Устройство для исследования структурно-механических свойств вязко-пластичных продуктов Советский патент 1984 года по МПК G01N33/12 

Ф1/«/

/

TfT.ff

Изобретение относится к мясомолочной и пищевой промышленности и может найти применение Для оценки качества вяэкопластичных продуктов по консистенции, например рыбных и мясных фаршей, теста, шоколадных 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 мясо, сахар, хлебопекарные и кондитерские изделия.

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

Известно устройство для оценки прочности структуры пищевых продуктов с помощью конического пластометра КП-3 Воларовича, содержащее кювету с исследуемым пpoдykтом, конус со штангой и поперечиной 4, обойму для осевого перемещения штайги, индикатор часового типа для измерения перемещения штанги 1Известно также устройство для исследования структурно-механических свойств вязкопластичных продуктов., содержащее корпус со штоком, установленным с возможностью перемещения и снабженньм индентором, емкость для исс ледуемого пpoдs тa и блок управления .

Однако эти устрсиаства 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 исследования структурно-механических свойств вязкопластичных продуктов, содержащее корпус со штоком, установленным , свозможностью перемещения и снаб-еженным 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, самопишущимпрИ бором и вычислительным блоком, состоящим из последовательно связанных между собой квадратора, делителя, множителя и .операционного усилителя подключенного к самопиадущему 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.

На фиг. 1 показан график зависнмости-частоты вращения ротора электропривода от тока якоря; на фиг. 2 схема устройства для исследования структурно-механических свойств: вязкопластичных продуктов.

Известно, что в двигателях пос

тоянного тока параллельного и независимого возбуждения ток (19) якоря пропорционален моменту (М) на .вал:, а зависимость частоты (S) вращения ротора двигателя от тока (l) представляет уравнение прямой через два точки: идеал1эный холостой ход (1а 0;Л 0) и пуск (lf,,) (фиг. 1).

С целью смягчения механичес

кой характеристики в-обмотку

якоря ротора электропривода включено добавочное сопротивление, падение напряжения V .на котором пропорla) (И)

следовательно, и моменту (М) сопротивления на валу электропривода.

Напряжение сдвига твердообразных систем определяется методом погружения конусообразного инде 1тора по уравнению

0 К- , (Я:

I

где 9 - -напряжение сдвига. Па;

К - константа индентора. К/кг; m - масса индентора, кг; h глубина погружения индентора , м .

Согласно теории Шведова-Бингама для твердообразных систем, имеющих предельное напряжение сдвига, тече5 ние описывается следующим уравнением;

0-00 1 ,(2)

где 0 - напряжение сдвига. Па;

9д- предельное напряжение сдви. . га. Па;

Ь - пластическая вязкость. Па-с; j -градиент скорости, c-i . Из уравнения. (2) следует, что если iTO, то при остановке индентора 6 ёо(3) Усилие, с которым индентор внедряется в продукт, определяется уравнением

,(4)

где М- момент, создаваемый электроприводом, Н-м; в - плечо, на которое действует

момент М, м.

