СМСПП. CМСПП-лек.-12-2020. Лекция 12 Приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов

• Название: Лекция 12 Приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов
• Анкор: СМСПП
• Дата: 25.01.2021
• Размер: 209.82 Kb.
• Имя файла: CМСПП-лек.-12-2020.docx
• Тип: Лекция; #171073

Лекция 12
Приборы для измерения сдвиговых свойств продуктов
План лекции:

1. 
   Ротационные вискозиметры
   
2. 
   Капиллярные вискозиметры
   

Цель лекции: ознакомится с приборами для измерения сдвиговых свойств продуктов
Сдвиговые свойства характеризуют поведение объема продукта при воздействии на него сдвиговых, касательных напряжений.

Для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов применяются приборы, позволяющие определить силу сопротивления внутри материала при относительном смещении его слоев. Приборы для измерения сдвиговых свойств пищевых материалов по принципу действия делятся на следующие группы: капиллярные, ротационные, пенетрометры, приборы с плоскопараллельным смещением пластин и др.
Ротационные вискозиметры

Ротационные вискозиметры широко применяются во многих отраслях пищевой промышленности в технологических лабораториях предприятий, в научно-исследовательских организациях. Вискозиметры служат для контроля качества исходного сырья, полуфабрикатов и готового продукта, а также для контроля технологических процессов.

Идея ротационных вискозиметров заключается в том, что меру сопротивления сдвиговому течению можно определить, измеряя крутящий момент и угловую скорость при относительном вращении, например, коаксиальных (соосных) цилиндров, в зазоре между которыми находится вязкая жидкость. Схема ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами изображена на рис. 2.2, где для определенности внутренний цилиндр неподвижен, а наружный вращается с угловой скоростью ω.

В вискозиметрах с вращающимися цилиндрами, в особенности при малом зазоре между ними, характер течения продукта близок к простому сдвигу, что упрощает обработку опытных данных. Диапазон материалов, свойства которых контролируются на ротационных вискозиметрах, достаточно широк: сиропы, молоко, молочные консервы, творожные массы, бражки, кремы, шоколад и конфетные массы при повышенной температуре, фарши и др.


Рис. 2.2. Схема течения в ротационном вискозиметре

с коаксиальными цилиндрами
При коэффициент динамической вязкости определяется по формуле Маргулеса:

,

где: R_В – радиус внутреннего цилиндра, м;

R_Н – радиус внутреннего цилиндра, м;

М – крутящий момент, приложенный к внешнему

цилиндру, об/мин;

ω – угловая скорость наружного цилиндра, рад^–1;

L – высота слоя между цилиндрами, м.

При расчетная формула вискозиметра имеет вид:

,

где: α – геометрический симплекс.

.

Между формулами (2.1 и 2.2) существует следующая связь:

.

По форме измерительных поверхностей различают ротационные приборы с системами: коаксиальные цилиндры, сферы или полусферы; два конуса, две плоскопараллельные пластины, два плоских кольца или два конических кольца; цилиндр – диск; цилиндр – полусфера; конус – диск; цилиндр – конус; цилиндр – конус – диск. Некоторые из них представлены на рис. 2.3.


а) б) в)

г) д)

Рис. 2.3. Схемы измерительных поверхностей ротационных вискозиметров:

а) коаксиальные цилиндры; б) две полусферы; в) два конуса,

г) две плоскопараллельные пластины, д) два плоских кольца
Форма воспринимающего органа (ротора) зависит от вида исследуемого материала (ньютоновский или неньютоновский) и диапазона измеряемых значений вязкости. Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили вискозиметры с коаксиально-цилиндрическими измерительными поверхностями.

Известны два основных варианта прибора с коаксиальными цилиндрами. Первый из них заключается в следующем: испытуемое вещество помещается в наружный цилиндр, приводимый во вращательное равномерное движение, т.е. при постоянной скорости сдвига ( ), а крутящий момент на внутреннем цилиндре, переданный через испытуемый материал, замеряется по закручиванию упругого элемента, на котором подвешен этот цилиндр (вискозиметр Куэтта, Мак-Майкеля и др.).

При втором варианте прибора: внешний цилиндр неподвижен, а внутренний цилиндр крепится на оси, установленной на шарикоподшипниках и приводится во вращение под действием постоянного крутящего момента ( ). Замеряется угловая скорость цилиндра ω, зависящая от вязкости жидкости (вискозиметр М.П. Воларовича).

Таким образом, в приборах реализуются, соответственно, два метода исследования:

а) метод постоянства скорости деформации = const (рис. 2.4,а);

б) метод постоянства крутящего момента М = const (рис. 2.4,б).

