CN116940837A - 超声波物性测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波物性测定装置，其能够抑制圆筒体内的二次流的产生，并且谋求便携化，抑制物性的变化。该超声波物性测定装置是使用超声波来测量通过使圆筒体2以固定的周期正反往复旋转而在圆筒体2内流动的液体的流速分布并根据前述流速分布来估算液体的物性的超声波物性测定装置1，关于前述圆筒体2，上端面21和下端面22均以能够流通的方式被贯通，并具备在将该圆筒体2的一部分或全部浸渍到前述液体内的状态下对该圆筒体2支撑并使其正反往复旋转的旋转机构3。

Description

超声波物性测定装置

技术领域

本发明涉及测定液体的粘性或弹性等物性的超声波物性测定装置。

背景技术

在处置液状的食品/液体材料/化学药品等液体的领域中，在制品的质量管理、生产工艺的最优化、工厂机械设备的保养检查等中掌握液体的粘性或弹性等物性变得重要。例如，在食品领域中，不仅原材料的混合比例影响成品的味觉或口感，而且物性由于各原材料的混合状态或管理的温度等而变化，也影响成品的味觉或口感。因而，能够通过监视和管理物性的变化，大大地有助于成品的质量维持或质量提高。

以往，作为液体的物性测定装置，存在旋转扭矩式物性测定装置。该旋转扭矩式物性测定装置将测定对象的液体放入至上部被打开的容器，将棒状或板状的旋转体浸渍到液体内，使该旋转体旋转，测量施加至前述旋转体的扭矩，由此测定液体的粘性。测量方法简单且容易处理，作为物性测定装置被广泛使用。

然而，旋转扭矩式物性测定装置在具有不依赖于剪切速度(旋转速度)的固定的粘度的牛顿流体的粘度测量上非常有效，但对于具有依赖于剪切速度的粘度的非牛顿流体而言，从液体受到的扭矩依据旋转体的旋转速度而变化，因而不能测量正确的物性。

在食品/液体材料/化学药品等中所使用的液体大多是非牛顿流体。关于这一点，作为非牛顿流体的物性测定装置，存在采用双圆盘的旋转流变仪这一装置。该旋转流变仪在2块圆盘之间形成试验流体的薄层，使各圆盘相对地旋转。此时，通过在前述试验流体层内将流速分布假定为库艾特流等，测量表观粘度或线性粘弹性等物理特性。

然而，在实际的试验流体层内流动与库艾特流等所假定的流速分布不一致，在所假定的流速分布与实际的流速分布之间产生差异。即，在利用旋转流变仪对流变特性的测定中，包括由于假定流速分布而导致的原理上的不正确性。

于是，作为本申请发明人的芳田等提出了如下的方法：使用超声波来测量通过将液体加入至圆筒容器并使前述圆筒容器正反往复旋转而生成的前述圆筒容器内的流速分布，根据前述流速分布而估算前述旋转圆筒内的液体的物性(非专利文献1)。即，非专利文献1所记载的方法是如下方法：将依据物性和使圆筒容器正反往复旋转的角速度或周期等而估算来得到的流速分布的理论值、与通过在相同条件下进行实验来得到的流速分布的实验值比较，从而估算实验所使用的液体的物性，所述方法是在原理上不需要假定流速分布的划时代的手法。

在先技术文献

非专利文献

非专利文献1：Taiki Yoshida、Yuji Tasaka以及Yuichi murai，“Rheologicalevaluation of complex fluids using ultrasonic spinning rheometry in anopencontainer”，The SocietyofRheology，Inc.J.Rheol.61(3)，第537-549页5月/6月(2017)。

发明内容

发明要解决的课题

可是，关于非专利文献1所记载的方法中的物性的测定精度，在原理上依赖于由超声波测量的流速分布，理想的是，圆筒容器内的流动成为理论上的流速分布。关于这一点，如用后述的比较例示出那样，在使用现有的具有底面状的圆筒容器的装置中，确认到产生除了通过圆筒侧壁来流动的流以外产生的流，产生所谓的二次流。因而，为了进一步提高测定精度，能够抑制二次流的装置的开发成为课题。

另外，非专利文献1所记载的方法作为能够测定在原理上不需要假定流速分布的物性的方法是非常有用的，但现有装置比较大型，难以移动或搬运。因此，对能够进行移动或搬运的便携化的需求越来越高。

而且，在使用有底圆筒容器的情况下，有必要与旋转扭矩式物性测定装置同样地将成为测定对象的液体从贮存罐或制造管道移入至圆筒容器，存在伴随着温度或周围环境的变化的物性变化的顾虑。

本发明是为了解决如以上那样的问题点而作出的，其目的在于，提供能够抑制圆筒体内的二次流的生成并且谋求便携化且抑制物性的变化的超声波物性测定装置。

用于解决课题的方案

本发明所涉及的超声波物性测定装置为了解决抑制正反往复旋转的圆筒体的上端面和下端面所导致的二次流且能够实现便携化的这一课题，是使用超声波来测量通过使圆筒体以固定的周期正反往复旋转而在前述圆筒体内流动的液体的流速分布、根据前述流速分布估算前述液体的物性的超声波物性测定装置，关于前述圆筒体，上端面和下端面均以能够流通的方式被贯通，并具备在将该圆筒体的一部分或全部浸渍到前述液体内的状态下对该圆筒体支撑并使其正反往复旋转的旋转机构。

