JP2017527818A - 流体密度を判定する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

流体の密度を判定する方法およびシステム（１）が提供される。方法は、システム（１）内に接続されたエレクトロスプレー機器（３）を使用して実施される。第１のステップにおいて、エレクトロスプレー機器（３）のエミッタ（５）内に流体が導入される。エミッタ（５）とエミッタ（５）から間隙を空けられた対向電極（１１）との間に、複数の断続的な期間にわたって電圧が印加され、電圧が印加される期間のうちの少なくとも一部の期間の持続時間は漸減する。電圧が印加される各期間についてエミッタ（５）と対向電極（１１）との間の電流が測定され、それらの期間について電流読み取り値が得られた、最短の期間が記録される。最短の期間は、エミッタ内の流体の密度を計算するために使用される。

Description

本出願は、２０１４年９月１５日に出願された南アフリカ特許仮出願第２０１４／０６７３３号の優先権を主張するものであり、当該出願は参照によって本明細書中に援用される。

本発明は、流体の密度を判定する方法およびシステムに関する。

密度は流体の物理的特性であり、単位容積当たりの流体の質量として定義される。流体密度は、質量及び容積の直接的な測定によって判定され得る。

流体密度を測定する器具は、薬品、石油、化学、および食品業界、ならびに科学又は工学研究分野における、広範囲にわたる適用分野を有する。

流体、特に液体の密度は、ハイドロメータ、ピクノメータ、またはデジタル密度計、またはデンシトメータなどの器具を使用して測定され得る。そのような器具を採用した方法では一般に、妥当な精度を伴って液体の密度を判定できるように、液体の比較的大きなサンプルが必要とされる。

マイクロスケールにおける技術、すなわちマイクロリットル範囲における液体の量を密度判定ごとに使用する技術はほとんど開発されていない。

その上、本願出願人の知る限りでは、液体の密度および表面張力の両方を同じ条件下で判定可能な方法およびシステムはまだ存在していない。

本発明の背景についての前述の説明は、本発明の理解を容易にすることのみを意図するものである。この説明は、言及された材料のいずれかが本出願の優先日の時点で当該技術分野における技術常識の一部であったことを承認又は容認するものではない、ということを理解されたい。

本発明によれば、流体の密度を判定する方法が提供され、この方法は、
エレクトロスプレー機器のエミッタ内に流体を導入するステップと、
エミッタとエミッタから間隙を空けられた対向電極との間に、複数の断続的な期間にわたって電圧を印加するステップであって、電圧が印加される期間のうちの少なくとも一部の期間の持続時間が漸減する、ステップと、
期間のそれぞれについてエミッタと対向電極との間の電流を測定するステップと、
エミッタと対向電極との間の電流読み取り値が得られた、最短の期間を特定し、記録するステップと、
流体の密度を最短の期間の関数として計算するステップと、を含む。

本発明の更なる特徴は、流体の密度が次の関数を使用して計算されることを規定する。
ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
上式で、ρは流体密度、ε_０は真空誘電率定数、Ｔは最短の期間、Ｅはエミッタ先端の開口における電界、およびγは流体の表面張力である。

本発明の更なる特徴は、期間中にエミッタと対向電極との間に印加される電圧が、流体のエレクトロスプレーを生成するのに十分であることを、および、期間と期間との合間に、電圧が流体のエレクトロスプレーを生成しない電圧まで低減されることを、または電圧がスイッチオフされることを規定する。

本発明のなお更なる特徴は、電圧が印加される期間が、エレクトロスプレーが発生するための十分な時間を割り当てるため、選択された密度上限に関連付けられた初期期間を用いて開始されること、および、電圧が印加される期間の持続時間が段階的に順次減少すること、および、電圧が印加される期間の持続時間が１ｍｓ以下の刻みで減少することを規定する。

本発明のなおまた更なる特徴は、初期期間が、２０００ｋｇ／ｍ^３以上である密度上限と関連付けられることを規定する。

本発明はまた、流体が引き込まれるエミッタと、エミッタから間隙を空けられた少なくとも１つの対向電極と、エミッタからの流体のエレクトロスプレーを生成するためにエミッタと対向電極との間に電圧を印加するように構成された電圧源とを有するエレクトロスプレー機器と、エミッタと対向電極との間に印加された電圧を測定する装置と、エミッタと対向電極との間の流体のエレクトロスプレーの結果としてシステム内を流れる電流を測定する装置とを含む、流体の密度を測定するシステムであって、少なくとも電圧源、電圧測定装置、および電流測定装置と通信する処理モジュールが、複数の断続的な期間にわたってエミッタと対向電極との間に電圧を印加するよう電圧源を動作させるように構成され、期間のうちの少なくとも一部の期間の持続時間が漸減少し、処理モジュールは更に、電流測定装置を読み取り、最短の期間であって、その期間についてシステム内で電流読み取り値が得られた、最短の期間を特定し、記録するように構成されることを特徴とする、流体の密度を測定するシステムを提供する。

本発明の更なる特徴は、処理モジュールが流体の密度を最短の期間の関数として計算するように構成されることを規定する。

本発明の更なる特徴は、関数が、
ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
であることを規定し、上式で、ρは流体密度、ε_０は真空誘電率定数、Ｔは最短の期間、Ｅはエミッタ先端の開口における電界、及びγは流体の表面張力である。

本発明のなお更なる特徴は、電圧源がプログラム可能な直流電圧源であること、および、ソフトウェアアプリケーションが処理モジュール上に常駐し、電圧が印可される期間のうちの少なくとも一部の期間を漸減させるように処理モジュールによって実行可能であること、および、ソフトウェアアプリケーションが処理モジュール上に常駐し、所定の電圧が印加される期間を段階的に順次減少させ、電流測定装置によって電流が検出されなくなった場合に、期間を減少させることを停止するように、および、期間と期間との合間に、エレクトロスプレーを生成しない電圧まで電圧を低減させ、好ましくは電圧をスイッチオフするように、処理モジュールによって実行可能であること、を規定する。

本発明の更なる特徴は、エレクトロスプレー機器が大気条件下でエレクトロスプレーを行うように構成されること、あるいは、エレクトロスプレー機器が隔離媒体内でエレクトロスプレーを行うように構成されること、および、少なくともエレクトロスプレー機器と対向電極とは、隔離媒体で満たされた気密密閉された容器内に位置すること、を規定する。

本発明について、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明する。

本発明による流体の密度を測定するシステムの実施形態の概略図である。 図１のシステムを使用して流体の密度を判定する方法を示すフローチャートである。 エチレングリコールの密度を判定するためにエレクトロスプレーシステムを使用する場合の、時間の関数としての正規化電流のシミュレーションである。

エレクトロスプレーは、電気を使用してナノサイズ又はマイクロサイズのドロップレットの微細なプルームを生成する機器である。エレクトロスプレーは、とりわけ、質量分析、ナノファイバのエレクトロスピニング、宇宙ベースの静電推進システム、ナノ構造のための粒子の堆積、医薬品送達、空気浄化、および先進的印刷技術などの、多くの適用分野において使用される。

エレクトロスプレー機器はその最も基本的な形態において、小さな開口を有するエミッタからなり、エミッタは、その開口を通して噴霧される流体、好ましくは液体を通過させるものである。電極として働くエミッタと、エミッタから適切な距離だけ間隙を空けられた対向電極との間に、電圧源を使用して電位が印加される。液体は、電位の結果としてエミッタの先端において強力な電界が構築されることによって放出される。特定の閾値電圧において、エミッタの開口におけるわずかに丸味を帯びた液体の先端が反転し、テイラーコーンとして知られるものが形成され、液体のジェットが放出される。このジェットは開口から離れて移動するにつれて最終的に不安定になり、高度に荷電したドロップレットのスプレーに分離する。

流体、好ましくは液体の密度を測定するシステム（１）の一実施形態が図１に示されている。システム（１）は、液体を収容するチャンバ（４）と流体連通するエレクトロスプレー機器（３）を含む。この実施形態では毛細管である導電性のエミッタ（５）が、チャンバから延在し、毛細管の出口を形成する小さな開口を有する細い先端（９）において終端する。先端は、金、白金、銀、及び銅、またはそれらの合金から選択された材料を用いて被覆されること、またはその材料から作られることが選択される。対向電極（１１）が、先端（９）内の開口の半径の約１０倍の選択された距離において、先端に近接して位置付けられる。分離距離は、必要な実験条件に応じて変更されてもよい。対向電極（１１）は、必要な電界特性に応じた任意の好適な形状およびサイズを有し、例えば、平面表面を有するプレート、またはリング電極であってもよい。

調節可能であってもよい直流電圧源（１３）が、対向電極（１１）とエミッタ（５）の先端（９）との間に接続されて、それらの間に電圧が印加される。エレクトロスプレーシステム内の電流、より詳細にはエミッタ先端と対向電極との間の流体のエレクトロスプレーの結果としてもたらされる電流を測定するために、電流測定装置、この実施形態ではアンメータ（１５）が、対向電極（１１）及び先端（９）と直列に接続される。電圧測定装置、この実施形態ではボルトメータ（１７）が、電圧源（１３）と並列に接続される。抵抗（１９）がエレクトロスプレー機器と直列に接続され、電流を安定化するための、および望ましくない放電が発生する可能性を減らすための、および流体のエレクトスプレーを安定化するためのバラストとして働く。

エレクトロスプレー機器は、電圧源（１３）、ボルトメータ（１７）、及びアンメータ（１５）と通信する処理モジュール（２１）を更に備える。処理モジュール（２１）は、アンメータとボルトメータとクロック、この実施形態では処理モジュール（２１）の内部クロックとを読み取るように、及び電圧源（１３）に命令を発行するように構成される。それを行うために処理モジュールは、記憶手段と、表示手段と、処理モジュール上で動作する好適なソフトウェアとを有してもよく、ソフトウェアは、システム（１）の様々な構成要素に命令を発行してそれが適切な機能を実行できるようにすることが可能である、ということを理解されたい。

図１を参照して上述したシステム（１）を使用して流体の密度を判定する方法について、図２に示すフローチャートを参照して以下に説明する。最初に、エレクトロスプレー機器のエミッタ内に流体が導入される（２９）。第２のステップ（３１）において、電圧源を使用して、エレクトロスプレー機器のエミッタと対向電極との間に、選択された電圧が、選択された密度上限に関連付けられた初期期間にわたって印加される。２０００ｋｇ／ｍ^３の密度上限が選択されてもよく、これはエレクトスプレーが発生するための十分な時間を提供する期間に対応してもよい。選択される電圧は、エミッタからの流体のエレクトロスプレーを生成する電圧である。電圧は、流体のエレクトロスプレーを得るために必要な電界をエミッタの開口においてもたらさなければならない。

次のステップ（３３）において、システム内の電流がアンメータを使用して測定され、処理モジュールは継続的にアンメータを読み取る。エミッタと対向電極との間に電流が測定又は検出された場合（３５）、処理モジュールは、エミッタと対向電極との間に電圧が印加される期間の持続時間を減少させるための命令を電圧源に出す（３７）。期間は好ましくは、１ｍｓ以下の刻みで段階的に減少される。期間が減少され、電圧が再び印加された場合、ステップ（３３）において、アンメータはエミッタと対向電極との間の電流の測定を再開する。ステップ（３３）、（３５）、および（３７）は、ステップ（３５）において電流が測定又は検出されなくなるまで繰り返される。

期間と期間との合間に、電圧は、エレクトロスプレーを生成しない電圧まで低減されるか、またはスイッチオフされる、言い換えるとゼロ電圧まで低減される。電圧は好ましくは、エレクトロスプレーに関連する非線形のヒステリシス効果を回避する様態で低減される。電圧のスイッチオフ、またはエレクトロスプレーを生成しない電圧までの低減は、個別の期間の開始時間及び終了時間を示す。ステップ（３５）においてエミッタと対向電極との間に電流が検出されなくなった場合、ステップ（３９）において、処理モジュールは、システム内で電流が最後に検出された、最短の持続時間を有する期間を識別及び記録する。最短の期間に対応するこの記録された期間は、次にステップ（４１）において、次の関数を使用して流体の密度を計算するために使用される。
Ｔ＝３^３／２（√（ρ／ε_０ ^３））（πγ／Ｅ^３） ⇒ ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
上式で、ρは流体密度、ε_０は真空誘電率定数、Ｔは最短の期間、Ｅはエミッタ先端の開口における電界、およびγは流体の表面張力である。

これまでに説明した実施形態において、エミッタと対向電極との間に電圧が印加される断続的な期間の持続時間は、段階的に順次減少される。電圧が印可される期間は必ずしも順次減少する必要はないということが当業者によって理解されるであろう。エミッタと対向電極との間に電圧が印加される期間のうちの少なくとも一部の期間が漸減すること、言い換えると、実験が進行するにつれて期間のうちの少なくとも一部の期間の持続時間がより短くなることのみが必要である。したがって、減少する傾向を示す期間の間に散在する、増加するまたは一定の持続時間の更なる期間を有することが可能である。

流体の密度を判定する方法は本質的に、エミッタとエミッタから間隙を空けられた対向電極との間に、複数の断続的な期間にわたって電圧を印加することを含まなければならず、ここで、期間のうちの必ずしも全てではない少なくとも一部の期間の持続時間は漸減する。かくして、電流読み取り値が得られた最短の期間が記録され、流体の密度を計算するために使用される。

連続する期間の持続時間は、交互のまたは更には実質的にランダムな様態で変更されてもよく、ここで、期間のうちの少なくとも一部の期間は漸減する持続時間を有する。しかし、期間の持続時間を増加させる傾向と減少させる傾向との間で交互にすること、またはランダムな持続時間の断続的な期間を有することは、方法を実行するために要する時間の大幅な増加を結果としてもたらすため、言い換えると、流体の密度を判定するための時間を増加させるため、順次減少する期間の持続時間を有することよりも望ましくない。

漸減する期間の持続時間は、直線的な様態で減少する必要はなく、最初に指数関数的に減少してもよい、ということも理解されるであろう。

最短の期間をより高い分解能で、またはより高い精度で判定するために、期間の持続時間の微調整を実装することが更に可能であり得る。例えば、２つの連続した減少する期間の間に電流読み取り値がシステム内で得られなくなった場合、より高い分解能を達成するために期間はわずかに増加されてもよく、言い換えると時間の小さな増分を用いて増加されてもよく、その場合、システム内のエミッタと対向電極との間に流れる電流についての電流読み取り値が再び得られる可能性がある。電圧を印加する期間における小さな増加の結果としてもたらされたこの電流読み取り値は、次に、流体の密度を判定する目的のための「最短の」期間として使用されてもよい。あるいは、流体の密度を判定するために使用可能な最短の期間を特定し、記録するために、このより高い分解能において順次減少する期間の更なる組が必要であってもよい。

エレクトロスプレー機器について一般的であるように、液体は、先端と対向電極との間に印加される電圧（電位差）によってチャンバを通して先端に引き込まれる。必要な場合、増加した液体流量を提供するために、システム内にポンプも含まれてもよい。

処理モジュールのメモリ上にプログラムされたソフトウェアを使用して直流電圧源を動作させることが可能であり、直流電圧源は、液体のエレクトロスプレーを結果としてもたらす電圧を、選択された持続時間の期間にわたって印加するような様態で調節可能であってもよい。各期間の合間に、電圧は、エレクトロスプレーを結果としてもたらさない電圧まで低減される。電圧源は、各期間の合間に電圧をゼロまで、またはエレクトスプレーのための閾値電圧未満の任意の電圧まで低減させるようにプログラムされてもよい。電圧源はまた、エレクトロスプレーが停止し正味電流がシステム内で検出可能でなくなるまで、所定の減分を使用して段階的に期間を減少させるようにプログラムされてもよい。期間における減分は、１ｍｓ以下であってもよく、他の要因の中でもとりわけ、エレクトロスプレー機器の構成、電圧源の制御性、実験条件、印加される電圧、および液体の表面張力に依存する。

エレクトロスプレーが発生する場合、すなわち荷電粒子がエミッタの先端と対向電極との間の空間を横切って進んでエレクトロスプレー回路を完成する場合、システム内に電流が流れる。減少する持続時間を有する断続的な期間にわたる電圧の印加に続いて、システム内に電流が存在しなければ、すなわち、それは、テイラーコーンが形成されるための、及び液体のエレクトロスプレーが発生するための十分な時間がなかったことを意味している。

エミッタの先端において存在する液体のメニスカスの丸味を帯びた先端が変形し粒子のジェットが消費される場合、テイラーコーンジェットすなわちエレクトロスプレーコーンジェットがもたらされる。ジェットは先端から離れて移動するにつれて不安定になり、高度に荷電したドロップレットのプルームに分解される。生成されるドロップレットは、表面張力に打ち勝ちドロップレットの分裂を推進するために必要な電荷の量であるレイリーリミット（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｌｉｍｉｔ）に近い電荷量を有してもよい。エミッタの先端から対向電極に向けてのドロップレットの移動は、エレクトロスプレー回路を完成する正味イオン電流を形成し、従って正味電流がアンメータによって検出される。

したがって、（ｉ）エレクトロスプレーを生成するのに十分な電圧がシステムにおいて印加された期間であって、（ｉｉ）電流読み取り値が得られた、かつ（ｉｉｉ）可能な最短の持続時間を有した期間は、エミッタの開口において液体のテイラーコーンが形成されるために必要な時間にほぼ一致する。

テイラーコーンが形成されるために必要な時間は、過去にスヴォロフ（Ｓｕｖｏｒｏｖ）およびズバーレフ（Ｚｕｂａｒｅｖ）によって液体金属について次のように計算された。
Ｔ＝３^３／２（√（ρ／ε_０ ^３））（πγ／Ｅ^３） （１）
上式で、Ｔは最短の期間、ρは液体密度、γは液体の表面張力、ε_０は真空誘電率定数、およびＥはエミッタ先端の開口における電界である。

上記の式は、次の定数η＝π（３^３／２）（√（ε_０ ^−３））を採用することにより単純化でき、次が結果としてもたらされる。
Ｔ＝η（γ（√ρ）／Ｅ^３） （２）

テイラーコーンを形成するために必要な時間は、液体の電荷緩和時間によっても影響を及ぼされるが、これは一般に、テイラーコーンを形成するために要する時間より数桁小さい。電荷緩和時間は概ね１０^−１０秒と１０^−５秒との間の範囲内である。誘電分極の影響が考慮に入れられる。

テイラーコーンを形成するために必要な時間と、液体の表面張力と、エミッタの先端における電界とが既知である場合、式（１）および式（２）を使用して液体の密度を判定可能である。

密度判定プロセスの開始時に、テイラーコーンが形成されエレクトロスプレーが発生するための十分な時間の割り当てを可能にするために、選択された密度上限ρ_Ｍ＝２０００ｋｇ／ｍ^３以上が課されてもよい。したがって、テイラーコーンを形成するために必要な時間Ｔ_Ｃより大きい上限期間Ｔ_Ｍが最初に使用される。電圧の印加のための期間は次に、好ましくは、処理モジュール上の機械読み取り可能命令を用いて段階的に順次減少される。システム内で電流が検出されなくなったら直ちに、処理モジュールは、最後の電流読み取り値が得られた期間が記録される機械読み取り可能命令を出し、その期間から式（１）を使用してρ_Ｍ未満である液体の密度ρ_Ｃが計算される。

式（１）を使用して密度を計算するためには、液体の表面張力とエミッタ先端の開口における電界とが既知でなければならない。

液体の表面張力は、本発明のエレクトロスプレーシステムを使用して、液体の密度を判定するためのものと同じ実験構成において判定され得る。エレクトロスプレーシステムを使用して液体の表面張力を判定する方法は、本願出願人の国際公開第２０１５／１２８８４４Ａ１号パンフレットにおいて概説されており、当該出願は参照によってその全体が本明細書中に援用される。本質的に、表面張力と液体の密度とは、同じエレクトロスプレーシステムを使用して同じ実験条件下で判定可能である。

エミッタ先端の開口における電界は、次の式を使用して計算することが可能である。
Ｅ_ｔｉｐ＝２Ｖ／（Ｒｌｎ（４Ｌ／Ｒ）） （３）
上式で、Ｖは印加電圧、Ｒはエミッタ先端の半径、およびＬは電極分離距離、すなわちエミッタの開口と対向電極との間の距離である。上記の式では、先端における電界の低減を結果としてもたらすものでありＲ≪Ｌの場合にのみ有効な、空間電荷の影響も分極の影響も考慮に入れられていない。

液体表面の不安定性を開始させ、従ってエレクトロスプレーをもたらすテイラーコーンの形成も開始させる、先端および対向電極に印加される臨界の電圧（Ｖ_ｃｒｉｔ）および電界（Ｅ_ｃｒｉｔ）は、以下の式によって与えられる。
Ｖ_ｃｒｉｔ＝（√（γＲ／ε_０））ｌｎ（４Ｌ／Ｒ） 及び
Ｅ_ｃｒｉｔ＝２√（γ／（ε_０Ｒ）） （４）

テイラーコーンが生成された場合、荷電ドロップレットが電極の間を移動するため、正味イオン電流（Ｉ）が観察される（コロナ放電またはイオン放出によるゼロ電流寄与（ｚｅｒｏ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を仮定）。
Ｉ＝（ｆ（ε）／√ε）√（γＫＱ） （５）
上式で、εは液体の比誘電率、Ｋは液体の電気伝導率、Ｑは容積流量であり、経験的関数ｆ（ε）＝ε／２がε＜４０について、およびｆ（ε）＝２０がε≧４０についてそれぞれ定義される。エミッタの開口と対向電極との間の距離は、例えばナノステッパモータを使用して調節されてもよい。

システムの能力を制限する主な作用は、放電およびコロナ放電である。いくつかのエレクトロスプレーの幾何学的配置（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）によって生成される電界はしたがって不均一であり、エレクトロスプレーの前に放電、より具体的にはコロナ放電の発生を引き起こす。コロナ放電は、電気的に付勢された導体を取り囲む流体のイオン化によって起きる放電である。これらのタイプの放電は、導体の周りの電界の強度が、導電性領域を形成するのに十分なほど高いが、近くの物体への絶縁破壊又はアーク放電を引き起こすのに十分なほど高くはない場合に発生し得る。コロナ放電は、急激な電流増加を結果としてもたらし、それによりテイラーコーンの安定性に影響が及ぼされ、エミッタの寿命、特に毛細管の寿命が短縮され、最も重要なことには、エミッタの開口においてテイラーコーンを形成するために要する時間の判定が妨げられるため、望ましくない。

したがって、コロナ閾値電界（Ｅ_Ｃ）は、記載される方法およびシステムの限界を決定するものであるため、考慮されなければならず、次の式によって判定可能である。
Ｅ_Ｃ＝（（２ε＋１）／（２ε））Ｅ_０、ｂ＝２の場合のＥ_Ｃ＝（（ｂε＋１）／（ｂε））Ｅ_０より （６）
上式で、εは液体の比誘電率、およびＥ_０はルース閾値（Ｒｏｕｓｓｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）である。開口の半径に依存するより正確な結果を得るためには、関数ｂ（Ｒ）＝ｐ１・Ｒ＋ｐ２、ここでｐ１＝１１２２９ｍ^−１およびｐ２＝０．１０９２、が採用されなければならない。大部分の液体を表すために比誘電率５が選択されてもよい。

ルース閾値電界は式（７）によって与えられる。
Ｅ_０＝３０＋９Ｒ^−０．５ Ｒ≧１００μｍ
＝６２．７＋１．７４Ｒ^{−０．７５} １５μｍ＜Ｒ＜１００μｍ （７）
上式で、Ｒは、エレクトロスプレーシステムの開口において形成された双曲型点平面形状（ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｐｏｉｎｔ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を有する丸味を帯びたドロップレットの、センチメートル単位での曲率半径である。この式はｋＶ／ｃｍ単位で結果を返す。式７は２．５μｍという小さな曲率半径について成り立つことがクラウポ−（Ｃｌｏｕｐｅａｕ）によって検証された。したがって、所与の液体について、望ましくないコロナ放電が発生する電界を判定することが可能である。

エレクトスプレーシステムのコロナ閾値電界と開口の半径とは既知であるため、エレクトスプレーされる液体の最大表面張力（γ_Ｃ）は、式（８）を使用して解析的に判定され得る。
γ_Ｃ＝（Ｒε_０／４）Ｅ_Ｃ ^２、γ_Ｃ〜Ｒ^−０．５を示唆 （８）
上式で、Ｒは開口先端半径、ε_０は大気又は隔離媒体の比誘電率、およびＥ_Ｃはコロナ閾値電界である。

本発明の一実施形態では、エミッタ先端内の開口の半径は５μｍであるように選択される。先端内の開口の半径が５μｍであるように選択された場合、エミッタ先端と対向電極との間の距離は、比較的高い電圧が印加された場合に放電が発生する可能性を低減させるために、理想的には半径の約１０倍、言い換えると５０μｍでなければならない。約１０：１の分離距離−半径比によって最高のコロナ開始電界が結果としてもたらされ、コロナ放電による電流読み取り値の不明瞭化なしに、より高い表面張力の液体を測定することが可能になる。５０μｍという選択された距離を使用すれば、大部分の液体の密度は約８００Ｖ未満の電圧を印加することによって測定可能である。１０：１未満の分離距離−半径比を使用することが可能であるが、その場合、モデル内に補正因子が導入されなければならない。

必要ならば、先端と対向電極との間のより短い距離が必要であるように、先端内により小さな開口を有することによって、かつ空気以外の、例えば絶縁および／または不活性ガスなどの隔離媒体を使用することによって、印加電圧は、高い表面張力の液体を測定するために最大化されてもよい。

本発明の一実施形態では、ホウケイ酸ガラス毛細管がエミッタとして使用されてもよく、それにより、エミッタ、および調査される液体を加熱又は冷却することが可能な外部温度コントローラを使用して温度を変化させることが可能になる。したがって本発明のシステムおよび方法は、可変温度の密度判定を行うのにも適している。判定が行われ得る最大温度は、エミッタ又は毛細管が作られる材料の熱的特性によって制限される場合があり、この実施形態では最大温度は十分に高くなる。ホウケイ酸ガラスの軟化点は、例えば約８２０℃である。ホウケイ酸ガラスは、エレクトロスプレー機器における可変温度測定のためにこれを好適なものとする、低い熱膨張係数も有する。

例示の目的のために、エレクトロスプレーシステムを使用した、時間の関数としての、シミュレーションされ正規化された電流測定値を図３に示す。シミュレーションは、表面張力４５ｍＮ／ｍ及び既知の密度１１１３ｋｇ／ｍ^３を有するエチレングリコールの密度を判定するための、エレクトロスプレーシステムの使用を実証する。キムら（キムＪ．（Ｋｉｍ Ｊ．）、オーＨ（Ｏｈ Ｈ．）、キムＳ．Ｓ．（Ｋｉｍ Ｓ．Ｓ．）著「様々な周波数でのパルスコーンジェットモードにおける電気流体力学ドロップ・オン・デマンドのパターン形成（Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｉｎ ｐｕｌｓｅｄ ｃｏｎｅ−ｊｅｔ ｍｏｄｅ ａｔ ｖａｒｉｏｕｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００８年、３９、８１９〜８２５ページ）によって記載されたパルスコーンジェットエレクトロスプレーシステムの実験構成がシミュレーションのために使用される。図３に示すシミュレーションされた電流測定値は、理想的なシステムについてのものであり、実際に存在する可能性があるノイズおよび干渉信号からのバックグラウンド電流は示されていない。

密度上限ρ_Ｍを使用して形成時間上限Ｔ_Ｍ＝５１ｍｓが計算され、一方、実際の形成時間はＴ_Ｃ＝３８．１４ｍｓである。図３から、約３８ｍｓの後にテイラーコーンが形成されるまで電流は０であることは明らかである。５１ｍｓの形成時間上限Ｔ_Ｍに達するまで電流が測定され、その後電流はゼロに低下する。電圧を印加する期間が漸進的に減少される場合、エレクトロスプレーが発生する間の、かつ電流が検出される間の時間ΔＴは減少する。電圧を印加する期間が、テイラーコーンが形成されるための十分な時間を許可しないように減少された場合、電流はアンメータによって読み取られない。電圧を印加する期間がＴ_Ｃ（３８．１４ｍｓ）にほぼ等しい場合の、最後の電流読み取り値に対応する期間が記録され、テイラーコーンを形成するために必要な実際の時間とみなされ、これは次に、式（１）の再編成されたバージョンを以下の様態で解くことによって液体の密度ρ_Ｃを計算するために使用される。
ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
＝（（８．８５４１８７８１７×１０^−１２Ｆ／ｍ）／３）^３（（３８．１４ｍｓ×（２．９×１０^６Ｖ／ｍ）^３）／（π（４．５×１０^−２Ｎ／ｍ）））^２
＝１１１３ｋｇ／ｍ^３

上述の例において、液体の表面張力は既知であると仮定されている。本発明による方法およびシステムが未確認の液体または液体の混合物の密度を判定するために使用される場合、液体密度を判定する前に、本明細書に記載された、かつ本願出願人の国際公開第２０１５／１２８８４４Ａ１号パンフレットによるエレクトロスプレーシステムを使用して、未確認の液体または液体の混合物の表面張力も判定することが可能である。

提案されたシステムの精度は主として、電圧を印加する期間が減少される減分のサイズと、電流を測定する装置の感度とに依存する。精度はまた、他の要因の中でもとりわけ、電圧および電流を測定する装置と電圧源と処理モジュールとの間の同期品質に依存する。

液体の密度を判定する既知の方法とは異なり、本明細書中に記載されたシステムおよび方法では、先端に向かう液体の低流量および小さな開口サイズの結果として、マイクロリットル範囲における液体の量が密度判定ごとに使用される。液体は静水圧下にはないが、印加電圧によってエミッタから引き出される。単一の密度判定のためのサンプル容積は、液体密度の判定のためのほとんどの既知の方法によって使用されるものの数分の１である。更に、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、サンプル当たりの非常に短い測定時間と高精度とを密度判定のために提供する。

上記の説明は単なる例であり、説明されたシステムおよび方法に対して、本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更および修正が行われてもよいということを理解されたい。例えば、印加すべき正確な電圧を指定することによって電圧源をデジタル制御することが可能である場合、エミッタと対向電極との間に印加される正確な電圧はすでに知られているため、システム内の、ボルトメータなどの電圧を測定するための追加の装置の必要性は緩和されてもよい、ということは直ちに明らかとなるであろう。但しボルトメータは、電圧が正常に、かつ印加されるようにプログラムされた様態で印加されているかどうかに関するフィードバックを提供するための制御機構として働く。電圧および／または電流を測定するための任意の好適な装置（１つまたは複数）が使用されてもよいということは当業者にとって明らかであろう。

その上、流体の密度を判定する方法およびシステムは、液体、または流体様の特性を有する比較的高濃度のガスを含む、流体のために使用されてもよいということが当業者によって理解されるであろう。

システムの動作は好適なソフトウェア命令およびアルゴリズムによって制御されてもよいということ、および最短の期間から液体の密度を導出するために使用される計算は処理モジュール上にプログラムされてもよいということも、当業者にとって明らかであろう。したがって本発明のシステムは、単独のユニットとして提供されてもよく、または既存の外部プロセッサまたはその他のコンピュータに接続可能であってもよい。

本明細書及び特許請求の範囲の全体を通して、内容によって特に要求されない限り、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む、備える）」という語、あるいは「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む、備える）」又は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む、備える）」などの変形は、述べられた完全体または完全体の群の包含を意味するが、その他のいかなる完全体または完全体の群の除外も意味しないと理解される。

Claims (15)

