КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ СТРУКТУРОМЕТР Российский патент 2017 года по МПК G01N11/14 

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования геля при свертывании молока в производстве сыров и кисломолочных продуктов. Кроме того, колебательный структурометр может быть использован для контроля процессов гелеобразования при производстве других продуктов, а также в биологической, химической и других отраслях промышленности.

Известен колебательный сдвигометр [1], содержащий 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 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.

Измерительное устройство состоит из калиброванной цилиндрической винтовой пружины, закрепленной верхним витком при помощи кронштейна к нижнему концу 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.

Измеритель контролируемого параметра (линейных перемещений 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. Причем диск и сердечник изготовлены из мягкой стали. 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 обработки результатов измерений.

Недостатком рассмотренного реометра является сложность конструкции, а именно наличие измерительного стрежня, катушки с обмоткой и составного постоянного магнита с кольцевым зазором, что при изготовлении, настройке реометра и его техническом обслуживании требуют высокой квалификации. Также применение двух подшипников, вызовет заметные потери на трение в этом узле, что приведет к снижению точности результатов измерений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является реометр, содержащий нагружающий блок, состоящий из закрепленной перпендикулярно к основанию втулки, в подшипниках которой перемещается шток, на нижнем конце которого закреплен горизонтально расположенный нагружающий диск, а снизу соосно и параллельно этому диску установлен диск-отражатель, прикрепленный при помощи трех шпилек, расположенных с равным шагом по окружности, к пластине, зафиксированной на нижнем конце центральной втулки, а сверху на основании смонтировано уравновешивающее устройство, состоящее из сменных грузов, соединенных со штоком гибкой связью, переброшенной через блок, установленный в прецизионном шарикоподшипнике на Г-образном кронштейне, закрепленном на основании. Для создания нагружения на основании на Г-образном кронштейне перпендикулярно штоку установлен мотор-редуктор с кулачком, перемещающим шток через зафиксированную на нем антифрикционную втулку.

Измерительный блок содержит закрепленный на валу мотор-редуктора кулачок, управляющий конечным выключателем индуктивного датчика линейных перемещений, сердечник которого зафиксирован на штоке, а его корпус прикреплен к Г-образному кронштейну. При этом для предотвращения угловых смещений нагружающего диска на штоке установлена стойка с прецизионным шарикоподшипником, входящим с минимальным зазором в продольный паз центральной втулки [2].

Недостатком реометра является прежде всего сложность конструкции, а именно наличие мотор-редуктора, используемого для создания нагружения, для которого не предусмотрено регулирование угловой скорости. Это усложняет возможность изменения частоты колебаний и может привести к снижению точности. Кроме того, использование индуктивного датчика в качестве измерителя перемещений усложняет конструкцию и тем самым снижает надежность работы реометра. Это усложняет процесс технического обслуживания реометра.

Задачей изобретения является упрощение конструкции прибора и повышение точности измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в колебательном структурометре, содержащем основание, нагружающее устройство, силоизмерительное устройство и блок управления, нагружающее устройство состоит из закрепленного при помощи кронштейна вертикально на основании электромагнита, включающего стальной цилиндрический стакан с силовой катушкой, закрытый стальной резьбовой крышкой, причем в центральные отверстия днища стакана и крышки запрессованы втулки из антифрикционного материала, в которых установлен цилиндрический ферромагнитный сердечник, имеющий на нижнем конце хвостовик и подпружиненный упорный диск с отверстием, в которое с минимальным зазором входит направляющая ступенчатого пальца, запрессованного перпендикулярно в основание, на большем диаметре которого предусмотрена резьба с регулировочной и стопорной гайками, а над сердечником и соосно ему расположен прикрепленный винтами к кронштейну, перпендикулярно установленному на основании корпус гидравлического демпфера, в нижней части которого предусмотрен фланец, закрытый мембраной, герметично прикрепленной к нему при помощи прижимного кольца винтами. При этом в корпусе выполнена закрытая сверху подпружиненным поршнем с уплотнительной манжетой цилиндрическая камера, заполненная жидкостью и разделенная на верхнюю рабочую и нижнюю расширительную емкости запрессованным в нее диском с центральным калиброванным отверстием, в котором снизу выполнена коническая выточка, причем расширительная емкость снабжена воздушным резьбовым клапаном, а сверху на поршне имеется центральный выступ, контактирующий со скобой, нижний конец которой зафиксирован на верхнем конце сердечника.