另外，作为本发明的一个方案，为了解决提供使圆筒体旋转且同时能够抑制二次流的圆筒体的支撑部这一课题，也可以是，前述圆筒体的上端面和下端面被整面敞开，并且，前述旋转机构作为支撑前述圆筒体的支撑部，具有在前述圆筒体的轴心上方被动力部轴支承的旋转轴、固定于前述旋转轴的下端部的轮毂以及从前述轮毂以放射状延伸并固定于前述圆筒体的上缘部的多根辐条。

而且，作为本发明的一个方案，为了解决通过使由旋转的各辐条生成的流沿放射方向和周向方向分散来抑制对通过正反往复旋转而流动的流在圆筒体内的流速分布的影响这一课题，也可以是，各前述辐条以从前述轴心位置沿水平方向错开既定距离的位置为基端，相对于将前述轴心与前述基端连结的线沿水平方向且弯曲既定角度的方向延伸。

另外，作为本发明的一个方案，为了解决提高圆筒体的壁面附近处的流速分布的测量精度这一课题，也可以是，向前述圆筒体内照射超声波且接收从前述圆筒体内反射来的超声波的超声波换能器以能够与前述圆筒体一体地旋转的方式被固定于其外侧面。

发明效果

依据本发明，能够抑制圆筒体内的二次流的生成，并且，谋求便携化，抑制物性的变化。

附图说明

图1是示出本发明所涉及的超声波物性测定装置的一个实施方式的框图。

图2是示出本实施方式中的圆筒体、支撑部以及超声波换能器的立体图。

图3是示出在使具有底面的圆筒体旋转时通过成为底部的圆盘来生成的二次流的示意图。

图4是示出本实施方式中的圆筒体和与该圆筒体一体地旋转的超声波换能器的位置关系的示意图。

图5是示出本实施方式中的轮毂、辐条以及固定用环的俯视图。

图6是示出其它实施方式中的圆筒体和旋转机构的支撑部的立体图。

图7是示出将本实施方式中的圆筒体和旋转机构设定于对成为测定对象的液体进行贮存的贮存罐的状态的示意图。

图8是示出本实施方式中的辐条的弯曲状态和与此相伴的二次元流的示意图。

图9是示出在比较例中制作的、用于使用超声波来测量通过现有方法在圆筒体内流动的液体的流速分布的装置(现有装置)的示意图。

图10是示出在本比较例中在现有装置中的圆筒容器内的流速分布和流速矢量的颜色映射和矢量图。

图11是示出在实施例1中制作的、本发明所涉及的超声波物性测定装置(本发明装置)和填充有成为测定对象的液体的桌上容器的示意图。

图12是示出在本实施例1中由本发明装置测量出的圆筒体内的瞬时流速分布和平均流速分布的坐标图。

图13是绘制在实施例2中由现有装置和本发明装置测量出的同相位时的瞬时流速分布的坐标图。

图14是示出在本实施例2中根据由现有装置和本发明装置测量出的流速分布而计算出的剪切应变速度的半径分布的坐标图。

图15是示出在本实施例2中根据由现有装置和本发明装置测量出的流速分布而计算出的粘性系数的半径分布的坐标图。

图16是示出在本实施例2中根据由现有装置和本发明装置测量出的流速分布而计算出的粘性曲线的坐标图。

图17是示出在本实施例2中根据由现有装置和本发明装置测量出的流速分布而计算出的流速曲线的坐标图。

图18是在实施例3中使用的(a)示出测量装置的示意图、(b)示出圆筒体的示意图、(c)示出支撑部的示意图以及(d)对支撑部进行拍摄而得到的照片。

图19是示出在本实施例3中测量温度15℃的羧甲基纤维素水溶液的结果所得到的(a)包括超声波换能器的移动速度的多普勒速度分布(测量值)和(b)超声波换能器的移动速度的坐标图。

图20是示出从在本实施例3中测量温度15℃的羧甲基纤维素水溶液的结果所得到的包括超声波换能器的移动速度的多普勒速度分布减去超声波换能器的移动速度后的多普勒速度分布的坐标图。

图21是示出在本实施例3中将图20所示的所计算出的多普勒速度分布归一化后的周向方向流的速度分布的坐标图。

图22是示出在本实施例3中基于测量温度15℃、20℃以及25℃的羧甲基纤维素水溶液的结果而计算出的粘度曲线的坐标图。

具体实施方式

以下，使用附图来对本发明所涉及的超声波物性测定装置的一个实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的超声波物性测定装置1具有：圆筒体2；旋转机构3，其支撑该圆筒体2并使其正反往复旋转；超声波流速分布测量单元4，其测量前述圆筒体2内的液体的流速分布；以及物性计算单元5，其根据由该超声波流速分布测量单元4测量出的前述流速分布而计算前述液体的物性。以下，对各构成进行说明。

圆筒体2通过正反往复旋转来从圆筒侧壁向液体赋予剪切力，用于使该圆筒体2的内侧的液体流动。如图2所示，该圆筒体2以上端面21和下端面22均能够流通的方式被贯通。即，圆筒体2使得能够使前述液体从浸渍到液体时贯通的上端面21和下端面22流入流出于前述圆筒体2内，且在前述正反往复旋转时能够使液体流通，从而抑制二次流的生成。

