PL210625B1 - Urządzenie do wyznaczania parametrów reologicznych artykułów żywnościowych lepkosprężystych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wyznaczania parametrów reologicznych artykułów żywnościowych lepkosprężystych.

Chcąc uzyskać kompletną informację o lepkosprężystych cechach materiału, należy wykonać bardzo czasochłonne, trwające nawet kilkadziesiąt godzin pomiary, co może doprowadzić do poważnych zmian chemicznych i fizycznych badanego materiału biologicznego. Stosowane do tej pory urządzenia działające statycznie na badaną próbę, ograniczają się jedynie do wyznaczenia jednego lub dwóch parametrów, takich jak czas relaksacji lub retardacji oraz moduł sprężystości lub lepkości wyliczanych za pomocą skomplikowanych i żmudnych metod analitycznych. Pełna charakterystyka reologiczna wymaga określenia większej niż dotychczas liczby parametrów. Chcąc uzyskać kompletną informację o lepkosprężystych cechach materiału, należy wykonać bardzo czasochłonne pomiary statyczne pełzania, retardacji i relaksacji naprężeń, co może doprowadzić do poważnych zmian chemicznych i fizycznych badanego materiału biologicznego, na przykład żywności.

Znane z literatury patentowej urządzenia nie zmieniają zasady pomiaru parametrów, ale koncentrują się na szybkości uzyskiwania wyników przez zastosowanie elektronicznych sensorów lub na utrzymaniu przez potrzebny czas pożądanych dla prawidłowego przebiegu próby parametrów otoczenia, takich jak wilgotność czy temperatura otoczenia. Do pierwszej grupy urządzeń można zaliczyć urządzenie przedstawione w amerykańskim opisie patentowym US 6142010. Penetracyjny twardościomierz oparty jest o klasyczną, sztywna ramę i śrubowy napęd systemu nacisku i penetracji suwaka penetrującego próbkę. Sensory umożliwiają szybki odczyt wartości i przesłanie sygnału do komputera pozwalającego na szybką interpretację wyników. Także reometr opisany w brytyjskim zgłoszeniu patentowym WO 03/048743 oparty jest o zasadę pomiaru oporu jaki stawia próbka penetrującej ją części urządzenia. Urządzenie przedstawione w japońskim zgłoszeniu patentowym JP2005172517 należy do drugiej grupy urządzeń, w których nacisk kładzie się na warunki otoczenia próbki. W tym przypadku próby przeprowadza się w kąpieli utrzymującej przez cały czas trwania próby stałą wilgotność i temperaturę próbki. Z niemieckiego opisu patentowego DE 1020004015707 znane jest reometr z próbnikiem kulo-kształtnym, który w trakcie pomiarów pogrąża się w medium w kierunku prostopadłym do jego powierzchni.

Penetrator urządzenia wykonuje ruch pomiarowy jedynie w kierunku góra-dół z prędkością jednostajną uzależnioną od gęstości badanej cieczy.

Podstawowe wady tych urządzeń aparatów to małe prędkości deformacji i jednostajny ruch narzędzia, wynikający z zastosowania napędu śrubowego. Wady te stawiają urządzenia w rzędzie aparatów do testów statycznych, realizujących warunki kinematyczne testu dalekie od tych, które panują w jamie ustnej podczas żucia artykułów żywnościowych.

