JP7412786B2 - Non-contact rheological property measuring device, system, program and method - Google Patents

Non-contact rheological property measuring device, system, program and method Download PDF

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Description

本発明は、管内を流れる流体のレオロジー物性を計測するための、非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法に関するものである。 The present invention relates to a non-contact rheological property measuring device, system, program, and method for measuring the rheological properties of a fluid flowing in a pipe.

食品・材料・化学工学などの分野では、製品の品質管理、生産プロセスの最適化、工場プラントの保守点検等において、管内の流体のレオロジー物性を計測するニーズがある。 In fields such as food, materials, and chemical engineering, there is a need to measure the rheological properties of fluids in pipes for product quality control, production process optimization, factory plant maintenance and inspection, etc.

例えば、店頭で販売されている牛乳は、牛から搾乳された生乳を殺菌処理するとともに、乳脂肪分などの成分が調整されている。生乳に含まれている乳脂肪分等の割合は、牛に与えた飼料、牛の体調、天候、および個々の牛によって異なるため一定に保つことは難しい。そこで、これまでは、乳脂肪分を計測等して常に管理するのではなく、必ず所定割合以上の乳脂肪分が含まれるように過剰に乳脂肪分を添加して調整する方法が採られている。 For example, milk sold in stores is made by pasteurizing raw milk from cows and adjusting components such as milk fat. It is difficult to keep the proportion of milk fat contained in raw milk constant because it varies depending on the feed given to the cow, the cow's physical condition, the weather, and the individual cow. Therefore, in the past, instead of constantly controlling the milk fat content by measuring it, the method of adjusting the milk fat content by adding excess milk fat content was adopted to ensure that the milk fat content exceeded a predetermined percentage. There is.

しかし、過剰な乳脂肪分を添加したことによる費用コストが高くなることが問題となっている。そこで、管内を流れる牛乳のレオロジー物性を計測することで乳脂肪分の割合を見積もり、時々刻々と変化する成分をリアルタイムで調整したいというニーズが生まれている。 However, the problem is that the cost increases due to the addition of excessive milk fat. Therefore, there is a need to estimate the percentage of milk fat by measuring the rheological properties of milk flowing through the tube, and to adjust the ever-changing components in real time.

そこで、これまでに管内の流れの流速分布を計測することのできる超音波流速計測装置と差圧計とにより、管内の流体のレオロジー物性を計測する手法が提案されている(非特許文献1)。この手法は、管内の流れを一方向定常流れとして仮定するとともにレオロジー物性を記述するモデル式(レオロジーモデル)に基づく流れの式を連立することにより得られる流速分布と、前記超音波流速計測装置により得られる流速分布とを比較することで、モデル式に含まれるレオロジー物性の定数を決定するものである。 Therefore, a method has been proposed to measure the rheological properties of a fluid in a pipe using an ultrasonic flow velocity measuring device and a differential pressure gauge that can measure the flow velocity distribution of the flow in the pipe (Non-Patent Document 1). This method assumes that the flow in the pipe is a steady flow in one direction, and uses the flow velocity distribution obtained by simultaneously creating a flow equation based on a model equation (rheology model) that describes rheological properties, and the ultrasonic flow velocity measuring device. By comparing the obtained flow velocity distribution, the constants of the rheological properties included in the model equation are determined.

Ouriev, B., and E. J. Windhab, "Rheological study of concentrated suspensions in pressure-driven shear flow using novel in-line ultrasound Doppler method", Exp. Fluids 32, 204-211 (2002).Ouriev, B., and E. J. Windhab, "Rheological study of concentrated suspensions in pressure-driven shear flow using novel in-line ultrasound Doppler method", Exp. Fluids 32, 204-211 (2002).

しかしながら、非特許文献1に記載された手法においては、管内流れが定常な流れでなければ計測原理上、精度を保証することができないという問題がある。つまり、前記手法は、管内の流れを一方向定常流れと仮定しているが、一般的な生産プロセスにおける管内の流れは、その流れを生み出すためのポンプや配管形状等によって発生する渦流等により常に脈動(変動)しているため、前記脈動による誤差が生じてしまう。 However, the method described in Non-Patent Document 1 has a problem in that accuracy cannot be guaranteed due to the principle of measurement unless the flow in the pipe is a steady flow. In other words, the above method assumes that the flow inside the pipe is a steady flow in one direction, but the flow inside the pipe in a general production process is always due to vortices, etc. generated by the pump or piping shape used to generate the flow. Since it pulsates (varies), errors occur due to the pulsation.

また、レオロジーモデルに基づく流れの式には、流体を駆動する圧力勾配が含まれる。そのため、レオロジー物性を算出するには管内の圧力値を代入する必要がある。しかし、管内の圧力を計測するには、管内に圧力センサーを設けたり、管壁に孔を空けて圧力計に接続したりして、圧力センサーや圧力計を流体に接触させる必要がある。このため、例えば、衛生面が重要視される食品等では、常に圧力センサー等を清潔な状態に保たなければならない。流体によっては、圧力センサー等が直接触れること自体が不可のものがあり、適用対象が限られるという問題もある。また、圧力センサー等自体の計測精度がレオロジー物性の算出結果に与える影響も大きく、圧力センサー等の選定や当該圧力センサー等の設置箇所の選択も制限される。 Flow equations based on rheological models also include pressure gradients that drive the fluid. Therefore, in order to calculate the rheological properties, it is necessary to substitute the pressure value inside the pipe. However, in order to measure the pressure inside a pipe, it is necessary to place a pressure sensor inside the pipe or make a hole in the pipe wall and connect it to a pressure gauge so that the pressure sensor or pressure gauge comes into contact with the fluid. For this reason, for example, in foods where hygiene is important, pressure sensors and the like must be kept clean at all times. Depending on the fluid, there are some fluids that cannot be directly touched by a pressure sensor or the like, and there is also the problem that the scope of application is limited. Furthermore, the measurement accuracy of the pressure sensor, etc. itself has a large influence on the calculation results of rheological properties, which limits the selection of the pressure sensor, etc., and the selection of the installation location of the pressure sensor, etc.

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、管内の流れにおける脈動を利用して非接触でレオロジー物性を計測することのできる、非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and is a non-contact rheological property measuring device that can measure rheological properties in a non-contact manner using pulsations in the flow inside a pipe. , systems, programs and methods.

本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置および非接触型レオロジー物性計測プログラムは、管内の流れにおける脈動を利用することで、圧力計などによって管内の圧力を計測することなく、非接触でレオロジー物性を計測するという課題を解決するために、管内を流れる流体のレオロジー物性を非接触で計測する非接触型レオロジー物性計測装置であって、超音波流速計測装置から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得する流速取得部と、この流速取得部によって取得された各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するピーク周波数検出部と、レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる下記式(1)に、前記ピーク周波数と複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出部と、この数値解算出部により算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定部とを有する。
[数1]
ここで、



、τはレオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力、A,B,C,・・・はレオロジーモデルにおけるレオロジー物性、αは圧力勾配、ρは流体の密度、ωは流体における脈動の角周波数、ωはピーク周波数、rは計測点、uは管内の時空間流速分布、^は関数のフーリエ変換、添え字のmは計測結果、をそれぞれ意味する。
The non-contact rheological property measuring device and the non-contact rheological property measuring program according to the present invention utilize pulsations in the flow inside the pipe to measure the rheological property in a non-contact manner without measuring the pressure inside the pipe with a pressure gauge or the like. In order to solve the problem of measuring the rheological properties of a fluid flowing inside a pipe, we have developed a non-contact rheological property measuring device that non-contactly measures the rheological properties of a fluid flowing inside a pipe. A flow velocity acquisition unit acquires flow velocity data at measurement points, and a peak frequency indicating the maximum amplitude value is determined from the frequency of pulsation in the fluid by frequency analysis of the flow velocity data at each measurement point acquired by this flow velocity acquisition unit. The peak frequency to be detected and the flow velocity data at a plurality of measurement points are combined into the following equation (1) obtained by Fourier transforming the equation of motion of the fluid flowing in the pipe based on the rheology model with respect to time. It has a numerical solution calculation unit that calculates a numerical solution from a plurality of functional expressions obtained by substitution, and a rheological property determination unit that determines rheological property values based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculation unit.
[Number 1]
here,
,
,
,
, τ is the shear stress related using the rheological model, A, B, C, ... are the rheological properties in the rheological model, α is the pressure gradient, ρ is the density of the fluid, ω is the angular frequency of pulsation in the fluid, ω 0 means the peak frequency, r n means the measurement point, u means the spatiotemporal flow velocity distribution in the pipe, ^ means the Fourier transform of the function, and the subscript m means the measurement result.

また、本発明の一態様として、数値解算出部による数値解の算出処理に係る負荷を軽減してリアルタイムなレオロジー物性の計測を可能にするという課題を解決するために、前記数値解算出部では、下記式(2)に示す費用関数の最小化により数値解を算出するようにしてもよい。
[数2]
Further, as an aspect of the present invention, in order to solve the problem of reducing the load related to numerical solution calculation processing by the numerical solution calculation unit and enabling real-time measurement of rheological properties, the numerical solution calculation unit , the numerical solution may be calculated by minimizing the cost function shown in equation (2) below.
[Number 2]

さらに、本発明の一態様として、超音波流速計測装置により得られる流速データの計測誤差により生じるレオロジー物性値の算出誤差を抑制するという課題を解決するために、前記数値解算出部では、代入する流速データとして、連続して隣り合う3点以上の計測点における前記流速データの関数近似値を用いるようにしてもよい。 Furthermore, as one aspect of the present invention, in order to solve the problem of suppressing calculation errors in rheological property values caused by measurement errors in flow velocity data obtained by an ultrasonic flow velocity measurement device, the numerical solution calculation unit may substitute As the flow velocity data, a function approximation value of the flow velocity data at three or more consecutively adjacent measurement points may be used.

また、本発明の一態様として、管内を流れる流体のレオロジーモデルが不明の状態で計測をすることができるという課題を解決するために、前記数値解算出部では、複数種のレオロジーモデルに基づく数値解を算出するとともに、当該数値解同士を比較して最も小さい数値解となる前記レオロジーモデルを前記流体のレオロジーモデルとして決定するレオロジーモデル決定部を有するようにしてもよい。 Further, as an aspect of the present invention, in order to solve the problem that measurement can be performed in a state where the rheological model of the fluid flowing in the pipe is unknown, the numerical solution calculating section calculates numerical values based on multiple types of rheological models. It may also include a rheology model determination unit that calculates the solution, compares the numerical solutions, and determines the rheology model that is the smallest numerical solution as the rheology model of the fluid.

さらに、本発明の一態様として、計測精度を担保するために十分に厚い粘性層厚さとなるピーク周波数を検出するという課題を解決するために、前記ピーク周波数検出部では、前記流体の粘性と前記流体における脈動の周波数の比により表される粘性層厚さが、下記式(3)の範囲を満たす周波数の中から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するようにしてもよい。
[数3]
ここで、(ν/kΔω)1/2は粘性層厚さ、Δrは計測点同士の距離、νは流体の粘性係数(動粘度)、kΔωは検出された周波数、Dは管の内径、をそれぞれ意味する。
Furthermore, as one aspect of the present invention, in order to solve the problem of detecting a peak frequency at which the thickness of the viscous layer is sufficiently thick to ensure measurement accuracy, the peak frequency detection section detects the viscosity of the fluid and the peak frequency of the viscous layer. The viscous layer thickness expressed by the frequency ratio of pulsations in the fluid may detect a peak frequency at which the maximum amplitude value is found from among frequencies that satisfy the range of formula (3) below.
[Number 3]
Here, (ν/kΔω) 1/2 is the viscous layer thickness, Δr is the distance between measurement points, ν is the viscosity coefficient of the fluid (kinetic viscosity), kΔω is the detected frequency, and D is the inner diameter of the pipe. each meaning.

本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムは、管内の流れにおける脈動を利用することで、圧力計などによって管内の圧力を計測することなく、非接触でレオロジー物性を計測するという課題を解決するために、管外から管内に向けて超音波を照射するとともに前記管内から前記管外に向けて反射される超音波を受信して、前記超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速を時系列で計測する超音波流速計測装置と、この超音波流速計測装置から各計測点の流速データを取得して流体のレオロジー物性を決定する前記非接触型レオロジー物性計測装置とを有する。 The non-contact rheological property measurement system according to the present invention solves the problem of measuring rheological properties in a non-contact manner by utilizing pulsations in the flow inside the pipe, without measuring the pressure inside the pipe with a pressure gauge or the like. In order to measure the flow velocity at a plurality of measurement points along the irradiation direction of the ultrasonic waves, ultrasonic waves are irradiated from outside the tube to the inside of the tube, and the ultrasonic waves reflected from the inside of the tube toward the outside of the tube are received. The present invention includes an ultrasonic flow velocity measurement device that measures the flow rate in time series, and the non-contact rheology property measurement device that obtains flow velocity data at each measurement point from the ultrasonic flow velocity measurement device to determine the rheology properties of the fluid.

本発明に係る非接触型レオロジー物性計測方法は、管内の流れにおける脈動を利用することで、圧力計などによって管内の圧力を計測することなく、非接触でレオロジー物性を計測するという課題を解決するために、管内を流れる流体のレオロジー物性を非接触で計測する非接触型レオロジー物性計測方法であって、超音波流速計測装置から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得する流速取得ステップと、この流速取得ステップによって取得された各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するピーク周波数検出ステップと、レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる上記式(1)に、前記ピーク周波数と複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出ステップと、この数値解算出ステップにより算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定ステップとを有する。 The non-contact rheological property measuring method according to the present invention solves the problem of measuring rheological properties in a non-contact manner by utilizing pulsations in the flow inside the pipe, without measuring the pressure inside the pipe with a pressure gauge or the like. This is a non-contact rheological property measurement method that non-contactly measures the rheological properties of a fluid flowing inside a pipe, and it acquires flow velocity data at multiple measurement points along the ultrasound irradiation direction from an ultrasonic flow velocity measuring device. a peak frequency detection step of detecting a peak frequency indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid by frequency-analyzing the flow velocity data at each measurement point acquired by the flow velocity acquisition step; A plurality of functions obtained by substituting the peak frequency and flow velocity data at a plurality of measurement points into the above equation (1) obtained by Fourier transforming the equation of motion of a fluid flowing in a pipe based on a rheological model with respect to time. The method includes a numerical solution calculation step of calculating a numerical solution from an equation, and a rheological property determination step of determining a rheological property value based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculation step.

本発明によれば、管内の流れにおける脈動を利用して非接触でレオロジー物性を計測することができる。 According to the present invention, rheological properties can be measured in a non-contact manner using pulsations in the flow within a pipe.

