JP6716275B2 - Fluid viscosity measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、流体の粘度を測定する装置に関し、特に流体の流動抵抗から粘性を算出するものである。 The present invention relates to an apparatus for measuring the viscosity of a fluid, and particularly to calculate the viscosity from the flow resistance of the fluid.
従来、流体の粘度を測定する計測機器には、単一円筒型回転粘度計(スピンドルタイプ)や円錐平板型回転粘度計(コーン・プレートタイプ)などがある。 Conventionally, as a measuring instrument for measuring the viscosity of a fluid, there are a single cylinder type rotary viscometer (spindle type) and a conical plate type rotary viscometer (cone/plate type).
出願人は、本件発明に関連する先行技術文献を特に見出せなかった。 The applicant could not find any prior art document related to the present invention.
上記従来の計測器においては、通常のニュートン流体がずり速度に対してせん断力が比例的に変化する特性に基づいて、比例定数から粘度を求めることができる。しかし、グリース等の非ニュートン流体は、ずり速度とせん断力の関係が非線形であるため、従来の計測器で正確な粘度を測定できない。特に、流体を作動油に用いる油圧制振装置を設計するに当たり、流体の粘度を把握する必要がある。
そこで本発明は、非ニュートン流体の粘性を精度高く測定して、油圧制振装置への流体の適合性を評価できる粘性流体の粘度測定装置を提供することを目的としている。
In the above-mentioned conventional measuring instrument, the viscosity can be obtained from the constant of proportionality based on the characteristic that the shear force changes in proportion to the shear rate of a normal Newtonian fluid. However, in a non-Newtonian fluid such as grease, since the relationship between the shear rate and the shear force is non-linear, it is not possible to accurately measure the viscosity with a conventional measuring instrument. In particular, it is necessary to grasp the viscosity of the fluid when designing a hydraulic damping device that uses the fluid as hydraulic oil.
Therefore, an object of the present invention is to provide a viscous fluid viscosity measuring device capable of accurately measuring the viscosity of a non-Newtonian fluid and evaluating the compatibility of the fluid with the hydraulic vibration damping device.
上記課題を解決するため、本発明においては、試験的に振動を加える加振機と、この振動に対して測定対象の流体の流動抵抗を発生する本体4と、この本体4の抵抗力を測定する荷重計3と、加振機の振動の速度を測定する速度計5と、荷重計3により測定された抵抗力と、速度計5により測定された速度と、流体の密度とから流体の粘度を演算する演算装置6とを具備させる。本体4は、荷重計3又は加振機のアクチュエータ2の一方に一端が連結され、内部に測定対象となる流体を充填するシリンダ9と、一端が荷重計3又は加振機のアクチュエータ2の他方に連結され、シリンダ9に出入り自在に挿入されたピストンロッド10と、このピストンロッド10に固定され、シリンダ9内を第1及び第2の圧力室14,15に区画し、シリンダ9内を軸線方向に移動可能なピストン11と、内部に流体を充填して第1及び第2の圧力室14,15に連通し、加振機により入力される振動に伴うピストン11の移動に従って流体に流動抵抗を付与するバイパス管13とを具備させる。
演算装置6は、以下の数式により流体の粘度を算出する。
バイパス管13は孔径の異なる複数のものから測定対象の流体に応じて選択するようにシリンダ9に着脱可能に構成する。
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a vibrating machine for applying vibration on a trial basis, a
The
The
本発明は、非ニュートン流体の粘性を正確に測定することができ、油圧制振装置への流体の適合性を的確に評価できるという効果を有する。 The present invention has an effect that the viscosity of a non-Newtonian fluid can be accurately measured and the suitability of the fluid for the hydraulic vibration damping device can be accurately evaluated.
