CC BY
19УДК 532.137+663.915/.918
М. В. Чистяков
Самарский государственный аэрокосмический университет
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ И УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ВЯЗКОСТИ ШОКОЛАДНОЙ МАССЫ
В статье рассмотрена измерительная и управляющая системы вязкости шоколадной массы. Метод основан на ротационном способе измерения и заключается в поддержании постоянного момента вращающегося ротора, за счет чего увеличиваются диапазон и точность измерения.
Кратко описывается принцип создания математической модели вязкости шоколадной массы. С помощью такой модели измерительная система сможет просчитывать создаваемое управляемое воздействие и корректировать его после измерения.
The article tells about data - measuring and control devices of chocolate masses viscosity. The method is based on rotational way of measuring and based keeping the constant momentum of the rotor. This rotary viscometer has a wide range of measuring which has control effect.
The article shortly describes process of creation of mathematical model of chocolate masses viscosity. That measuring system can calculate the created controlled influence and adjust it after measuring.
В шоколадном производстве, как и на многих других предприятиях, производят измерения и регулирование вязкости продукта, поскольку от этого зависит его качество. Часто такие измерения осуществляются не автоматизированными вискозиметрами, поэтому на измерения и регулирование вязкости в технологическом процессе затрачивается много времени. Так, при изготовлении шоколадной массы производится измерение вязкости отобранных проб, затем осуществляется регулирование вязкости путем добавления масла какао. Готовая масса на производственной линии имеет температуру около 45 С°, а степень вязкости нужно определять при температуре формовки и глазировки шоколадной массы, т.е. при 32 С°, поэтому массу охлаждают и затем делают измерения. Необходимо знать зависимость вязкости шоколадной массы от температуры, чтобы уметь прогнозировать изменение и автоматизировать регулирование вязкости в технологическом процессе.
При большом многообразии существующих методов для измерения вязкости шоколадной массы наиболее подходит ротационный способ измерения, так как он позволяет автоматизировать данный процесс. В лабораторных условиях с помощью ротационного способа может исследовать реологические свойства жидкости, такие как текучесть и пластичность массы. Для измерения вязкости шоколадной массы ротационный вискозиметр должен иметь диапазон измерения приблизительно от 3 до 30 па-с.
При разработке ротационных вискозиметров вначале рассчитывают элементы первичных преобразователей вязкости, т.е. воспринимающих элементов. Воспринимающие элементы выбираются в зависимости от вида исследуемой жидкости. Шоколадная масса относится к неньютоновской тиксотропной жидкости, вязкость которой зависит от градиента скорости у и напряжении сдвига т. Вязкость определяется как
п-\. о>
У тиксотропных жидкостей кривая зависимости вязкости от времени образует петлю гистерезиса. Такое явление происходит из-за изменения внутренних сил, и кри-Р и с, 1. Кривая течения тиксотроп- „ _ „
„ вая течения имеет сложный характер. В начальный мо-
ных жидкостей г г
мент времени градиенту скорости yi соответствует касательное напряжение сдвига х\, однако через некоторое время при том же градиенте касательное напряжение будет составлять величину 12 и отношение xi/yi будет меньше, чем Т2/?Ь что говорит об уменьшении коэффициента вязкости
"Ь"
(рис. 1). Вязкость будет изменяться, пока не разрушится структурная решетка вещества, после чего процесс примет необратимый характер.
Для неньютоновских жидкостей можно использовать универсальную измерительную поверхность вида «цилиндр - цилиндр», применяемую и для ньютоновских жидкостей при усло-
вии наличия малого зазора между ротором и стаканом. Вязкость для измерительной поверхности такого вида определяется выражением
M(R2-r2)
«4«И*г» ’ (2)
где М- момент сопротивления на воспринимающем цилиндре, R - радиус наружного цилиндра, у - радиус воспринимающего цилиндра, L - высота воспринимающего цилиндра в измерительном зазоре, оз - угловая скорость вращения внутреннего цилиндра.
