RU2354956C1 - Rheometer for monitoring formation of milk-protein coagulum - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; measurement.

SUBSTANCE: present invention relates to devices for continuous monitoring formation of milk-protein coagulum when making cheeses and fermented milk products in the diary industry, as well as for continuous monitoring of the process of structure formation in other fields of industry. The rheometer has a base, a measuring grooved cylinder, a springing element, step motor, device for measuring angular displacements and a control module. The springing element is in form of a calibrated helical spring, the top end of which is joined to the shaft of the step motor. The bottom end of the springing element is joined to measuring roll, fitted in precision ball bearings in the central bushing, fixed to the base. The measuring grooved cylinder is locked onto the bottom end of the measuring roll. The device for measuring angular displacements is made in form of a transparent disc, around which there is a radial line scale. A slit permanent light source is opposite the line scale on one side of the transparent disc. The slit of the light source is parallel the lines of the scale. On the other side of the disc and opposite the slit permanent light source, there is pulse counter. The transparent disc is fixed on a cog-wheel, the shaft of which is fixed in the precision ball bearing, fitted in the casing which in turn is fixed to the base. The driven gear interlocks with the driving gear. A transmission ratio of not less than 1:10 is provided.

EFFECT: simpler design of the rheometer and wider field of its use.

1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для непрерывного контроля процесса образования молочно-белкового сгустка при производстве сыров и кисломолочных продуктов в молочной промышленности, а также для непрерывного контроля процессов структурообразования в других отраслях промышленности.The invention relates to devices for continuous monitoring of the formation of a milk-protein clot in the production of cheeses and dairy products in the dairy industry, as well as for continuous monitoring of the processes of structure formation in other industries.

Известен торсиометр С.Блэра, предназначенный для контроля образования сгустка в сырной ванне. Торсиометр состоит из основания, в котором в подшипниках установлен измерительный валик, на нижнем конце которого закреплен гладкий измерительный цилиндр, а верхний его конец через упругий элемент соединен с торсионной головкой, получающей вращение через зубчатую передачу от электропровода. Возвратные вращения измерительного цилиндра ограничены двумя контактами, которые замыкаются поочередно при соприкосновении одного из них со стрелкой, закрепленной на измерительном валике, и включают электропривод на реверс. При этом угол циклических вращений цилиндра составляет (±15)° [1].Known torsiometer S. Blair, designed to control the formation of a clot in a cheese bath. A torsiometer consists of a base in which a measuring roller is installed in the bearings, at the lower end of which a smooth measuring cylinder is fixed, and its upper end is connected through an elastic element to a torsion head, which receives rotation through a gear transmission from an electric wire. The return rotations of the measuring cylinder are limited by two contacts, which are closed alternately when one of them contacts the arrow attached to the measuring roller and turn on the electric drive for reverse. The angle of cyclic rotation of the cylinder is (± 15) ° [1].

При свертывании молока и увеличении плотности сгустка колебания гладкого измерительного цилиндра начинают отставать от торсионной головки, упругий элемент закручивается и его показания отмечаются измерителем угловых перемещений, выполненным в виде шкалы со стрелкой.When milk coagulates and the clot density increases, the oscillations of the smooth measuring cylinder begin to lag behind the torsion head, the elastic element twists and its readings are marked with an angular displacement meter, made in the form of a scale with an arrow.

Недостатком данного прибора является сложность его конструкции, кроме того, в торсиометре не предусмотрена возможность использования его в системе автоматического управления технологическим процессом.The disadvantage of this device is the complexity of its design, in addition, the torsiometer does not provide for the possibility of using it in the automatic process control system.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является реометр, предназначенный для определения эластичности (упругости) сырного (далее - молочно-белкового) сгустка, содержащий модуль управления, основание, на котором установлен шаговый электродвигатель, к валу которого снизу и соосно прикреплен верхним концом вертикально расположенный крутильный провод (далее - упругий элемент), а к нижнему его концу подвешен измерительный желобчатый цилиндр (рифленый цилиндр), помещенный в термостатируемую емкость. Измеритель угловых перемещений измерительного желобчатого цилиндра состоит из зеркала, закрепленного на нем, источника лазерного луча и чувствительного фотоэлемента, зафиксированных на основании. При повороте измерительного желобчатого цилиндра зеркало отклоняет падающий на него лазерный луч на угол, пропорциональный повороту цилиндра, и подает этот луч на чувствительный фотоэлемент [2].The closest technical solution, selected as a prototype, is a rheometer designed to determine the elasticity (elasticity) of a cheese (hereinafter - milk protein) clot containing a control module, a base on which a step motor is mounted, to the shaft of which is lower and coaxially attached to the top the end is a vertically arranged twisting wire (hereinafter referred to as the elastic element), and a measuring grooved cylinder (corrugated cylinder) suspended in a thermostatically controlled container is suspended from its lower end. The angular displacement meter of the measuring grooved cylinder consists of a mirror mounted on it, a laser beam source and a sensitive photocell fixed on the base. When the measuring grooved cylinder is rotated, the mirror deflects the laser beam incident on it by an angle proportional to the rotation of the cylinder, and delivers this beam to the sensitive photocell [2].