本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムの一実施形態を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an embodiment of a non-contact rheological property measurement system according to the present invention. 本実施形態の非接触型レオロジー物性計測システムによるレオロジー物性計測処理の流れを示すフロー図である。FIG. 2 is a flowchart showing the flow of rheological property measurement processing by the non-contact rheological property measurement system of the present embodiment. 実施例1において計算された脈動を伴う管内流れの流速データの計算結果を示すコンター図である。3 is a contour diagram showing calculation results of flow velocity data of a flow in a pipe with pulsation calculated in Example 1. FIG. 本実施例1において式(18)により定義されたノイズレベルa=5.0のノイズ速度の確率密度分布を示すグラフである。3 is a graph showing the probability density distribution of the noise speed at the noise level a=5.0 defined by equation (18) in the first embodiment. 本実施例1において式(18)により計算されたノイズを加えた流速データを示すコンター図である。FIG. 3 is a contour diagram showing noise-added flow velocity data calculated using equation (18) in Example 1. FIG. 本実施例1において式(7)により算出された実数値Reおよび虚数値Imを示すグラフである。7 is a graph showing the real value Re and the imaginary value Im calculated by Equation (7) in Example 1. 本実施例1においてランダムサーチ法による費用関数の計算結果を示す3次元グラフ図である。FIG. 3 is a three-dimensional graph diagram showing calculation results of a cost function using a random search method in Example 1. FIG. 本実施例1において計測誤差(ノイズレベル)に対する算出された粘性係数μおよび圧力勾配αの計測精度を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement accuracy of the calculated viscosity coefficient μ and pressure gradient α with respect to the measurement error (noise level) in Example 1. FIG. 本実施例1において周期の違いにおける算出された粘性係数μおよび圧力勾配αの計測精度を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement accuracy of the calculated viscosity coefficient μ and pressure gradient α at different periods in Example 1. FIG. 本実施例1において動粘性係数νに対する算出された粘性係数μおよび圧力勾配αの計測精度を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement accuracy of the calculated viscosity coefficient μ and pressure gradient α with respect to the kinematic viscosity coefficient ν in Example 1. 本実施例1において周波数foに対する算出された粘性係数μおよび圧力勾配αの計測精度を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement accuracy of the calculated viscosity coefficient μ and pressure gradient α with respect to frequency fo in Example 1. FIG. 本実施例1において振幅U1に対する算出された粘性係数μおよび圧力勾配αの計測精度を示すグラフである。3 is a graph showing the measurement accuracy of the calculated viscosity coefficient μ and pressure gradient α with respect to the amplitude U 1 in Example 1. FIG. 実施例2において用いられた実験装置を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an experimental apparatus used in Example 2. 本実施例2の実験装置における超音波トランスデューサの設置状態を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the installation state of an ultrasonic transducer in the experimental apparatus of Example 2. 本実施例2の脈動を伴う管内流れにおける速度分布であって試験流体をニュートン流体とした計測結果を示すコンター図である。FIG. 7 is a contour diagram showing the velocity distribution in a flow in a pipe accompanied by pulsation in Example 2, and the measurement results using a Newtonian fluid as the test fluid. 本実施例2において試験流体をニュートン流体とした場合のランダムサーチ法による費用関数の計算結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing calculation results of a cost function by a random search method when a Newtonian fluid is used as a test fluid in Example 2. 本実施例2において試験流体をニュートン流体とした場合の粘度および圧力振幅の計測結果を示す図である。7 is a diagram showing measurement results of viscosity and pressure amplitude when the test fluid is Newtonian fluid in Example 2. FIG. 本実施例2の脈動を伴う管内流れにおける速度分布であって試験流体を非ニュートン流体とした計測結果のコンター図および式(10)により算出された実数値Reおよび虚数値Imを示すグラフである。2 is a graph showing the contour diagram of the measurement results of the velocity distribution in the flow in the pipe with pulsation in Example 2, where the test fluid is a non-Newtonian fluid, and the real value Re and the imaginary value Im calculated by equation (10). . 本実施例2において試験流体を非ニュートン流体とした場合のランダムサーチ法による粘度および圧力(実部・虚部)の二乗和平方根の費用関数の計算結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing calculation results of a cost function of the root sum of squares of viscosity and pressure (real part/imaginary part) by a random search method when the test fluid is a non-Newtonian fluid in Example 2. 本実施例2において試験流体を非ニュートン流体とした場合のランダムサーチ法による費用関数の計算結果を示す3次元グラフ図である。FIG. 3 is a three-dimensional graph diagram showing the calculation results of a cost function by a random search method when the test fluid is a non-Newtonian fluid in Example 2. FIG. 本実施例2において試験流体を非ニュートン流体とした場合に計測されたせん断応力とひずみ速度を示すグラフである。3 is a graph showing shear stress and strain rate measured when the test fluid is a non-Newtonian fluid in Example 2. FIG. 本実施例2の試験流体を非ニュートン流体とした実験において計測された広範囲のひずみ速度に対するせん断応力を示すグラフである。3 is a graph showing shear stress for a wide range of strain rates measured in an experiment in which the test fluid of Example 2 was a non-Newtonian fluid. 図22に対応した試験流体を非ニュートン流体とした実験において計測された粘度とひずみ速度を示すグラフである。23 is a graph showing viscosity and strain rate measured in an experiment using a non-Newtonian fluid as a test fluid corresponding to FIG. 22. FIG. 図23に対応した実験結果をべき乗則に基づき算出された近似解の結果を示すグラフである。24 is a graph showing the result of an approximate solution calculated based on a power law for the experimental results corresponding to FIG. 23. FIG.

以下、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法の一実施形態について図面を用いて説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a non-contact rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

本実施形態の非接触型レオロジー物性計測システム1は、図1に示すように、複数の計測点における流速を時系列で計測する超音波流速計測装置2と、この超音波流速計測装置2から各計測点の流速データを取得して流体のレオロジー物性を決定する非接触型レオロジー物性計測装置3とを有する。以下、各構成について詳細に説明する。 As shown in FIG. 1, the non-contact rheological property measurement system 1 of this embodiment includes an ultrasonic flow velocity measurement device 2 that measures flow velocity at a plurality of measurement points in time series, and a It has a non-contact rheological property measuring device 3 that acquires flow velocity data at measurement points and determines the rheological properties of the fluid. Each configuration will be explained in detail below.

超音波流速計測装置2は、管外から管内に向けて超音波を照射するとともに前記管内から前記管外に向けて反射される超音波を受信して、前記超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速を時系列で計測するものである。つまり、超音波流速計測装置2は、管内の時空間流速分布u(r,t)を非接触かつ非侵襲(流れを乱さず)に計測することができる。例えば、特開2003-344131号公報に開示されている技術を用いることができる。 The ultrasonic flow velocity measuring device 2 irradiates ultrasonic waves from outside the tube into the inside of the tube, receives ultrasonic waves reflected from inside the tube toward the outside of the tube, and detects a plurality of ultrasonic waves along the irradiation direction of the ultrasonic waves. This method measures the flow velocity at measurement points in time series. In other words, the ultrasonic flow velocity measuring device 2 can measure the spatiotemporal flow velocity distribution u(r,t) within the pipe in a non-contact and non-invasive manner (without disturbing the flow). For example, the technique disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 2003-344131 can be used.

非接触型レオロジー物性計測装置3は、超音波流速計測装置2から各計測点の流速データを取得して流体のレオロジー物性を決定するものである。本実施形態における非接触型レオロジー物性計測装置3は、コンピュータによって構成されており、図1に示すように、主として、各種の表示画面を表示するとともに各種のデータを入力する表示入力手段4と、各種のデータを記憶するとともに演算処理手段6が演算処理を行う際のワーキングエリアとして機能する記憶手段5と、記憶手段5にインストールされた非接触型レオロジー物性計測プログラム3aを実行することにより、各種の演算処理を実行し後述する各構成部として機能する演算処理手段6とを有する。 The non-contact rheological property measuring device 3 acquires flow velocity data at each measurement point from the ultrasonic flow velocity measuring device 2 and determines the rheological properties of the fluid. The non-contact rheological property measuring device 3 in this embodiment is constituted by a computer, and as shown in FIG. 1, mainly includes a display input means 4 for displaying various display screens and inputting various data; By storing various data and functioning as a working area when the arithmetic processing means 6 performs arithmetic processing, and by executing the non-contact rheological property measurement program 3a installed in the storage means 5, various data can be stored. It has an arithmetic processing means 6 that executes arithmetic processing and functions as each component described later.

表示入力手段4は、入力機能と表示機能とを有するユーザインターフェースであり、本実施形態では、タッチパネル機能を備えたディスプレイによって構成されている。なお、表示入力手段4の構成は、タッチパネル式のディスプレイによるものに限定されるものではなく、表示機能のみを備えた表示手段、およびキーボードやマウスなどの入力機能のみを備えた入力手段をそれぞれ別個に有していてもよい。 The display input means 4 is a user interface having an input function and a display function, and in this embodiment, it is configured by a display equipped with a touch panel function. Note that the configuration of the display input means 4 is not limited to a touch panel display, and may include separate display means with only a display function and input means with only an input function such as a keyboard or mouse. may have.

記憶手段5は、ハードディスク、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ等で構成されており、非接触型レオロジー物性計測プログラム31aを記憶するプログラム記憶部51と、レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる式を記憶するレオロジーモデル式記憶部52と、各種のしきい値を記憶するしきい値記憶部53とを有する。 The storage means 5 is composed of a hard disk, a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a flash memory, etc., and includes a program storage section 51 that stores a non-contact rheological property measurement program 31a, and a rheology model. It has a rheology model equation storage section 52 that stores equations obtained by Fourier transforming the equation of motion of a fluid flowing in a pipe based on time, and a threshold storage section 53 that stores various threshold values.

プログラム記憶部51には、本実施形態の非接触型レオロジー物性計測装置3を制御するための非接触型レオロジー物性計測プログラム3aがインストールされている。そして、演算処理手段6が、当該非接触型レオロジー物性計測プログラム3aを読み出して実行することにより、コンピュータを非接触型レオロジー物性計測装置3における各構成部として機能させるようになっている。 A non-contact rheological property measuring program 3a for controlling the non-contact rheological property measuring device 3 of this embodiment is installed in the program storage unit 51. The arithmetic processing means 6 reads out and executes the non-contact rheological property measurement program 3a, thereby causing the computer to function as each component in the non-contact rheological property measurement apparatus 3.

なお、非接触型レオロジー物性計測プログラム3aの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、CD-ROMやUSBメモリ等のように、コンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体に非接触型レオロジー物性計測プログラム3aを記憶させておき、当該記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からクラウドコンピューティング方式やASP(Application Service Provider)方式等で利用してもよい。 Note that the usage form of the non-contact rheological property measurement program 3a is not limited to the above configuration. For example, the non-contact rheology physical property measurement program 3a may be stored in a computer-readable non-temporary recording medium such as a CD-ROM or a USB memory, and then read directly from the recording medium and executed. good. Furthermore, it may be used in a cloud computing method, an ASP (Application Service Provider) method, etc. from an external server or the like.

レオロジーモデル式記憶部52は、レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる式を記憶するものである。本実施形態では、下記式(1)に基づきレオロジーモデルに導き出された式が記憶されている。
[数1]
ここで、




τはレオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力、
A,B,C,・・・はレオロジーモデルにおけるレオロジー物性、
αは圧力勾配、
ρは流体の密度、
ωは流体における脈動の角周波数、
ωはピーク周波数、
は計測点、
uは管内の時空間流速分布、
^は関数のフーリエ変換、
添え字のmは計測結果、をそれぞれ意味する。なお、レオロジー物性のA,B,C,・・・はレオロジーモデルに応じてその数が変わるものである。例えば、測定対象に適したレオロジーモデルがニュートン流体である場合のレオロジー物性の数は1であり、非ニュートン流体の場合のレオロジー物性の数は2以上である。
The rheology model equation storage unit 52 stores an equation obtained by Fourier transforming an equation of motion of a fluid flowing in a pipe based on a rheology model with respect to time. In this embodiment, an equation derived from the rheology model based on the following equation (1) is stored.
[Number 1]
here,
,
,
,
,
τ is the shear stress related using a rheological model,
A, B, C, ... are rheological properties in the rheological model,
α is the pressure gradient,
ρ is the density of the fluid,
ω is the angular frequency of pulsations in the fluid,
ω 0 is the peak frequency,
r n is the measurement point,
u is the spatiotemporal flow velocity distribution in the pipe,
^ is the Fourier transform of the function,
The subscript m means the measurement result. Note that the number of rheological properties A, B, C, . . . changes depending on the rheological model. For example, when the rheology model suitable for the object to be measured is a Newtonian fluid, the number of rheological properties is 1, and when the rheology model is a non-Newtonian fluid, the number of rheological properties is 2 or more.

式(1)において圧力勾配αを表す項は時間によってフーリエ変換することにより流れにおける角周波数ωの関数となっている。このため、前記角周波数ωを特定すれば圧力勾配αは未知の定数として扱うことができる。ここで、前記角周波数ωは管内の時空間流速分布u(r,t)によって得ることができる。つまり、式(1)では、圧力勾配αの値を得るために、圧力センサーや圧力計などを用いて計測する必要がない。また、上述のとおり超音波流速計測装置2は、非接触かつ非侵襲で管内の時空間流速分布u(r,t)を計測することができる。つまり、本実施形態の非接触型レオロジー物性計測システム1は、計測原理的に非接触により管内を流れる流体のレオロジー物性を計測することができるシステムである。 In equation (1), the term representing the pressure gradient α becomes a function of the angular frequency ω in the flow by performing Fourier transformation over time. Therefore, if the angular frequency ω is specified, the pressure gradient α can be treated as an unknown constant. Here, the angular frequency ω can be obtained from the spatiotemporal flow velocity distribution u(r,t) within the pipe. That is, in Equation (1), there is no need to measure using a pressure sensor, a pressure gauge, etc. in order to obtain the value of the pressure gradient α. Further, as described above, the ultrasonic flow velocity measuring device 2 can measure the spatiotemporal flow velocity distribution u(r,t) in a pipe in a non-contact and non-invasive manner. In other words, the non-contact type rheological property measurement system 1 of this embodiment is a system that can measure the rheological properties of a fluid flowing in a pipe in a non-contact manner based on the measurement principle.

また、式(1)では、流体における脈動の角周波数ωが含まれる。一般的に、生産プロセスにおける管内の流れは、その流れを生み出すためのポンプや配管形状等によって発生する渦流等により常に脈動(変動)していることから、そのような管内を流れる流体のレオロジー物性の計測に使用することができる。よって、従来の定常流を仮定できる管内流れしか適用できないシステムに比べて、適用対象となる範囲は広い。 Furthermore, equation (1) includes the angular frequency ω of pulsation in the fluid. In general, the flow inside a pipe in a production process is constantly pulsating (fluctuations) due to vortices generated by the pump or piping shape used to generate the flow, so the rheological properties of the fluid flowing inside such a pipe are important. It can be used for measurement. Therefore, the range of application is wider than conventional systems that can only be applied to pipe flow where a steady flow can be assumed.

