Общая постановка проблемы

Карамель по объему производства среди различных видов кондитерских изделий занимает одно из первых мест. Существующие способы получения карамельной массы состоят из двух самостоятельных стадий: приготовление сиропа и уваривание его до получения массы требуемой влажности (концентрации). Свойства карамельной массы определяются прежде всего составом и свойствами карамельного сиропа.[1]

Продукцию высокого качества можно выпустить только при соблюдении технологического режима производства и своевременном исправлении всех возможных отклонений. Для этого нужна постоянная оперативная информация о ходе технологического процесса.[4] Процесс приготовления сиропа состоит из 2-х операций: растворение сахара и уваривание полученного сиропа до нужной концентрации.[1]

Большое значение в карамельном производстве имеет вязкость сиропа. Вязкость сиропа подчиняется закону внутреннего трения Ньютона, который связывает касательное напряжение внутреннего трения τ (вязкость) и изменение скорости среды v в пространстве ∂v/∂t (скорость деформации): τ=η*∂v/∂t. [3]

Чем выше вязкость сиропа, тем меньше карамель подвержена кристаллизации при остывании – засахариванию. Высокая вязкость способствует поддержанию карамельной массы в аморфном состоянии.[3] Поэтому важно контролировать именно этот параметр для получения продукта высокого качества.

Постановка задачи исследования.

При большом многообразии существующих методов для измерения вязкости сахарного сиропа наиболее подходит ротационный способ измерения. К его преимуществам относятся: достаточно простая конструкция, воплощающая метод, пригодность для работы в широких интервалах температур и давлений, а также возможность автоматизировать процесс. Вискозиметры, работа которых основана на этом методе, позволяют производить измерения в диапазоне до 10³ Па⋅с.

Сущность ротационных методов заключается в том, что исследуемую жидкость помещают в зазор между двумя поверхностями правильной геометрической формы. Одна из поверхностей приводится во вращение с постоянной скоростью. При этом вращательное движение передается жидкостью к другой поверхности. Согласно методу предполагается отсутствие проскальзывания жидкости у поверхностей. Момент вращения, передаваемый от одной поверхности к другой, является мерой вязкости жидкости.[2]

В настоящее время наиболее распространены вискозиметры электро-ротационные: цилиндр, погруженный в вязкую среду, приводится во вращение электродвигателем. Вращающийся с постоянной скоростью ротор вискозиметра при погружении в жидкость или расплав встречает сопротивление равномерному вращательному движению, на валу двигателя возникает тормозящий момент, прямо пропорциональный вязкости среды, что вызывает соответствующее изменение характеристик работы двигателя.

Решение задачи, результаты исследований.

В электро-ротационных вискозиметрах чаще всего используют постоянную скорость вращения, но при таком измерении момент прямо пропорционален вязкости, которая может изменяться в несколько десятков раз:

где К – коэффициент для разных типов, рассчитывается один раз и остается неизменным,

      ω – угловая скорость вращения ротора.

Изменение момента может вызвать нестабильную работу электродвигателя, что повлечет нарушение ламинарного потока и вызовет повышения касательного напряжения τ. Поэтому для поддержания постоянного момента необходимо изменять скорость вращения с изменением вязкости. Так, при больших вязкостях скорость должна понижаться, а при малых вязкостях – повышаться.

В качестве чувствительного элемента можно использовать асинхронный исполнительный микродвигатель АД с тахогенератором ТГН. Двигатель через редуктор РЕД вращает ротор в измеряемой жидкости. 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 f и напряжение U закону:

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 скорости вращения ротора:

Полезная мощность равна произведению КПД и полной потребляемой мощности Р:

Скорость вращения ротора асинхронного исполнительного двигателя зависит от частоты электрического тока f и от скольжения двигателя s:

    (5)

где p – число пар полюсов двигателя.

Учитывая, что потребляемая мощность равна I*U, и подставляя выражения (4) и (5) в (3), получим

    (6)

Ток нагрузки измеряется измерительным преобразователем ИПТ и регистрируется контроллером (рис. 1).

Рисунок 1 — Структурная схема канала измерения вязкости

Приравнивая (1) и (6) и выражая вязкость, получим

    (7)

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.

Выводы.

1. Разработана структурная схема канала измерения вязкости.

2. При измерении вязкости для поддержания постоянного момента необходимо изменять скорость вращения с изменением вязкости, меняя частоту тока f и напряжение U.

Список использованной литературы

1. Лурье И.С. Руководство по технологическому контролю в кондитерском производстве. — М.: Пищевая промышленность. — 1978.— 278 с.
2. Кузнецов О.А., Волошин Е.В., Сагитов Р.Ф. Реология пищевых масс: Учебное пособие. – Оренбург: ГОУ ОГУ, 2005. - 106 с.
3. Степанова И.В., Тарасов А.В. Вязкость жидких сред: учебное пособие. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения – 2006. – 37 с.
4. Кузнецова О.Н., Коренев В.Д., Зори А.А. Автоматизированная система контроля парамет-ров сахарных растворов кондитерского производства // Наукові праці Донецького держав-ного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 3. — Донецьк: Донату, 1999. — С.370–375.

Наверх