本实施方式中的二次流是指在圆筒体2正反往复旋转时除了通过圆筒侧壁来流动的圆筒的周向方向(圆周方向)的流以外产生的流，如图3所示，是指从轴心朝向圆筒侧壁的半径方向(放射方向)的流或伴随着该半径方向的流的循环流。即，在圆筒体2的下端面22设置有底面的情况下，如图3(a)所示，如果圆筒体2旋转，则圆筒侧壁附近的速度比底面的轴心附近的速度更快。底面附近的液体被与前述底面的剪切力拉伸而流动。此时，在轴心附近和圆筒侧壁附近产生流速差。流体具有在流速变快的情况下压力变低这一性质，由于前述流速差，与轴心附近相比，圆筒侧壁附近的压力更低。液体从压力高的一方向压力低的一方流动，因而产生从轴心朝向圆筒侧壁的半径方向的流。另外，通过该所产生的半径方向的流，如图3(b)所示，在圆筒体2内产生以卷成漩涡的方式循环的循环流，在筒内整体生成环状的二次流。

本实施方式中的旋转体2为了不生成这样的二次流，上端面21和下端面22整面敞开，各端面仅由圆筒侧壁的厚度构成。

另外，如图2所示，本实施方式中的圆筒体2形成有换能器固定部23，所述换能器固定部23将在超声波流速分布测量单元4中进行超声波的收发的超声波换能器41固定。具体而言，换能器固定部23设置于圆筒体2的外侧面24，以具有能够供圆柱棒状的超声波换能器41嵌入的内径的圆筒状形成。如图4所示，该换能器固定部23以超声波换能器41所导致的超声波的测量线(照射线)ξ通过距圆筒体2的轴心的距离Δy的位置的方式设置。

此外，超声波换能器41的支撑不限定于能够与圆筒体2一体地旋转的构成，如图6(a)所示，也可以由被固定于动力部32等非旋转部的支撑臂42支撑。

旋转机构3用于使圆筒体2正反往复旋转，具有支撑圆筒体2的支撑部31和使被前述支撑部31支撑的圆筒体正反往复旋转的动力部32。

支撑部31是用于在将圆筒体2的一部分或全部浸渍到液体内的状态下进行支撑的部件。如图2所示，本实施方式中的支撑部31以在下方悬挂地支撑圆筒体2的方式构成，并具有旋转轴311、固定于该旋转轴311的下端部的轮毂312、从该轮毂312延伸的多根辐条313以及将各辐条313的前端固定于圆筒体2的上缘部的固定用环314。

旋转轴311也是用于如下动作的部件：以能够将圆筒体2的一部分或全部浸渍到前述液体内的方式，对圆筒体2在其轴心上方进行支撑并且将动力部32所导致的旋转力传递至圆筒体2。如图1所示，本实施方式中的旋转轴311由动力部32轴支承。该旋转轴311与旋转扭矩式物性测定装置不同，不测量扭矩，因而能够自由地选择长度或浸渍到液体的深度等。

轮毂312用于将旋转轴311与多根辐条313联接。本实施方式中的轮毂312以大致正方形状形成，辐条313能够从四角延伸。另外，在轮毂312的中央，形成有将旋转轴311联接的联接孔315。

此外，旋转轴311和轮毂312不限定于如本实施方式那样作为分体而构成的部件，如图6(b)所示，也可以以旋转轴311的下端部作为轮毂312起作用的方式一体地构成。

辐条313是用于将轮毂312与圆筒体2联接的部件，从轮毂312以放射状延伸。本实施方式中的辐条313以能够使辐条313成为主要原因而生成的半径方向的二次流沿圆周方向分散的方式倾斜地设置。具体而言，如图5所示，以作为轮毂312的四角且从轴心位置沿水平方向错开既定距离的位置为基端，相对于将轴心与基端连结的线沿水平方向且弯曲既定角度的方向延伸。

辐条313的前端固定于固定用环314，经由该固定用环314被固定于圆筒体2的上缘部25。

在本实施方式中，所谓将辐条312的前端固定的圆筒体2的上缘部，不仅包括圆筒体2的上端面21，而且包括不妨碍利用超声波的流速分布的测量的位置。因而，在前述上缘部中，如图6(b)所示，对于圆筒体2来说，还包括上端面21附近的内周面，或如图6(c)所示，还包括上端面21附近的外侧面24。

此外，辐条313的固定不限定于经由固定用环314而固定于上端部的构成，如图6(b)所示，也可以不经由固定用环314而对于圆筒体2直接固定。另外，如图6(d)所示，辐条313也可以向上下方向弯曲。

动力部32是用于使圆筒体2在预先设定的既定角度范围Θ内以固定的周期f正反往复旋转的动力，在本实施方式中，由能够控制旋转的速度或角度范围Θ的电动步进马达构成。此外，动力部32不限定于电动步进马达，而能够从各种电动马达适当选择，并且，也可以根据需要而具备齿轮机构等。

超声波流速分布测量单元4具备从圆筒体2外朝向圆筒体2内照射超声波、并且接收从前述圆筒体2内朝向前述圆筒体2外反射的超声波的超声波换能器41，对所接收到的超声波进行解析，从而按时序测量前述超声波的沿着测量线ξ的多个测量点处的流速。即，超声波流速分布测量单元4能够测量时刻t的测量线ξ上的时间和空间流速分布uξ(ξ,t)。

