Статья посвящена возможности использования стенда для определения электрических характеристик электрических аналогий реологических механических моделей пищевых продуктов. Приведено несколько систем классификации реологических методов и приборов для измерения структурно-механических характеристик продуктов. Даны обозначения механических тел электрическими аналогами. Для проведения исследований разработана электрическая схема и использован стенд для определения электрических характеристик. Сделан вывод о том, что для быстрого и качественного контроля структурно-механических характеристик пищевого сырья необходимо создание универсальных реологических приборов.
Большое значение в пищевой промышленности имеет объективная оценка качества пищевых продуктов и полуфабрикатов. В связи с этим создание и применение методов и приборов для объективного контроля качества обеспечивает не только замену органолептического контроля, но и создает предпосылки для разработки автоматических систем управления технологическими процессами пищевых производств.
В настоящее время в пищевой промышленности имеется довольно большой и разнообразный арсенал технических средств для определения и исследования физико-механических свойств пищевых материалов на различной стадии приготовления: от сырья до готового продукта. Для изучения этих свойств служат методы физико-химической механики пищевых продуктов [1].
Реологические методы применяются не только в традиционных случаях, таких как изучение физических величин и расчет движения продуктов в рабочих органах машин, но и для оценки ряда технологических, в том числе и качественных показателей продуктов, управления ими и получения заранее заданных технологических характеристик.
Очень важны реологические методы при определении упруго-вязких характеристик теста, липкости мясного фарша, прочности макаронных изделий, сахара-рафинада, вязкости майонеза и др.
Существует несколько систем классификации реологических методов и приборов для их измерения. А.В. Горбатов, В.Д. Косой [1; 2] классифицируют методы и приборы на три группы: абсолютные, относительные и условные.
По виду измеряемой величины А.А. Соколов [3] и другие подразделяют реологические приборы и методы на четыре группы.
В некоторых случаях измерение структурно-механических характеристик (СМХ) одного продукта различными способами дает неодинаковые результаты. Способ измерения характеризуется определенными геометрическими, кинематическими и динамическими параметрами прибора и условиями проведения опыта при постоянных исходных технологических показателях продукта.
Существуют различные приборы для измерения СМХ пищевых продуктов и сырья: приборы для измерения сдвиговых характеристик, приборы для измерения компрессионных или объемных характеристик, приборы для измерения адгезионных характеристик.
Как известно, для исследования различных явлений и процессов, происходящих в сложных объектах, широко применяется моделирование, которое основано на аналогии математических моделей изучаемых объектов и соответствующих им электрических цепей и устройств. Процессы в механических, гидравлических и тепловых системах описываются дифференциальными уравнениями различного типа и порядка, многие из которых аналогичны уравнениям, составленным для мгновенных значений токов и напряжений в электрических цепях.
Моделирование деформационного поведения пищевых материалов можно проводить на основе не только механических моделей, но и электрических. При этом механическое напряжение сопоставляют с э.д.с. электрической цепи, скорость деформации – с электрическим током, модуль упругости – с обратной величиной емкости, а вязкость – с сопротивлением. По Ю.А. Мачихину [4], последовательное соединение элементов механической модели эквивалентно параллельному соединению элементов электрической цепи, а параллельное в механической модели – последовательному соединению в электрической, но при глубоком изучении процессов. происходящих в электрической цепи с переменным током. конкретно в нашей работе выяснилось, что параллельное соединение в механической модели соответствует параллельному соединению в электрической цепи.
Примеры обозначения механических тел электрическими аналогами приведены в таблице 1. Учеными Семипалатинского государственного университета им. Шакарима А.К. Какимовым,
Б.Б. Кабуловым и др. проведены исследования, в результате которых был использован стенд ЭТ-4. Поскольку задачей являлось определение предельного напряжения сдвига (ПНС) мясного сырья и параметров, влияющих на нее, в результате исследований идеальным аналогом ПНС принятa обратная величина емкости С, а аналогом напряжения, возникающего в продукте, - ток в различных ветвях.
На стенде ЭТ-4 собиралась схема линейной разветвленной электрической цепи синусоидального тока (рисунки 1, 2) с параллельно соединенными индуктивной катушкой Z и батареей конденсаторов с переменной емкостью С. Питание стенда осуществлялось от сети переменного тока, напряжение которого измерялось вольтметром V. Ваттметром измерялась активная мощность Р, а амперметрами А1, А2, А3 - токи I1, I2, I3 соответственно в неразветвленной части цепи в отдельных ветвях. Амперметр А1 имеет предел измерения 0-1А, а амперметры А2 и А3 - 0-2,5А.
Таблица 1 - Примеры обозначения реологических механических тел электрическими аналогами
Рисунок 1 - Схема параллельного соединения катушки индуктивности и конденсатора
Рисунок 2 - Экспериментальный стенд ЭТ-4
Режим работы цепи варьировался путем изменения емкостей батареи конденсаторов в пределах от 0 до 32 мкФ. При достижении соотношения bL=bC наступает режим резонанса токов. О наступлении этого режима свидетельствует показание амперметра в неразветвленной части цепи – оно становится минимальным. Токи в ветвях I2 и I3 становятся почти равными между собой. Они не могут быть в точности равны друг другу в режиме резонанса, так как ток в ветви с батареей конденсаторов содержит только реактивную составляющую Iр3= I3, а ток в ветви с индуктивной катушкой – реактивную Iр2 и активную Iа2 составляющие, образующие ток катушки. При соблюдении в режиме резонанса токов равенства Iр2= Iр3= I3 ток в ветви с индуктивной катушкой I2 будет превышать ток в ветви с батареей конденсаторов I3. При любом изменении емкости батареи конденсаторов режим резонанса тока нарушается, что приводит к изменению тока I1 и I3.
Таким образом, для быстрого и качественного контроля структурно-механических характеристик пищевого сырья необходимо создание универсальных реологических приборов. Одним из перспективных методов является разработка электрических аналогов реологических механических моделей продуктов, изучение на их основе структурно-механических характеристик пищевого сырья с использованием специализированных стендов и приборов.
Литература
- Горбатов А.В. Реология мясных и молочных продуктов. – М.: Пищевая промышленность, – 383 с.
- Косой В.Д. Совершенствование процесса производства вареных колбас - М. : Легкая и пищевая промышленность, 1983. – 272 с.
- Соколов А.А. Физико-химические и биохимические основы технологии мясопродуктов. – М.: Пищевая промышленность, 1965 – 492 с.
- Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инженерная реология пищевых материалов. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. – 216 с.