انواع ویسکومتر
ویسکومتر لوله ای
ویسکومتر لوله ای درواقع نوعی ویسکومتر موئین با لوله های عریض می باشد که قادر به عبور دادن سوسپانسیون ها نیز می باشد. این دستگاه متشکل از یک لوله افقی با سطح مقطع یکسان به طول 0.5 متریا بیشتر و قطر بین 0.6 تا 30 میلی متر بوده و برای ثبت افت فشار دو دستگاه مبدل فشار1 روی لوله ( L ) وصل شده است. برای اطمینان از ایجاد جریان آرام ، فشاررا در قسمت ورودی لوله ثابت نگه داشته و سرعت جریان حجمی را اندازه گیری می کنند[1, 2, 4, 6].
برای سیالات غیر نیوتنی که از معادلات قانون توان پیروی می کنند ویسکوزیته را از رابطه زیر می توان محاسبه نمود :
در این جا ویسکوزیته ظاهری ، افت فشار در فاصله L ، Q سرعت جریان جرمی ، R شعاع لوله ، n شاخص رفتار جریان سیال قانون توان می باشد.
بایستی دقت نمود تا مطمئن شدکه تاثیر جریان های ورودی و خروجی قابل چشم پوشی هستند. برای مطالعه بیشتر دراین رابطه با بحث های نظری در مورد ویسکومتر لوله ای به کتاب روشهای رئولوژیکی در مهندسی فرآیند مواد غذایی مراجعه کنید . تاکنون از ویسکومتر لوله ای برای اندازه گیری ویسکوزیته پوره گلابی ، زرد آلو و هلو ، سس سیب ، آب انگور ، آب سیب تغلیظ شده ی آنها استفاده شده است. هچنین از این دستگاه برای بررسی جریان پوره موز ، سیب ، پاپایا استفاده کرده اند. در ضمن با استفاده از این دستگاه ، طول لوله 30 سانتی متر . قطر آن 05/2 میلی متر توانستند جریان پراکنش های نشاسته ی تغلیظ شده را در دمای 95 درجه سانتی گراد مطالعه کنند. البته اخیراً در مقاله ای عنوان شده که علی رغم توانایی های این نوع ویسکومتر برای کاربردهای درون خطی و قابل تعبیه سیستم شستشوی در محل ، اندازه گیری دقیق ویسکوزیته محلول ساکاروز 60 درصد پراکنش صمغ زانتان و محلول متوسل نیاز به صرف زمان زیاد برای تنظیم دارد . در ضمن ، این دستگاه دارای دو مشکل اساسی می باشد که عبارتند از 1) عدم امکان تثبیت دمای ثابت در کل لوله 2) نیاز به حجم زیادی از نمونه در مقایسه با سایر ویسکومتر.
ویسکومتر دریچه ای
این نوع ویسکومتر را می توان به شکل یک نوع ویسکومتر موئین خیلی کوتاه تصور نمود که درآن زمان لازم برای عبور حجم استانداردی از سیال از طریق یک روزنه اندازه گیری می شود. این روش بسیار ساده ، سریع و کم هزینه بوده که به فراوانی در خطوط تولید برای کنترل کیفیت سیالهای نیوتنی و نزدیک به نیوتنی ، جایی که دقت خیلی بالا ضرورتی ندارد استفاده می شود.
احتمالاً بهترین و شناخته شده ترین این ویسکومتر ها در صنعت غذا ویسکومتر زان 2 نوع فرو بری 3 است که از یک فنجانک از جنس فولاد ضد زنگ به حجم 44 میلی لیتر ، متصل به دسته ای با سوراخ گرد در انتها تشکیل شده است. برای انجام آزمایش ، فنجانک را با فروبردن در سیال و بیرون کشیدن پر می کنند. در زمان بیرون کشیدن فنجانک از سیال ، زمان سنج را به کار انداخته و با قطع جریان سیال از روزنه ی انتهایی لوله ی متصل به فنجانک زمان سنج را متوقف می کنند. به این ترتیب زمان سپری شده یک تخمین تجربی از ویسکوزیته سیال را می دهد. شکل زیر 5 نوع ویسکومتر زان و جدول زیر ویژگی های پنج مدل استاندارد از این نوع ویسکومتررا نشان می دهد.
ویسکو متر زان
ویسکومتر چرخان هم محور4
این ویسکومتر را به افتخار نخستین سازنده آن ، ویسکومترهای استوانه ای هم مرکز 5 یا کووت 6 می نامند . اصول پایه ای این دستگاه در شکل زیر نشان داده شده است .
این دستگاه متشکل از یک شاقول 7 با سطح مقطع دایره ای است که به صورت هم محور درون یک فنجانک حاوی سیال مورد آزمایش قرار دارد با دروران دادن شاقول یا فنجانک میزان کشیده شدن سیال روی گلوله توسط حس گرهای گشتاور پیچشی 8 اندازه گیری می شود. ارتباط سرعت برشی – تنش برشی درهردو حالت دوران دادن گلوله و ثابت بودن فنجانک و برعکس یکسان می باشد. در این نوع ویسکومترها امکان اندازه گیری های پیوسته تحت شرایط از پیش تعیین شده وجود داشته و می توان اثر وابستگی زمانی را نیز مطالعه وبررسی کرد. در ضمن با تغییر سرعت برشی یا بزرگی تنش می توان اندازه گیری ویسکوزیته را در محدوده ای از شرایط برشی روی همان نمونه انجام داد. از این دستگاه ها می توان برای غذاهای نیوتنی و غیر نیوتنی استفاده نمود. این دستگاه از جمله پرکاربرد ترین دستگاه ههای ویسکومتر در مواد غذایی بوده و شاید بتوان این دستگاه را به خاطر این توانایی اصطلاحاً ویسکومتر ورک هورس 9 نامید. در ویسکو مترهای دورانی هم محور برای جریان سیال های نیوتنی می توان از معادله ی مارگولس استفاده کرد.