なお、レオロジーモデルは、流れのせん断応力と流れの速度勾配とが比例する性質(線形)があるニュートン流体モデルと、前記せん断応力と前記速度勾配とが比例しない性質(非線形)がある非ニュートン流体モデルとに大別される。また、非ニュートン流体モデルには、塑性(ビンガム)流体モデル、準(擬)粘性流体モデル、準(擬)塑性流体モデル、ダイラタント流体モデル等が例示される。 Note that rheology models include a Newtonian fluid model in which the shear stress of the flow is proportional to the velocity gradient of the flow (linear), and a non-Newtonian fluid model in which the shear stress and the velocity gradient are not proportional (nonlinear). It is broadly divided into models. Examples of non-Newtonian fluid models include a plastic (Bingham) fluid model, a quasi-(pseudo) viscous fluid model, a quasi-(pseudo) plastic fluid model, and a dilatant fluid model.

しきい値記憶部53は、各種のしきい値を記憶するものである。本実施形態では、粘性層厚さを基準にピーク周波数ωを検出するために用いられる下記式(3)およびそれに伴う各値が記憶されている。
[数3]
ここで、
(ν/kΔω)1/2は粘性層厚さ、
Δrは計測点同士の距離、
νは流体の動粘性係数、
kΔωは検出された周波数、
Dは管の内径、をそれぞれ意味する。
The threshold storage unit 53 stores various thresholds. In this embodiment, the following formula (3) used to detect the peak frequency ω 0 based on the viscous layer thickness and each value associated therewith are stored.
[Number 3]
here,
(ν/kΔω) 1/2 is the viscous layer thickness,
Δr is the distance between measurement points,
ν is the kinematic viscosity coefficient of the fluid,
kΔω is the detected frequency,
D means the inner diameter of the tube.

つぎに、演算処理手段6について説明する。演算処理手段6は、CPU(Central Processing Unit)等によって構成されており、記憶手段5にインストールされた非接触型レオロジー物性計測プログラム3aを実行することにより、図1に示すように、超音波流速計測装置2から流速データを取得する流速取得部61と、流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数ωを検出するピーク周波数検出部62と、ピーク周波数ωと複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出部63と、レオロジーモデルが不明の場合や変化する場合にレオロジーモデルを決定するレオロジーモデル決定部64と、前記数値解算出部63により算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定部65として機能するようになっている。Next, the arithmetic processing means 6 will be explained. The arithmetic processing means 6 is constituted by a CPU (Central Processing Unit), etc., and by executing the non-contact rheological property measurement program 3a installed in the storage means 5, the ultrasonic flow velocity is calculated as shown in FIG. A flow velocity acquisition unit 61 that acquires flow velocity data from the measuring device 2, a peak frequency detection unit 62 that detects a peak frequency ω 0 indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid, and a peak frequency ω 0 and a plurality of measurement points. a numerical solution calculation unit 63 that calculates a numerical solution from a plurality of functional equations obtained by substituting the flow velocity data in , and a rheology model determination unit 64 that determines a rheology model when the rheology model is unknown or changes; It functions as a rheological property determination unit 65 that determines rheological property values based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculation unit 63.

流速取得部61は、超音波流速計測装置2から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得するものである。流速データは、厳密には超音波流速計測装置2の測定限界に基づく時間間隔毎に計測される離散的なデータであるが、数ミリ秒~数十ミリ秒程度の流体における脈動の周波数よりも充分に短い時間間隔で計測できるため時間的に連続したデータとして扱うことができる。また、式(3)の計算に用いるため、本実施形態における流速取得部61は、前記超音波流速計測装置2から測定限界に基づき決定される計測点同士の距離Δrを取得し、しきい値記憶部53に記憶させるようになっている。 The flow velocity acquisition unit 61 acquires flow velocity data at a plurality of measurement points along the ultrasonic irradiation direction from the ultrasonic flow velocity measuring device 2 . Strictly speaking, the flow velocity data is discrete data measured at each time interval based on the measurement limit of the ultrasonic flow velocity measurement device 2, but it is higher than the frequency of pulsation in the fluid of several milliseconds to tens of milliseconds. Since it can be measured at sufficiently short time intervals, it can be treated as temporally continuous data. Further, in order to use it for calculation of equation (3), the flow velocity acquisition unit 61 in this embodiment acquires the distance Δr between measurement points determined based on the measurement limit from the ultrasonic flow velocity measurement device 2, and The information is stored in the storage unit 53.

ピーク周波数検出部62は、各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数ωを検出するものである。周波数解析は、スペクトル解析や波形分析ともいう。例えば、フーリエ変換やウェーブレット変換等が例示される。本実施形態では、フーリエ変換を用いてピーク周波数ωを検出している。なお、ピーク周波数ωは、優位周波数や卓越周波数と呼ばれることもある。The peak frequency detection unit 62 detects a peak frequency ω 0 indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid by frequency-analyzing the flow velocity data at each measurement point. Frequency analysis is also called spectrum analysis or waveform analysis. For example, Fourier transform, wavelet transform, etc. are exemplified. In this embodiment, the peak frequency ω 0 is detected using Fourier transform. Note that the peak frequency ω 0 is sometimes called a dominant frequency or dominant frequency.

また、本実施形態におけるピーク周波数検出部62は、粘性層厚さを基準にピーク周波数を検出する機能を有する。具体的には、上記の式(3)を満たす周波数の中から最大の振幅値を示す周波数をピーク周波数ωとして検出する。ここで式(3)の最低値である3Δrは、数値解算出部63において数値解を算出する上で、選択されるレオロジーモデルによって定められる未知の定数の数が少なくとも3つ以上あり、それらの未知の定数を算出するために必要となる関数式の数が3本以上であること、また超音波流速計測装置2の計測誤差によるレオロジー物性の計測精度の低下を抑制するために流速データやレオロジー物性値の算出結果を空間差分や多項式近似するために必要なデータ点数(計測点の数)が3点以上であることに基づく。よって、粘性層厚さがこれよりも薄いと精度の高い数値解が得られない。また、最大値のD/2は管の半径を意味しており、軸対称となる管内流れにおいて粘性層厚さがこれ以上厚くなることがないことに基づく。Furthermore, the peak frequency detection section 62 in this embodiment has a function of detecting a peak frequency based on the viscous layer thickness. Specifically, the frequency exhibiting the maximum amplitude value is detected as the peak frequency ω 0 from among the frequencies that satisfy the above equation (3). Here, 3Δr, which is the lowest value of equation (3), is determined by the fact that there are at least three or more unknown constants defined by the selected rheology model when calculating the numerical solution in the numerical solution calculation unit 63. The number of function equations required to calculate the unknown constant is three or more, and the flow velocity data and rheology are This is based on the fact that the number of data points (number of measurement points) required to perform spatial difference or polynomial approximation of the calculation results of physical property values is 3 or more. Therefore, if the viscous layer thickness is thinner than this, a highly accurate numerical solution cannot be obtained. Further, the maximum value D/2 means the radius of the tube, and is based on the fact that the viscous layer thickness does not increase any further in an axially symmetrical flow in the tube.

数値解算出部63は、上記の式(1)にピーク周波数ωと複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出するものである。本実施形態における数値解算出部63は、下記式(2)に示す費用関数の最小化により数値解を算出する。本実施形態では、費用関数を最小化するプログラムを作成し、その作成プログラムを実行することで数値解を算出している。費用関数を最小化するアルゴリズムは、特に限定されるものではないが、例えばランダムサーチ法や勾配降下法などが例示される。
[数2]
The numerical solution calculation unit 63 calculates a numerical solution from a plurality of functional equations obtained by substituting the peak frequency ω 0 and flow velocity data at a plurality of measurement points into the above equation (1). The numerical solution calculation unit 63 in this embodiment calculates a numerical solution by minimizing the cost function shown in equation (2) below. In this embodiment, a program for minimizing the cost function is created, and a numerical solution is calculated by executing the created program. Although the algorithm for minimizing the cost function is not particularly limited, examples include a random search method and a gradient descent method.
[Number 2]

また、本実施形態における数値解算出部63は、代入する流速データとして、連続して隣り合う3点以上の計測点における前記流速データの関数近似値を用いる。これは、超音波流速計測装置2により得られる流速データの計測誤差により生じるレオロジー物性値の算出誤差を抑制するためである。関数近似値の算出方法は、特に限定されるものではないが、ベッセル関数やチェビシェフ級数などが例示される。 Further, the numerical solution calculation unit 63 in this embodiment uses a function approximation value of the flow velocity data at three or more consecutively adjacent measurement points as the flow velocity data to be substituted. This is to suppress calculation errors in the rheological property values caused by measurement errors in the flow velocity data obtained by the ultrasonic flow velocity measuring device 2. The method of calculating the function approximation value is not particularly limited, but examples include Bessel function and Chebyshev series.

また、本実施形態における数値解算出部63は、管内を流れる流体のレオロジーモデルが不明な場合や、温度または各種成分割合の変化によってレオロジーモデルが時々刻々と変化する場合には、複数種のレオロジーモデルに基づく数値解を算出する。具体的には、数値解算出部63が、レオロジーモデル式記憶部52から複数種のレオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる式を用いて数値解を算出する。 In addition, in the case where the rheological model of the fluid flowing in the pipe is unknown, or when the rheological model changes from time to time due to changes in temperature or the proportions of various components, the numerical solution calculation unit 63 in this embodiment uses multiple types of rheology. Compute a numerical solution based on the model. Specifically, the numerical solution calculation unit 63 calculates a numerical solution using an equation obtained by Fourier transforming the equation of motion of the fluid flowing in the pipe based on multiple types of rheology models from the rheology model equation storage unit 52 with respect to time. Calculate.

レオロジーモデル決定部64は、レオロジーモデルが不明な場合などにおいて数値解算出部63が複数種のレオロジーモデルに基づく数値解を算出した上で、レオロジーモデルを決定するものである。本実施形態におけるレオロジーモデル決定部64は、数値解算出部63が算出した複数の数値解同士を比較して最も小さい数値解となる前記レオロジーモデルを前記流体のレオロジーモデルとして決定する。 The rheology model determination unit 64 determines a rheology model after the numerical solution calculation unit 63 calculates numerical solutions based on a plurality of types of rheology models, such as when the rheology model is unknown. The rheology model determination unit 64 in this embodiment compares the plurality of numerical solutions calculated by the numerical solution calculation unit 63 and determines the rheology model that is the smallest numerical solution as the rheology model of the fluid.

なお、測定対象に適したレオロジーモデルが不明な場合のレオロジーモデルを決定する方法は、本実施形態のように数値解算出部63により算出した複数の数値解同士を比較する方法に限定されるものではなく、例えば、数値解算出部63により算出された数値解が所定のしきい値以下か否かを判別し、前記しきい値以下の場合には当該数値解を算出したレオロジーモデルを計測対象の流体のレオロジーモデルと決定し、前記しきい値より大きい場合には、レオロジーモデル式記憶部52に記憶された他のレオロジーモデルに基づく式に変更した上で数値解を算出し、当該数値解が前記しきい値以下となってレオロジーモデルが決定されるまで当該判別処理を繰り返すようにしてもよい。 Note that the method for determining a rheology model when the rheology model suitable for the measurement target is unknown is limited to the method of comparing a plurality of numerical solutions calculated by the numerical solution calculation unit 63 as in this embodiment. Instead, for example, it is determined whether the numerical solution calculated by the numerical solution calculation unit 63 is below a predetermined threshold, and if it is below the threshold, the rheology model that calculated the numerical solution is set as the measurement target. is determined to be the fluid rheology model of The discrimination process may be repeated until the rheology model is determined when the rheology model becomes less than or equal to the threshold value.

レオロジー物性決定部65は、数値解算出部63により算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するものである。本実施形態におけるレオロジー物性決定部65は、算出された数値解から計測対象としている管内の流体の粘性係数μや動粘性係数νなどのレオロジー物性値を決定するようになっている。また、決定された動粘性係数νは、ピーク周波数検出部62で算出される式(3)を算出する場合の動粘性係数νとして用いるため、しきい値記憶部53に記憶される。ここで動粘性係数νが時々刻々と変化する場合は、前記しきい値記憶部53に時系列で並べて記憶させるか、算出されるごとに書き換え(上書き)するようにしてもよい。 The rheological property determining unit 65 determines rheological property values based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculating unit 63. The rheological property determination unit 65 in this embodiment is configured to determine rheological property values such as the viscosity coefficient μ and the kinematic viscosity coefficient ν of the fluid in the pipe to be measured from the calculated numerical solution. Further, the determined kinematic viscosity coefficient ν is stored in the threshold storage unit 53 in order to be used as the kinematic viscosity coefficient ν when calculating equation (3) calculated by the peak frequency detection unit 62. If the kinematic viscosity coefficient ν changes from moment to moment, it may be stored in the threshold storage unit 53 in chronological order, or it may be rewritten (overwritten) each time it is calculated.

なお、前記レオロジー物性値と、流体に含まれる特定成分の割合との間に相関などの関係性がある場合には、前記レオロジー物性値とともに、または前記レオロジー物性値に変えて当該成分割合を決定するようにしてもよい。 In addition, if there is a relationship such as a correlation between the rheological property value and the proportion of a specific component contained in the fluid, the proportion of the component is determined together with or in place of the rheological property value. You may also do so.

つぎに、本実施形態の非接触型レオロジー物性計測装置3、システム1およびプログラム3aにおける各構成の作用について、非接触型レオロジー物性計測方法とともに説明する。 Next, the operation of each component in the non-contact rheological property measuring device 3, system 1, and program 3a of this embodiment will be explained together with the non-contact rheological property measuring method.

超音波流速計測装置2が、管内を流れる流体に対して管外から超音波の送受信を行い、受信した超音波を解析することにより、前記超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速を時系列に計測する。 The ultrasonic flow velocity measurement device 2 transmits and receives ultrasonic waves to the fluid flowing inside the pipe from outside the pipe, and analyzes the received ultrasonic waves to determine the flow velocity at a plurality of measurement points along the irradiation direction of the ultrasonic waves. measured over time.

