JPH0148974B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は溶液の粘度の測定の用に供される粘
度測定装置に関するものである。

従来、溶液の粘度を計測する代表的な装置とし
て、トルク検出器を用いた回転円筒式のものと差
圧検出器を用いた細管式のものがある。たとえば
広く知られている細管式のものは、細管部をニユ
−トン流体が通過したときの該細管部の前後に発
生する差圧を差圧検出器で検出して、その値から
所定の関係式に基づいて演算して粘度値を求める
ものである。

ところで、溶液の粘度測定にあつては、広範囲
の粘度に精確に対応できることが要求される。し
かるに、上記従来のものはいずれにおいても、溶
液の粘度に対しての適用範囲に限界があり、その
使用にあたり下記のような測定条件に制約され、
使い勝手が悪い欠点がある。

(1) 測定範囲は１：10程度である。

その理由は、回転円筒式のものにおいては、
トルク検出器が、また細管式のものにおいて
は、差圧検出器の精度がそれぞれフルスケール
に対して±0.5％くらいであるから、フルスケ
ールの1/10以下では、測定値に対する誤差が±
５％以上となつてしまうからである。また細管
式のものにおいては、ギヤポンプの定量性が重
要であるが、このギヤポンプの容積効率は粘度
の低下とともに低下することが測定範囲の下限
をきめる要因の一つになつている。

(2) スラリー状溶液には使えない。

回転円筒式のものにおける内外筒間のギヤツ
プおよび細管式のものにおける細管径は通常２
〜４mm程度であるため、スラリー状溶液では詰
りが発生するおそれがある。また、そのために
別途ろ過器を設置すると、このろ過器をひんば
んに洗滌あるいは交換しなければならなくな
る。

(3) 溶液の温度はほぼ一定であること。

粘度測定にとつて温度の影響はきわめて重要
なポイントであるため、従来から装置を恒温槽
に入れたり、溶液温度を測定して電子回路によ
つて補正することが行なわれている。しかしな
がら溶液の温度が広範囲に変化し、かつ被測定
液の温度を変えることが許されない場合には、
従来のものでは対応できないことがある。

この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
細管式のものを基本構成とし、溶液の測定流路を
メイン流路と特定のバイパス流路とに分けて差圧
を自動的に制御し、さらに基準温度に換算した粘
度値を算出するように構成することにより、従来
のものでは対処し得えなかつた測定条件にも対応
できる精度の高い粘度測定装置を提供することを
目的としている。

この発明における粘度計測装置は細管式のもの
に適用される下記の式が基本式となつている。

Pα＝｛8QV（Ｌ＋nR）／πR⁴＋ｍ・DQ²／π²R⁴｝×10
^-3／ｇ…(1) 但し、 Pα…差圧（Kg／cm²） Ｑ…流量（cm³／sec） Ｖ…粘度（poise） Ｌ…細管長（cm） Ｒ…細管半径（cm） Ｄ…密度（ｇ／cm³） ｇ…重力加速度：980（cm／sec²） 上記(1)式において、第１項が粘性によるもので
あり、第２項は溶液の運動エネルギーにもとずく
補正項であるが、設計上第２項を第１項に比べて
十分に小さく選定できるので、通常は無視して考
えてよい。

第１項のnRは管端補正と呼ばれており、Ｒを
Ｌに比べて相当小さくしないと、無視できない補
正項である。なお、通常ｎ＝１、ｍ＝0.5で計算
する。

以下、この発明の一実施例を図面にしたがつて
説明する。

第１図〜第４図はこの発明に係る粘度測定装置
の一例における装置本体部を示すものである。

同図において、１は上部測定室、２は下部測定
室、３は被測定溶液Ｍを上記上部測定室１へ供給
する入口配管、４は送液ポンプである。送液ポン
プ４の回転軸５は減速機付電動機のような回転駆
動装置（図示せず）の出力軸６に連結されてい
る。７は上記上部測定室１と下部測定室２とを連
通させるメイン流路であり、いわゆる細管式のも
のの細管部を構成している。８は上記メイン流路
７に設けられた電磁流量計であり、メイン流路７
を流れる被測定用溶液Ｍの流量を測定するもので
ある。この流量計８における管路内は単なる直管
であり、かつその内壁面は滑面化されている。こ
れにより流入した被測定用溶液Ｍが層流条件を損
なうことなく細管部を流通できるようになつてい
る。

