JPH05500417A - 密度計 - 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】 密度計 本発明は、流体密度計に関する。

現在、流体の密度を測定するものとして、音響共振式密度計が広く知られている 。このような密度計では、通常、適当なトランスデユーサと電子的増幅器とを閉 ループ正帰還回路に組みこむことにより自己共振を励起する機械的共振器システ ムの一部として、サンプル室が形成されている。サンプル室は多くの場合、直状 管またはＵ字管で、サンプル流体がその中を通過して流れる。

市販のシステムは、低解析度の装置であっても高価である。その理由は、主に、 機械的共振器の音響特性を非常に狭い範囲に調節する必要があり、製造が難しく 、多額の費用がかかることにある。多数の加工工程と熱処理工程を行なわなけれ ばならず、品質管理における不合格率も高い。

本発明の目的は、安価にしてしかも解析度が高く、測定における再現性を実現し た流体密度計を提供することである。

本発明の一態様において、流体密度計は、ベースと、上記ベースに対して振動で きるように上記ベースに懸架された振動板と、上記ベースと上記振動板とにそれ ぞれ搭載された協動部を有するとともに周期的電気信号の印加により上記振動板 の振動を励起することができるように電気的端末手段を有する電磁結合手段と、 所定容積の流体サンプルを収容するとともにサンプルの密度に応じて上記振動板 に質量的負荷を与えるために上記振動板に組み合わせられたサンプル室と、上記 振動板の振動周波数を測定するための測定手段と、上記測定された周波数を上記 振動板に既知の質量的負荷を与えたときの所定の振動周波数と比較することによ り上記流体サンプルの密度をめるための比較手段とを備えている。

好ましくは、上記電気的端末手段に接続され上記振動板の振動共振を励起するた めに用いられる正帰還手段が設けられる。

さらに好ましくは、上記正帰還手段は、上記振動板の振動を一定振幅に保つため の自動利得制御装置を含んでいる。

本発明の別の態様において、流体密度計は、ベースと、凹形振動板と、上記振動 板の外縁部と上記ベースとの間に連結され上記振動板の上記ベースに対する概ね 軸方向の振動に備えるサスペンション手段と、上記振動板に設けられた電気コイ ル手段と、上記ベース上に支持され上記コイル手段に磁場を発生するように配置 された磁場発生手段と、上記コイル手段に電気信号を印加して上記振動を励起す るための駆動手段と、所定容積の流体サンプルを収容するとともにサンプルの密 度に応じて上記振動板に質量的負荷を与えるために上記振動板に組み合わせられ たサンプル室と、上記コイル手段に電気的に結合されて上記振動板の振動周波数 を測定するだめの測定手段と、上記測定された周波数を上記振動板に既知の質量 的負荷を与えたときの所定の振動周波数と比較することにより上記サンプルの密 度の測定値を得るための比較手段とを備えている。

本発明のさらに他の態様において、流体密度計は、ベースと、駆動軸を有する振 動板手段と、上記駆動軸の周囲に配置され上記振動板手段と上記ベースとの間に 作用し上記振動板手段の軸方向振動に備えるための環状サスペンション手段と、 上記振動板手段上にかつ上記環状サスペンション手段の対向する側にそれぞれ設 けられた一対のコイル手段と、上記ベースに支持され上記コイル手段のそれぞれ において磁場を発生するように配置された磁場発生手段と、上記コイル手段の少 なくとも一方において電気信号を検出するための帰還手段と、上記帰還手段から 帰還信号を受信するように接続されるとともに上記コイル手段の少なくとも一方 に接続されて駆動信号を上記接続されたコイル手段に供給する増幅手段とを有し 、上記振動板手段の軸方向振動の共振周波数を励起することかできるように配列 され、さらに、一定容積の流体サンプルを収容するとともにサンプルの密度に応 じて上記振動板手段に質量的負荷を与えるように上記振動板手段に組み合わせら れたサンプル室と、上記コイル手段の少なくとも一方に電気的に接続されて上記 振動板の振動周波数を判定するための手段と、上記測定された周波数を上記振動 板に既知の質量的負荷を与えたときの所定の振動周波数と比較することにより上 記サンプルの密度の測定値をめるための比較手段とを備えている。

本発明によれば、現在のスピーカー技術の利用が可能である。

従来のスピーカーの振動板に、質量的負荷を与えるための流体サンプル室を設け ることにより、正帰還駆動時における振動板の共振周波数シフトから流体密度の 測定値が得られる。