本発明の実施の一形態を図面を参照して説明する。
図1において、粘度測定装置は、前後方向に長尺の略矩形の枠体1と、枠体1の一端部に貫通する加振機のアクチュエータ2と、枠体1の他端内側に固定された荷重計3と、枠体1内において一端が加振機のアクチュエータ2に結合され、他端が荷重計3に結合された本体4と、アクチュエータ2の作動によって伸縮する本体4の相対速度を測定する速度計5と、荷重計3及び変位計5からのデータを受けて所定の演算処理を行う演算装置であるコンピュータ6とを具備する。
なお、速度計5を変位計に代え、アクチュエータ2と本体4の間の相対変位を測定してからコンピュータ6においてサンプリング周波数等を用いて微分処理を行うことで実質的に速度データを取得することとしてもよい。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, the viscosity measuring device is fixed to a substantially rectangular frame body 1 which is long in the front-rear direction, an
It should be noted that the
本体4は、図2に示すように、荷重計3に接続部7を介して連結されるシリンダ9と、アクチュエータ2に接続部8を介して連結されシリンダ9に軸線方向へ出入り自在に挿入されたピストンロッド10と、ピストンロッド10上に固定されたピストン11と、ピストン11によってシリンダ9内に仕切られた圧力室14,15に連通するアキュムレータ12と、同じく圧力室14,15に連通する
バイパス管13とを備えている。
As shown in FIG. 2, the
アキュムレータ12は、図2に示すようにシリンダ9及びバイパス管13の内部に充填される測定対象となる流体が温度変化などによる過不足を調整する。アキュムレータ12内には、加圧用のバネ12a及びピストン12bを備える。アキュムレータ12とシリンダ9との間には逆止弁16が介設されている。この逆止弁16は、ばねにより常時開いた状態にあるが、加振機の振動が加わり、圧力室14(15)の圧力が高まった時に閉じて流体をバイパス管13に流し、アキュムレータ12により加えられる圧力によりシリンダ9及びバイパス管13内の圧力が一定に保持される。
As shown in FIG. 2, the
バイパス管13は、図2に示すように、シリンダ9の両端蓋9a,9bに結合する一対の接続ブロック17の間に渡される。バイパス管13は、図3に示すように、左右両側の接続ブロック17にそれぞれ結合される両端のフランジ18と、左右両側のフランジ18の間に長手方向に並ぶ複数のオリフィスユニット19と、隣り合うオリフィスユニット19を接続する接続管20とで構成される。接続ブロック17、フランジ18及び端蓋9a,9bには、流体の流路がそれぞれ貫通して圧力室14,15に連通する。左右両側のフランジ18は互いにターンバックル21で締め込み結合されることにより、バイパス管13をシリンダ9に対して着脱可能である。オリフィスユニット19は、図4に示すように、略円柱状を成しその中心軸に流体の粘性により流動抵抗を発生させるオリフィス19aが貫通し、フランジ18の流路に連通する。接続管20は、隣り合うオリフィスユニット19,19をその突き合わせた両端部の周りにそれぞれ嵌合し接続する。接続管20の軸方向中央には、両側にオリフィスユニット19の端面が当接し、オリフィス19aを連通させる透孔20bを有するリング片20aを備える。オリフィスユニット19は、オリフィス19aの直径の異なる複数を予め準備し、試験条件に応じて交換する事で、振動機による入力速度と共に、測定対象の流体に適合する様々な条件で試験できる。
As shown in FIG. 2, the
この粘度測定装置は、枠体1に本体4を加振機、荷重計3及び速度計5と共に組み付けられ、アクチュエータ2を介して加振機の振動が加わると、ピストンロッド10がシリンダ9内に押し込まれ、あるいはそれから引き出される。これに伴いシリンダ9内をピストン11が移動すると圧力室14,15の容積が変化して、その内部の流体が流動する。例えば図2においてピストン11が左行すると、流体がピストン11に圧力室14から押し出されてバイパス管13内を流通し、圧力室15へ移動する。このとき、バイパス管13のオリフィス19aにより流体の流れが絞られて流動抵抗が生じることにより振動に対する抵抗力が生じる。
In this viscosity measuring apparatus, the