上記上部測定室１と下部測定室２との間には上
記メイン流路７に対するバイパス流路９を構成す
る曲管が設けられており、このバイパス流路９に
は流量調整用の調整弁、たとえば高粘度のスラリ
ー状流体に適した構造を有するアンブル形状また
はバタフライ形状の調整弁１０が設置されている
１１は下部測定室２に接続された溶液出口配管で
ある。

１２，１３は隔膜式圧力検出器で、それぞれ上
部測定室１および下部測定室２に設けられてお
り、これら両圧力検出器１２，１３の出力はキヤ
ピラリ１４，１４を介して差圧伝送器１５に接続
されている。差圧伝送器１５は上記圧力検出器１
２，１３などとともに、メイン流路７の上流側と
下流側との間に発生する差圧測定して電気信号を
出力する差圧測定手段１６を構成しており、上記
電磁流量計８などとともに第３図に示す支柱１７
に対して、たとえばＵ字形ボルト１８，１９で堅
固に取り付けられている。

２０，２１は温度検出器、たとえば白金抵抗体
のような測定抵抗体であり、それぞれ上部測定室
１および下部測定室２に取り付けられて、後述す
る温度変換器とともに、メイン流路７に流れる被
測定用溶液Ｍの温度を計測する溶液温度検出手段
２２を構成している。なお、上部および下部測定
室１，２、電磁流量弁８、バイパス流路９などは
保温材（図示せず）などにより外気としや断され
ている。

つぎに、この発明の装置の回路を第５図ととも
に説明する。

第５図において、２３は前記調整弁１０の駆動
手段であり、たとえば電空変換器、２４は前記差
圧伝送器１５に接続されたデイストリビユータ、
２５は電磁流量計８に接続された流量変換器、２
６は測定抵抗体２０，２１に接続された温度変換
器、２７は被測定用溶液Ｍの固有のパラメータを
設定するための手動設定器であり、上記デイスト
リビユータ２４、流量変換器２５、温度変換器２
６および手動設定器２７はそれぞれの信号を標準
電圧信号に変換して制御回路２８に入力するよう
になつている。

上記制御回路２８は、たとえばアナログ入力４
点、アナログ出力２点をもつたマイクロプロセツ
サ等を有するもので、その構成はつぎのようであ
る。すなわち、２９は前記差圧を設定するパラメ
ータ設定器、３０はパラメータ設定器２９と前記
デイストリビユータ２４に接続された減算器、３
１は減算器３０に接続された増巾器で、増巾器３
１の出力はリミツタ３２を介して前記電空変換器
２３に入力されるように構成されている。３３は
デイストリビユータ２４の出力と流量変換器２５
との出力とが印加される除算器である。

３４は演算回路であり、上記温度変換器２６か
らの出力と手動設定器２７からの出力とを受けて
粘度換算用基準温度との関係値を演算するもので
ある。３５は演算回路３４に接続された指数函数
演算器、３６は除算器３３の出力と指数函数演算
器３５からの出力により基準温度に換算した粘度
値を得るための乗算器、３７は補正用パラメータ
設定器、３８は上記パラメータ設定器３７と上記
乗算器３６に接続された乗算器である。３９は上
記制御回路２８からの出力を記録する記録計であ
る。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

入口配管３に供給された被測定用溶液Ｍは送液
ポンプ４で加圧されてメイン流路７とバイパス流
路９とに分流され、下部測定室２で合流したの
ち、出口配管１１より系外へ排出される。

この状態で両圧力検出器１２，１３は各部の圧
力を検出し、これらの出力により差圧伝送器１５
が差圧を測定してデイストリビユータ２４に出力
する。また電磁流量計８はメイン流路７の流量を
測定して測定出力を流量変換器２５に出力する。
一方、測定抵抗体２０，２１は、たとえば合成抵
抗値100Ωとして設定されており、これにより両
者２０，２１の測定温度の平均値が測定される。
この場合、上部および下部測定室１，２やメイン
およびバイパス流路７，９が外気に対してしや断
されているため、上記測定された温度はメイン流
路７の溶液温度を代表するものとみなされて温度
変換器２６に出力される。また手動設定器２７に
よつて後述する溶液の固有値を設定する。

