Методы измерения реологических свойств

Реометрию пищевых материалов можно определить как совокупность приборов и методов для измерения реологических свойств материалов, определения структурных, кинематических и динамических характеристик взаимодействия рабочих органов машин с пищевыми материалами и определения изменений реологических свойств материалов при реализации тепловых, химических и других технологических процессов переработки.

Методы физико-химической механики находят все большее применение в различных областях производства пищевых продуктов. Определение реологических свойств пищевых масс связано с необходимостью постоянного технологического контроля производства. Существенные отклонения реологических свойств от принятых норм могут сказаться не только на снижении качества готовых изделий, но и на снижении производительности оборудования при проведении отдельных технологических процессов. Поэтому, основной задачей реометрии является определение изменений свойств материала, происходящих под влиянием тех или иных факторов.

Совокупность объектов реологических исследований в пищевой промышленности охватывает широкий диапазон агрегатных состояний материалов, начиная от твердых тел и заканчивая маловязкими жидкостями. Это, а также разнообразие целей реологических исследований, требует применения исключительного разнообразия приборов, как по принципу действия, так и по конструктивным особенностям.

По виду измеряемой величины реологические методы делятся на четыре группы (таблица 2.1). Эта классификация в определенной мере условна, так как некоторые приборы позволяют варьировать две величины при постоянной третьей.

Первые два метода получили наибольшее распространение, особенно в вискозиметрии.

Таблица 2.1

Классификация методов измерения реологических характеристик

Первый метод – метод постоянной скорости сдвига – реализуется обычно путем применения электромеханического или гидравлического привода. При этом сила сопротивления среды измеряется различными динамометрами.

Второй метод – метод постоянной нагрузки или – конструктивно значительно проще, так как скорость перемещения или вращения измерительного тела легко измерить обычным секундомером или записать на диаграммной ленте.

При третьем методе измерения постоянная сила нагружения обусловлена неизменной массой подвижной части прибора. Время измерения обычно постоянно (180 – 300 с) и принимается несколько больше, чем период релаксации. На приборах измеряют глубину погружения в материал индентора специальной формы при уменьшающейся скорости, которая в пределе достигает нуля.

Четвертый метод позволяет по площади диаграммы, получаемой в координатах «сила – перемещение», определить энергию деформирования, а ордината на диаграмме показывает усилие. Кроме того, в приборах этой группы энергия может быть вычислена по мощности, если прибор снабжен самопишущим или показывающим ваттметром или счетчиком.

По классификации М.П. Воларовича реологические методы исследования и приборы можно разделить на интегральные, дающие возможность определять суммарный эффект течения, и на дифференциальные, позволяющие непосредственно наблюдать деформацию во времени в каждой точке дисперсной системы при ее течении.

Дифференциальные методы позволяют наблюдать изменение поля напряжений и деформаций во времени при исследовании сложных случаев течения структурированных систем. При этом наблюдения могут вестись визуально, а также с помощью рентгеноскопии, микрокиносъемки и т. д. Дифференциальные методы позволяют получить лишь качественную характеристику исследуемого явления. Например, при исследовании течения вязко-пластичного материала в зазоре между двумя цилиндрами М.П. Воларович с сотрудниками перед исследованием нанесли на поверхность материала алюминиевую пудру. При деформировании (при вращении внутреннего цилиндра) на поверхности материала четко обозначились две зоны: а) зона пластического течения; б) зона упругого состояния (рис 2.1).

Интегральные методы позволяют наблюдать суммарный эффект течения. В зависимости от условий исследования при помощи модельного анализа в каждом отдельном случае определяют число независимых характеристик механических свойств изучаемой системы, необходимых для решения поставленной задачи. Наиболее совершенными являются методы капиллярной и ротационной вискозиметрии, внедрения конуса, продольного смещения пластинки, а также шариковые вискозиметры.