Колебательный структурометр



Колебательный структурометр
Колебательный структурометр
Колебательный структурометр
Колебательный структурометр
Колебательный структурометр
Колебательный структурометр

 


Владельцы патента RU 2574523:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кемеровский технологический институт пищевой промышленности" (RU)

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процессов гелеобразования в молочных сгустках при производстве сыров и кисломолочных продуктов, а также для контроля процессов гелеобразования в других отраслях промышленности, производящих или применяющих структурированные жидкости. Колебательный контур содержит основание, корпус, нагружающее устройство, измерительное устройство, емкость и блок управления. При этом нагружающее устройство включает присоединенный к валу шагового электродвигателя понижающий редуктор с передаточным отношением не менее 20:1, на выходном валу которого зафиксирована втулка кулачка, к которой винтами прикреплен диск кулачка с выполненным по его центру сквозным окном, а со стороны втулки и симметрично его центральной оси, перпендикулярной оси продолговатых отверстий для винтов, в нем выполнен прямоугольной формы паз, в который с возможностью вращения помещен эксцентрик с шлицем, хвостовик которого с зазором вставлен в центральное отверстие втулки кулачка. При этом диск кулачка контактирует с установленным соосно ему в центральной втулке, прикрепленной вертикально над ним к кронштейну основания, толкателем, на верхнем конце которого горизонтально зафиксирован столик с емкостью. Измерительное устройство состоит из размещенного с зазором в емкости чувствительного элемента, выполненного в виде рифленых пластинок, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню, зафиксированному в замке прецизионного тензометрического силоизмерителя, установленного на кронштейне на основании. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение точности измерений. 6 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса гелеобразования при производстве, например, сыров и кисломолочных продуктов, а также для контроля процессов структурообразования в других отраслях промышленности, производящих или применяющих структурированные жидкости.

Известен реометр, предназначенный для исследования кинетики сдвиговой деформации пищевых материалов в условиях вибрации [1]. Прибор имеет основание, на котором на движущейся вертикально и возвратно-поступательно платформе установлена кювета с исследуемой пищевым материалом, в которую вертикально вставлен чувствительный элемент - пластина. Верхним концом пластина подвешена к штоку механического измерителя перемещений часового типа, предназначенного для измерения частоты и амплитуды ее колебаний. Корпус механического измерителя перемещений связан с двуплечим рычагом, на втором плече которого подвешен груз. Исследования проводят при варьировании статических напряжений (при изменении веса груза) и параметров вибрации. Возвратно-поступательные перемещения платформы обеспечиваются эксцентриковым возбудителем (кулачком) от электропривода.

Недостатки в конструкции прибора следующие: а) перемещения платформы с кюветой обеспечиваются эксцентриковым возбудителем (кулачком) с постоянной амплитудой, что снижает область применения прибора, т.к. у различных гелеобразующих сред прочность структуры отличается на порядки. По этой причине для таких сред необходимо экспериментально устанавливать оптимальные значения амплитуды. Например, для сред с "нежной" консистенцией (кисломолочные продукты, крема и др.) необходимо уменьшать амплитуду сдвиговых деформаций, чтобы избежать чрезмерного разрушения структуры и снижения точности измерений, а для сред повышенной прочности - наоборот увеличивать; б) для измерения контролируемого параметра - линейных перемещений пластины (чувствительного элемента) применен механический измеритель часового типа, быстродействие которого ограничивается инерционностью его подвижных деталей, а точность измерений - от квалификации оператора, т.е. от человеческого фактора; в) конструкцией прибора не предусмотрено получение выходного сигнала для автоматической регистрации результатов измерений, что не позволяет использование его в системах автоматического управления технологическим процессом.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является колебательный сдвигометр [2]. Он содержит 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 два продолговатых отверстия, выполненные в нем по осевой линии. На диск напрессован шарикоподшипник, наружное кольцо которого контактирует с полым подпружиненным толкателем, установленным под кулачком в прикрепленной перпендикулярно основанию центральной втулке с возможностью поступательного перемещения.

