Устройство для измерения предельного напряжения сдвига
Владельцы патента RU 2281494:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежская государственная технологическая академия (RU)
Изобретение может быть использовано для определения предельного напряжения сдвига пищевых и непищевых продуктов и сырья для пищевой и химической промышленности. Технической задачей изобретения является создание дешевого устройства для точного определения предельного напряжения сдвига. Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения предельного напряжения сдвига, включающем конус, погружающийся в исследуемый образец, анализатор глубины погружения, электронную схему регистрации глубины погружения, новым является то, что в качестве анализатора глубины погружения конуса используют фотодиод и закрепленный на конусе светодиод, причем фотодиод имеет возможность дискретного перемещения относительно светодиода. Технический результат заключается в создании малогабаритного устройства, имеющего низкую себестоимость, способного выполнять высокоточные измерения предельного напряжения сдвига. 3 ил.
Изобретение может быть использовано для определения предельного напряжения сдвига пищевых и непищевых продуктов и сырья для пищевой и химической промышленности.
Ближайшим аналогом является Индукционное устройство для замера кинетики погружения индентера в продукт [Косой П.Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 г. - 65-69 с.].
Устройство имеет ряд недостатков.
При измерениях предельного напряжения сдвига конус с момента начала погружения в продукт до окончания погружения проходит расстояние до 2-3 см, в то время как последний, самый информативный участок этого пути составляет не более 2-3 мм. Очевидно, что для увеличения точности измерения предельного напряжения сдвига чувствительность устройства на этом участке необходимо увеличить. Однако чувствительность известного устройства равномерна на всем пути конуса.
Для обеспечения максимальной чувствительности устройства необходимо уменьшить зазор между стаканами. При этом возрастают технологические сложности изготовления стаканов, увеличивается вероятность короткого замыкания между стаканами при вибрациях. Механические контакты между стаканами при вибрациях влияют на кинетику погружения конуса в продукт и могут привести к погрешностям измерения предельного напряжения сдвига.
Технической задачей изобретения является создание дешевого устройства для точного определения предельного напряжения сдвига.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения предельного напряжения сдвига, включающем конус, погружающийся в исследуемый образец, анализатор глубины погружения, электронную схему регистрации глубины погружения, новым является то, что в качестве анализатора глубины погружения конуса используют фотодиод и закрепленный на конусе светодиод, причем фотодиод имеет возможность дискретного перемещения относительно светодиода.
Технический результат заключается в создании малогабаритного устройства, имеющего низкую себестоимость, способного выполнять высокоточные измерения предельного напряжения сдвига.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, включающее: светодиод 2, фотоприемник 3, расположенный на конусе 1, к которому прикреплена стеклянная трубка 8, которая скользит по четырем направляющим 9, представляющим собой тонкие изогнутые отрезки проволоки. Направляющие припаяны к трубке 10, которая посредством планки укреплена на рамке 11. Фотоприемник прикреплен к штоку 10, закрепленному на подвижной планке 12, способной перемещаться вверх-вниз в пределах хода конуса. Расстояние h задается калиброванными по толщине вкладышами, помещенными между планкой 12 и неподвижной планкой, скрепленной с трубкой 10. Роль вкладышей может выполнять барабан с прорезями. Для получения и считывания информации имеется генератор 4; синхронный детектор - 5; усилитель - 6; цифровой вольтметр - 7.
Устройство работает следующим образом.
Излучающий светодиод 2 вместе с конусом 1 перемещается относительно неподвижного фотоприемника 3, в качестве которого используется фотодиод. Сигнал от фотоприемника А пропорционален его освещенности Е, которая, в свою очередь, зависит от расстояния l между фотоприемником и излучателем.
где k - коэффициент пропорциональности.
На светодиод подается импульсное напряжение прямоугольной формы от генератора 4. Для преобразования и усиления сигнала с фотодиода служит синхронный детектор 5 и усилитель 6. Усиленный сигнал регистрируется вольтметром 7. Так как конус погружается в исследуемую среду в начальный момент времени (2-3 сек) значительно быстрее, чем в последующие 2-3 минуты до остановки, фотоприемник спустя 2-3 сек после начала погружения конуса может быть смещен экспериментатором вниз на строго определенное расстояние h, что резко увеличивает точность измерения перемещения.
Тогда глубина погружения конуса составит:
причем
где h1 - расстояние между опущенным фотодиодом и полностью погруженным конусом.
U - напряжение с выхода синхронного детектора;
k1 - коэффициент пропорциональности.
Точность измерения и чувствительность к малым перемещениям конуса при смещении фотоприемника увеличивается потому, что освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния, т.е. при малых расстояниях между излучателем и фотоприемником ее изменения значительно увеличиваются по сравнению с большими расстояниями.