図2に示すように、非接触型レオロジー物性計測装置3では、流速取得部61が、超音波流速計測装置2によって計測された流速データ、具体的には時空間流速分布u(ri,tj)、(i=1,2,・・・,N、j=1,2,・・・,M)を取得する(S1:流速取得ステップ)。本実施形態における流速取得部61は、前記超音波流速計測装置2から流速データとともに、当該流速データを算出する時に定められた計測点同士の距離Δrを取得し、しきい値記憶部53に記憶させる。As shown in FIG. 2, in the non-contact rheological property measuring device 3, the flow velocity acquisition unit 61 collects the flow velocity data measured by the ultrasonic flow velocity measuring device 2, specifically, the spatio-temporal flow velocity distribution u(r i ,t j ), (i=1,2,...,N, j=1,2,...,M) are acquired (S1: flow velocity acquisition step). The flow velocity acquisition unit 61 in this embodiment acquires the flow velocity data from the ultrasonic flow velocity measurement device 2 as well as the distance Δr between the measurement points determined when calculating the flow velocity data, and stores it in the threshold storage unit 53. let

次に、ピーク周波数検出部62が、流速取得部61によって取得された各計測点の流速データを周波数解析し、流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数ωを検出する(S2:ピーク周波数検出ステップ)。本実施形態では、下記時空間流速分布u(ri,tj)のフーリエ変換を行った式(4)と、各周波数における振幅値を示す下記の式(5)を用いて周波数解析(スペクトル解析)を行いピーク周波数ωを検出する。
[数4]
[数5]
Next, the peak frequency detection unit 62 performs frequency analysis on the flow velocity data at each measurement point acquired by the flow velocity acquisition unit 61, and detects a peak frequency ω 0 indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid (S2 : peak frequency detection step). In this embodiment, frequency analysis ( spectrum analysis) to detect the peak frequency ω 0 .
[Number 4]
[Number 5]

また、ピーク周波数検出部62が、算出されたピーク周波数ωが式(3)の範囲内の条件を満たすか否かを判別する(S3)。当該式(3)における計測点同士の距離Δr、流体の動粘性係数νおよび管の内径Dはしきい値記憶部63から取得する。もし、ステップS2で算出されたピーク周波数ωが式(3)の範囲内にない場合には(S3:NO)、ステップS2に戻って次に大きいピーク周波数ωを検出し、式(3)の要件が満たすまでこの処理を繰り返す。そして、算出されたピーク周波数ωが式(3)の範囲内である場合には(S3:YES)、その周波数をピーク周波数ωに決定する。本実施形態におけるピーク周波数検出部62では、このようにして式(3)の要件を満たす周波数の中から最大の振幅値をピーク周波数ωとして検出する。Furthermore, the peak frequency detection unit 62 determines whether the calculated peak frequency ω 0 satisfies the condition within the range of equation (3) (S3). The distance Δr between the measurement points in the equation (3), the kinematic viscosity coefficient ν of the fluid, and the inner diameter D of the pipe are acquired from the threshold storage unit 63. If the peak frequency ω 0 calculated in step S2 is not within the range of formula (3) (S3: NO), the process returns to step S2 to detect the next highest peak frequency ω 0 and ) Repeat this process until the requirements are met. Then, if the calculated peak frequency ω 0 is within the range of equation (3) (S3: YES), that frequency is determined as the peak frequency ω 0 . The peak frequency detection unit 62 in this embodiment thus detects the maximum amplitude value from among the frequencies that satisfy the requirements of equation (3) as the peak frequency ω 0 .

次に、数値解算出部63が、式(1)に代入する流速データについて、超音波流速計測装置2における計測誤差の影響を抑制するために、流速データの関数近似値を算出する(S4)。本実施形態では、下記の式(6)を用いて5次関数近似値を計算しその値を用いる。
[数6]
Next, the numerical solution calculation unit 63 calculates a function approximation value for the flow velocity data to be substituted into equation (1) in order to suppress the influence of measurement errors in the ultrasonic flow velocity measuring device 2 (S4). . In this embodiment, a quintic function approximation value is calculated using the following equation (6), and that value is used.
[Number 6]

そして、式(1)に基づきピーク周波数ωと複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する(S5:数値解算出ステップ)。本実施形態では、数値解を算出するために式(2)に示す費用関数を用いる。レオロジーモデルがニュートン流体の場合、式(2)は、下記の式(7)および式(8)に示すように書き換えることができる。
[数7]
[数8]
ここで、α(t)は圧力勾配の時間変動を意味する。
Then, based on equation (1), a numerical solution is calculated from a plurality of functional equations obtained by substituting the peak frequency ω 0 and flow velocity data at a plurality of measurement points (S5: numerical solution calculation step). In this embodiment, the cost function shown in equation (2) is used to calculate the numerical solution. When the rheology model is a Newtonian fluid, equation (2) can be rewritten as shown in equations (7) and (8) below.
[Number 7]
[Number 8]
Here, α(t i ) means the time variation of the pressure gradient.

また、レオロジーモデルが非ニュートン流体であり、レオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力τを下記の式(9)で表した場合、式(2)は、下記の式(10)ないし式(12)に示すように書き換えることができる。
[数9]
[数10]
[数11]
[数12]
ここで、Π1, Π2, Π3, ・・・は、非ニュートン流体におけるレオロジー物性を意味する。なお、式(11)は上記式(8)と同じ式であり、α(t)は圧力勾配の時間変動を意味する。
Furthermore, when the rheological model is a non-Newtonian fluid and the shear stress τ related using the rheological model is expressed by the following equation (9), the equation (2) is changed from the following equation (10) to equation (12). ) can be rewritten as shown.
[Number 9]
[Number 10]
[Number 11]
[Number 12]
Here, Π 1 , Π 2 , Π 3 , ... mean rheological properties in a non-Newtonian fluid. Note that equation (11) is the same equation as equation (8) above, and α(t i ) means the time variation of the pressure gradient.

そして、この費用関数を、ランダムサーチ法や勾配降下法などを用いて最小化することで数値解を算出する。このとき、各式に代入されるのは前記ピーク周波数検出部62により検出されたピーク周波数ωや流速取得部61により取得された流速データのみであり、管内の圧力データは不要である。また、費用関数を用いることで、数値解を算出するための計算負荷が抑制される。費用関数の最小化するためのアルゴリズムの種類や演算処理手段の処理能力に依存するが、1回の算出に対しおよそ数秒から数十秒間隔で数値解の算出が可能である。A numerical solution is then calculated by minimizing this cost function using a random search method, gradient descent method, or the like. At this time, only the peak frequency ω 0 detected by the peak frequency detection section 62 and the flow velocity data acquired by the flow velocity acquisition section 61 are substituted into each equation, and the pressure data inside the pipe is not necessary. Furthermore, by using the cost function, the computational load for calculating the numerical solution is suppressed. Although it depends on the type of algorithm for minimizing the cost function and the processing power of the arithmetic processing means, numerical solutions can be calculated at intervals of approximately several seconds to several tens of seconds for one calculation.

本実施形態では、ステップS5において、レオロジーモデルが不明な場合や温度や成分割合などに応じてせん断応力τが変化しレオロジーモデルの変更が必要な場合に対応するため、複数のレオロジーモデルを用いて数値解を算出する。具体的には、数値解算出部63がレオロジーモデル式記憶部52に記憶された複数種のレオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる複数の式を読み出し、それぞれの式に対して数値解を算出する。 In this embodiment, in step S5, multiple rheology models are used to cope with cases where the rheology model is unknown or where the shear stress τ changes depending on temperature, component ratio, etc. and the rheology model needs to be changed. Calculate the numerical solution. Specifically, the numerical solution calculation unit 63 calculates a plurality of equations obtained by performing Fourier transformation of the equation of motion of a fluid flowing in a pipe based on a plurality of types of rheology models stored in the rheology model equation storage unit 52 with respect to time. Read and calculate numerical solutions for each equation.

そして、レオロジーモデル決定部64では、複数の数値解同士を比較して最も小さい数値解となる前記レオロジーモデルを前記流体のレオロジーモデルとして決定する(S6:レオロジーモデル決定ステップ)。 Then, the rheology model determination unit 64 compares the plurality of numerical solutions and determines the rheology model that is the smallest numerical solution as the rheology model of the fluid (S6: rheology model determination step).

なお、ニュートン流体など、レオロジーモデルが予め判っている場合は、ステップS4における複数種のレオロジーモデルを対象にした数値解の算出やステップS5のレオロジーモデル決定ステップの処理を省略してもよい。また、不明であったレオロジーモデルがステップS6において決定された後、レオロジーモデルに変更がない(せん断応力τに殆ど変化がない)場合には、その後の処理において、ステップ5における他のレオロジーモデルに基づく数値解の算出ステップS5やレオロジーモデル決定ステップS6の処理を省略することができる。 Note that if the rheology model, such as a Newtonian fluid, is known in advance, the calculation of numerical solutions for multiple types of rheology models in step S4 and the rheology model determination step in step S5 may be omitted. Further, after the unknown rheology model is determined in step S6, if there is no change in the rheology model (there is almost no change in the shear stress τ), in the subsequent processing, other rheology models in step S6 are changed. It is possible to omit the calculation step S5 of calculating a numerical solution based on this and the rheology model determination step S6.

そして、レオロジー物性決定部65が、数値解算出部63によって得られた数値解に基づき流体のレオロジー物性値を決定する(S7:レオロジー物性決定ステップ)。もし、レオロジー物性値に基づく成分割合等が決定できる場合は、レオロジー物性値とともに成分割合も決定する。レオロジー物性値や成分割合などは、数値解を算出することで決定される。つまり、前記数値解と同様におよそ数秒から数十秒間隔でレオロジー物性値を決定することができる。よって、レオロジー物性値の変動や成分割合の変化などをほぼリアルタイムに計測することができる。 Then, the rheological property determining unit 65 determines the rheological property value of the fluid based on the numerical solution obtained by the numerical solution calculating unit 63 (S7: rheological property determining step). If the component ratio etc. can be determined based on the rheological property value, the component ratio is determined together with the rheological property value. Rheological property values, component ratios, etc. are determined by calculating numerical solutions. In other words, similar to the numerical solution described above, rheological property values can be determined at intervals of approximately several seconds to several tens of seconds. Therefore, fluctuations in rheological property values, changes in component ratios, etc. can be measured almost in real time.

以上のような本実施形態の非接触型レオロジー物性計測装置3、システム1、プログラム3aおよび方法によれば、以下の効果を奏することができる。
1.管内を流れる流体の流速を非接触かつ非侵襲によって計測することのできる流速データを取得することによって、管内の圧力などを計測することなく、前記流体のレオロジー物性を計測することができる。
2.管内の流れにおける脈動を利用するため、適用範囲が広く、様々な管内を流れる流体に適用することができる。
3.費用関数などを用いることで計算にかかる処理負荷を軽くすることができるため、レオロジー物性値の変動や成分割合の変化などをリアルタイムに計測することができる。
4.流速データの関数近似値を用いることで、超音波流速計測装置2により計測される前記流速データの計測誤差に基づくレオロジー物性値等の計測誤差を抑制することができる。
5.ピーク周波数検出部62では、粘性層厚さに基づきピーク周波数を検出することで、計測原理上の精度を確保することができる。
According to the non-contact rheological property measuring device 3, system 1, program 3a, and method of this embodiment as described above, the following effects can be achieved.
1. By acquiring flow velocity data that allows non-contact and non-invasive measurement of the flow velocity of the fluid flowing inside the pipe, the rheological properties of the fluid can be measured without measuring the pressure inside the pipe.
2. Since it utilizes pulsations in the flow within the pipe, it has a wide range of applicability and can be applied to fluids flowing in various pipes.
3. By using cost functions, etc., the processing load required for calculations can be reduced, making it possible to measure changes in rheological properties, changes in component ratios, etc. in real time.
4. By using the function approximation value of the flow velocity data, it is possible to suppress measurement errors such as rheological property values based on measurement errors of the flow velocity data measured by the ultrasonic flow velocity measuring device 2.
5. The peak frequency detection section 62 detects the peak frequency based on the viscous layer thickness, thereby ensuring accuracy based on the measurement principle.

次に、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法の具体的な実施例について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって示される特徴に限定されるものではない。 Next, specific examples of the non-contact rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention will be described. Note that the technical scope of the present invention is not limited to the features shown in the following examples.

実施例1では、数値的に脈動を伴う管内流れを作り出し、作り出された流れを超音波流速計測装置で計測したと仮定して得られる流速データとして、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測プログラムによるレオロジー物性値の算出を行った。また、管内流れにおける厳密解と、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測プログラムで得られる数値解とを比較し、計測精度の検討を行った。 In Example 1, the non-contact rheology physical property measurement program according to the present invention is used as flow velocity data obtained by assuming that a numerically pulsating flow in a pipe is created and the created flow is measured with an ultrasonic flow velocity measurement device. The rheological properties were calculated using the following method. Furthermore, the exact solution for the flow in the pipe was compared with the numerical solution obtained by the non-contact rheological property measurement program according to the present invention, and the measurement accuracy was examined.

<脈動を伴う管内流れの数値計算について>
ニュートン流体において一方向に流れる管内定常流れはハーゲン・ポアズイユ流れと呼ばれ、以下の支配方程式(13)および式(14)で表すことができる。
[数13]

Figure 0007412786000024

[数14]
Figure 0007412786000025

また、脈動する管内流れは、以下の支配方程式(15)および式(16)で表すことができる。
[数15]
Figure 0007412786000026

[数16]
Figure 0007412786000027

そして、脈動を伴う管内流れは、式(12)~式(16)により、以下の式(17)として得られる。
[数17]
Figure 0007412786000028

ここで、
R は管の半径
U0 はハーゲン・ポアズイユ流れの最大値
U1は脈動の速度変動(振幅の大きさ)
ωは脈動の周波数(角周波数)
νは動粘性係数
ρは流体の密度
およびJはベッセル関数、をそれぞれ意味する。<Numerical calculation of flow in a pipe with pulsation>
A steady flow in a pipe in a Newtonian fluid that flows in one direction is called a Hagen-Poiseuille flow, and can be expressed by the following governing equation (13) and equation (14).
[Number 13]
Figure 0007412786000024

[Number 14]
Figure 0007412786000025

Further, the pulsating flow in the pipe can be expressed by the following governing equation (15) and equation (16).
[Number 15]
Figure 0007412786000026

[Number 16]
Figure 0007412786000027

Then, the flow in the pipe accompanied by pulsation is obtained as the following equation (17) using equations (12) to (16).
[Number 17]
Figure 0007412786000028

here,
R is the radius of the tube
U 0 is the maximum value of Hagen-Poiseuille flow
U 1 is the speed fluctuation of pulsation (size of amplitude)
ω is the frequency of pulsation (angular frequency)
ν is the kinematic viscosity coefficient, ρ is the density of the fluid, and J 0 and J 1 are Bessel functions, respectively.