Измерительное устройство состоит из калиброванной цилиндрической винтовой пружины, закрепленной верхним витком к нижнему концу полого толкателя, а нижним витком - к измерительному стержню, установленному в подшипниках соосно полому штоку, на нижнем конце которого закреплен чувствительный элемент в виде рифленой пластинки, которая погружена в емкость с контролируемой средой.

Измеритель контролируемого параметра (сил сопротивления среды перемещениям 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. 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 регистрации и обработки результатов измерений.

Недостатками колебательного сдвигометра являются: а) в регулируемом кулачке конструктивно не предусмотрена возможность точной установки заданного значения эксцентриситета е; б) сложность конструкции (наличие измерительного стрежня, катушки с обмоткой и составного постоянного магнита); в) при измерениях перемещаются чувствительный элемент, измерительный стержень с прикрепленным к нему кронштейном с калиброванной пружиной, которые обладают определенной инерцией покоя, что снижает точность измерений; г) вследствие шагового (дискретного) вращения вала электродвигателя, особенно при малых угловых скоростях вращения кулачка, на исследуемый материал будут передаваться дополнительные динамические импульсы, которые могут вызвать частичное разрушение образующейся структуры среды и тем самым снизить достоверность результатов измерений.

Реометры, которые предназначены для мониторинга процесса гелеобразования в сплошных средах, т.е. для исследования образования и упрочнения их структуры, называют структурометрами. В качестве контролируемого параметра принимают напряжения или силы сопротивления перемещениям чувствительного элемента в исследуемой среде. В частности, ниже приведены в качестве примера реограммы, полученные при мониторинге процесса гелеобразования молочно-белковых сгустков - сырного сгустка и сметаны с различной массовой долей жира.

Сущность изобретения заключается в том, что в колебательном структурометре, содержащем основание, корпус, нагружающее устройство, измерительное устройство, емкость и блок управления, нагружающее устройство включает присоединенный к валу шагового электродвигателя понижающий редуктор, с передаточным отношением не менее 20:1, на выходном валу которого зафиксирована втулка кулачка, к которой винтами прикреплен диск кулачка с выполненным по его центру сквозным окном. Со стороны втулки и симметрично центральной оси диска кулачка, перпендикулярной оси продолговатых отверстий для винтов, в нем выполнен прямоугольной формы паз, в который с возможностью вращения помещен эксцентрик с шлицем, хвостовик которого с зазором вставлен в центральное отверстие втулки. При этом диск кулачка контактирует с установленным соосно ему в центральной втулке, прикрепленной вертикально над ним к кронштейну основания, толкателем, на верхнем конце которого горизонтально зафиксирован столик с емкостью. Измерительное устройство состоит из размещенного с зазором в емкости чувствительного элемента, выполненного в виде рифленых пластинок, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню, зафиксированному в замке прецизионного тензометрического силоизмерителя, установленного на кронштейне основания.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена схема колебательного структурометра, на фиг. 2 - вид по стрелке А; на фиг. 3 - вид эксцентрика для точной регулировки кулачка; на фиг. 4 - вид по стрелке Б; на фиг. 5 - реограммы сырных сгустков в зависимости от варьирования амплитуды (эксцентриситета е) перемещений емкости с исследуемой средой, полученные на предлагаемом изобретении; на фиг. 6 - сравнительные реограммы образования сгустков сметаны с массовой долей жира, %: 15 и 20, полученные на предлагаемом изобретении (фиг. 5, а, реограммы 1 и 2) и на сертифицированном лабораторном ротационном вискозиметре "Rheotest-2 RV" (Германия) (фиг. 5, б, реограммы 1' и 2′), соответственно.

