Методы и приборы для измерения сдвиговых характеристик.

Сдвиговые свойства проявляются при касательном смещении слоев продукта. Приборы для измерения указанных свойств по принципу действия подразделяются на следующие группы:

1. ротационные;

2. капиллярные;

3. пенетрометры;

4. приборы с плоскопараллельным смещением пластин и др.

Ротационные вискозиметры.

В настоящее время используются различные типы и конструкции ротационных вискозиметров, которые предназначены для исследования реологических свойств пищевых продуктов.

Методика проведения измерений и обработки опытных данных проста, поэтому ротационные вискозиметры широко применяются для изучения реологических свойств как исходного сырья, так и продуктов производства.

Ротационные вискозиметры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими особенно при изучении материалов с большой вязкостью.

Наряду со многими преимуществами ротационных вискозиметров по сравнению с другими типами вискозиметров возникают затруднения, которые вызывают тепловыделения в слое испытуемой массы, находящейся в узком кольцевом зазоре. Поэтому необходимо работать в условиях, при которых выделение теплоты заведомо ничтожно.

В вискозиметрах с вращающимися цилиндрами, в особенности при малом зазоре между ними, течение материала близко к простому сдвигу.

Принципиальные схемы ротационных вискозиметров представляют следующее:

Они могут иметь одну геометрическую форму: коаксиальные цилиндры (а), сферы или полусферы (б), два конуса (в), две плоскопараллельные пластины (г), два плоских кольца (з).

Рабочий зазор или рабочий орган может быть комбинированным, т. е. состоять из двух различных поверхностей: цилиндр- полусфера (д), конус- диск (е), цилиндр-конус-диск ( ж) и др.

Между рабочими поверхностями находится исследуемый продукт, сила сопротивления внутри которого при вращении одной из поверхностей измеряется.

Момент сопротивления можно измерять двумя способами: на вращающейся поверхности, тогда вторая поверхность закрепляется жестко, и вращая одну поверхность, тогда другая соединяется с динамометрами.

Наибольшее распространение в пищевой промышленности получили коаксиально- цилиндрические комбинированные поверхности для измерения характеристик вязких и пластично-вязких продуктов ( а, д, ж).

Известны два основных варианта ротационных вискозиметров с коаксиальными цилиндрами6

В первом испытуемое вещество помещается в цилиндр, приводимый в равномерное вращательное движение. Подвешенный на упругой нити второй цилиндр находится коаксиально с первым. Вязкость вычисляется по величине скорости вращения первого цилиндра и по углу поворота второго цилиндра от его первоначального положения. Этот метод применяется для исследования жидкостей и газов.

Второй вариант: внешний цилиндр неподвижен, внутренний крепится на оси, вмонтированной для уменьшения трения в шариковых подшипниках, и приводится во вращение с помощью падающего груза.

На ротационных приборах экспериментально получают зависимости крутящих моментов от угловой скорости вращения измерительной поверхности.

Испытуемой массой заполняют зазор «а» между коаксиальными цилиндрами. Во время испытаний измеряют крутящий момент «М» и угловую скорость  подвижного ротора. Для обеспечения гарантированного применения образца внутреннюю поверхность радиуса R₂ и внешнюю поверхность радиуса R₁ часто делают рефренными.

Обозначим через ₁ касательное напряжение у поверхности радиуса R₁, а ₂- у поверхности радиуса R₂.

Касательное напряжение по модулю равны :

₁= ₂=

При исследовании пищевых масс часто применяют ротационные вискозиметры типа РВ, разработанные М.П. Волоровичем.

Схема ротационного вискозиметра РВ-8

1 – термостатирующий сосуд; 2 – спираль; 3 – изоляция; 4 – винты регулировочные; 5 – уровнемер; 6 – установочная плита; 7 – рабочий цилиндр; 8 – ротор; 9 – кронштейн; 10 – шкив; 11 – блоки; 12 – фиксирующее устройство.

Вискозиметр РВ –8 используется для изучения свойств мучного теста, жидких полуфабрикатов хлебопекарного производства, мясного фарша, помады и других пищевых масс.

Для случая, когда сдвиг распространяется на всю толщину исследуемой массы, заключенной между двумя цилиндрами, рекомендуются формулы для определения динамической вязкости и предельного напряжения сдвига: = , _о= К₂ ( Р₁-Р_о),

где Р- груз , вращающий внутренний цилиндр вискозиметра, Н;

Р₁- минимальный груз, при котором начинается вращение цилиндра, Н;

Р_о- нагрузка, идущая на преодоление трения в подшипниках, Н;

n- частота вращения внутреннего ротора, об/с. ;

К₁,К₂- константы вискозиметра, зависящие от его геометрических размеров и высоты, на которую загружается исследуемый материал, м^-1 с^-2.

Проведенная оценка точности измерения вязкости на ротационных вискозиметрах показала, что наибольшую погрешность вычисленного значения вязкости вызывает неточность заполнения исследуемой массой рабочего объема прибора.