دراینجا ، ویسکوزیته مطلق، M میزان گشتاور روی شاقول یا فنجانک ، سرعت زاویه ای قسمت دوران کننده ، h طول قسمتی از شاقول که در تماس با سیال است، شعاع شاقول و شعاع فنجانک می با شد. برای یک دستگاه مشخص با رئومتری معلوم و پر شده با نمونه می توان معادله ی بالا را به شکل ساده شده ی زیر نوشت:
در اینجا ، K همان ثابت دستگاه می باشد
معادله ی مارگولس برای جریان سیال های غیری نیوتنی در ویسکومترهای دورانی هم محور کاربرد نداشته و اصولاً از برخی معادله های پیچیده برای نشان دادن جریان سیالهای پیچیده استفاده می کنند.
به طور کلی ویسکومترهای دورانی هم محور به 4 گروه تقسیم می شوند:
1 ) نوع استورمر10: دراین نوع دستگاه سرعت برشی در گشتاور کنترل شده اندازه گیری می شود. در ویسکومترهای قدیمی برای ثابت نگه داشتن گشتاور ، وزنه ای را به یک نخ نازک وصل کرده و نخ را پس از گذراندن از یک قرقره دور استوانه ی متصل به دوران دهنده ی شاقول می پیچیدند. البته در دستگاه های امروزی بیش تر از روش های الکترونیکی برای این منظور استفاده می کنند. در ضمن ، هنوز هم گاهی اوقات این نوع دستگاه ها در برخی کاتولوگ ها یافت می شوند.
ویسکومتر استورمر
2 ) نوع مک میشل 11: در این نوع دستگاه ها ، گشتاور را در یک سرعت برشی کنترل شده ، که تابعی از تعداد دور دردقیقه عضو دوران کننده و شکل هندسی محل نمونه می باشد، اندازه گیری می کنند. نخستین نوع این دستگاه در سال 1915 توسط مک میشل ساخته شد. خطای عمده ای که در ویسکومترهای هم محور اتفاق می افتد اثر انتها12 می باشد که از کشیده شدن سیال در انتهاهای شاقول نهایی ناشی می شود. در مشتق معادله ی فرض براین است که طول شاقول نامحدود بوده و فاقد انتها می باشد. به هر حال ، با پر کردن نمونه تا لبه ی بالایی شاقول به آسانی می توان اثر انتهای بالایی شاقول را از بین برد. زیرا دراین حالت هیچ تماسی بین قسمت بالایی شاقول با نمونه وجود نداشته و در نتیجه هیچ گونه کششی هم مشاهده نمی شود. اثر انتهایی پایینی شاقول را نیز می توان به طور تجربی با اندازه گیری نسبت گشتاوربه سرعت زاویه ای فنجانک پر شده در سطوح مختلف محاسبه کرد. نمودار نسبت گشتاور به سرعت زاویه ای در مقابل ارتفاع نمونه بایستی یک خط راست باشد[1, 2, 4, 6].
با ادامه دادن این نمودار تا قطع محورافقی به نقطه ی می رسیم که به آن اثر انتها گفته و از نظر عددی برابر طولی از شاقول است که انتها ندارد. به منظور درنظر گرفتن اثر انتها باید در محاسبه های ریاضی به جای عمق غوطه وری از استفاده نمود. اما امروزه عملاً با مخروطی کردن سرو ته شاقول این مشکل را حل نموده اند زیرا در این حالت هوا جایگزین بیش تر سطوح انتهای فلزی شاقول می شود.
3 )نوع روتو ویسکو هاکی13 : این ویسکومتر دورانی دارای کاربرد وسیعی است و تاکنون توسط شرکت هاکی چهار مدل اصلی ازآن به شرح زیر تولید شده است :
1. روتو ویسکو مدل RV12 : یک مدل ارزان قیمت و مناسب برای کنترل کیفیت محصول و روزانه محصول است.
2. روتوویسکو مدل RV2 : یک مدل استاندارد و مناسب برای بیشتر کاربردهای صنعتی است و این نوع ویسکومتر قابل انطباق با سیستم مربوط به آن است ، به طوری که کارشناس یا محقق می تواند با به کارگیری فیکسچر یا پروب های اضافی متناسب با آزمون مورد نظر به قابلیت دستگاه بیفزاید.
3. روتوویسکو مدل RV3 : مشابه ویسکومتر مدل RV2 بوده ، ولی قابلیت برنامه ریزی دارد.
4. روتوویسکو مدل RV100 : از مدل قبلی پیشرفته تر بوده و دارای قابلیت برنامه ریزی ، ثباتx-y-t و سیستم اندازه گیری برش های خیلی کوچک است[6].
