JP3876064B2 - 分散状態測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭を微粉にして水と懸濁した流動性燃料である石炭・水混合物(以下.CWMとする:Coal Water Mixture) や、セメントスラリー等が配管内を流れるとき等の分散粒子の分散状態の監視に適用される分散状態測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
粒子が媒質中に散在する分散系には、微粒子、油滴粒子が水中に分散しているCWMやセメントスラリーなどがあり、また、水滴が油系の溶媒に分散しているものもある。
【0003】
これらの分散系では、経時変化による分散粒子の凝集を防ぎ、適切な分散状態を維持するため、微粒子、油滴、水滴などの分散粒子の分散状態を監視し、粒径を適宜制御する必要がある。
【0004】
従来の上記分散系の監視手段としては、ラジオ波、マイクロ波を含む電磁波、赤外、可視、紫外領域の光、及び超音波などを用い、分散系の物性をオンラインで測定する本出願人の出願に係る発明(特願平6−220066号)があるが、流動状態や、剪断応力下での物性の変化に着目した監視装置はなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の分散系の分散状態を監視するための装置としては、前記のように、電磁波、光、及び超音波などを用い、分散系の物性をオンラインで測定するものはあったが、流動状態や剪断応力下での分散系の物性の変化に着目したものはなかった。
【0006】
パイプラインなどを流れるCWM等の分散状態をオンラインで監視できれば、品質管理、プロセスモニターに有用であり、湿式ミル等の内部の状態を監視できれば破砕条件(回転速度、運転時間など)の最適化に貢献することができるため、流動状態や剪断応力下での分散系の分散状態の監視装置の実現が望まれていた。
本発明は、上記の課題を解決しようとするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
(1)請求項1の発明に係る分散状態測定装置は、分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたことを特徴としている。
【0008】
本発明は、種々実験を重ねた結果、分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力(粘度)、及び分散粒子の粒径の間には一定の相関関係があることを見出したことによるものであり、それぞれのデータの相関関係は予めコンピュータに記憶されている。
【0009】
本発明に係る装置を用いて配管内を流れる分散粒子の分散状態を測定する場合、発振器より電磁波を発振させ、これをアナライザ、テストセットを介して誘電率測定プローブへ伝送し、同プローブは液体中に計測信号を照射し、その反射信号を検出する。
【0010】
上記プローブにより検出された反射信号は、テストセットを介してアナライザへ伝送され、同アナライザが信号処理してコンピュータに入力し、コンピュータはまず液体の誘電率を求める。
【0011】
上記コンピュータは、この誘電率と相関関係を有する上記データを記憶しており、誘電率より液体の剪断速度、剪断応力、分散粒子の粒径等を求めて出力するため、液体中の分散粒子の分散状態を求めることができる。
【0012】
(2)請求項2の発明は、上記発明(1)に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが同軸ケーブルの先端部により形成されたことを特徴としている。
【0013】
本発明において、同軸ケーブルの先端部は液体中に計測信号の照射が可能であり、液体による反射信号の検出が可能なため、上記発明(1)と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【0014】
(3)請求項3の発明は、上記発明(1)に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが共振器により形成されたことを特徴としている。
【0015】
本発明において、共振器は液体中に計測信号の照射が可能であり、液体による反射信号の検出が可能なため、上記発明(1)と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【0016】
(4)請求項4の発明は、上記発明(1)に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたことを特徴としている。
【0017】
本発明においては、発信側ホーンアンテナが液体中に計測信号を照射し、液体による反射信号を受信側ホーンアンテナが検出するため、上記発明(1)と同様に液体中の分散粒子の分散状態の把握が可能である。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の第1形態に係る分散状態測定装置について、図1により説明する。なお、本実施形態は、配管中に流れるCWMについての水中における石炭粒子の分散状態の測定に適用されたものである。
【0019】
図1に示す本実施形態に係る分散状態測定装置は、CWMが流れる配管10内に挿入される同軸ケーブル2の一端により形成された誘電率測定プローブ1、上記同軸ケーブル2の他端に接続されたテストセット3、同テストセット3が接続されたネットワークアナライザ4、同アナライザ4に接続された発振器5、および上記テストセット3とネットワークアナライザ4と発振器5が接続されたコンピュータ6を備えている。