<脈動を伴う管内の計算条件および計算結果>
ここで、式(17)により脈動を伴う管内流れを計算する際の計算条件としてU0 = 0.2 m/s、U1 = 0.1 m/s、r = 1000 kg/m3、R = 25.4 mm、Dt = 10 ms、Dr = 0.1 mmとした。
<Calculation conditions and results for inside a pipe with pulsation>
Here, the calculation conditions when calculating the flow in the pipe with pulsation using equation (17) are U 0 = 0.2 m/s, U 1 = 0.1 m/s, r = 1000 kg/m 3 , R = 25.4 mm, Dt = 10 ms, Dr = 0.1 mm.

また、異なる粘性(レオロジー物性)を有する流体の流れを解析対象とするため、動粘性係数νの条件は、n = 10 mm2/s、n = 50 mm2/s、n = 100 mm2/sなどの複数の条件とした。In addition, since the analysis target is the flow of fluids with different viscosities (rheological properties), the conditions for the kinematic viscosity coefficient ν are n = 10 mm 2 /s, n = 50 mm 2 /s, n = 100 mm 2 / Multiple conditions were used, such as s.

さらに、周波数ω、つまり脈動の速さの違いによる計算精度の影響について検討するためにfo (=ω/2π) =0.5 Hz、fo(=ω/2π)=1.0 Hzなどの複数の条件とした。Furthermore, in order to examine the effect of differences in frequency ω, that is, pulsation speed, on calculation accuracy, multiple conditions such as f o (=ω/2π) =0.5 Hz and f o (=ω/2π) = 1.0 Hz were set. And so.

各条件に基づき計算された脈動を伴う管内の計算結果を図3に示す。各図において、縦軸が管内の位置を表している。縦軸の中央が管の中心位置を表しており、上下の両端が管壁の位置を表している。具体的には、r/Rとして無次元化されており、管の中心位置である縦軸の中央がr/R=0、管壁に相当する値がr/R=1またはr/R=-1である。横軸は、時間の経過を表している。具体的には、tfo として無次元化されている。また、時間毎の管内の流速分布は色の濃淡で表している。色が黒いほど速度はゼロに近づき、色が白いほど速度は速くなる。具体的には、u/U0として無次元化されている。Figure 3 shows the calculation results for the inside of the tube with pulsation calculated based on each condition. In each figure, the vertical axis represents the position within the tube. The center of the vertical axis represents the center position of the tube, and the upper and lower ends represent the positions of the tube walls. Specifically, it is nondimensionalized as r/R, and the center of the vertical axis, which is the center position of the tube, is r/R=0, and the value corresponding to the tube wall is r/R=1 or r/R= -1. The horizontal axis represents the passage of time. Specifically, it is nondimensionalized as tf o . In addition, the flow velocity distribution within the pipe over time is expressed by color shading. The darker the color, the closer the speed is to zero, and the whiter the color, the faster the speed. Specifically, it is made dimensionless as u/U 0 .

図3に示すように、各時間において中央位置の流速が早く、管壁に近づくにつれ速度が遅くなっている。これは、ハーゲン・ポアズイユ流れのように軸対象となる管内の流速分布を示している。また、例えば、中心位置は時間の経過とともに速度が速くなったり遅くなったりを繰りかえしている。よって、式(17)により脈動を伴う管内流れを計算されていることが確認できる。 As shown in FIG. 3, the flow velocity at the central position is high at each time, and the velocity becomes slower as it approaches the pipe wall. This shows a flow velocity distribution in the pipe that is axially symmetrical like the Hagen-Poiseuille flow. Furthermore, for example, the speed of the center position repeatedly increases and decreases over time. Therefore, it can be confirmed that the flow in the pipe accompanied by pulsation is calculated using equation (17).

<超音波流速計測装置による計測シミュレーション>
図3に示す計算結果は、脈動を伴う管内流れを計算した流速分布の厳密解である。一方、管内の流れを超音波流速計測装置を用いて非接触で計測する場合、得られる流速データには計測誤差(計測ノイズ)が含まれる。計測誤差の要因は様々であるが、例えば、流体に含まれており超音波を反射させる固形物の密度や流体内や管壁内における超音波の乱反射などによる影響が考えられる。
<Measurement simulation using ultrasonic flow velocity measuring device>
The calculation results shown in FIG. 3 are exact solutions of the flow velocity distribution calculated for the flow in the pipe accompanied by pulsation. On the other hand, when the flow in a pipe is measured in a non-contact manner using an ultrasonic flow velocity measurement device, the obtained flow velocity data includes measurement errors (measurement noise). There are various factors contributing to measurement errors, but for example, the influence of the density of solid objects contained in the fluid that reflect ultrasound waves, and the diffuse reflection of ultrasound waves within the fluid or pipe walls can be considered.

そこで、本実施例1では、式(17)に基づき計算された脈動を伴う管内流れの流速分布に対し計測精度を考慮した計測誤差(計測ノイズ)の含まれる流速分布を下記の式(18)と定義した。
[数18]

Figure 0007412786000029

ここで、
n(ave, std)はノイズ関数、
aはノイズレベル、をそれぞれ意味する。Therefore, in this Example 1, the flow velocity distribution including measurement error (measurement noise) in consideration of measurement accuracy is calculated using the following equation (18) with respect to the flow velocity distribution of the flow in the pipe with pulsation calculated based on the equation (17). It was defined as
[Number 18]
Figure 0007412786000029

here,
n(ave, std) is the noise function,
a means the noise level, respectively.

例えば、ノイズレベルa = 5.0とすると、ノイズ関数は、図4に示すよう、真の値を中央値とした正規分布で表される。本実施例1では、この式(18)を用いて、ノイズレベルaが1.0、5.0、10.0および15.0の場合について、流速データu(r,t)を代入して誤差を含む流速データu'(r,t)を計算した。図5は計算結果である。図5に示すように、ノイズレベルが大きくなるに従い、得られる流速分布の形状の滑らかさがなくなる。つまり、この流速分布は、計測誤差が含まれた流速データと見ることができる。本実施例1では、このように真の値として算出された流速データを計測誤差としてノイズを与えることで、超音波流速計測装置による計測誤差を含む流速データとした。 For example, when the noise level a = 5.0, the noise function is expressed by a normal distribution with the true value as the median, as shown in FIG. In Example 1, using this equation (18), flow velocity data u(r,t) is substituted for noise levels a of 1.0, 5.0, 10.0, and 15.0, and flow velocity data u'( r,t) was calculated. Figure 5 shows the calculation results. As shown in FIG. 5, as the noise level increases, the shape of the obtained flow velocity distribution becomes less smooth. In other words, this flow velocity distribution can be viewed as flow velocity data that includes measurement errors. In Example 1, noise is added as a measurement error to the flow velocity data calculated as the true value in this way, thereby creating flow velocity data that includes measurement errors by the ultrasonic flow velocity measuring device.

<本発明により得られる関数式の数値解について>
次に、式(17)および式(18)によって算出された流速データを用いて式(1)により得られる関数式から数値解を算出した。レオロジーモデルは、ニュートン流体とした。そこで、ニュートン流体における脈動を伴う管内流れの費用関数を表す式(7)および式(8)を用いて、前記費用関数が最小化させるプログラムを作成し、当該プログラムにより数値解を算出した。費用関数を算出するアルゴリズムにはランダムサーチ法を用いた。
<About numerical solutions of functional expressions obtained by the present invention>
Next, a numerical solution was calculated from the functional equation obtained by equation (1) using the flow velocity data calculated by equation (17) and equation (18). The rheology model was a Newtonian fluid. Therefore, a program was created to minimize the cost function using equations (7) and (8) representing the cost function of a flow in a pipe with pulsation in a Newtonian fluid, and a numerical solution was calculated using the program. A random search method was used as the algorithm to calculate the cost function.

本実施例1では、脈動の周波数fo(角周波数ω)が数値解に与える影響について検討するため、周波数fo [Hz]を0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0のそれぞれの場合について計算した。In Example 1, in order to examine the influence of the pulsation frequency f o (angular frequency ω) on the numerical solution, we will examine the cases where the frequency f o [Hz] is 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, and 4.0. I calculated it.

図6に算出結果を示す。図の左側が式(7)における実数値Re、右側が虚数値Imの計算結果である。また、上側は動粘性係数n = 100 mm2/sの場合であり、下側は動粘性係数の値がそれよりも1/10である動粘性係数n = 10 mm2/sの場合である。なお、n = 100 mm2/sは食用油程度の粘性であり、n = 10 mm2/sは水よりもやや高い粘性である。Figure 6 shows the calculation results. The left side of the figure is the calculation result of the real value Re in equation (7), and the right side is the calculation result of the imaginary value Im. Also, the upper side is the case where the kinematic viscosity coefficient n = 100 mm 2 /s, and the lower side is the case where the kinematic viscosity coefficient is 1/10 of that value, which is the kinematic viscosity coefficient n = 10 mm 2 /s. . Note that n = 100 mm 2 /s has a viscosity similar to that of cooking oil, and n = 10 mm 2 /s has a viscosity slightly higher than that of water.

まずは、粘性の影響について検討する。図6の左側の実数値について、周波数fo =0.1[Hz]の場合に着目すると、上側の粘性が高い場合は、その大きさが管壁(r/R=1.0)の近傍から管の中央(r/R=0.0)に至るまでなだらかに実数値Reが増加している。これは、粘性が管の中央まで影響していることを示す。一方、下側の粘性が高い場合、管の中央(r/R=0.0)からr/R=0.25までの範囲はほぼ一定値である。つまり、管の中央では粘性の影響が弱いことを意味している。First, let's consider the influence of viscosity. Regarding the real values on the left side of Figure 6, focusing on the case of frequency f o =0.1 [Hz], when the upper viscosity is high, the size varies from near the pipe wall (r/R = 1.0) to the center of the pipe. The real value Re increases gradually until it reaches (r/R=0.0). This shows that the viscosity affects the middle of the tube. On the other hand, when the lower viscosity is high, the value is almost constant in the range from the center of the tube (r/R=0.0) to r/R=0.25. This means that the influence of viscosity is weak in the center of the tube.

図6の右側の虚数値Imについても、周波数fo =0.1[Hz]の場合に着目すると、上側の粘性が高い場合は、実数値Reと同様、管壁(r/R=1.0)の近傍から管の中央(r/R=0.0)に至るまでなだらかに増加している。一方、下側の粘性が低い場合は、管の中央(r/R=0.0)からr/R=0.7までの範囲はほぼ一定値である。Regarding the imaginary value Im on the right side of FIG . It increases gently from to the center of the tube (r/R=0.0). On the other hand, when the lower viscosity is low, the value is almost constant in the range from the center of the tube (r/R=0.0) to r/R=0.7.

ここで、式(3)における粘性層厚さ(ν/kΔω)1/2を検討してみると、粘性の高い動粘性係数n = 100 mm2/sの場合、粘性層厚さは約12.6mmである。管の半径R = 25.4 mmであることから粘性層厚さは管壁(r/R=1.0)からr/R=0.5の範囲(管の半径の1/2)程度であった。一方、粘性の低い(さらさらしている)動粘性係数n = 10 mm2/sの場合、粘性層厚さは約4.0mmである。よって、粘性層厚さは管壁(r/R=1.0)からr/R=0.85程度であった。Now, when considering the viscous layer thickness (ν/kΔω) 1/2 in equation (3), when the kinematic viscosity coefficient of high viscosity n = 100 mm 2 /s, the viscous layer thickness is approximately 12.6 mm. Since the radius of the tube was R = 25.4 mm, the thickness of the viscous layer ranged from the tube wall (r/R = 1.0) to r/R = 0.5 (1/2 of the radius of the tube). On the other hand, when the kinematic viscosity coefficient n = 10 mm 2 /s with low viscosity (flowing), the viscous layer thickness is about 4.0 mm. Therefore, the viscous layer thickness was about r/R=0.85 from the tube wall (r/R=1.0).

なお、粘性層厚さは約4.0mmの場合、本実施例1において式(3)における超音波流速計測装置における計測点同士の距離Δrが0.1mmであることから、粘性層厚さはΔrの40倍程度あり、3Δrより大きい。よって、粘性の影響の大きい管壁(r/R=1.0)からr/R=0.85の範囲内にある約40点ある計測点のうち3点以上の流速データを用いれば式(1)に基づき十分に精度の良い数値解を算出することができる。 Note that when the viscous layer thickness is approximately 4.0 mm, the distance Δr between the measurement points in the ultrasonic flow velocity measuring device in equation (3) in Example 1 is 0.1 mm, so the viscous layer thickness is approximately 4.0 mm. It is about 40 times larger than 3Δr. Therefore, if we use the flow velocity data from 3 or more of the approximately 40 measurement points within the range of r/R = 0.85 from the pipe wall (r/R = 1.0), where the influence of viscosity is large, based on equation (1), Numerical solutions with sufficient accuracy can be calculated.

次に、脈動の周波数fo(角周波数ω)の影響について検討する。図6の上側の実数値Reについて注目すると、比較的ゆっくりと振動している周波数fo(角周波数ω)が0.1や0.2の場合には、実数値Reは管壁(r/R=1.0)の近傍から管の中央(r/R=0.0)に至るまでなだらかに増加している。しかし、周波数fo(角周波数ω)が段々早くなるにつれて管の中央における実数値がほぼ一定値となる範囲が広がる。つまり、周波数fo(角周波数ω)が速くなると粘性の影響が管壁(r/R=1.0)から離れるに従って伝わりにくくなっている。Next, the influence of the pulsation frequency fo (angular frequency ω) will be considered. If we pay attention to the real value Re on the upper side of Figure 6, if the relatively slowly vibrating frequency f o (angular frequency ω) is 0.1 or 0.2, the real value Re will be the pipe wall (r/R = 1.0). It increases gently from the vicinity to the center of the tube (r/R=0.0). However, as the frequency f o (angular frequency ω) becomes progressively faster, the range in which the real value at the center of the tube is approximately constant becomes wider. In other words, as the frequency f o (angular frequency ω) increases, the effect of viscosity becomes more difficult to propagate as the distance from the pipe wall (r/R=1.0) increases.

また、図6の上側の虚数値Imについても、同様に、比較的ゆっくりと振動している場合に数値解である実数値Reおよび虚数値Imは管壁(r/R=1.0)の近傍から管の中央(r/R=0.0)に至るまでなだらかに増加している。そして、周波数fo(角周波数ω)が段々早くなるにつれて管の中央における実数値がほぼ一定値となる範囲が広がる。Similarly, regarding the imaginary value Im on the upper side of FIG. It increases gently up to the center of the tube (r/R=0.0). As the frequency f o (angular frequency ω) becomes progressively faster, the range in which the real value at the center of the tube is approximately constant becomes wider.