超声波换能器41具备通过施加电压来工作的小元件，通过赋予以固定周期振幅的电压来振动，沿着测量线ξ能够照射大致线状的超声波。另外，关于前述元件，如果由于反射波而振动则产生与该振动相应的电压，能够接收反射波。本实施方式中的超声波换能器41，以能够与圆筒体2一体地旋转的方式被插入至被设置于圆筒体2的外侧面24的换能器固定部23而固定。此时，超声波换能器41为了抑制圆筒体2的壁内处的超声波的漫反射的影响等，优选将从圆筒体2的内侧面到前端的距离隔开超声波换能器41的直径程度的距离而配置，在本实施方式中，能够预先通过与圆筒体2一体化来预先设定。

超声波流速分布测量单元4由能够运算处理的计算机和执行运算处理的程序等构成，将基于由超声波换能器41接收到的反射波的电压向能够运算处理的数字信号变换并对前述数字信号进行运算处理，从而能够计算时间和空间流速分布u_ξ(ξ,t)。对于计算时间和空间流速分布u_ξ(ξ,t)的技术，例如，能够使用日本特开2003-344131号公报所公开的技术。

物性计算单元5由能够运算处理的计算机和执行运算处理的程序等构成，能够根据由超声波流速分布测量单元4测量出的流速分布而估算液体的物性。关于本实施方式中的物性计算单元5，与超声波流速分布测量单元4以能够进行数据通信的方式连接，并以能够接收由超声波流速分布测量单元4测量出的流速分布的数据的方式构成。

另外，本实施方式中的物性计算单元5将超声波换能器41固定于圆筒体2的外侧面24并一体地旋转而测量出的沿着测量线ξ的时序流速分布u_ξ(ξ,t)，变换成圆筒体2内的周向方向流速分布u_θ(r,t)。

首先，超声波换能器41的圆周方向速度由下述公式(1)表示。

U_wall(r，t)＝ωRΘe^-ωt

……公式(1)

在此，r是半径方向的距轴心的距离，ω是各速度，Θ是旋转的角度范围，t是时间。

另外，超声波换能器41的超声波的沿着测量线的方向的速度由下述公式(2)表示。

U(ξ,t)＝ωΘΔye^-ωt

……公式(2)

在此，Δy是距轴心的距离。

如果基于上述公式(1)和公式(2)而将由超声波流速分布测量单元4测量的测量线ξ的流速分布u_ξ(ξ,t)变换成沿着半径方向的圆周方向的流速分布，则成为下述公式(3)的流速分布。

本实施方式中的物性计算单元5通过将利用公式(3)来计算的圆周方向的流速分布u_θ(r,t)与理论上求出的流速分布比较，估算液体的物性。关于物性计算单元5中的根据圆周方向的流速分布u_θ(r,t)而估算物性的方法，能够使用非专利文献1所公开的技术。

此外，本实施方式中的超声波流速分布测量单元4和物性计算单元5作为分体而构成，但也可以由相同计算机构成。

接着，对本实施方式的超声波物性测定装置1中的各构成的作用进行说明。

首先，通过使圆筒体2以固定的周期正反往复旋转，使液体流动。具体而言，将被旋转机构3的支撑部31支撑的圆筒体2的一部分或全部浸渍到液体内。例如，如图7所示，将圆筒体2和旋转机构3运送到贮存成为测定对象的液体的贮存罐6，以从贮存罐6的上方浸渍到前述液体内的任意的深度和位置的方式设置。

圆筒体2的上端面21和下端面22均以能够流通的方式贯通，因而仅仅利用下沉，液体就流入至圆筒体2内。本实施方式的超声波物性测定装置1并非如现有的旋转扭矩式物性测定装置那样的测量扭矩的装置，因而能够自由地选择旋转轴311的长度，能够配置于期望的深度或位置。在此，圆筒体2通过设为将圆筒体2全部浸渍的状态，能够抑制或消除上端面侧的自由界面的变动的影响。另外，向贮存罐6的设置仅通过圆筒体2和旋转机构3即可，在本实施方式中，超声波换能器41预先固定于圆筒体2，因而设定容易且便携性也良好。

接着，旋转机构3的动力部32使圆筒体2以固定的周期正反往复旋转。圆筒体2内的液体通过粘性所导致的与圆筒侧壁的剪切力而流动。此时，圆筒体2的下端面22整面敞开，不产生二次流。另外，旋转轴311配置于圆筒体2的上方，因而不会对二次流的生成造成影响。

另外，轮毂312和各辐条313以在圆筒体2的上端面处能够流通的方式形成，因而与将底面整面覆盖的现有的有底圆筒容器相比，能够大幅度地抑制二次流的生成。

另外，关于本实施方式中的各辐条313所导致的二次流，沿着各辐条313而生成，因而不仅沿半径方向分散，而且还沿圆周方向分散。即，如图8所示，如果使辐条313以并非配置于通过轴心的对角线上的方式弯曲，则沿着辐条313的流a也能够被分散成半径方向的流b和圆周方向的流c，抑制二次流的生成。