Молоко с внесенным в него сычужным ферментом свертывается в термостатируемой емкости. В процессе образования сгустка с модуля управления подается серия импульсов на шаговый электродвигатель, который через упругий элемент поворачивает измерительный желобчатый цилиндр на угол, пропорциональный эластичным свойствам сгустка. При этом датчик угловых перемещений зафиксирует этот угол поворота измерительного желобчатого цилиндра. Через заданное время на шаговый электродвигатель подается такая же серия импульсов, но в противоположном направлении. В результате измерительный желобчатый цилиндр повернется в обратную сторону и угол его поворота также будет зафиксирован датчиком угловых перемещений. Далее циклический процесс измерения будет продолжаться по выше описанной циклограмме до момента готовности сгустка. В начальный период образования сгустка, когда молочная смесь является еще жидкостью, показания датчика угловых перемещений будут равны нулю, т.к. измерительный желобчатый цилиндр не будет закручиваться относительно вала шагового электродвигателя. Затем по мере повышения эластичности (упругости) сгустка при каждом цикле измерений угол поворота измерительного желобчатого цилиндра будет увеличиваться относительно угла поворота вала шагового электродвигателя, т.к. измерительный желобчатый цилиндр по мере образования структуры сгустка будет все больше отставать от угла поворота вала шагового электродвигателя. Когда угол поворота измерительного желобчатого цилиндра примет постоянные значения, это значит, что сгусток готов к дальнейшей переработке.Milk with rennet introduced into it coagulates in a thermostatically controlled container. In the process of clot formation, a series of pulses is fed from the control module to a stepper motor, which rotates the measuring grooved cylinder through an elastic element by an angle proportional to the elastic properties of the bunch. In this case, the angular displacement sensor will fix this angle of rotation of the measuring grooved cylinder. After a specified time, the same series of pulses are applied to the stepper motor, but in the opposite direction. As a result, the measuring grooved cylinder will turn in the opposite direction and the angle of its rotation will also be detected by the angular displacement sensor. Further, the cyclic measurement process will continue along the above-described cyclogram until the clot is ready. In the initial period of clot formation, when the milk mixture is still liquid, the readings of the angular displacement sensor will be zero, because the measuring grooved cylinder will not twist relative to the shaft of the stepper motor. Then, as the elasticity (elasticity) of the bunch increases with each measurement cycle, the angle of rotation of the measuring grooved cylinder will increase relative to the angle of rotation of the shaft of the stepper motor, since the measuring grooved cylinder as the formation of the clot structure will increasingly lag behind the angle of rotation of the shaft of the stepper motor. When the angle of rotation of the measuring grooved cylinder takes constant values, this means that the clot is ready for further processing.

Недостатками реометра являются: во-первых, сложность конструкции датчика угловых перемещений измерительного желобчатого цилиндра; во-вторых, в конструкции реометра отсутствует опора (подшипник) для измерительного желобчатого цилиндра, что может способствовать смещению оси измерительного желобчатого цилиндра относительно оси шагового электродвигателя и, как следствие, возникновение изгибающих деформаций в крутильном проводе (силоизмерителя), что в конечном итоге вызовет смещение зеркала и, как следствие приведет к погрешностям в работе датчика угловых перемещений, т.е. будет внесена погрешность в определение эластичности сгустка; в-третьих, конструкция реометра не предполагает его применения в системе автоматического управления технологическим процессом.The disadvantages of the rheometer are: firstly, the complexity of the design of the sensor of angular displacements of the measuring grooved cylinder; secondly, in the design of the rheometer there is no support (bearing) for the measuring grooved cylinder, which can contribute to the displacement of the axis of the measuring grooved cylinder relative to the axis of the stepper motor and, as a result, the occurrence of bending deformations in the twisted wire (load meter), which ultimately will cause displacement mirrors and, as a result, will lead to errors in the operation of the angular displacement sensor, i.e. an error will be made in determining the elasticity of the clot; thirdly, the design of the rheometer does not imply its use in the automatic process control system.