Отсюда получим
oaAjtLtfr1
*> г> • (3)
где К - коэффициент вискозиметра, рассчитывается один раз и остается неизменным,
При использовании ньютоновских и неньютоновских жидкостей в воспринимающем элементе типа «цилиндр - цилиндр» формула для расчета вязкости не изменяется. В таких элементах не учитывается расстояние между дном и цилиндром, что может вызвать ошибку в измерениях. Это связано с возникновением донных эффектов. Для избежания перехода жидкости из ламинарного состояния в турбулентное, при котором у неньютоновских жидкостях появляются повышенные напряжения, применяют воспринимающие элементы с проточенным дном, где образуется воздушный пузырь (рис. 2).
Из выражения (2) момент сопротивления на воспринимающем цилиндре
М - Кт}0) . (4)
В вискозиметрах чаще всего используют постоянную скорость вращения, но при таком измерении момент изменяется в несколько десятков раз. Это может вызвать нестабильную работу электродвигателя, что повлечет нарушение ламинарного потока и вызовет повышения касательного напряжения т. Из зависимости (4) следует, что для поддержания постоянного момента необходимо изменять скорость вращения с изменением вязкости. Так, при больших вязкостях скорость должна понижаться, а при малых вязкостях - повышаться.
Это позволит уменьшить погрешность и увеличить диапазон измерения.
В качестве чувствительного элемента можно использовать асинхронный исполнительный микродвигатель АД с тахогенератором ТГН. Двигатель через редуктор РЕД вращает ротор в стакане с измеряемой жидкостью. Контроль частоты вращения ротора осуществляется с помощью тахогенератора, сигнал с тахогенератора поступает на АЦП и идет на контроллер К. Изменение частоты вращения осуществляется с помощью частотного преобразователя ЧП и преобразователя напряжения ПН. Для того чтобы момент двигателя при изменении частоты вращения оставался постоянным, контроллер изменяет частоту I и напряжение Uпо закону
U ,
— = const.
f
Если регулировать частоту тока и напряжения, соблюдая указанное условие, то механические характеристики двигателя будут оставаться жесткими, а максимальный момент - почти не зависящим от частоты (он существенно изменится лишь при относительно низких частотах).
Крутящий момент двигателя вычисляется как отношение полезней мощности РПол к ск0" рости вращения ротора (6):
Р и с. 2. Измерительная поверхность типа «цилиндр - цилиндр»
(5)
(8)
(Ю)
Полезная мощность равна произведению КПД и полной потребляемой мощности Р (7):
Рщт ~ ЛтцР ■ (?)
Скорость вращения ротора асинхронного исполнительного двигателя зависит от частоты электрического тока / и от скольжения двигателя э:
„ /60(1-5)
О) = ...... ,
р
где р - число пар полюсов двигателя.
Учитывая, что потребляемая мощность равна /С/, и подставляя выражения (7) и (8) в (6), получим
м=РЧт,/и
/60(1-.V) 1 1
Ток нагрузки измеряется измерительным преобразователем ИПТ и регистрируется контроллером (рис. 3).
Приравнивая (4) и (9) и выражая вязкость, получим
РЧкт1и 60(1
Контроллер К, меняя скорость вращения ротора с помощью частоты тока и напряжения, измеряет ток и поддерживает постоянный момент; вязкость он определяет путем измерения скорости вращения ротора тахогенератором. Также по программе контроллер рассчитывает
регулирующее воздействие РВ для технологического процесса ТП за счет изменения коэффициента вязкости. В шоколадном производстве с помощью регулирующего воздействия можно управлять дозировкой разжижающего средства, тем самым регулируя вязкость.
Для регулирования вязкости шоколадной массы необходимо знать, от каких параметров зависит вязкость и какова закономерность этой зависимости, т.е. создать математическую модель, В состав обычной массы входят сахар, какао тертое, какао-масло; процентное содержание их постоянно. Вязкость зависит от параметров используемых ингредиентов. Сахар проходит специальную подготовку и подается, имея определенную влажность, которая всегда остается постоянной и поэтому не влияет на изменение вязкости массы. Качественные характеристики какао тертого зависят от партии какао бобов. При переработке бобов получается тертое какао с различным содержанием жира .Р и влаги Ж; это влияет на вязкость продукта, Какао-масло - это стопроцентный жир, и на вязкость влияет его количественное содержание М. При изготовлении количество добавленного какао-масла постоянно, но во время конширо-вания масло добавляют для регулирования вязкости. Для соблюдения технологических требований стараются придерживаться определенной степени измельчении Ъ. Это довольно сложный процесс, поэтому степень измельчения не всегда постоянна, и ее изменение влечет изменение вязкости. Шоколадная масса является тиксотропным веществом, т.е. на вязкость влияет механическое воздействие. Основное механическое воздействие на производственных линиях -это конширование т. Процесс конширования заключается в тщательном перемешивании сухой массы с какао-маслом, испарении дубильных веществ и аминокислот, Конширование нельзя не учитывать при рассмотрении вязкости, так как кроме механического воздействия, которое меняет вязкость, происходит испарение влаги, что тоже влияет на этот показатель. Одним из основных параметров, от которых зависит коэффициент вязкости, является температура Т. Рассматривать вязкость массы, не учитывая температуру измерения, просто невозможно. Также невозможно говорить об изменении вязкости при изменении температуры, не принимая во внимание рассмотренные выше параметры. Все перечисленные параметры измеряются и учитываются на производстве в лабораториях специалистами.