Силоизмерительное устройство состоит из закрепленного на хвостовике сердечника корпуса тензометрического силоизмерителя, к выходному звену которого присоединен измерительный шток, снабженный горизонтально и соосно расположенным нажимным диском, а снизу и параллельно ему соосно установлен диск-отражатель, прикрепленный к основанию при помощи трех регулируемых по высоте шпилек, ввинченных с равным шагом по окружности в основание.

На фиг. 1 изображена схема колебательного структурометра; на фиг. 2 - вид А; на фиг. 3 - вид Б; на фиг. 4 - сравнительные реограммы контролируемого параметра «модуль продольной упругости Е - продолжительность процесса t» образования кислотно-сычужных сгустков, полученные на предлагаемом изобретении (кривая 1) и на прототипе [2] (кривая 2).

Колебательный структурометр (фиг. 1) имеет основание 1, на котором закреплен при помощи кронштейна 2 вертикально на основании электромагнит, включающий стальной цилиндрический стакан 3 с силовой катушкой 4, закрытый стальной резьбовой крышкой 5. В центральные отверстия днища стакана 3 и крышки 5 запрессованы втулки из антифрикционного материала 6 и 7, в которых установлен цилиндрический ферромагнитный сердечник 8. На нижнем конце сердечника имеются хвостовик 9 и упорный диск 10 с отверстием 11. На диске выполнен центрирующий выступ 12, контактирующий с цилиндрической винтовой пружиной 13. Для обеспечения осевого перемещения сердечника 8, в отверстие 11 с минимальным зазором входит направляющая 14 ступенчатого пальца 15, запрессованного перпендикулярно в основание, на большем диаметре которого предусмотрена резьба с регулировочной 16 и стопорной 17 гайками (фиг. 2), ограничивающими рабочий ход (δ) сердечника 8. Для обеспечения плавности перемещения сердечника 8, над ним и соосно ему расположен прикрепленный винтами к кронштейну 2, перпендикулярно установленному на основании 1, корпус гидравлического демпфера 18 (далее по тексту - демпфер) (фиг. 3). В нижней части корпуса 18 предусмотрен фланец 19, закрытый мембраной 20, герметично прикрепленной к нему при помощи прижимного кольца 21 винтами. При этом в корпусе 18 выполнена закрытая сверху подпружиненным цилиндрической винтовой пружиной 22 поршнем 23 с уплотнительной манжетой 24 цилиндрическая камера, заполненная жидкостью (минеральное масло или глицерин) и разделенная на верхнюю рабочую 25 и нижнюю расширительную 26 емкости запрессованным в нее диском 27. В диске 27 выполнено в центре калиброванное отверстие 28, а снизу - коническая выточка 29, причем расширительная емкость 26 снабжена воздушным резьбовым клапаном 30. Сверху на поршне 23 имеется центральный выступ 31, контактирующий со скобой 32, нижний конец которой зафиксирован на конце сердечника 8.

Силоизмерительное устройство состоит из закрепленного на хвостовике 9 сердечника 8 корпуса тензометрического силоизмерителя 33, к выходному звену которого присоединен измерительный шток 34, снабженный горизонтально и соосно расположенным нажимным диском 35, а снизу и параллельно ему соосно установлен диск-отражатель 36, прикрепленный к основанию при помощи трех регулируемых по высоте шпилек 37, ввинченных с равным шагом по окружности в основание 1. В качестве тензометрического силоизмерителя 33 применен стандартный прецизионный тензометрический блок электронных аналитических лабораторных весов, выпускаемых серийно. Например, лабораторные весы Sartorius серии Secura http://www.sartogosm.ru/sartorius_serii_secura.html

Для обеспечения герметичности узлов колебательного структурометра при его санитарной обработке предусмотрены защитный кожух 38 и гофрированная манжета 39, надетая на хвостовик 9 сердечника 8, прикрепленные к основанию 1.