さらに、粘性の低い図6の下側の実数値Reおよび虚数値Imについても、比較的ゆっくりと振動している場合には、管壁(r/R=1.0)の近傍から管の中央(r/R=0.0)に向けて比較的、解析値が変化しており、粘性の影響が現れているが、周波数fo(角周波数ω)が速くなると、管壁(r/R=1.0)の近傍に粘性の影響が現れている。Furthermore, regarding the real value Re and imaginary value Im on the lower side of Fig. 6, which have low viscosity, if they vibrate relatively slowly, it is possible to move from the vicinity of the pipe wall (r/R = 1.0) to the center of the pipe (r /R=0.0), and the influence of viscosity appears, but as the frequency f o (angular frequency ω) increases, the pipe wall (r/R=1.0) The influence of viscosity appears in the vicinity.

<レオロジー物性の算出結果について>
次に、本発明により得られる関数式の数値解に基づきレオロジー物性値を決定する。図7は、費用関数の最小化を行ったときの結果である。図7の高さ方向は算出された粘性係数μ、下の面は算出された実数値Re(α)および虚数値Im(α)を表している。そして、各点はランダムサーチ法によりランダムに数値を入れたときの粘性係数μ、実数値および虚数値の組合せを表している。また、各点の色は費用関数の大きさを示しており、色が黒に近づくにつれて費用関数が小さくなっていく。
<About the calculation results of rheological properties>
Next, rheological property values are determined based on the numerical solution of the functional equation obtained by the present invention. FIG. 7 shows the results when minimizing the cost function. The height direction of FIG. 7 represents the calculated viscosity coefficient μ, and the lower surface represents the calculated real value Re (α a ) and imaginary value Im (α b ). Each point represents a combination of viscosity coefficient μ, real value, and imaginary value when numerical values are entered at random using a random search method. Furthermore, the color of each point indicates the size of the cost function, and as the color approaches black, the cost function becomes smaller.

図7に示すように、ランダムサーチ法により算出された費用関数の値はグラフ上の一点に集中していく。この集中されている点が最小化された費用関数となる。そして、費用関数の最小化された点の高さ方向の値が粘性係数μとして決定することができる。 As shown in FIG. 7, the values of the cost function calculated by the random search method concentrate at one point on the graph. This concentrated point becomes the minimized cost function. Then, the value in the height direction at the point where the cost function is minimized can be determined as the viscosity coefficient μ.

<数値解の算出精度について>
次に、数値解の算出結果から得られるレオロジー物性値と、真の値に相当する管内流れの計算に用いたレオロジー物性値との比較を行った。また、本発明では、レオロジー物性値とともに圧力勾配も算出することができる。そこで、数値解の算出結果から得られる圧力勾配と、真の値に相当する管内流れの計算に用いた圧力勾配との比較も行った。
<About the calculation accuracy of numerical solutions>
Next, we compared the rheological property values obtained from the calculation results of the numerical solution with the rheological property values used to calculate the flow in the pipe, which correspond to the true values. Furthermore, in the present invention, pressure gradients can be calculated as well as rheological property values. Therefore, we also compared the pressure gradient obtained from the calculation results of the numerical solution with the pressure gradient used to calculate the flow in the pipe, which corresponds to the true value.

図8は、横軸にノイズレベルを示している。そして、縦軸には、数値解の算出結果から得られる粘性係数μと、真の粘性係数μtrueとの比であるηと、数値解の算出結果から得られる圧力勾配αと、真の圧力勾配αtrueとの比であるλを表している。また、数値解の算出結果から得られる粘性係数μおよび圧力勾配αについては空間的(r方向)に連続する3点の平均値を用いている。縦軸は真の値との比であるため1に近いほど数値解の算出結果から得られるレオロジー物性値および真の値に近いことになる。FIG. 8 shows the noise level on the horizontal axis. The vertical axis shows η, which is the ratio between the viscosity coefficient μ obtained from the calculation result of the numerical solution and the true viscosity coefficient μ true , the pressure gradient α obtained from the calculation result of the numerical solution, and the true pressure. It represents λ, which is the ratio of the gradient α true . Furthermore, for the viscosity coefficient μ and pressure gradient α obtained from the calculation results of the numerical solution, the average value of three spatially (r-direction) consecutive points is used. Since the vertical axis is the ratio to the true value, the closer it is to 1, the closer it is to the rheological property value and the true value obtained from the calculation result of the numerical solution.

図8に示すようにノイズレベルが5以下の場合には、数値解の算出結果から得られる結果は、ほぼ真の値と同じ値を示した。一方、ノイズレベルが10では、η(粘性係数の比)が真の値に対してやや小さい値を示し、ノイズレベルが15の場合にはさらに真の値からは離れる結果となった。また、λ(圧力勾配の比)については、ノイズレベル15においてもほぼ真の値と同じ値を示し非常に高い精度であった。 As shown in FIG. 8, when the noise level was 5 or less, the results obtained from the calculation results of the numerical solution showed almost the same value as the true value. On the other hand, when the noise level was 10, η (ratio of viscosity coefficients) showed a value slightly smaller than the true value, and when the noise level was 15, the result was that it was even further away from the true value. Further, regarding λ (ratio of pressure gradients), even at a noise level of 15, the value was almost the same as the true value, and the accuracy was very high.

よって、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法において、超音波流速計測装置による計測精度を保つことで、非常に精度の高い結果が得られることが示された。 Therefore, it was shown that in the non-contact rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention, very highly accurate results can be obtained by maintaining the measurement accuracy of the ultrasonic flow velocity measuring device.

次に、脈動の周期(半周期内)に対する精度の違いについて確認した。結果を図9に示す。横軸は脈動の周期であり、縦軸はηおよびλである。その結果、ηおよびλはいずれも1に近似しており、周期の違いによる精度には影響は確認できなかった。よって、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法では、脈動を伴う管内流れに対してどのタイミングで計測を行っても精度に大きな違いは生じないことがわかった。 Next, we confirmed the difference in accuracy with respect to the period of pulsation (within half a period). The results are shown in FIG. The horizontal axis is the period of pulsation, and the vertical axis is η and λ. As a result, both η and λ were approximated to 1, and no influence on accuracy due to the difference in period could be confirmed. Therefore, it has been found that in the non-contact rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention, there is no significant difference in accuracy no matter what timing the measurement is performed on a pulsating pipe flow.

次に、動粘性係数νに対する精度の違いについて確認した。結果を図10に示す。横軸は動粘性係数νであり、縦軸はηおよびλである。図10に示すように、動粘性係数νが高い範囲では精度が落ちている。これは、圧力勾配を一定にしているため、速度変動が弱くなり、結果としてノイズが相対的に大きくなるためと考えられる。一方、動粘性係数νが100 mm2/s 以下においては、真の値とほぼ一致しており精度が高かった。Next, we confirmed the difference in accuracy with respect to the kinematic viscosity coefficient ν. The results are shown in FIG. The horizontal axis is the kinematic viscosity coefficient ν, and the vertical axis is η and λ. As shown in FIG. 10, the accuracy decreases in a range where the kinematic viscosity coefficient ν is high. This is thought to be because, since the pressure gradient is kept constant, velocity fluctuations become weaker, and as a result, noise becomes relatively large. On the other hand, when the kinematic viscosity coefficient ν was 100 mm 2 /s or less, it almost matched the true value and the accuracy was high.

次に、脈動の周波数fo(角周波数ω)に対する精度の違いについて確認した。結果を図11に示す。横軸は周波数foであり、縦軸はηおよびλである。図11に示すように、周波数foが低い範囲で精度が落ちている。これは、圧力勾配を一定にしているため、周波数foが低くなると振幅が小さくなり、結果としてノイズが相対的に大きくなるためと考えられる。一方、周波数foが1.0Hz以上においては、真の値とほぼ一致しており精度が高かった。Next, we confirmed the difference in accuracy with respect to the pulsation frequency fo (angular frequency ω). The results are shown in FIG. The horizontal axis is the frequency fo , and the vertical axes are η and λ. As shown in FIG. 11, the accuracy decreases in the range where the frequency fo is low. This is thought to be because the pressure gradient is kept constant, so as the frequency fo becomes lower, the amplitude becomes smaller, and as a result, the noise becomes relatively larger. On the other hand, when the frequency f o was 1.0 Hz or higher, the accuracy was high as it almost matched the true value.

次に、脈動の振幅U1に対する精度の違いについて確認した。結果を図12に示す。横軸は振幅U1であり、縦軸はηおよびλである。図12に示すように、振幅U1が低いと精度が落ちている。これは、脈動の周波数fo(角周波数ω)のときと同様に振幅が小さくなり、結果としてノイズが相対的に大きくなるためと考えられる。一方、振幅U1が0.1m/s以上においては、真の値とほぼ一致しており精度が高かった。Next, we confirmed the difference in accuracy with respect to the pulsation amplitude U1 . The results are shown in FIG. The horizontal axis is the amplitude U 1 and the vertical axes are η and λ. As shown in FIG. 12, the accuracy decreases when the amplitude U 1 is low. This is considered to be because the amplitude becomes small, as in the case of the pulsation frequency fo (angular frequency ω), and as a result, the noise becomes relatively large. On the other hand, when the amplitude U 1 was 0.1 m/s or more, the accuracy was high as it almost matched the true value.

以上より、本実施例1では、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法を用いることで、管内を流れる脈動を伴う流体のレオロジー物性を、非接触で精度よく計測することができることを数値実験により確かめることができた。 As described above, in Example 1, by using the non-contact type rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention, the rheological properties of a pulsating fluid flowing in a pipe can be accurately measured in a non-contact manner. We were able to confirm through numerical experiments that this is possible.

実施例2では、脈動を伴う管内流れを作り出す実験装置を作成し、本発明に係る本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムによってニュートン流体および非ニュートン流体のレオロジー物性値の計測を行った。また、カタログ値や市販されている回転式のレオメータによる計測値と、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムで得られる計測値とを比較し、計測精度の検討を行った。 In Example 2, an experimental device that creates a pulsating flow in a pipe was created, and the rheological property values of a Newtonian fluid and a non-Newtonian fluid were measured using a non-contact rheological property measurement system according to the present invention. In addition, measurement accuracy was examined by comparing catalog values and measurement values using a commercially available rotary rheometer with measurement values obtained by the non-contact rheology physical property measurement system according to the present invention.

<脈動を伴う管内流れを作り出す実験装置について>
本実施例2では、図13に示すように脈動を伴う管内流を作り出す実験装置を作成した。計測対象となる管は、直線状のステンレス管と、交換可能に設置されるアクリル管とを有する。ステンレス管には、長さは3000mm以上、外径50.8mm(2インチ)、内径40.8mmのものを用いた。アクリル管は、ステンレス管の後流側に設置した。本実施例2では、内径約48mmのものと、内径約22mmのものを用いた。また、管内の流れを安定させるためステンレス管の入り口から約3000mm以上離れた地点を計測位置とした。
<About the experimental device that creates a pulsating flow in the pipe>
In Example 2, an experimental device was created that produces a pulsating flow in a pipe as shown in FIG. 13. The tubes to be measured include a straight stainless steel tube and an acrylic tube that is installed to be replaceable. The stainless steel tube used had a length of 3000 mm or more, an outer diameter of 50.8 mm (2 inches), and an inner diameter of 40.8 mm. The acrylic tube was installed on the downstream side of the stainless steel tube. In Example 2, one with an inner diameter of about 48 mm and one with an inner diameter of about 22 mm were used. In addition, in order to stabilize the flow inside the pipe, the measurement position was set at a point approximately 3000 mm or more away from the entrance of the stainless steel pipe.

測定対象となる管の上流側には試験流体を貯留する貯留タンクを接続した。また、下流側には試験流体を流すためのロータリーポンプを接続した。本実施例2では、ロータリーポンプとして、主に食品や医薬品、化粧品などの製造工程で使用されるサニタリーポンプを用いた。また、前記ロータリーポンプはパソコンに接続されており、管内を流れる試験流体の振動数を制御できるようになっている。ロータリーポンプの排出口には貯留タンクに連結された管を設けた。よって、ロータリーポンプを作動させることで、試験流体は実験装置内で循環するようになっている。 A storage tank for storing the test fluid was connected to the upstream side of the pipe to be measured. In addition, a rotary pump was connected to the downstream side to flow the test fluid. In Example 2, a sanitary pump mainly used in the manufacturing process of foods, medicines, cosmetics, etc. was used as the rotary pump. Furthermore, the rotary pump is connected to a personal computer so that the frequency of the test fluid flowing inside the pipe can be controlled. A pipe connected to a storage tank was provided at the outlet of the rotary pump. Therefore, by operating the rotary pump, the test fluid is circulated within the experimental apparatus.

また、計測位置には、図14に示すように、超音波流速計測装置の一構成である超音波トランスデューサと、この超音波トランスデューサを角度θで保持する保持治具とが設置されている。また、超音波トランスデューサと管と間には、超音波の伝達性を高めるための超音波ジェルを充填させた。Furthermore, as shown in FIG. 14, at the measurement position, an ultrasonic transducer, which is one component of the ultrasonic flow rate measuring device, and a holding jig that holds the ultrasonic transducer at an angle θ1 are installed. In addition, an ultrasonic gel was filled between the ultrasonic transducer and the tube to improve the transmittance of ultrasonic waves.

超音波流速計測装置は、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置として構成されるパソコンに接続されており、非接触型レオロジー物性計測システムを構築している。 The ultrasonic flow rate measuring device is connected to a personal computer configured as a non-contact rheological property measuring device according to the present invention, thereby constructing a non-contact rheological property measuring system.

<ニュートン流体として用いる試験流体について>
ニュートン流体には、動粘度10cStのシリコーンオイル(粘度(粘性係数):9.35×10-3[Ps/s])を用いた。本実施例2においては、シリコーンオイル内に超音波の反射を促すトレーサ粒子を含有させた。
<About the test fluid used as Newtonian fluid>
As the Newtonian fluid, silicone oil with a kinematic viscosity of 10 cSt (viscosity (viscosity coefficient): 9.35×10 −3 [Ps/s]) was used. In Example 2, tracer particles that promote reflection of ultrasonic waves were contained in silicone oil.

<ニュートン流体の物性値の計測について>
本実施例2では、0.1Hzの振動流が発生するようにロータリーポンプを制御し、ニュートン流体(シリコーンオイル)のレオロジー物性値の計測を行った。まず、超音波流速計測装置が、前記超音波トランスデューサを介して超音波の送信および受信を行い、受信した超音波を解析することで脈動を伴う管内流の流速分布を計測した。なお、図14に示すように、管と試験流体との屈折率の違いから超音波トランスデューサの設置角度θと超音波の伝播方向の角度θとは異なるが、本実施例2ではこの角度の違いを流速分布の計測結果に反映させている。
<About measurement of physical property values of Newtonian fluid>
In Example 2, the rotary pump was controlled to generate an oscillating flow of 0.1 Hz, and the rheological properties of a Newtonian fluid (silicone oil) were measured. First, an ultrasonic flow velocity measurement device transmitted and received ultrasonic waves via the ultrasonic transducer, and analyzed the received ultrasonic waves to measure the flow velocity distribution of the pulsating flow in the pipe. As shown in FIG. 14, the installation angle θ 1 of the ultrasonic transducer and the angle θ 2 of the ultrasonic propagation direction are different due to the difference in refractive index between the tube and the test fluid. This difference is reflected in the measurement results of flow velocity distribution.

