Вимірювання в'язкості цукрового сиропу

В'язкість – це властивість рідин чинити опір переміщенню або зсуву однієї їх частини щодо іншої. В'язкість дає найкраще уявлення про рідини, про зміну її стану і може вважатися однією з основних характеристик. Велика залежність в'язкості рідин від їх складу, структури, будови молекул дозволяє контролювати технологічні процеси багатьох виробництв.

Розрізняють динамічну в'язкість і кінематичну в'язкість. Остання може бути отримана як відношення динамічної в'язкості до щільності речовини і своїм походженням зобов'язана класичним методам вимірювання в'язкості, таким як вимірювання часу витікання заданого обсягу через калібрований отвір під дією сили тяжіння.

Велике значення в карамельному виробництві має в'язкість сиропу. В'язкість сиропу підпорядковується закону внутрішнього тертя Ньютона, який пов'язує дотичне напруження внутрішнього тертя τ (в'язкість) і зміна швидкості середовища v в просторі ∂v/∂t (швидкість деформації): τ=η⋅∂v/∂t.[5]

Цукровий сироп відноситься до ньютонівських рідин, тобто підпорядковується закону в'язкого тертя Ньютона. В'язкість ньютонівської рідини не залежить від швидкості деформації, а також при незмінній температурі залишається постійною незалежно від швидкості зсуву.

Чим вище в'язкість сиропу, тим менше карамель схильна кристалізації при охолодженні. Висока в'язкість сприяє підтримці карамельної маси в аморфному стані [1]. Тому доцільно контролювати саме цей параметр для отримання продукту високої якості.

Розділ фізики, що займається методами вимірювання в'язкості (внутрішнього тертя), називається Віскозиметри (лат. viscous – клейкий + гр. Metre – мерю).

При великому різноманітті існуючих методів для вимірювання в'язкості цукрового сиропу найбільш підходить ротаційний спосіб вимірювання. До його переваг відносяться: досить проста конструкція, що втілює метод, придатність для роботи в широких інтервалах температур і тисків, а також можливість автоматизувати процес. Віскозиметри, робота яких заснована на цьому методі, дозволяють проводити вимірювання в діапазоні до 10³ Па⋅с.

Сутність ротаційних методів полягає в тому, що досліджувану рідину поміщають в зазор між двома поверхнями правильної геометричної форми. Одна з поверхонь приводиться в обертання з постійною швидкістю. При цьому обертальний рух передається рідиною до іншої поверхні. Відповідно до теорії методу передбачається відсутність прослизання рідини у поверхонь. Момент обертання, рухаючись від однієї поверхні до іншої, є мірою в'язкості рідини [6]. Схема ротаційного віскозиметра представлена на рис. 4:

Рисунок 4 – Схема ротаційного віскозиметра

В даний час найбільш поширені віскозиметри електро-ротаційні: циліндр, занурений в в'язку середу, наводиться в обертання електродвигуном. Обертається з постійною швидкістю ротор віскозиметра при зануренні в рідину або розплав зустрічає опір рівномірному обертальному руху, на валу двигуна виникає гальмуючий момент, прямо пропорційний в'язкості середовища, що викликає відповідну зміну характеристик роботи двигуна.

В електро-ротаційних віскозиметрах найчастіше використовують постійну швидкість обертання, але при такому вимірі момент прямо пропорційний в'язкості, яка може змінюватися в кілька десятків разів:

M=η*K*ω

де К – коефіцієнт для різних типів, розраховується один раз і залишається незмінним,

ω – кутова швидкість обертання ротора.

Зміна моменту може викликати нестабільну роботу електродвигуна, що спричинить порушення ламінарного потоку і викличе підвищення дотичного напруження τ. Тому для підтримки постійного моменту необхідно змінювати швидкість обертання зі зміною в'язкості. Так, при великою в'язкістю швидкість повинна знижуватися, а при малих в'язкість – підвищуватися.

В якості чутливого елемента можна використовувати асинхронний виконавчий мікродвигун АД з тахогенератором ТГН. Двигун через редуктор РЕД обертає ротор в вимірюваної рідини. Контроль частоти обертання ротора здійснюється за допомогою тахогенератора, сигнал з тахогенератора надходить на АЦП і йде на контролер К. Зміна частоти обертання здійснюється за допомогою частотного перетворювача ПП і перетворювача напруги ПН Для того щоб момент двигуна при зміні частоти обертання залишався постійним, контролер змінює частоту f і напруга U за законом:

U/f=const

Якщо регулювати частоту струму і напруги, дотримуючись зазначена умова, то механічні характеристики двигуна залишатимуться жорсткими, а максимальний момент – майже не залежать від частоти (він істотно зміниться лише при відносно низьких частотах). Крутний момент двигуна обчислюється як відношення корисніше потужності Рпол до швидкості обертання ротора:

M=P_пол/ω

Корисна потужність дорівнює добутку ККД і повної споживаної потужності Р:

P_пол=η_кпд*P

Швидкість обертання ротора асинхронного виконавчого двигуна залежить від частоти електричного струму f і від ковзання двигуна s:

де p – число пар полюсів двигуна.

Враховуючи, що споживана потужність дорівнює I⋅U, отримаємо:

Струм навантаження вимірюється вимірювальним перетворювачем ІПТ і реєструється контролером. Структурна схема каналу вимірювання в'язкості представлена на рис. 5.

Рисунок 5 — Структурна схема каналу вимірювання в'язкості

Таким чином, вираз для в'язкості буде мати вигляд:

Контролер К, змінюючи швидкість обертання ротора за допомогою частоти струму і напруги, вимірює струм і підтримує постійний момент; в'язкість він визначає шляхом вимірювання швидкості обертання ротора тахогенератором.

Cписок джерел