Очень эффективно сочетание обеих методов при реологических исследованиях. Сочетание методов целесообразно осуществлять так, чтобы вязкоупругие свойства материалов с неразрушенной структурой изучались методом М = const, а процессы разрушения и режим установившегося течения – методом = const.

Методика расчёта реологических характеристик имеет специфические особенности для каждой из двух основных областей состояния структуры продукта.

В области неразрушенной структуры определяют модули упругости, наибольшую вязкость и характер развития деформаций. Измерения начинают после тиксотропного восстановления структуры. Величины деформаций отсчитывают по показаниям прибора. Опыт проводят при усилиях, меньших, чем предельное напряжение сдвига, с интервалом записи деформаций 10 – 20 с.

При переходе к области лавинного разрушения структуры по кривой течения определяют статическое τ_С и динамическое θ₀ предельное напряжения сдвига, пластическую вязкость η_ПЛ и зависимость эффективной вязкости η_ЭФ от градиента скорости или напряжения сдвига τ. Обсчёт результатов проводят по равновесной кривой течения, проходящей через все точки. Вращение ротора вызывает появление внутренних напряжений в продукте, который находится между ротором и стаканом. Эти касательные напряжения пропорциональны сдвигающим усилиям, поэтому графическую и математическую обработку опытов можно проводить в консистентных переменных (τ), или пользуясь первичными зависимостями, полученными непосредственно из опыта.

Модули упругости при сдвиге G [Па], определяют используя закон Гука и графические зависимости относительной деформации ε от времени действия постоянного напряжения τ:

,

где: τ – напряжение сдвига, Па;

ε – относительная деформация продукта;

;

δ – отклонение стрелки прибора, м;

ΔR – толщина слоя продукта между стаканом и ротором, м;

l – длина стрелки, м;

ε / τ – относительная деформация, приведённая к единице

напряжения сдвига, 1/Па.

Наибольшую эффективную вязкость [Па·с], соответствующую началу пластично-вязкого течения, находят по уравнению Ньютона:

,

или

,

где: Δt – интервал времени, с;

Δε / Δt – скорость деформации для прямолинейного участка кривой или аппроксимированного к прямой криволинейного участка с небольшой выпуклостью.

Расчёт ньютоновской и эффективной вязкости η_ЭФ для любого напряжения можно проводить по формуле (2.8), но при большом количестве экспериментов удобнее пользоваться зависимостью, предложенной М.П. Воларовичем, при использовании вискозиметра, работающего по методу :

,

где: К – постоянная прибора;

N – частота вращения ротора вискозиметра, с^–1;

m – масса вращающих ротор грузов, кг (за вычетом величины, компенсирующей трение в подшипниках).

Наиболее распространенным ротационным вискозиметром, работающим с использованием метода = const, является вискозиметр «Reotest» (Германия) и его модификации. Помимо основного набора цилиндрических измерительных элементов, этот прибор снабжен устройством типа конус – плоскость, предназначенным для измерения вязкости при повышенных скоростях сдвига для средне- и высоковязких продуктов. Угол между плоскостью и образующей конуса составляет 0,3^о. Прибор позволяет измерять скорость сдвига от 0,56 до 4860 с^–1, напряжение сдвига τ – от 40 до 2,2 · 10⁵ Па. Величина измеряемой вязкости η находится в пределах от 8 до 40 · 10⁷ МПа·с.

Вискозиметр «Reotest» представлен на рис. 2.4. Внутри станины 1 прибора установлен синхронный электродвигатель, соединенный с 12-ступенчатой коробкой передач, которая позволяет изменять частоту вращения внутреннего цилиндра 2 от 0 до 1500 с^–1. Крутящий момент от коробки передач передаётся ведущему валу 6 и далее через спиральную пружину 5 – ведомому валу 4, соединённому с внутренним цилиндром 2 муфтой. Наружный цилиндр 3 крепится к корпусу вискозиметра специальным зажимом. В приборе имеется термостатирующий сосуд.

В еличина крутящего момента отсчитывается по шкале прибора 8, а скорость сдвига – по указателю 9. Измеритель моментов торсионного типа с омическими датчиками работает на принципе превращения механических усилий в электрические импульсы. Показания прибора 8 прямо пропорциональны крутящему моменту, а также напряжению сдвига и вязкости исследуемого материала. Скорость вращения синхронного электродвигателя и, следовательно, внутреннего цилиндра 2, зависит от частоты тока в сети. Отклонения от нормальной частоты 50 Гц фиксируется прибором 7 и учитывается специальным расчетным коэффициентом.

