JP4229895B2 - 磁気浮上密度計 - Google Patents
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Description
本発明は磁気浮上を利用して流体中におもりを浮上させ、流体による浮力を受けたそのときのおもりの質量を計測することにより、流体の密度を計測する磁気浮上密度計に関する。
従来より磁気浮上を利用した液中秤量装置としては種々のものがあるが、図３は下記非特許文献１にも示されている周知の磁気浮上密度計を模式的に示している。耐高圧性のセルからなる密度計容器２１は中間に隔壁２２が形成され、上部空間２３と下部空間２４とに分割されており、両空間は隔壁２２によって流体が流通不能に隔離されている。上部空間２３には上方に配置した電子天秤３６から電磁石２５が隔壁２２の上面に近接して吊り下げられており、制御装置からの通電圧制御によって任意の電磁力を発生可能としている。
下部空間２４の下方にはおもり載置段部２６が形成され、その上におもり２７が自重で載置できるようにしている。載置段部２６には中心孔２８を備え、外部の流体を導入可能としており、それにより下部空間２４内には流体２９が満たされている。この中心孔２８の周囲にはポジションセンサ３０を配置しており、おもり２７の中心通孔３１を貫通して延びる荷重交換部材３２において、おもり支持部３３の下部に形成した下端部３４の位置を、中心孔２８内に非接触で検知している。
荷重交換部材３２の上端部には、隔壁２２の下面に近接して配置される永久磁石３５を固定しており、永久磁石３５と一体化した前記のような荷重交換部材３２が上下動する位置を、ポジションセンサ３０で検出するようにしている。おもり支持部３３は図３（ａ）中において、おもり載置段部２６に載置されたおもり２７の底面より下方に位置しており、また同図（ｂ）はおもり支持部３３がおもり２７を支持して、上方に持ち上げている状態を示している。
上記のような構成の磁気浮上密度計においては、永久磁石３５が固定された荷重交換部材３２の下端部３４の位置を、ポジションセンサ３０により検知して電磁石２５の通電圧を制御して磁力を調節することにより、荷重交換部材３２を安定して浮上させることができる。
このとき浮上位置を調節することで、電磁石２５に通電する電圧をゼロにすることができ、電磁石２５の発熱を抑えることができる。これをゼロパワー制御と呼ぶ。
このときの荷重交換部材３２にはたらく重力および浮力の和は、上方に位置する電子天秤３６により秤量される。図３（ａ）は風袋秤量位置であり、前記のように荷重交換部材３２に設けたおもり支持部３３はおもり３２の底部から離れており、荷重交換部材３２と永久磁石３５が流体２９中に浮いた状態となって、それにより荷重交換部材３２のみの見かけの質量が電子天秤３６で測定され、計測機構として風袋を計る風袋秤量位置となる。
一方、図３（ｂ）には永久磁石３５を上昇させ、おもり支持部３３がおもり２７の底部に接した後も更におもり２７を含んで全てのものが浮上した状態を示している。ポジションセンサ３０の信号による電磁石２５の通電制御によって、全体を所定位置に停止した状態で支持し、ここで合計荷重が電子天秤３６で測定される。このときの永久磁石３５の位置は、同図（ａ）に示す位置よりも上方に位置することとなる。この状態は風袋を含めたおもりを秤量するためのおもり秤量位置となる。
荷重交換部材３２が上記のような風袋秤量位置とおもり秤量位置にあるとき、電子天秤３６によって秤量される見かけの質量MAおよびMBは、電磁石等の質量を除いた場合、
A： MA＝（ρ３−ρ１）Ｖ３ (１)
B： MB＝（ρ３−ρ１）Ｖ３＋（ρ２−ρ１）Ｖ２ (２)
となる。ρは密度、Vは体積、添え字１、２、３はそれぞれ流体、おもり、荷重交換部材をあらわす。
式（１）、（２）を辺々差し引くことにより、
Ｂ−Ａ： MB−MA＝（ρ２−ρ１）Ｖ２ (３)
故に、
ρ１＝ρ２−（MB−MA）／Ｖ２ (４)
として流体２９の密度が求められる。
A： MA＝（ρ３−ρ１）Ｖ３ (１)
B： MB＝（ρ３−ρ１）Ｖ３＋（ρ２−ρ１）Ｖ２ (２)
となる。ρは密度、Vは体積、添え字１、２、３はそれぞれ流体、おもり、荷重交換部材をあらわす。