Колебательный структурометр имеет основание 1, на котором на кронштейне 2 закреплен шаговый электродвигатель 3, который соединен с понижающим редуктором 4 с передаточным отношением не менее 20:1, на валу которого зафиксирован кулачок, состоящий из втулки 5, к которой прикреплен с заданным эксцентриситетом е диск 6 при помощи винтов, проходящих через два продолговатых отверстия 7, выполненных по оси симметрии диска 6 (фиг. 2). В диске 6 со стороны втулки 5 имеется прямоугольной формы паз 8, расположенный по его оси симметрии, перпендикулярной оси продолговатых отверстий 7. В паз 8 установлен с возможностью вращения эксцентрик 9 с выполненным в нем шлицем 10, хвостовик 11 которого входит в центральное отверстие втулки 5 кулачка (фиг. 3). Для доступа к шлицу 10 эксцентрика 9 в диске 6 предусмотрено центральное отверстие 12 (фиг. 2). Для уменьшения трения на диск 6 напрессован подшипник (кольцо из антифрикционного материала, например капролона, или шарикоподшипник) 13, которое контактирует с толкателем 14 (фиг. 2).

Толкатель 14 установлен вертикально и соосно над кулачком в закрепленной на кронштейне 2 центральной втулке 15 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, обеспечиваемого любым стандартным способом, например, запрессованным перпендикулярно его продольной оси пальцем 16, который с минимальным зазором перемещается в продольном пазу 17, выполненном в центральной втулке 15 (фиг. 1, фиг 4). При этом на фиг. 2 и фиг. 3 показано положение эксцентрика, при котором эксцентриситет кулачка равен e max=6·10-3 м.

На верхнем конце толкателя 14 горизонтально установлен столик 18 с зафиксированной термостатируемой емкостью 19, снабженной входным 20 и выходным 21 патрубками для подключения к жидкостному термостату (детали крепления емкости 19 к столику 18 условно не показаны). В емкость 19 с исследуемой средой погружен чувствительный элемент, состоящий, например, из алюминиевых рифленых пластинок 22, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню 23, который при помощи замка 24 прикреплен к прецизионному тензометрическому силоизмерителю 25, который зафиксирован при помощи пластины 26 на трубчатой стойке 27, установленной на основании 1.

При этом в качестве тензометрического силоизмерителя 25 применен стандартный прецизионный тензометрический блок электронных аналитических лабораторных весов, выпускаемых серийно. Например, Весы Сартогосм MB 210-А. http://www.sartogosm.ru/sartogosm_mv_210_a.html.

Для обеспечения герметичности электропривода при проведении санитарной обработки предусмотрен корпус 28. Для доступа к эксцентрику 9 кулачка в корпусе 28 предусмотрено окно, закрываемое крышкой 29.

Для установки требуемого значения амплитуды колебаний столика 18 с емкостью 19 (т.е. эксцентриситета кулачка е) предусмотрен индикатор 30 линейных перемещений ИЧ-10 с ценой деления 0,01·10-3 м, измерительный шток которого упирается в верхний торец емкости 19 (фиг. 1). Индикатор закрепляют на кронштейне 31, зафиксированном винтом 32 на стойке 27. Затем открывают крышку 29 корпуса 28, отверткой через окно 12 ослабляют винты 7 кулачка и, вставив отвертку в шлиц 10, поворачивают эксцентрик 9 (фиг. 2). По показаниям индикатора 30 устанавливают требуемое для исследуемой среды значение амплитуды колебаний (эксцентриситета е) столика 18. Затем завинчивают винты 7 и устанавливают на место крышку 29. После этого, ослабив винт 32, сдвигают кронштейн 31 с индикатором 30 вверх по стойке 27 и фиксируют винтом 32.

Колебательный структурометр работает следующим образом. Подключают разъемы тензометрического силоизмерителя 25 и сетевой кабель шагового электродвигателя 3 с заземляющей шиной к блоку управления (условно не показан), который затем подключают к сети. На столике 18 закрепляют емкость 19, заполненную исследуемой жидкостью, и подключают ее патрубки 20, 21 при помощи шлангов к жидкостному термостату (условно не показан). Затем в замке 24 фиксируют держатель 23 чувствительного элемента 22. На блоке управления задают скорость вращения вала шагового двигателя 3, обнуляют показания тензометрического силоизмерителя 25. При этом схема управления шаговым электродвигателем 3 настроена так, что кулачок 5, 6, 13 в исходном состоянии всегда занимает позицию, при которой толкатель 14 находится в верхнем положении, как показано на фиг. 1 и фиг. 2.