図15は、超音波流速計測装置により管内の流速分布を計測した結果である。縦軸が管内の位置を表しており、ξ=0mmが超音波トランスデューサを設置した管の内壁に相当している。流速分布はコンター(等高線)状の色の濃淡で表している。色が白いほど速度はゼロに近づき、色が黒いほど速度は速い。横軸は、時間であり約10秒間のデータを示している。略中心地点(ξ=約28mm)の流速を時間に沿って見ていくと、この約10秒間で約1周期の変動をしており、0.1Hzの振動流が計測されていることがわかる。 FIG. 15 shows the results of measuring the flow velocity distribution in the pipe using an ultrasonic flow velocity measuring device. The vertical axis represents the position within the tube, and ξ=0 mm corresponds to the inner wall of the tube where the ultrasonic transducer is installed. The flow velocity distribution is represented by contour-like color shading. The whiter the color, the closer the speed is to zero, and the darker the color, the faster the speed. The horizontal axis is time and shows data for about 10 seconds. If we look at the flow velocity at the approximate center point (ξ = about 28 mm) over time, we can see that it fluctuates about one cycle in about 10 seconds, and an oscillating flow of 0.1 Hz is measured. .

本実施例2では、実施例1と同様に、式(1)により得られる関数式から数値解を算出した。試験流体は、ニュートン流体であるためレオロジーモデルもニュートン流体とした。よって、ニュートン流体における脈動を伴う管内流れの費用関数を表す式(7)および式(8)を用いて、前記費用関数が最小化させるプログラムを作成し、当該プログラムにより数値解を算出した。費用関数を算出するアルゴリズムにはランダムサーチ法を用いた。 In Example 2, as in Example 1, a numerical solution was calculated from the functional expression obtained by equation (1). Since the test fluid was a Newtonian fluid, the rheology model was also a Newtonian fluid. Therefore, a program was created to minimize the cost function using equations (7) and (8) representing the cost function of a flow in a pipe with pulsation in a Newtonian fluid, and a numerical solution was calculated using the program. A random search method was used as the algorithm to calculate the cost function.

図16に費用関数の算出結果を示す。縦軸は粘度μを、横軸は圧力振幅(Pressure amplitude)を示す。ここで圧力振幅(Pressure amplitude)は、圧力の実部と虚部のノルム値である。費用関数の値はコンター(等高線)状の色の濃淡で表している。色が白いほど値が小さく、色が黒いほど値は大きい。図16に示すように、ランダムサーチ法により算出された費用関数の値はグラフ上の一点に集中していく。この集中されている点が最小化された費用関数となる。そして、費用関数の最小化された点の高さ方向の値が粘性係数μとして決定することができる。 FIG. 16 shows the calculation results of the cost function. The vertical axis shows the viscosity μ, and the horizontal axis shows the pressure amplitude. Here, the pressure amplitude is the norm value of the real part and imaginary part of pressure. The value of the cost function is expressed as a contour (contour line) with different shades of color. The whiter the color, the smaller the value, and the darker the color, the larger the value. As shown in FIG. 16, the values of the cost function calculated by the random search method concentrate at one point on the graph. This concentrated point becomes the minimized cost function. Then, the value in the height direction at the point where the cost function is minimized can be determined as the viscosity coefficient μ.

図17は、10秒間隔で計測した粘度(Viscosity)および圧力振幅(Pressure amplitude)の約1000秒間のデータを示すものである。また、図中の破線は、試験流体として用いたシリコーンオイルの粘度のカタログ値9.35×10-3[Ps/s]である。図17に示すように、計測した粘度(Viscosity)の値はカタログ値である9.35×10-3[Ps/s]近辺の値に集約された。FIG. 17 shows data of viscosity and pressure amplitude measured at 10 second intervals for about 1000 seconds. Furthermore, the broken line in the figure is the catalog value of the viscosity of the silicone oil used as the test fluid, 9.35×10 −3 [Ps/s]. As shown in FIG. 17, the measured viscosity values were concentrated around the catalog value of 9.35×10 −3 [Ps/s].

よって、本実施例2の非接触型レオロジー物性計測システムは、充分な精度でニュートン流体のレオロジー物性を計測できることが実証できた。 Therefore, it was demonstrated that the non-contact rheological property measuring system of Example 2 can measure the rheological properties of Newtonian fluid with sufficient accuracy.

<非ニュートン流体の物性値の計測について>
次に、非ニュートン流体の物性値についての計測を行った。
<About measurement of physical property values of non-Newtonian fluids>
Next, we measured the physical properties of the non-Newtonian fluid.

<非ニュートン流体として用いる試験流体について>
非ニュートン流体には、カルボキシメチルセルロースの水溶液(以下、「CMC水溶液」という。)を用いた。本実施例2ではCMC水溶液の濃度を0.5wt.%とした。カルボキシメチルセルロース(CMC)は、一般に増粘剤として食品を含む加工製品に使用されるものである。CMC水溶液は、せん断速度が大きくなると粘度が低下する擬塑性流体であって、本実施例2では粘度は約100~400[mPa・s]のものを使用した。
<About the test fluid used as a non-Newtonian fluid>
An aqueous solution of carboxymethylcellulose (hereinafter referred to as "CMC aqueous solution") was used as the non-Newtonian fluid. In this Example 2, the concentration of the CMC aqueous solution was set to 0.5wt. %. Carboxymethylcellulose (CMC) is commonly used as a thickener in processed products, including foods. The CMC aqueous solution is a pseudoplastic fluid whose viscosity decreases as the shear rate increases, and in Example 2, one with a viscosity of about 100 to 400 [mPa·s] was used.

<非ニュートン流体の物性値の計測について>
図18の左側は、超音波流速計測装置により管内の流速分布を計測した結果である。ここでは、図3と同様、縦軸がr/Rとして無次元化された管内の位置であり、r/R=0が管の中心位置を表している。横軸は、tf として無次元化された時間の経過を表しており、約2周期分のデータを示している。流速分布はコンター(等高線)状の色の濃淡で表しており、色が白いほど速度はゼロに近づき、色が黒いほど速度は速い。略中心地点(r/R=0)の流速を時間に沿って見ていくと、約1周期毎に変動をしており振動流が計測されていることがわかる。
<About measurement of physical property values of non-Newtonian fluids>
The left side of FIG. 18 shows the results of measuring the flow velocity distribution in the pipe using an ultrasonic flow velocity measuring device. Here, as in FIG. 3, the vertical axis is the position within the pipe rendered dimensionless as r/R, and r/R=0 represents the center position of the pipe. The horizontal axis represents the passage of time rendered dimensionless as tf, and shows data for about two cycles. The flow velocity distribution is represented by contour-like color shading; the whiter the color, the closer the velocity is to zero, and the darker the color, the faster the velocity. If we look at the flow velocity at the approximate center point (r/R=0) over time, we can see that it fluctuates approximately every cycle, indicating that an oscillating flow is being measured.

次に、式(9)ないし式(12)を用いて非ニュートン流体における脈動を伴う管内流れの費用関数を表す前記費用関数が最小化させるプログラムを作成し、当該プログラムにより数値解を算出した。図18の右側は、r/Rが0~0.6の範囲の流速分布を用いて式(10)により算出された実数値Reと虚数値Imの計算結果である。実数値Reおよび虚数値Imは、中心位置に近づくにつれてなだらかに増加しており、0~0.6の全範囲において粘性の影響が現れているものと考えられる。 Next, a program was created using Equations (9) to (12) to minimize the cost function of a flow in a pipe with pulsation in a non-Newtonian fluid, and a numerical solution was calculated using the program. The right side of FIG. 18 shows the calculation results of the real value Re and the imaginary value Im calculated by equation (10) using a flow velocity distribution in which r/R is in the range of 0 to 0.6. The real value Re and the imaginary value Im gradually increase as they approach the center position, and it is considered that the influence of viscosity appears in the entire range from 0 to 0.6.

図19および図20は、ランダムサーチ法により費用関数を算出した結果である。ニュートン流体を計測した結果の図16と同様に、ランダムサーチ法により算出された費用関数の値はグラフ上の一点に集中していく。そして、費用関数の最小化された点の高さ方向の値が粘性係数μとして決定することができる。 19 and 20 show the results of calculating the cost function using the random search method. Similar to the measurement result of Newtonian fluid shown in FIG. 16, the value of the cost function calculated by the random search method concentrates on one point on the graph. Then, the value in the height direction at the point where the cost function is minimized can be determined as the viscosity coefficient μ.

図21は、ひずみ速度γに応じたせん断応力τの値を示すものであり、丸形のプロットは市販のレオメータによる計測値、三角形のプロットが本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムで計測された計測値である。本実施例2では、市販のレオメータとしてAnton Paar社製のMCR102を用いた。 FIG. 21 shows the value of shear stress τ according to the strain rate γ, where the round plots are the values measured by a commercially available rheometer, and the triangular plots are the values measured by the non-contact rheological property measurement system according to the present invention. This is the measured value. In Example 2, MCR102 manufactured by Anton Paar was used as a commercially available rheometer.

図21に示すように、本実施例2で使用したCMC水溶液は、市販のレオメータで計測するとひずみ速度γが増加するにつれてせん断応力τも増加している。このときせん断応力τの増加は、ひずみ速度γが大きくなるにつれてやや鈍化するように増加している。せん断応力τとひずみ速度γとの関係がτ=Kγのべき乗則で表されると仮定した場合、γがAからBの範囲においては、K=0.569[Pa・s]、n=0.9751であった。As shown in FIG. 21, when the CMC aqueous solution used in Example 2 is measured with a commercially available rheometer, the shear stress τ increases as the strain rate γ increases. At this time, the increase in shear stress τ slows down somewhat as the strain rate γ increases. Assuming that the relationship between shear stress τ and strain rate γ is expressed by a power law of τ=Kγ n , in the range of γ from A to B, K=0.569 [Pa・s], n= It was 0.9751.

これに対し、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムで計測された計測値は、γがAからBの範囲においてK=0.467[Pa・s]、n=0.9981であった。市販のレオメータの値と比較すると、ひずみ速度γに対するせん断応力τの増加も同様な値を示した。 On the other hand, the measured values measured by the non-contact rheological property measurement system according to the present invention were K=0.467 [Pa・s] and n=0.9981 in the range of γ from A to B. . When compared with the values of a commercially available rheometer, the increase in shear stress τ with respect to strain rate γ also showed similar values.

<アクリル管による追加実験について>
本実施例2では、ステンレス管の後流側に設置した交換式のアクリル管を用いて、流速を早めることでよりひずみ速度γの範囲を広範囲にした計測を行った。具体的には、上述するように内径約48mmのアクリル管と、内径約22mmのアクリル管を用いた。内径約48mmのアクリル管を用いた場合のおおよその最大流速は0.12[m/s]であったのに対し、内径約22mmのアクリル管を用いた場合のおおよその最大流速は0.5[m/s]であった。そしてr/Rが約0~0.6の範囲の流速分布を用いてレオロジー物性値を算出した。
<About additional experiments using acrylic tubes>
In Example 2, an exchangeable acrylic tube installed on the downstream side of the stainless steel tube was used to increase the flow rate, thereby making the range of strain rate γ wider. Specifically, as described above, an acrylic tube with an inner diameter of about 48 mm and an acrylic tube with an inner diameter of about 22 mm were used. The approximate maximum flow velocity when using an acrylic tube with an inner diameter of about 48 mm was 0.12 [m/s], whereas the approximate maximum flow velocity when using an acrylic tube with an inner diameter of about 22 mm was 0.5 [m/s]. Then, rheological property values were calculated using a flow velocity distribution in which r/R was in the range of approximately 0 to 0.6.

図22は、図21と同様、ひずみ速度γに応じたせん断応力τの値を示すものであり、丸形のプロットは市販のレオメータによる計測値である。また、三角形のプロットは内径約48mmを用いた場合、およびバツ形のプロットは内径約22mmを用いた場合の本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムで計測された計測値である。図22に示すように、市販のレオメータで計測できた全範囲に対応する計測結果が得られた。また、市販のレオメータの計測結果と比較して、全範囲で同様な値を示した。 Similar to FIG. 21, FIG. 22 shows the value of shear stress τ depending on the strain rate γ, and the circular plots are measured values using a commercially available rheometer. Furthermore, the triangular plots are the measured values measured by the non-contact rheological property measuring system according to the present invention when an inner diameter of about 48 mm is used, and the cross-shaped plots are when the inner diameter is about 22 mm. As shown in FIG. 22, measurement results corresponding to the entire range that could be measured with a commercially available rheometer were obtained. Furthermore, when compared with the measurement results of a commercially available rheometer, similar values were shown over the entire range.

また、図23に、ひずみ速度γに応じた粘度μ[Pa・s]についての計測結果を示す。丸形のプロットは市販のレオメータによる計測値である。また、三角形のプロットは内径約48mmを用いた場合、およびバツ形のプロットは内径約22mmを用いた場合の本発明に係る非接触型レオロジー物性計測システムで計測された計測値である。図23に示すように、市販のレオメータで計測されたひずみ速度γが増加するにつれて粘度μは低下しており、擬塑性流体の特徴を示している。同様に、非接触型レオロジー物性計測システムで計測された計測値についても、ひずみ速度γに対して粘度μは低下傾向にある。粘度μとひずみ速度γとの関係をμ=Kγn-1のべき乗則で表されると仮定した場合、図24に示すように、K=0.559[Pa・s]、n=0.89となり擬塑性流体の特徴を示す値が計測されることが実証できた。Further, FIG. 23 shows measurement results regarding the viscosity μ [Pa·s] according to the strain rate γ. The circular plots are measured values using a commercially available rheometer. Furthermore, the triangular plots are the measured values measured by the non-contact rheological property measuring system according to the present invention when an inner diameter of about 48 mm is used, and the cross-shaped plots are when the inner diameter is about 22 mm. As shown in FIG. 23, as the strain rate γ increases as measured by a commercially available rheometer, the viscosity μ decreases, indicating the characteristics of a pseudoplastic fluid. Similarly, the viscosity μ tends to decrease with respect to the strain rate γ with respect to the measured values measured by the non-contact rheology physical property measurement system. Assuming that the relationship between viscosity μ and strain rate γ is expressed by a power law of μ=Kγ n-1 , as shown in FIG. 24, K=0.559 [Pa·s], n=0. 89, and it was verified that a value indicating the characteristics of a pseudoplastic fluid was measured.