式（１）、（２）を辺々差し引くことにより、
Ｂ−Ａ： MB−MA＝（ρ２−ρ１）Ｖ２ (３)
故に、
ρ１＝ρ２−（MB−MA）／Ｖ２ (４)
として流体２９の密度が求められる。
この方法は、電磁石２５と永久磁石３５による磁気浮上を用いることにより、非接触で流体２９の密度を測定することが出来るため、流体を高圧セル等の密度計容器２１で封じ込め、天秤が使用できないような高温・高圧の条件下でも密度測定が可能となる。
Wagner,R and Kleinrahm, R. Densimeters for very accurate density measurements offluids over large ranges of temperature, pressure, and density, Metrologia41(2004), S24-S39. Kuramoto, N.,Fujii, K. and Waseda, A. Accurate density measurements of reference liquids bya magnetic suspension balance, Metrologia 41(2004), S84-S94.
Wagner,R and Kleinrahm, R. Densimeters for very accurate density measurements offluids over large ranges of temperature, pressure, and density, Metrologia41(2004), S24-S39. Kuramoto, N.,Fujii, K. and Waseda, A. Accurate density measurements of reference liquids bya magnetic suspension balance, Metrologia 41(2004), S84-S94.
上記従来の測定手法は、電磁石２５と永久磁石３５の間で力の伝達が完全に行われていることが前提となっているが、実際にはこれら以外の高圧セルとしての密度計容器２１や測定流体２９も弱いながら磁石に対して吸引・もしくは反発するため、力の伝達誤差が生じる。このうち、容器２１による力の伝達誤差は下部空間２４内を真空にした状態で測定をすることにより補正することができる。しかし、流体２９による伝達誤差は同様の方法では補正できず、磁化率と密度が既知の２種類の流体を用いて校正を行う必要がある。しかしながら一般的に流体の磁化率は非常に小さく、且つ計算に用いるモデルが不完全のため、補正量の相対的な不確かさが大きい。現在最も高精度な磁気浮上を用いた流体密度計測装置においては、この点が最も大きな不確かさの要因となっており、このことは上記非特許文献２に述べられている。
このように、上記従来の手法における流体磁性による密度測定不確かさの主要因は、測定流体２９中に永久磁石３５が存在することにより、磁場は永久磁石３５まわりで強いため、流体２９が受ける磁気力の影響が大きく、さらに風袋秤量位置とおもり秤量位置とでこの流体２９が受ける磁気力の差が相殺されないためである。
したがって本発明は、流体中に永久磁石を設置しないことにより、風袋秤量位置とおもり秤量位置とで流体が受ける磁気力の影響の差を小さくし、流体の磁性による力の伝達誤差の影響を極力抑えて、精密な密度測定が可能な磁気浮上密度計を提供することを主たる目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、その基本的技術思想として、荷重交換部材に連結されていた従来の永久磁石を強磁性体に変更し、さらに、電子天秤から吊り下げられた従来の電磁石を、永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッド磁石に変更することによって、風袋秤量位置とおもり秤量位置とで流体が受ける磁気力の影響の差を小さくし、流体の磁性による力の伝達誤差の影響を極力抑えることができるようにしたものである。