この粘度測定装置においては、振動に対する抵抗力を測定して流体の粘度を逆算するため、抵抗力の決定要素となる特性を予め取得しておく校正工程を行う。この校正工程においては、粘度・密度が既知である水・油などのニュートン流体を用いて、粘度測定装置が発生する抵抗力を測定し、粘度・密度と抵抗力との相関関係を求める。この校正工程は、下記表1及び表2の数式及び記号を用いて図6に示す手順に沿ってコンピュータ6の演算処理により行う。先ず、抵抗力の発生源であるバイパス管13の流路(オリフィス19a)の直径と、加振機の振動に対して速度計5により測定された入力速度とを変更可能な試験条件とし、これらと流体の粘度・密度とから、表1の式(6)に従ってバイパス管13内を流れる流体のレイノルズ(Re)数を演算する(ステップS1からS4)。Re数は、バイパス管13内の流体の流れが渦を伴う乱流の状態か層状の層流の状態かを確認する基準となる。Re数が2000を超える場合には、試験条件である加振機の振動を変えることにより入力速度を適宜変更して2000以下となる層流の状態にする。流体の粘度・密度、バイパス管13の流路直径及び入力速度から、表1の式(7),(8)に従って、バイパス管13内の流体について助走区間における層流の状態の抵抗力F1及び助走区間を通して十分に発達した流れである放物状の流速分布を伴う流れでの流体の粘性により生じる粘性抵抗力F2を算出する(ステップS6)。次に、バイパス管13の流路内で発生する抵抗力のうち、流路の断面積が拡大する位置で生じる流体の抵抗力である管内動圧抵抗力F31及び管出口動圧抵抗力F32を式(9),(10)に従って算出する(ステップS7)。管内動圧抵抗力には補正係数αを乗算して、評価用の管内動圧抵抗力F31とする(ステップS8,S9)。バイパス管13の流路内で発生するその他の抵抗力Fetc及び装置内の流体を密封する為に用いられているシール材の摺動抵抗Fsを補正値として加え、入力した振動に対する抵抗力Fev=F1+F2+F31+F32+Fs+Fetcを算出する(ステップS11)。抵抗力についての荷重計3による実測値Fallと算出値Fevとの誤差=(実測値−算出値)/実測値×100を求める(ステップS5,S12)。この誤差が10%を超える場合には、管内動圧抵抗力F31の補正係数α、その他の抵抗力Fetc、シール材の摺動抵抗Fsを見直して適宜変更する。誤差が10%以内である場合には、バイパス管13の流路直径・入力速度に対応する管内動圧抵抗力F31の補正係数、その他の抵抗力Fetc、シール材の摺動抵抗Fsを決定する。
In this viscosity measuring device, since the resistance force against vibration is measured and the viscosity of the fluid is calculated backward, a calibration step is performed in which the characteristic that is the determining factor of the resistance force is acquired in advance. In this calibration step, a Newtonian fluid such as water or oil having a known viscosity/density is used to measure the resistance force generated by the viscosity measuring device, and the correlation between the viscosity/density and the resistance force is obtained. This calibration process is performed by the arithmetic processing of the
粘度測定装置による流体の粘度の算出方法は、図7に示すような手順に沿ってコンピュータ6による演算処理により行う。先ず、バイパス管13の流路直径と流体の密度を測定条件とし、測定された抵抗力と加振機の入力速度、及び先の校正工程により測定条件に対応して決定した管内動圧抵抗力F31の補正係数α、その他の抵抗力Fetc、シール材の摺動抵抗Fsから、式(3)によりバイパス管13の流路内を流れる流体の管壁面から管中心軸までのせん断速度γを算出する(ステップS14からS17)。さらに、バイパス管13の流路直径、入力速度及び流体の密度から、式(7),(9),(10)により、層流の状態の流体の抵抗力F1、管内動圧抵抗力F31及び管出口動圧抵抗力F32を算出する。式(1)により、抵抗力Fallから、層流の状態の流体の抵抗力F1、管内動圧抵抗力F31、管出口動圧抵抗力F32、その他の抵抗力Fetc及びシール材の摺動抵抗Fsを減じ、粘性抵抗力F2を算出する(ステップS19)。この粘性抵抗力F2から、式(2)によりバイパス管13の流路内を流れる流体のせん断速度に対する流体の見かけ粘度を算出する(ステップS20)。
The calculation method of the viscosity of the fluid by the viscosity measuring device is performed by the arithmetic processing by the
このように流路部で生じる流体の抵抗力は表1に示される式により求められ、加振機により確認された抵抗力から逆算する事で、ダンパの設計に必要な作動油の粘度を算出できる。
なお、確認次第では、流路の角部、断面積が縮小する部分及び流路長が短い流路接続部で生じる抵抗力については小さいものとして省略するか、補正係数等を用いて補正を行う。
