Глава 2. Реометрия

2.1. Классификация приборов и методов реометрии

При научно обоснованном планировании реологических исследований в инженерной реологии пищевых сред большое значение имеют общий обзор и классификация приборов и методов реометрии. Они необходимы, чтобы выбрать из приборов и методов наиболее подходящие для решения поставленных практических задач. На это обстоятельство обращают внимание многие исследователи, предлагая различные принципы классификации.

Так, Рейнер делит реометры на три типа:

1. Приборы, на которых реализуется, по крайней мере в некоторой зоне; однородная деформация. Например, на машинах для испытания твердых тел на растяжение, где на некотором удалении от устройств нагружения (захватов) в испытываемом цилиндрическом образце по принципу Сен-Венана реализуется однородное растяжение.

2. Приборы ламинарного полуоднородного сдвига, обработка данных испытаний на которых, вследствие неоднородного поля деформаций, требует интегрирования или дифференцирования опытных эмпирических зависимостей, например при опытах на различных ротационных и капиллярных вискозиметрах.

3. Приборы, на которых реализуется ламинарное течение более сложного вида, например вискозиметры с падающим шариком типа Гепплера. При отсутствии удовлетворительной реодинамической теории этих приборов реологические данные могут оказаться неинвариантными в смысле их зависимости не только от реологических свойств пищевой среды, но и от параметров реометра. Эти относительные данные нельзя использовать в математических реодинамических моделях машин и аппаратов пищевой промышленности, но они могут оказаться полезными для контроля качества продуктов и управления технологическими процессами переработки пищевых сред.

Очевидно, в классификации Рейнера вне рассмотрения остаются приборы микрореологии и метареологии.

Воларович предлагает объединить приборы и методы в две группы:

1. Интегральные методы и приборы, дающие показатели суммарного эффекта течения, например вискозиметры.

2. Дифференциальные методы и приборы, позволяющие определять деформации во времени в каждой точке среды, например методы с применением рентгеноскопии и некоторые оптические методы с отслеживанием движения определенных меченых частиц среды.

Приборы типа пенетрометров, амилографа Брабендера, фаринографов, вискозиметра Энглера не рекомендуются Воларовичем для реологических исследований. Действительно, полученные на этих приборах данные обычно нельзя использовать в реодинамических моделях течения в каналах машин, но это не единственная область применения результатов реометрии. Эти данные полезны для управления и контроля в технологии переработки пищевых продуктов. Кроме того, как показала история развития теории пенетрометров, капиллярных и ротационных вискозиметров, если удается построить достаточно хорошую реодинамическую модель данного реометра, позволяющую выделить из данных испытаний инвариантные от прибора величины, то относительные данные испытаний иногда удается пересчитать в реологические параметры среды.

Основательный обзор способов классификации объективных методов измерения структуры и консистенции пищевых продуктов дал Боурн, в частности классификации: Скотт-Блэра – на методы (фундаментальные, эмпирические и имитационные); Стевенсона – на измерения (номинальные, обычные, интервальные и относительные); Драке – по типу движения рабочих органов реометров (прямолинейные, вращательные, симметрично-осевые и неопределенные).

Сам Боурн приводит классификацию приборов:

1) приборы измерения силы;

2) приборы измерения перемещения;

3) приборы измерения времени;

4) приборы измерения энергии;

5) приборы измерения соотношений;

6) приборы измерения составные;

7) приборы измерения составные варьируемые;

8) приборы химического анализа;

9) приборы смешанные, многоцелевые.

Самостоятельная специальная группа приборов и методов реометрии пищевых сред при воздействии вибраций использовалась в работе Н. Б. Урьева и М. А. Талейсника. 

В монографии К. П. Гуськова  и других авторов все приборы разбиты на четыре группы по пред-назначению:

1. Промышленные приборы для непрерывных измерений в потоке и автоматизации контроля и управления.

2. Лабораторные приборы для массового технологического контроля процессов.

3. Приборы для углубленных измерений в промышленных лабораториях.

4. Исследовательские приборы для научных целей.