ویسکومتر روتو ویسکو هاکی
4 ) نوع کنتراوها 14: شرکت کنتراو مدل های وسیعی از ویسکومترهای چرخش محوری را تولید نموده است که معروفترین مدل آن در صنایع غذایی رئومت 1530 است . برای این نوع ویسکومترها ، کاپ و باب در محدوده وسیعی از اندازه و هندسه ( از جمله مخروط وصفحه ) وجود دارند. رئومت 30 در محدوده برش و تنش برشی پاسکال کار می کند. گاهی مواقع لازم است که از روی یک صفحه مدرج مقدار تنش برشی در یک و یا بیش از سی مقدار سرعت برشی ثابت خوانده شود. زمان که یک منحنی کامل از تنش برشی – سرعت برشی ( رئو گرام ) مورد نیاز است می توان از یک ثبات x-y استفاده نمود[6].
ویسکومترهای نوع کنتراو
روش کار ویسکومترهای دورانی
همانگونه که قبلاً نیز گفته شد4 نوع ویسکومتر دورانی وجود دارد که به دوروش کار می کنند. در نوع اول میزان تنش برشی را در سرعت برشی کنترل شده اندازه گیری کرده و در نوع دوم سرعت برشی را در تنش برشی کنترل شده اندازه گیری می کنند. علی رغم این تفاوت ها هر دو نوع ویسکومتر را می توان به چند روش مورد استفاده قرارداد:
روش اول : افزایش صعودی 16یا شیب دار: در این روش سرعت برشی یا تنش برشی را به آرامی افزایش داده و تنش برشی یا سرعت برشی حاصله را اندازه گیری می کنند. به این ترتیب می توان نمودار تنش برشی – سرعت برشی را به دست آورد. این نمودار را می توان بسته به مورد به صورت بالا رونده یا پایین رونده رسم نمود . البته برای محاسبه ی پس ماند باید حتماً نمودار بالا رونده – پایین رونده را رسم کرد.
روش دوم: افزایش پلکانی17: در این روش سرعت برشی یا تنش برشی را به آرامی به مقدار معین افزایش داده و تنش برشی یا سرعت برشی حاصله را پس از هر افزایشی اندازه گیری می کنند. آزمایش را می توان به شکل بالا رونده ی تنها یا بالا ورنده و پائین رونده انجام داد.
روش سوم : آزمایش پیوسته در تنظیم های ثابت : در این روش ، تنش برشی را در سرعت برشی ثابت یا سرعت برشی را در تنش برشی ثابت طی یک دوره زمانی اندازه گیری می کنند . از این روش اغلب برای بررسی اثر وابستگی زمانی استفاده می کنند.
روش چهارم : قسمت دوران کننده زاویه کوچکی را در جهت خلاف جهت عقربه های ساعت در یک دوره ی زمانی می چرخد: این روش در ویسکومترهای نوسانی بادامنه ی کوچک برای اندازه گیری ضریب ذخیره G' و ضریب افت G" و تانژانت افت استفاده می شود. البته انواع دیگر ژئومتری ها مانند مخروط – مخروط ، دو مخروط صفحه ، استوانه ی مخروطی و دیسکی هم در ویسکومترهای دورانی هم محور استفاده می شوند ولی چون کاربردچندانی ندارند به بحث در مورد آنها نمی پردازیم[2] .
سایر انواع ویسکومترهای دورانی
برخی از انواع ویسکومترهای تجربی وجود دارند که در آن ها یک پارو ، استوانه یا میله ای درون ظرفی دوران می کند و معمولاً فاصله زیادی بین عضو دروان کننده با دیواره وجود دارد. ویژگی های هندسی این نوع ژئو متری ها اغلب بسیار پیچیده بوده و به سادگی قابل تحلیل با روش های ریاضی نمی باشند . این دستگاه ها عموماً ارزان ، نسبتاً آسان برای دستکاری و تا حدودی زمخت می باشند. این دستگاه ها جایگاه خاص خود را درصنعت برای انجام کنترل کیفیت روزانه ، جایی که نیازی به استفاده از تجزیه و تحلیل های دقیق ریاضی نمی باشد ، دارند . از آن جمله می توان به ویسکومتر بروکفیلد18 و قوام سنج FMC اشاره نمود[2, 6].
ویسکوگراف برابندر19 اختصاصاً برای اندازه گیری ویسکوزیته ظاهری تعلیق های نشاسته و ثبت چگونگی تغییر ویسکوزیته هنگام بالا بردن دمای مخلوط آب – نشاسته و عبور از دمای ژلاتینی شدن سپس نگه داشتن دما در آن حالت برای دوره ی زمانی مشخص ونهایتاً سرد کردن دوباره آن طراحی و ساخته شده است.