本発明の好ましい構成において、各振動板が一体となって振動するように、２つ のスピーカーを背中合わせに配置することが肝要である。振動板の質量的負荷に より共振周波数は減少することになるので、高周波スピーカーすなわち「トウイ ータ−」を用いることが好ましい。サンプル室は圧力変化を受けることがあるの で、満水時に所定容積をもつことを確認する必要がある。このように、２つの振 動板そのものによりサンプル室が構成される場合には、たとえばロッキングリン グによって、振動板の対向する辺を接合し、圧力下で各振動板が独立して変位で きないようにして所定容積室を構成している。また別の構成では、２つの振動板 のあいだに独立した所定容積のサンプル室が設けられる。

サンプル室の材料の選択は重要であり、密度が小さいこと、熱膨張係数が小さい こと、応力特性が低く線形性をもつことなどの基準を満足しなければならない。

このような材料としては例えば、狭ゲージ鉄ニッケル合金（代表的なものとして Ｎ１５ｐａｎ　Ｃ）、ポリマー被覆アルミニウム合金、ＰＴＦＨなどのいくつか のポリマーを用いることができる。

サスペンションは、温度や時間などにともなう剛性の変化を抑えるように選択さ れる。

ところで、本発明による密度計は従来のスピーカーを用いて構成することができ るが、大規模製造には特別に設計された部品を用いることが好ましい。それでも なお、音響共振原理で動作する従来の流体密度計と比較して、現在確立されたス ピーカー技術により経済的にかつ高い信頼性をもって設計製造することができる 。

本発明による密度計の周波数シフト測定値は、サンプルによる質量の増加にでき るかぎり正確に対応するものであることが重要である。余計な周波数シフトは抑 えられねばならない。まず振幅関連の影響を例にとると、サスペンションシステ ムの線形性は市販のスピーカーによってそれぞれ異なる。好ましくは、スピーカ ーまたはスピーカーの設計は、振動振幅が変化しても共振周波数が一定に保たれ るような高線形性サスペンションシステムをもつものを選択したい。線形性の劣 るシステムを補償するためもしくは線形性をさらに高めるため、振動振幅の電子 制御を行なうことが提案されている。たとえば、駆動増幅器において自動利得制 御回路を用いることにより、一定の振動振幅を保証することができる。

また、温度変化によっても余計な周波数シフトが起こり得る。サスペンションの 熱絶縁の可能性があるので、たとえばフラックスギャップを熱伝導性の高い強磁 性材料で埋めることにより、コイルからジュール熱を逃すための対策をとればよ い。さらに、オーム熱による問題を小さくするために、密度計を低出力レベルに 分けることが好ましい。

以下、本発明の実施例につき図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例による密度計の断面図である。

第２図は、第１図の密度計の回路図である。

第３図は、本発明の別の実施例による密度計の断面図である。

第４図は、本発明のさらなる実施例による密度計の断面図である。

第５図ａ）、ｂ）およびＣ）はそれぞれ第１図、第３図、第４図の密度計に用い られる別の回路構成を示す回路図である。

第６図は、本発明のさらに他の実施例による密度計の断面図である。

第７図は、第６図に示す密度計のサンプル室を示す部分拡大図である。

第８図は、第６図に示す密度計の回路図である。

第１図を参照すると、本発明の一実施例による密度計は互いに接続された２つの スピーカーを備えている。スピーカーは市販品でもかまわないが、厳格な基準に したがって選択される。振動板としては、たとえば、取り扱うサンプルに対する 化学的耐性をもつものが選択され、好適な材料としては、ＰＴＦＥ％ＰＶＤＦ、 ステンレススチール３１６などがある。流体サンプルの影響で共振周波数が減少 することになるので、スピーカーの基底共振周波数を高くする。さらに、トラン スデユーサ−のエネルギー散逸は、密度計が扱う範囲における最大密度を有する サンプルの所定容積に対応する質量負荷に耐えられる程度に大きくされる。これ は、通常、２．７の相対密度である。本発明において市販のスピーカーを用いて もよいことはもちろんであるが、本発明に適した特別な形に構成された振動板を 備えた変形スピーカーを用いることが好ましい。

各スピーカーは、ベース１０を有している。ベース１０はスピーカーフレーム１ ２を含むとともに、永久磁石１４の搭載台を提供している。

スピーカー振動板１６は、周辺に設けられたリングサスペンション１８を介して 懸架されている。

２つのスピーカー振動板１６は、接合または締め具により全周にわたって連結さ れている。好ましくは、振動板が一体となって動きサンプルの所定容積が定まる ように、ロッキングリング２０が振動板１６に設けられる。あるいは、各振動板 に連動構造を設けた構成としてもよい。スピーカーフレーム１２は、振動板サス ペンション１８が、連結された振動板を支持するために平行に動作するように、 連結される。サンプル取入口２２が密度計の底部に設けられ、密度計の内部サン プル室２４と連通している。同様に、サンプル取出口２６が密度計の頂部に設け られている。