Задачей изобретения является упрощение конструкции реометра и расширение области его использования.The objective of the invention is to simplify the design of the rheometer and expand the scope of its use.

Цель задачи достигается тем, что в реометре для контроля образования молочно-белкового сгустка, содержащем основание, измерительный желобчатый цилиндр, упругий элемент, шаговый электродвигатель, измеритель угловых перемещений и модуль управления, упругий элемент выполнен в виде калиброванной цилиндрической винтовой пружины, верхним концом соединенной с валом шагового электродвигателя, установленного на пластине, закрепленной при помощи стоек на основании. Нижний конец упругого элемента соединен с верхнем концом измерительного валика, установленного соосно валу шагового электродвигателя в прецизионных шарикоподшипниках в центральной втулке, вертикально прикрепленной к горизонтальному основанию, а на нижнем конце этого измерительного валика в замке зафиксирован измерительный желобчатый цилиндр. При этом измеритель угловых перемещений выполнен в виде прозрачного диска, закрепленного на зубчатом колесе, вал которого зафиксирован в прецизионном шарикоподшипнике, установленном в корпусе, закрепленном на основании. Причем это зубчатое колесо входит в зацепление с закрепленным на измерительном валике ведущим зубчатым колесом, которое обеспечивает передаточное отношение не менее 1:10. По окружности прозрачного диска нанесена контрастным цветом равномерная радиальная штриховая шкала, напротив которой с одной стороны прозрачного диска установлен щелевой источник постоянного света, щель которого расположена параллельно штрихам прозрачного диска, а с другой его стороны и напротив щелевого источника постоянного света расположен счетчик импульсов, передающий сигнал в модуль управления.The objective of the task is achieved in that in a rheometer for monitoring the formation of a milk-protein clot containing a base, a measuring grooved cylinder, an elastic element, a stepping motor, an angular displacement meter and a control module, the elastic element is made in the form of a calibrated coil spring, the upper end connected to the shaft of a stepper motor mounted on a plate fixed with racks on the base. The lower end of the elastic element is connected to the upper end of the measuring roller mounted coaxially to the stepper motor shaft in precision ball bearings in a central sleeve vertically attached to the horizontal base, and a measuring grooved cylinder is fixed in the lock on the lower end of this measuring roller. In this case, the angular displacement meter is made in the form of a transparent disk mounted on a gear wheel, the shaft of which is fixed in a precision ball bearing mounted in a housing fixed on the base. Moreover, this gear wheel engages with a drive gear fixed to the measuring roller, which provides a gear ratio of at least 1:10. A uniform radial dash scale is applied around the circumference of the transparent disk in contrasting color. A slit constant light source is installed on one side of the transparent disk, the slit of which is parallel to the strokes of the transparent disk, and a pulse counter is located on the other side and opposite the slit constant light source. to the control module.

На чертеже изображена схема реометра.The drawing shows a diagram of a rheometer.

Реометр имеет основание 1, к которому перпендикулярно прикреплена центральная втулка 2, в которой установлены прецизионные шарикоподшипники 3, осевое перемещение которых ограничено фиксирующим кольцом 4 и распорной втулкой 5. В прецизионных шарикоподшипниках 3 установлен измерительный валик 6, к нижнему концу которого присоединен измерительный желобчатый цилиндр 7, зафиксированный замком 8. На верхнем конце измерительного валика 6 закреплена траверса 9, фиксирующая нижний конец упругого элемента, выполненного в виде калиброванной цилиндрической винтовой пружины 10, а ее верхний конец прикреплен к траверсе 11, зафиксированной на выходном валу шагового электродвигателя 12, установленного соосно с измерительным валиком 6 на пластине 13, которая закреплена на вертикальных стойках 14, зафиксированных на основании 1.The rheometer has a base 1, to which the central sleeve 2 is perpendicularly attached, in which precision ball bearings 3 are mounted, the axial movement of which is limited by the locking ring 4 and the spacer sleeve 5. In the precision ball bearings 3 there is a measuring roller 6, to the lower end of which a measuring grooved cylinder 7 is attached fixed by lock 8. At the upper end of the measuring roller 6, a crosshead 9 is fixed, fixing the lower end of the elastic element, made in the form of a calibrated cylinder helical spring 10, and its upper end is attached to a traverse 11, fixed on the output shaft of the stepper motor 12, mounted coaxially with the measuring roller 6 on the plate 13, which is mounted on vertical posts 14, fixed on the base 1.

