1.4 Конические пластометры

Предельное напряжение сдвига, по сравнению с пластической и эффективной вязкостью, наиболее чувствительно к изменению технологических (влажность, жирность, температура, продолжительность процесса и др.) и механических (степень измельчения, давление, вибрация и др.) факторов. Поэтому предельное напряжение сдвига можно использовать для оценки важной качественной характеристики продукта – консистенции. Для измерения предельного напряжения сдвига наиболее перспективными являются приборы, принцип которых основан на методе внедрения тела определенной формы и размера в исследуемый продукт.

Пенетрацией называется метод измерения структурно-механических характеристик полутвердых и твердых продуктов путем определения сопротивления продуктов проникновению в них за определенное время инденторов (конус, шар, игла, цилиндр) имеющих строго определенные размер, массу и материал. Приборы, работающие по такому принципу называются пенетрометрами. По измеряемым и фиксируемым величинам они подразделяются на три группы:

- с постоянным усилием пенетрации F (при этом определяется глубина пенетрации h);

- с постоянной глубиной погружения h (измеряется усилие F);

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

Идея конических пластометров заключается в том, что по величине глубины погружения конуса в материал под воздействием вертикальной силы можно определить предельное напряжение сдвига материала (рис. 9).

Формула П.А. Ребиндера для определения предельного напряжения сдвига имеет вид:

, (13)

где: К_α – геометрическая константа конуса, зависящая от угла α при его вершине;

F – величина вертикальной внедряющей силы, Н;

h – глубина погружения конуса, м.

Константа конуса рассчитывается по формуле, также предложенной П.А. Ребиндером:

. (14)

Следует отметить, что расчет τ₀ с использованием коэффициента К_α из формулы (14) не всегда дает одинаковые результаты при применении конусов с различными углами 2α при их вершине, т.е. результаты измерений не инвариантны по отношению к геометрии конусов. Рядом авторов предложены другие формулы для К_α и поправочные коэффициенты к ним, которые в определенной степени позволяют уменьшить влияние угла 2α при вершине конуса.

О дним из первых серийных приборов этой группы был конический пластометр М.П. Воларовича КП–3, схема которого представлена на рис. 10. Исследуемая масса помещается в емкость 6 на подъемный столик, вершина конуса 7 приводится в соприкосновение с поверхностью массы. Конус нагружается гирями, и с помощью индикатора 10 определяется глубина погружения конуса до полной его остановки.

У существующих конструкций пластометров имеется ряд общих недостатков, присущих, как всем приборам в общем, так и некоторым приборам в отдельности. К этим недостаткам можно отнести следующее: недостаточная точность измерений структурно-механических свойств продуктов, вследствие ручной подачи индентора к поверхности материала, нагружение с помощью гирь и погрешности в определении глубины погружения конуса. При дальнейшем усовершенствовании конструкций пластометров перешли к способу нагружения конуса механическим способом, что облегчило проведение исследований. Глубину погружения предложено было определять с помощью датчиков индуктивности, тензодатчиков и т.п.

Используемые для измерения конусы бывают гладкими, но применение рифленых конусов значительно уменьшает разброс экспериментальных данных.

Это повысило точность определения структурно-механических характеристик, но при этом диапазон измерений у всех конструкций остается довольно-таки узким, что не отвечает современным требования для проведения полномасштабного контроля пищевых продуктов.