.

Для регистрации перемещений нагружающего диска 6 при каждом цикле нагружения на выходном валу мотор-редуктора 19 установлен также измерительный кулачок 25, работающий в противофазе нагружающему кулачку 20 и управляющий работой закрепленного на основании 1 концевого выключателя 26 с нормально разомкнутыми контактами, электрически соединенными с обмотками индуктивного датчика линейных перемещений 23 и с вторичным блоком 27, осуществляющим регистрацию, обработку и индикацию результатов измерений на цифровом табло в абсолютных единицах модуля продольной упругости Е, Па, а также формирующим выходной аналоговый сигнал для подключения реометра к самописцу или к ЭВМ системы автоматического управления процессом производства. Все вышеописанные узлы закрыты кожухом 28, прикрепленным к основанию 1.

Реометр работает следующим образом. Перед установкой реометра на технологическую ванну, в зависимости от вида производимого продукта, выставляют при помощи гаек 12 и контрящих барашков 13 зазор l между нагружающим диском 6 и диском-отражателем 10. Затем реометр фиксируют строго вертикально на боковой стенке технологической ванны специальным кронштейном (условно не показан) таким образом, чтобы нагружающий диск 6 погрузился в исследуемую среду, и подключают прибор к сети.

На панели управления вторичного блока 27 включают тумблер «Сеть». При этом напряжение подается на мотор-редуктор 19 и он работает до момента, когда нагружающий кулачок 20 поднимет через антифрикционную упорную втулку 21 нагружающий диск 6 в крайнее верхнее положение и отключится концевым выключателем (на фиг.1 условно не показан). При этом напряжение будет подано на индуктивный датчик линейных перемещений 23 и на конечный выключатель 26. После этого во вторичном блоке 27 вводят значение коэффициента К (см. формулу (4)) и значение модуля продольной упругости Е в зависимости от вида вырабатываемого сыра, а также ставят соответствующие сменные грузы 15 для создания нагрузки F в соответствии с выбранным коэффициентом К. При этом значение модуля продольной упругости Е обнуляется. Прибор к работе готов.

Процесс измерений выполняют в следующем порядке. Включают тумблер «Пуск» на вторичном блоке 27. При этом вал мотор-редуктора 19 вращает нагружающий кулачок 20, который плавно спускает нагружающий диск 6, который при заданной постоянной нагрузке F сжимает образующийся кислотно-сычужный сгусток. Причем максимальное перемещение нагружающего диска 6 конструктивно задается формой нагружающего кулачка 20 и выбрано гарантированно большим, чем упругая линейная деформация Δl (см. фиг.1) в начальный период образования кислотно-сычужного сгустка для всех видов вырабатываемых сыров. Это максимальное перемещение нагружающего диска 6 будет достигнуто при повороте нагружающего кулачка на 180° из исходного положения. При этом измерительный кулачок 25 замкнет контакты концевого выключателя 26 и с индуктивного датчика линейных перемещений 23 во вторичном блоке 27 будет зарегистрирован сигнал, пропорциональный перемещению Δl нагружающего диска 6. При повороте нагружающего кулачка 20 еще на 180° он плавно поднимет нагружающий диск 6 в исходное верхнее положение, измерительный кулачок 25 разомкнет контакты концевого выключателя 26, а во вторичном блоке 27 после обработки результата измерения высветится на индикаторе значение модуля продольной упругости Е или сигнал, пропорциональный значению Е будет передан на самописец для записи реограммы в координатах «модуль продольной упругости Е - продолжительность процесса t» (фиг.2). После этого сигнал с индуктивного датчика линейных перемещений 23 обнуляется. Один цикл измерений окончен.

При дальнейшей работе мотор-редуктора 19 по мере упрочнения кислотно-сычужного сгустка значения измеряемых линейных упругих деформаций Δl будут уменьшаться, а модуль продольной упругости Е согласно формуле (4) будет возрастать. По достижении заданного значения Е, введенного во вторичный блок 27, последний подает звуковой и световой сигналы, извещающие о готовности кислотно-сычужного сгустка к следующей технологической операции - к его разрезанию.

При этом конструкция разработанного реометра для контроля образования кислотно-сычужного сгустка позволяет использовать его как элемент системы автоматического управления технологическим процессом производства, а также в качестве лабораторного прибора при разработке новых видов сыров и т.п. продуктов.

На фиг.2 для примера представлена реограмма «Е-t» образования кислотно-сычужного сгустка мягкого сыра «Кемеровский» по рецептуре и технологии гормолзавода №2 (г.Кемерово). Измерения проводили при следующих условиях: F=0,1529 Н; А=1,5828·10^-2 м²; l=100·10^-3 м; l_max=1,875·10^-3 м (l_max - наибольшее перемещение нагружающего диска 6, заданного геометрическими размерами нагружающего кулачка 20).

