CC BY
24
й01: 10.24411/0235-2451-2019-10316 УДК [664:62]:637.3.02
Влияние параметров реометра на достоверность результатов автоматического контроля образования
сычужного сгустка
А. Н. ПИРОГОВ1, доктор технических наук,
профессор (е-mail: [email protected])
Д.В. ДОНЯ1, кандидат технических наук, доцент
П. А. РЕЗНИЧЕНКО1, аспирант
А. А. ЛЕОНОВ2, кандидат технических наук, доцент
(e-mail: [email protected])
1Кемеровский государственный университет, ул. Красная, 6, Кемерово, 650000, Российская Федерация 2Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация
Резюме. Исследовали влияние площади поверхности нажимной пластины экспериментального вибрационного реометра ВРС-1, а также частоты и амплитуды ее колебаний на на предельные нормальные напряжения сжатия (выходной параметр). На основании предварительных исследований составлен план полного факторного эксперимента ПФЭ 23, результаты которого обрабатывали в приложении MathCad. Диапазоны варьирования исследуемых параметров: площадь поверхности нажимной пластины Х1 = (11,5...32,5)-10-3 м2; амплитуда колебаний нажимной пластиныХ2=(3...5)-10-3 м; частота линейных колебаний нажимной пластины Х3 = (0,03349.0,9211) с-1. Анализ выборочного уравнения регрессии, проверку адекватности которого осуществляли с использованием критерия Фишера, показал, что наибольшее влияние на выходной параметр оказывает площадь поверхности нажимной пластины. Второй по значимости - частота линейных колебаний нажимной пластины. Влияние амплитуды колебаний не значимо. В то же время значимое воздействие на выходной параметр оказывает взаимное влияние амплитуды и частоты колебаний нажимной пластины. Для изучения взаимного влияния указанных величин и определения их оптимальных значений уравнение регрессии преобразовали в функцию двух переменных, после чего была проведена графическая обработка полученной зависимости в виде поверхности отклика. Результате ее анализа свидетельствуют, что при росте значений параметра Х3 в исследуемом диапазоне, степень влияния параметра Х2 на Y уменьшается. Для оптимизации выходного параметра в целесообразно принять амплитуду колебаний нажимной пластины Х2 = 510-3 м, частоту ее линейных колебаний Х3 = 0,9211 с-1. Для оценки достоверности результатов контроля образования сычужного сгустка проводили сравнительные экспериментальные исследования на новом вибрационном реометре ВРС-1 и сертифицированном лабораторном ротационном вискозиметре Rheotest-2. Полученные реограммы имели схожий характер, отклонения продолжительности отдельных стадий и общей продолжительности процесса образования сычужного сгустка не превышали 3.4 %, это позволяет заключить, что новый экспериментальный вибрационный реометр ВРС-1 может быть использован в системах автоматического управления технологическими процессами при производстве сычужных и кислотно-сычужных сыров.
Ключевые слова: автоматический контроль, геометрические и кинематические параметры, сычужный сгусток, предельное нормальное напряжение сжатия, полный факторный эксперимент, регрессионная модель, управляющий параметр. Для цитирования: Влияние параметров реометра на достоверность результатов автоматического контроля образования сычужного сгустка /А. Н. Пирогов, Д. В. Доня, П. А. Резниченко и др.//Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 62-64. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10316.
Процесс свертывания молока - одна из важнейших стадий производства многих молочных продуктов. Он представляет собой коагуляцию казеина и может быть вызван различными факторами. В молочной промыш-
ленности используют в основном кислотный и сычужный способы коагуляции. В частности, для производства сыров важен процесс сычужного свертывания молока, вызываемый молокосвертывающими ферментами [1]. Исходная рецептурная молочная смесь для изготовления сычужного сгустка (далее - сгустка) - многокомпонентная система. Для формирования сгустка требуемого качества необходимо строгое соблюдение рецептуры и температурных режимов. Процессом образования сгустка управляют варьируя температуру технологического процесса или массовую долю хлорида кальция. Готовность сгустка к дальнейшей обработке обычно контролируют органолептическим методом. Однако получаемые при этом результаты субъективны и зависят от индивидуальных способностей эксперта, его квалификации, условий проведения оценки и многих других факторов. Использование инструментальных методов открывает возможности для повышения объективности оценки отдельных органолептических характеристик [2].