Заправка демпфера жидкостью (минеральное масло или глицерин) осуществляется в следующей последовательности:

- снимают корпус демпфера 18 с кронштейна 2, отвинтив винты;

- вынимают поршень 23;

- открывают воздушный резьбовой клапан 30;

- располагают демпфер вертикально над сосудом (условно не показан) для сбора излишков жидкости;

- заливают жидкость сверху в рабочую емкость 25, которая переливается через центральное калиброванное отверстие 28 диска 27, заполняет нижнюю расширительную емкость 26 и выталкивает воздух через воздушный резьбовой клапан 30. Причем диаметр центрального калиброванного отверстия 28 гарантированно больше диаметра воздушного резьбового клапана 30. Коническая выточка 29 предназначена для вывода остаточных пузырьков воздуха через центральное калиброванное отверстие 28 из расширительной емкости 26 по мере ее заполнения;

- при полном заполнении рабочей емкости 25, вставляют поршень 23 и опускают его в низ до совпадения его торца с верхним концом корпуса демпфера 18. При этом излишки жидкости будут сброшены в сосуд;

- завинчивают воздушный резьбовой клапан 30;

- крепят корпус демпфера 18 к кронштейну 2 винтами.

Реометр работает следующим образом. Его фиксируют строго вертикально на боковой стенке технологической ванны специальным кронштейном (на чертеже условно не показан), таким образом, чтобы нажимной диск 35 и диск-отражатель 36 полностью погрузились в контролируемую среду.

Подключают разъемы тензометрического силоизмерителя и сетевой кабель электромагнита к блоку управления (условно не показан), который затем подключают к сети. Т.к. в измерительном узле применен тензометрический силоизмеритель, то в измерительной электрической схеме использована мостовая схема регистрации его сигнала, требующая выполнения балансировки измерительного моста, при которой показания индикатора линейных перемещений "обнуляются". В блоке управления на реле времени задают временной интервал, через который будет происходить замыкание - размыкание цепи и очередной замер (обычно устанавливают шаг очередного цикла измерения - 30 с). В начальный момент времени сердечник 8 занимает крайнее верхнее положение, а с помощью регулировочной 16 и стопорной 17 гаек устанавливается рабочий ход 8 сердечника. Реометр к работе готов.

Процесс контроля образования геля при свертывании молока. С панели блока управления нажатием кнопки «Пуск» подают напряжение на силовую катушку 4 электромагнита, за счет возникшего в пространстве катушки электромагнитного поля сердечник 8 начнет совершать поступательные перемещения, тем самым через хвостовик 9 с упорным диском 10, корпус тензометрического силоизмерителя 33, измерительный шток 34 передавать поступательные перемещения нажимному диску 35, погруженному в контролируемую среду. Совершив перемещение на заданную величину 5, в течение установленного времени (5 с), разомкнется цепь, питающая электромагнит, возвратная пружина 13, толкая упорный диск 10, вернет шток 8 в исходное положение, через на заданное время (30 с) цепь замкнется и повторится цикл измерения.

При этом конструкция разработанного колебательного структурометра для непрерывного контроля процесса образования геля при свертывании молока в производстве сыров и кисломолочных продуктов, 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. 4 для примера представлены две сравнительные реограммы «Е-t» образования сычужного и кисломолочного сгустков, полученные на предлагаемом колебательном структурометре (кривая 1) и на реометре для контроля образования кислотно-сычужного сгустка (кривая 2) мягкого сыра «Кемеровский» по рецептуре и технологии Кеммолпром (г. Кемерово). На обеих реограммах четко выделяются три характерные для данного процесса временных участка: АВ - стадия индукции (молочная смесь жидкая); ВС - стадия флокуляции (начало образования хлопьев, объемной структуры и упрочнение сгустка); CD - стадия метастабильного равновесия (достижение в точках С максимальной прочности сгустков, реограммы терпят излом и выходят на горизонтальный участок - прочность сгустков не изменяется). Из анализа реограмм видно, что они имеют подобный характер, однако на реограмме, полученной на колебательном структурометре, участок CD имеет более крутую характеристику, что говорит о получении более точных ее значений модуля продольной упругости Е.