２つのスピーカーの「ボイス」コイルは従来どおりの形状であるため、磁石１４ とサスペンション１８とともに、詳細な説明は省略する。各スピーカー内には、 不透性シールド３０が設けられ、サンプルがボイスコイルに侵入するのを防止し ている。コイル導線３２が、各振動板から、対応するシールド３０の外側に出て いる。

使用時に、密度計は、第１図に示すように直立した向きに据えられ、取出口２６ に連結された固定吸排ポンプにより、サンプルが取入口２２を介して密度計内に 吸入される。密度計を周囲環境から音響的に切り離すための弾性マウントを設け ることが好ましい。

つぎに第２図を参照すると、一方のスピーカーのコイル２８はポテンショメータ ４０に直列に接続されて増幅器４２に対する電圧入力を形成している。増幅器４ ２の出力は、他方のスピーカーのコイル２８に出力が接続された音声周波数出力 増幅器４６に対して周波数補正入力を与える可変ＲＣネットワーク４４に接続さ れている。キャパシタ４８と抵抗器５０は２つのコイル２８の間に直接に接続さ れ、位相修正を行なうものである。周波数メータ５２により、上述した流体密度 の指標となる共振周波数の測定値が与えられる。周波数メータ５２は、信号のゼ ロ交差によりゲートされるカウンタとして構成することができ、周期メータと考 えられる。周波数メータ５２は、多数の周波数測定値をとって平均値をめるよう に制御されるマイクロプロセッサでもよい。

出力増幅器４６は定格１０ワツトで９０ＤＢの利得を与える。応答はＤＣから通 常２０ｋＨｚまでの範囲にわたってフラットである。大半の用途には、下限値で 十分である。

一例として、第１図の装置は、５５０Ｈｚの空中共振周波数を有する。

サンプル室２４を蒸留水で満たした状態で、測定周波数は３５０　Ｈｚに下がる 。相対密度１．９８のサッカロース試液では、測定周波数はさらに１６０Ｈｚま でおちる。密度の不明なサンプルの場合、測定周波数をこのような所定の周波数 または周波数帯と比較して、密度値をめることができる。

つぎに、第３図を参照して別の実施例について説明する、第１図と共通な部分に は同一参照番号を付し、説明を省略する。

この構成によれば、剛性サンプル容器６０は、対向する振動板１６間に封入され ている。取入口２２および取出口２６はそれぞれ、供給管６２を介してサンプル 容器６０に連通している。この場合、２つの振動板が機械的に連動する必要はな い。サンプル容器は、好ましくは、剛性軽量プラスチック素材からブロー成形さ れる。

第１図および第３図の構成では、公知の特定形状の振動板サスペンションが、特 に適していることがわかった。すなわち、サスペンションは、振動板に一体かつ 連続的に形成され、同一材料の環状「蛇腹」部を備えている。これにより、本発 明において有益と認められる高度な堅牢性が得られる。

第４図を参照して、さらなる実施例について説明する。

上述した実施例と同様、この密度計は、向かい合わせに連結された２つの同様な 「スピーカー」要素を備えている。各スピーカー要素は、支持スリーブ１０４か らの環状サスペンション手段１０２を介して搭載されたドーム状振動板１００を 備えている。円盤形界磁石１０６がねじ１０８を介して支持スリーブ１０４に取 り付けられ、界磁石１０６の内表面に設けられた円筒状くぼみ１１０には、振動 板１００と一体に形成されたコイル１１２が収容されている。

対向する「スピーカー」要素は同一につき、これ以上の説明は省略する。

対向する振動板１００の間には、球形のサンプル室１１４が形成され、サンプル 室１１４と密度計の外部とは取入／取出管１１６により連絡されている。各振動 板１００と対向する界磁石１０６の間の空間１１８を排気してもよい。コイル導 線（図示せず）が、コイル１１２から密度計の外部まで延在し、第２図と同様な 電気回路に接続される。

第４図に示す密度計の動作は、前述の実施例から容易に理解されるので、説明は 省略する。

すでに説明したとおり、本発明による密度計の振動板が一定振幅で振動すること を保証するための対策をとることが好ましい。これは電子的に実現でき、第５図 を参照してその例を説明する。