Для измерения угловых перемещений измерительного желобчатого цилиндра 7 предусмотрен датчик угловых перемещений, выполненный в виде прозрачного диска 15, закрепленного соосно на ведомом зубчатом колесе 16, напрессованном на вал 17, который зафиксирован в прецизионном шарикоподшипнике 18, установленном в корпусе 19, закрепленном на основании 1. Ведомое зубчатое колесо 16 входит в зацепление с ведущим зубчатым колесом 20, закрепленным на измерительном валике 6. Причем передаточное отношение зубчатых колес 20 и 16 принято не менее 1:10. По окружности диска 15 нанесена равномерная радиальная штриховая шкала, выполненная контрастным цветом, напротив которой с одной стороны прозрачного диска 15 установлен щелевой источник постоянного света 21, щель которого расположена параллельно штрихам прозрачного диска, а с другой стороны и напротив этого щелевого источника света расположен счетчик импульсов 22, передающий сигнал для обработки данных измерений в модуль управления 23. Модуль управления 23 имеет стандартный выход для подключения реометра к системе автоматического управления технологическим процессом.To measure the angular displacements of the measuring grooved cylinder 7, an angular displacement sensor is provided in the form of a transparent disk 15 mounted coaxially on the driven gear 16, pressed onto the shaft 17, which is fixed in a precision ball bearing 18 installed in the housing 19, mounted on the base 1. The driven gear 16 is engaged with the driving gear 20, mounted on the measuring roller 6. Moreover, the gear ratio of the gears 20 and 16 is adopted at least 1:10. A uniform radial dash scale is applied around the circumference of the disk 15, made in a contrasting color, opposite which, on one side of the transparent disk 15, a slit constant light source 21 is installed, the slit of which is parallel to the strokes of the transparent disk, and on the other side and opposite to this slit light source there is a pulse counter 22, transmitting a signal for processing the measurement data to the control module 23. The control module 23 has a standard output for connecting a rheometer to the automatic control system Ia process.

Реометр работает следующим образом. Специальным кронштейном (на чертеже условно не показан) реометр крепится строго вертикально на стенке термостатируемой технологической ванны, наполненной молоком с внесенным в него сычужным ферментом. Затем подключают реометр к электросети и к системе автоматического управления технологическим процессом.The rheometer works as follows. A special bracket (not conventionally shown in the drawing), the rheometer is mounted strictly vertically on the wall of a thermostatically controlled technological bathtub filled with milk with rennet introduced into it. Then the rheometer is connected to the mains and to the automatic process control system.

Процесс измерения выполняется в следующем порядке. Включают тумблер "Пуск". Модуль управления 23 подаст заданное число импульсов на шаговый электродвигатель 12, выходной вал которого повернется на заданный угол и передаст крутящий момент через траверсу 11, упругий элемент 10, траверсу 9, измерительный валик 6, измерительный желобчатый цилиндр 7 на образующийся сгусток. При этом при повороте измерительного валика 6 закрепленное на нем ведущее зубчатое колесо 20, входящее в зацепление с ведомым зубчатым колесом 16, повернет закрепленный на нем прозрачный диск 15 с штриховой шкалой на угол, пропорциональный углу закручивания измерительного желобчатого цилиндра 7, что будет зафиксировано счетчиком импульсов 22, и соответствующий сигнал с него поступит в модуль управления 23. Через промежуток времени, определяемый программой, модуль управления 23 подаст такое же число импульсов, но в противоположном направления на шаговый электродвигатель 12, вал которого при этом повернется в обратном направлении на тот же заданный угол, и измерительный желобчатый цилиндр 7 вернется в исходное положение. Затем через заданные промежутки времени цикл измерений будет повторяться по выше описанной схеме. По мере упрочнения молочно-белкового сгустка произойдет нарастающее во времени отставание угла поворота измерительного желобчатого цилиндра 7 от задаваемого шаговым электродвигателем 12 угла поворота его выхода вала. Это отставание будет фиксироваться датчиком угловых перемещений, который передаст сигнал в модуль управления 23. После образования и упрочнения сгустка до заданной эластичности будет сформирован сигнал для передачи в систему автоматического управления технологическим процессом.The measurement process is performed in the following order. Turn on the start switch. The control module 23 will apply a predetermined number of pulses to the stepper motor 12, the output shaft of which will rotate by a predetermined angle and transmit torque through the beam 11, the elastic element 10, the beam 9, the measuring roller 6, the measuring grooved cylinder 7 to the forming bunch. At the same time, when the measuring roller 6 is rotated, the driving gear 20 fixed on it, which engages with the driven gear 16, will rotate the transparent disk 15 mounted on it with a dash scale by an angle proportional to the twisting angle of the measuring grooved cylinder 7, which will be recorded by the pulse counter 22, and the corresponding signal from it will go to the control module 23. After a period of time determined by the program, the control module 23 will give the same number of pulses, but in the opposite direction a stepping motor 12 whose shaft thus rotates in the reverse direction for the same predetermined angle, and measuring the grooved cylinder 7 returns to its original position. Then, at predetermined intervals, the measurement cycle will be repeated according to the scheme described above. As hardening of the milk-protein clot occurs, the time lag of the angle of rotation of the measuring grooved cylinder 7 from the angle of rotation of its output shaft set by the stepper motor 12 will occur. This lag will be detected by the angular displacement sensor, which will transmit a signal to the control module 23. After the formation and hardening of the bunch to a given elasticity, a signal will be generated for transmission to the automatic process control system.