قوام سنج FMC هم اساساً توسط شرکت ماشین آلات غذایی برای اندازه گیری قوام ذرت خامه ای 20 طراحی شده ولی امروزه از این دستگاه بیشتر برای ارزیابی کیفی روزانه ی فرآورده هایی مانند سس کچاپ ، رب گوجه فرنگی ، غذای بچه ، و سایر فرآورده های با قوام مشابه استفاده می شود. روش کار این دستگاه به این صورت است که نمونه را داخل فنجانک فولادی زنگ نزن ریخته آن گاه پاروی دستگاه را وارد فنجانک کرده و موتور دستگاه را به کار می اندازند تا فنجانک با سرعت ثابت 78 دور در دقیقه دوران کند. آن گاه میزان گشتاور پارو را از روی قسمت مربوطه در بالای دستگاه می خوانند. اغلب این دستگاه دارای 4 پارو با اندازه های مختلف است[2, 6].
ویسکومترهای صنایع ذرت : سال ها پیش برای اندازه گیری تغییرات ویسکوزیته در شربت ذرت و خیر نشاسته ساخته شد ولی امروزه دیگر قابل تهیه در بازار نمی باشد[2].
ویسکومتر بروکفیلد دارای انواع دستی و رومیزی بوده که در آن موتور القای هم زمان سرعت های دورانی ثابتی را تولید می کند. به این دستگاه انواع دوک به شکل های استوانه ای ، دیسکی و میله ای T شکل وصل می شوند. هنگامی که دوک داخل نمونه قرار داده شد موتور را روشن کرده و میزان کشیده شدن نمونه روی دوک به صورت گشتاور روی صفحه نمایش داده می شود. با استفاده از ضریب های داده شده توسط سازنده می توان این اعداد را به ویسکوزیته ظاهری تبدیل کرد[2].
برای پایین و بالا آوردن خودکار ویسکومتر ، شرکت سازنده همراه آن پایه helipath را ارائه می دهد تا مشتری مطمئن شود که دوک با سرعت پیوسته وارد نمونه ی دست نخورده شود. چنین دستگاهی برای مطالعه سیالهای دارای اثرات زمانی و رسوب کننده بسیار مفید می باشد. شرکت بروکفیلد با بیش از 60 سال تجربه در اندازه گیری ویسکوزیته و دارا بودن سابقه درخشان قادراست به مشتریان بالقوه ی خود درشناسایی مدل دقیق دستگاه و مدل بهینه برای کاربردهای خاص کمک ارائه دهد. این نوع ویسکومترهای کاربردهای فراوانی در صنعت غذا دارند . از جمله مزیتهای آن اینست که نسبتاً ارزان ، قابل حمل بودن، راحتی کار با آن ، سرعت در بدست آوردن جواب، قابل استفاده بودن در ظرف های 200 میلی لیتری تا 1000 گالنی ، قابل کاربرد در سیال های نیوتنی و غیر نیوتنی ، قابل استفاده برای ارزیابی وابستگی زمانی و پس ماند، غیر حساس بودن به ذرات درشت معلق در نمونه و نیاز به حداقل مراقبت را نام برد . از عیوب این دستگاه ها نیز می توان به محدود بودن دامنه سرعت برشی ، قابلیت تغییر شرعت برشی فقط به شکل پلکانی ، تغییرسرعت برشی در عرض نمونه ، امکان بروز مشکل برای دست یابی به سرعت برشی و ویسکوزیته ظاهری در سیال های غیرنیوتنی و عدم تطابق با روش های تجزیه ی ریاضی را می توان نام برد[2].
ویسکومتر دارای اسپیندل دیسکی بروکفیلد ویسکومتر دارای اسپیندل T شکل بروکفیلد
ویسکومترهای دیسکی تک دوک بروکفیلد
ویسکومترهای صفحه و مخروط و صفحه های موازی
در این نوع ویسکومترها ، سیال به کمک کشش سطحی بین مخروط زاویه ی کوچک بین ( 0 تا 4 درجه ) م صفحه ی مسطح نگه داشته می شود. شکل آن به صورت زیر می باشد[1, 2, 4, 5].
هنگام دوران یک عضو و ثابت بودن عضو دیگر ، گشتاور ایجاد شده در اثر کشیده شدن سیال روی مخروط اندازه گیری می گردد . برای سیال های نیوتنی از رابطه ی زیر می توان استفاده کرد:
دراینجا ویسکوزیته مطلق ، زاویه مخروط ، ( اغلب کمتراز 2 درجه ) M گشتاور، شعاع مخروط، و سرعت زاویه ای عضو دوران کننده می باشد. براییک دستگاه مشخص با ژئومتری معلوم این رابطه را می توان به شکل ساده شده ی زیر نوشت :
در اینجا Kهمان ثابت دستگاه می باشد.