超声波流速分布测量单元4通过超声波换能器41来朝向圆筒体2内照射超声波，并且，接收从前述圆筒体2内反射的超声波，按时序测量前述超声波的沿着测量线ξ的多个测量点处的流速。具体而言，如图1所示，将用于生成超声波的电压从超声波流速分布测量单元4施加至超声波换能器41。另一方面，超声波换能器41接收从圆筒体2内反射的超声波，将根据该反射波而生成的电压发送至超声波流速分布测量单元4。超声波流速分布测量单元4通过将从超声波换能器41接收到的电压变换成前述数字信号并对该前述数字信号进行运算处理，计算通过以固定的周期正反往复旋转来流动的圆筒体2内的液体的时间和空间流速分布u_ξ(ξ,t)。然后，所计算出的流速分布u_ξ(ξ,t)向物性计算单元5发送。

此时，超声波换能器41在最优化的位置预先一体地固定于圆筒体2的外侧面24，因而设定容易，能够抑制每次测定的误差等。

物性计算单元5接收从超声波流速分布测量单元4发送的流速分布u_ξ(ξ,t)。然后，基于公式(3)而将前述流速分布u_ξ(ξ,t)变换成圆周方向的流速分布u_θ(r,t)。然后，将圆周方向的流速分布u_θ(r,t)与理论上求出的流速分布(与测量值相同的圆周方向的流速分布)比较而估算物性。

依据如以上那样的本实施方式的超声波物性测定装置1，能够起到如以下那样的效果。

1.圆筒体2的上端面21和下端面22均以能够流通的方式构成，由此能够进行正反往复旋转的液体的流通，能够抑制二次流的生成。

2.圆筒体2的上端面21和下端面22均以能够流通的方式构成，由此能够通过下沉至被储存于贮存罐6等的液体来使液体流入至圆筒体2内，能够容易地进行设定，并且，没必要移入至其它容器等，能够抑制物性的变化。

3.能够自由地选择旋转轴311的长度，因而在测定被储存于贮存罐6等的液体的物性时，能够测定不同深度或不同位置所导致的物性的差异。

4.由旋转轴311、轮毂312以及辐条313构成对圆筒体2进行支撑的支撑部31，由此能够确保液体的流通且同时以能够正反往复旋转的方式支撑前述圆筒体2。

5.使各辐条313以既定角度弯曲，从而能够使沿着前述辐条313产生的二次流沿半径方向和圆周方向分散。

6.将超声波换能器41以能够与圆筒体2一体地旋转的方式预先固定或使圆筒体2的上端面21和下端面22均以能够流通的方式贯通，由此设定变得容易，便携性提高，并且，能够扩大液体的流速分布的测量精度或能够测定的空间和速度的范围，能够测定具有各种流变特性的液体的物性。

接着，对本发明所涉及的超声波物性测定装置的具体实施例进行说明。此外，本发明的技术范围不限定于通过以下的实施例所示的特征。

比较例

<关于通过非专利文献1所公开的现有方法来生成的二次流>

在本比较例中，对在使用在非专利文献1所公开的现有方法时生成的二次流进行说明。在现有方法中，如图9所示，使用使具有底面状的圆筒容器以固定的周期正反往复旋转的实验装置(以下，称为“现有装置”。)。前述圆筒容器为丙烯制品，厚度为3mm，半径R＝77mm，深度为300mm。

另外，圆筒容器配置于比圆筒容器大一圈的容器内，圆筒容器的周围被水充满，以使来自超声波换能器的超声波能够照射至圆筒容器内。旋转机构设置于圆筒容器的下方。

作为测定对象的液体是运动粘度1000mm²/s的硅油。该硅油是不依赖于剪切速度的牛顿流体。为了改善超声波的反射，使微小粒子(三菱化学株式会社、CHP20P、直径75-150μm、相对于硅油的比重1.03)作为反射体悬浮于硅油。然后，以距圆筒容器的底面的高度z＝125mm成为液面的方式填充前述硅油。

使填充有该硅油的圆筒容器以角度范围Θ为90度(π/2rad)、且在1Hz下正反往复旋转。

关于超声波换能器，其频率为2MHz，直径为10mm。该超声波换能器固定于能够沿铅垂方向(距底面的距离Δz)和水平方向(距轴心的距离Δy)移动的设置台(未图示)。在本比较例中，为了掌握圆筒容器整体的流动，使超声波换能器在距轴心的距离Δy＝0mm和Δy＝15mm的位置处，在距底面的高度Δz＝10mm至110mm的范围内以10mm间隔移动，在各个位置测量流速分布。

图10是示出根据圆筒容器内的流速矢量和流速分布而计算出的有效粘度(颜色映射)的测量结果。横轴示出用圆筒容器的内径R将从圆筒容器的轴心到圆筒侧壁的距离r无量纲化后的位置，纵轴示出距底面的高度z。

流速矢量是根据在距离Δy＝0mm的位置处测量出的半径方向的流速而经由连续的公式计算铅垂方向的流速并进行矢量显示的流速矢量，箭头的方向示出流速方向，示出了箭头越长而流速越快。

颜色映射示出根据在距离Δy＝15mm的位置处测量出的流速分布而计算出的有效粘度，颜色越白有效粘度就越低，颜色越黑有效粘度就越高。此外，将超声波换能器置于距轴心的距离Δy＝15mm的位置，因而r/R<Δy/R≈0.2的范围无法得到流速信息(有效粘度)。