Источники информацииInformation sources

1. Реометрия пищевой промышленности и продуктов: Справочник /Под ред. Ю.А.Мачихин. - М.: Агропроиздат. - 1990. - 271 с.1. Rheometry of the food industry and products: Handbook / Ed. Yu.A. Machikhin. - M .: Agroproizdat. - 1990. - 271 p.

2. Шильников Ю.С., Никольская Л.В., Ковтунова Л.Е., Малькова Д.А. Новые методы технохимического контроля молока и молчных продуктов. Обзорная информация. - М.: ЦНИИТЭИ мясомолпром, 1980, 40 с.2. Shilnikov Yu.S., Nikolskaya L.V., Kovtunova L.E., Malkova D.A. New methods of technochemical control of milk and dairy products. Overview information. - M .: TSNIITEI meat and meat industry, 1980, 40 p.

Claims (1)

Реометр для контроля образования молочно-белкового сгустка, содержащий основание, измерительный желобчатый цилиндр, упругий элемент, шаговый электродвигатель, измеритель угловых перемещений и модуль управления, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде калиброванной цилиндрической винтовой пружины, верхним концом соединенной с валом шагового электродвигателя, а нижним концом - с измерительным валиком, установленным в прецизионных подшипниках в центральной втулке, закрепленной вертикально и снизу к основанию, на нижнем конце которого зафиксирован в замке измерительный желобчатый цилиндр, причем измеритель угловых перемещений выполнен в виде прозрачного диска, по окружности которого нанесена радиальная штриховая шкала, выполненная контрастным цветом, напротив которой с одной стороны прозрачного диска установлен щелевой источник постоянного света, щель которого расположена параллельно штрихам шкалы, а с другой его стороны и напротив щелевого источника постоянного света расположен счетчик импульсов, при этом прозрачный диск закреплен на зубчатом колесе, вал которого зафиксирован в прецизионном шарикоподшипнике, установленном в корпусе, закрепленном на основании, а ведомое зубчатое колесо входит в зацепление с ведущим зубчатым колесом, зафиксированным на измерительном валике, причем передаточное отношение в зубчатом зацеплении обеспечивается не менее 1:10. A rheometer for controlling the formation of a milk-protein clot containing a base, a measuring grooved cylinder, an elastic element, a stepper motor, an angular displacement meter and a control module, characterized in that the elastic element is made in the form of a calibrated cylindrical helical spring whose upper end is connected to the shaft of the stepper motor and the lower end - with a measuring roller mounted in precision bearings in a central sleeve mounted vertically and from the bottom to the base, on the lower A measuring grooved cylinder is fixed in the lock; moreover, the angular displacement meter is made in the form of a transparent disk, on the circumference of which there is a radial dash scale made in contrasting color, opposite which a slit constant light source is installed on one side of the transparent disk, the slit of which is parallel to the scale dashes and, on the other hand, and opposite the slit constant-light source, a pulse counter is located, while a transparent disk is mounted on a gear ring e, the shaft of which is fixed in a precision ball bearing mounted in the housing, fixed to the base, and the driven gear engages with the driving gear, fixed on the measuring roll, the gear ratio in the toothing is provided at least 1:10.