第５図ａ）、ｂ）およびＣ）は概略回路図であり、参考のために第２図の駆動回 路を第５図ａ）に示す。すなわち、両コイル２８の対応する一端はアースされ、 一方のコイルの他端は第１の増幅器４２の入力となる。第１の増幅器４２の出力 は、電位設定ポテンショメータ４４を介して第２の増幅器４６の入力とされ、こ の増幅器４６の出力は第２のコイル２８に接続される。ここで、コイルの一方は 、駆動部として機能する他方のコイルの入力を与えるために一定利得で増幅され る正帰還信号を与える変位センサとして機能している。第５図ｂ）を参照すると 、コイル２８の接続は前述と同様である。ただし、ポテンショメータ４４は、自 動利得制御（ＡＧＣ）部４５に置き換えられている。自動利得制御（ＡＧＣ）部 ４５は、増幅器４６の出力と接続されたプリセット可能な抵抗器４７を介して制 御入力を受けとる。このようにして、振動板の振動振幅は一定に保たれる。

第５図Ｃ）に示す変形例では、一方のコイル２８は、増幅器４６の出力と増幅器 ４２の入力との間に直列接続されている。ＡＧＣ部４５は他方のコイル２８から 制御入力を受けとる。ここでも、振動板は、一定振幅で共振が励起される。

ＡＧＣ部に振幅関連信号を与えるために別のコイルを設けることもできる。さら に、振動振幅が、質量の変化にかかわらず一定に保たれることを保証するため、 別の帰還構造または圧縮構造を設けてもよい。

第６図および第７図を参照すると、従来のスピーカーは、磁石１１０、コイル１ １２、リングサスペンション１１８を介してスパイダー１１６に支持された振動 板１１４、台座１２０とを有している。スピーカーは比較的小型のマイラー（Ｍ ｙｌａｒ）振動板を備えた形状のものである。

ステムホルダ１２２が、エポキシ樹脂やアクリルシアン（ｃｙａｎｏ−ａｃｒｙ ｌｉｃ）などの非弾性接着剤を用いて、振動板１１４とコイル１１２とに接合さ れている。ステムホルダ１２２には、自由端にサンプル室１２６を備えた軽量プ ラスチック管１２４が搭載される。細管１２８がプラスチック管１２４の全長に わたって延在し、サンプル室１２６側の端部はプラグ１３０により支持され、他 端は磁石１１０内の穴を通過して延在し、台座１２０内に搭載された所定容積吸 排ポンプ１３２に至る。

第７図に最もよく示されるように、サンプル室１２６は円錐形先端部１３４およ びサンプル室１２６の一側に設けられた取入口１３６とを有している。

第８図を参照すると、電気回路図には、第６図および第７図に示した部分のブロ ック１５０が含まれている。図において、コイルの一端は接地され、他端は抵抗 １５２を介して出力増幅器１５４の出力に接続されている。ポテンショメータ１ ５６と抵抗器１５８とは、要素１５０に並列に接続され、ポテンショメータ１５ ６の接触子は電圧増幅器１６０の入力を与える。電圧増幅器１６０の出力は、減 衰器ネットワーク１６２を介して取り出され、出力増幅器１５４の入力を与える 。周波数メータ１６４は、振動の共振周波数を決定できるように接続されている 。

完成した構造において、第８図の回路要素は、第６図に示す台座１６６内に配置 される。

密度計は、サンプル室１２６をサンプル流体中に挿入して使用される。

所定容積吸排ポンプ１３２を用いて、流体は、取入口１３６を経てテスト室１３ ４内に吸入される。サンプル流体がプラグ１３０に侵入しないように容積が調節 される。変形コイルの共振周波数の電気的決定が行なわれ、テスト室に収容され た流体の質量が較正曲線を参照して決定される。サッカロース液での実験では、 説明した装置において、共振周波数と密度との間に線形関係があられれることが わかった。この特性はつぎのようにあられされる。

ｐ−（ｔ−ｋ）／に ここで、ｐは密度、ｔは発振周期、ｋは空中共振期間、Ｋは定数である。

共振室の先端を円錐形にしたことは、粘性物質の測定時の影響を減少する上で重 要である。また、取入口１３６が、室の一側に設けられること、あるいは、極小 の穴であることも重要である。逆に、もし、テスト室の先端に大きな穴を設けた 場合には、テスト室の長手方向振動時に完全なテスト容積が決まらない。テスト 室内への採取を側面から行なうのは、層流によりテスト中のサンプルの交換が限 定されしかもテスト容積の良好な充填が可能となるという事実に基づくものであ る。