Depending on the confirmation, the resistance force generated at the corners of the flow path, the part where the cross-sectional area is reduced, and the flow path connection part where the flow path is short is omitted as a small value or is corrected using a correction coefficient or the like. ..
1 枠体
2 アクチュエータ
3 荷重計
4 本体
5 速度計
6 コンピュータ(演算装置)
7 接続部
8 接続部
9 シリンダ
9a 端蓋
9b 端蓋
10 ピストンロッド
11 ピストン
12 アキュムレータ
12a 加圧用バネ
12b 加圧用ピストン
13 バイパス管
14 圧力室
15 圧力室
16 逆止弁
17 接続ブロック
18 フランジ
19 オリフィスユニット
19a オリフィス
20 接続管
20b 透孔
20a リング片
21 ターンバックル
1
7
Claims (3)
前記本体は、前記荷重計又は加振機のアクチュエータの一方に一端が連結され、内部に前記流体を充填するシリンダと、
一端が前記荷重計又は加振機のアクチュエータの他方に連結され、前記シリンダに出入り自在に挿入されるピストンロッドと、
このピストンロッドに固定され、前記シリンダ内を第1及び第2の圧力室に区画し、シリンダ内を軸線方向に移動可能なピストンと、
内部に流体を充填して第1及び第2の圧力室に連通し、前記加振機により入力される振動によるピストンの往復移動に伴って流動する流体に流動抵抗を付与するバイパス管とを具備し、
前記バイパス管内の流体の双方向の流動に対する流動抵抗による連続的なせん断に起因する粘性変化を測定可能であることを特徴とする粘性流体の粘度測定装置。 A shaker that applies vibration on a trial basis, a body that generates flow resistance of the fluid to be measured against this vibration, a load meter that measures the resistance force of this body, and the speed of vibration of the shaker A speedometer for measuring, a resistance force measured by the load meter, a speed measured by the speedometer, and a calculation device for calculating the viscosity of the fluid from the density of the fluid,
The main body has a cylinder, one end of which is connected to one of the load cell or the actuator of the vibration exciter, and the inside of which is filled with the fluid;
A piston rod, one end of which is connected to the other of the load cell or the actuator of the vibration exciter, and which is inserted into the cylinder so that the piston rod can freely move in and out,
A piston that is fixed to the piston rod, divides the inside of the cylinder into first and second pressure chambers, and is movable in the cylinder in the axial direction;
A bypass pipe that is filled with fluid and communicates with the first and second pressure chambers, and that imparts flow resistance to the fluid that flows as the piston reciprocates due to the vibration input by the vibration exciter. Then
A viscous fluid viscosity measuring device capable of measuring a viscosity change due to continuous shearing due to flow resistance against bidirectional flow of fluid in the bypass pipe .
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