Разработка и освоение новых приборов, с помощью которых реализуют инструментальные методы, сопряжено с определением их оптимальных параметров для адекватного отображения контролируемого процесса. Экспериментальные исследования влияния геометрических и кинематических параметров на выходной параметр -предельные нормальные напряжения сжатия в (далее по тексту - в) требуют значительных затрат времени, а также дополнительного расхода сырья и рецептурных ингредиентов. При этом небольшие изменения в рецептуре или параметрах технологического процесса вызывают значительную вариабельность качества готового сгустка [3].
Системы, служащие объектом таких исследований, часто не поддаются точному теоретическому описанию, поэтому, несмотря на значительный объем выполненных научно-исследовательских работ, многие решения принимаются на основании информации, имеющей случайный характер, и, следовательно, далеки от оптимальных.
Цель работы - исследование влияния площади поверхности нажимной пластины экспериментального вибрационного реометра ВРС-1, а также частоты и амплитуды ее колебаний на предельные нормальные напряжения сжатия (выходной параметр).
Условия, материалы и методы. Экспериментальную выработку сычужного сгустка осуществляли в лаборатории реологии кафедры «Машины и аппараты технологических систем» КемГУ. При проведении исследований использовали разработанный и изготовленный авторами экспериментальный вибрационный реометр ВРС-1 [4] (рис. 1).
Образцы готовили по стандартной рецептуре и технологии производства сычужных сыров [5]: доза сычужного фермента - 1,8 г/100; закваски - 3 %; хлористого кальция - 40 г/100 л; содержание жира в молоке - 2,5 %; количество созревшего молока - 30 %; температура пастеризации - 80 °С, свертывания - 32 °С.
В ходе предварительных экспериментов установили, что наибольшее влияние на работоспособность прибора ока-
Рис. 1. Вибрационный реометр ВРС-1: 1 - основание; 2 - демпфер; 3 - шток; 4 - электромагнит; 5 - датчики омического сопротивления; 6 - балочка равного сопротивления; 7 - промежуточный рычаг; 8 - нагружающий рычаг; 9 - втулка; 10 - подшипниковая опора; 11 - кронштейн; 12 - пластина-отражатель; 13 - предохранительная скоба; 14 - нажимная пластина; 15 - стержень; 16 - замок.
зывают площадь поверхности нажимной пластины, а также частота и амплитуда ее колебаний, определили допустимые границы изменений этих параметров. Например, снижение площади поверхности нажимной пластины менее 11,5 ■ 10-3 м2 не позволяет получать достоверные данные о процессе, а ее увеличение выше 32,5 ■ 10-3 м2 нецелесообразно ввиду отсутствия разности в результатах измерений. Малые величины амплитуды и частоты колебаний также не позволяют получать достоверную картину хода процесса образования сгустка, а чрезмерно высокие приводят к разрушению образующегося сгустка. Таким образом, исследование проводили при варьировании параметров в следующих диапазонах: площадь поверхности нажимной пластины Х1 = (11,5...32,5) ■ 10-3 м2; амплитуда колебаний нажимной пластины Х2 = (3.5) ■ 10-3 м; частота линейных колебаний нажимной пластины Х3 = (0,03349.0,9211) с-1.
Для решения поставленной задачи составили план полного факторного эксперимента ПФЭ 23. Результаты эксперимента обрабатывали в среде МаШСаС [6, 7]. Проверку адекватности полученного уравнения регрессии осуществляли по критерию Фишера с доверительной вероятностью Р = 0,95.
Для оценки достоверности результатов контроля образования сычужного сгустка при выбранных значениях основных геометрических и кинематических параметров реометра ВРС-1 (Х1 = 32,5-10-3 м2, Х2 = 510-3 м и Х3 = 0,9211 с-1), провели сравнительные экспериментальные исследования на новом вибрационном реометре ВРС-1 и сертифицированном лабораторном ротационном вискозиметре Я11ео!е8!-2 (Германия). Работу осуществляли при температуре 30 ± 1 °С в трех сериях опытов.
На реометре ВРС-1 после статистической обработки получили реограмму в координатах «нормальные напряжения сжатия 9 - продолжительность процесса Ъ>.