Р и с. 3. Схема измерительной управляющей системы
Задача сводится к нахождению функции / и зависимости (11):
п = /{рл,т,г,т,м)1 (П)
Для получения функции проведем ряд экспериментов: будем по очереди изменять параметры, фиксируя остальные в средней точке, и измерять полученное значение вязкости. Так получим шесть таблиц изменения вязкости в зависимости от различных рассмотренных параметров и составим общую матрицу.
Для начала воспользуемся линейной функцией многопараметрической интерполяции. В нашем случае будем иметь
т} = +а]Р + а2И/ + а2Т + а^Х + а5М + а6т. (12)
Теперь воспользуемся квадратичной функцией интерполяции
г} = ай + + а3Т + + аьМ + а6т + аиЕ2 + а22!У2 + а33Г2 + а4422 +
+ а51М2+а66т2+а,2Р1У+а13РГ + а^Х + ^РМ + а]6Рт + а23№Т + аи\¥Х + (13)
+ а21ШЬ + а1ЬШт + аЪАТХ + а35ТМ + а36Тт + а^ХМ + аАЬХт + а56Мт.
Рассчитав среднеквадратичное отклонение, можно видеть, что квадратичная функция лучше описывает интересующую нас зависимость.
С помощью разработанной зависимости (13) контроллер рассчитывает регулирующие воздействие, при помощи которого управляет коэффициентом вязкости.
Рассмотренная информационно-измерительная управляющая система позволяет автоматизировать технологический процесс, что увеличит скорость производственного процесса и повысит качество изготовляемого продукта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бутусов П.М., Половко А.М. Интерполяция методов и компьютерные технологии их реализации. Петербург: БХВ, 2004. 320 с.
2. Журавлева Е.И., Кормаков С.И., Токарев Л.И., Рахманова К.Г. Технология кондитерского производства. Москва. 1968.400 с,
3. Крутоголов В.Д., Кулаков М. В. Ротационные вискозиметры. М.: Машиностроение, 1984. 112 с.
4. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. М.: Химия, 1979. 304 с.
5. Вострое И.Ф. Асинхронные электродвигатели. М.: Машиностроение, 1987. 296 с.
УДК 681.3
Э.К. Шахов, В. В. Акинин, И.А. Долгова
Пензенский государственный университет
ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ОРГАНИЗМА
Человек как объект измерения обладает целым рядом специфических особенностей. При измерении значительной части параметров, характеризующих его состояние, воздействие средства измерения оказывает искажающее влияние на естественные процессы жизнедеятельности. В докладе рассматриваются пути уменьшения искажающего влияния средств измерений на примерах измерения двух параметров состояния человеческого организма - температуры тела и артериального давления. Показано, что в первом случае положительный эффект достигается путем предварительного нагрева термометра до температуры, близкой к измеряемой, а во втором случае предлагается использовать в тонометрах способ измерения, основанный на компрессии артерии, в то время как в большинстве известных тонометров применяется декомпрессия.
The human as an object of being measured has many peculiarities. Measuring devices distort natural processes, which take place in a human organism. This is the reason of measure mistakes. The paper is devoted discussion of ways, which secure mistake decrease.
Человек как объект измерения обладает целым рядом специфических особенностей. При измерении значительной части параметров, характеризующих его состояние, воздействие средства измерения оказывает искажающее влияние на естественные процессы жизнедеятельности.