ویژگی مهم این ویسکومتر ها این است که در صورت کوچک بودن زاویه ی مخروط میزان سرعت برشی در همه نقاط نمونه یکسان می باشد. به خاطر همین ویژگی می توان از این دستگاه برای اندازه گیری ویسکوزیته سیال های غیر نیوتنی ، به دلیل دسترسی آسان به میزان حقیقی سرعت برشی ، استفاده کرد. دیگر ویژگی برجسته این نوع ویسکومتر عبارتند از : 1 ) اثرات انتهایی در آنها قابل چشم پوشی هستند. 2) مقدار بسیار کمی نمونه برای آزمایش مورد نیاز هست ( کم تر از 2 میلی لیتر) 3 ) به دلیل تماس لایه نازکی از نمونه با صفحه ی فلزی متصل به سیستم کنترل دما می توان در سرعت های برشی بالا بدون نیاز به جبران اثر گرمایی حاصل از سرعت های برشی بالا اندازه گیری ها را انجام داد. در ضمن زمانی که نمونه مورد آزمایش حاوی ذراتی باشند که امکان ورود آنها به فاصله ی بین دو مخروط و صفحخ وجود نداشته باشد در چنین حالتی به جای ژئومتری مخروط و صفحه از ژئومتری صفحه های موازی استفاده می کنند. با توجه به اینکه مخروط و صفحه و صفحه های موازی حجم نمونه کم بوده و احتمال دارد که بخشی از حلال در اثر حرارت محیطی به ویژه دماهای بالا بخار شده و با خارج شدن از نمونه سبب تغلیظ اجای غیر فرار شود. بنابراین پیشنهاد می شود برای جلوگیری ازبروز چنین مشکلی یا توسط پوششی روی نمونه را پوشانده و یا این که لبه های نمونه با لایه نازکی از روغن با ویسکوزیته پائین پوشانده شود[1, 2, 4, 5].
دو نوع ویسکومتر مخروط و صفحه
ویسکومتر پارویی21
این نوع ویسکومتر از دو یا چند پاروی متصل به یک میله تشکیل شده که این میله در یک یا چندین سرعت دوران داده شده و مقاومت گشتاور آن اندازه گیری می شود. از نظر شکلی شبیه پرچم یا ستاره بوده برخی مواقع به این نوع ویکسومترها اصطلاحاً مخلوط کن نیز می گویند. چرا که هنگام دوران دادن پاروها عمل هم زدن و مخلوط کردن نیز اتفاق می افتد . عمل هم زدن این نوع ویسکومترها به ویژه درمورد موادغذایی دارای ذرات معلق بسیار مفید می باشد. همان گونه که در بالا نیز گفته شد این دستگاه یک دستگاه تجربی بوده و تمامی شرایط آزمایش برای دست یابی به نتایج قابل تکرار بایستی ثابت نگه داشته شوند. گرچه در این دستگاه میزان سرعت برشی از نقطه ای به نقطه ی دیگر در اطراف پارو تغییر می کند ولی امروزه محققان تلاش می کنند تا تجزیه و تحلیلی روی عمل و نتایج این نوع دستگاه ها داشته و شاخص های مفید رئولوژیکی را از آنها استخراج کنند[2].
در این دستگاه ، متوسط تنش برشی تناسب مستقیم با گشتاور و متوسط سرعت برشی تناسب مستقیم با سرعت دورانی دارد . بنابراین ، شیب تمام لگاریتمی گشتاور در مقابل دوردر دقیقه برابر با شاخص رفتار جریان سیال های قانون توان می باشد .شاخص قوام را می توان با آزمایش یک سیال دارای شاخص های n و K معلوم تحت شرایط آزمایشی مشابه با استفاده از معادله زیر بدست آورد:
دراینجا ، گشتاوراندازه گیری شده سیال مجهول، گشتاور اندازه گیری شده سیال معلوم ، شاخص قوام سیال معلوم بوده و با در دست بودن این متغیر می توان میزان عددی را بدست آورد. محدودیت این روش اینست که باید شاخص رفتار جریان سیال معلوم در حدود شاخص رفتار جریال سیال مجهول باشد[2].
محققان نشان دادند که سرعت برشی موثر اشکال ستارهای و پرچمی را می توان به شکل تجربی با مقایسه اندازه گیری های مربوط به سیال نیوتنی معلوم با اندازه گیری های سیال های قانون توان مجهول تعیین نمود. محققان با استفاده از این نوع ویسکومتر ، رئولوژی غذاهای کودک تهیه شده از زرد آلو سفت شده توسط نشاسته را مطالعه کردند و در ضمن ،توافق خوبی بین نتایج حاصل از این نوع ویسکومتر با RheometricsFluids Spectometer در پوره زرد آلو و محلول صمغ زانتان دیده شده است. دو پژوهشگر هم با استفاده از روش میشکا متوسط تنش برشی و سرعت برشی پارویی تعبیه شدهروی ویسکومتربروکفیلد را محاسبه کرده و دریافتند که نتایج پوره ی موز ، پوشش سلاد ، سس enchilada و شربت پن کیک به طور قابل قبولی با نتایج حاصل از ویسکومتر مخروط و صفحه قابل مقایسه هستند و در ارتباط با مسائل نظری و عملی این نوع ویسکومترها هم مقاله های مروری خوبی در دست است. یک نمونه خوب از این نوع ویسکومترها همانRapid Visco-Analyzer است که متشکل از پاروی هم زن پلاستیک متصل به موتور الکتریکی است که میله یا شفت موتور با سرعت ثابت دوران می کند و جریان مورد نیاز برای حرکت دادن آن به طور ثابت توسط ریز پردازنده کنترل می شود. یک ظرف آلومنیومی یک بار مصرف را با 4 گرم آرد و 25 میلی لیتر آب پر کرده و به گونه ای قرار می دهند تا پارو را احاطه کرده آن گاه موتور را روشن می کنند . سپس به کمک یک بلوک مسی دو تیکه در دمای 96 درجه مخلوط را به سرعت با عبور از دمای ژلاتینه شدن نشاسته گرم می کنند. این آزمون حدود 3 دقیقه طول می کشد. میزان توان خروجی متناسب با ویسکوزیته ظاهری بوده و از این آزمون امروزه به عنوان روش غربال گری معمول برای شناسایی آسیب های حاصل از جوانه زدن روی کیفیت گندم هنگام تحویل آن به سیلوها استفاده می شود[2].
