JP2000186992A - 密度測定における粘度決定方法 - Google Patents

密度測定における粘度決定方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検物質の密度を粘度に基づいて補正する際
の粘度の決定方法に関するものである。 【解決手段】 特定の次数の振動における被検物質の粘
度−減衰定数特性がピーク点を有する場合、他の特定の
次数の振動での被検物質の粘度−減衰定数特性での上記
ピーク点に対応する減衰定数より大きいか小さいかに基
づいて、上記特定の次数の周波数で得られた減衰定数が
上記ピーク点のいずれの領域に属するかを判断すること
によって粘度を決定するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動式密度計にお
ける密度測定において、被検物質の密度を粘度にに基づ
いて補正する際の粘度の決定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術とその課題】基端部(U字の上部両端)を
固定したU字管に被検物質(液体またはガス)を充填し
て、該U字管に対して機械的な振動を与えると、該振動
は該U字管に充填した被検物質の密度に応じた周波数で
振動する。従って、該振動周波数(あるいは振動周期)
を測定すると被検物質の密度が得られることになる。振
動式密度計はこの原理を応用したものである。
【0003】図2は従来の振動式密度計の基本的な構成
を示すものである。U字管10の先端部(U字の下部)
に永久磁石11が固定され、該永久磁石の近辺に配設さ
れた駆動コイル14に所定周波数の電流を流すことによ
って、上記U字管10が振動する。このU字管10の振
動はセンサ13によって検出され、該センサ13よりの
検出信号は増幅器12で増幅されて駆動コイル14に返
される。この構成によって上記U字管は上記駆動コイル
に流れる電流の周波数に共振して振動することになる。
また、上記センサ13よりの出力信号に基づいて、上記
U字管の振動周期が測定され、演算手段15での密度演
算に供されるようになっている。
【0004】ところで、上記のように単純に振動周波数
から得られる密度は、図4に示すように被検物質の粘度
に依存する密度誤差が発生する。すなわち粘度ηが大き
い程、図4でΔρ/ρ1 で示される誤差率が大きくなる
(密度の真値をρ0 、測定値をρ1 としたとき、Δρ=
ρ1 −ρ0 )。
【0005】この粘度ηに依存する密度誤差を補正する
ためには、被検物質の粘度を求める必要があるが、ここ
で、粘度ηは上記振動の減衰定数との関係から求まるこ
とが、IEE TRANSACTIONAL ON INDUSTRIAL ELECTRONICS
AND CONTROL INSTRUMENTATION, VOL.IEC1-27,NO.3,AUGU
ST 1980, 247〜253 (文献1)に示されている。すなわ
ち、粘度−減衰定数特性は例えば、後に説明する0次の
振動のとき、あるいは1次の振動のときでそれぞれ図5
に示すように関数b0 =f(η)、b1 =g (η)で表
される。ここで、0次の発振とは、図6にi=1で示す
ようにU字管の基端部を振動の節としたモードであり、
通常このモードでの周波数より密度が求められる。ま
た、1次の振動とは図6にi=2で示すように上記基端
部と、先端から1/4程度基端よりの位置を節とする振
動である。また更に高次の振動モード(i=3,i=
4)もある。
【0006】上記の各モードの振動を形成するために、
上記文献1には図7に示すような回路で駆動する構成と
なっている。
【0007】すなわち、センサーとしての圧電素子21
の出力すなわち検出電圧Udが可変ゲインアンプ22と
電圧制御位相調整器23を介して信号Uとして変調器2
4と位相シフト器25に入力される。
【0008】更に、上記信号Uは整流器26と積分器2
7を介して上記可変ゲインアンプ22のコントロール信
号Ucを形成している。この可変ゲインアンプ22→電
圧制御位相調整器23→整流器26→積分器27→可変
ゲインアンプ22のループは検出電圧の大きさに係わら
ず出力Uの大きさを一定にする機能を備えている。
【0009】上記変調器24は基本信号Uの振幅に変調
係数εを掛け合わせた値を出力し、上記位相シフト器2
5は基本信号Uの位相を−θ(例えば45°)シフトさ
せた信号を出力する。この2つの信号はミキサー28で
加え合わされて、図8に示すように変調係数εの大きさ
に対応した分だけ位相がシフトされた信号Ueを得るこ
とになり、この信号を用いて、励起電流Iexc を得るよ
うになっている。すなわち、信号Uを位相シフト器25
を介して45°遅らせるとともに、係数ε1 あるいはε
2 を掛け合わせた信号ε1 U、ε2 U(図8ではε1