Пределы измерения вязкости: от 10^–2 до 104 Па·с; скорости сдвига: от 0,1667 до 1,458·103 с^–1; напряжения сдвига: от 12 до 3·103 Па; температуры: от – 30 до 150 ^оС. Погрешность измерений ±3% (по отношению к ньютоновским жидкостям).

При кажущейся простоте в ротационной вискозиметрии существует ряд проблем. Это, прежде всего, различные эффекты, снижающие точность измерений, а именно:

1. 
   Турбулизация потока. Одним из условий точности измерений в ротационных приборах является ламинарность деформируемого потока, которая характеризуется числом Рейнольдса (Re), которое представляет собой безразмерный критерий, превышение которого вызывает турбулизацию потока.
   
2. 
   Тепловые эффекты. Сам принцип ротационной вискозиметрии подразумевает совершение работы над материалом, находящимся в зазоре прибора. Это приводит к выделению тепла и изменению температуры измеряемой среды, что в свою очередь вызывает изменение вязкости. Решению этой проблемы посвящено большое количество работ, суть которых сводится к введению поправочных коэффициентов.
   
3. 
   Эффект Вейссенберга. К. Вейссенбергом было обнаружено, что при течении упругих жидкостей в условиях простого сдвига возникают не только касательные, но и нормальные напряжения, ортогональные напряжению сдвига. Упругая жидкость, деформационное состояние которой характеризуется осевой симметрией, стягивается нормальными напряжениями, противодействующими силам тяжести и центробежным силам и выдавливается из зазора вискозиметра.
   
4. 
   Явление эластической турбулентности при движении упругих жидкостей. При течении упругих жидкостей в капиллярах с высокими скоростями было обнаружено, что струя жидкости начинает деформироваться и на ней появляются различные возмущения. А при очень высоких скоростях деформации струя материала иногда даже распадается на отдельные зерна. Несмотря на то, что явление было обнаружено в капиллярных вискозиметрах, оно может наблюдаться и при работе ротационного вискозиметра. При этом могут наблюдаться спонтанные колебания измеряемого параметра.
   
5. 
   Концевые эффекты. При работе ротационных вискозиметров крутящий момент передается на измерительный элемент не только через боковые (рабочие) поверхности, но и от днищ цилиндров. Поскольку математическое описание полей напряжений и скоростей сдвига, возникающих в зазорах, образованных днищами цилиндров, очень сложно, то расчетные формулы для ротационных приборов выводятся без учета влияния концевых эффектов, что вносит определенные погрешности в измерения.
   

Капиллярные вискозиметры
Вискозиметры этого типа применяются для измерения вязкостных характеристик материалов, обладающих относительно небольшой вязкостью. Идея капиллярных вискозиметров заключается в том, что, измеряя расход, перепад давлений, длину и диаметр капилляра, по которому течёт материал, можно рассчитать меру сопротивления материала сдвиговому течению, т.е. вязкость. Особенно проста эта задача для ньютоновских жидкостей, ламинарное течение которых в капилляре описывается уравнением Пуазейля:

,

где: η – коэффициент динамической вязкости, Па·с;

R – радиус капилляра, м;

Δр – перепад давления на длине капилляра, Па;

L – длина капилляра, м;

Q – объемный расход материала через капилляр, кг/м³.
Схема течения жидкости в капилляре вискозиметра представлена на рис. 2.5. Теория капиллярной вискозиметрии основывается на том, что по ток в приборе ламинарный, скольжение на стенке отсутствует, скорость сдвига в точке зависит от нагружения в той же точке.



Рис. 2.5. Схема течения в капилляре вискозиметра
Попутно следует отметить, что в некоторых случаях возможно проскальзывание, что неоднократно отмечалось многими исследователями. Однако достаточно надежных способов учёта этого явления до сих пор не разработано. В опытах на капиллярных вискозиметрах получают зависимость расхода массы Q от перепада давлений Δр. Если опыты проводят на одном капилляре, то напряжение сдвига на стенке капилляра τ, Па, рассчитывают по формуле:

,

где: n – поправка, учитывающая концевые эффекты.

Для исключения влияния концевых эффектов на точность измерений вязкости используется метод двух капилляров одного радиуса, но разной длины. Тогда τ определяют по формуле:

.

Скорость сдвига , с^–1, (также на стенке капилляра) рассчитывают по формуле:

,

где: .