本実施例の針状の特徴は特定の用途において有用である。しかしながら振動は前 述の実施例はどは均一にならない。

以上、本発明を実施例を用いて説明したが、本発明の趣旨を逸脱することなく種 々の変形が可能であることは言うまでもない。

＋２４　１３６ 国際調査報告 石１．．ａｌｌい、−＾、ユ番、−１Ｉ−Ｎ−ＰＣＴ／ＧＯ９０１０１３０６国 際調査報告 ＰＣＴ／ＧＯ９０１０１３０６ Ｓ＾　３９３８２

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．ベースと、上記ベースに対して振動できるように上記ベースに懸架された振 動板と、上記ベースと上記振動板とにそれぞれ搭載された協動部を有するととも に周期的電気信号の印加により上記振動板の振動を励起することができるように 電気的端末手段を有する電磁結合手段と、所定容積の流体サンプルを収容すると ともにサンプルの密度に応じて上記振動坂に質量的負荷を与えるために上記振動 板に組み合わせられたサンプル室と、上記振動板の振動周波数を測定するための 測定手段と、上記測定された周波数を上記振動板に既知の質量的負荷を与えたと きの所定の振動周波数と比較することにより上記流体サンプルの密度を求めるた めの比較手段とを備えたことを特徴とする流体密度計。
2. ２．上記電気的端末手段に接続され上記振動板の振動共振を励起するために用い られる正帰還手段を設けたことを特徴とする請求項１の密度計。
3. ３．上記正帰還手段は、上記振動板の振動を一定振幅に保つための自動利得制御 装置を含むことを特徴とする請求項１の密度計。
4. ４．ベースと、凹形振動板と、上記振動板の外縁部と上記ベースとの間に連結さ れ上記振動板の上記ベースに対する概ね軸方向の振動に備えるサスペンション手 段と、上記振動坂に設けられた電気コイル手段と、上記ベース上に支持され上記 コイル手段に磁場を発生するように配置された磁場発生手段と、上記コイル手段 に電気信号を印加して上記振動を励起するための駆動手段と、所定容積の流体サ ンプルを収容するとともにサンプルの密度に応じて上記振動板に質量的負荷を与 えるために上記振動板に組み合わせられたサンプル室と、上記コイル手段に電気 的に結合されて上記振動板の振動周波数を測定するための測定手段と、上記測定 された周波数を上記振動坂に既知の質量的負荷を与えたときの所定の振動周波数 と比較することにより上記サンプルの密度の測定値を得るための比較手段とを備 えたことを特徴とする流体密度計。
5. ５．上記駆動手段は帰還時において上記振動板の振動の共振周波数を励起するよ うに作動することを特徴とする請求項４の密度計。
6. ６．上記サンプル室は上記振動板に搭載されたサンプル容器から構成されること を特徴とする請求項１乃至５の密度計。
7. ７．上記振動板に対向する同様な振動板をさらに設け両者の間にサンプル室を構 成したことを特徴とする請求項１乃至６の流体密度計。
8. ８．ベースと、駆動軸を有する振動板手段と、上記駆動軸の周囲に配置され上記 振動板手段と上記ベースとの間に作用し上記振動板手段の軸方向振動に備えるた めの環状サスペンション手段と、上記振動板手段上にかつ上記環状サスペンショ ン手段の対向する側にそれぞれ設けられた一対のコイル手段と、上記ベースに支 持され上記コイル手段のそれぞれにおいて磁場を発生するように配置された磁場 発生手段と、上記コイル手段の少なくとも一方において電気信号を検出するため の帰還手段と、上記帰還手段から帰還信号を受信するように接続されるとともに 上記コイル手段の少なくとも一方に接続されて駆動信号を上記接続されたコイル 手段に供給する増幅手段とを有し、上記振動坂手段の軸方向振動の共振周波数を 励起することができるように配列され、さらに、所定容積の流体サンプルを収容 するとともにサンプルの密度に応じて上記振動板手段に質量的負荷を与えるよう に上記振動板手段に組み合わせられたサンプル室と、上記コイル手段の少なくと も一方に電気的に接続されて上記振動板の振動周波数を判定するための手段と、 上記測定された周波数を上記振動板に既知の質量的負荷を与えたときの所定の振 動周波数と比較することにより上記サンプルの密度の測定値を求めるための比較 手段とを備えたことを特徴とする流体密度計。
9. ９．上記増幅手段に連結された利得制御手段を設けて上記振動板手段の振動を一 定振幅に保つことができるようにしたことを特徴とする請求項８の流体密度計。
10. １０．ベースと、振動板と、上記振動板に搭載されたコイルと、磁場発生手段と を有するスピーカーと、上記振動板に連結された流体サンプル室と、上記振動板 の振動共振を励起するための正帰還手段と、上記コイル手段に電気的に接続され た周波数判定手段とを備えたことを特徴とする流体密度計。