如图10所示，通过流速矢量，示出了不仅沿半径方向流动，而且还沿铅垂方向流动。在底面观察到由于轴心与圆筒壁面附近的速度差而生成的从轴心朝向圆筒壁面的半径方向的流。另外，与此相伴的是，在轴心附近产生下降流，在壁面附近生成上升流，以循环的方式产生二次流。因而，作为圆筒容器内整体，生成环状的二次流。此时，二次流具有10至50mm/s左右的流速。

另外，作为试验流体的硅油是牛顿流体，在圆筒容器内，粘度是固定的。然而，如用颜色映射示出那样，在圆筒容器的底面附近，有效粘度被计算出为较高而并不会成为固定。这被认为是底面附近成为和与正反往复旋转的底面大致刚体旋转的状态接近的流，有效粘度被过大地评价。

从以上能够确认：在本比较例中，在现有装置中，能够基于流速分布而计算有效粘度，另一方面，利用通过使具有底面的圆筒容器旋转而在底面附近生成的半径方向的流，在圆筒容器内整体生成环状的二次流。另外，不能根据在底面附近测量出的流速分布而正确地计算物性值。

实施例1

在本实施例1中，制作本发明所涉及的超声波物性测定装置(以下，称为“本发明装置”。)，测量圆筒体内的流速分布。

如图11所示，本实施例1中的本发明装置具有上端面和下端面整面敞开的圆筒体。前述圆筒体为丙烯制品，厚度为2mm，半径R＝77mm，深度为60mm。

支撑部具有如用图2和图5示出那样的旋转轴、设置于该旋转轴的下端部的轮毂、以该轮毂的四角为基端而延伸的4根辐条以及将各辐条的前端与圆筒体的上端联接的固定用环。旋转轴的直径为15mm，轮毂以1边的长度为45mm的正方形状形成。辐条以宽度10mm、厚度5.5mm的平板长条棒状形成，相对于将轴心与基端连结的线弯曲。动力部对旋转轴在其上端进行轴支承。

超声波换能器使用频率4MHz、直径8mm的超声波换能器。该超声波换能器在圆筒体的外侧面在对于轴心的距离Δy＝15mm且距下端面的距离20mm的位置以能够与圆筒体一体地旋转的方式被固定。另外，为了抑制圆筒体的壁面内的漫反射所导致的噪声，超声波换能器的前端以位于距圆筒体的内周面约8mm(相当于超声波换能器的直径8mm的距离的程度)处的方式设置。

测定对象的液体是与比较例相同的运动粘度1000mm²/s的硅油，使三菱化学株式会社的微小粒子作为反射体悬浮。如图11所示，将该硅油填充至被置于桌上的容器。然后，将被支撑部支撑的圆筒体的全部设置为被浸渍到桌上容器内的硅油的状态，与比较例同样地，以角度范围Θ为90度(π/2rad)、且在1Hz下正反往复旋转。

在图12中，示出在本实施例1中测量出的圆筒体内的硅油的流速分布。横轴是距超声波换能器的前端的距离。在此，关于圆筒体的轴心与圆筒侧壁的位置关系，与比较例中所说明的图10左右相反，左侧是圆筒侧壁附近，右侧是轴心附近。另外，纵轴是所测量出的测量线方向的流速(多普勒速度)，是正反往复旋转的1个周期中的4个时刻的瞬时值和以固定的时间间隔测量的流速的平均值。

如图12所示，可知：瞬时流速分布以流速0mm/s为中心而对称地变动，通过正反往复旋转，圆筒体内的流正反地流动。另外，平均流速分布成为大致0mm/s。假设在圆筒体内产生半径方向的流速分量(二次流)的情况下，所测定的流速以流速0mm/s为中心而非对称地变动，平均流速不会成为0mm/s。

从以上能够确认：本实施例1的本发明装置与现有装置相比，能够抑制二次流。

实施例2

接着，进行由比较例的现有装置和实施例1的本发明所涉及的超声波物性测定装置测量出的流速分布的比较，对能够使用于物性的计算的可评价范围进行研究。

图13是在正反往复旋转而测量出的瞬时流速分布中绘制同相位时的瞬时流速分布且进行现有装置与本发明装置的比较的坐标图。左坐标图示出现有装置的结果，右坐标图示出本发明装置的结果。横轴和纵轴与图13同样，横轴是距超声波换能器的前端的距离，纵轴是所测量出的测量线方向的流速。

如用左坐标图示出那样，如果使用现有装置，则如果距超声波换能器的距离达到75mm左右，则在流速分布中包括噪声。作为主要原因，第一，可列举如下原因：测量对象的硅油具有使超声波衰减的性质，由于隔开距离而导致所接收的超声波的接收量对于测量流速而言不充分而成为噪声。另外，作为第二主要原因，可列举如下原因：超声波换能器在与圆筒容器隔开的位置固定，因而超声波在充满于圆筒容器的周围的水中被发射、并经由圆筒容器壁面向容器内的硅油传播的过程中，发生漫反射或衰减而成为噪声。而且，作为第三主要原因，还可考虑如下原因：超声波换能器和圆筒容器具有相对速度，因而距超声波换能器的距离越成为远处，测量线方向的流速就越慢，通过前述测量线的反射体(微小粒子)的数量就越多，超声波的接收量就越是不充分。