На ротационном вискозиметре ЯИео!е8!-2 опыты проводили с использованием измерительной системы 8/81 при градиенте сдвига = 48,6 с-1. В качестве контролируемого реологического параметра вычисляли эффективную вязкость пэ, равную частному от деления текущих значений касательных напряжений т на принятое значение у. После статистической обработки была получена реограмма в координатах «эффективная вязкость Пэ - продолжительность процесса К
Результаты и обсуждение. По результатам исследований получили следующее выборочное уравнение регрессии:
0 = 51,76 + 0,5603 Х1 - 0,8511 Х3 - 0,4236 Х2 Х3. (1) Проверка зависимости с использованием критерия Фишера показала, что оно адекватно описывает результаты эксперимента
Из анализа уравнения (1) следует, что наибольшее влияние на выходной параметр 0, увеличивающее его значение, оказывает площадь поверхности нажимной пластины Х1. Второй по значимости параметр, наоборот уменьшающий 0, - частота линейных колебаний нажимной пластины Х3. Влияние амплитуды ее колебаний Х2 не значимо. В то же время заметное снижение 0 вызывает взаимодействие параметров Х2 и Х3. При максимальных значениях амплитуды колебаний нажимной пластины Х2 = 510-3 м, частоты ее линейных колебаний Х3 = 0,9211 с-1 и минимальном значении площади поверхности нажимной пластины Х1 = 11,5 ■ 10-3 м2 величина 0 = 49,05 Па.
Для графической интерпретации эффекта взаимного влияния Х2 и Х3, а также определения их оптимальных значений уравнение регрессии(1)преобразовали в функцию двух переменных У = f (Х2, Х3), приняв параметр Х1 константой при среднем значении (22 ■ 10-3 м2). В результате уравнение, отражающее эффект уменьшения выходного параметра процесса 0 (1), будет иметь следующий вид:
У = - 0,8511 Х3- 0,4236 Х2 Х3. (2)
Анализ поверхности отклика, построенной по результатам графической обработки уравнения (2), свидетельствует, что при изменении амплитуды колебаний нажимной пластины Х2 в принятом диапазоне (3.5) ■ 10-3 м, значение 0 уменьшалось в 1,53 раза. При увеличении частоты линейных колебаний нажимной пластины Х3 от 0,03349 до 0,9211 с-1, значение 0 уменьшалось в 2,22 раза.
Рис. 2. Поверхность отклика взаимного влияния параметров Х2 и Х3.
с р Л,
тЧ
2 \ 2
У Г J -1 УЪ
0- А ВХ —1-1-1-1- —г—1—1 1 —|—1—1—1—
-45
-30
-15
10
20
30
40
Продолжительность процесса t, мин
Рис. 3. Сравнительные реограммы: 1 - реометр ВРС-1; 2 - ротационный вискозиметр ЯЬ|ео1е81-2. Отсюда следует, что при росте значений параметра Х3 в указанном диапазоне, степень влияния параметра Х2 на У уменьшается. Можно сделать вывод, что для оптимизации выходного параметра 9 целесообразно принять амплитуду колебаний нажимной пластины Х2 = 5 ■ 10-3 м, частоту ее линейных колебаний Х3 = 0,9211 с-1.
Анализ реограмм (рис. 3), полученных при сравнительных экспериментальных исследованиях на новом вибрационном реометре ВРС-1 и сертифицированном лабораторном ротационном вискозиметре Я11ео1е81-2 (Германия), свидетельствует, что они имеют характерные для сычужного свертывания молока четыре стадии процесса [1]. По результатам статистической обработки от-
клонения продолжительности отдельных стадий и общей продолжительности процесса образования сычужного сгустка не превышают 3.. .4 %.
Это позволяет сделать заключение о том, что экспериментальный вибрационный реометр ВРС-1 может быть использован в системах автоматического управления технологическими процессами при производстве сычужных и кислотно-сычужных сыров, так как в нем предусмотрено получение аналогового выходного сигнала, пропорционального измеряемому выходному параметру процесса.
Выводы. Согласно результатам математического моделирования, для получения достоверных результатов автоматического контроля образования сычужного сгустка целесообразно использовать варьирование амплитуды колебаний нажимной пластины и частоты ее линейных колебаний.
Наибольшее воздействие на прочность структуры сычужного сгустка оказывает частота линейных колебаний нажимной пластины (Х3).
Сравнительные исследования реограмм, полученных на реометре ВРС-1 и сертифицированном ротационном вискозиметре ЯИео1е81-2, показали достоверность результатов контроля образования сычужного сгустка. Отклонения продолжительности отдельных стадий и общей продолжительности процесса образования сычужного сгустка не превышало 3.4 %.
Разработанный экспериментальный вибрационный реометр ВРС-1 может быть использован в системах автоматического управления технологическими процессами при производстве сычужных и кислотно-сычужных сыров.
Литература.
1. Зависимость вязкоупругих свойств сычужных гелей от концентраций молочного жира и сухих веществ/А. М. Осинцев, В. И. Брагинский, Д. С. Бабурчин и др. // Техника и технология пищевых производств. 2015. № 1. С. 53-61.
2. Ожгихина Н. Н., Тетерева Л. И. Органолептические методы оценки// Сыроделие и маслоделие. 2011. № 5. С. 17-19.
3. Dipal M., Ramesh V. Predicting the thermal sensitivity of MR damper performance based on thermo-rheological properties // Materials research express. 2018. Vol. 6. No. 1. Рр. 87-99.
4. Пирогов А. Н., Резниченко П. А. Вибрационный реометр // Патент RU 2608574. Заявитель и патентообладатель Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. № 2015139188; заявлен 14.09.15; опубл. 23.01.17.
5. Кузнецов В. В., Шилер Г. Г. Сыры// Справочник технолога молочного производства. Технология и рецептуры / под общей редакцией Г. Г. Шилера. СПб.: ГИОРД, 2003. Т. 3. 512 с.
6. Малкин А. Я., Исаев А. И. Реология: концепции, методы, приложения. пер. с англ. СПб.: Профессия, 2007. 560 с.
7. Кононюк А. Е. Основы научных исследований (Общая теория эксперимента). Киев: Издательство «КТН», 2011. Кн. 1. 508 с.
Effect of Rheometer Parameters on the Results Reliability of Automatic Control
of the Formation of Rennet Clot
A. N. Pirogov1, D. V. Donya1, P. A. Reznichenko1, A. A. Leonov2
'Kemerovo State University, Krasnaya str. 6, Kemerovo, 650000, the Russian Federation 2Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation
Abstract. On the basis of preconceptual study, were made plan of complete factorial experiment CFE 23, which results were processed with usage of MathCad. Variation range of researched parameters: surface area of pressure plate X1 = (11,5...32,5) • 10-3 m2, oscillatory amplitude of pressure plate X2 = (3.5) • 10-3 m; linear oscillations frequency of pressure plate x3 = (0,03349.0,9211) c-1. When variation range of research parameters were pointed out, analyze of selective regression equation, which validity check was realized with usage of F-test, has shown that big influence on outcome parameter have surface area of pressure plate. Second largest is linear oscillations frequency of pressure plate. Influence of oscillatory amplitude insignificant. In the same time, significant influence on outcome parameter has interplay of amplitude and oscillations frequency of pressure plate. To study interplay of given measure and to find out their optimal value, regression equation was changed into two-variable function. After this, graphing of received function as the response surface was conducted. As follows form the analysis of response surface was established that during increasing of parameter value X3 in given range, efficiency of parameter X2 on Y is decreasing. Obtained results allows for the conclusion that for optimization of outcome parameter 0 it is appropriate to use oscillatory amplitude of pressure plate X2 = 5 • 10-3 m, linear oscillations frequency X3 = 0,9211 c-1 and add obtained results. For evaluation of integrity of rennet clot, were made relative experimental research on new vibration flowmeter VRS-1 and on certificated laboratory coaxial-cylinder viscometer Rheotest-2. Obtained rheograms has similar nature and exertion of particular phases' duration. Total duration of formation of rennet clot's process not exceed 3-4%. This leads to the conclusion that new vibration flowmeter VRS-1 can be used in technological process of automatic control system in production of rennet and lactic cheeses.
Keywords: automatic control, geometric and traveltime characteristics, rennet clot, limitative compressing stress, complete factorial experiment, regression model, control parameter.
Author Details: A. N. Pirogov, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: [email protected]); D. V. Donya, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof.;
P. A. Reznichenko, post graduate student; A. A. Leonov, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: [email protected]).
For citation: Pirogov A. N., Donya D. V., Reznichenko P. A., Leonov A. A. Effect of Rheometer Parameters on the Results Reliability of
Automatic Control of the Formation of Rennet Clot. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2019. Vol. 33. No. 3. Pp. 62-64 (in Russ.). DOI:
10.24411/0235-2451-2019-10316.