以上より、本実施例2では、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法を用いることで、管内を流れる脈動を伴う流体のレオロジー物性を、非接触で精度よく計測することができることを実際の実験装置により確かめることができた。 As described above, in this Example 2, by using the non-contact type rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention, the rheological properties of a pulsating fluid flowing in a pipe can be accurately measured in a non-contact manner. We were able to confirm that this is possible using actual experimental equipment.

なお、本発明に係る非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。 Note that the non-contact rheological property measuring device, system, program, and method according to the present invention are not limited to the embodiments described above, and can be modified as appropriate.

例えば、ピーク周波数検出部62が、式(3)の範囲内の条件を満たす周波数の範囲のみ周波数解析を行い、その中から最も大きい振幅を示すものをピーク周波数ωと決定するように処理してもよい。For example, the peak frequency detection unit 62 performs frequency analysis only on the frequency range that satisfies the condition within the range of equation (3), and processes the frequency analysis to determine the peak frequency ω 0 that exhibits the largest amplitude. It's okay.

1 非接触型レオロジー物性計測システム
2 超音波流速計測装置
3 非接触型レオロジー物性計測装置
3a 非接触型レオロジー物性計測プログラム
4 表示入力手段
5 記憶手段
6 演算処理手段
51 プログラム記憶部
52 レオロジーモデル式記憶部
53 しきい値記憶部
61 流速取得部
62 ピーク周波数検出部
63 数値解算出部
64 レオロジーモデル決定部
65 レオロジー物性決定部
1 Non-contact rheological property measuring system 2 Ultrasonic current velocity measuring device 3 Non-contact rheological property measuring device 3a Non-contact rheological property measuring program 4 Display input means 5 Storage means 6 Arithmetic processing means 51 Program storage unit 52 Rheological model formula storage Section 53 Threshold storage section 61 Flow velocity acquisition section 62 Peak frequency detection section 63 Numerical solution calculation section 64 Rheology model determination section 65 Rheology physical property determination section

Claims (12)

管内を流れる流体のレオロジー物性を非接触で計測する非接触型レオロジー物性計測装置であって、
超音波流速計測装置から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得する流速取得部と、
この流速取得部によって取得された各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するピーク周波数検出部と、
レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる下記式(1)に、前記ピーク周波数と複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出部と、
この数値解算出部により算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定部と
を有する、前記非接触型レオロジー物性計測装置。
[数1]
ここで、




τはレオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力、
A,B,C,・・・はレオロジーモデルにおけるレオロジー物性、
αは圧力勾配、
ρは流体の密度、
ωは流体における脈動の角周波数、
ωはピーク周波数、
は計測点、
uは管内の時空間流速分布、
^は関数のフーリエ変換、
添え字のmは計測結果、をそれぞれ意味する。
A non-contact rheological property measuring device that non-contactly measures the rheological properties of a fluid flowing inside a pipe,
a flow velocity acquisition unit that acquires flow velocity data at a plurality of measurement points along the ultrasonic irradiation direction from the ultrasonic flow velocity measuring device;
a peak frequency detection unit that detects a peak frequency indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid by frequency-analyzing the flow velocity data at each measurement point acquired by the flow velocity acquisition unit;
Multiple functions obtained by substituting the peak frequency and flow velocity data at multiple measurement points into the following equation (1) obtained by Fourier transforming the equation of motion of the fluid flowing in the pipe based on the rheology model with respect to time. a numerical solution calculation unit that calculates a numerical solution from the equation;
The non-contact rheological property measuring device, comprising: a rheological property determining unit that determines a rheological property value based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculating unit.
[Number 1]
here,
,
,
,
,
τ is the shear stress related using a rheological model,
A, B, C, ... are rheological properties in the rheological model,
α is the pressure gradient,
ρ is the density of the fluid,
ω is the angular frequency of pulsations in the fluid,
ω 0 is the peak frequency,
r n is the measurement point,
u is the spatiotemporal flow velocity distribution in the pipe,
^ is the Fourier transform of the function,
The subscript m means the measurement result.
前記数値解算出部では、下記式(2)に示す費用関数の最小化により数値解を算出する、請求項1に記載の非接触型レオロジー物性計測装置。
[数2]
2. The non-contact rheology physical property measuring device according to claim 1, wherein the numerical solution calculation unit calculates the numerical solution by minimizing a cost function shown in equation (2) below.
[Number 2]
前記数値解算出部では、代入する流速データとして、連続して隣り合う3点以上の計測点における前記流速データの関数近似値を用いる、請求項1または請求項2に記載の非接触型レオロジー物性計測装置。 The non-contact rheological property according to claim 1 or 2, wherein the numerical solution calculation unit uses a function approximation value of the flow velocity data at three or more consecutive measurement points as the flow velocity data to be substituted. Measuring device. 前記数値解算出部では、複数種のレオロジーモデルに基づく数値解を算出するとともに、
当該数値解同士を比較して最も小さい数値解となる前記レオロジーモデルを前記流体のレオロジーモデルとして決定するレオロジーモデル決定部を有する、請求項1から請求項3のいずれかに記載の非接触型レオロジー物性計測装置。
The numerical solution calculation unit calculates numerical solutions based on multiple types of rheological models, and
The non-contact rheology according to any one of claims 1 to 3, further comprising a rheology model determining unit that compares the numerical solutions and determines the rheology model that is the smallest numerical solution as the rheology model of the fluid. Physical property measuring device.
前記ピーク周波数検出部では、前記流体の粘性と前記流体における脈動の周波数の比により表される粘性層厚さが、下記式(3)の範囲を満たす周波数の中から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出する、請求項1から請求項4のいずれかに記載の非接触型レオロジー物性計測装置。
[数3]
ここで、
(ν/kΔω)1/2は粘性層厚さ、
Δrは計測点同士の距離、
νは流体の動粘性係数(動粘度)、
kΔωは検出された周波数、
Dは管の内径、をそれぞれ意味する。
In the peak frequency detection section, the viscous layer thickness, which is expressed by the ratio of the viscosity of the fluid to the frequency of pulsation in the fluid, detects a peak at which the viscous layer thickness exhibits the maximum amplitude value from among the frequencies that satisfy the range of formula (3) below. The non-contact rheological property measuring device according to any one of claims 1 to 4, which detects a frequency.
[Number 3]
here,
(ν/kΔω) 1/2 is the viscous layer thickness,
Δr is the distance between measurement points,
ν is the kinematic viscosity coefficient (kinetic viscosity) of the fluid,
kΔω is the detected frequency,
D means the inner diameter of the tube.
管外から管内に向けて超音波を照射するとともに前記管内から前記管外に向けて反射される超音波を受信して、前記超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速を時系列で計測する超音波流速計測装置と、
この超音波流速計測装置から各計測点の流速データを取得して流体のレオロジー物性を決定する請求項1から請求項5のいずれかに記載の非接触型レオロジー物性計測装置と
を有する、非接触型レオロジー物性計測システム。
Ultrasonic waves are emitted from the outside of the tube toward the inside of the tube, and the ultrasonic waves reflected from the inside of the tube toward the outside of the tube are received, and the flow velocity at a plurality of measurement points along the irradiation direction of the ultrasonic waves is measured in time series. An ultrasonic flow velocity measurement device that measures
and a non-contact rheological property measuring device according to any one of claims 1 to 5, which acquires flow velocity data at each measurement point from the ultrasonic flow velocity measuring device to determine the rheological properties of the fluid. Mold rheology physical property measurement system.
管内を流れる流体のレオロジー物性を非接触で計測する非接触型レオロジー物性計測プログラムであって、
超音波流速計測装置から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得する流速取得部と、
この流速取得部によって取得された各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するピーク周波数検出部と、
レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる下記式(1)に、前記ピーク周波数と複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出部と、
この数値解算出部により算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定部と
してコンピュータを機能させる、前記非接触型レオロジー物性計測プログラム。
[数1]
ここで、




τはレオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力、
A,B,C,・・・はレオロジーモデルにおけるレオロジー物性、
αは圧力勾配、
ρは流体の密度、
ωは流体における脈動の角周波数、
ωはピーク周波数、
は計測点、
uは管内の時空間流速分布、
^は関数のフーリエ変換、
添え字のmは計測結果、をそれぞれ意味する。
A non-contact rheological property measurement program that non-contactly measures the rheological properties of fluid flowing inside a pipe,
a flow velocity acquisition unit that acquires flow velocity data at a plurality of measurement points along the ultrasonic irradiation direction from the ultrasonic flow velocity measuring device;
a peak frequency detection unit that detects a peak frequency indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid by frequency-analyzing the flow velocity data at each measurement point acquired by the flow velocity acquisition unit;
Multiple functions obtained by substituting the peak frequency and flow velocity data at multiple measurement points into the following equation (1) obtained by Fourier transforming the equation of motion of the fluid flowing in the pipe based on the rheology model with respect to time. a numerical solution calculation unit that calculates a numerical solution from the equation;
The non-contact rheological property measuring program causes a computer to function as a rheological property determining unit that determines rheological property values based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculating unit.
[Number 1]
here,
,
,
,
,
τ is the shear stress related using a rheological model,
A, B, C, ... are rheological properties in the rheological model,
α is the pressure gradient,
ρ is the density of the fluid,
ω is the angular frequency of pulsations in the fluid,
ω 0 is the peak frequency,
r n is the measurement point,
u is the spatiotemporal flow velocity distribution in the pipe,
^ is the Fourier transform of the function,
The subscript m means the measurement result.
前記数値解算出部では、下記式(2)に示す費用関数の最小化により数値解を算出する、請求項7に記載の非接触型レオロジー物性計測プログラム。
[数2]
8. The non-contact rheological physical property measurement program according to claim 7, wherein the numerical solution calculating section calculates a numerical solution by minimizing a cost function shown in equation (2) below.
[Number 2]
前記数値解算出部では、代入する流速データとして、連続して隣り合う3点以上の計測点における前記流速データの関数近似値を用いる、請求項7または請求項8に記載の非接触型レオロジー物性計測プログラム。 The non-contact rheological property according to claim 7 or 8, wherein the numerical solution calculation unit uses a function approximation value of the flow velocity data at three or more consecutive measurement points as the flow velocity data to be substituted. Measurement program. 前記数値解算出部では、複数種のレオロジーモデルに基づく数値解を算出するとともに、
当該数値解同士を比較して最も小さい数値解となる前記レオロジーモデルを前記流体のレオロジーモデルとして決定するレオロジーモデル決定部を有する、請求項7から請求項9のいずれかに記載の非接触型レオロジー物性計測プログラム。
The numerical solution calculation unit calculates numerical solutions based on multiple types of rheological models, and
Non-contact rheology according to any one of claims 7 to 9, further comprising a rheology model determining unit that compares the numerical solutions and determines the rheology model that is the smallest numerical solution as the rheology model of the fluid. Physical property measurement program.
前記ピーク周波数検出部では、前記流体の粘性と前記流体における脈動の周波数の比により表される粘性層厚さが、下記式(3)の範囲を満たす周波数の中から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出する、請求項7から請求項10のいずれかに記載の非接触型レオロジー物性計測プログラム。
[数3]
ここで、
(ν/kΔω)1/2は粘性層厚さ、
Δrは計測点同士の距離、
νは流体の動粘性係数(動粘度)、
kΔωは検出された周波数、
Dは管の内径、をそれぞれ意味する。
In the peak frequency detection section, the viscous layer thickness, which is expressed by the ratio of the viscosity of the fluid to the frequency of pulsation in the fluid, detects a peak at which the viscous layer thickness exhibits the maximum amplitude value from among the frequencies that satisfy the range of formula (3) below. The non-contact rheological property measurement program according to any one of claims 7 to 10, which detects a frequency.
[Number 3]
here,
(ν/kΔω) 1/2 is the viscous layer thickness,
Δr is the distance between measurement points,
ν is the kinematic viscosity coefficient (kinetic viscosity) of the fluid,
kΔω is the detected frequency,
D means the inner diameter of the tube.
管内を流れる流体のレオロジー物性を非接触で計測する非接触型レオロジー物性計測方法であって、
超音波流速計測装置から超音波の照射方向に沿った複数の計測点における流速データを取得する流速取得ステップと、
この流速取得ステップによって取得された各計測点の流速データを周波数解析することにより前記流体における脈動の周波数から最大の振幅値を示すピーク周波数を検出するピーク周波数検出ステップと、
レオロジーモデルに基づく管内を流れる流体の運動方程式を時間に対してフーリエ変換して得られる下記式(1)に、前記ピーク周波数と複数の計測点における流速データとを代入して得られる複数の関数式から数値解を算出する数値解算出ステップと、
この数値解算出ステップにより算出された数値解に基づきレオロジー物性値を決定するレオロジー物性決定ステップと
を有する、前記非接触型レオロジー物性計測方法。
[数1]
ここで、




τはレオロジーモデルを用いて関係づけられるせん断応力、
A,B,C,・・・はレオロジーモデルにおけるレオロジー物性、
αは圧力勾配、
ρは流体の密度、
ωは流体における脈動の角周波数、
ωはピーク周波数、
は計測点、
uは管内の時空間流速分布、
^は関数のフーリエ変換、
添え字のmは計測結果、をそれぞれ意味する。
A non-contact rheological property measuring method for non-contactly measuring the rheological properties of a fluid flowing inside a pipe,
a flow velocity acquisition step of acquiring flow velocity data at a plurality of measurement points along the ultrasonic irradiation direction from the ultrasonic flow velocity measuring device;
a peak frequency detection step of detecting a peak frequency indicating the maximum amplitude value from the frequency of pulsation in the fluid by frequency-analyzing the flow velocity data of each measurement point acquired in this flow velocity acquisition step;
Multiple functions obtained by substituting the peak frequency and flow velocity data at multiple measurement points into the following equation (1) obtained by Fourier transforming the equation of motion of the fluid flowing in the pipe based on the rheology model with respect to time. a numerical solution calculation step of calculating a numerical solution from the equation;
The non-contact rheological property measuring method, comprising: a rheological property determining step of determining a rheological property value based on the numerical solution calculated by the numerical solution calculating step.
[Number 1]
here,
,
,
,
,
τ is the shear stress related using a rheological model,
A, B, C, ... are rheological properties in the rheological model,
α is the pressure gradient,
ρ is the density of the fluid,
ω is the angular frequency of pulsations in the fluid,
ω 0 is the peak frequency,
r n is the measurement point,
u is the spatiotemporal flow velocity distribution in the pipe,
^ is the Fourier transform of the function,
The subscript m means the measurement result.
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