より具体的には次のような手段によって上記課題を解決する。即ち、本発明の磁気浮上密度計は、密度および体積が共に既知であるおもりと、前記おもりを測定流体中で連結、或いはおもりを非連結の状態とする荷重交換部材と、荷重を測定するための電子天秤と、おもりが非連結の状態である風袋秤量位置と、おもりが連結した状態であるおもり秤量位置とを選択するための磁気浮上機構とを備え、その荷重を前記電子天秤へと非接触に伝播させ、秤量を行う。
特に、本発明による磁気浮上密度計は、前記磁気浮上密度計において、前記荷重交換部材は、おもりの中心孔を貫通するロッドと、該ロッドに固定したおもり支持部材と、上端部に設けた強磁性体とを備え、前記強磁性体を永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッッド磁石により吊り上げる磁気浮上機構を備えたことを特徴とする。
本発明による他の磁気浮上密度計は、前記磁気浮上密度計において、前記おもりはＳｉ単結晶からなることを特徴とする。
本発明は上記のように構成したので、風袋秤量位置とおもり秤量位置とで流体が受ける磁気力の影響の差を小さくすることができ、流体の磁性による力の伝達誤差の影響を極力抑えることができるため、精密な密度測定が可能な磁気浮上密度計とすることができる。
本発明は磁気浮上密度計において、流体中に永久磁石を設置しないことにより、風袋秤量位置とおもり秤量位置とで流体が受ける磁気力の影響の差を小さくするという課題を、荷重交換部材に連結されていた従来の永久磁石を強磁性体に変更し、さらに、電子天秤から吊り下げられた従来の電磁石を、永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッド磁石に変更することによって解決した。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明による磁気浮上密度計を模式的に示している。耐高圧性のセルからなる密度計容器０１は前記従来のものと同様に中間に隔壁０２が形成され、上部空間０３と下部空間０４とに分割している。上部空間０３には上方に配置した電子天秤１６から、ハイブリッド磁石０５が隔壁０２の上面に近接して吊り下げられており、制御装置からの通電圧制御によって任意の電磁力を発生可能としている。
下部空間０４にはおもり載置段部０６が形成され、この上におもり０７が自重で載置できるようにしている。おもり載置段部０６には中心孔０８を備え、外部の流体を導入可能としており、それにより下部空間０４内の全てに被測定流体０９が満たされる。
上記中心孔０８の周囲にはポジションセンサ１０を配置しており、おもり０７の中心通孔１１を貫通して延びる荷重交換部材１２において、おもり支持部材１３の下部に形成した下端部１４の位置を、中心孔０８内に非接触で検知している。
荷重交換部材１２の上端部には、隔壁０２の下面に近接して配置される強磁性体１５を固定しており、前記おもり支持部材１３を含め強磁性体１５と一体化した荷重交換部材１２が上下動する位置を、ポジションセンサ１０で検出するようにしている。また、ハイブリッド磁石０５と強磁性体１５とを近接させることにより、強磁性体１５側に作用する荷重を非接触でハイブリッド磁石０５側に伝達できるようにし、磁気浮上機構を形成している。
電子天秤１６から吊り下げられるロッド１７の下端にはハイブリッド磁石０５を固定している。このハイブリッド磁石０５は隔壁０２の上面に近接して吊り下げられており、隔壁０２を介して隔壁０２の下面に近接して配置されている強磁性体１５を制御装置からの通電制御により、ゼロパワー制御を実現する位置で安定に浮上させることができる。
高圧セルからなる容器０１内に配置される上記のようなおもり０７は、密度と体積が共に既知であれば種々のものを使用することができるが、熱膨張性、圧縮性、及び計測の再現性、完全等方位性、更には密度が小さく、化学的に安定である点等を考慮すると、単結晶のＳｉ素材を用いることが好ましい。
上記のような機構によって、例えば図１（ａ）のように、おもり０７と荷重交換部材１２が非連結状態の時、荷重交換部材１２と強磁性体１５に働く重力及び浮力の和を電子天秤１６で計測することにより、風袋の秤量を行うことができる。
さらに図１（ｂ）のように、おもり０７と荷重交換部材１２が連結された状態の時、荷重交換部材１２と強磁性体１５に加え、おもり０７に働く重力及び浮力の和を電子天秤１６で計測することができ、おもりと風袋の合計の秤量を行うことができる。