Участок реограммы АВ соответствует индукционному периоду молочной смеси после ввода всех ингредиентов (жидкость). Реометр фиксирует при этом максимальное перемещение нагружающего диска 6, задаваемое нагружающим кулачком 20, и после обработки результатов измерений получают условное значение Е, которое определяется только конструктивными и геометрическими параметрами прибора. На участке ВС появляются хлопья и начинается образование и упрочнение кислотно-сычужного сгустка, которое практически завершается в области точки С. Затем реограмма резко изменяет свою кривизну и выходит на практически горизонтальный участок CD.

Источники информации

1. Реометрия пищевого сырья и продуктов: Справочник // под ред. Мачихина Ю.А. - М.: Агропромиздат, 1990 - 271 с.

2. Olson N.F., Kowalchyk A.W. A new method of determining the best time to cut cheese curd. - Dairy and Ice Gream Field. - 1978. - №8. - P.68 (а также - см. [1], с.197).

Изобретение касается приборов для пищевой промышленности. Реометр имеет основание, к которому снизу прикреплена центральная втулка, в которой в подшипниках перемещается шток. На нижнем конце штока соосно закреплен нагружающий диск. При этом для предотвращения угловых смещений нагружающего диска на штоке установлена перпендикулярно ему стойка с прецизионным шарикоподшипником, входящим в продольный паз, выполненный в центральной втулке. Соосно и параллельно нагружающему диску снизу установлен диск-отражатель, зафиксированный на пластине, закрепленной на нижнем конце центральной втулки, при помощи трех одинаковых шпилек, расположенных с равным шагом по окружности и снабженных гайками и контрящими барашками. Нагрузка на нагружающем диске создается при помощи сменных грузов, соединенных со штоком гибкой связью, переброшенной через блок, установленный в прецизионном шарикоподшипнике на кронштейне, закрепленном на основании. Передача усилия на сгусток производится циклически через заданные промежутки времени при помощи закрепленного на кронштейне перпендикулярно штоку мотор-редуктора, на выходном валу которого установлен нагружающий кулачок, контактирующий с антифрикционной упорной втулкой, закрепленной резьбовым стопором на штоке. Датчик линейных перемещений нагружающего диска закреплен на кронштейне, сердечник которого установлен соосно на шток. Для регистрации перемещений нагружающего диска на выходном валу мотор-редуктора установлен измерительный кулачок, управляющий работой концевого выключателя с нормально разомкнутыми контактами, соединенными с обмотками датчика линейных перемещений и с вторичным блоком. Все вышеописанные узлы закрыты кожухом, прикрепленным к основанию. Это позволяет повысить точность измерений. 2 ил.

Реометр для контроля образования кислотно-сычужного сгустка, содержащий основание, нагружающую и приемную мембраны, циклический задатчик давления с электроприводом, камеру давления, шток, датчик линейных перемещений, электрическую схему, отличающийся тем, что к основанию, расположенному горизонтально, прикреплена снизу и перпендикулярно верхним концом центральная втулка, в двух подшипниках которой установлен с возможностью поступательного перемещения шток, на нижнем конце которого закреплена нагружающая мембрана, выполненная в виде горизонтально и соосно расположенного нагружающего диска, а приемная мембрана, выполненная в виде диска-отражателя, установлена снизу параллельно и соосно нагружающему диску и прикреплена при помощи трех регулируемых по высоте шпилек, расположенных с равным шагом по окружности, к пластине, зафиксированной перпендикулярно на нижнем конце центральной втулки, а сверху на основании смонтировано нагружающее устройство, состоящее из уравновешивающих сменных грузов, соединенных переброшенной через блок гибкой связью соосно со штоком, причем блок установлен в прецизионном шарикоподшипнике на кронштейне, закрепленном на основании, а для создания цикличности нагружения на этом кронштейне перпендикулярно штоку установлен мотор-редуктор с управляющими кулачками, один из которых контактирует с антифрикционной упорной втулкой, зафиксированной на штоке, а второй - с установленным на основании конечным выключателем индуктивного датчика линейных перемещений, сердечник которого соосно зафиксирован на штоке, а корпус датчика прикреплен к кронштейну, причем для предотвращения угловых смещений нагружающего диска на штоке зафиксирована перпендикулярно стойка с прецизионным шарикоподшипником, установленным с зазором в продольном пазу центральной втулки.