上記デイストリビユータ２４に送出された差圧
信号による、メイン流路７の流量制御がこの発明
の特徴でもあり、この点を詳述する。つまり、上
記デイストリビユータ２４で標準電圧信号（１〜
5V）に変換された差圧信号が制御回路２８に入
力されると、この差圧信号はパラメータ設定器２
９で設定された値と減算器３０で比較される。上
記両者の偏差値は増巾器３１で増巾されたのち、
リミツタ３２で標準電圧範囲に整定されて電空変
換器２３に出力される。電空変換器２３は空気圧
信号に変換してこれで調整弁１０を駆動して、該
調整弁１０を拡開させる。すなわち、これによつ
てメイン流路７を流れる被測定溶液Ｍをさらにバ
イパス流路９に流させる。これは上記偏差値が零
近くになるまで続けられる。

上記制御系の働きを具体的数値を使つて示すな
らば、被測定用溶液Ｍの粘度が30〜300poiseのと
き、調整弁１０は全閉されており、送液ポンプ４
で加圧送給される溶液Ｍは全量がメイン流路７を
流れ、上部測定室１と下部測定室２との間に生じ
る差圧、すなわち差圧伝送器１５からの測定値は
測定粘度と正比例の関係にあり、300poiseのとき
の差圧は５Kg／cm²になる。パラメータ設定器２９
の設定値は５Kg／cm²となつているから、粘度が
300poiseを越すと、調整弁１０が開き始め、メイ
ン流路７に流れた溶液Ｍの一部はバイパス流路９
へ分流する。すなわちメイン流路７に流れる流量
が減少し、したがつて差圧が５Kg／cm²以上になら
いように制御される。粘度が高くなる程、調整弁
１０の開度が大きくなり、たとえば粘度が
5000poiseで全開となる。一方メイン流路７を流
れる流量は、粘度が300poise以下のときは40c.c.／
sec流れるが、粘度が300poiseを越えると、粘度
値に反比例して減少し、粘度が3000poiseでは４
c.c.／secとなる。

デイストリビユータ２４からの出力である差圧
値と流量変換器２５からの出力である流量値とは
除算器３３に印加され、差圧値が流量値で除算さ
れることによつて、前述した(1)式の第２項は十分
小さくなり、 Pd／Ｑ＝8V（Ｌ＋nR）／πR⁴＋10^-3／ｇ となり、粘度Ｖに正比例する値が得られる。

前記電磁流量計８と差圧測定手段１６の公称精
度はいずれも±0.5％フルスケールであり、粘度
が測定範囲における加乗平均値、つまり300poise
のときに最も誤差が小さく、低粘度になるにした
がつて差圧測定手段１６の誤差が大きくなり、
30poiseのときは±５％になる。また300poise以
上では粘度が高くなるにつれて電磁流量計７の誤
差が大きくなり、3000poiseのときは±５％とな
る。よつて±５％以内の誤差で測定できる粘度範
囲は30〜3000poiseであり、従来の細管式のもの
と対比すれば、300poise以下の範囲は細管式と同
じ原理での測定範囲であり、300poise以上の範囲
がこの発明のものの独自の拡張された測定範囲で
ある。

一方、温度の補正はつぎのようになされる。

粘性流体の温度による粘度の変化はそれぞれの
物質に特有なものであるが、それを数式化した場
合、多くの物質に対してつぎの式が成り立つ。

Vs＝Vt・EXP(A) …(2) Ａ＝Ｂ（Ｔ−Ts）／（273＋Ｔ）（273＋Ts）…
(3) ここに Vs…温度Ts℃での粘度値（poise） Vt…温度Ｔ℃での粘度値（poise） Ｂ…物質毎に固有な値（−） 上記ＴとTsの温度差が小さい場合あるいはＢ
の値が非常に小さい場合は、(2)式のEXP(A)は温
度に対して１次式に置きかえても差しつかえない
が、ＴとTsの温度差が約100℃にも及ぶ場合に
は、上式どおりの補正演算を行なわないと温度補
正を行なうことは不可能である。

演算回路３４は、前記温度変換器２６からの測
定温度をＴ、手動設定器２７の設定値をＢ、粘度
を換算する基準温度をTsとしたとき、上記(3)式
のＡの値を演算する。基準温度Tsはプログラム
の中で定義しておく。而して指数函数演算器３５
は上記演算回路３４からの演算結果のＡを受けて
前記(2)式のEXP(A)を演算する。制御回路２８の
演算機能の中にEXP(A)の函数が準備されていな
い場合は、上記EXP(A)を次式のように展開して
ｎ＝８の項までを使用すれば、精度0.06％以内で
演算できる。