1. 流体の密度を判定する方法であって、
   エレクトロスプレー機器（３）のエミッタ（５）内に前記流体を導入するステップと、
   前記エミッタ（５）と前記エミッタ（５）から間隙を空けられた対向電極（１１）との間に、複数の断続的な期間にわたって電圧を印加するステップであって、前記電圧が印加される前記期間のうちの少なくとも一部の前記期間の持続時間が漸減するステップと、
   前記期間のそれぞれについて前記エミッタ（５）と前記対向電極（１１）との間の電流を測定するステップと、
   前記エミッタ（５）と対向電極（１１）との間の電流読み取り値が得られた最短の期間を特定し、記録するステップと、
   前記流体の前記密度を前記最短の期間の関数として計算するステップと、
   を含む方法。
2. 前記流体の前記密度は関数：
   ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
   を使用して計算され、上式で、ρは流体密度、ε_０は真空誘電率定数、Ｔは前記最短の期間、Ｅはエミッタ先端（９）の開口における電界、およびγは前記流体の表面張力である、請求項１に記載の方法。
3. 期間中に前記エミッタと前記対向電極との間に印加される前記電圧は、前記流体のエレクトロスプレーを生成するのに十分であり、前記期間と前記期間との合間に、前記電圧は前記流体のエレクトロスプレーを生成しない電圧まで低減されるかまたはスイッチオフされる、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記電圧が印加される前記期間は、エレクトロスプレーが発生するための十分な時間を割り当てるため、選択された密度上限に関連付けられた初期期間を用いて開始される、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記電圧が印加される前記期間の前記持続時間は、段階的に順次減少する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記電圧が印加される前記期間の前記持続時間は１ｍｓ以下の刻みで減少する、請求項５に記載の方法。
7. 前記初期期間は、２０００ｋｇ／ｍ^３以上である密度上限と関連付けられる、請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 流体の密度を測定するシステム（１）であって、
   前記流体が引き込まれるエミッタ（５）と、
   前記エミッタ（５）から間隙を空けられた少なくとも１つの対向電極（１１）と、
   前記エミッタからの前記流体のエレクトロスプレーを生成するために前記エミッタ（５）と前記対向電極（１１）との間に電圧を印加するように構成された電圧源（１３）と、
   を有するエレクトロスプレー機器（３）と、
   前記エミッタと前記対向電極との間に印加された前記電圧を測定する装置と、
   前記エミッタと前記対向電極（１１）との間の前記流体のエレクトロスプレーの結果として前記システム内を流れる電流を測定する装置と、
   を備える、前記システム（１）であって、
   少なくとも前記電圧源（１３）、電圧測定装置（１７）、および電流測定装置（１５）と通信する処理モジュール（２１）が、複数の断続的な期間にわたって前記エミッタ（５）と前記対向電極（１１）との間に電圧を印加するよう前記電圧源（１３）を動作させるように構成され、
   前記電圧が印加される前記期間のうちの少なくとも一部の前記期間の持続時間が漸減し、
   前記処理モジュール（２１）はさらに、前記電流測定装置（１５）を読み取り、前記システム内で電流読み取り値が得られた最短の期間を記録するように構成されることを特徴とする、システム（１）。
9. 前記処理モジュールは前記流体の前記密度を前記最短の期間の関数として計算するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記関数は、
    ρ＝（ε_０／３）^３（ＴＥ^３／（πγ））^２
    であり、上式で、ρは流体密度、ε_０は真空誘電率定数、Ｔは前記最短の期間、Ｅはエミッタ先端（９）の開口における電界、およびγは前記流体の表面張力である、請求項９に記載のシステム。
11. 前記電圧源（１３）はプログラム可能な直流電圧源である、請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. ソフトウェアアプリケーションが前記処理モジュール（２１）上に常駐し、電圧が印可される前記期間のうちの少なくとも一部の前記期間を漸減させるように前記処理モジュール（２１）によって実行可能である、請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. ソフトウェアアプリケーションが前記処理モジュール（２１）上に常駐し、前記期間を段階的に順次減少させ、前記電流測定装置（１５）によって電流が検出されなくなった場合に、前記期間を減少させることを停止し、前記期間と前記期間との合間に、エレクトロスプレーを生成しない電圧まで前記電圧を低減させるか、または前記電圧をスイッチオフするように、前記処理モジュール（２１）によって実行可能である、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記エレクトロスプレー機器（３）は大気条件下でエレクトロスプレーを行うように構成される、請求項８〜請求項１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 前記エレクトロスプレー機器（３）は隔離媒体内でエレクトロスプレーを行うように構成され、少なくとも前記エレクトロスプレー機器と前記対向電極とは、前記隔離媒体で満たされた気密密閉された容器内に位置する、請求項８〜請求項１３のいずれか一項に記載のシステム。