Контроль гелеобразования выполняется по следующей методике. С панели блока управления нажатием кнопки «Пуск» подают напряжение на шаговый электродвигатель 3, вал которого приведет во вращение с заданной угловой скоростью диск 6 кулачка, подшипник 13 которого передаст заданные вертикальные возвратно-поступательные перемещения, равные заданному эксцентриситету е, через толкатель 14, столик 18, емкости 19 с исследуемой средой. При этом вследствие внутреннего трения среды на чувствительном элементе 22 возникнут силы сопротивления, которые будут возрастать по мере образования и упрочнения объемной структуры геля, которые будут измерены тензометрическим силоизмерителем 25 и переданы в блок управления для обработки и представления результатов измерений.

В начале измерений гелеобразующая среда находится в жидком состоянии и практически не оказывает сопротивления перемещениям чувствительного элемента 22. По мере образования объемной структуры в среде сопротивление на поверхности чувствительного элемента 22 при каждом цикле измерений будет возрастать. Вследствие этого на его рабочих плоскостях будут увеличиваться значения предельных напряжений сдвига θo, которые вычисляют по формуле

где F - текущее значение силы, регистрируемой тензометрическим силоизмерителем 25, Н; 8 A - площадь рифленых плоскостей 4-х пластинок 22, м2 (фиг. 1).

При достижении максимальной прочности геля в блоке управления будет сформирован звуковой сигнал о его готовности, а также подан управляющий сигнал в систему автоматизированного управления для перехода к следующей технологической операции его обработки. Цикл измерений окончен.

На фиг. 5 показано влияние амплитуды колебаний (при фиксированиии всех других факторов процесса гелеобразования) на форму реограмм и на прочность структуры готового сырного сгустка, полученных на заявляемом изобретении. При этом варьировали амплитуду колебаний емкости 19 в пределах (1,0÷6,0)·10-3 м. Из анализа реограмм видно, что наиболее достоверно описывает процесс образования геля реограмма, полученная при е=2·10-3 м, на которой четко прослеживаются основные стадии процесса гелеобразования: АВ - стадия индукции, ВС - стадия коагуляции, CD - стадия метастабильного упрочнения.

Для контроля достоверности реограммы процесса образования сгустков сметаны с массовой долей жира 15 и 20%, полученных на заявляемом колебательном структурометре в координатах «предельное напряжение сдвига θo - продолжительность процесса t» (реограммы 1 и 2, фиг. 6, а), параллельно были проведены сравнительные исследования процесса образования сгустков на лабораторном ротационном вискозиметре «Rheotest-2 RV» (Германия). Исследования были выполнены с использованием измерительной ячейки S/S3 при постоянной скорости сдвига γ ˙ = 2,25  с -1 . В результате была получены реограммы зависимости «эффективная вязкость ηэ - продолжительность процесса t» (реограммы 1′ и 2′, фиг. 6, б). Опыты выполнены при температуре 32±2°С.

Из анализа реограмм видно, что они имеют подобный характер. На обеих реограммах четко выделяются три характерные для данного процесса участка: АВ (А1В1) - стадия индукции (молочная смесь жидкая); ВС (В1С1) - стадия флокуляции (начало образования объемной структуры и упрочнение сгустков); CD (C1D1) - стадия метастабильного равновесия (достижение в точках С (С1) максимальной прочности сгустков, реограммы терпят излом и выходят на горизонтальный участок) - прочность сгустков не изменяется. При этом отклонения продолжительности соответствующих стадий процесса образования сметанных сгустков находятся в пределах Δ<±4%, т.е. лежат в пределах максимальной относительной погрешности измерений ротационного вискозиметра «Rheotest-2 RV».