ویسکومتر سقوط کننده22
این نوع ویسکومترها براساس اندازه گیری زمان سقوط یا پایین رفتن توپ ازمیان یک سیال تحت تاثیر نیروی گرانشی کارمی کنند. زمانی که شتاب ناشی از نیروی گرانشی با اصطکاک حاصل از تماس سیال با توپ برابری کنند سرعت پایین رفتن توپ به مقدار محدود شونده ای می رسد و استوکس 23 جزء اولین کسانی بود که این سرعت محدود شونده را بررسی نمود و به همین دلیل معادله زیر را به نام او نام گذاری کردند:
دراینجا، ویسکوزیته ، چگالی توپ ، چگالی سیال ، R شعاع توپ ، gشتاب گرانشی ، V سرعت محدود کننده می باشد. این نوع ویسکومتر دستگاه ساده ای است ،که برای ارزیابی سیال های نیوتنی بسیار مفید بوده ولی کاربرد زیادی برای سیال های غیر نیوتنی ندارد. در ضمن ، از این دستگاه نمی توان برای ارزیابی سیال های کدر استفاده کرد. زیرا در این سیال های توپ قابل دیدن نمی باشد. قانون استوکس فقط زمانی قابل اعمال برروی این دستگاه است که قطر تو پ بسیار کوچک تر از قطر استوانه مدرج باشد تا دیواره هیچ گونه تاثیری روی توپ نداشته باشد. این دستگاه را به سادگی می توان در آزمایشگاه درست کرد که شکل آن درزیر نشان داده شده است[2-4, 6].
ویسکومتر کره سقوط کننده قابل راه اندازی در آزمایشگاه
برای این منظور می توان یک استوانه مدرج را با سیال مورد نظر پر کرد آنگاه گلوله فلزی را به آرامی در قسمت مرکزی آن انداخته و فرصت کافی داد تا توپ فولادی به سرعت محدود شونده خود برسد. سپس زمان افتادن یا پایین رفتن توپ فولادی را بازمان سنج به دست آورد . لازم به یادآوری است اول اینکه ، توپ های فولادی با اندازه های مختلف را میتوان از شرکت های مربوطه تهیه نمود. دوم اینکه ، هرچه اندازه توپ بزرگتر باشد سرعت افتادن آن سریعتر خواهد بود بنابراین ، بایستی توپی را انتخاب کرد که هم تاثیر دیواره ای روی آن کم باشد و هم سرعت افتادن آن به گونه ای باشد که بتوان با زمان سنج آن را یادداشت کرد. درضمن هرچه چگالی توپ کمتر سرعت پائین رفتن آن نیز آرام تر خواهد بود. البته می توان از توپهای غیر فولادی هم دراین دستگاه استفاده نمود. مثلاً توپهای شیشه ای که چگالی آن ها حدود 2.6 است در حالی که چگالی توپهای فولادی حدود 7.8 می باشد.
ویسکومتر گلیمونت 24 یکی از این نوع ویسکومترهاست که در آن توپ فولادی یا شیشه ای درون یک استوانه عمودی با قطری کمی بیش از قطر توپ به پائین می افتد. قسمت داخلی استوانه طوری طراحی شده است که توپ درقسمت مرکزی استوانه قرار گرفته و به پایین رانده می شود[2].
ویسکومتر کره سقوط کننده گیلمونت
گیلمونت برای به دست آوردن دو معادله زیر از تئوری جریان سنج ها با کره های شناوری استفاده کرده است.
دراینجا ،ویسکوزیته ، چگالی توپ ، ( 2.53 برای نوع شیشه ای و 8.02 برای نوع فولادی ) ، چگالی سیال ، t زمان افتادن توپ حدفاصل دو خط فرضی علامت گذاری شده روی استوانه ، K ثابت دستگاه می باشد:
دراینجا ، قطر توپ ، L فاصله ای بین دو خط فرضی یا همان فاصله ای که توپ پائین می رود.
در عمل مقدار عددی K را معمولاً با اندازه گیری زمان پایین رفتن برای یک سیال مشخص به دست آورده و معادله ی ویسکوزیته را به شکل زیر بازنویسی می کنند:
دراینجا میزان ویسکوزیته سیال با ویسکوزیته معلوم است. در ویسکومتر گیلمونت اغلب حجم نمونه حدود 10 میلی لیتر بوده و از دو نوع توپ ( شیشه ای و فولادی ) و دو استوانه با اندازه های مختلف استفاده شده است و برای اندازه گیری ویسکوزیته سیال های نیوتنی در دامنه 0.25 الی 300 میلی پاسکال در ثانیه مناسب است[2, 6].