与此相对的是，如用右坐标图示出那样，在本发明装置中，到距超声波换能器的距离为115mm左右为止，不太观察得到噪声，即使是与设置有超声波换能器的位置相反的一侧的壁面附近(距离150mm附近)，噪声也是微小的，另外，不太观察得到如从所设想的流速分布大幅偏离那样的噪声。这被认为是，通过将超声波换能器固定于圆筒体，抑制超声波的漫反射，且距超声波换能器的距离越接近圆筒轴心(越成为远处)，与液体的测量线方向的流速就越快，即使是超声波容易衰减的位置，也能够接收充分的超声波，抑制噪声的生成。因而，可测量流速到壁面附近为止，期待能够计算符合实际状态的物性。

于是，关于对于圆筒容器和圆筒体的半径位置的可评价范围进行研究。在此，可评价范围是指能够进行物性的估算的范围。

图14是示出对于圆筒容器和圆筒体的半径位置的剪切应变速度的坐标图。左坐标图示出现有装置的结果，右坐标图示出本发明所涉及的超声波物性测定装置的结果。与图10同样地，横轴示出用圆筒容器的内径R将从圆筒容器的轴心到圆筒侧壁的距离r无量纲化后的位置(圆筒体的轴心与圆筒侧壁的位置关系与图12和图13左右相反。)。纵轴是剪切应变速度，颜色示出概率密度。

如用左坐标图示出那样，在现有装置中，从轴心(r/R＝0)到r/R＝0.45的范围在剪切应变速度上存在偏差。这被认为是，在轴心附近速度梯度小，剪切应变速度小，出现偏差。另外，能够确认：在超过r/R＝0.85的范围内，示出大致直线状的值的部分值发生增减，未能正确的测量。

与此相对的是，如用右坐标图示出那样，在本发明装置中，对于超过r/R＝0.85的范围，也示出沿着大致直线状的值，能够进行正确的测量。

图15是示出根据圆筒容器和圆筒体的半径位置和流速分布而计算出的粘性系数的坐标图。与图14同样地，横轴是用圆筒容器的内径R将从圆筒容器的轴心到圆筒侧壁的距离r无量纲化后的位置。纵轴是粘性系数，颜色示出概率密度。

如用左坐标图示出那样，在现有装置中，被认为是能够进行正确的流速分布的测量的从r/R＝0.45到0.85的范围内的粘性系数，与硅油的目录所记载的粘性值(目录粘性值)一致。另一方面，超过r/R＝0.85的范围从目录粘性值大幅偏离，未能计算正确的粘性系数。

与此相对的是，如用右坐标图示出那样，在本发明装置中，从r/R＝0.45到圆筒侧壁即r/R＝1的范围与目录粘性值一致，可得到正确的粘性系数。

如这些图14和图15所示，现有装置的可评价范围是从r/R＝0.45到0.85的范围，与此相对的是，关于本发明装置的可评价范围，可评价范围扩大为从r/R＝0.45到1的范围。正反往复旋转的圆筒体所导致的流动是由与壁面的剪切力引起的流动，通过能够正确地测量壁面附近的流速分布，有助于所计算的物性的精度的提高。因而，可认为本发明装置与现有装置相比，谋求了精度提高。

另外，图16是示出剪切应变速度与粘性系数的关系的粘性曲线的坐标图。左坐标图示出现有装置的结果，右坐标图示出本发明装置的结果。横轴是剪切应变速度，纵轴是粘性系数。颜色示出概率密度。

如用左坐标图示出那样，在现有装置中，剪切应变速度在超过约10s^-1的范围内不能测量。与此相对的是，如用右坐标图示出那样，在本发明所涉及的超声波物性测定装置中，剪切应变速度即使在超过约10s^-1的范围内，也与目录粘性值大致一致，能够进行正确的测量。

另外，图17是示出剪切应变速度与剪切应力的关系的流速曲线的坐标图。横轴是剪切应变速度。纵轴是剪切应力，颜色示出概率密度。关于流速曲线，示出在多个剪切速度范围内测定固定状态(稳定流状态)下的粘度的流动特性，能够估计剪切速度范围不同的各种工序中的剪切应力(粘度)。

结果与图16同样，如用左坐标图示出那样，在现有装置中，剪切应变速度在超过约10s^-1的范围内不能测量。与此相对的是，如用右坐标图示出那样，在本发明装置中，剪切应变速度即使在超过约10s^-1的范围内也能够进行测量。

因而，如图16和图17所示，本发明装置与现有装置相比，能够测量较宽剪切速度范围内的物性。

根据以上，本发明装置与现有装置相比可评价范围较宽，能够根据壁附近的流速而进行物性的计算，且对剪切应变速度的适用范围也较宽，因而能够测定具有各种流变特性的液体的物性。

实施例3

接着，通过本发明装置，对非牛顿流体中的粘性特性(速度分布)的温度依赖性进行测量。如图18(a)所示，本实施例3所使用的装置具有存积试验流体的直径430mm、深度超过350mm的存积罐，该存积罐的侧面和底面以循环水可流动的方式形成为两层。另外，在存积罐，连接有使循环水循环并且将温度保持为固定的恒温装置。

