Методы и средства для измерения технологических поверхностных свойств пищевых сред

С помощью поверхностных свойств оценивают поведение продукта на границе раздела с твердым материалом (сталь, полимер, колбасная оболочка и т. д.) при воздействии касательных и нормальных напряжений. Характеристики поверхностных свойств продуктов используют для разработки новых видов материалов, контактирующих с продуктом, и научного обоснования их выбора для изготовления оборудования, тары, трубопроводов и т. д. Кроме того, на границе раздела можно характеризовать и консистенцию продукта.

К поверхностным свойствам относятся адгезионные (липкость) и фрикционные (коэффициент внешнего трения).

Адгезия — это слипание однородных твердых или жидких тел, соприкасающихся своими поверхностями. Численно адгезия определяется как усилие Р₀(Па), приходящееся на единицу площади поверхности F₀ (м2), т. е. это удельная сила, действующая по нормали, при которой происходит отрыв пластины из соответствующего материала от продукта:

р ₀ = Р ₀ / F ₀.

Липкость — усилие, приходящееся на единицу площади поверхности при смешанном адгезионно-когезионном отрыве.

Условный коэффициент внешнего трения — усилие (приходящееся на единицу площади поверхности), действующее по касательной к продукту и вызывающее сдвиг твердого материала по продукту. Представляет собой комплексную величину.

Величины поверхностных свойств зависят не только от структуры продукта и его технологических показателей, но и от условий измерения и параметров прибора. Знание адгезионных свойств обрабатываемых продуктов необходимо для обеспечения эффективности работы технологического оборудования.

Адгезиометры. Приборы и методы измерения адгезии основаны на разрушении адгезионного шва путем приложения внешнего усилия. По способу приложения усилия различают:

1) методы отрыва (равномерного и неравномерного);

2) методы сдвига.

При неравномерном отрыве усилие прикладывается к одному краю соединения. Метод равномерного отрыва заключается в том, что усилие прикладывается перпендикулярно плоскости раздела одновременного отделения адгезива от субстрата по всей площади контакта.

Сущность метода сдвига заключается в определении касательного напряжения, необходимого для сдвига слоев адгезива относительно субстрата.

Наиболее часто в адгезиометрах для пищевых продуктов реализуется способ нормального отрыва, который может отличаться схемой приложения силы и регистрации усилия отрыва.

Величина адгезии характеризуется силой, отнесенной к единице площади контакта.

Разделение контактирующих тел может происходить по трем вариантам:

1) адгезионное — на границе раздела между продуктом и поверхностью пластины;

2) когезионное — по слою продукта;

3) смешенное.

Для большинства пищевых продуктов адгезию в чистом виде наблюдают редко. Поэтому измеряют удельное усилие разделения двух тел (липкость) без конкретизации вида разделения.

Адгезиометр. Прибор для определения адгезии (рис. 7.26) имеет корпус, устройство с микрометрическим винтом для установки пластин с продуктом.

Верхняя пластина фиксируется неподвижно держателем, который смонтирован на тензобалке, и имеет хвостовик для обеспечения соосности подвижной части системы. Для создания предварительного контакта на тензобалку устанавливают грузы. Вертикально вверх она перемещается серьгами, которые оканчиваются призмами и шарнирно укреплены на поперечине с хвостовиком. Последний перемещается во втулке посредством

нити и набора шкивов, которые приводятся во вращение от электродвигателя через редуктор (условно не показаны). Для увеличения времени отрыва (уменьшения скорости приложения силы) в тянущую систему последовательно может быть вставлена пружина различной жесткости.

Давление предварительного контакта можно задавать от 300 до 3,5∙105 Па, основные рабочие пределы составляют от 300 до 6180 Па. Длительность предварительного контакта выбирают произвольно. Пластины выполняются из следующих материалов: стали Ст3, стали 1Х18Н9Т, дюралюминия, чугуна, фторопласта-4, латуни и имеют площадь: 0,0005; 0,0007; 0,0010; 0,0015 м2. Скорость отрыва верхней пластины от продукта определяется частотой вращения и диаметром шкивов, на которые наматывается тянущая нить.

Адгезиометр АМ-1 (рис. 7.27) основан на принципе сдвига. Прибор предназначен для определения усилий и моментов, возникающих при съеме тестовых заготовок, а также усилий сдвига при исследовании адгезии вязко-пластических масс к поверхностям различных материалов. Он позволяет определять величины адгезионных напряжений при последовательном или одновременном сдвиге заготовки относительно матрицы или при сдвиге рабочего органа относительно испытуемой массы.