【0020】
上記において、配管10内を流れるCWMの分散状態を測定する場合、発振器5により電磁波を発信させ、この電磁波をネットワークアナライザ4で参照信号と計測信号に分割し、計測信号をテストセット3を介して誘電率測定プローブ1へ伝送し、同プローブ1よりCWMに照射する。
【0021】
この計測信号のCWMによる反射信号は上記誘電率測定プローブ1が検出し、テストセット3を介してネットワークアナライザ4へ伝送され、同アナライザ4が参照信号と比較し、信号処理してコンピュータ5に入力し、同コンピュータ6はCWMの誘電率を求めた後、この誘電率よりCWMの剪断速度や石炭粒子の粒径を求め、更に、剪断速度よりCWMの剪断応力(粘度)を求める。
【0022】
なお、剪断速度と剪断応力の管径方向の分布については、上記誘電率測定プローブ1を配管10の半径方向へ移動することによりその半径方向の分布も測定することができる。
【0023】
上記により、配管内におけるCWMの剪断速度や剪断応力の分布の測定、及び石炭粒子の粒径が測定可能となったため、CWMの分散状態の把握が可能となった。
【0024】
なお、本実施形態において、誘電率測定プローブ1の先端で検出した電磁波の反射係数から誘電率を求めるためのコンピュータ6による処理は、以下のとおりである。同軸ケーブル2の先端部からなる誘電率測定プローブ1は、図2に示すような等価回路で表わすことができる。
【0025】
図2中のΖm は、ネットワークアナライザー4で測定される反射係数ρm より得られる出力インピーダンスであり、(1)式で示される。また、図2から(2)式で示される。
【0026】
【数1】
【0027】
ここで、3つのパラメータΔ,Δ12,Δ23を下記のように定義すると、(2)式は(3)式で表わされる。
Δ=Ζ1 Ζ2 +Ζ2 Ζ3 +Ζ3 Ζ1
Δ12=Ζ1 Ζ2
Δ23=(Ζ2 +Ζ3 )
【0028】
【数2】
【0029】
上記インピーダンスΖ(ε,ω)を(4)式に示すように定義すると、(3)式は(5)式となる。
Ζ(ε,ω)=1/ωC0 ε…………………………………………………(4)
【0030】
【数3】
【0031】
ここで、上記(5)式に含まれる比誘電率(以下、誘電率)εに着目する。
プローブ先端がオープンのときにはεは空気の誘電率に等しいとみなし、ε=1と考えると、このときの出力インピーダンスΖmoは(6)式により表わされ、プローブ先端がショートのときにはεは無限大とみなすと、出力インピーダンスΖmsは下記の(7)式により表わされる。
【0032】
また、誘電率が既知の物質がプローブ先端にあるときには、ε=εa とすると、出力インピーダンスΖmaは下記の(8)式により表わされ、プローブ先端に誘電率εの試料があるときには、出力インピーダンスΖmmは下記の(9)式により表わせる。
【0033】
【数4】
【0034】
上記(6)〜(9)式からは、パラメータΔ,Δ12,Δ23を消去し、Ζmo,Ζms,Ζma,Ζmmで表された試料の誘電率εを示す(10)式を得ることができる。
【0035】
【数5】
【0036】
上記(10)式に含まれる4つのインピーダンスΖmo,Ζms,Ζma,Ζmmは(1)式と同様にそれぞれ反射係数で表わすことができ、これらを(10)式に代入すると、(11)式が得られる。
【0037】
【数6】
【0038】
従って、コンピュータ6は、オープン、ショート、標準試料、試料の場合に対するプローブ先端の反射係数と、標準物質の誘電率εa を用いることにより、試料の誘電率εを計算することができる。
【0039】
本実施形態においては、上記のように、CWMの誘電率よりその剪断速度や粒径等を求めるものとしているが、これは種々実験をくり返した結果、両者の間に相関関係のあることを見出したことによるものであり、以下に、カーボンブラックを25wt%含有する水懸濁液を試料として行った実験について、実験の内容と結果を説明する。
【0040】
この実験に用いた装置は、図3に示すように本実施形態に係る分散状態測定装置にコーンプレート型回転粘度計(型式番号RS−100,ハーケ(ドイツ)社製)11を組み合わせたものであり、この回転粘度計11は測定試料をのせるプレート上に試料の周囲を囲むように円筒形の壁が形成された容器12に配設されている。
【0041】
この容器12の壁には穴があけられて誘電率測定プローブ1である同軸ケーブル2の先端が挿入され、樹脂製のシールで固定されており、試料は回転粘度計11により剪断力を与えられながら、粘度と誘電率が測定される。
【0042】
なお、ネットワークアナライザ4はウィルトロン(アメリカ)社製で型式番号360Bのもの、発振器5はウィルトロン(アメリカ)社製で型式番号68169Aのもの、テストセット3はウィルトロン(アメリカ)社製で型式番号3611Aのもの、コンピュータ6はIBM PC/AT互換機を用いた。
【0043】
上記実験により得られた剪断速度と誘電率の関係を図4に、剪断速度と剪断応力(粘度)の関係を図5に、剪断速度と微分粘度dτ/dD(ここで、τは剪断応力、Dは剪断速度)の関係を図6に、また、粒径と誘電率の関係を図7に示している。
【0044】
図6を見ると、剪断速度が200〜400s-1のときには微分粘度はほぼ一定がだ、400s-1を越えると増加する。また、図4を見ると、微分粘度が一定の領域では誘電率も変化していないが、剪断速度を上げて微分粘度が上昇を始めると同時に誘電率の値も増大する。
