JP2810860B2 - 液体の状態を測定するセンサー位置の決定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、細線加熱法を利用して
熱の非平衡輪特性に関連する流体の物性変化を用いて測
定する流体の状態管理に関し、より詳しくは、細線加熱
法は測定素子として発熱センサーと測温センサーを用い
るが、汎用性の高い計測を行うためにセンサーの構造や
発熱条件などによって異なってくる各センサーのそれぞ
れの位置を決定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に線状熱源の伝熱特性を利用して流
体の物性を測定する方法に関する従来技術については、
日本機械学論文集４７巻「液体の熱伝導率の高精度測定
に関する研究」長坂雄次、長島昭（昭５６−７）や日本
熱物性学会編「熱物性ハンドブック」養賢堂発行（１９
９０．５．３０）などで紹介されている。これらの測定
方法では主要な熱伝達機構として伝導伝熱と対流伝熱に
着目し、液体中に静置された線状熱源温度の経時変化か
ら物性値を導くことができる事例が示されている。これ
らの測定方法を具体化したものとして、特公平４−６７
９０２号があり、ここでは旧来熱伝導率の計測のみに用
いられていた細線加熱法を転用して、発熱センサーと流
体温度の測温センサーを用いてその両者の温度差から各
種流体物性の変化を総合的に知ることができることが紹
介されている。そして、これらの温度差の経時的な変化
は、更に詳しくは流体の動粘性率、温度伝導率、体積膨
張率、熱伝導率、熱伝達率、密度等の変化が単一もしく
は同時変化することによって生じるものであることが開
示されている。

【０００３】本発明の直接の先行技術である特開平６−
２８１６０５号「熱伝導率と動粘性率の同時測定方法」
では、流体の熱伝導率と動粘性率を測定するとき、発熱
センサーに対して流体の温度の測温センサーの位置によ
ってこれらの物性値が測定値から算出できることを示す
発明に関するものである。この発明では発熱センサーの
発熱作用によって発熱センサー周囲の流体に生じる層流
温度境界層の内部に流体の温度の測温センサーが位置す
るようにした測定値から熱伝導率を求め、発熱センサー
の発熱量を制御して前記流体の温度の測温センサーが層
流温度境界層の外部に位置するようにして動粘性率を測
定する方法を提案している。この発明においては発熱セ
ンサー周囲の局所流体に生じる層流温度境界層の厚さは
流体の諸物性値と大きく関係していると理解できるが、
これは層流温度境界層の内部では伝導伝熱のみが生じ、
他方、層流温度境界層の外部では伝導伝熱と対流伝熱が
同時に生じるという違いがあり、この伝熱機構の差が物
性値の種類と関係していることを利用するものである。

【０００４】又、特開平６−２６５４９４号「流体の最
大密度温度の測定方法及び該測定方法を利用した発熱セ
ンサーの誤差の測定方法」は、発熱センサーを配置した
流体容器を加熱冷却媒体中に配置し、加熱冷却媒体中に
配置した測温センサーとの温度差を一定に保ちながら、
加熱冷却媒体温度を変化させるときの発熱センサーへの
電流もしくは電圧の変化を測定して、この変化から流体
の最大密度温度を測定することを基本とした技術に関す
るものである。この発明では水の密度が４℃のとき最大
になるという物理現象を利用して、該発明の方法で水の
温度変化による測定値の変化を調べると、最大密度温度
における電流の変化が頂点をもつ曲線状となり、微分可
能な極小値をもつ滑らかな曲線となることから、発熱セ
ンサーの誤差などを調節可能であることが記載されてい
る。

【０００５】また、特開平６−１０９６７５号「流体の
状態の測定方法」では、流体がゲル変化を終了している
かどうかについて、測定時に瞬時に判定する方法を紹介
しており、発熱センサーの発熱作用の開始前後のセンサ
ー自体の温度差とセンサー近傍の流体温度差を比較利用
することが記載されている。この発明では、流体のゲル
化の有無により温度境界層の位置が大幅に変化するた
め、例えば１ｃｍ以上の大きな間隔をあけて配置された
発熱センサーと測温センサーの各温度の経時的変化を示
す温度差測定値の現れ方によってゲル化状態かどうか判
定できることが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】熱伝達現象を利用し
て、具体的には固体壁や流体の温度変化などから流体の
物性値や状態変化を観測する試みは多くの文献や特許で
紹介されてきている。そして、発熱センサーの周囲には
流体が伝熱による温度差のため流動する部分と有限の粘
性によって静止している部分があり、両者の境界を示す
流動境界層と同境界層に起因する温度境界層が形成され
ていることが知られている。従って、温度境界層の内側
における伝熱は伝導のみで移動し、他方、温度境界層の
外側では伝導と対流の両機構によって移動すると考えら
れる。このことから、対流熱伝達現象を利用して流体の
物性を測定する場合は、どの場所で温度を測定するかに
よって、観測可能な物性値の種類が規定されるわけであ
り、発熱センサーに対する測温センサーの位置関係は熱
的方法による流体の状態の測定に際しては重要な意味を
持つことになる。

【０００７】この温度境界層の位置が明確であれば、そ
れによって配置を決定できるが、温度境界層は目視等で
直接計測できるものでは無く、かつ発熱センサーが充分
に長いときは発熱センサーの下部先端から発熱センサー
の上部先端までに発生する円筒状の温度境界層の位置は
一定でなく、一般に下部より上部のほうが厚くかつ境界
の不鮮明な上下方向に非対称な状態であるものと推測さ
れる。従って、実用上は中心部分の境界層の厚さを基準
とすることもできるが、依然として両末端の影響は無視
出来ない。一方、発熱センサーが短くなると両末端の影
響は更に顕著となり実用性が失われると判断されてい
た。この場合、温度境界層は発熱センサーを中心とした
回転楕円体状となり上下方向の対称性が生ずる。このよ
うに発熱センサーの長短にかかわらず、流体の測温セン
サーは多くの場合、温度境界層の内側にある部分と外側
にある部分とが混在する位置に配置されることが予測さ
れ、このような場合の温度差測定値から個々の物性の挙
動を分離して計測することは困難となる。さらに発熱セ
ンサーの発熱量によって温度境界層の位置も異なってく
ることから、発熱センサーと流体の測温センサーの配置
問題は測定上の最大の規則の一つとなる。

【０００８】前記先行技術の特開平６−２８１６０５号
「熱伝導率と動粘性率の同時測定方法」は、熱の関係が
温度境界層の内部では伝導伝熱のみの伝熱形態をとる
が、温度境界層の外部では伝導伝熱と対流伝熱の総合さ
れた伝熱形態をとるという違いがあり、この熱の伝熱形
態が物性値と関係していることに起因するものであるこ
とから、温度境界層の位置を発熱センサーの発熱量の制
御で変化させて流体の測温センサーが確実に温度境界層
の内側か外側にくるように検討されたものである。この
発明では温度境界層を層流温度境界層と表現しており、
温度境界層が円筒状に発熱センサーの周囲に形成される
場合について述べられている。なお、球状の温度境界層
が生じる場合についても同じ理論で発明構成されること
はいうまでもない。しかし、この温度境界層は目に見え
るものではないことから、流体の測温センサーが確実に
希望する位置にあるかどうかは、その都度、測定値をも
とに判断しながら測定を実施するしか方法が無かった。

【０００９】前記特開平６−２６５４９４号「流体の最
大密度温度の測定方法及び該測定方法を利用した発熱セ
ンサーの誤差の測定方法」は、発熱センサーと測温セン
サーの測定する流体の状況に違いがあり、発熱センサー
の熱伝達の影響を受けない状態で測温センサーが機能す
る測定方法である。この発明では流体の測定のなかで測
定値の変化として頂点をもつ温度曲線が計測されてお
り、その頂点における流体温度に一つの意味があること
が記載されている。しかしながら、それは電流値の変化
であり、流体の最大密度温度をしめすもので、他に何ら
かの値を示すものであるか依然として不明である。

【００１０】また、特開平６−１０９６７５号「流体の
状態の測定方法」では、前述の通りゲル化による温度境
界層の位置の変化を利用した判定方法が記載されてい
る。その測定方法では、発熱センサーの発熱作用の開始
前後における流体の温度と発熱後におけるセンサーの温
度のそれぞれの温度差の持つ測定上の意味については、
解明されていない。

【００１１】本発明は、発熱センサーと測温センサーの
位置を決定する上で、従来の問題点として挙げられてい
る不解明な点をセンサー表面近傍の局所流体温度を手掛
かりとして検討し、直接測定値に従来の発熱体センサー
温度と有効流体温度を加えて測温センサーの最適な位置
を決定する方法を得ることを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は以上のような目
的を達成するために次のような方法を提供するものであ
る。即ち、発熱作用を有するとともに自らの温度を計測
する作用を有する発熱センサーを液相温度で最大密度を
示す静止流体中に配置し、同流体の温度を最大密度温度
が計測範囲内に含まれるように変化させながら計測され
る発熱センサーの温度と、別個に用意した測温センサー
で同流体の温度を測定し、発熱センサーが発熱する以前
と同発熱後の発熱センサーの温度差及び、発熱センサ
ーが発熱する以前と同発熱後の測温センサーが配置され
た位置における同流体の温度差、前記２つの温度差の
差を算出し、同流体温度とこれらの温度差の関係から
発熱センサーと測温センサーの距離を決定する流体の状
態を測定するセンサー位置の決定方法である。それを具
体的に適用したものとしては、静止した純水中で発熱セ
ンサーと測温センサーの距離を変化させながら温度差
、温度差及び温度差を計測し、純水温度対温度差
曲線及び純水温度対温度差曲線が３．９８℃近傍に
おいて微分できない極大値を示し、かつ温度差が極大
値を示さない単調減少変化を示すときの発熱センサーと
測温センサーの位置から両者の距離を決定し、この距離
によって他の流体の状態変化を計測するときの各センサ
ーの位置を決定する流体の状態を測定するセンサー位置
の決定方法を提案する。

【００１３】

【作用】本発明は発熱作用を有すると共に目的の温度を
計測する作用を有する発熱センサーを純水中等に配置
し、同流体の温度を変化させながら計測される発熱セン
サーの温度と、別個に用意した測温センサーによる局所
流体温度を測定し、発熱センサーが発熱する以前の温度
（この場合発熱センサーを温度センサーとして用い
る。）と同発熱後の発熱センサーの温度の温度差、及
び発熱センサーが発熱する以前と同発熱後の温度センサ
ーが配置された位置における同流体の温度差、前記温
度差と温度差の２つの温度差の差を計測し、同流
体温度とこれらの温度差の関係から発熱センサーと測温
センサーの距離を決定するものである。

【００１４】以上のような３種類の温度差のうち温度差
（Δθｗ）は主に粘度と体積膨張率に関連のある対流
伝熱と、主に熱伝導率と温度伝導率に関連のある伝導伝
熱が同時に反映される総合特性値を示す。従って例えば
粘度のみが変化する系では粘度と１対１の対応関係を示
すが、他方粘度と熱伝導率が同時に変化する系ではΔθ
ｗの値のみで個々の物性値の挙動を個別に把握すること
は困難である。例えば純水中であれば温度と共に上記４
種類の物性値（粘度、体積膨張率、熱伝導率、温度伝導
率）は、体積膨張率だけが特異的に大きく変動する３．
９８℃近傍を除けば、全ての影響が反映されているた
め、Δθｗはあくまで総合特性値として機能する（図１
参照）。即ち Δθｗ 〜 伝導伝熱＋対流伝熱 ・・・（１） の関係にある。一方、温度差（Δθ∞^* ）は本願方法
によって温度境界層内部に試料温度測定センサーが配置
されれば（１）式右辺第１項のみが分離された条件、即
ち、 Δθ∞^* 〜 対流伝熱 ・・・（２） に対応する指標値となる（図２参照）。（２）式の検証
は温度差（Δθｗ^* ）が対流伝熱の影響（純水中であ
れば３．９８℃における体積膨張率の特異的変化）が図
３に示す如く観測されないことで充分達成される。即
ち、 Δθｗ^* 〜 伝導伝熱 ・・・（３） の関係が示されるからである。以上（１）〜（３）式か
ら Δθｗ ＝ Δθｗ^* ＋Δθ∞^* ・・・（４） となることは明らかである。さらに（４）式の両辺を分
解すると、 θｗ−θ∞ ＝ （θｗ−θ∞^* ）＋（θ∞^* −θ∞）・・・（５） となる。即ち、本願方法は（５）式のθ∞^* が測定でき
る位置の決定方法に関するものである。

【００１５】次に、θ∞^* の測定を予測した位置が温度
境界層の内部と外部の両方にまたがる場合については、
温度差（Δθｗ^* ）には伝導伝熱の全てに対流伝熱の
一部が加わるため、図３のような単調減少曲線ではなく
なり、３．９８℃近傍で相対的に小さな極値変化を示す
図８に示す曲線となってしまう。なおこの場合、温度差
（Δθｗ）は図６の挙動を示し、温度差（Δθ
∞^* ）は、図７に示すように、図２に比較して対流伝熱
に対する感度は相対的に減少する。

【００１６】更に、温度差（Δθ∞^* ）の測定を予測
した位置が完全に温度境界層の外部となってしまう場合
には、温度差（Δθｗ）と温度差（Δθｗ^* ）は図
９、図１１に示す如く全く等しくなり、他方温度差
（Δθ∞^* ）は図１０の如く観測されない。

【００１７】即ち、本願方法を用いてθ∞^* を各温度差
が図１乃至図３となるように決定すれば、従来の方法で
公知となっている対流伝熱と伝導伝熱の総合特性値Δθ
ｗだけでなく、対流伝熱に関係するΔθ∞^* と伝導伝熱
に関係するΔθｗ^* も同時に測定することが可能にな
る。このことによって実用上は粘度と熱伝導率が同時に
変化する系でも、従来と同じセンサーを用いて各物性値
の挙動を個々に分離して、かつ同時に評価できるように
なる。具体的には濃度変化を伴う増粘系でも濃度と粘度
の同時モニターが可能となる。このような測定はΔθｗ
だけを用いる従来法では原理的に困難であった。

【００１８】以上のように本発明は最大密度点温度を有
する純水等の流体を利用して、その流体中に固定された
発熱センサーの温度と局所及び有効流体温度の測定値の
変化から発熱センサーと測温センサーの位置関係を決定
するもので、当該流体中における発熱センサーと測温セ
ンサーの温度から算出される３種類の温度と有効流体温
度の関係をあらわす曲線の変化を比較検討することから
なる。尚、本発明でいう発熱センサーとは、発熱すると
共に自らの温度を測定可能な素子のことをいい、測温セ
ンサーとは流体の温度を測定する素子であって、それが
素子そのものであっても、保護管等に内蔵するものであ
ってもかまわない。また、測温センサーとして発熱セン
サーと同じ構造のものをその電流操作によって測温セン
サーとして機能させてもかまわない。又、発熱センサー
の発熱量によって温度境界層の大きさは異なってくるの
で、予め被測定流体の特性に合うような発熱量を設定し
て、この発明が実施されるが発熱量は自由に選択可能で
ある。

【００１９】

【実施例】以下、具体的な実施例について述べると次の
ようになる。図５に示す形状の長さ４ｍｍ、直径０．６
ｍｍの発熱体素子１２（０℃の電気抵抗値５０Ω）が外
径１ｍｍ、長さ約１００ｍｍのステンレス製保護管の先
端から２ｍｍ〜６ｍｍの部分に内蔵された発熱センサー
１１及び発熱センサー１１と同一形状（外径１ｍｍ、長
さ約１００ｍｍ、有効検出部分の長さ４ｍｍ）で発熱体
素子２２を内装する試料温度測定用センサー２１を互い
に平行（中心軸間の距離２ｍｍ、表面間の最短距離１ｍ
ｍ）かつ共に鉛直となるように静止した恒温（０〜２３
℃）超純水中に固定し、発熱センサーを直流電流にて５
Ｗ／ｍの定発熱条件下で加熱する。図４に示すように、
温度平衡状態における（１）発熱体内蔵素子温度θｗと
流体の代表温度θ∞の差Δθｗ（温度差）、（２）発
熱センサー表面近傍の局所流体温度の差Δθ∞^* 、すな
わち発熱センサー非加熱時の上記試料温度測定用センサ
ーの指示値θ∞に対する発熱センサー加熱後の試料温度
測定センサーの指示値θ∞^* の変化幅（温度差）及
び、（３）ΔθｗとΔθ∞^* の差Δθｗ^* 、すなわちθ
ｗとθ∞^* の差（温度差）を計測し、それぞれ恒温試
料温度θ∞に対する変化を求めたところ、図１に示すよ
うに明らかに伝導伝熱と対流伝熱が同時に生じていると
認められるΔθｗ（温度差）の挙動に対して、図３に
示すように、Δθｗ^* （温度差）では最大密度点温度
３．９８℃近傍における極大値が消失し、対流伝熱が生
じなかったことが確認された。一方、図２のようにΔθ
∞^* の挙動からΔθｗ^* に含まれなかった対流伝熱の影
響はΔθ∞^* に分離、反映されていることが検証され
た。

【００２０】

【発明の効果】

（１）、流体の状態を測定する上で発熱センサーの大き
さや内部構造、発熱量の変動等に起因する温度境界層の
形状変化に応じて、被測定流体中の測温センサーと発熱
センサーの位置関係を直接的方法を用いて決定できるた
め、測定値の信頼性が確実に向上する。 （２）、熱伝導率と動粘性率が同時に変化する場合で
も、両者の変化を同時にかつ分離して個別評価でき、非
破壊多次元同時計測が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】温度測定センサーが温度境界層内部にある場合
に縦軸Δθｗ（温度差）、横軸純水温度の関係を示す
グラフ

【図２】図１の場合の縦軸Δθ∞^* （温度差）、横軸
純水温度の関係を示すグラフ

【図３】図１の場合の縦軸Δθｗ^* （温度差）、横軸
純水温度の関係を示すグラフ

【図４】発熱センサーが発熱する以前と同発熱後の発熱
センサーの温度差及び発熱センサーが発熱する以前と
同発熱後の測温センサーが配置された位置における流体
の温度差、これら２つの温度差を示す説明図。

【図５】本発明の発熱体センサーにおける発熱体素子と
試料温度測定センサーにおける温度測定素子との関係を
示す説明図。

【図６】温度測定センサーが温度境界層の内部と外部の
両方にまたがる場合の縦軸Δθｗ（温度差）、横軸純
水温度の関係を示すグラフ

【図７】図６の場合の縦軸Δθ∞^* （温度差）、横軸
純水温度の関係を示すグラフ

【図８】図６の場合の縦軸Δθｗ^* （温度差）、横軸
純水温度の関係を示すグラフ

【図９】温度測定センサーが温度境界層外部にある場合
の縦軸Δθｗ（温度差）、横軸純水温度の関係を示す
グラフ

【図１０】図９の場合の縦軸Δθ∞^* （温度差）、横
軸純水温度の関係を示すグラフ

【図１１】図９の場合の縦軸Δθｗ^* （温度差）、横
軸純水温度の関係を示すグラフ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発熱作用を有するとともに自らの温度を
   計測する作用を有する発熱センサーを液相温度で最大密
   度を示す静止流体中に配置し、同流体の温度を最大密度
   温度が計測範囲内に含まれるように変化させながら計測
   される発熱センサーの温度と、別個に用意した測温セン
   サーで同流体の温度を測定し、発熱センサーが発熱する
   以前と同発熱後の発熱センサーの温度差及び、発熱セ
   ンサーが発熱する以前と同発熱後の測温センサーが配置
   された位置における同流体の温度差、前記２つの温度
   差の差を算出し、同流体温度とこれらの温度差の関係
   から発熱センサーと測温センサーの距離を決定する流体
   の状態を測定するセンサー位置の決定方法。
2. 【請求項２】 静止流体は純水であり、発熱センサーと
   測温センサーの距離を変化させながら温度差、温度差
   及び温度差を計測し、純水温度対温度差曲線、及
   び純水温度対温度差曲線が３．９８℃近傍において微
   分できない極大値を示し、かつ温度差が極大値を示さ
   ない単調減少変化を示すときの発熱センサーと測温セン
   サーの位置から両者の距離を決定し、この距離によって
   他の流体の状態変化を計測するときの各センサーの位置
   を決定する請求項１記載の流体の状態を測定するセンサ
   ー位置の決定方法。