Принципиальные схемы капиллярных вискозиметров для ньютоновских и не ньютоновских продуктов показаны на рис. 2.6. Общим для всех приборов этого типа является наличие капилляра, устройства для измерения расхода или объёма жидкости и системы, обеспечивающей создание гидростатического давления. В качестве капилляра используют калиброванные трубки диаметром от долей до 2 – 3 мм для измерения вязкости ньютоновских и не очень вязких неньютоновских жидкостей. Получаемые результаты, как правило, инвариантны, т.е. не зависят от диаметра трубки. Для высоковязких неньютоновских жидкостей и пластично-вязких систем диаметр «капилляра» может достигать нескольких десятков миллиметров, а результаты измерений часто зависят от его диаметра, т.е. не инвариантны. В двух названных случаях диаметр капилляра, конечно, входит в теоретически полученные формулы для соответствующих моделей тел. Однако в случае движения по трубкам пластично-вязких тел модель течения может зависеть от диаметра, т.е. при разных диаметрах один и тот же продукт имеет разные модели течения, что учесть довольно сложно.

Наиболее простые, традиционные и вместе с тем универсальные капиллярные вискозиметры Оствальда (рис. 2.6,а) и Убеллоде (рис. 2.6,б) имеют капилляр 1 и два полых шарика для жидкости 2 и 3. Движущая сила процесса истечения – перепад давлений. В вискозиметре Оствальда она обусловлена разностью высот жидкости, в вискозиметре Уббелоде – вакуумом или давлением в одном колене трубки. При измерениях приборы обычно помещают в водяную баню, для термостатирования исследуемой жидкости. Термостатирование исследуемой жидкости в приборе занимает 10 – 30 мин, что определяется её объёмом. За это время ее температура достигает температуры жидкости из термостата, т.е. создаются условия, идентичные предыдущему измерению. При кратковременном термостатировании температурные ошибки дают существенные отклонения от истинных её значений.

При измерениях вискозиметрами типа Уббелоде необходимо с одной стороны создавать давление или вакуум. Для этого используют установку, состоящую из воздушного насоса, который может работать как компрессор или вакуум-насос; бутыли-моностата объёмом 8 – 10 л с пробкой; U-образного жидкостного манометра или микроманометра; сосуда, который является ловушкой жидкости, выбрасываемой из манометра, и трёхходового крана для регулирования подачи воздуха. Перед началом измерения давление во всех ёмкостях должно быть выравнено. Избыточное давление при течении жидкости по капилляру создаёт возможность турбулизации потока, поэтому проверку на ламинарность по критерию Рейнольдса следует провести особенно тщательно.
А

В

а) б)

Рис. 2.6. Капиллярные вискозиметры: а) Оствальда; б) Уббелоде: 1 – шаровой сосуд для измерения объема протекающей через капилляр жидкости; 2 – капилляр; 3 – шаровой сосуд для сбора жидкости
Общими условиями в методике работы на всех приборах являются компоновка стенда и строгая горизонтальная или вертикальная установка прибора; заполнение сухого тщательно промытого прибора исследуемым продуктом и его термостатирование при выбранной температуре; измерение времени истечения определённого объёма, которое обусловлено вязкостью и разностью высот или гидростатических давлений. Перед рабочими измерениями прибор тарируют по эталонной жидкости – дистиллированной воде, сахарному раствору или касторовому маслу. У абсолютных приборов, не требующих тарировки, константы определяют по размерам рабочих органов в соответствии с уравнением Пуазейля:
,

где: р – гидростатическое давление, Па; d – внутренний диаметр капилляра, м;

l – длина капилляра, м; η – динамическая вязкость, Па·с; w – скорость жидкости, м/с.
Следует иметь ввиду, что геометрические измерения следует проводить с чрезвычайно высокой точностью. Поэтому предпочтительнее капиллярные вискозиметры градуировать по эталонной жидкости.

Вискозиметр Оствальда используют как относительный прибор. Расчётная формула имеет вид:

,

где: К_T – водная константа прибора при температуре измерения, м²/с²;

ρ – плотность жидкости при температуре заливки, кг/м³;

t – время истечения, с.

Вискозиметр Уббелоде можно использовать как относительный и абсолютный. В первом случае его градуируют по эталонной жидкости; во втором – в соответствии с уравнением Пуазейля определяют константы; их можно определить комплексно, исходя из данных предварительной градуировки и непосредственных геометрических измерений. Для вычисления вязкости используют формулу:
,

где индекс «в» относится к данным, полученным при градуировке прибора по воде или какой-либо другой жидкости.