Источники информации

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

2. Пат. 2454655 Российская Федерация, МПК7 G01N 11/14. Колебательный структурометр / А.Н. Пирогов, И.А. Литвинова; Заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности - №2011100982/28; заявлен 12.01.11; опубл. 27.06.12, Бюл. №18.

Колебательный структурометр, содержащий основание, корпус, нагружающее устройство, измерительное устройство, емкость и блок управления, отличающийся тем, что нагружающее устройство включает присоединенный к валу шагового электродвигателя понижающий редуктор с передаточным отношением не менее 20:1, на выходном валу которого зафиксирована втулка кулачка, к которой винтами прикреплен диск кулачка с выполненным по его центру сквозным окном, а со стороны втулки и симметрично его центральной оси, перпендикулярной оси продолговатых отверстий для винтов, в нем выполнен прямоугольной формы паз, в который с возможностью вращения помещен эксцентрик с шлицем, хвостовик которого с зазором вставлен в центральное отверстие втулки кулачка, при этом диск кулачка контактирует с установленным соосно ему в центральной втулке, прикрепленной вертикально над ним к кронштейну основания, толкателем, на верхнем конце которого горизонтально зафиксирован столик с емкостью, а измерительное устройство состоит из размещенного с зазором в емкости чувствительного элемента, выполненного в виде рифленых пластинок, прикрепленных с равным шагом по окружности к вертикально расположенному измерительному стержню, зафиксированному в замке прецизионного тензометрического силоизмерителя, установленного на кронштейне основания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к диагностической медицинской технике и может быть использовано при оценке вязкости крови. Устройство включает ротор, средство приведения ротора во вращение, средство регистрирующее параметры вращения ротора, измерительную ячейку, причем ротор размещен внутри измерительной ячейки с зазором, при этом ротор и измерительная ячейка выполнены таким образом чтобы соблюдалось условие: 1,0<δ<1,03 или 1,03<δ≤1,1, где δ отношение радиуса измерительной ячейки к радиусу ротора.

Настоящее изобретение относится к устройствам для исследования реологических характеристик материалов и способам использования данных устройств. Более конкретно, объектом настоящего изобретения являются импеллерные чувствительные элементы для исследования реологических характеристик жидкостей, содержащих твердые частицы, в различных условиях обработки.

Изобретение относится к технике измерения вязкости веществ, а именно к устройствам для измерения эффективной вязкости материала с помощью ротационного вискозиметра.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения коэффициента динамической вязкости текучих сред со сложными реологическими свойствами, зависящими от скорости сдвига, давления и температуры.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изготовлении вискозиметров для измерения реологических свойств жидкостей. .

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам и способам исследования биомеханических свойств крови. .

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аэрогидродинамическим устройствам для определения вязкости, и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле состава и свойств жидкостей.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения вязкости жидкостей, а также контроля готовности и качества полимерных и других растворов, например, при производстве полимерных волокон.

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования молочного сгустка при производстве сыров и кисломолочных продуктов. .

Изобретение относится к устройству, предназначенному для измерения реологических характеристик вязкоупругого материала. .

Изобретение относится к автоматизации технологического контроля производственных процессов в химической и нефтехимической промышленности. Способ измерения вязкости жидкости ротационным вискозиметром включает создание и измерение разности давлений в нагнетательной и всасывающей камерах ротационного насоса, измерение скорости вращения ротора, с последующим нахождением искомого параметра расчетным путем. При этом измерения проводят в динамическом режиме и дополнительно измеряют крутящий момент на приводном валу насоса, температуру на выходе насоса, далее рассчитывают вязкость контролируемой жидкости по формулам: где: A, F, G - постоянные коэффициенты; Δ p - разность давлений в нагнетательной и всасывающей камерах; n - скорость вращения ротора; t - температура на выходе насоса; Мпр - крутящий момент, затрачиваемый на приводном валу насоса; t0 - приведенная температура. Целесообразно в качестве ротационного насоса использовать роторно-вращательный насос. Техническим результатом является упрощение способа и повышение его надежности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх