9. Élelmiszeripari anyagok szilárdságtani-reológiai jellemzőinek mérése

A mérés elmélete

A mérés alkalmával megvizsgáljuk egyes gyümölcsök és zöldségfélék esetében a rájuk ható erők és deformációk összefüggését.

Az erőhatást vizsgálatainknál általában kör keresztmetszetű hengeres próbatest (penetrométer) adja át. Az így létrejövő s nyomófeszültség az F erő és a próbatest A felületéból számítható:

Ne felejtsük el, hogy a feszültség mértékegysége Pa, de célszerű a MPa mértékegységet használni!

A deformáció helyett a relatív deformációt számítjuk:

ahol e a relatív deformáció

a vizsgált nyersanyag eredeti mérete

A Hooke-törvény értelmében a fenti mennyiségek között az E rugalmassági modulus teremt kapcsolatot:

Rugalmasnak (elasztikusnak) nevezzük azokat az anyagokat, amelyek viselkedése a Hooke-törvénnyel leírható. Rugalmassági határnak nevezzük azt a feszültséget, amely alatt nem keletkezik maradó alakváltozás. E határ fölött az anyag folyásszerű jelenséget mutat, ezért folyáshatárnak nevezzük. Biológiai anyagoknál a biológiai folyáshatár kifejezést használjuk.

A biológiai anyagok többnyire nemlineáris tulajdonságokat mutatnak.

A legismertebb ilyen tulajdonság a hiszterézis. Ilyen anyagoknál nagyobb feszültséget mérhetünk összenyomáskor (terhelés), és kisebbet, amikor már csökkentjük a próbafeszültséget (tehermentesítés), tehát alaphelyzetébe visszatérőben van a nyomófej.

A folyáshatár fölött az anyag mikrostrukturája roncsolódik (pl. a sejtek roncsolódnak); a feszültség és az alakváltozás között továbbra is van közel lineáris összefüggés, de az a rugalmassági modulustól eltér, és a roncsolódás eredménye a termény későbbi romlásában jelentkezik. Ha ezt a jelenséget regisztráló műszerrel rögzítjük, lépcsőzetes görbét kapunk aszerint, ahogy a termény eltérő szöveteinek sejtjei összeroppannak.

Az említettnél nagyobb terhelés hatására elérjük a roncsolási határt: a héj bereped, átszakad, makroszkópos sérülések keletkeznek. Ez a jelenség analóg a fémes szerkezeti anyagok szakítási határával. A hiszterézist mutató anyagoknál definiáljuk a rugalmassági fokot.

Rugalmassági fok =

Itt e _r a rugalmas deformáció,

e _v a visszamaradó deformáció.

Minthogy ez relatív mennyiség, a képletbe az elmozdulás értékei is behelyettesíthetók. A biológiai anyagoknál megadható a feszültség helyett az erőhatás, valamint a relatív deformáció helyett az abszolút elmozdulás is.

A termények szilárdságtani vizsgálatát a gyakorlatban penetrometriás módszerrel végezzük. A gyakorlaton háromféle penetrométert hásználunk fel: kézi penetrométert, finométert és fructométert.

A kézi penetrométer gyümölcsök roncsolási erőhatását méri. A rendelkezésünkre álló műszer 3...27 font erő, 2...12 kp; tehát 20...120 N erőhatás mérésére alkalmas; alma és körte vizsgálatára készítették.

A finométer célműszer, amelyet a konzerviparban a zöldborsó átvételi minőségellenőrzés (a zsengeségi fok mérése) céljából fejlesztettek ki. Gyakorlatainkon más termények mérésére is használjuk majd, csupán a gyakorlás érdekében.

A fructométert gyümölcsök mérésére tervezték, azért, hogy raktározási és, szállítási igénybevételük számításához szilárdságtani adatokat nyerjenek vele. Nyomócsúcsának átmérője 6 mm.

A mérésnél felhasznált eszközök

KOHUSZ 2. típusú finométer, alakváltozásás mérő mérőórával.

MEFI FM-1 típusú fructométer erősítővel (csak bemutatásra).

IVTPA (olasz) gyártmányú FT 327 típusú penetrométer.

Stable Micro Systems gyártmányú számítógépes penetrométer

A mérés menete

1. Mérés kézi penetrométerrel

Vágjuk ketté a gyümölcsöt és fektessük lapjáva1 az asztalra. Távolítsuk el a héját kb. 15 mm-es átmérőnyi helyen. Szorítsuk le a gyümölcsöt erősen az asztalra, és jobb kézzel függőlegesen tartva nyomjuk bele a műszer hengeres mérőcsúcsát a gyümölcs húsába. Mérés előtt a műszeren lévő kis gombbal engedjük le nulla helyzetbe a műszer mutatóját. Mérés közben a mutató felszalad, és mutatja az erőhatás értékét. Mérés után így mindíg a legnagyobb erő nagysága olvasható le. A fekete skála LbS (angol font-erő) mértékegységben, a belső kék skála kg mértékegységben muta ja a roncsolási erőt.

A font erő helyes jelölése lbf volna. A másik mértékegység jelölése is hibás. Ezt nem kg, hanem kp jelölné (kp volt az erő mértékegysége a műszaki-technikai mértékegységrendszerben)

Átszámítás:

1 lbf = 4,448222 N

1 kp =9, 80665 N

Minden mérésnél fel kell jegyeznünk a mérőcsúcs méretét. A műszerhez két csúcs tartozik, átmérőjük:

5 / 16 " = 7, 9375 mm (körte)

7/16" = 11,1125 mm (alma)

Mérési feladat
Azonos gyümölcsmintából végezzünk 5 mérést. Az eredményt számítsuk át SI mértékegységrendszerbe. Számítsuk ki a roncsolási feszültség értékét a mérőcsúcs átmérójének ismeretében.

2. Mérés finométerrel
A kézikar forgatásával emeljük fel a finométer mozgó részét. Vegyuk ki a mérendó minta elhelyezésére szolgáló csészét. A vizsgálandó terményt vágjuk fel a zöldborsó méretéhez hasonló kockákra. A vizsgálandó anyagból tegyünk félre annyit, hogy a másik két mérésre is elegendő legyen.

Töltsük tele a csészét, fedjük le a perforá1t tetővel, és csúsztassuk be a készülékbe. Rögzítsükaz indikátorórát a műszeren levő forgatógombbal. Nullázzuk a mutatóját a tetején lévő kis recézett gombbal. A nullázás alatt a roncsoló tüskéken nem szabad terhelésnek lennie. Kezdjük lefelé hajtani a műszer mozgórészét a hajtókarral. Feltétlenül ügyeljünk arra, hogy a roncsoló tüskék pontosan a mérőcsésze tetejének perforációjába találjanak bele. Ha ez nem teljesül, a műszer esetleg eltörik. Ezért ilyenkor vegyük ki a csészét, és igazítsuk meg.

A tulajdonképpeni mérés úgy történik, hogy a hajtókarral lefelé mozgatjuk a roncsoló tüskéket egyenletes sebességgel mindaddig, amíg leérve nem ütköznek. A mérendő anyagba való behatolás (a mérés) időtartama lehetőleg 6 másodperc legyen. Közben megállni nem szabad. Ha a műszer nyomórésze leért, álljunk meg, és olvassuk le az indikátoróra beosztását. Ezen egy körülfordulás 10 mm, a finométer-fok ennek tízszerese.

Mérés után tisztítsuk ki a műszert.

Mérési feladat
Végezzünk öt mérést a finométerrel a fenti módon. Számítsuk ki a minta finométer-fokát (F°)

3. Mérés fructométerrel

A Fructométerrel történő mérést nem kell elvégezni. A mérési útmutató csak a műszer ismertetése érdekében szerepel.

A fructométert a kapcsoló BE állásba váltásával bekapcsoljuk, majd a jobboldali Fel/Le feliratú kapcsoló Le állásba váltásával addig mozgatjuk lefelé a mérőasztalt, amíg a gyümölcs el nem fér a mérőfej alatt.

Helyezzük el a gyümölcsöt úgy, hogy felül a sérülésmentes része legyen, majd kapcsoljuk be a Fel feliratú kapcsolóval az asztal emelését. Állítsuk be az emelkedési sebességet a sebesség szabályozás feliratú forgatógombbal 0,2 mm/s értékre. Ha nagyon messze van a tapintócsúcstól a gyümölcs, a középső fabillentyűvel gyorsíthatjuk az asztal mozgását. Tegyük le az X-Y regisztráló íróhegyét!

A műszerbe beépített nyúlásmérő bélyeges erőmérő és az elmozdulás távadó segítségével a regisztráló felrajzolja papírra a gyümölcs erő-elmozdulás diagramját (terhelő erő-deformáció jelleggörbe).

Átalakítási tényezők, ha 100 mV/cm regisztráló érzékenységet állítottunk be:

ahol X a regisztráló elmozdulása

d a valóságos deformáció.

Y a regisztráló függőleges elmozdulása

F a mért erő.

Mérés végén a FEL/LE kapcsolót LE állásba váltva a műszer visszatér alaphelyzetébe, ekkor a gyümölcs kiemelhető. Ellenőrizzük a műszerek összekötését. A kábelek az alábbiak szerint tartoznak össze:

Mérési feladat

A fent leírt módon mérjük meg 5 különbözó helyen a gyümölcsöt. Vegyük fel a deformációs görbéiket. Mérjük le a görbékről a biológiai folyáshatárt (első töréspont) és a roncsolási határt (a görbe csúcspontja). Mindkét értékből számítsuk ki a feszültség értékét is. Olvassuk le a regisztrátumról a két fent említett erőhatáshoz tartozó deformációt.

A Stable Micro Systems Texture Expert műszerrel az elsőéves gyakorlatokon csak bemutatót tartunk.