【0045】
これは、分散しているカーボンブラックの粒子同士が互いに衝突し微粒化する過程で固体粒子周りの拘束水が変化し、粒子が微細化するためである。これにより、カーボンブラック粒子を分散し微粒化するためには、400s-1以上の剪断速度で攪拌する必要があることが分かる。
【0046】
なお、上記拘束水とは、固体と水の界面に形成され、固体からの影響を受けて通常の水よりも運動が遅い水であり、普通の水である自由水に対応する用語であって、水を媒質とする分散系の分散粒子の分散状態が変化すれば、比表面積の変化や固体中に取り込まれた内包水の生成・消失などにより、その状態が変化するものである。
【0047】
本発明の実施の第2形態に係る分散状態測定装置について、図8により説明する。図8に示す本実施形態に係る装置は、図1に示す第1実施形態に係る装置において、同軸ケーブル2の先端とした誘電率測定プローブ1に代えて共振器7を用い、共振器7とテストセット3の間を導波管8により接続したものである。
【0048】
本実施形態においては、共振器7が電磁波である計測信号をCWMに照射し、その反射信号を受信してテストセット3へ伝送するため、上記第1実施形態の場合と同様にCWMの誘電率を測定し、その分散状態を測定することができる。
【0049】
本発明の実施の第3形態に係る分散状態測定装置について、図9により説明する。図9に示す本実施形態に係る装置は、図1に示す第1実施形態に係る装置において、同軸ケーブル2の先端とした誘電率測定プローブ1に代えて発信側ホーンアンテナ9aと受信側ホーンアンテナ9bを用い、それぞれのアンテナ9a,9bとテストセット3の間を導波管8により接続したものである。
【0050】
本実施形態においては、発信側ホーンアンテナ9aが電磁波である計測信号をCWMに照射し、その反射信号を受信側ホーンアンテナ9bが受信してテストセット3へ伝送するため、上記第1実施形態の場合と同様にCWMの誘電率を測定し、その分散状態を測定することができる。
【0051】
【発明の効果】
本発明の分散状態測定装置は、分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたものとしたことによって、また、上記誘電率測定プローブが、同軸ケーブルの先端部、共振器、又は発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたものとしたことによって、CWM等が流れるパイプラインや湿式ミルの内部等のように分散粒子を含有する液体が流動状態や剪断応力下にある分散系の分散状態を監視することができる装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【図2】上記第1実施形態に係る誘電率測定プローブの等価回路図である。
【図3】上記第1実施形態に係る実験装置の説明図である。
【図4】上記第1実施形態に係る剪断速度と誘電率の関係図である。
【図5】上記第1実施形態に係る剪断速度と剪断応力の関係図である。
【図6】上記第1実施形態に係る剪断速度と微分粘度の関係図である。
【図7】上記第1実施形態に係る粒径と誘電率の関係図である。
【図8】本発明の実施の第2形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【図9】本発明の実施の第3形態に係る分散状態測定装置の説明図である。
【符号の説明】
1 誘電率測定プローブ
2 同軸ケーブル
3 テストセット
4 ネットワークアナライザ
5 発振器
6 コンピュータ
7 共振器
8 導波管
9a,9b ホーンアンテナ
10 配管
11 コーンプレート型回転粘度計
12 容器
Claims (4)
- 分散粒子を含む液体が流れる配管中に挿入される誘電率測定プローブ、同プローブがテストセットを介して接続されたアナライザ、同アナライザが接続された発振器、および上記分散粒子を含む液体の誘電率、剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径のデータの間の一定の相関関係が予め記憶されてあり、上記テストセットとアナライザと発振器が接続され液体の誘電率を求め更に上記相関関係にもとづき上記分散粒子を含む液体の剪断速度、剪断応力、及び分散粒子の粒径を求めるコンピュータを備えたことを特徴とする分散状態測定装置。
- 請求項1に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが同軸ケーブルの先端部により形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
- 請求項1に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが共振器により形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
- 請求項1に記載の分散状態測定装置において、上記誘電率測定プローブが発信側ホーンアンテナと受信側ホーンアンテナにより形成されたことを特徴とする分散状態測定装置。
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JP35756497A JP3876064B2 (ja) | 1997-12-25 | 1997-12-25 | 分散状態測定装置 |
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