JPH0298651A - 液体の物理的性質測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は液体の物理的性質を測定する方法および装置に
関する。更に詳述すると、本発明は、液体の粘性率ある
いは表面張力等の物理的性質を測定する方法および装置
に関する。

（従来の技術） 液体の物理的性質の１つである粘性率を測定する従来の
方法としては、物理的にあるいは機械的に測定するもの
が主であって、４１１ＩＷ法、回転法、落体法、平板法
及び振動法等が一般的である。

細管法による測定方法は、毛細管の中を通して測定対象
たる試料液体（以下単に試料液体という）を流し、その
流量を測定して粘性率を求める方法である。

回転法による測定方法は、内円管と外円管との間に試料
液体を満たし、一方の円管を一定の速度で回転させ、そ
のときに生じるトルクを測定して粘性率を求める方法で
ある。

落体法による測定方法は、透明な円筒管内に試料液体を
満たし、前記円筒管の中心軸上に固体球を落下させて、
その落下速度を測定して粘性率を求める方法である。

平板法による測定方法は、平行な平板間に試料液体を挾
み、一方の平板を平行にずらし、そのときの抵抗を測定
することにより粘性率を求める方法である。

振動法による測定方法は、円筒をコイルばね等で吊し、
この円筒を試ｆ４液体内におき、円筒を含む部材を回転
振動させて、そのときの周期及び減衰率を測定すること
により粘性率を求める方法である。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述の従来の粘性率の測定方法は、はと
んどが機械的な手段を用いての測定方法であるなめ、−
船釣に精度がでないという欠点がある。

また、上記従来の粘性率の測定方法は、測定のために試
料液体を多量に要するという欠点がある。

従来の測定方法の中では、細管法が最も試料液体を要し
ないが、それでも相当量の試料液体が必要である。

本発明は、細管法よりも少ない液量で正確に試料液体の
粘性率及び表面張力等の物理的性質を測定する方法及び
装置を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） かかる目的を達成するため、本発明の液体の物理的性質
測定方法は、試料液体を液滴化すると共にこの試料液滴
を音波で振動させ、この試料液滴の振幅と液滴の持ち上
げられる量の比を基に当該液体の粘性率あるいは表面張
力を求めるようにしている。

また、本発明の測定方法は、試料液体を液滴化すると共
にこの試料液滴を音波で振動させ、音波の振幅と試料液
滴の振幅の位相差とを基に当該液体の粘性率あるいは表
面張力を求めるようにしている。

また、本発明は、試料液体を液滴化すると共にこの試料
液滴を音波で：ＩｉＡ哀振動させ、この試料液滴の振動
数と減衰振動の減衰率とを基に当該液体の粘性率あるい
は表面張力を求めるようにしている。

更に、本発明の測定装置は、試料液体を液滴化する手段
と、前記手段により液滴化された試料液滴を振動させる
音波発生手段と、前記液滴の振幅と液滴の持ち上げられ
る量を検出する検出手段と、前記音波発生手段からの音
波信号と検出手段からの検出信Ｙすとから当該液体の粘
性率あるいは表面張力を求める信号解析手段とから構成
している。

また、本発明装置において、液滴化手段が内部雰囲気を
一定温度に保つ共鳴箱内に配置され、前記音波発生手段
から出力される音波が前記共鳴箱と共振する周波数の搬
送波を試料液滴を振動させる信号波で変調したものであ
ることを特徴とする。

（作用） ここで、本発明の原理を述べる。まず、液滴化する手段
により特定の環境内で試料液体を液滴化し、この試料液
滴を音波発生手段により所定の振動数の音波で振動させ
る。このとき、音波による液滴の振動は、搬送波 （ｓｉｎωｃｔ）を、試料液滴を振動させる信号音波（
ＣＯＳのｎｔ）によって振幅変調した信号（Ｖ）を、 Ｖ＝ＶＯ３ｉｎ（ωｃ　ｔ　−ｃｏｓ（ωａｔ）　　　
−（１）ここで、ωｃ＆、ｔｌ！送波の角周波数、ωＩ
は音波の角周波数、 ＶＯＧ、ｔＶの最大値である。

とする。

一方、試料液滴の周囲における空気粒子の音波による速
度は、上記信号Ｖの電圧に比例する。

方、液滴表面に作用する音圧Ｐは、空気の粒子の速度の
二乗平均に比例する２ノ）ら、信号Ｖの二乗平＝Ｖ０２
［１モｃｏｓ（２ωｔｉｌｔ）］／４ここで、く〉は、
２π／ωＣの時間平均である。