Меняя давление истечения р_В можно построить градуировочные реограммы, которые позволяют вычислить константы для рабочих измерений. Аналогичные графики строят для результатов измерений исследуемой жидкости. Существенное значение имеют графики рt = f(р), которые для каждой температуры в области действия закона Пуазейля дают горизонтальные линии. Когда начинается турбулизация и закон Пуазейля перестаёт объективно отражать процесс, линии отклоняются вверх. Если жидкость обладает аномалией вязкости, то прямые могут иметь частичное искривление или не выходить из начала координат, отсекая на оси абсцисс отрезок, пропорциональный предельному напряжению сдвига θ₀.

В заключение отметим условия, необходимые для достижения заданной точности измерений на капиллярных вискозиметрах:

1. 
   обеспечивать ламинарный режим течения потока;
   
2. 
   исключить влияние концевых эффектов, например, при использовании двух капилляров различной длинны;
   
3. 
   проверять отсутствие эффекта пристенного проскальзывания, например, по совпадению кривых течения в консистентных переменных для капилляров различного диаметра;
   
4. 
   при измерении расхода весовым способом нужно помнить, что многие пищевые материалы имеют свойство уплотнятся под давлением. Этот вопрос требует специальных исследований материала в условиях всестороннего сжатия.
   

Капиллярная вискозиметрия в силу своих особенностей имеет весьма ограниченное применение и довольно редко используется в промышленных условиях.
Шариковые вискозиметры
Шариковые вискозиметры относятся к неоднородным методам исследования и широко используются при работе с однородными ньютоновскими или слабоструктурированными (неньюнотовскими) жидкостями. Вязкость определяется по времени прохождения шаром измерительного участка определенной длины. Приборы конструируются по двум основным схемам (рис. 2.7):

1. 
   шар, свободно падающий в вертикальном цилиндре;
   
2. 
   шар, катящийся в наклонном цилиндре.
   

Недостатком схемы а) является то, что при опускании шара в слабоструктурированной жидкости возможно отклонение его от прямолинейного движения, т.е. проявляется так называемое «витание» шара, что может привести к искажению результатов измерений.

Поэтому более широкое распространение получили вискозиметры с катящимся шаром. Схема такого примера – вискозиметра Гепплера – приведена на рис. 2.8. Шарик 2 движется в наклонной трубке 1, образуя узкую серповидную щель с ее стенкой. У структурированной жидкости при проходе через щель структурные связи разрушаются, поэтому точного воспроизведения результатов в двух последовательных замерах может и не быть. Прибор проградуирован для измерения вязкости ньютоновских жидкостей в диапазоне от 3·10^–4 до 60 Па∙с. Паспортная ошибка измерений ньютоновских жидкостей не превышает 0,5% для лабораторной модели. Прибор не применим для систем, имеющих предельное напряжение сдвига.

Для вычисления вязкости используют формулу, полученную на основе закона Стокса:
η = К(ρ_Ш – ρ)t,

где: К – константа прибора, м²/с²; ρ_Ш – плотность материала шарика, кг/м³;



ρ – плотность жидкости при температуре измерения, кг/м³; t – время перемещения шарика на участке h, с.
Трудность использования шариковых вискозиметров для реологических исследований структурированных жидкостей, заключается в том, что для получения кривой течения необходимо проведение серии измерений с использованием шаров различного диаметра, а при исследовании тиксотропных жидкостей возможны большие погрешности из-за неравномерности скорости шара по длине измерительного участка.

Одной из трудностей применения шариковых вискозиметров является то, что при воздействии падающего шара на продукт реологические свойства последнего меняются, вследствие чего результат каждого последующего наблюдения отличается от предыдущего. При строгом выполнении требований ГОСТа об окончании измерения судят по достижению разницы между двумя последующими результатами наблюдений не более 1с. Например, для сгущенного молока это достигается после проведения 10 – 15 наблюдений, что говорит о продолжительности испытания.

В силу указанных недостатков шариковые вискозиметры не нашли широкого применения в пищевой промышленности.
Список литературы

1. Мачихин Ю.А.Реология пищевых продуктов : Учебное пособие / Ю.А. Мачихин, Ю.К. Берман ; Ю. А. Мачихин, Ю. К. Берман. - М. : МГУПП. – 1999, Ч.1. - 250 с. Экземпляры: всего:10 - ХР1(1), Ч2(2), А1(7)

2. Косой В.Д. Инженерная реология биотехнологических сред : учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению "Технология сырья и продуктов животного происхождения / В. Д. Косой, Я. И. Виноградов, А. Д. Малышев. - СПб. : Гиорд, 2005. - 648 с. : ил.

Экземпляры: всего:10 - ХР(1), ЧГ(1), Ч2(1), Ч9(1), А1(2), А4(4)