Пенетрация

Предельное напряжение сдвига можно использовать для оценки консистенции. Использование метода определения консистенции по реологическим характеристикам позволяет заменить субъективную органолептическую оценку на объективную - например, по величине предельного напряжения сдвига. Наиболее верным будет способ оценки качества биотехнологических продуктов на первоначальной неразрушенной структуре.

Для этой цели наиболее перспективными являются приборы, принцип работы которых основан на внедрении тела определённой формы и размера в исследуемый продукт - пенетрации (внедрении). Внедряемое тело называется индентором и может представлять собой конус, шар, пластину, иглу.

Исследование может проводиться:

• с постоянным усилием пенетрации (определяется глубина пенетрации);

• с постоянной глубиной погружения (измеряется усилие);

• с постоянной скоростью погружения (регистрируется усилие в зависимости от глубины погружения).

Чаще всего приборы, позволяющие выполнить такой анализ, носят название пенетрометров. Они достаточно просты по конструкции и позволяют экспресс- методом в течение 5 - 180 с определить комплекс реологических характеристик (величину пенетрации, предельное напряжение сдвига, предельное напряжение давления и т. д.). Кроме этого, в зависимости от назначения приборы, принцип работы которых основан на методе пенетрации, называют пластометрами, консистомерами, реометрами.

По сравнению с вискозиметрией, пенетрация позволяет инструментально оценить консистенцию не только слабоструктурированных и вязкопластичных, но и пластичных, и упруго-эластичных систем.

Условной характеристикой является величина пенетрации, то есть глубина внедрения данного индентора. Единицей величины пенетрации является условная линейная величина, равная 0,1 мм.

Различают пенетрометры:

• статические, где внедрение индентора происходит за счёт силы тяжести подвижной части прибора за известный промежуток времени;

• динамические, где происходит принудительное внедрение индентора до достижения заданного усилия сопротивления продукта.

Пенетрометры позволяют определить и абсолютную реологическую характеристику, зная величину пенетрации при установлении равновесия индентора в продукт с силой его сопротивления, а именно - соответственно, статическое или динамическое предельное напряжение сдвига. При снятии кинетики погружения индентора в продукт - кривой течения - можно определить эффективную вязкость, но на практике это в основном не используется.

При использовании массовой силы равновесие сил почти для всех биотехнологических продуктов наступает в течение не более 180 с.

Для измерения предельного напряжения сдвига мясных, молочных и рыбных продуктов наибольшее применение получили конические инденторы с различным углом при вершине от 10 до 90°, в зависимости от структуры исследуемого объекта.

Принципиальную теорию конических пенетрометров (пластометров) впервые разработал академик П. А. Ребиндер в 50-е годы прошлого столетия.

При погружении конусного индентора в продукт строго вертикально в

момент начала погружения напряжение бесконечно велико (площадь касания

равна нулю), при этом скорость индентора равна нулю, а ускорение соответствует

ускорению силы тяжести. Поскольку сила, действующая на конус (которая

обусловлена массой подвижных частей системы) за всё время погружения

остаётся постоянной, а площадь соприкосновения конуса с продуктом

увеличивается, то напряжение сдвига в системе конус - продукт уменьшается.

При остановке конуса погружение будет предельным и внешняя сила

уравновесится пластической прочностью структуры. Для этого случая

отсчитывается предельное напряжение сдвига (отношение силы у «смоченной»

боковой поверхности конуса) или предельное давление (отношение силы к

горизонтальной площади сечения конуса, которое проходит по поверхности

продукта). Выталкивающей (Архимедовой) силой продукта при исследовании

вязкопластичных и упруго-эластичных систем пренебрегают вследствие её малости. Её необходимо учитывать при измерении

свойств слабоструктурированной системы. Если в ходе измерений снять полную кривую течения, то можно вычислить изменения эффективной вязкости - но только в случае наличия прибора, позволяющего записывать кинетику погружения индентора в продукт. При определении предельного напряжения сдвига предполагается, что продукт течёт вдоль образующей поверхности конуса, и тогда величина ПНС будет представлять собой отношение силы сопротивления вдоль боковой поверхности конуса к площади этой поверхности. Если оперируют понятием массы конуса (имеется в виду подвижная система: конус, шток, дополнительные грузы за вычетом сопротивления в направляющих штока), то окончательное уравнение предельного напряжения сдвига будет иметь вид:

m

о„ = ^К • ^

где К - константа конуса (К = K' g), Н/кг; h - глубина погружения индентора, м.

В некоторых продуктах (целые ткани мяса, готовые колбасы, сыры и др.) при внедрении конуса имеют место пластические деформации смятия или деформации разрушения. Тогда с помощью пенетрации можно измерить предельное значение напряжения Оп путём деления силы, действующей на продукт, на площадь сечения конуса, проходящего по поверхности продукта.

Для биотехнологических сред животного происхождения наиболее рациональным, обеспечивающим минимальную погрешность измерения предельного напряжения сдвига, является конус с углом при вершине 60° и константой, рассчитанной по уравнению Н. Н. Аграната и М. Ф. Широкова. Полученные результаты с использованием этого конуса и соответствующей константой совпадают с данными, определёнными на других приборах. Величину предельного напряжения сдвига, полученную при данных эталонных условиях, считают действительной.

Также при испытаниях было отмечено влияние рифления конуса на показания прибора. Проявляется оно при исследовании продуктов с разным дисперсным составом (например, мясные, рыбные и колбасные фарши). Обнаружено, что разброс экспериментальных данных значительно уменьшается при наличии на конусе рифлений, превышающих максимальный размер частиц.

Таким образом, при использовании конических пластометров и пенетрометров для оценки качества пищевых продуктов, а также получения сопоставимых экспериментальных данных необходимо учитывать не только величину угла конуса, но и геометрические характеристики индентора и ёмкости, в которой находится продукт.

5.3.3 Плоскопараллельное смещение пластин

Приборы с плоскопараллельным смещением пластин служат для измерения сдвиговых характеристик в области небольшого разрушения структуры материала при малых величинах деформаций. Плоскопараллельный зазор может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно. Этот метод тангенциального смещения пластин позволяет находить не только величину предельного напряжения сдвига, но и модули упругости, эффективную вязкость, а также снимать полные деформационные кривые течения при разных скоростях деформации. Приборы, действие которых основано на методе плоскопараллельного смещения, обладают большой чувствительностью и применимы для исследования свойств продуктов в большом диапазоне - от слабоструктурированных золей и суспензий до твёрдообразных систем с высокопрочной структурой.

Дата добавления: 2014-02-26; просмотров: 1017; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!