これにより、試料液滴を振動させる力Ｆは、Ｆ＝Ｆｏ　
　（１＋ＣＯ３（２ωＩｔ）ｌ　　　−（３）とおくこ
とができる。

次に、試料液滴の振動について述べる。試料液滴が振動
しているとき、その最下端の静止状態の位置からの変位
量をＸ、減衰係数を２γ、自然角・・・（２） 周波数（試料液滴固有の角周波数）をωとすると、運動
の方程式は、上の式（３）を用いて、ｄ２　Ｘ／ｄｔ２
　＋２γｄＸ／ｄｔ＋ω２Ｘ＝Ｆ・・・（４） と近似できる。音波により試料液滴が強制振動するが、
その強制振動の角周波数２のｌが自然角周波数ωに等し
いとき、系は自然振動しているという、このとき、強制
振動の角周波数２ω１と自然角周波数ωどの位相差はπ
／２となって、その変位Ｘは次のようにして求まる。

式（４）の定常解または特解：ｔ−＋■α＝２ω１とす
ると、 Ｘ　　＝　　ＡＣＯ３（αｔ）＋Ｂｓ１ｎ　（αｔ）＋
Ｃもしα＝ωならば、Ａ＝０ Ｘ　　＝　　Ｂｓ１ｎ　　（αｔ）−１−Ｃ＝　１ｓｉ
ｎ　（αｔト」１ ２γα　　　　　　　　　　Ｕ したがって、検出手段により、試料液滴の振幅（Ｂ）お
よび液滴の持ち上げられる澁（Ｃ）が求まるので、振幅
ＣＢ）に対する液滴の持ち上げられる量（Ｃ）の比Ｓは
、 となる、ここで、比Ｓは液滴の粘性率に比例するので、
信号解析手段に予め液滴の形および密度を与えておき、
信号解析手段において、これら値と前記比Ｓとから粘性
率を求めることができることになる。

また、自然角周波数ωは液滴の表面張力に比例し、粘性
率に逆比例するので、検出手段からの信号から求めた比
Ｓと、音波発生手段がら発生ずる音波の角周波数から得
たωとから、表面張力と粘性率とを同時に求めることが
できる。

尚、液滴の振動数は上の説明から求められているので、
減衰率を測定することでも、粘性率が求められる。加え
て、液滴の振動も、液滴を強制振動させる音波の振動も
求められているので、これらから位相差を求めて粘性率
を求めることができる。

（実施例） 以下、本発明の構成を図面に示す実７ｉ１例に基づいて
詳細に説明する。

第１図は本発明に係る液体の物理的性質測定方法を実線
する測定装置の一実施例を示す原理図である。第２図は
、同実施例の作用を説明するための波形図である。

第１図において、測定装置１は試料液滴の周囲の雰囲気
温度を一定に保ちかつ強い音圧を得る恒温共鳴箱４と、
該恒温共鳴箱４の内部で試料液体２を液滴化する液滴化
手に５と、前記液滴化手段５により液滴化された試料液
滴３を振動させる音波発生手段７と、前記試料液滴３の
振幅と持ち上げられる量を検出する検出手段９と、前記
音波発土手段７からの音波信号と検出手段９からの検出
信号とから試料液体２の粘性率あるいは表面張力を求め
る信号解析手段１１とから構成されている。

前記恒温共鳴箱４は、搬送波の角周波数ωＣに共鳴する
共鳴箱と内部の雰囲気温度を一定に保つ恒温槽を兼ねて
おり、上面が閉じ下面が開いた二重円筒形を成している
。この恒温共＃ｊ箱４の高さは、第一発振器７１の発振
周波数ωＣに共鳴する長さが必要である。搬送波の角周
波数ωＣの波長をλとし、共鳴箱の長さをＬとすると、
１７＝３λ／４がよい、また、Ｌ＝５λ／４であっても
よい。

ここで、例えばし−２２１ならば、搬送波信号の周波数
は約１に１１２となる。そして、試料液滴３は、空気の
振動の腹の位置に配置する必要があるので、Ｌ、−２２
ＣＩ＋ならば上部の閉じた面から約８．５■の位置に配
置する必要がある。また、恒温共鳴箱４は、外部に検出
手段９を設置する場合には光に対して透明である必要が
ある。

前記液滴化手段５は、測定しようとする液体を入れた注
射器（シリンジ）５１と、毛細管５２とからなり、注射
器５１の注射針を通して毛細管５２の下端に液滴が形成
されるように設けられている。

音波発生手段７は、恒温共鳴箱４に共鳴する音、例えば
周波数がＩＫＩＩｚの音［第２図（ａ）参照］を発振す
る第一発振器７１と、液滴を振動させる音波、例えば周
波数が１０１１ｚの音［第２図（ｂ）参照］を発振する
第二発振器７２と、前記第一発振器７１からの搬送波と
液滴振動音波とを取り込み、前記搬送波を前記液滴振動
音波で変調して第２図（ｃ）に示す信号を作る変調器７
３と、前記変調器７３からの信号を増幅する増幅器７４
と、前記増幅器７４からの電気信号を音響に変換する発
音体例えばスピーカ７５とから構成されている。