نوع تغییر یافته ویسکومتر سقوط کننده ، ویسکومتر rolling-ball است که در آن یک توپ داخل لوله پراز سیال که با زاویه ی 10 درجه نسبت به حالت عمودی قرار دارد به طرف پائین می لغزد . قطر لوله فقط کمی بزرگتر از قطر توپ بوده و به همین دلیل تاثیر دیواره روی توپ بسیار زیاد است . بهترین نوع شناخته شده ویسکومتر rolling-ball ویسکومتر هوپلر25 است این دستگاه متشکل از یک لوله شیشه ای مقاوم به حرارت با قطر داخلی 16 میلی متر و طول 20 سانتی متر که داخل لوله ی شیشه ای دیگری به قطر 80 میلی متر قرار گرفته و فاصله ی بین این دو توسط آبی که متصل به حمام آب گرم با دمای قابل تنظیم می باشد پر شده است . هنگام استفاده درب بالایی را باز کرده حدود 30 میلی متر نمونه داخل آن ریخته می شود و پس از قرار دادن توپ داخل آن و خارج کردن حباب هوا درب آن رابسته و پس از رسیدن به تعادل دمایی دستگاه را سرو ته کرده و دراین حالت سرعت افتادن توپ بین دو نقطه علامت گذاری شده روی لوله را توسط زمان سنج اندازه گیری می کنند[2, 6].
با بسط روابط عمومی بین متغیرهای موثر در منطقه ی جریان خطی سیال برای ویسکومترهای Falling-Ball می توان به معادله زیر رسید :
دراینجا ، K ضریب همبستگی ، d قطر توپ ، D قطر داخلی لوله ، Vسرعت پایانی غلتیدن توپ ، g شتاب گرانش ، چگالی سیال ، چگالی توپ ، و زاویه ی شیب لوله نسبت به افق می باشد. دریک دستگاه مشخص که تحت شرایط استاندارد کارمی کند مقادیر مربوط به D ، d، K و ثابت بوده و در نتیجه معادله بالا به شکل زیر قابل ساده شدن می باشد.
دراینجا، C ثابت دستگاه و برابربا است.
با این دستگاه می توان بسته به نوع و اندازه ی توپ ، ویسکوزیته سیال های نیوتنی در حد فاصل یک میلی پاسکال ثانیه تا 200 پاسکال ثانیه و قابلیت تکرار پذیری تا 0.5% را اندازه گیری نمود[2, 6].
و یسکومتر هاپلر
ویسکومتر نوسانی26
چون موجهای برشی ارسالی به سیال ، در سرعتی که خود تابعی از ویسکوزیته سیال است میرایی پیدا میکنند در نتیجه ، سطح لرزان مماس با سیال متحمل یک نوع بارگذاری سطحی27 شده بنابراین ، توان مورد نیاز برای ثابت نگه داشتن دامنه نوسان متناسب با ویسکوزیته سیال می باشد . معمولاً شکل ویسکومترهای نوسانی مشابه توپ فولادی غوطه ور در سیال است که دردامنه ی پایین و فرکانس بالا می لرزد . مزیت این نوع دستگاه ها دقت بالا و حساسیت زیاد به تغییرات اندک در ویسکوزیته ، دسترسی سریع به داده ها ، تمیز کردن آسان و عیب اصلی آنها این است که فقط دریک سرعت برشی کار می کنند. دراین نوع ویسکومترها حجم نمونه چندان مهم نبوده ولی باید توجه داشت که سطح نمونه پایین تراز حدی نباشد که موجب انعکاس امواج از دیواره های ظرف شود. این فاصله معمولاً کم تر از 5 میلی متر است. معادله ی زیر برای قرار گرفتن فاصله انتشار دامنه ی امواج برشی درمحدوده ی مقدار آن دریک سیال نیوتنی ارائه شده است.
در اینجا فاصله انتشار، ویسکوزیته سیال ، چگالی سیال ، بسامد نوسانی می باشد.
نوع تجارتی این نوع ویسکومتر در دهه 70 میلادی توسط شرکت نامتر ساخته شد که در آن یک توپ فولادی با سطح صیقلی به قطر اینچ به یک میله فولادی وصل شده است. این توپ را درون سیال قرار داده و با بسامد 646 هرتز و دامنه ی 25 میکرون می لرزانند. با این دستگاه می توان ویسکوزیته در دامنه یک میلی پاسکال ثانیه تا 100 پاسکال ثانیه را اندازه گیری نمود. حداقل اندازه نمونه 35 میلی لیتر تا 10 پاسکال ثانیه و 70 میلی لیتر تا 100پاسکال ثانیه است . البته از این دستگاه بیشتر درخطوط تولید برای کنترل کیفیت مواد استفاده می شود و تاکنون توسط نگارنده موردی برای استفاده در مواد غذایی دیده نشده است.
نوع دیگری از این ویسکومترها نوع SOFRASER است . دراین مدل ، میله نازک لرزانی را درون سیال قرار داده آنگاه نوسان سریعی با توان ورودی ثابت را در دامنه ی کم به میله رسانده و اثر میرایی28 یا تعدیل آنرا با تغییر در دامنه ی لرزش اندازه گیری می کنند. با افزایش ویسکوزیته سیال دامنه کاهش می یابد . از این دستگاه می توان برای دامنه های 0 تا 10 میلی پاسکال ثانیه تا 0 الی 1000 پاسکال ثانیه استفاده کرد[2].
