JP2020134256A - System and method for measuring viscosity of liquid - Google Patents

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Abstract

To provide a system and method for measuring the viscosity of a liquid, capable of reducing a measurement time and simply and accurately measuring the viscosity even when the amount of samples to be required is less.SOLUTION: A system for measuring the viscosity of a liquid comprises: a dropping mechanism 1 for dropping a liquid so as to freely fall from a dropping part 11 positioned at a predetermined height as a droplet; a collision part 2 provided to face the dropping part 11 and for colliding the droplet dropped from the dropping part 11; a first measurement device 31 for measuring the state of the droplet when dropped from the dropping part 11; a second measurement device 32 for measuring the state of the droplet just before colliding with the collision part 2; a third measurement device for measuring the state of the droplet after colliding with the collision part 2; and a viscosity calculation device for calculating the viscosity of the liquid on the basis of the measurement results of the first measurement device 31, second measurement device 32 and third measurement device.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法に関し、特に、血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体の粘度や、金属やガラス等の高融点を有する材料の液体の粘度を簡易に計測することのできる液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法に関する。 The present invention relates to a liquid viscosity measuring system and a liquid viscosity measuring method, and more particularly to a liquid having a coagulable viscosity such as blood, a paint, or an adhesive, or a liquid having a high melting point such as metal or glass. The present invention relates to a liquid viscosity measuring system capable of easily measuring the viscosity and a liquid viscosity measuring method.

従来、液体の粘度の計測には、細管式、回転式、落体式、振動式等の計測器が広く用いられている。細管式の粘度計測器は、細管内に液体サンプルを通して、単位時間に流れる液体の体積(流量)と細管の両端の圧力差に基づき粘度を求めるものであって、最も古典的な粘度計測器である。回転式の粘度計測器は、液体サンプル中に円筒形の回転子を入れ、その回転トルクが液体の粘度に比例することを利用して粘度を求めるものである。落体式の粘度計測器は、液体サンプル中に一定の寸法及び密度を有する円柱形又は球形の剛体を自由落下させ、一定距離を落下する時間に基づき粘度を求めるものである。振動式の粘度計測器は、近年用いられるようになってきたものであって、液体サンプル中に挿入した振動子を一定の振幅で振動させるための駆動電流から液体の粘度を求めるものである。 Conventionally, measuring instruments such as a thin tube type, a rotary type, a falling body type, and a vibration type are widely used for measuring the viscosity of a liquid. The thin tube type viscosity measuring instrument is the most classic viscosity measuring instrument, which measures the viscosity based on the volume (flow rate) of the liquid flowing in a unit time and the pressure difference between both ends of the thin tube by passing a liquid sample through the thin tube. is there. The rotary viscosity measuring instrument puts a cylindrical rotor in a liquid sample and obtains the viscosity by utilizing the fact that the rotational torque is proportional to the viscosity of the liquid. The falling body type viscosity measuring instrument is for free-falling a cylindrical or spherical rigid body having a certain size and density in a liquid sample and obtaining the viscosity based on the time for dropping a certain distance. The vibration type viscosity measuring instrument has come to be used in recent years, and obtains the viscosity of a liquid from a driving current for vibrating an oscillator inserted in a liquid sample with a constant amplitude.

しかしながら、上述のような従来の粘度計測器は、構造が複雑であり操作が簡易とはいい難く、計測器自体も大型で高価である。また、このような計測器は、液体の粘度を計測するためにある程度の時間を必要とすることから、特に血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体の粘度を計測する場合には、計測中に液体が凝固して粘性が変化してしまうことにより、正常な粘度計測ができないという問題がある。そして、凝固した液体のせいで、計測後の計測器の洗浄にコストがかかり、場合によっては計測器の故障につながることもある。また、金属やガラス等の高融点を有する材料の液体の粘度を計測する場合には、2000℃程度の高温環境において使用可能な材料を用いて装置を製作する必要があるという問題や、多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるため、従来の計測器では粘度の計測自体が非常に困難であるという問題がある。さらに、このような計測器は、必要とする液体サンプル量が数10ccから100cc程度と比較的多いため、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測には適さないという問題もある。 However, the conventional viscosity measuring instrument as described above has a complicated structure and is not easy to operate, and the measuring instrument itself is large and expensive. In addition, since such a measuring instrument requires a certain amount of time to measure the viscosity of a liquid, especially when measuring the viscosity of a coagulable liquid such as blood, paint, or adhesive. However, there is a problem that normal viscosity measurement cannot be performed because the liquid solidifies and the viscosity changes during measurement. And, because of the solidified liquid, it is costly to clean the measuring instrument after the measurement, and in some cases, it may lead to the failure of the measuring instrument. In addition, when measuring the viscosity of a liquid of a material having a high melting point such as metal or glass, there is a problem that it is necessary to manufacture an apparatus using a material that can be used in a high temperature environment of about 2000 ° C. Since the physical properties are strongly influenced by the surrounding environment such as temperature and oxygen concentration, there is a problem that it is very difficult to measure the viscosity itself with a conventional measuring instrument. Further, since such a measuring instrument requires a relatively large amount of liquid sample of about several tens of cc to 100 cc, there is a problem that it is not suitable for measuring the viscosity of a liquid for which it is difficult to prepare a sufficient amount of sample. ..

本発明は上述のような事情に基づいてなされたものであり、従来の粘度計測器と比べて計測時間が短く、必要とするサンプル量が少なくても、簡易かつ正確にその粘度を計測することができる液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the above circumstances, and the measurement time is shorter than that of a conventional viscosity measuring instrument, and even if the required sample amount is small, the viscosity can be measured easily and accurately. It is an object of the present invention to provide a liquid viscosity measuring system and a liquid viscosity measuring method.

上記課題を解決するために、第一に本発明は、液体を質量Mの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下手段と、前記滴下部に対向して設けられ、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させるための衝突部と、前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第1測定手段と、前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第2測定手段と、前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第3測定手段と、前記第1測定手段の測定結果、前記第2測定手段の測定結果及び前記第3測定手段の測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出手段とを備え、前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、前記第3測定手段が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定するものである液体の粘度計測システムを提供する(発明1)。 In order to solve the above problems, first, the present invention comprises a dropping means for dropping a liquid as a droplet having a mass M so as to freely drop from a dropping portion located at a predetermined height, and facing the dropping portion. Provided, a collision portion for colliding the droplet dropped from the dropping portion, a first measuring means for measuring the state of the droplet at the time of dropping from the dropping portion, and immediately before the collision with the collision portion. The second measuring means for measuring the state of the droplets, the third measuring means for measuring the state of the droplets after colliding with the collision portion, the measurement results of the first measuring means, and the second measuring means. It is provided with a viscosity calculating means for calculating the viscosity of the liquid based on the measurement result and the measurement result of the third measuring means, and the collision portion has an incident surface, an emitting surface and a reflecting surface, and is incident from the incident surface. It is a total reflection prism that totally reflects the laser beam on the reflection surface and emits it from the emission surface. The liquid that the third measuring means collides with the reflection surface of the total reflection prism and is deformed into a substantially circular shape. Provided is a liquid viscosity measuring system for measuring the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet of drops (Invention 1).

かかる発明(発明1)によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第1測定手段、第2測定手段及び第3測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。 According to the present invention (Invention 1), the measurement results of the first measuring means, the second measuring means, and the third measuring means show that the liquid is freely dropped as a liquid drop and collides with the collision portion in a short time. The viscosity of the liquid can be measured. As a result, even if the liquid to be measured has coagulability such as blood, paint, and adhesive, and many physical properties such as metal and glass are strongly affected by the surrounding environment such as temperature and oxygen concentration. Even if there is, accurate viscosity measurement is possible. Further, since the viscosity of the liquid can be measured with an extremely small sample amount of one drop, it can be used for measuring the viscosity of a liquid for which it is difficult to prepare a sufficient sample amount, and it is highly versatile.

さらに、かかる発明(発明1)によれば、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第3測定手段により、最大濡れ広がり径Dwetを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。 Further, according to the invention (Invention 1), since the collision portion is a total reflection prism, a portion where the droplet is in contact with the reflection surface of the total reflection prism based on the high-contrast image of the reflected light and the transmitted light. Since the portion that is not in contact with the light is clarified, the maximum wet spread diameter D wet can be measured with high accuracy by the third measuring means. Therefore, when the droplet collides with the surface of the collision portion and spreads in a substantially circular shape, the peripheral portion of the droplet deformed into a substantially circular shape is the collision portion because the collision speed of the droplet is sufficiently high. It is possible to accurately measure the viscosity of a liquid even when it is separated from the surface or the peripheral portion is split and minute droplets are scattered radially.

上記発明(発明1)においては、前記第1測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであることが好ましい(発明2)。 In the above invention (Invention 1), it is preferable that the first measuring means suspends the dropping portion and measures the contour shape S of the droplet immediately before it falls freely (Invention 2).

上記発明(発明1,2)においては、前記第2測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであることが好ましい(発明3)。 In the above inventions (Inventions 1 and 2), the second measuring means sets the maximum horizontal diameter D 0 of the droplet and the measuring point at the measuring point immediately before the collision with the reflecting surface of the total reflection prism as the liquid. It is preferable to measure the transit time ΔT required for the droplet to pass (Invention 3).

上記発明(発明1)においては、前記第1測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであり、前記第2測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであり、前記粘度算出手段が、前記第1測定手段により測定された輪郭形状S及び前記質量Mに基づき前記液滴の体積V、密度ρ及び表面張力σを算出する第1算出手段と、前記第2測定手段により測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに前記第1算出手段により算出された体積Vに基づき前記液滴の衝突速度Uを算出する第2算出手段とを備えることが好ましい(発明4)。 In the above invention (Invention 1), the first measuring means suspends the dropping portion and measures the contour shape S of the droplet immediately before the free drop, and the second measuring means is the said. It is for measuring the transit time ΔT takes a maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the droplet to the droplet passes through the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism, the viscosity The calculation means is a first calculation means for calculating the volume V, the density ρ and the surface tension σ of the droplet based on the contour shape S and the mass M measured by the first measurement means, and the second measurement means. It is preferable to provide a second calculation means for calculating the collision speed U 0 of the droplet based on the measured maximum diameter D 0, the passing time ΔT, and the volume V calculated by the first calculation means (Invention 4). ..

従来、液体の主要物性である粘度、密度及び表面張力の計測には、それぞれに専用の計測器が用いられている。かかる発明(発明4)によれば、一度の計測で、液体の粘度だけでなく密度及び表面張力を同時に計測することができるので、効率的である。 Conventionally, dedicated measuring instruments have been used for measuring the viscosity, density, and surface tension, which are the main physical properties of a liquid. According to the present invention (Invention 4), not only the viscosity of the liquid but also the density and the surface tension can be measured at the same time by one measurement, which is efficient.

上記発明(発明4)においては、前記粘度算出手段が、前記第2測定手段により測定された最大径D、前記第3測定手段により測定された最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出手段により算出された密度ρ及び前記第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(1)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出手段をさらに備えることが好ましい(発明5)。

(式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
In the above invention (Invention 4), the viscosity calculating means has a maximum diameter D 0 measured by the second measuring means, a maximum wet spread diameter D wet measured by the third measuring means, and the first calculating means. It is preferable to further provide a third calculation means for calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation equation (1) from the density ρ calculated by the above method and the collision speed U 0 calculated by the second calculation means (1). Invention 5).

(In equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We =, respectively. ρU 0 2 D 0 / σ.)

かかる発明(発明5)によれば、上記式(1)を用いて計測対象である液体の粘度を求めることができる。 According to the present invention (Invention 5), the viscosity of the liquid to be measured can be determined by using the above formula (1).

上記発明(発明4)においては、前記粘度算出手段が、前記第2測定手段により測定された最大径D、前記第3測定手段により測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出手段により算出された密度ρ及び前記第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出手段をさらに備えることが好ましい(発明6)。

(式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
In the above invention (Invention 4), the viscosity calculating means has a maximum diameter D 0 measured by the second measuring means, a maximum spread diameter D max and a maximum wet spread diameter D wet measured by the third measuring means. A third calculation means for calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation equation (2) from the density ρ calculated by the first calculation means and the collision speed U 0 calculated by the second calculation means. Further provision is preferable (Invention 6).

(In equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. Reynolds number Re and Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We = ρU 0 2 D 0, respectively. / Σ.)

かかる発明(発明6)によれば、上記式(2)を用いて計測対象である液体の粘度を求めることができる。 According to the invention (Invention 6), the viscosity of the liquid to be measured can be determined by using the above formula (2).

上記発明(発明1−6)においては、前記液体が、凝固性を有する液体であることが好ましい(発明7)。 In the above invention (Invention 1-6), it is preferable that the liquid is a liquid having coagulability (Invention 7).

上記発明(発明1−6)においては、前記液体が、高融点を有する材料の液体であるであることが好ましい(発明8)。 In the above invention (Invention 1-6), it is preferable that the liquid is a liquid of a material having a high melting point (Invention 8).

第二に本発明は、液体を質量Mの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下工程と、前記滴下部に対向して設けられた衝突部に、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させる衝突工程と、前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第1測定工程と、前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第2測定工程と、前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第3測定工程と、前記第1測定工程で得られた測定結果、前記第2測定工程で得られた測定結果及び前記第3測定工程で得られた測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出工程とを備え、前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、前記第3測定工程が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定するものである液体の粘度計測方法を提供する(発明9)。 Secondly, the present invention comprises a dropping step of dropping a liquid as a droplet having a mass of M so as to freely drop from a dropping portion located at a predetermined height, and a collision portion provided opposite to the dropping portion. The collision step of colliding the droplets dropped from the dropping portion, the first measurement step of measuring the state of the droplets at the time of dropping from the dropping portion, and the state of the droplets immediately before the collision with the collision portion. The second measurement step to be measured, the third measurement step to measure the state of the droplet after collision with the collision portion, and the measurement results obtained in the first measurement step were obtained in the second measurement step. It includes a measurement result and a viscosity calculation step of calculating the viscosity of the liquid based on the measurement result obtained in the third measurement step, and the collision portion has an incident surface, an exit surface and a reflecting surface, and the incident surface is provided. It is a total reflection prism that totally reflects the laser light incident from the above on the reflection surface and emits it from the emission surface. The third measurement step collides with the reflection surface of the total reflection prism and deforms into a substantially circular shape. Provided is a method for measuring the viscosity of a liquid, which measures the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet of the droplets (Invention 9).

上記発明(発明9)においては、前記第1測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであることが好ましい(発明10)。 In the above invention (Invention 9), it is preferable that the first measuring step measures the contour shape S of the droplet immediately before it is suspended from the dropping portion and freely dropped (Invention 10).

上記発明(発明9,10)においては、前記第2測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであることが好ましい(発明11)。 In the above inventions (Inventions 9 and 10), the second measurement step sets the maximum horizontal diameter D 0 of the droplet and the measurement point at the measurement point immediately before the collision with the reflection surface of the total reflection prism with the liquid. It is preferable to measure the transit time ΔT required for the droplet to pass (Invention 11).

上記発明(発明11)においては、前記第1測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであり、前記第2測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであり、前記粘度算出工程が、前記第1測定工程で測定された輪郭形状S及び前記質量Mに基づき前記液滴の体積V、密度ρ及び表面張力σを算出する第1算出工程と、前記第2測定工程で測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに前記第1算出工程で算出された体積Vに基づき前記液滴の衝突速度Uを算出する第2算出工程とを備えることが好ましい(発明12)。 In the above invention (Invention 11), the first measuring step is for measuring the contour shape S of the droplet immediately before it is suspended from the dropping portion and freely dropped, and the second measuring step is the said. It is for measuring the transit time ΔT takes a maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the droplet to the droplet passes through the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism, the viscosity The calculation steps are the first calculation step of calculating the volume V, the density ρ and the surface tension σ of the droplet based on the contour shape S and the mass M measured in the first measurement step, and the second measurement step. It is preferable to include a second calculation step of calculating the collision speed U 0 of the droplet based on the measured maximum diameter D 0, the passing time ΔT, and the volume V calculated in the first calculation step (Invention 12). ..

上記発明(発明12)においては、前記粘度算出工程が、前記第2測定工程で測定された最大径D、前記第3測定工程で測定された最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出工程で算出された密度ρ及び前記第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記相関式(1)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出工程をさらに備えることが好ましい(発明13)。

(式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
In the above invention (Invention 12), the viscosity calculation step is the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step, and the first calculation step. It is preferable to further include a third calculation step of calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation formula (1) from the density ρ calculated in the above and the collision speed U 0 calculated in the second calculation step (1). Invention 13).

(In equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We =, respectively. ρU 0 2 D 0 / σ.)

上記発明(発明12)においては、前記粘度算出工程が、前記第2測定工程で測定された最大径D、前記第3測定工程で測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出工程で算出された密度ρ及び前記第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出工程をさらに備えることが好ましい(発明14)。

(式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
In the above invention (Invention 12), the viscosity calculation step includes the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step. A third calculation step of calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation equation (2) from the density ρ calculated in the first calculation step and the collision speed U 0 calculated in the second calculation step. Further provision is preferable (Invention 14).

(In equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. Reynolds number Re and Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We = ρU 0 2 D 0, respectively. / Σ.)

上記発明(発明9−13)においては、前記液体が、凝固性を有する液体であることが好ましい(発明15)。 In the above invention (Invention 9-13), it is preferable that the liquid is a liquid having coagulability (Invention 15).

上記発明(発明9−13)においては、前記液体が、高融点を有する材料の液体であることが好ましい(発明16)。 In the above invention (Invention 9-13), it is preferable that the liquid is a liquid of a material having a high melting point (Invention 16).

本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第1測定手段、第2測定手段及び第3測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。 According to the liquid viscosity measuring system and the liquid viscosity measuring method of the present invention, the first measuring means, the second measuring means and the first measuring means and the second measuring means and the first measuring means and the second measuring means and the second measuring means in a short time until the liquid is freely dropped as a droplet and collided with the collision portion The viscosity of the liquid can be measured from the measurement results of the three measuring means. As a result, even if the liquid to be measured has coagulability such as blood, paint, and adhesive, and many physical properties such as metal and glass are strongly affected by the surrounding environment such as temperature and oxygen concentration. Even if there is, accurate viscosity measurement is possible. Further, since the viscosity of the liquid can be measured with an extremely small sample amount of one drop, it can be used for measuring the viscosity of a liquid for which it is difficult to prepare a sufficient sample amount, and it is highly versatile.

そして、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第3測定手段により、最大濡れ広がり径Dwetを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。 Then, since the collision portion is a total reflection prism, it is clarified where the droplets are in contact with the reflection surface of the total reflection prism and where they are not in contact, based on the high-contrast image of the reflected light and the transmitted light. Therefore, the maximum wet spread diameter D wet can be measured with high accuracy by the third measuring means. Therefore, when the droplet collides with the surface of the collision portion and spreads in a substantially circular shape, the peripheral portion of the droplet deformed into a substantially circular shape is the collision portion because the collision speed of the droplet is sufficiently high. It is possible to accurately measure the viscosity of a liquid even when it is separated from the surface or the peripheral portion is split and minute droplets are scattered radially.

本発明の一実施形態に係る液体の粘度計測システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the viscosity measurement system of the liquid which concerns on one Embodiment of this invention. 液滴が衝突部に衝突して略円形状に広がる際に、略円形状に変形した液滴の周縁部が衝突部の表面から離れた状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which the peripheral part of the droplet deformed into a substantially circular shape is separated from the surface of a collision part when a droplet collides with a collision part and spreads in a substantially circular shape. 衝突部へ衝突させた液滴の状態変化を示す模式図であって、(a)は衝突直前の状態、(b)は衝突後、慣性力によって略円形状に変形しつつある状態、(c)は略円形状への変形が最大に達した状態、(d)は(c)の後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態を示している。It is a schematic diagram which shows the state change of the droplet which collided with the collision part, (a) is the state just before the collision, (b) is the state which is being deformed into a substantially circular shape by inertial force after the collision, (c). ) Indicates a state in which the deformation to a substantially circular shape is reached to the maximum, and (d) indicates a state in which after (c), it contracts in the returning direction due to surface tension or the like and reaches equilibrium. TIR法による液滴の最大濡れ広がり径Dwetの計測原理を示す模式図であって、(a)は全反射プリズムの反射面において広がる液滴の濡れ領域からの反射光強度が減衰する様子を表す模式図を、(b)は全反射プリズムの出射面に沿う方向の濡れ領域画像の模式図を示している。It is a schematic diagram which shows the measurement principle of the maximum wet spread diameter Dwet of a droplet by the TIR method, and (a) shows how the reflected light intensity from a wet region of a droplet spreading on the reflection surface of a total reflection prism is attenuated. (B) shows a schematic diagram showing a wet region image in the direction along the emission surface of the total reflection prism. 図1の液体の粘度計測システムが備える第3測定装置の測定結果を示すものであって、(a)は全反射プリズムの出射面に沿う方向の液滴画像、(b)は(a)の画像における直線上の輝度値の変化を示すグラフである。The measurement result of the third measuring apparatus included in the liquid viscosity measurement system of FIG. 1 is shown, (a) is a droplet image in the direction along the exit surface of the total reflection prism, and (b) is (a). It is a graph which shows the change of the brightness value on a straight line in an image. 水を用いた実験で得られた異なる衝突速度における最大径(Dmax,Dwet)と接触角θとの関係を示すグラフであって、(a)は最大濡れ広がり径Dwetと接触角θの関係、(b)は最大広がり径Dmaxと接触角θの関係を示している。It is a graph showing the relationship between the maximum diameter (D max , D wet ) and the contact angle θ at different collision velocities obtained in the experiment using water, and (a) is the maximum wetting spread diameter D wet and the contact angle θ. , (B) shows the relationship between the maximum spread diameter D max and the contact angle θ. 図6(a)に示す水を用いた実験結果にグリセリン水溶液の実験結果を追加して、縦軸をDwet/Dとして、横軸をRe1/5We1/4としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の高い液体(表面張力:60−72mN/m)について、相関式(1)で表される関係性が成り立つことを示している。In the graph in which the experimental result of the glycerin aqueous solution is added to the experimental result using water shown in FIG. 6 (a), the vertical axis is D wet / D 0 and the horizontal axis is Re 1/5 We 1/4. Therefore, it is shown that the relationship represented by the correlation equation (1) holds for these liquids having a relatively high surface tension (surface tension: 60-72 mN / m). イソプロパノール及びシリコーンオイルを用いた実験結果を、縦軸をDwet/Dとして、横軸をRe1/5We1/4としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の低い液体(表面張力:約20mN/m)について、相関式(1)で表される関係性が成り立つことを示している。It is a graph in which the experimental results using isopropanol and silicone oil are plotted with the vertical axis as D wet / D 0 and the horizontal axis as Re 1/5 We 1/4 , and these liquids having relatively low surface tension (surface). It is shown that the relationship represented by the correlation equation (1) holds for tension: about 20 mN / m). 広範囲の粘度、表面張力、接触角を有する液体について、相関式(2)で表される関係性が成り立つことを示すグラフである。It is a graph which shows that the relationship represented by the correlation equation (2) holds for the liquid which has a wide range of viscosity, surface tension, and contact angle. 図9に示す各種条件における比例関係の比例係数を、液滴の膜厚hと衝突液滴内に形成される粘性境界層厚さδとの比の関数として表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the proportionality coefficient of the proportional relationship under various conditions shown in FIG. 9 as a function of the ratio of the thickness h of the droplet to the thickness δ of the viscous boundary layer formed in the collision droplet. 相関式を用いて最大濡れ広がり径Dwetから類推する方法における例を示す図であって、(a)は水を用いた場合の最大濡れ広がり径Dwetと最大広がり径Dmaxの関係性を表すグラフ、(b)は(a)から導出される実験相関式を示している。It is a figure which shows an example of the method of inferring from the maximum wet spread diameter D wet using a correlation equation, (a) shows the relationship between the maximum wet spread diameter D wet and the maximum spread diameter D max when water is used. The graph represented by (b) shows an experimental correlation equation derived from (a). 図1の液体の粘度計測システムが備える第1測定装置の測定結果を示す画像であって、(a)は、撮影された画像、(b)は(a)の画像を二値化した画像、(c)は(b)の画像から、滴下部に懸垂し、自由落下する直前の液滴の輪郭形状を抽出した画像である。An image showing the measurement result of the first measuring device included in the liquid viscosity measuring system of FIG. 1, (a) is a photographed image, and (b) is a binarized image of the image of (a). (C) is an image obtained by extracting the contour shape of the droplet immediately before it is suspended from the dropping portion and dropped freely from the image of (b). 図1の液体の粘度計測システムが備える第2測定装置の測定結果を示す波形図であって、縦軸は第2測定装置によって検知された液滴の水平方向の長さ、横軸は時間である。It is a waveform diagram which shows the measurement result of the 2nd measuring apparatus provided in the liquid viscosity measurement system of FIG. 1, the vertical axis is the horizontal length of the droplet detected by the 2nd measuring apparatus, and the horizontal axis is time. is there. 第2測定装置による液滴Dの最大径D及び通過時間ΔTの求め方を示す図である。It is a figure which shows the method of obtaining the maximum diameter D 0 and passage time ΔT of the liquid drop model D 2 by the 2nd measuring apparatus. 図1の液体の粘度計測システムが備える第2測定装置の測定結果における最大径Dに相当する出力値(ピーク)の欠損部分を示すグラフである。Is a graph showing the defective portion of the output value corresponding to the maximum diameter D 0 (peak) in the measurement result of the second measuring device comprising a viscosity measurement system of the liquid FIG. 図1の液体の粘度計測システムが備える粘度算出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the viscosity calculation apparatus provided in the liquid viscosity measurement system of FIG. 図16の粘度算出装置による粘度算出工程の実行手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the execution procedure of the viscosity calculation process by the viscosity calculation apparatus of FIG.

以下、本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法の実施の形態について、適宜図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであって、何ら本発明を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the liquid viscosity measurement system and the liquid viscosity measurement method of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The embodiments described below are for facilitating the understanding of the present invention and do not limit the present invention in any way.

〔粘度計測システム〕
図1は、本発明の一実施形態に係る液体の粘度計測システムの構成を示す模式図である。図1に示す液体の粘度計測システム10は、滴下部11を有する滴下機構1、衝突部2、第1測定装置31、第2測定装置32、第3測定装置33、粘度算出装置(不図示)を主に備える。なお、以下においては、説明を容易にするために、滴下部11に懸垂し、自由落下する直前の液滴DをD、衝突直前の液滴DをD、衝突部2に衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴DをDということがある。
[Viscosity measurement system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a liquid viscosity measurement system according to an embodiment of the present invention. The liquid viscosity measuring system 10 shown in FIG. 1 includes a dropping mechanism 1 having a dropping portion 11, a collision portion 2, a first measuring device 31, a second measuring device 32, a third measuring device 33, and a viscosity calculating device (not shown). Mainly prepared. In the following, for ease of description, appended to the dropping portion 11, D 1 the droplet D immediately before the free fall, collide droplets D immediately before collision D 2, the collision portion 2, sometimes the droplets D in a state where deformation has reached a maximum to a substantially circular shape that D 3.

〈最大広がり径Dmax,最大濡れ広がり径Dwet
図3は衝突部2へ衝突させた液滴Dの状態変化を示す模式図であって、(a)は衝突直前の状態、(b)は衝突後、慣性力によって略円形状に変形しつつある状態、(c)は略円形状への変形が最大に達した状態、(d)は(c)の後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態を示している。このように、衝突部2へ衝突させた液滴Dは、通常、衝突の慣性力により略円形状に変形し、その変形が最大に達した後、表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達する。本発明において液滴Dの最大広がり径Dmaxとは、図3(c)に示す状態における略円形状に変形した液滴Dの最大径を意味する。
<Maximum spread diameter D max , maximum wet spread diameter D wet >
FIG. 3 is a schematic view showing a state change of the droplet D collided with the collision portion 2. FIG. 3A is a state immediately before the collision, and FIG. 3B is deformed into a substantially circular shape by inertial force after the collision. In a certain state, (c) shows a state in which the deformation to a substantially circular shape is reached to the maximum, and (d) shows a state in which after (c), it contracts in the returning direction due to surface tension or the like and reaches equilibrium. In this way, the droplet D that has collided with the collision portion 2 is usually deformed into a substantially circular shape by the inertial force of the collision, and after the deformation reaches the maximum, it contracts in the returning direction due to surface tension or the like and balances. To reach. In the present invention, the maximum spread diameter D max of the droplet D means the maximum diameter of the droplet D deformed into a substantially circular shape in the state shown in FIG. 3C.

そして、本発明において液滴Dの最大濡れ広がり径Dwetとは、図2に示すように、最大広がり径Dmaxに達した液滴Dが衝突部2の表面と接触している領域の最大径を意味する。液滴Dが衝突部2の表面に衝突して略円形状に広がる際、低衝突速度の場合には、接触角θが変化しても最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetの差はほとんどないが、高衝突速度の場合には、接触角θが大きくなるにつれ、図2に示すように略円形状に変形した液滴Dの周縁部が衝突部2の表面から離れたり、周縁部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりするため、最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetの差が顕著になる。なお、液滴Dの接触角θとは、図3(d)に示す、衝突後に表面張力等によって戻る方向に収縮し、平衡に達した状態の液滴Dの画像から求めることができる。 In the present invention, the maximum wet spread diameter D wet of the droplet D is the maximum of the region where the droplet D that has reached the maximum spread diameter D max is in contact with the surface of the collision portion 2, as shown in FIG. Means the diameter. When the droplet D collides with the surface of the collision portion 2 and spreads in a substantially circular shape, in the case of a low collision speed, the difference between the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet even if the contact angle θ changes. However, in the case of a high collision speed, as the contact angle θ increases, the peripheral edge of the droplet D deformed into a substantially circular shape becomes separated from the surface of the collision portion 2 or the peripheral edge as shown in FIG. Since the portions are split and the minute droplets are scattered radially, the difference between the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet becomes remarkable. The contact angle θ of the droplet D can be obtained from the image of the droplet D in a state where it contracts in the returning direction due to surface tension or the like after the collision and reaches equilibrium, as shown in FIG. 3D.

図6は、水を用いた実験で得られた異なる衝突速度における最大径(Dmax,Dwet)と接触角θとの関係を示すグラフであって、(a)は最大濡れ広がり径Dwetと接触角θの関係、(b)は最大広がり径Dmaxと接触角θの関係を示している。図6より、最大広がり径Dmaxは、接触角θが大きくなるにつれて小さくなり、衝突速度が大きくなると減少率が徐々に小さくなる一方で、最大濡れ広がり径Dwetは、衝突速度を変えても減少率に差がないことが分かる。このことから、最大濡れ広がり径Dwetの減少は、衝突速度に依存せず、接触角θのみで表わすことができる。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the maximum diameter (D max , D wet ) and the contact angle θ at different collision velocities obtained in an experiment using water, in which (a) is the maximum wet spread diameter D wet. The relationship between the contact angle θ and the contact angle θ, and (b) shows the relationship between the maximum spread diameter D max and the contact angle θ. From FIG. 6, the maximum spread diameter D max decreases as the contact angle θ increases, and the decrease rate gradually decreases as the collision speed increases, while the maximum wet spread diameter D wet can be changed even if the collision speed is changed. It can be seen that there is no difference in the rate of decrease. From this, the decrease in the maximum wetting spread diameter D wet can be expressed only by the contact angle θ without depending on the collision speed.

図7は、図6(a)に示す水を用いた実験結果にグリセリン水溶液の実験結果を追加して、縦軸をDwet/Dとして、横軸をRe1/5We1/4としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の高い液体(表面張力:60−72mN/m)について、下記相関式(1)で表される関係性が成り立つことが示されている。図8は、イソプロパノール及びシリコーンオイルを用いた実験結果を、縦軸をDwet/Dとして、横軸をRe1/5We1/4としてプロットしたグラフであって、これら比較的表面張力の低い液体(表面張力:約20mN/m)について、下記相関式(1)で表される関係性が成り立つことが示されている。図7及び図8より、Dwet/DがRe1/5We1/4に比例すること、オフセット値βが接触角θによって決まることが分かる。なお、図7に挿入したグラフは、それぞれの接触角θとオフセット値βとの関係を表す。 In FIG. 7, the experimental result of the glycerin aqueous solution is added to the experimental result using water shown in FIG. 6 (a), the vertical axis is set to D wet / D 0 , and the horizontal axis is set to Re 1/5 We 1/4. In the plotted graph, it is shown that the relationship represented by the following correlation equation (1) holds for these liquids having a relatively high surface tension (surface tension: 60-72 mN / m). FIG. 8 is a graph in which the experimental results using isopropanol and silicone oil are plotted with the vertical axis as D wet / D 0 and the horizontal axis as Re 1/5 We 1/4 , and the relative surface tensions of these are shown in FIG. It has been shown that the relationship represented by the following correlation formula (1) holds for a low liquid (surface tension: about 20 mN / m). From FIGS. 7 and 8, it can be seen that D wet / D 0 is proportional to Re 1/5 We 1/4 , and the offset value β is determined by the contact angle θ. The graph inserted in FIG. 7 shows the relationship between each contact angle θ and the offset value β.

これらより、最大濡れ広がり径Dwetは、下記相関式(1)で示すことができる。

上記式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。比例係数αは図7及び図8におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図6に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
From these, the maximum wet spread diameter D wet can be expressed by the following correlation equation (1).

In the above equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ and We = ρU 0 2 D 0 / σ, respectively. The proportionality coefficient α indicates the respective slopes in FIGS. 7 and 8, and changes depending on the liquid to be measured. The offset value β decreases monotonically as the contact angle θ increases, as shown in the graph inserted in FIG.

以上より、液体の粘性散逸は、最大広がり径Dmaxではなく、最大濡れ広がり径Dwetに影響を与えることから、粘性散逸を算出するための最大径として、周縁部が衝突部2の表面から浮いた状態の最大径(最大広がり径Dmax)を用いるのは不適切であり、最大広がり径Dmaxに達した液滴が衝突部の表面と接触している領域の最大径(最大濡れ広がり径Dwet)を用いる必要があることが分かる。 From the above, the viscous dissipation of the liquid affects not the maximum spread diameter D max but the maximum wet spread diameter D wet . Therefore, as the maximum diameter for calculating the viscous dissipation, the peripheral edge portion is from the surface of the collision portion 2. It is inappropriate to use the maximum diameter in the floating state (maximum spread diameter D max ), and the maximum diameter of the region where the droplets that have reached the maximum spread diameter D max are in contact with the surface of the collision part (maximum wet spread). It can be seen that it is necessary to use the diameter D wet ).

なお、図9は、図7及び図8に示す実験結果にグリセリン水溶液(50mPas)を追加した実験結果から得られるグラフであり、これらより、液体の最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetとの関係は、下記相関式(2)で示すことができる。

(式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
Note that FIG. 9 is a graph obtained from the experimental results obtained by adding an aqueous glycerin solution (50 mPas) to the experimental results shown in FIGS. 7 and 8. From these, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet of the liquid are obtained. The relationship with can be shown by the following correlation equation (2).

(In equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. Reynolds number Re and Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We = ρU 0 2 D 0, respectively. / Σ.)

ここで、比例係数Bは、図10に示すように、液滴の膜厚hと、衝突液滴内に形成される粘性境界層厚さδとの比の関数として表すことができ、h/δ=xとおくと、B=3.634x−1.349+0.5418と表すことができる。なお、h/δは、次元解析により、下記式(3)で示すことができ、これが図10における横軸である。
Here, as shown in FIG. 10, the proportional coefficient B can be expressed as a function of the ratio of the thickness h of the droplet to the thickness δ of the viscous boundary layer formed in the collision droplet, and h / If δ = x, it can be expressed as B = 3.634 x −1.349 + 0.5418. In addition, h / δ can be represented by the following equation (3) by dimensional analysis, and this is the horizontal axis in FIG.

また、液体の最大広がり径Dmaxの求め方としては、実験的に計測する方法と、相関式を用いて最大濡れ広がり径Dwetから類推する方法とが考えられる。実験的に計測する方法では、ダブプリズム(上面と下面の両方が平坦かつ透明なプリズム)を用いて、全反射光撮影と背景光撮影の両方を同時に行うことにより計測するのが好ましい。相関式を用いて最大濡れ広がり径Dwetから類推する方法では、実験結果に基づく最大濡れ広がり径Dwetと最大広がり径Dmaxの関係性を表すグラフから、実験相関式を導き出し、この実験相関式から最大濡れ広がり径Dwetから類推することができる。一例として、図11(a)に水を用いた場合の最大濡れ広がり径Dwetと最大広がり径Dmaxの関係性を表すグラフを、図11(b)に(a)から導出される実験相関式を示している。 Further, as a method of obtaining the maximum spread diameter D max of the liquid, a method of experimentally measuring and a method of inferring from the maximum wet spread diameter D wet using a correlation equation can be considered. In the method of experimental measurement, it is preferable to use a dub prism (a prism whose upper surface and lower surface are both flat and transparent) and perform both total reflection light photography and background light photography at the same time. In the method of inferring from the maximum wet spread diameter D wet using the correlation formula, the experimental correlation formula is derived from the graph showing the relationship between the maximum wet spread diameter D wet and the maximum spread diameter D max based on the experimental results, and this experimental correlation is derived. It can be inferred from the equation from the maximum wet spread diameter D wet . As an example, FIG. 11 (a) shows a graph showing the relationship between the maximum wet spread diameter D wet and the maximum spread diameter D max when water is used, and FIG. 11 (b) shows the experimental correlation derived from (a). The formula is shown.

[滴下機構]
滴下機構1は、計測対象である液体を質量Mの液滴Dとして滴下するものであって、所定高さに位置する滴下部11を有する。液滴Dは、滴下部11から、自由落下するように滴下される。滴下機構1の構成としては、滴下部11から、計測対象である液体を液滴Dとして自由落下するように滴下することができるものであれば特に制限されず、本実施形態においては、液体を充填するためのシリンジとシリンジポンプとシリンジポンプにつないだ注射針(ニードル)とを有する滴下機構1において、ニードルを滴下部11として用いている。
[Dripping mechanism]
The dropping mechanism 1 drops the liquid to be measured as a droplet D having a mass of M, and has a dropping portion 11 located at a predetermined height. The droplet D is dropped from the dropping portion 11 so as to freely fall. The configuration of the dropping mechanism 1 is not particularly limited as long as it can drop the liquid to be measured as droplets D from the dropping portion 11 so as to freely drop, and in the present embodiment, the liquid is dropped. In the dropping mechanism 1 having a syringe for filling, a syringe pump, and an injection needle (needle) connected to the syringe pump, the needle is used as the dropping portion 11.

[衝突部]
衝突部2は、滴下部11から滴下された液滴Dを衝突させるためのものであり、滴下部11に対向して設けられる。衝突部2の材質としては、滴下部11から滴下された液滴Dを平面衝突させることができるものであれば特に制限されないが、本実施形態においては、衝突部2として、図1に示すように、入射面21a、出射面21b及び反射面21cを有し、入射面21aから入射されたレーザ光を反射面21cで全反射させて出射面21bから出射させる全反射プリズム21を用いている。
[Collision part]
The collision portion 2 is for colliding the droplet D dropped from the dropping portion 11, and is provided so as to face the dropping portion 11. The material of the collision portion 2 is not particularly limited as long as it can cause the droplet D dropped from the dropping portion 11 to collide in a plane, but in the present embodiment, the collision portion 2 is as shown in FIG. A total reflection prism 21 having an incident surface 21a, an emitting surface 21b, and a reflecting surface 21c, and totally reflecting the laser beam incident from the incident surface 21a on the reflecting surface 21c and emitting the laser light from the emitting surface 21b is used.

液滴Dが衝突部2に衝突して略円形状に広がる際、略円形状に変形した液滴Dの周辺部が衝突部2の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりせず、すなわち、最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetとが等しい値である場合には、衝突部2として、例えばアルミ製の平板を用いたとしても、粘性散逸を算出するための最大径(最大広がり径Dmax)を、後述する第3測定装置33によって正確に測定することが可能である。しかしながら、略円形状に変形した液滴Dの周辺部がアルミ製の平板の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合には、アルミ製の平板の表面において最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetとを、第3測定装置33によって区別することは非常に困難であるため、粘性散逸を算出するための最大径(最大濡れ広がり径Dwet)を、第3測定装置33によって正確に測定することが難しい。 When the droplet D collides with the collision portion 2 and spreads in a substantially circular shape, the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape is separated from the surface of the collision portion 2, or the peripheral portion is split and minute droplets are formed. If it does not scatter radially, that is, if the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet are equal values, viscous dissipation even if an aluminum flat plate is used as the collision portion 2. The maximum diameter (maximum spread diameter D max ) for calculating the above can be accurately measured by the third measuring device 33 described later. However, if the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape is separated from the surface of the aluminum flat plate, or if the peripheral portion is split and the minute droplets are scattered radially, the aluminum flat plate is used. Since it is very difficult to distinguish the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet on the surface by the third measuring device 33, the maximum diameter for calculating the viscous dissipation (maximum wet spread diameter D wet). ) Is difficult to measure accurately by the third measuring device 33.

このような場合には、本実施形態のように、衝突部2として全反射プリズム21を用いることで、全反射プリズム21の反射面21cの上側が空気であれば、臨界角以上で入射面21aに入射したレーザ光が全反射するため、第3測定装置33において反射光を明るい像として得ることができる。一方で、液滴Dの液体の屈折率は空気の屈折率より高いことから、液滴Dが全反射プリズム21の反射面21cと接触すると、レーザ光が液滴Dを通過するため、第3測定装置33において反射光は暗い像として得られる。 In such a case, by using the total reflection prism 21 as the collision portion 2 as in the present embodiment, if the upper side of the reflection surface 21c of the total reflection prism 21 is air, the incident surface 21a is at a critical angle or higher. Since the laser light incident on the above is totally reflected, the reflected light can be obtained as a bright image in the third measuring device 33. On the other hand, since the refractive index of the liquid of the droplet D is higher than the refractive index of air, when the droplet D comes into contact with the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21, the laser beam passes through the droplet D, so that the third droplet D is used. In the measuring device 33, the reflected light is obtained as a dark image.

図4は、TIR(Total Internal Reglection)法と呼ばれる全反射を利用したプリズムの表面極近傍の流体運動を計測する方法の原理を示す模式図であって、(a)は全反射プリズムの反射面において広がる液滴の濡れ領域からの反射光強度が減衰する様子を表す模式図を、(b)は全反射プリズムの出射面に沿う方向の濡れ領域画像の模式図を示している。TIR法を利用すると、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Dの最大濡れ広がり径Dwetを測定することが可能となる。なお、この方法を利用した場合、プリズム斜面に沿う方向のTIR画像は縮小されるため、全反射プリズムの出射面に沿う方向の液滴画像は、実際は、図5(a)に示すように楕円になる。 FIG. 4 is a schematic view showing the principle of a method for measuring fluid motion near the surface pole of a prism using total reflection called the TIR (Total Internal Reflection) method, and FIG. 4A is a schematic diagram showing the reflection surface of the total reflection prism. (B) shows a schematic diagram showing how the intensity of reflected light from the wet region of the spreading droplets is attenuated, and (b) shows a schematic diagram of a wet region image in the direction along the emission surface of the total reflection prism. By using the TIR method, it is possible to measure the maximum wet spread diameter D wet of the droplet D 3 in a state where the deformation into a substantially circular shape is reached to the maximum. When this method is used, the TIR image in the direction along the prism slope is reduced, so that the droplet image in the direction along the exit surface of the total reflection prism is actually an ellipse as shown in FIG. 5A. become.

このように、衝突部2が全反射プリズム21であることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴Dが全反射プリズム21の反射面21cと接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第3測定装置33により、最大濡れ広がり径Dwetを高い精度で測定することができる。したがって、液滴Dが衝突部2に衝突して略円形状に広がる際に、液滴Dの衝突速度が十分に大きい等の理由により、略円形状に変形した液滴Dの周辺部が衝突部2の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。 As described above, since the collision portion 2 is the total reflection prism 21, the droplet D comes into contact with the portion in contact with the reflection surface 21c of the total reflection prism 21 based on the high-contrast image of the reflected light and the transmitted light. Since the non-existing part is clarified, the maximum wet spread diameter D wet can be measured with high accuracy by the third measuring device 33. Therefore, when the droplet D collides with the collision portion 2 and spreads in a substantially circular shape, the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape collides due to reasons such as a sufficiently high collision speed of the droplet D. It is possible to accurately measure the viscosity of the liquid even when it is separated from the surface of the portion 2 or the peripheral portion is split and the minute droplets are scattered radially.

本実施形態において、全反射プリズム21は、滴下部11から垂直方向に離間して配置されている。滴下部11と全反射プリズム21の反射面21cとの離間距離は、概ね10cmから40cmの範囲であることが好ましく、10cm程度であることがより好ましい。 In the present embodiment, the total reflection prism 21 is arranged vertically separated from the dropping portion 11. The separation distance between the dropping portion 11 and the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 is preferably in the range of about 10 cm to 40 cm, and more preferably about 10 cm.

滴下部11と全反射プリズム21の反射面21cとの離間距離が大きくなると、それだけ運動エネルギが増加するが、運動エネルギが大きすぎる場合には、液滴Dが全反射プリズム21の反射面21cに衝突する衝撃で、略円形状に変形した液滴Dの周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散し、いわゆるスプラッシュが生じてしまう。スプラッシュによる衝突液滴の周縁部の微細な液滴への分裂が大きすぎると、上述のように、液滴Dの最大濡れ広がり径Dwetの測定に支障をきたすおそれがある。一方で、滴下部11と全反射プリズム21の反射面21cとの離間距離が小さくなると、それだけ運動エネルギが減少するが、運動エネルギが小さすぎる場合には、全反射プリズム21の反射面21cに衝突した液滴Dは、上述の濡れ性のみによって広がり平衡状態となるため、液滴Dの最大濡れ広がり径Dwetの測定に支障をきたすおそれがある。したがって、測定対象である液体に応じて、滴下部11と衝突部2との離間距離は適切に設定される必要がある。 When the separation distance between the dropping portion 11 and the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 increases, the kinetic energy increases accordingly, but when the kinetic energy is too large, the droplet D acts on the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21. Due to the impact of collision, the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape is split and the minute droplets are scattered radially, so-called splash is generated. If the splash causes the collision droplets to split into fine droplets at the periphery of the droplets too much, it may interfere with the measurement of the maximum wet spread diameter D wet of the droplet D as described above. On the other hand, if the distance between the dropping portion 11 and the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 becomes smaller, the kinetic energy decreases accordingly, but if the kinetic energy is too small, it collides with the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21. Since the resulting droplet D spreads and becomes in equilibrium only due to the above-mentioned wettability, there is a possibility that the measurement of the maximum wet spread diameter D wet of the droplet D may be hindered. Therefore, it is necessary to appropriately set the separation distance between the dropping portion 11 and the collision portion 2 according to the liquid to be measured.

なお、衝突部2として全反射プリズム21を用いる場合には、全反射プリズム21の反射面21cにスライドガラスを設置し、このスライドガラスに対して、滴下部11から滴下された液滴Dを衝突させてもよい。このとき、全反射プリズム21の反射面21cとスライドガラスとの間には、空気層による光の反射及び屈折を低下するために、薄く延ばしたグリセリンを挟むのが好ましい。 When the total reflection prism 21 is used as the collision portion 2, a slide glass is installed on the reflection surface 21c of the total reflection prism 21, and the droplet D dropped from the dropping portion 11 collides with the slide glass. You may let me. At this time, it is preferable to sandwich a thinly stretched glycerin between the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 and the slide glass in order to reduce the reflection and refraction of light by the air layer.

[第1測定装置]
第1測定装置31は、滴下部11に懸垂し、自由落下する直前の液滴Dの輪郭形状Sを測定するものである。第1測定装置31の構成としては、液滴Dの輪郭形状Sを測定できれば特に制限されず、本実施形態においては、長距離顕微鏡とこれに接続したデジタルカメラを有する第1測定装置31において、デジタルカメラのムービー撮影(撮影速度60fps)で撮影した画像に基づき、液滴Dの輪郭形状Sを求めている。上記長距離顕微鏡及びデジタルカメラとしては、公知又は市販のものが使用できる。また、本実施形態において、第1測定装置31は、図1に示すように、液滴Dを照射するためのLEDライト等の光源を備えている。第1測定装置31は、この光源から射出された光を十分に拡散させるためのディフューザーをさらに備えていてもよい。
[First measuring device]
The first measuring device 31 is intended to, appended to the dropping portion 11, measures the contour shape S of the droplet D 1 of the immediately prior to free fall. The structure of the first measuring device 31 is not particularly limited as long measured contour S of the droplet D 1, in the present embodiment, the first measuring device 31 having a long distance microscope and a digital camera connected to , based on the images taken with a digital camera movie recording (shooting speed 60 fps), seeking contour S of the droplet D 1. As the long-distance microscope and the digital camera, known or commercially available ones can be used. Further, in the present embodiment, the first measuring device 31, as shown in FIG. 1, a light source of LED lights and the like for irradiating the droplets D 1. The first measuring device 31 may further include a diffuser for sufficiently diffusing the light emitted from the light source.

ここで、図11は、第1測定装置31の測定結果を示す画像であって、(a)は、第1測定装置31のデジタルカメラにより撮影された画像、(b)は(a)の画像を二値化した画像、(c)は(b)の画像から輪郭形状Sを抽出した画像である。このように、本実施形態において、第1測定装置31は、デジタルカメラにより撮影された液滴Dの画像を二値化した後、この二値化した画像の輪郭を抽出することにより、液滴Dの輪郭形状Sを求めている。 Here, FIG. 11 is an image showing the measurement result of the first measuring device 31, (a) is an image taken by the digital camera of the first measuring device 31, (b) is an image of (a). (C) is an image obtained by extracting the contour shape S from the image of (b). Thus, in the present embodiment, the first measuring device 31, after binarized image of the droplet D 1 taken by a digital camera, by extracting the contour of the binarized image, the liquid The contour shape S of the drop D 1 is obtained.

[第2測定装置]
第2測定装置32は、衝突部2としての全反射プリズム21の反射面21cへの衝突直前の測定点Aにおける液滴Dの水平方向の最大径D及び測定点Aを液滴Dが通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものである。第2測定装置32の構成としては、測定点Aにおける液滴Dの水平方向の最大径D及び測定点Aを液滴Dが通過する通過時間ΔTを測定できれば特に制限されない。本実施形態においては、第2測定装置32の構成として、測定点Aを間に挟んで一方の位置に配置されたレーザ光源と、他方の位置に配置されたレーザ受光器とで構成される透過型レーザセンサを用いている。
[Second measuring device]
The second measuring device 32 sets the maximum horizontal diameter D 0 of the droplet D 2 at the measurement point A immediately before the collision of the total reflection prism 21 as the collision portion 2 with the reflecting surface 21c and the measurement point A into the droplet D 2 The passage time ΔT required for the passage is measured. The configuration of the second measuring device 32 is not particularly limited as long as the maximum diameter D 0 of the droplet D 2 in the horizontal direction at the measuring point A and the passing time ΔT through which the liquid drop D 2 passes through the measuring point A can be measured. In the present embodiment, as the configuration of the second measuring device 32, the transmission is composed of a laser light source arranged at one position with the measurement point A in between and a laser receiver arranged at the other position. A type laser sensor is used.

ここで、図13は、第2測定装置32の透過型レーザセンサの挙動の変化を示す波形図であって、縦軸は透過型レーザセンサによって検知された液滴Dの水平方向の長さ、横軸は時間である。なお、図13においては、理解を容易にするために、上記波形図の横軸に対応させて、上記透過型レーザセンサと落下する液滴Dの位置関係を示している。 Here, FIG. 13 is a waveform diagram showing a change in the behavior of the transmission type laser sensor of the second measuring device 32, and the vertical axis is the horizontal length of the droplet D 2 detected by the transmission type laser sensor. , The horizontal axis is time. In addition, in FIG. 13, in order to facilitate understanding, the positional relationship between the transmissive laser sensor and the falling droplet D is shown in correspondence with the horizontal axis of the waveform diagram.

本実施形態において、第2測定装置32は、図14(a)に示すように、楕円の式を積分した式に基づき液滴径及び通過速度を求めた上で、図14(b)に示すように、これらの値をa、b、Uを変数として、非線形最小二乗法により実験値にフィッティングさせることにより、測定点Aを通過した液滴Dの最大径D及び通過時間ΔTを求めている。このように、第3測定装置32としてレーザセンサのみを用いた場合には、高精度に最大径D及び通過時間ΔTを測定することができるとともに、ハイスピードカメラを用いた場合に比べて、全体としての大幅なコスト減を達成することが可能となる。上記透過型レーザセンサとしては、公知又は市販のものが使用できる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 14 (a), the second measuring device 32 obtains the droplet diameter and the passing speed based on the equation obtained by integrating the elliptical equation, and then shows in FIG. 14 (b). As described above, by fitting these values to the experimental values by the nonlinear least squares method with a, b, and U as variables, the maximum diameter D 0 and the passage time ΔT of the droplet D 2 passing through the measurement point A are obtained. ing. As described above, when only the laser sensor is used as the third measuring device 32, the maximum diameter D 0 and the passing time ΔT can be measured with high accuracy, and compared with the case where the high-speed camera is used. It is possible to achieve a significant cost reduction as a whole. As the transmission type laser sensor, a known or commercially available one can be used.

なお、粘度計測対象である液体が透明である場合には、上記透過型レーザセンサから照射されるレーザ光が液滴Dを透過してしまい、図15に示すように、最大径Dに相当する出力値(ピーク)が欠損してしまうことがある。この場合には、図14(b)に示すように、ピークの欠損部分を、楕円の式を積分した式で補間することにより、最大径Dに相当する出力値を正確に求めることができる。 Incidentally, when the liquid is the viscosity measurement object is transparent, would be a laser beam emitted from the transmission-type laser sensor is transmitted through the droplet D 2, as shown in FIG. 15, the maximum diameter D 0 The corresponding output value (peak) may be lost. In this case, as shown in FIG. 14B, the output value corresponding to the maximum diameter D 0 can be accurately obtained by interpolating the missing portion of the peak with an equation obtained by integrating the elliptical equation. ..

[第3測定装置]
第3測定装置33は、衝突部2としての全反射プリズム21の反射面21cに衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Dの最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定するものである。上述のように、全反射プリズム21の反射面21cに衝突した液滴Dは、通常、図3に示すように、慣性力により略円形状に広がり、最大広がり径Dmaxに達した後、表面張力等により戻る方向に収縮して平衡状態となるが、液滴Dの衝突速度が十分に早い場合等、一定の条件下においては、図2に示すように、略円形状に変形した液滴Dの周縁部が全反射プリズム21の反射面21cから離れたり、周縁部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりすることがある。このような場合、粘性散逸を算出するための最大径としては、上述のように、周縁部が全反射プリズム21の反射面21cから浮いた状態の最大径(最大広がり径Dmax)ではなく、図2及び図4(a)に示すような、最大広がり径Dmaxに達した液滴Dが全反射プリズム21の反射面21cと接触している領域の最大径(最大濡れ広がり径Dwet)を用いる必要がある。
[Third measuring device]
The third measuring device 33 collides with the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 as the collision portion 2, and the maximum spreading diameter D max and the maximum wetting of the droplet D 3 in a state where the deformation into a substantially circular shape is reached to the maximum. The spread diameter D wet is measured. As described above, the droplet D that collides with the reflecting surface 21c of the total internal reflection prism 21 usually spreads in a substantially circular shape due to the inertial force as shown in FIG. 3, reaches the maximum spreading diameter D max, and then faces the surface. It contracts in the returning direction due to tension or the like and becomes an equilibrium state, but under certain conditions such as when the collision speed of the droplet D is sufficiently high, as shown in FIG. 2, the droplet deformed into a substantially circular shape. The peripheral edge of D may be separated from the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21, or the peripheral edge may be split and minute droplets may be scattered radially. In such a case, the maximum diameter for calculating the viscous dissipation is not the maximum diameter (maximum spread diameter D max ) in the state where the peripheral edge portion is floating from the reflection surface 21c of the total reflection prism 21 as described above. As shown in FIGS. 2 and 4A, the maximum diameter of the region where the droplet D reaching the maximum spread diameter D max is in contact with the reflection surface 21c of the total reflection prism 21 (maximum wet spread diameter D wet ). Must be used.

第3測定装置33によれば、略円形状に変形した液滴Dの周辺部が全反射プリズム21の反射面21cから離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、全反射プリズム21における入射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴Dの最大濡れ広がり径Dwetを高い精度で測定することができる。 According to the third measuring device 33, the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape is separated from the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21, or the peripheral portion is split and the minute droplets are scattered radially. Even in this case, the maximum wet spread diameter D wet of the droplet D 3 can be measured with high accuracy based on the high-contrast image of the incident light and the transmitted light in the total reflection prism 21.

第3測定装置33の構成としては、図2及び図4(a)に示す、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Dの最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定することができれば特に制限されない。本実施形態において、最大広がり径Dmaxを求めるに当たっては、カメラを有する第3測定装置33において、図5(a)に示す長時間露光により撮影した反射光と透過光の高コントラスト画像を用いて、図5(b)に示す赤線上の輝度値の変化に基づき、最大濡れ広がり径Dwetを求めている。このように、本実施形態においては、TIR法と長時間露光とを組み合わせて用いている。 The structure of the third measuring device 33, shown in FIGS. 2 and 4 (a), the maximum spread diameter D max and the maximum spreading diameter D of the droplet D 3 in a state where deformation has reached a maximum to a substantially circular There is no particular limitation as long as the wet can be measured. In the present embodiment, in determining the maximum spread diameter D max , a high-contrast image of reflected light and transmitted light taken by a long exposure shown in FIG. 5A is used in a third measuring device 33 having a camera. , The maximum wet spread diameter D wet is obtained based on the change in the brightness value on the red line shown in FIG. 5 (b). As described above, in this embodiment, the TIR method and the long exposure are used in combination.

図5(b)の輝度値の変化を示すグラフから分かるように、液滴Dの長時間露光画像を用いることで、最大濡れ広がり径Dwetを高コントラストで得ることができる。なお、露光時間としては、高コントラスト画像が得られれば特に制限されるものではない。図5(a)に示す画像は、レーザセンサのシートレーザを液滴が通過してから27ms後に、露光時間5msにて撮影したものであるが、これら通過時間及び露光時間は、レーザセンサの高さによって変化する値である。なお、上記カメラとしては、画素数の多い汎用の産業用カメラが使用できる。 As can be seen from the graph showing the change of luminance values in FIG. 5 (b), by using a long exposure image of the droplet D 3, it is possible to obtain the maximum spreading diameter D wet with high contrast. The exposure time is not particularly limited as long as a high-contrast image can be obtained. The image shown in FIG. 5A was taken with an exposure time of 5 ms 27 ms after the droplet passed through the sheet laser of the laser sensor. The passing time and the exposure time are the height of the laser sensor. It is a value that changes depending on the laser. As the camera, a general-purpose industrial camera having a large number of pixels can be used.

このように、第3測定装置33としてカメラを用いた場合には、より高コントラストな画像を得ることができるとともに、ハイスピードカメラを用いた場合に比べて、全体としての大幅なコスト減を達成することが可能となる。なお、本実施形態において、第3測定装置33は、図1に示されるように、全反射プリズム21の反射面21cの極近傍を観察する第3測定装置33aと、全反射プリズム21の出射面21bに沿う方向を観察する第3測定装置33bとにより構成されている。このように、図4に示すように、全反射プリズム21の反射面21c及び出射面21bの両方において液滴Dの画像を観察することで、より高い精度で最大濡れ広がり径Dwetを測定することができる。 As described above, when the camera is used as the third measuring device 33, a higher contrast image can be obtained, and a significant cost reduction as a whole is achieved as compared with the case where the high speed camera is used. It becomes possible to do. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the third measuring device 33 includes the third measuring device 33a for observing the very vicinity of the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 and the exit surface of the total reflection prism 21. It is composed of a third measuring device 33b for observing a direction along 21b. In this way, as shown in FIG. 4, the maximum wet spread diameter D wet is measured with higher accuracy by observing the image of the droplet D on both the reflecting surface 21c and the emitting surface 21b of the total reflection prism 21. be able to.

また、本実施形態において、第3測定装置33は、図1に示すように、全反射プリズム21の入射面21aにレーザ光を入射させるための光源(不図示)をさらに備えている。光源としては、例えば、緑色半導体レーザを用いることができる。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the third measuring device 33 further includes a light source (not shown) for making the laser beam incident on the incident surface 21a of the total reflection prism 21. As the light source, for example, a green semiconductor laser can be used.

[粘度算出装置]
粘度算出装置(不図示)は、第1測定装置31の測定結果、第2測定装置32の測定結果及び第3測定装置33の測定結果に基づき、測定対象である液体の粘度を算出するものである。本実施形態において、粘度算出装置は、第1算出手段、第2算出手段、第3算出手段を備える。なお、粘度算出装置の具体的な構成については、実行手順とともに後述する。
[Viscosity calculation device]
The viscosity calculation device (not shown) calculates the viscosity of the liquid to be measured based on the measurement result of the first measurement device 31, the measurement result of the second measurement device 32, and the measurement result of the third measurement device 33. is there. In the present embodiment, the viscosity calculation device includes a first calculation means, a second calculation means, and a third calculation means. The specific configuration of the viscosity calculation device will be described later together with the execution procedure.

(第1算出手段)
第1算出手段は、第1測定装置31により測定された輪郭形状S及び液滴Dの質量Mに基づき液滴Dの体積V、密度ρ及び表面張力σを算出するものである。第1算出手段による液滴Dの体積V、密度ρ及び表面張力σの算出方法について、図8を参照しつつ以下詳説する。
(First calculation means)
The first calculation means calculates the volume V, the density ρ, and the surface tension σ of the droplet D based on the contour shape S and the mass M of the droplet D measured by the first measuring device 31. The method of calculating the volume V, the density ρ, and the surface tension σ of the droplet D by the first calculation means will be described in detail below with reference to FIG.

滴下部11に懸垂し、自由落下する直前の液滴Dの体積Vは、第1測定装置31により測定された、図8(c)に示す輪郭形状Sにおいて、これと同じ幅で、全高さにおいて1pixelの高さをもつ円柱を仮定し、この円柱の体積を求め、これらを足し合わせることにより求めることができる。 The volume V of the droplet D 1 immediately before being suspended from the dropping portion 11 and free-falling is the same width and total height in the contour shape S shown in FIG. 8 (c) measured by the first measuring device 31. In the above, assuming a cylinder having a height of 1 pixel, the volume of this cylinder can be obtained, and these can be obtained by adding them together.

液滴Dの密度ρは、上記手法により求められた液滴Dの体積Vと予め測定された液滴Dの質量Mから求めることができる。 The density of the droplets D 1 [rho can be determined from the mass M of previously measured droplet D and the volume V of the droplet D 1 obtained by the above method.

液滴Dの表面張力σは、図11(b)に示す画像において、液滴Dの外径に真円を合せることで最大径dを、液滴Dの最下端から最大径分だけ高い位置における径dを、それぞれ測定し、このd及びdの値と上記手法により求められた液滴Dの密度ρに基づき、Fordhamによる静水圧とラプラス圧の釣り合いから表面張力を求める下記式(4)(Fordham,On the Calculation of Surface Tension from Measurements of Pendant Drops,Proc. R. Soc. Lond. A 194(1948),pp.1−16)を用いて求めることができる。

(式(4)中、Jはd/dから求められる補正係数であり、gは重力加速度である。)
The surface tension σ of the droplet D 1, the image shown in FIG. 11 (b), the maximum diameter d e by combining the circularity on the outer diameter of the droplet D 1, the maximum diameter from the lowest end of the droplet D 1 The diameter d s at a position higher by the amount is measured, respectively, and based on the values of de and d s and the density ρ of the droplet D 1 obtained by the above method, the surface is obtained from the balance between the hydrostatic pressure and the Laplace pressure by Fordham. The following equation (4) (Fordham, On the Certification of Surface Tension from Surface Drops, Proc. R. Soc. Land. A 194 (1948)) can be used to obtain the tension. ..

(In the formula (4), J represents a correction coefficient obtained from d s / d e, g is the acceleration of gravity.)

(第2算出手段)
第2算出手段は、第2測定装置32により測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに第1算出手段により算出された体積Vに基づき液滴Dの衝突速度Uを算出するものである。第2算出手段による液滴Dの衝突速度Uの算出方法について、図3を参照しつつ以下詳説する。
(Second calculation means)
The second calculating means calculates the collision speed U 0 of the droplet D based on the maximum diameter D 0 measured by the second measuring device 32, the passing time ΔT, and the volume V calculated by the first calculating means. .. The method of calculating the collision velocity U 0 of the liquid drop model D by the second calculation means will be described in detail below with reference to FIG.

液滴Dの衝突速度Uは、第2測定装置32により測定された最大径Dと第1算出手段により算出された体積Vから、図3(a)に示す衝突直前のやや扁球となった液滴Dの高さ(垂直方向の最大径)hを計算し、この高さhと第2測定装置32により測定された通過時間ΔTとから求めることができる。 The collision velocity U 0 of the droplet D 2 is a slightly flat ball immediately before the collision shown in FIG. 3A from the maximum diameter D 0 measured by the second measuring device 32 and the volume V calculated by the first calculation means. The height (maximum diameter in the vertical direction) h of the formed droplet D 2 can be calculated, and can be obtained from this height h and the passing time ΔT measured by the second measuring device 32.

(第3算出手段)
第3算出手段は、第2測定装置32により測定された最大径D、第3測定装置33により測定された最大濡れ広がり径Dwet、第1算出手段により算出された密度ρ及び第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(1)を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものである。

上記式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。比例係数αは図7及び図8におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図6に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
(Third calculation means)
The third calculation means includes the maximum diameter D 0 measured by the second measuring device 32, the maximum wetting spread diameter D wet measured by the third measuring device 33, the density ρ calculated by the first calculating means, and the second calculation. From the collision velocity U 0 calculated by the means, the viscosity μ of the liquid to be measured is calculated by using the following correlation equation (1).

In the above equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ and We = ρU 0 2 D 0 / σ, respectively. The proportionality coefficient α indicates the respective slopes in FIGS. 7 and 8, and changes depending on the liquid to be measured. The offset value β decreases monotonically as the contact angle θ increases, as shown in the graph inserted in FIG.

また、第3算出手段は、第2測定装置32により測定された最大径D、第3測定装置33により測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、第1算出手段により算出された密度ρ及び第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものであってもよい。

上記式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。
Further, the third calculation means calculates the maximum diameter D 0 measured by the second measuring device 32, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet measured by the third measuring device 33, and the first calculation means. From the calculated density ρ and the collision velocity U 0 calculated by the second calculation means, the viscosity μ of the liquid to be measured may be calculated using the following correlation equation (2).

In the above equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ and We = ρU 0 2 D 0 / σ, respectively.

〔液体の粘度計測方法〕
次に、上述したような本実施形態の液体の粘度計測システム10を用いた液体の粘度計測方法について、図1を参照しつつ説明する。
[Liquid viscosity measurement method]
Next, a method for measuring the viscosity of the liquid using the liquid viscosity measuring system 10 of the present embodiment as described above will be described with reference to FIG.

まず、計測対象である液体を質量Mの液滴Dとして所定高さに位置する滴下部11から自由落下するように滴下させるために、液滴Dを滴下部11としてのニードルの先端に懸垂させる。 First, in order to drop the liquid to be measured as a droplet D having a mass M so as to freely fall from the dropping portion 11 located at a predetermined height, the droplet D is suspended from the tip of the needle as the dropping portion 11. ..

次に、第1測定装置31によって、滴下部11に懸垂し、自由落下する直前の液滴Dの輪郭形状Sを測定する(第1測定工程)。 Next, the first measuring device 31, appended to the dropping portion 11, measures the contour shape S of the droplet D 1 of the immediately prior to free fall (first measurement step).

第1測定工程後、液滴Dを、滴下部11から滴下し、自由落下させる(滴下工程)。第2測定装置32によって、衝突部2としての全反射プリズム21の反射面21cへの衝突直前の測定点Aにおける液滴Dの水平方向の最大径D及び測定点Aを液滴Dが通過するのに要する通過時間ΔTを測定する(第2測定工程)。 After the first measurement step, the droplet D is dropped from the dropping portion 11 and freely dropped (dropping step). The second measuring device 32 sets the maximum horizontal diameter D 0 of the droplet D 2 at the measurement point A immediately before the collision of the total reflection prism 21 as the collision portion 2 with the reflection surface 21c and the measurement point A into the droplet D 2 The passage time ΔT required for the passage is measured (second measurement step).

第2測定工程直後、液滴Dは、滴下部11から垂直方向に離間して配置された全反射プリズム21の反射面21cに衝突する(衝突工程)。 Immediately after the second measurement step, the droplet D collides with the reflecting surface 21c of the total reflection prism 21 arranged vertically separated from the dropping portion 11 (collision step).

衝突工程後、第3測定装置33によって、全反射プリズム21の反射面21cに衝突し、略円形状への変形が最大に達した状態の液滴Dの最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定する(第3測定工程)。なお、このとき、液滴Dが全反射プリズム21の反射面21cに衝突して略円形状に広がる際、略円形状に変形した液滴Dの周辺部のリム(縁)部分が全反射プリズム21の反射面21cから離れたり、リム部分が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりしない場合には、最大広がり径Dmaxと最大濡れ広がり径Dwetとが等しい値となる。 After the collision process, the third measuring device 33, impinges on the reflection surface 21c of the total reflection prism 21, the maximum expansion diameter D max and the maximum wetting of the droplet D 3 in a state where deformation has reached a maximum to a substantially circular spread The diameter D wet is measured (third measurement step). At this time, when the droplet D collides with the reflection surface 21c of the total reflection prism 21 and spreads in a substantially circular shape, the rim (edge) portion of the peripheral portion of the droplet D deformed into a substantially circular shape is the total reflection prism. When it is separated from the reflecting surface 21c of 21 or the rim portion is not split and the minute droplets are not scattered radially, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet are equal values.

上記工程がすべて終了した後又は上記工程と並行して、粘度算出装置によって以下の通り、粘度算出工程が行われる。 After all the above steps are completed or in parallel with the above steps, the viscosity calculation device performs the viscosity calculation step as follows.

まず、第1算出手段によって、第1測定工程で測定された輪郭形状S及び液滴Dの質量Mに基づき液滴Dの体積V、密度ρ及び表面張力σが算出される(第1算出工程)。次に、第2算出手段によって、第2測定工程で測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに第1算出工程で算出された体積Vに基づき液滴Dの衝突速度Uが算出される(第2算出工程)。 First, the first calculation means calculates the volume V, the density ρ, and the surface tension σ of the droplet D based on the contour shape S and the mass M of the droplet D measured in the first measurement step (first calculation step). ). Next, the second calculation means calculates the collision speed U 0 of the droplet D based on the maximum diameter D 0 and the transit time ΔT measured in the second measurement step and the volume V calculated in the first calculation step. (Second calculation step).

最終的に、第3算出手段によって、第2測定工程で測定された最大径D、第3測定工程で測定された最大濡れ広がり径Dwet、第1算出工程で算出された密度ρ及び第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記式(1)を用いて、計測対象である液体の粘度μが算出される(第3算出工程)。

上記式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。比例係数αは図7及び図8におけるそれぞれの傾きを示すものであって、測定対象である液体によって変化する。オフセット値βは図6に挿入したグラフに示されるように、接触角θの増加に伴い単調減少する。
Finally, the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step, the density ρ calculated in the first calculation step, and the first calculation means by the third calculation means. 2 From the collision speed U 0 calculated in the calculation step, the viscosity μ of the liquid to be measured is calculated using the following formula (1) (third calculation step).

In the above equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ and We = ρU 0 2 D 0 / σ, respectively. The proportionality coefficient α indicates the respective slopes in FIGS. 7 and 8, and changes depending on the liquid to be measured. The offset value β decreases monotonically as the contact angle θ increases, as shown in the graph inserted in FIG.

また、第3算出工程は、第3算出手段によって、第2測定工程で測定された最大径D、第3測定工程で測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、第1算出工程で算出された密度ρ及び第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて、計測対象である液体の粘度μを算出するものであってもよい。

上記式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。
Further, in the third calculation step, the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step by the third calculation means, the first From the density ρ calculated in the calculation step and the collision velocity U 0 calculated in the second calculation step, the viscosity μ of the liquid to be measured may be calculated using the following correlation equation (2). ..

In the above equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ and We = ρU 0 2 D 0 / σ, respectively.

本発明においては、上述の粘度算出工程を、例えばプログラムとして用いてコンピュータ(例えば汎用のパーソナルコンピュータ等)に実行させることができる。このプログラムは、上記粘度算出工程を用いていれば特に限定されず、公知の手段を用いて作成されてもよい。 In the present invention, the above-mentioned viscosity calculation step can be executed by a computer (for example, a general-purpose personal computer) by using it as a program, for example. This program is not particularly limited as long as the above viscosity calculation step is used, and may be created by using known means.

以下、上記プログラムをコンピュータに実行させる態様につき、図16及び図17に基づき説明するが、本発明はこれら図面に記載の内容に限定されるものではない。 Hereinafter, a mode in which the above program is executed by a computer will be described with reference to FIGS. 16 and 17, but the present invention is not limited to the contents described in these drawings.

図16は、本発明の一実施形態係る液体の粘度計測システム10が備える粘度算出装置の構成を示すブロック図である。演算部100はCPUを備え、入力部101、記憶部102、プログラムメモリ103及び表示部104と接続されている。入力部101は、例えば、キーボードやタッチパネル等からなり、文字や数値等を入力可能に構成されている。また、入力部101は、3つの測定装置(第1測定装置31、第2測定装置32、第3測定装置33)と直接または間接的に接続されていて、各測定装置から発信された測定データを入力部101が受信するように構成されていてもよい。記憶部102は、プログラムを使用するに際して、所定の情報を記憶する。プログラムメモリ103には、上記式(1)、(2)及び(3)等の数式データを含む動作プログラムが格納されている。演算部100では、入力部101で入力された測定データを、プログラムメモリ103に格納されている数式等にあてはめ、液体の粘度を算出する。 FIG. 16 is a block diagram showing a configuration of a viscosity calculation device included in the liquid viscosity measurement system 10 according to the embodiment of the present invention. The calculation unit 100 includes a CPU and is connected to an input unit 101, a storage unit 102, a program memory 103, and a display unit 104. The input unit 101 is composed of, for example, a keyboard, a touch panel, or the like, and is configured to be capable of inputting characters, numerical values, and the like. Further, the input unit 101 is directly or indirectly connected to three measuring devices (first measuring device 31, second measuring device 32, third measuring device 33), and measurement data transmitted from each measuring device. May be configured to be received by the input unit 101. The storage unit 102 stores predetermined information when using the program. The program memory 103 stores an operation program including mathematical formula data such as the above equations (1), (2) and (3). The calculation unit 100 applies the measurement data input by the input unit 101 to a mathematical formula or the like stored in the program memory 103 to calculate the viscosity of the liquid.

図17は、上記のプログラムの実行手順を示すフローチャートである。まず3つの測定装置(第1測定装置31、第2測定装置32、第3測定装置33)の測定データを入力する(201)。入力された測定データが不適合である場合には、エラーとなり、入力をし直す。次に、入力された測定データを上述の粘度算出工程の上記式(1)等にあてはめて液体の粘度を算出する(202)。具体的には、入力された測定データに基づき、まず第1算出工程が行われ、次に、第1算出工程で得られた算出データを加えて、第2算出工程が行われる。さらに、第1算出工程で得られた算出データ及び第2算出工程で得られた算出データを加えて、上記式(1)を用いて第3算出工程が行われる。このとき、算出結果が、例えば負の値等の場合にはエラーとなり、再度、入力からやり直す。算出結果が正常である場合には、算出結果を表示する(203)。 FIG. 17 is a flowchart showing the execution procedure of the above program. First, the measurement data of the three measuring devices (the first measuring device 31, the second measuring device 32, and the third measuring device 33) are input (201). If the input measurement data is incompatible, an error will occur and the input will be re-entered. Next, the input measurement data is applied to the above formula (1) or the like in the above-mentioned viscosity calculation step to calculate the viscosity of the liquid (202). Specifically, the first calculation step is first performed based on the input measurement data, and then the second calculation step is performed by adding the calculation data obtained in the first calculation step. Further, the calculation data obtained in the first calculation step and the calculation data obtained in the second calculation step are added, and the third calculation step is performed using the above formula (1). At this time, if the calculation result is, for example, a negative value, an error occurs and the input is restarted. If the calculation result is normal, the calculation result is displayed (203).

なお、上述の実施形態では、図16に記載の機能ブロックが、CPUのプログラムにより主としてソフトウェア的に実現される例について述べたが、電子部品により主としてハードウェア的に実現されるものであってもよい。 In the above-described embodiment, an example in which the functional block shown in FIG. 16 is realized mainly by software by a CPU program has been described, but even if it is realized mainly by hardware by electronic components. Good.

以上、本発明について図面を参照にして説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更実施が可能である。例えば、上記実施形態においては、第3測定装置33として、カメラを用いて長時間露光することにより測定しているが、これに限られず、例えば、第1測定装置31と同様に、長距離顕微鏡とこれに接続したハイスピードカメラを用いてもよい。また、上記実施形態においては、第2測定装置32として、測定点Aを間に挟んで一方の位置に配置されたレーザ光源と、他方の位置に配置されたレーザ受光器とで構成される透過型レーザセンサのみを用いているが、これに限られず、例えば、ハイスピードカメラを用いて、図13に示す波形図から、測定点Aを通過した液滴Dの水平方向の長さの値のうちの最大値に基づき最大径Dを求め、測定点Aを液滴Dが通過するのに要した時間から通過時間ΔTを求めてもよい。さらに、粘度測定システム10は、滴下部11に対する振動や揚力、風等の外力の影響による液滴Dの測定誤差の発生を防止する観点から、粘度測定システム10全体がグローブボックス内に設置されるものであってもよい。 Although the present invention has been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, the measurement is performed by long-time exposure using a camera as the third measuring device 33, but the measurement is not limited to this, and for example, a long-range microscope like the first measuring device 31. And a high-speed camera connected to this may be used. Further, in the above embodiment, as the second measuring device 32, the transmission is composed of a laser light source arranged at one position with the measurement point A in between and a laser receiver arranged at the other position. Only the type laser sensor is used, but the present invention is not limited to this, and for example, using a high-speed camera, the value of the horizontal length of the droplet D 2 that has passed the measurement point A from the waveform diagram shown in FIG. The maximum diameter D 0 may be obtained based on the maximum value of the above values, and the passing time ΔT may be obtained from the time required for the droplet D 2 to pass through the measurement point A. Further, in the viscosity measuring system 10, the entire viscosity measuring system 10 is installed in the glove box from the viewpoint of preventing the occurrence of measurement error of the droplet D due to the influence of external force such as vibration, lifting force, and wind on the dropping portion 11. It may be a thing.

以上説明したように、本発明の液体の粘度計測システム及び液体の粘度計測方法によれば、液体を液滴として自由落下させて衝突部へ衝突させるまでのわずかな時間で、第1測定手段、第2測定手段及び第3測定手段の測定結果から、液体の粘度を計測することができる。その結果、たとえ計測対象である液体が血液や塗料、接着剤のような凝固性を有するものや、金属やガラスのような多くの物性が温度や酸素濃度といった周囲環境の影響を強く受けるものであっても、正確な粘度計測が可能となる。また、一滴という極めて少ないサンプル量で液体の粘度を計測することができるので、十分なサンプル量を用意することが困難な液体の粘度計測にも利用でき、汎用性が高い。 As described above, according to the liquid viscosity measuring system and the liquid viscosity measuring method of the present invention, the first measuring means, the first measuring means, takes only a short time until the liquid is freely dropped as droplets and collides with the collision portion. The viscosity of the liquid can be measured from the measurement results of the second measuring means and the third measuring means. As a result, even if the liquid to be measured has coagulability such as blood, paint, and adhesive, and many physical properties such as metal and glass are strongly affected by the surrounding environment such as temperature and oxygen concentration. Even if there is, accurate viscosity measurement is possible. Further, since the viscosity of the liquid can be measured with an extremely small sample amount of one drop, it can be used for measuring the viscosity of a liquid for which it is difficult to prepare a sufficient sample amount, and it is highly versatile.

そして、衝突部が全反射プリズムであることにより、反射光と透過光の高コントラスト画像に基づき、液滴が全反射プリズムの反射面と接触している箇所と接触していない箇所とが明確化されるので、第3測定手段により、最大濡れ広がり径Dwetを高い精度で測定することができる。したがって、液滴が衝突部の表面に衝突して略円形状に広がる際に、液滴の衝突速度が十分に早い等の理由により、略円形状に変形した液滴の周辺部が衝突部の表面から離れたり、周辺部が分裂して微小液滴が放射状に飛散したりした場合であっても、正確に液体の粘度を計測することが可能となる。 Then, since the collision portion is a total reflection prism, it is clarified where the droplets are in contact with the reflection surface of the total reflection prism and where they are not in contact, based on the high-contrast image of the reflected light and the transmitted light. Therefore, the maximum wet spread diameter D wet can be measured with high accuracy by the third measuring means. Therefore, when the droplet collides with the surface of the collision portion and spreads in a substantially circular shape, the peripheral portion of the droplet deformed into a substantially circular shape is the collision portion because the collision speed of the droplet is sufficiently high. It is possible to accurately measure the viscosity of a liquid even when it is separated from the surface or the peripheral portion is split and minute droplets are scattered radially.

本発明は、特に、血液や塗料、接着剤のような凝固性を有する液体、金属やガラス等の高融点材料の粘度を計測するためのシステム及び方法として有用である。また、従来、別々の計測器が必要とされる、液体の主要物性である粘度、表面張力及び密度を一度の計測で求めることができるので有用である。 The present invention is particularly useful as a system and method for measuring the viscosity of coagulating liquids such as blood, paints and adhesives, and refractory materials such as metals and glass. In addition, it is useful because the viscosity, surface tension, and density, which are the main physical properties of a liquid, which conventionally require separate measuring instruments, can be obtained by one measurement.

10 液体の粘度計測システム
1 滴下機構
11 滴下部
2 衝突部
21 全反射プリズム
21a 入射面
21b 出射面
21c 反射面
31 第1測定装置
32 第2測定装置
33 第3測定装置
A 衝突直前の液滴Dの測定点
D(D,D,D)液滴
衝突直前の液滴Dの水平方向の最大径
max 衝突後の液滴Dの最大広がり径
wet 衝突後の液滴Dの最大濡れ広がり径
10 Liquid viscosity measurement system 1 Drop mechanism 11 Drop mechanism 2 Drop part 2 Collision part 21 Total reflection prism 21a Incident surface 21b Exit surface 21c Reflection surface 31 First measurement device 32 Second measurement device 33 Third measurement device A Droplet D immediately before collision Measurement point D (D 1 , D 2 , D 3 ) Droplet D 0 Maximum horizontal diameter of droplet D immediately before collision D max Maximum spread diameter of droplet D after collision D Wet Droplet D after collision Maximum wet spread diameter

Claims (16)

液体を質量Mの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下手段と、
前記滴下部に対向して設けられ、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させるための衝突部と、
前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第1測定手段と、
前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第2測定手段と、
前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第3測定手段と、
前記第1測定手段の測定結果、前記第2測定手段の測定結果及び前記第3測定手段の測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出手段と
を備え、
前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、
前記第3測定手段が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定するものである液体の粘度計測システム。
A dropping means for dropping a liquid as a droplet having a mass of M so as to freely fall from a dropping portion located at a predetermined height.
A collision portion provided so as to face the dropping portion and for colliding the droplet dropped from the dropping portion,
A first measuring means for measuring the state of the droplet at the time of dropping from the dropping portion,
A second measuring means for measuring the state of the droplet immediately before the collision with the collision portion,
A third measuring means for measuring the state of the droplet after colliding with the collision portion,
A viscosity calculating means for calculating the viscosity of the liquid based on the measurement result of the first measuring means, the measuring result of the second measuring means, and the measuring result of the third measuring means is provided.
The collision portion is a total reflection prism having an incident surface, an emitting surface, and a reflecting surface, and totally reflects the laser light incident from the incident surface on the reflecting surface and emits it from the emitting surface.
The third measuring means collides with the reflecting surface of the total internal reflection prism and measures the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet of the droplet deformed into a substantially circular shape. system.
前記第1測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものである請求項1に記載の液体の粘度計測システム。 The liquid viscosity measuring system according to claim 1, wherein the first measuring means suspends the dropping portion and measures the contour shape S of the droplet immediately before it falls freely. 前記第2測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものである請求項1又は請求項2に記載の液体の粘度計測システム。 Wherein the second measuring means, the transit time ΔT required for the droplet to the maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the liquid droplet at the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism passes The liquid viscosity measuring system according to claim 1 or 2, which is to be measured. 前記第1測定手段が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであり、
前記第2測定手段が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであり、
前記粘度算出手段が、
前記第1測定手段により測定された輪郭形状S及び前記質量Mに基づき前記液滴の体積V、密度ρ及び表面張力σを算出する第1算出手段と、
前記第2測定手段により測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに前記第1算出手段により算出された体積Vに基づき前記液滴の衝突速度Uを算出する第2算出手段とを備える請求項1に記載の液体の粘度計測システム。
The first measuring means suspends the dropping portion and measures the contour shape S of the droplet immediately before it falls freely.
Wherein the second measuring means, the transit time ΔT required for the droplet to the maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the liquid droplet at the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism passes To measure
The viscosity calculation means
A first calculating means for calculating the volume V, density ρ, and surface tension σ of the droplet based on the contour shape S and the mass M measured by the first measuring means.
A claim including a second calculating means for calculating the collision speed U 0 of the droplet based on the maximum diameter D 0 and the passing time ΔT measured by the second measuring means and the volume V calculated by the first calculating means. Item 1. The liquid viscosity measuring system according to Item 1.
前記粘度算出手段が、前記第2測定手段により測定された最大径D、前記第3測定手段により測定された最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出手段により算出された密度ρ及び前記第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(1)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出手段をさらに備える請求項4に記載の液体の粘度計測システム。

(式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
The viscosity calculating means includes a maximum diameter D 0 measured by the second measuring means, a maximum wet spread diameter D wet measured by the third measuring means, a density ρ calculated by the first calculating means, and the first. 2. The liquid viscosity measuring system according to claim 4, further comprising a third calculating means for calculating the viscosity μ of the liquid from the collision speed U 0 calculated by the calculating means using the following correlation formula (1).

(In equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We =, respectively. ρU 0 2 D 0 / σ.)
前記粘度算出手段が、前記第2測定手段により測定された最大径D、前記第3測定手段により測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出手段により算出された密度ρ及び前記第2算出手段により算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出手段をさらに備える請求項4に記載の液体の粘度計測システム。

(式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
The viscosity calculation means is calculated by the first calculation means, the maximum diameter D 0 measured by the second measuring means, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet measured by the third measuring means. The liquid according to claim 4, further comprising a third calculation means for calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation formula (2) from the density ρ and the collision speed U 0 calculated by the second calculation means. Viscosity measurement system.

(In equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. Reynolds number Re and Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We = ρU 0 2 D 0, respectively. / Σ.)
前記液体が、凝固性を有する液体である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の液体の粘度計測システム。 The liquid viscosity measuring system according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid is a liquid having coagulation properties. 前記液体が、高融点を有する材料の液体である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の液体の粘度計測システム。 The liquid viscosity measuring system according to any one of claims 1 to 6, wherein the liquid is a liquid of a material having a high melting point. 液体を質量Mの液滴として所定高さに位置する滴下部から自由落下するように滴下させる滴下工程と、
前記滴下部に対向して設けられた衝突部に、前記滴下部から滴下された前記液滴を衝突させる衝突工程と、
前記滴下部から滴下時の前記液滴の状態を測定する第1測定工程と、
前記衝突部へ衝突直前の前記液滴の状態を測定する第2測定工程と、
前記衝突部に衝突後の前記液滴の状態を測定する第3測定工程と、
前記第1測定工程で得られた測定結果、前記第2測定工程で得られた測定結果及び前記第3測定工程で得られた測定結果に基づき前記液体の粘度を算出する粘度算出工程とを備え、
前記衝突部が、入射面、出射面及び反射面を有し、前記入射面から入射されたレーザ光を前記反射面で全反射させて前記出射面から出射させる全反射プリズムであり、
前記第3測定工程が、前記全反射プリズムの反射面に衝突し、略円形状に変形した前記液滴の最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwetを測定するものである液体の粘度計測方法。
A dropping step of dropping a liquid as a droplet having a mass of M so as to freely fall from a dropping portion located at a predetermined height.
A collision step in which the droplets dropped from the dropping portion collide with a collision portion provided so as to face the dropping portion.
The first measurement step of measuring the state of the droplet at the time of dropping from the dropping portion, and
A second measurement step of measuring the state of the droplet immediately before the collision with the collision portion, and
A third measurement step of measuring the state of the droplet after colliding with the collision portion,
It includes a measurement result obtained in the first measurement step, a measurement result obtained in the second measurement step, and a viscosity calculation step of calculating the viscosity of the liquid based on the measurement result obtained in the third measurement step. ,
The collision portion is a total reflection prism having an incident surface, an emitting surface, and a reflecting surface, and totally reflects the laser light incident from the incident surface on the reflecting surface and emits it from the emitting surface.
The third measurement step measures the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet of the droplets that collide with the reflection surface of the total reflection prism and are deformed into a substantially circular shape. Method.
前記第1測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものである請求項9に記載の液体の粘度計測方法。 The method for measuring the viscosity of a liquid according to claim 9, wherein the first measuring step measures the contour shape S of the droplet immediately before the droplet is suspended from the dropping portion and freely dropped. 前記第2測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものである請求項9又は請求項10に記載の液体の粘度計測方法 The second measurement step, the transit time ΔT required for the droplet to the maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the liquid droplet at the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism passes The method for measuring the viscosity of a liquid according to claim 9 or 10, which is to be measured. 前記第1測定工程が、前記滴下部に懸垂し、自由落下する直前の前記液滴の輪郭形状Sを測定するものであり、
前記第2測定工程が、前記全反射プリズムの反射面へ衝突直前の測定点における前記液滴の水平方向の最大径D及び前記測定点を前記液滴が通過するのに要する通過時間ΔTを測定するものであり、
前記粘度算出工程が、
前記第1測定工程で測定された輪郭形状S及び前記質量Mに基づき前記液滴の体積V、密度ρ及び表面張力σを算出する第1算出工程と、
前記第2測定工程で測定された最大径D及び通過時間ΔT並びに前記第1算出工程で算出された体積Vに基づき前記液滴の衝突速度Uを算出する第2算出工程とを備える請求項9に記載の液体の粘度計測方法。
The first measuring step measures the contour shape S of the droplet immediately before it is suspended from the dropping portion and freely dropped.
The second measurement step, the transit time ΔT required for the droplet to the maximum diameter D 0 and the measuring point in the horizontal direction of the liquid droplet at the measurement point immediately before the collision to the reflecting surface of the total reflection prism passes To measure
The viscosity calculation step
A first calculation step of calculating the volume V, density ρ, and surface tension σ of the droplet based on the contour shape S and the mass M measured in the first measurement step.
A claim including a second calculation step of calculating the collision speed U 0 of the droplet based on the maximum diameter D 0 and the passing time ΔT measured in the second measurement step and the volume V calculated in the first calculation step. Item 9. The method for measuring the viscosity of a liquid according to Item 9.
前記粘度算出工程が、前記第2測定工程で測定された最大径D、前記第3測定工程で測定された最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出工程で算出された密度ρ及び前記第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記相関式(1)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出工程をさらに備える請求項10に記載の液体の粘度計測方法。

(式(1)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、αは比例係数、βはオフセット値である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
In the viscosity calculation step, the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step, the density ρ calculated in the first calculation step, and the first calculation step. 2. The method for measuring the viscosity of a liquid according to claim 10, further comprising a third calculation step of calculating the viscosity μ of the liquid from the collision speed U 0 calculated in the calculation step using the following correlation formula (1).

(In equation (1), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, α is the proportional coefficient, and β is the offset value. The Reynolds number Re and the Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We =, respectively. ρU 0 2 D 0 / σ.)
前記粘度算出工程が、前記第2測定工程で測定された最大径D、前記第3測定工程で測定された最大広がり径Dmax及び最大濡れ広がり径Dwet、前記第1算出工程で算出された密度ρ及び前記第2算出工程で算出された衝突速度Uから、下記相関式(2)を用いて前記液体の粘度μを算出する第3算出工程をさらに備える請求項10に記載の液体の粘度計測方法。

(式(2)中、Weはウェーバー数、Reはレイノルズ数、Bは比例係数である。レイノルズ数Reとウェーバー数Weはそれぞれ、Re=ρU/μ,We=ρU /σである。)
The viscosity calculation step is calculated by the maximum diameter D 0 measured in the second measurement step, the maximum spread diameter D max and the maximum wet spread diameter D wet measured in the third measurement step, and the first calculation step. The liquid according to claim 10, further comprising a third calculation step of calculating the viscosity μ of the liquid using the following correlation formula (2) from the density ρ and the collision speed U 0 calculated in the second calculation step. Viscosity measurement method.

(In equation (2), We is the Weber number, Re is the Reynolds number, and B is the proportional coefficient. Reynolds number Re and Weber number We are Re = ρU 0 D 0 / μ, We = ρU 0 2 D 0, respectively. / Σ.)
前記液体が、凝固性を有する液体である請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の液体の粘度計測方法。 The method for measuring the viscosity of a liquid according to any one of claims 9 to 13, wherein the liquid is a liquid having coagulation properties. 前記液体が、高融点を有する材料の液体である請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の液体の粘度計測方法。 The method for measuring the viscosity of a liquid according to any one of claims 9 to 13, wherein the liquid is a liquid of a material having a high melting point.
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CN117606980A (en) * 2023-09-22 2024-02-27 中煤科工开采研究院有限公司 Method for measuring the flow properties of a liquid and device for observing liquid drops

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