ε2 )と基本信号Uとを加え合わせた信号Ue1 ,信号
Ue2 はε1 >ε2 のとき、遅れ角θ1>θ2 となる。
【0010】尚、上記変調係数εは上記変調器24に入
力するコントロール信号ω/NのNの値を調整すること
で変化させることができる。
【0011】このように位相シフトされた信号が得られ
ると、当然新しい位相での共振周波数が得られることに
なり、一次高調波すなわちi=2の振動あるいは更に高
次の振動も得られることになる。
【0012】上記のような装置で実際に粘度−減衰定数
の関係を0次の振動で測定すると、図3(a) のようにま
た、1次の振動で測定すると、図3(b) のようになり、
上記図5はこの2つのグラフを重ね合わせて現したもの
である。
【0013】ここで、上記密度の粘度による密度誤差を
補正するために、上記0次の振動時の粘度−減衰定数特
性b0 =f(η)を用いるとすると、粘度η1 (具体的
には100mPas程度)で減衰定数はピークを持つため、
同じ減衰定数に対して2つの粘度を持つことになり、い
ずれの値を用いるのかが問題となる。1次の粘度−減衰
定数特性b1 =g (η)を用いると、比較的広い範囲で
減衰定数から1義的に粘度を得ることができるが、それ
でも粘度η2 (700mPas程度)の部分でピークを持つ
ので、上記0次の振動を用いた場合と同じような問題に
直面する。
【0014】粘度が700mPas程度以下か以上かを予測
できる物質については、1次の振動より得られた粘度を
用いることができるが、密度を0次の振動で測定してお
きながら、1次の振動より得られる粘度を用いて密度誤
差を補正する方法では高い精度を期待することができな
い欠点がある。
【0015】本発明は上記従来の事情を考慮して提案さ
れたものであって、特定の次数の振動の粘度−減衰定数
特性にピークを持つ場合であっても、他の特定次数の粘
度−減衰定数特性を利用することによって当該特定の次
数の振動における粘度を決定する方法を提供することを
目的とするものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、特
定の次数の振動における被検物質の粘度−減衰定数特性
がピーク点を有する場合、他の特定の次数の振動での被
検物質の減衰定数が上記ピーク点に対応する値より大き
いか小さいかに基づいて、上記特定の次数の周波数で得
られた減衰定数が上記ピーク点のいずれの領域に属する
かを判断することによって粘度を決定するようにしてい
る。
【0017】上記特定の次数として密度測定に直接用い
る0次を用い、上記他の特定の次数として1次を用いる
と、密度測定に用いる振動モードで粘度測定もすること
ができ、精度の向上が期待できる。
【0018】
【実施の形態】図1は本発明の概要を示す図である。
【0019】図5で示したと同様、振動式密度計のU字
管を0次のモードで被検物質の粘度を変化させて駆動し
た場合、粘度η=η1 でピークを持つ粘度−減衰定数曲
線b0 =f(η)が得られる。この曲線を用いて減衰定
数f(η0 )の被検物質の粘度を求めようとした場合、
粘度はη10とη20の2つの値を得ることになる。
【0020】そこで、上記0次の振動モードによる粘度
−減衰定数曲線に加えて1次の振動モードを用い、粘度
を変化させて粘度−減衰定数曲線b1 =g(η)を求め
ておく。この粘度−減衰定数曲線b1 =g(η)におい
て、上記粘度η=η1 に対応する減衰定数はg(η1
となる。従って、上記粘度−減衰定数曲線b0 =f
(η)の減衰定数f(η0 )より得られる2つの粘度η
10とη20の中いずれの値を採用するかは1次の駆動モー
ドでの減衰定数g(η)がg(η1 )より大きいか小さ
いかで決定することができる。すなわち、減衰定数g
(η)がg(η1 )より大きいときはピークの右側の粘
度η20が、また、減衰定数g(η)がg(η1)より小
さいときはピークの左側の粘度η10が得られるべき値で
ある。
【0021】上記においては、0次の粘度−減衰定数曲
線b0 =f(η)より粘度を決定する場合に、1次の粘
度−減衰定数曲線b1 =g(η)を利用することについ
て説明したが、同様の考え方で、1次の粘度−減衰定数
曲線b1 =g(η)より粘度を決定する場合に0次の粘
度−減衰定数曲線b0 =f(η)を利用することもでき
る。
【0022】すなわち、1次の粘度−減衰定数曲線b1
=g(η)は粘度η2 の近辺でピークとなり、粘度η1
を越えたあたりから同じ減衰定数に対して2つの粘度を
呈する曲線となっている。従って、減衰定数g(η0
より得られる2つの粘度η30とη40の中いずれの値を採
用するかは0次のモードでの粘度−減衰定数曲線b0=
f(η)より判断する。すなわち、同じ被検物質につい
て0次の粘度−減衰定数曲線b0 =f(η)より得られ
る減衰定数f (η)がf (η2 )より大きいときはピー