Источники информации

1. Пат. 2454655 Российская Федерация, МПК⁷ G01N 11/14. Вибрационный реометр / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - №2008130243/28; заявлен 12.01.11; опубл. 27.06.12. Бюл №30.

2. Пат. 2304280 Российская Федерация, МПК G01N 33/04. Реометр для образования кислотно-сычужного сгустка / А.Н. Пирогов, Д.В. Доня; Заявитель и патентообладатель Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - №2008130243/28; заявлен 01.08.05; опубл. 10.08.07. Бюл №30.

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

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования геля при свертывании молока в производстве сыров и кисломолочных продуктов. Колебательный структурометр состоит из закрепленного при помощи кронштейна вертикально на основании электромагнита с цилиндрическим ферромагнитным сердечником, на нижнем конце которого имеется хвостовик и подпружиненный упорный диск с отверстием, в которое входит направляющая ступенчатого пальца, на большем диаметре которого предусмотрена резьба с регулировочной и стопорной гайками. Над сердечником расположен корпус гидравлического демпфера. В корпусе выполнена цилиндрическая камера, в которую сверху вставлен подпружиненный поршень с уплотнительной манжетой. Камера разделена на верхнюю рабочую и нижнюю расширительную емкости запрессованным в нее диском с центральным калиброванным отверстием. Расширительная емкость снабжена воздушным резьбовым клапаном, а сверху на поршне имеется центральный выступ, контактирующий со скобой, нижний конец которой зафиксирован на верхнем конце сердечника. На хвостовике сердечника закреплен корпус тензометрического силоизмерителя, к которому присоединен измерительный шток, снабженный нажимным диском. Технический результат заключается в упрощении конструкции прибора и повышении точности измерений. 4 ил.

Колебательный структурометр, содержащий основание, нагружающее устройство, силоизмерительное устройство и блок управления, отличающийся тем, что нагружающее устройство состоит из закрепленного при помощи кронштейна вертикально на основании электромагнита, включающего стальной цилиндрический стакан с силовой катушкой, закрытый стальной резьбовой крышкой, причем в центральные отверстия днища стакана и крышки запрессованы втулки из антифрикционного материала, в которых установлен цилиндрический ферромагнитный сердечник, имеющий на нижнем конце хвостовик и подпружиненный упорный диск с отверстием, в которое с минимальным зазором входит направляющая ступенчатого пальца, запрессованного перпендикулярно в основание, на большем диаметре которого предусмотрена резьба с регулировочной и стопорной гайками, а над сердечником и соосно ему расположен прикрепленный винтами к кронштейну, перпендикулярно установленному на основании, корпус гидравлического демпфера, в нижней части которого предусмотрен фланец, закрытый мембраной, герметично прикрепленной к нему при помощи прижимного кольца винтами, при этом в корпусе выполнена закрытая сверху подпружиненным поршнем с уплотнительной манжетой цилиндрическая камера, заполненная жидкостью и разделенная на верхнюю рабочую и нижнюю расширительную емкости запрессованным в нее диском, в котором выполнено в центре калиброванное отверстие, а снизу - коническая выточка, причем расширительная емкость снабжена воздушным резьбовым клапаном, а сверху на поршне имеется центральный выступ, контактирующий со скобой, нижний конец которой зафиксирован на верхнем конце сердечника, а силоизмерительное устройство состоит из закрепленного на хвостовике сердечника корпуса тензометрического силоизмерителя, к выходному звену которого присоединен измерительный шток, снабженный горизонтально и соосно расположенным нажимным диском, а снизу и параллельно ему соосно установлен диск-отражатель, прикрепленный к основанию при помощи трех регулируемых по высоте шпилек, ввинченных с равным шагом по окружности в основание.