Предельное напряжение сдвига рассчитывается по формуле
где k1 и k2 - коэффициенты, определяемые в ходе калибровки устройства;
m - масса конуса.
После изготовления устройства для измерения предельного напряжения сдвига устройство необходимо откалибровать.
Для калибровки под острие конуса необходимо подложить пакет из 10-20 металлических или полимерных пластинок толщиной 100±2 мкм, вплотную приблизить фотодиод к светодиоду, после чего, поочередно удаляя пластинки, регистрировать напряжение на цифровом вольтметре. В соответствие с законом освещенности Ламберта
где I0 - сила света,
ϕ - угол между нормалью к освещаемой поверхности и направлением на источник света,
r - расстояние между источником и поверхностью.
Обозначим
I и ϕ - константы в ходе эксперимента.
Тогда,
но т.к. Е пропорционально U, то
где k1 - коэффициент, входящий в формулу (5),
Расстояние r определяем как
где d - толщина пластинки;
n - число удаленных пластинок;
k1 определяем как тангенс угла наклона прямой зависимости U от 
.
Константа k2 для использованного нами конуса с углом при вершине 2α=60° равна 2,01 [Косой П.Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 г. С.66], т.к. при таком значении k2 показания устройств для определения предельного напряжения сдвига совпадают с данными, полученными на других устройствах. Для других углов при вершине конуса константа k2 может быть определена по таблице [Косой П.Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 г. С.64]
| 2α | k2 |
| 20 | 17,93 |
| 30 | 9,4 |
| 45 | 4,08 |
| 60 | 2,01 |
| 75 | 1,1 |
| 90 | 0,715 |
Для проведения измерений необходимо подставить под конус емкость, до краев заполненную исследуемым материалом (высота емкости подбирается такой, что в начальном положении светодиод касается фотодиода), и отпустить конус.
Если исследуется какая-либо новая среда, подбирают вкладыш так, что бы величина h1 (4) при опускании планки 11 (2) составляла 1-2 мм.
При проведении серийных измерений как правило пользуются одним-двумя вкладышами.
Принцип работы устройства поясняется примерами.
Пример 1. Определение предельного напряжения сдвига мясного фарша с добавлением электрохимически активированной плазмы крови.
Улучшить органолептические характеристики колбасных изделий с белковыми добавками можно, используя в качестве добавки плазму крови, прошедшую электрохимическую активацию. Электрохимически активированную плазму крови удобно добавлять в фарш с большим содержанием мяса с пороками качества, например PSE - свинины (бледной водянистой свинины). При этом возрастает водосвязывающая способность фарша, улучшается консистенция приготовленной из него колбасы (уменьшается рыхлость таких колбас). Объективная оценка степени улучшения консистенции колбас с различными белковыми добавками (соевая мука, соевые концентраты и изоляты, электрохимически активированная плазма крови) и сравнение этих добавок между собой возможны, если измеряется предельное напряжение сдвига фарша с добавлением перечисленных материалов.
Известно [Косой П.Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983 г. С.66], что повышение предельного напряжения сдвига фарша приводит к улучшению консистенции рыхлых колбас.
Коническим пластометром с оптической регистрацией перемещения измерялось предельное напряжение сдвига фарша с добавками электрохимически активированной плазмы крови (фиг.2. Зависимость предельного напряжения сдвига фарша (Рпр) от содержания добавки (Т, %), кривая 1 - добавка ЭХА плазмы крови) и соевой муки (кривая 2 - добавка соевой муки).
Из фиг.2 видно, что добавка электрохимически активированной плазмы крови имеет преимущество перед соевой мукой. Объективная регистрация различий между этими образцами стала возможной благодаря применению предлагаемого прибора, аналогичные результаты можно получить на приборах, стоимость которых выше предлагаемого в несколько раз.
Кроме того, заявляемое устройство для измерения предельного напряжения сдвига применяется при определении оптимального времени куттерования (тонкого измельчения) фарша с белковыми добавками. Как показано в прототипе, величина куттерования, отвечающего продукции наивысшего качества, соответствует максимальное предельное напряжение сдвига фарша. Зависимость предельного напряжения сдвига от времени куттерования показывает, что наиболее рациональным временем куттерования является 8 мин (фиг.3. Зависимость предельного напряжения сдвига фарша (Рпр) от времени куттерования).
Таким образом, можно сказать о том, что разработано новое, дешевое и точное устройство, обладающее минимальной погрешностью и возможностью подключения к компьютеру для автоматического контроля, регистрации и статистической обработки данных в ходе технологического процесса.
Устройство для измерения предельного напряжения сдвига, включающее конус, погружающийся в исследуемый образец, анализатор глубины погружения, электронную схему регистрации глубины погружения, отличающееся тем, что в качестве анализатора глубины погружения конуса используют фотодиод и закрепленный на конусе светодиод, причем фотодиод имеет возможность дискретного перемещения относительно светодиода.