検出手段９は、光源９１と、光８９１からの光りを平行
光線として試料液滴３に照射するレンズ９２と、試料液
滴３を通ってきた光りを結像させるレンズ９３と、レン
ズ９３からの光りを取り入れて、第２図（ｅ）に示すよ
うな電気信号に変換する光電素子９４とから構成されて
いる。また、必要あれば恒温共＋１ｊ３箱４の内壁面に
対向させて埋設することも可能である。

信号解析手段１１は、例えば公知のコンピュータシステ
ム等によって、前記検出手段９からの検出信号および第
二発振器７２からの信号を基に所定の演算を行ない試料
液体２の粘性率・表面張力等を求めるように構成されて
いる。

このように構成された本発明の測定装置によると、次の
ようにして液体の粘性率や表面張力を測定できる。

まず、注射器５１に試料液体２を吸い込み、注射針で毛
細管５２内に注入し、毛細管５２の下端に試料液滴３を
形成する。ついで、音波発生手段７の第一発振器７１か
らは、第２図（ａ）に示すような搬送波信号を出力させ
る。同時に、第二発振器７２からは、第２図は（ｂ）に
示すような音波信号を出力させる。前記第一発振器７１
からの搬送波信号および第二発振器７２からの音波信号
は、変調器７３に取り込まれる。変調器７３では、搬送
波信号が音波信号により変調されて、最大値ＶＱなる信
＋３Ｖが得られる。この信号Ｖは、上記式（１）で示さ
れており、増幅器７４で増幅されてからスピーカ７５に
供給される。前記スピーカ７５は、入力された信号■を
音響に変換し、この音響を恒温共鳴箱４の下面から試料
液滴３に向けて送出する。これにより、この信号■は、
空気の粒子の振動に変換される。

そうすると、毛ｌ５ＩＩｌ管５２の下端に形成されてい
る試料液滴３には、空気の粒子の振動により、第２図（
ｄ）に示すように液滴を振動させる力Ｆが市くことにな
る。この方Ｆは、上記式（３）に示されている。

このような力Ｆが試料液滴３に作用すると、試料液滴３
は、第２図（ｅ）に示すように振動をすることになる。

このときの試料液滴３の運動の方程式が式（４）で示さ
れている。また、第２図（ｅ）において、試料液滴３の
振幅の最大値Ｂは、Ｂ＝Ｆｏ／２γωであり、また試料
液滴３が持ち上げられる値ＣはＣ＝Ｆｏ／ω２である。

ここで、光電素子９４に結ぶ像と試料液滴３との関係に
ついて説明する。試料液滴３は、第３図に示すように、
振動していない静止状態のときには毛細管５２の下端か
ら距＾Ｉ１１の位置に液滴最下端が位置している。また
、前記力Ｆが作用し、試料液滴３が振動をすると、試ｆ
４液滴３が前述の最下端から距ＩＣの位置まで持ち上げ
られる。そして、その位置を中心として試料？ｉ！滴３
は最大振幅１３で振動することになる。このような振幅
をしている試ｆ４液滴３の像を、レンズ９２およびレン
ズ９３を用いて拡大し、第３図および第４図に示すよう
に光な素子９４の位置に結ばぜる。この光電素子９４は
、第４図において、電極Ｔ　ｃ、１゛Ｃの間に液滴の影
Ｍとして示されている。そして、光電索子９４は、試料
液滴３の振動が確実に測定できる位置に移動させる。前
記光電素子９４には試料液滴３の像が影として与えられ
る。これは、試１１滴３の部分で光りが屈折し、光電素
子９４に届かないために生じる。そして、この試料液′
ａ３の影の上下動を光電素子９４で検出し、電気信号（
Ｓに関連するデータ）に変換して信号解析手段１１に入
力する。また、信号解析手段１１には、第二発振器７２
からの音＃信号が入力される。信号解析手段１１には、
予め試料液滴３の体積と重さのデータが入力されている
。

そして、信号解析手段１１は、前記第二発振器７２から
の音響信号を二倍して第２図（ｄ）に示す信号を得る。

また、信号解析手段１１は、第２図（ｅ）の信号と、光
電素子９４からの信号（第２図（ｅ）参照）との位相差
を求める。もちろん、信号解析手段１１において、位相
差を求めるのに第二発振器７２からの信号から求めても
よいし、また、第２図（ｃ）に示す信号から求めてもよ
い。