如图18(b)所示，本实施例3中的本发明装置的圆筒体为丙烯制品，厚度为2mm，半径R＝77mm，深度为100mm。另外，如用图18(c)和图18(d)示出那样，支撑部具有与实施例2同样的构成。而且，圆筒体被配置在存积罐的中心位置且下端位于距存积罐的底面200mm处。

超声波换能器在圆筒体的外侧面在对于轴心的距离Δy＝18mm且距下端面的距离400mm的位置以能够与圆筒体一体地旋转的方式被固定。

将羧甲基纤维素水溶液作为非牛顿流体使用于试验流体。本实施例3所使用的水溶液中的羧甲基纤维素的浓度是0.5wt％。使该羧甲基纤维素水溶液以圆筒体完全被淹没的方式在存积罐内存积到深度350mm。

然后，通过恒温装置来使循环水在存积罐循环，使羧甲基纤维素水溶液的温度保持为固定。在本实施例3中，在为温度15℃、20℃以及25℃的状态下进行测量。

在图19中示出通过本发明装置来测量温度15℃的羧甲基纤维素水溶液的结果。图19(a)是由超声波换能器测量出的多普勒速度。纵轴是距超声波换能器的距离，横轴是经过时间。另外，颜色的浓淡和等高线表示多普勒速度的强弱，示出了颜色越浓速度就越快。另外，图19(b)是超声波换能器(圆筒体壁面)的移动速度。

如图19(a)所示，壁面附近(纵轴0mm附近和150mm附近)的速度和圆筒体的中心附近(纵轴77mm附近)的速度变慢。但是，在图19(a)中的多普勒速度中，包括超声波换能器的移动速度。于是，计算与图19(b)所示的超声波换能器的移动速度的差分，进行通过圆筒体正反往复旋转而产生的多普勒速度的提取。另外，进行所计算出的多普勒速度的周向方向的流速分布的归一化。

在图20中，示出减去超声波换能器的移动速度后的多普勒速度分布。另外，在图21中，示出将该多普勒速度分布归一化后的周向方向流的流速分布。如图20和图21所示，在壁面附近较快，速度反复正反而表现为条纹图案。另外，该条纹图案倾斜，也可看出随着时间经过，速度逐渐沿中心方向传播。这样，确认了本发明装置能够进行作为试验流体设为非牛顿流体地使用羧甲基纤维素水溶液的流速分布的测量。

接着，使羧甲基纤维素水溶液的温度设为15℃、20℃以及25℃而进行多普勒速度的测量，进行各个温度下的羧甲基纤维素水溶液的粘度的计算。图22是在各温度条件下计算出的粘度曲线，纵轴表示粘度，横轴表示剪切速度。

如图22所示，粘度在各温度条件下随着剪切速度的增加而下降，表现出粘度依赖于剪切速度而变化的非牛顿流体的特性。

另外，如果羧甲基纤维素水溶液的温度变高，则相对于剪切速度的增加而言，容易下降。即，成为如下的结果：羧甲基纤维素水溶液的粘性特性随着温度的上升而变化，从剪切速度慢的阶段起，粘性下降。

根据以上，本发明装置能够测定为非牛顿流体且具有温度依赖性的流体的物性。

此外，本发明所涉及的超声波物性测定装置不限定于前述的实施方式，能够适当变更。例如，圆筒体为了提高强度以免由于正反往复旋转而变形，也可以具有如以尽量不产生二次流的程度架设于上端面或下端面那样的加强件。

符号说明

1 超声波物性测定装置

2 圆筒体

3 旋转机构

4超声波流速分布测量单元

5 物性计算单元

6 贮存罐

21 上端面

22 下端面

23 换能器固定部

24 外侧面

31 支撑部

32 动力部

41 超声波换能器

42 支撑臂

311 旋转轴

312 轮毂

313 辐条

314 固定用环

315 联接孔。

Claims (4)

1.一种超声波物性测定装置，其是使用超声波来测量通过使圆筒体以固定的周期正反往复旋转而在所述圆筒体内流动的液体的流速分布、根据所述流速分布估算所述液体的物性的超声波物性测定装置，

所述超声波物性测定装置中，关于所述圆筒体，上端面和下端面均以能够流通的方式被贯通，并具备在将该圆筒体的一部分或全部浸渍到所述液体内的状态下对该圆筒体支撑并使其正反往复旋转的旋转机构。

2.根据权利要求1所述的超声波物性测定装置，其中，

所述圆筒体的上端面和下端面被整面敞开，并且，

所述旋转机构作为支撑所述圆筒体的支撑部，具有在所述圆筒体的轴心上方被动力部轴支承的旋转轴、固定于所述旋转轴的下端部的轮毂以及从所述轮毂以放射状延伸并固定于所述圆筒体的上缘部的多根辐条。

3.根据权利要求2所述的超声波物性测定装置，其中，各所述辐条以从所述轴心位置沿水平方向错开既定距离的位置为基端，相对于将所述轴心与所述基端连结的线沿水平方向且弯曲既定角度的方向延伸。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的超声波物性测定装置，其中，向所述圆筒体内照射超声波且接收从所述圆筒体内反射来的超声波的超声波换能器以能够与所述圆筒体一体地旋转的方式被固定于其外侧面。