クの左側の粘度η30が、また、減衰定数f(η)がf
(η2 )より小さいときはピークの右側の粘度η40が得
られるべき値である。
【0023】例えば、上記0次の振動で上記U字管10
が200 〜350Hz 程度の周波数で振動しているとすると、
上記1次の振動では上記0次の振動の6.2673倍として約
1253〜2194Hz程度の周波数で振動することになり、測定
対象によってはこの2つの周波数帯域で、粘性の特性が
変化することも考えられる。一方、上記密度の測定は振
幅の大きな0次の振動を用いてなされるのが現状であ
り、0次の振動で密度測定がなされている以上、密度誤
差の原因となる粘度も0次の振動下での粘度を用いた方
が精度のよい補正ができることが期待できる。
【0024】表1は以上の観点からの実験データをまと
めた表である。すなわち、粘度標準液(試料A)〔ニュ
−トン物質〕と試料B〜試料Eのそれぞれについて、0
次の振動と1次の振動について減衰定数を測定し、図3
(a) 、(b) のグラフ(あるいは特定の式)を用いて粘度
を得る一方、上記各試料についてそれぞれ0次の振動で
密度を測定した。上記のようにして得られた密度を、上
記0次および1次の振動で得た粘度でそれぞれ図4のグ
ラフ(あるいは特定の式)を用いて補正することによっ
て補正密度を得る。
【0025】このようにして得られた補正された密度と
密度の真値(ワードン比重びん法で得た)とを比較する
と、特に、試料B〜Eの物質については0次の振動より
得られた粘度を用いて得た補正密度の方が遙に精度が高
いことが理解できる。
【0026】尚、上記ニュートン物質とはずり速度(せ
ん断速度)がずり応力(せん断応力)に比例する液体を
いい、また、周波数帯域によって粘度特性が変化しない
液体でもある。また非ニュートン物質とは高分子物質の
ようにずり速度(せん断速度)がずり応力(せん断応
力)に比例しない液体をいい、また、周波数帯域によっ
て粘度特性が変化しない液体でもある。
【0027】
【表1】
【0028】以上のように本発明によると、ある特定の
次数の粘度−減衰定数特性がピークを持つ場合であって
も、すなわち、ある減衰定数に対して2つの粘度値を持
つ場合であっても、他の次数の粘度−減衰定数特性を利
用して、粘度を決定することができることになる。ま
た、密度の測定と粘度の測定について同じ次数の振動を
用いることができ、測定精度の向上を図ることができる
ことになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明する各モードにおける粘度
−減衰定数特性グラフである。
【図2】振動式密度計の概念図である。
【図3】0次振動と、1次の振動における粘度による密
度誤差を示すグラフである。
【図4】図3の2つのグラフをまとめて表示したグラフ
である。
【図5】各モードにおける粘度−減衰定数特性グラフで
ある。
【図6】U字管の振動モードのモデルを示す図である。
【図7】従来回路図である。
【図8】従来技術による位相シフトを示す波形図であ
る。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 振動式密度計の測定結果に対して被検物
    質の粘度に基づく密度誤差の補正を行う際に必要な粘度
    の決定方法において、 特定の次数の振動における被検物質の粘度−減衰定数特
    性がピーク点を有する場合、他の特定の次数の振動での
    被検物質の粘度−減衰定数特性を用いて測定された減衰
    定数が上記ピーク点に対応する減衰定数より大きいか小
    さいかに基づいて、上記特定の次数の振動で得られた減
    衰定数より求められた粘度が、上記ピークより大きい側
    または小さい側のいずれの領域に属するかを判断するこ
    とによって粘度を決定することを特徴とする粘度決定方
    法。
  2. 【請求項2】 上記特定の次数として0次を用い、上記
    他の特定の次数として1次を用いる請求項1に記載の粘
    度決定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003315235A (ja) * 2002-04-26 2003-11-06 Ulvac Japan Ltd 分析方法
JP2009122109A (ja) * 2007-11-16 2009-06-04 Labor Fuer Messtechnik Dr Hans Stabinger Gmbh 液状媒体の密度を決定する方法
JP2012013692A (ja) * 2010-07-02 2012-01-19 Instrumentation Scient De Lab 試料の密度の正確な測定方法

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