実際には、第２図（ｄ）の信号と同図（ｅ）の信号とが
π／２となるように、第二発振器７２の発振周波数を調
整する。

また、信号解析手段１１は、光電素子９４からの信号の
周波数ωを求める。そして、信号解析手段１１は、予め
与えられた試料液滴３の体積及び重さと、光な素子９４
を移動して得た試料液滴３の高さと毛細管５２の直径か
ら、表面張力、密度と試料液滴３の形が計算される。そ
して、信号解析手段１１は、前記表面張力、密度と液滴
の形のデータおよび振動数ωから粘性率を求めることが
できる。

一方、信号解析子ｒ＝９．１１は、前記光電素子９４か
らの信号から求めた比Ｓと、振動数のから２γを求め、
これと前記表面張力、密度、液滴の形のデータ等から粘
性率求めることができる。

さらに、信号解析手段１１は、密度および液滴の形のデ
ータ等と、前記比Ｓとから粘性率を求めることができる
。

なお、信号解析手段１１には、第二発振器７２からの音
波信号が入力されている。したがって、前記信号解析手
段１１は、この第二発振器７２からの音波信号と、光電
索子９４からの検出信号との位相差を求め、これにより
粘性率を求めてもよい。

また、粘性率の比較的小さい液体は、その液滴３を減衰
振動させ、光電素子９４により液滴の振動数を信号解析
手段１１に取り込み、信号解析手段１１で、振動数と減
衰率とから、粘性率を求めればよい。

さらに、音圧を適当に選ぶことにより、液滴を空中に浮
かべて振動させ、その振動数と位相差から粘性率を求め
ることもできる。この場合、液滴を固体に接触させるこ
となく、測定ができることになる。

加えて、上述の実施例においては、恒温共鳴箱４内は空
気で満たされているが、これに代えて試料液滴３とは異
質の液体を満たずことによっても測定が可能である。こ
の場合、嫌気性の液体の粘性率が測定ができる。尚、こ
の場合搬送波の周波数は空気の場合よりも高くなる。ま
た、共１００箱内を満たす液体そのものが恒温槽の働き
をなす。

尚、本実施例においては、恒温共鳴箱４によって、試料
液滴３の温度を一定に保つと共に強い音圧を得るように
しているが、当該共鳴節に代えて、例えば空気調和装置
（ニアコンディショナー）等によって一定温度に保たれ
た部屋ないし密閉空間において大出力の音波発生手段を
用いる等の方法によっても精密な測定は可能である。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の８ｉ体の物理
的性質測定方法は、液滴を作るだけでよいので、極めて
微量の試料液体によって粘性率や表面張力等の物理的性
質が測定できる。また、本発明によると、液滴の最下端
から持ち上げられる量と振幅との比を測定するだけでよ
く、絶対値を測定しなくてよいので、測定が簡単になる
。さらに、本発明によれば、液滴の運動を光学系などを
使って非接触に測定できるので、測定精度を上げること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す原理図、第２図（ａ）
〜（ｅ）は本発明の実施例の作用を説明するための説明
図、第３図は同実施例で測定する試ｆ１液滴の状態を説
明するための説明図、第４図は同実施例において液滴の
像を光電素子に投影したときの説明図である。 １・・・測定装置、２・・・試料液体、３・・・試料液
滴、４・・・恒温共鳴箱、５・・・液滴化手段、７・・
・音波発生手段、９・・・検出手段、１１・・・信号解
析手段。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料液体を液滴化すると共にこの試料液滴を音波
   で振動させ、この試料液滴の振幅と液滴の持ち上げられ
   る量の比を基に当該液体の粘性率あるいは表面張力を求
   めることを特徴とする液体の物理的性質測定方法。
2. （２）試料液体を液滴化すると共にこの試料液滴を音波
   で振動させ、音波の振幅と試料液滴の振幅の位相差とを
   基に当該液体の粘性率あるいは表面張力を求めることを
   特徴とする液体の物理的性質測定方法。
3. （３）試料液体を液滴化すると共にこの試料液滴を音波
   で減衰振動させ、この試料液滴の振動数と減衰振動の減
   衰率とを基に当該液体の粘性率あるいは表面張力を求め
   ることを特徴とする液体の物理的性質測定方法。
4. （４）試料液体を液滴化する手段と、前記手段により液
   滴化された試料液滴を振動させる音波発生手段と、前記
   液滴の振幅と液滴の持ち上げられる量を検出する検出手
   段と、前記音波発生手段からの音波信号と検出手段から
   の検出信号とから当該液体の粘性率あるいは表面張力を
   求める信号解析手段とから構成したことを特徴とする液
   体の物理的性質測定装置。
5. （５）前記液滴化手段が内部雰囲気を一定温度に保つ共
   鳴箱内に配置され、前記音波発生手段から出力される音
   波が前記共鳴箱と共振する周波数の搬送波を試料液滴を
   振動させる信号波で変調したものであることを特徴とす
   る請求項４記載の液体の物理的性質測定装置。