EXP(A)＝１＋Ａ＋A²／2.1＋A³／3.1＋ …＋Aⁿ／n.1＋… …(4) 乗算器３６は除算器３３で得た温度Ｔにおける
粘度値に指数函数演算器３５の演算結果を掛け
る。これにより、基準温度に換算した粘度値、す
なわち(2)式のVsが得られる。

而して、粘度測定装置としての総合精度の確認
は粘度値及びその温度特性のはつきりした標準液
（例えばシリコン系オイル）を使つて実測して行
なうが、その結果として管端補正および加工精度
により、計算外の誤差が発生しても、パラメータ
設定器３７の補正値と上記乗算器３６の出力が乗
算器３８で掛けられて最終的な補正が行なわれ
る。この乗算器３８の出力は制御回路２８の出力
として記録計３９で記録される。

つぎに、この発明の装置によつて特定の条件下
で被測定用溶液Ｍの粘度を測定した場合に確認さ
れた効果について述べる。

測定すべき粘度値は30〜3000poiseであり、溶
液温度は120〜30℃であつて、粘度および温度と
も時々刻々変化する。粘度測定装置を出た溶液Ｍ
は、元のタンクに戻す必要があり、また溶液に化
学反応を起こさせないために粘度測定装置の中で
溶液に急激な温度変化を与えることはできない。
溶液Ｍ中には、10mm以下の固形物が混入してお
り、粘度測定装置の前にろ過器を設置することは
作業量の増大をともなうために好ましくない。

以上の条件のもとで、この発明の粘度測定装置
を使用した場合、粘度測定範囲は前記どおり必要
範囲をカバーできた。温度補正についても、上記
温度範囲の全域にわたり精度よく換算することが
できた。

この装置の最も管径のせまい部分は、電磁流量
計８の部分であり、その内径は、たとえば15mmに
設定されているが、この中に固形物が詰る現象は
全くなかつた。また調整弁１０については、この
調整弁１０が閉じている場合には、固形物が調整
弁１０の入口付近に滞溜するが、その量が増える
と差圧制御ループが働いて該調整弁１０が開くた
め、上記滞溜物が流れ出して、実用上全く支障は
なかつた。

ところで、従来の細管式のものにおいては、送
液ポンプとして全粘度範囲に亘つて、容積効率の
良いギヤポンプを使用する必要があつたが、この
発明のものにおいては流量演算を行なつているの
で、送液ポンプ４は精度のラフなものでよく、と
くにスラリー溶液に使用するときは、スラリーポ
ンプの方が適している。

以上のように、この発明によれば、メイン流路
に対するバイパス流路を付設し、メイン流路にお
ける差圧を制御するようにし、基準温度に変換さ
れた粘度値を算出するから、従来の細管式のもの
では対処できなかつた厳しい測定条件下での粘度
測定が可能となり、測定性能が飛躍的に拡大され
て使い勝手の良い粘度測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はそれぞれこの発明に係る粘度
測定装置の一例における装置本体部を示す正面
図、上面図、側面図および背面図、第５図は同装
置の全体の回路構成図である。 １……上部測定室、２……下部測定室、７……
メイン流路（細管部）、８……電磁流量計、９…
…バイパス流路（曲管）、１０……調整弁、１６
……差圧測定手段、２２……温度検出手段、２３
……調整弁駆動手段、２７……パラメータ設定手
段、２８……制御回路、３９……記録手段、Ｍ…
…被測定用溶液。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定用溶液が加圧されて供給される上部測
   定室から下部測定室までの間に形成されて細管部
   を構成するメイン流路と、このメイン流路に設け
   られた電磁流量計と、上記上部測定室と下部測定
   室との間に形成されたバイパス流路と、このバイ
   パス流路に設けられた調整弁と、上記メイン流路
   に被測定用溶液が流れた際に上流側と下流側との
   間に発生する差圧を測定する差圧測定手段と、上
   記メイン流路に設けられて被測定溶液の温度を計
   測する溶液温度検出手段と、上記被測定用溶液固
   有のパラメータを設定する設定手段と、上記調整
   弁の駆動手段と、上記差圧測定手段からの差圧を
   受けてこの差圧が設定値に近似するように調整弁
   駆動手段を制御するとともに、上記電磁流量計か
   らの細管流量、上記差圧測定手段からの細管差圧
   および溶液温度検出手段からの溶液温度の各計測
   値ならびにパラメータ設定手段のパラメータ値と
   から規定温度に換算された粘度値を演算出力する
   制御回路と、この制御回路からの出力を記録する
   記録手段とを具備した粘度測定装置。