Urządzenie według wynalazku zawierające silnik, korpus, narzędzie penetrujące, przy czym urządzenie połączone jest z komputerem, charakteryzuje się tym, że ma stałoprądowy silnik krokowy połączony poprzez cięgnowy wkład przeniesienia z mechanizmem zamieniającym ruch obrotowy na ruch prostoliniowy narzędzia. Zamiana ruchu obrotowego na prostoliniowy umożliwia uzyskanie sinusoidalnie zmiennych prędkości liniowych narzędzia, ruch roboczy narzędzia realizowany jest z sinusoidalnie zmienną prędkością imitującą warunki rzeczywiste, panujące w jamie ustnej podczas żucia. Mechanizm zamieniający ruch obrotowy na ruch prostoliniowy składa się z koła zamachowego, wodzika i dźwigni dwustronnej, połączonej z uchwytem narzędziowym poprzez trzpień prowadzony w dwóch łożyskach ślizgowych. Trzpień jest sztywno połączony z ruchomym trzpieniem indukcyjnego czujnika przemieszczenia pionowego, którego cewka jest przymocowana do pionowej płyty nośnej. Punkt podparcia dźwigni dwustronnej połączony jest z suwakiem poziomej śruby pociągowej, która połączona jest z silnikiem stałoprądowym. Płyta nośna połączona jest z prowadnicami pionowymi, które połączone są z dolną płytą i górną płytą. Płyta nośna połączona jest także parą kinematyczną ze śrubą pociągową, która połączona jest z silnikiem stałoprądowym usytuowanym na płycie górnej. Urządzenie wyposażone jest w oprogramowanie umożliwiające wyliczenie wszystkich parametrów reologicznych istotnych dla jednoznacznego określenia jego lepkosprężystych właściwości: wartości maksymalnego naprężenia dla danego cyklu odkształcenia, czasu wystąpienia maksymalnego naprężenia w danym cyklu deformacji, energii akumulowanej w próbie, energii odtworzonej przez badany materiał, energii rozproszonej, stopnia sprężystości, kąta przesunięcia fazowego φ, czasu relaksacji Trel, zespolonego modułu sprężystości E, składowej rzeczywistej zespolonego modułu sprężystości E', składowej urojonej zespolonego modułu sprężystości E, zespolonego modułu lepkości η*, składowej rzeczywistej

PL 210 625 B1 zespolonego modułu lepkości η' i składowej urojonej lepkości zespolonej η. Dzięki zastosowaniu urządzenia możliwy jest sposób wyznaczania parametrów reologicznych materiałów lepkosprężystych polegający na tym, że w czasie pomiarów próbki podlegają sinusoidalnie zmiennym odkształceniom, zaś wyniki pomiarów poszczególnych parametrów reologicznych stanowią zależność w funkcji czasu lub odkształcenia. Ważne jest również to, że poprzez zastosowanie analizy widma harmonicznych przebiegu odkształcenia i naprężenia umożliwia dokładniejsze określenie, czy odpowiedzi badanego obiektu na identyczne wymuszenie są zbliżone, czyli czy charakter obiektu nie ulega zmianie podczas badania.

Przedmiot wynalazku przedstawiono na rysunku na którym fig. 1 przedstawia przebieg zmian naprężeń w badanej próbie podczas kolejnych jednosekundowych cykli deformacji, fig. 2 przedstawia schemat ilustrujący zmiany prędkości liniowej Vy w zależności od kąta obrotu żuchwy, fig. 3 przedstawia rysunek zestawieniowy urządzenia, fig. 4 przedstawia schemat blokowy układu sterowania urządzenia.

Zarówno kinematyka narzędzia jak i sinusoidalnie zmienny charakter zmian naprężenia w funkcji czasu lub odkształ cenia ró ż ni się zdecydowanie od prostoliniowych przebiegów, wystę pują cych w dotychczas stosowanych urządzeniach do pomiaru parametrów reologicznych materiałów lepkosprężystych. Urządzenie zdolne do testowania szerokiej gamy artykułów żywnościowych od żeli, poprzez pieczywo, nabiał, ryby, mięso, zboża aż po owoce. Sposób mocowania badanej próbki na stoliku tensometra nie wymaga szczególnego jej przygotowania. Wszystkie parametry eksperymentu zadawane są z klawiatury komputera i automatycznie ustawiane poprzez elektroniczny sterownik urządzenia i elementy wykonawcze poszczególnych podzespołów.