ویسکومتر اکستروژن معکوس29
اساس کار این نوع ویسکومتر مشابه آزمون اکستروژنی مواد غذایی جامد است که درآن ماده ی غذایی را به حدی تحت فشار قرار می دهند تا ساختار آن از هم پاشیده و از طریق یک حلقه ی باریک جریان یابد . برای انجام آزمایش هر دو ماده غذایی جامد و مایع را داخل ظرفی ریخته و آن گاه آنرا زیر دستگاه UTM قرار داده سپس باحرکت میله یا صفحه ی متصل به پیشانی ماشین به داخل ظرف میزان تغییر نیرو در زمان را ثبت می کنند . درمواد جامد و مایع عمل اکستروژن ور به عقب دارای تفاوتهایی می باشند که عبارتند از :
1 . برخلاف مواد جامد ، مواد مایع نیازی به فشردن اولیه ندارند[2].
2 . در مواد جامد معمولاً نیرو به محض شروع اکستروژن تقریباً حالت افقی پیدا می کند در حالی که مواد مایع تا زمانی که میله به درون سیال حرکت دراد نیرو به طور خطی افزایش می یابد.
3 . در مواد مایع نیاز به اعمال اصلاح در میزان نیرو و سرعت بوده ولی این عوامل درمواد جامد نادیده گرفته می شوند. برای بدست آوردن نیروی کل میله پایین رونده معادله ی زیر پیشنهاد شده است :
در اینجا نیروی کل روی میله پایین رونده ،a شعاع میله ، L عمق غوطه وری میله درسیال تنش برشی در دیواره میله ، میزان فشار در عمق L چگالی نمونه ،g شتاب گرانش می باشد. قسمت اول این معادله مربوط به نیروی ناشی از تنش برشی در دیواره ، قسمت دوم مسئول جریان سیال درجهت رو به بالا، و قسمت سوم مربوط به نیروی هیدرواستاتیک است.
اگر یک سیال قانون توان درژئومتری اکستروژن رو به عقب در دو سرعت حرکتی آزمایش شود شاخص رفتار جریان آن را می توان به کمک رابطه زیر بدست آورد:
دراینجا ، n شاخص رفتارجریان ، نیروی مربوط به هیدرواستاتیک ، L عمق غوطه وری میله در سیال و V سرعت حرکت میله بوده و اعداد 1 و 2 مربوط به آزمون های اول و دوم می باشند. برای بدست آوردن ضریب قوام درسیال های قانون توان هم از معادله ی زیر استفاده می شود.
دراینجا ، K ضریب یا شاخص قوام ، P افت فشار درواحد طول ، سرعت جریان بدون بعد ، R شعاع ظرف ، a شعاع میله ی پایین رونده و سرعت سمبه می باشد. این روش آزمون برخلاف پیچیدگی ریاضی به دلیل ساده تر بودن ، سریع بودن، و استفاده از ملحقات با استحکام در دستگاه UMT کاربرد بالقوه فراوانی در مواد غذایی دارد [2].
ویسکومترهای تقلیدی30
این نوع دستگاه های تجربی در واقع جریان های سیالهای غذایی غیر نیوتنی را تحت شرایط عملی تقلید می کنند. اینها اغلب دستگاههای ساده ای هستند که معمولاً اندازه گیری تک نقطه ای انجام می دهند . گرچه این دستگاهها محدودیت های خاص خود را دارند ولی کاربرد فراوانی درعملیات کنترل کیفیت کارخانه ها دارا می باشند. از جمله این دستگاهها میتوان به قوام سنج بوستویک 31 و قوام سنج گراویمیر32 و Pfund و sag meters اشاره کرد[2] .
فهرست منابع
1. Lewis, M.J., Physical Properties of Foods and Food Processing Systems. 2002, New york: John wiely 664.
2. .Bourne, M.C., Food Texture and Viscosity. 2 ed. Vol. 1. 2002: Elsevier Science & Technology Books. 423.
3. Figura, L.O. and A. A.Teixeira, Food Physics Physical Properties -Measurement and Applications. Vol. 1. 2007, Berlin: Springer. 541.
4. Sahin, S. and S.G.u.u. Sumnu, Physical Properties of Foods. second ed, ed. H.A. Dennis R. Heldman, San Marcos, California. 2006, ankara: Springer. 257.
5. Rao, M.A., Rheology of Fluid and Semisolid Foods Principles and Applications. Vol. 1. 1999, NewYork: Aspen. 429.
6. رضوی, س.م.ع. and ر. اکبری, خواص بیوفیزیکی محصولات کشاورزی و غذایی. Vol. 1. 1385, مشهد: دانشگاه 302.
1 – pressure transducer
2 – Zahn
3 – dipping-type
4 -Coaxial Rotational Viscometers
5 – concentric cylinder
6 -couette
7 – bob
8 -torque sensor
9 -workhorse
10 – stormer
11 – Mac Michel
12 – end effect
13 – Haake rotovisco
14 – Contraves
15 – Rheomat 30
16 – ramp increase
17 – step increase
18 – Brookfield
19 – Brabender Viscograf
20 – cream style corn
21 – Paddle.
22 – Falling-Ball Viscometers
23 -Stokes
24 – glimont
25 – Hoeppler
26 – Oscillation
27 – surface loading
28 – damping
29 – Back Extrusion
30 – Imitative
31 – Bostwick
32 – Grawemeyer
—————
————————————————————
—————
————————————————————
22