Матрица с исследуемым пищевым продуктом крепится к вертикальному штоку. Затем продукт обжимается двумя полуконическими колодками. При повороте платформы 17 относительно оси 1 происходит сдвиг продукта по отношению к неподвижной матрице. Подъем матрицы позволяет определить усилие отрыва. Адгезионные усилия замеряются с помощью тензометрических датчиков. Усилия прижима колодок к матрице задаются винтами 15.

 

Малогабаритный адгезиметр (рис. 7.28), разработанный В. Д. Косым, В. С. Катюхиным и др., позволяет с повышенной точностью измерять липкость пищевых продуктов. Прибор работает следующим образом. Слой исследуемого продукта толщиной 1∙10–3 м наносят с помощью форм на нижнюю пластину, которая при помощи электрического двигателя подводится к верхней пластине. Продукт между пластинами начинает сжиматься, вызывая движение штока с тягой вверх. Тяга перемещает серьгу, расположенную наоси, совместно со щеткодержателем, который перемещается по потенциометру, меняя сопротивление цепи, что можно наблюдать на регистрирующем приборе (микроамперметре, микровольтметре). Стрелка прибора, отклоняясь вправо, показывает усилие контактирования. При достижении заданной величины усилия она замыкает контакт, отключая тем самым электродвигатель и включая реле времени. По истечении времени контактирования (180 с) автоматически включается реверсивный двигатель и в обратном направлении перемещается шток потенциометрического датчика, изменяя сопротивление цепи и вызывая перемещение стрелки регистрирующего прибора влево. Максимальное усилие отрыва фиксируется на время, достаточное для того, чтобы записать данную величину, которая пропорциональна липкости при постоянной площади пластины.

Приборы для определения внешнего трения

Классический тип прибора для измерения коэффициента внешнего трения представляет собой пару тел, соприкасающихся плоскими поверхностями, площадь которых может быть от долей квадратных миллиметров до десятков квадратных сантиметров. Одно из тел обычно смещается относительно другого.

Сила смещения (трения) измеряется тензометрическими, пружинными или какими-либо другими датчиками. Для малых скоростей трения реализуется прямолинейное смещение поверхности.

Для малых скоростей трения реализуется прямолинейное смещение поверхности. При больших скоростях смещения в качестве одной из рабочих поверхностей используют:

• поверхность горизонтального диска, вращающегося на вертикальном валу;

• боковую поверхность вращающегося цилиндра;

• поверхность бесконечной ленты, вращающейся на двух барабанах с параллельными осями, и т. д.

Для определения фрикционных характеристик пищевых продуктов используются в основном различные конструкции трибометров, состоящие из тележки с электроприводом и коробкой передач, рамки различной формы и размеров, в которую закладывают исследуемый продукт, устройства для создания давления контактирования и измерения силы трения и записывающего прибора.

Трибометры позволяют определять истинный и эффективный коэффициенты внешнего трения. Исследуемый продукт помещают в рамку, установленную на плоскую поверхность тележки, перемещающейся от электродвигателя посредством тянущей нити. Измерение скорости движения тележки осуществляется с помощью коробки передач или многоступенчатого шкива, на который наматывается тянущая нить. Рамка с продуктом соединена с измерительным устройством усилия.

Рассмотренные приборы позволяют изменять условия измерения: геометрические (размер площади поверхности контакта, чистоту обработки поверхности и пр.), кинематические (скорость тележки, продолжительность предварительного контактирования и пр.) и динамические (давление предварительного контактирования, скорость нарастания силы и пр.) факторы. На тележку могут быть установлены пластины из различного материала.

Поверхностные свойства характеризуют поведение поверхности продукта на границе раздела с другим, твердым материалом при воздействии нормальных и касательных напряжений. К основным поверхностным свойствам пищевых сред относятся липкость и коэффициент внешнего трения. Величины поверхностных свойств зависят не только от структуры продукта и его технологических показателей, но и от условий измерения и параметров прибора.

Характеристики поверхностных свойств пищевых сред используют для разработки новых видов материалов, контактирующих с продуктом, и научного обоснования их выбора для изготовления оборудования, тары, трубопроводов, а также для обеспечения эффективности работы технологического оборудования.

 

РЕЗЮМЕ

В этой главе наиболее важными являются следующие моменты.

1. Особенности процесса определения реологических свойств пищевых сред в зависимости от их химического состава и структуры определяют классификацию методов и приборов для определения структурномеханических характеристик.

2. Комплексное изучение приборов, имеющих одно и то же функциональное назначение, но предназначенных для пищевых сред различной структуры и состава, дает возможность систематизировать знания в области определения реологических свойств, что создает научную основу для разработки новых методов исследования.

3. Знание явлений, происходящих при обработке пищевых сред, позволяет правильно выбрать методы и средства для изучения структурно-механических свойств.