Część mechaniczną urządzenia stanowią podzespoły: napędowy, przeniesienia napędu, zamiany ruchu obrotowego na prostoliniowy, regulacji amplitudy, regulacji wysokości suportu pionowego, elementy nośne konstrukcji. Podzespół napędowy stanowi stałoprądowy silnik krokowy 10 o stałym momencie obrotowym i regulowanej prędkości obrotowej, połączony poprzez cięgnowy układ przeniesienia 11 z mechanizmem zamieniającym ruch obrotowy na ruch prostoliniowy narzędzia. Mechanizm ten składa się z koła zamachowego 12, wodzika 13 i dźwigni dwustronnej 14, połączonej z uchwytem narzę dziowym 15 poprzez trzpień 16 prowadzony w dwóch ł o ż yskach ś lizgowych 17 i 18. Trzpień 16 jest sztywno połączony z ruchomym trzpieniem 19 indukcyjnego czujnika przemieszczenia pionowego, którego cewka 20 jest przymocowana do pionowej płyty nośnej 1. Punkt podparcia 22 dźwigni dwustronnej 14 połączony jest z suwakiem 23 poziomej śruby pociągowej 24, która połączona jest z silnikiem stałoprądowym 25. Płyta nośna 1 połączona jest z prowadnicami pionowymi 6 i 7, które połączone są z dolną płytą 5 i górną płytą. Stanowią one jednocześnie ramą nośną urządzenia i gwarantują niekrępujący ruchów operatora dostęp do przestrzeni roboczej, łatwy sposób mocowania i wymiany narzędzi, stabilność i bezpieczeństwo pracy urządzenia, łatwość czyszczenia powierzchni stolika tensometra 9. Płyta nośna 1 połączona jest także parą kinematyczną ze śrubą pociągową 2, która połączona jest z silnikiem stałoprądowym 3, umieszczonym na płycie górnej. Układ przeniesienia napędu 11, oprócz zapewnienia odpowiedniego momentu obrotowego, pełni jednocześnie rolę sprzęgła elastycznego, pochłaniającego drgania mechaniczne, niwelującego nagłe nadwyżki obciążeń i zabezpieczającego urządzenie przed zniszczeniem w przypadku przekroczenia granicznych obciążeń elementu roboczego. Główne podzespoły urządzenia umieszczone są na ruchomej płycie nośnej 1, co umożliwia zmianę wysokości ustawienia narzędzia w przypadku dużej wysokości próbki lub zastosowanie metody pomiarowej wymagającej zmiany narzędzia 8 i uchwytu próbki. Wysokość ustawienia głowicy pomiarowej, zależna od rodzaju przeprowadzanego testu, a w związku z tym od zastosowanego oprzyrządowania, regulowana jest za pomocą śruby pociągowej 2, napędzanej silnikiem stałoprądowym 3 z przekładnią redukcyjną 4, sterowanym automatycznie lub ręcznie. Amplitudę odkształcenia próbki umieszczonej na czujniku siły 21, reguluje się przez zmianę położenia punktu obrotu 22 dźwigni dwustronnej 14, znajdującego się na suwaku 23 stanowiącym nakrętkę poziomej śruby pociągowej 24, napędzanej silnikiem stałoprądowym 25. Zmiana odległości „X punktu obrotu dźwigni 14 od kierunku działania penetratora powoduje zmianę amplitudy prostoliniowego ruchu oscylacyjnego penetratora 8. Silnik ustawiający odległość „X sterowany jest programowo lub ręcznie. Stabilność i dokładność pozycjonowania suwaka 23 zapewnia prowadnica 26 sprzężona z indukcyjnym czujnikiem przemieszczenia 27. Schemat układu sterowania urządzenia pokazuje fig. 4.

Claims (3)

1. Urządzenie do wyznaczania parametrów reologicznych artykułów żywnościowych lepkosprężystych zawierające silnik, korpus, narzędzie penetrujące, przy czym urządzenie połączone jest z komputerem, znamienne tym, że ma stałoprądowy silnik krokowy (10) połączony poprzez cięgnowy układ przeniesienia 11 z mechanizmem zamieniającym ruch obrotowy na ruch prostoliniowy narzędzia składającym się z koła zamachowego (12), wodzika (13) i dźwigni dwustronnej (14), połączonej z uchwytem narzędziowym (15) poprzez trzpień (16) prowadzony w dwóch łożyskach ślizgowych (17) i (18), który jest sztywno połączony z ruchomym trzpieniem (19) indukcyjnego czujnika przemieszczenia pionowego, którego cewka (20) jest przymocowana do pionowej płyty nośnej (1), przy czym punkt podparcia (22) dźwigni dwustronnej (14) połączony jest z suwakiem (23) poziomej śruby pociągowej (24), która połączona jest z silnikiem stałoprądowym (25).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że płyta nośna 1 połączona jest z prowadnicami pionowymi 6 i 7, które połączone są z dolną płytą (5) i górną płytą.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że płyta nośna (1) połączona jest parą kinematyczną ze śrubą pociągową (2), która połączona jest z silnikiem stałoprądowym (3).