Дополнительно к этим классификациям автор предлагает еще одну, в которой сделана попытка расширить сущность предмета реометрии.

Функциональная система классификации приборов в реологических исследованиях:

1. Реометры.

2. Комплексные реометрические стенды, лаборатории:

1) приборы для феноменологической реометрии;

а) условно-абсолютные реометры;

– приборы исследования сдвига;

– пластометры;

– вискозиметры;

– эластовискозиметры;

– приборы исследования всестороннего сжатия;

– приборы исследования одноосного растяжения – сжатия;

– приборы исследования сдвига при всестороннем сжатии;

– машины исследования сложных напряженных состояний при наличии инвариантной теории;

б) приборы измерения относительных величин:

– относительные вискозиметры;

– пенетрометры;

– фаринографы, альвеографы, экстенсометры;

– экстракторы;

– сектилиметры;

– виброреометры;

– твердомеры;

– приборы измерения ударной вязкости;

– адгезиометры;

– дилатометры;

2) приборы для реометрии в системах машины – материалы:

а) приборы измерения геометрии и кинематических параметров:

– приборы измерения геометрии формованных изделий;

– приборы измерения скоростей течения материалов;

– приборы измерения скоростей рабочих органов;

– приборы измерения производительности, расходов;

– приборы измерения ускорений;

– приборы измерения кинематических параметров переходных процессов;

б) приборы измерения динамических величин:

– приборы измерения усилий;

– приборы измерения моментов;

– приборы измерения давления;

– приборы измерения работы;

– приборы измерения мощности;

– приборы измерения напряжений в элементах машин;

3) приборы микрореологии и измерения сопутствующих характеристик:

а) приборы микрореологии:

– приборы определения фракционного состава;

– приборы измерения макроструктурных элементов;

– приборы измерения структуры кристаллов;

– приборы измерения молекулярных атомарных связей;

б) приборы измерения сопутствующих характеристик:

– приборы измерения содержания различных веществ;

– приборы измерения химического состава;

– приборы измерения термодинамических величин;

– приборы измерения электромагнитных и оптических величин;

– приборы измерения плотности и ее распределения;

– приборы измерения радиоактивности.

Дополнительно к приведенной классификации рассмотрим некоторые схемы принципов действия реометров (рис. 2.1).

1	2	3	4
5	6	7	8
9	10	11	12
13	14	15	16
17	18	19	20
21	22	23	24
25	26	27	28
29	30	31	32

Рис. 2.1. Схемы принципов действия реометров:

1– испытания на одноосное растяжение (сжатие); 2, 3 – испытания на изгиб; 4 – испытания на кручение; 5 – испытания на ударную вязкость; 6 – пенетрометры с различными по форме иденторами; 7 – реометр плоского сдвига типа Вейнберга, Толстого, Николаева; 9 – реометр Вейлера – Ребиндера; 10, 14, 16, 18 – различные ротационные вискозиметры; 15 – реометр исследования характера захвата валиком вязкой среды; 17 – имитационный реометр, моделирующий условия течения в экструдерах; 19, 20, 21 – вискозиметры типа Гепплера с падающим или всплывающим шариком, движение которого фиксируется оптически или рентгеновским способом; 22 – вискозиметр типа Гепплера с принудительным движением шарика; 23 – элементарный капиллярный вискозиметр свободного истечения; 24 – капиллярный вискозиметр Убеллоде; 25 – 28 – капиллярные вискозиметры с различными принципами измерения скоростей течения, расхода и перепадов давления; 29, 30 – вибрационные и ультразвуковые реометры; 31 – имитационные реометры исследования процессов смешения; 32 – реометры для исследования вязкоупругих свойств сред в условиях всесто- роннего сжатия

Данные схемы действия различных реометров вряд ли охватывают все принципы конструкций и могут быть существенно дополнены, но дают достаточно репрезентативный обзор основных идей устройств, применяемых в реометрии пищевых сред. Заметим, что при весьма краткой характеристике только ротационных вискозиметров, авторы некоторых специальных монографий [37] по этому узкому вопросу описали около ста конструкций ротационных реометров.