上記のような機構を用いて、図１（ａ）の風袋秤量位置、図１（ｂ）のおもり秤量位置とすることができるが、前記従来のもののように永久磁石が流体０９中に存在しないため、流体が受ける磁気力の影響の差を小さくすることができる。例えば従来の磁気浮上密度計を用いてトリデカンの密度を測定する場合、風袋秤量位置とおもり秤量位置における吸引力は、それぞれ１３ｇｆおよび５５ｇｆ程度であるが、図２は、従来ならば永久磁石、本発明ならば強磁性体である被浮上物体の浮上距離を変化させ、従来ならば電磁石、本発明ならばハイブリッド磁石である浮上制御磁石と前記被浮上物体の間に働く吸引力を変化させた時に、流体に働く磁気力の大きさを有限要素法を用いて計算した例である。図２を見て分かるように、従来では吸引力が１３ｇｆから５５ｇｆに変化した時、流体に働く磁気力の変化は２．４ｍｇｆ程度であるのに対し、本発明の場合では、同じ吸引力の変化に対し、流体に働く磁気力の変化は０．２８ｍｇｆ程度となり、流体の磁性による力の伝達誤差の影響を従来の１／１０程度に抑えることが可能となる。
０１ 密度計容器
０２ 隔壁
０３ 上部空間
０４ 下部空間
０５ ハイブリッド磁石
０６ おもり載置段部
０７ おもり
０８ 中心孔
０９ 測定流体
１０ ポジションセンサ
１１ おもり中心孔
１２ 荷重交換部材
１３ おもり支持部
１４ 荷重交換部材下端部
１５ 強磁性体
１６ 電子天秤
１７ ロッド
２１ 密度計容器
２２ 隔壁
２３ 上部空間
２４ 下部空間
２５ 電磁石
２６ おもり載置段部
２７ おもり
２８ 中心孔
２９ 測定流体
３０ ポジションセンサ
３１ おもり中心孔
３２ 荷重交換部材
３３ おもり支持部
３４ 荷重交換部材下端部
３５ 永久磁石
３６ 電子天秤
３７ ロッド
０２ 隔壁
０３ 上部空間
０４ 下部空間
０５ ハイブリッド磁石
０６ おもり載置段部
０７ おもり
０８ 中心孔
０９ 測定流体
１０ ポジションセンサ
１１ おもり中心孔
１２ 荷重交換部材
１３ おもり支持部
１４ 荷重交換部材下端部
１５ 強磁性体
１６ 電子天秤
１７ ロッド
２１ 密度計容器
２２ 隔壁
２３ 上部空間
２４ 下部空間
２５ 電磁石
２６ おもり載置段部
２７ おもり
２８ 中心孔
２９ 測定流体
３０ ポジションセンサ
３１ おもり中心孔
３２ 荷重交換部材
３３ おもり支持部
３４ 荷重交換部材下端部
３５ 永久磁石
３６ 電子天秤
３７ ロッド
Claims (2)
- 密度および体積が共に既知であるおもりと、
前記おもりを測定流体中で連結、或いは非連結の状態とする荷重交換部材と、
荷重を測定するための電子天秤と、
おもりが非連結の状態である風袋秤量位置と、おもりが連結した状態であるおもり秤量位置とを選択するための磁気浮上機構とを備え、
その荷重を前記電子天秤へと非接触に伝播させ、秤量を行う磁気浮上密度計において、
前記荷重交換部材は、おもりの中心孔を貫通するロッドと、該ロッドに固定したおもり支持部材と、上端部に設けた強磁性体とを備え、
前記強磁性体を、前記電子天秤から吊り下げられた永久磁石と電磁石を組み合わせたハイブリッド磁石により吊り上げる磁気浮上機構を備えたことを特徴とする磁気浮上密度計。 - 前記おもりはＳｉ単結晶からなることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上密度計。
Priority Applications (1)
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| JP2004297012A JP4229895B2 (ja) | 2004-10-08 | 2004-10-08 | 磁気浮上密度計 |
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| JP2004297012A JP4229895B2 (ja) | 2004-10-08 | 2004-10-08 | 磁気浮上密度計 |
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