С другой стороны, величина Р определяется из соотношения

(f,(5) где приведенная масса индентора, кг; - ускорение свободного паде ния, м/с. Согласно уравнениям (4) и (5) приведенная масса индентора (т„р) пропорциональна, моменту (М) , соэда.ваемому электроприводом, а следовательно, и. падению напряжения V на добавочном сопротивлении. Известно, что твердость (Н) исследуемого материала определяется по зависимости Н Р/5,(6) где Р - усилие, с которым индентор внедряется в продукт, Н; 5 - площадь поверхности погруж ного в продукт.индентора, Поверхность погруженного в продукт индентора, например конусообр ного, определяется из уравнения fein(ot/2)-h2. где ai - угол при вершине конуса, р fi - глубина погружения конуса, Подставл.яя уравнение (7) в урав нение (6) с учетом уравнения (4), лучаем -кф , (и, e /siti(d/2)b где К - константа индентора, м- . -f Jr«5in(oC/2| Устройство содержит предметный столик 1, емкость 2 для йсследуемого продукта 3, шток 4, снабжен ный индентором 5, в полости которого установлен пьезоэлектрический преобразователь 6, подключенный к блоку 7 управления. Блок 7 управления 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 свя зан с блоком 8 памяти и одним из входов сумматора 12/ второй вход которого подключен к одному из выхо дов блока & памяти. Регистратор 11 аеремещения 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 вы шслительному блоку 14, состоящему из квадратора 15, делителя 16, множителя 17 и рперационно го усилителя 18, причем выход сумматора. 13 через квадратор 15: и дели тель 16 подключен к одному из входо множителя 17, второй вход которого соединен с сумматором 12. Выход мно жителя 17 через операционный усилитель 18 подключен к самопишущему прибору 10 с отметчиком временных интервалов. Устройство работает следующим образом. При исследовании структурно-механических свойств вязкопластичных, а также сьиучих материалов исследуемь1й продукт 3 йомещают 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 приводит 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 из входов сумматора 12 и на -первый вход блока 8 памяти. Блок 8 памяти без поступления управляющего сигнала с блока 7. управления имеет на выходе сигнал V., , равный текущему значению .V ( ) . CyNwaTop 12 производит математическую операцию вычитания сигналов ( ), . выходной сигнал . При движении реохорда регистратора 11 перемещения индентора 5 происходит изменение импеданса, пропорционального линейному перемещению индентора 5, а следовательно, и величине выходного сигнала Vj регистратора 11. Текущее значение сигнала Vj поступает на один из входов сумматора 13 и на второй вход блока 8 памяти. Аналогично сумматору 12 сумматор 13 производит математическую операцию вычитания сигналов; сигнала V , поступающегос второго выхода блока 8 памяти и сигнала V с выхода регистратора 11 перемещения индентора 5, в результате чего выходной сигна.а Vjr сумматора 13 равен нулю ( Vj.-Vj 0) . В момент касания индентора 5 поверхности исследуемого продукта 3 пьезй лектрический-преобразователь 6 вырабатывает импульс напряжения, поступающий на блок 7 управления, в котором формируется управляющий сигнал, поступающий в блок 8 памяти. В блоке 8 памяти сформированный управляющий сигнал вызывает запоминание падение напряжения на добавочном сопротивлении в момент касания поверхности исследуемого продукта 3 индентором 5 и выходной сигнал УЗ регистратора 11 перемещения индентора 5 . При погружении индентора 5 -в исследуемый продукт 3 возникакнцее напряжение cQBVira противодействует внедрению индентора 5. в исследуемой продукт 3, вызьтая изменение момента (М), создаваемого электроприводом 9, а следовательно, и приращение текущего падения напряжения на выходе сумматора 12. Выходной сигнал УуГ V. сумматора 13, пропорциональный линейному перемещению игщентора 5, посту пает на вход квги ратора 15 аналогового вычислительного блока 14. Квадратор 15 производит математическую операцию возведения в квадрат, имея на выходе напряжение, пропорциональное v| , которое поступает на. вход делителя 16, имеющего на выходе сигнал, обратно пропорциональный входному (l/v|), и подает его на первый вход множителя 17, на второй вход которого поступает выходной си нал V2 с сумматора 12. Множитель 17 производит операцию перемножения входных сигналов, имея на выходе сиг нал, пропорциональный V2 / V|, кото рый поступает на вход операционного усилителя 18. Операционный усилитель 18 подает сигнал V к самопишу щему прибору 10 с отметчиком временных -интервалов, {эавный ,v,/vi, где Ко - масштабный коэффициент пропорциональности , выбор которого определяется коэффициентами пропорциональности элементо аналогового вычислительного устройст ва 14, регистратора 11 перемещения индеитора б, самопишущего прибора 10 с отметчиком временных интервалов, передаточного коэффициента электропривода 9 и константы К или К индентора 5. Выходной сигнал У операционного усилителя 18 пропорционален напряжению сдвига (в) 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 6 коническом пластометре КП-3 глубина погр5пкения индентора измеряется индикатором часового типа. Пружина индикатора оказывает существенное сопротивление перемещению подвижной части прибора (до 0,055 кг) (11/ поэтому в формулу (1) следует вводить поправку где гт. - Величина сопротивления, которая определяется градуи. ровкой в каждом частном с- чае и зависит от величины деформации пружины, гистерезиса деформаций и времени старения пружины, кг. Устройство С2) исключает погрешность измерений, возникающих в результате использования пружины 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 Kg можно измерять величину направления сдвига (б) и твердости (Н) практически с любой точностью, так как операционный усилитель 18 имеет коэффициент собственного усиления порядка Ю. Устройство позволяет сократить время измерения. коническом пластометре КП-3 Воларовича и в прототипе время определения глубины погружения составляет 4 мин. Определение напряжения сдвига осуществляется по формуле (tl или 1). Кроме того, необходимы подготовиТ1 |1ьнью работы: лодбор 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 (б) или твердость (Н), глубина погружения индентора Ь в любой- момент времени Т 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 промышленности для контроля структурно-механических характеристик продуктов.

ФиН

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: