JPH0617065Y2 - 流体の状態変化の測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は流体の状態変化、特に粘性の変化を測定する装
置に関し、例えばゲル化食品のゲル形成時期の測定や、
接着剤、スラリー等の粘性変化の測定及び、培養工程の
菌体増加に伴う粘性の変化からその菌体量を測定した
り、菌体が生産する生産物の濃度などを粘性変化と関連
づけて測定するための流体変化の測定装置に関するもの
である。

（従来の技術） 従来、実願昭６２−１２６７５１号において流体中に鋼
球を落下させ、その落下速度から流体粘度を測定する手
段が開示されている。

また、本出願人は先に特開昭６２−１８５１４６号にお
いて、流体中に発熱体を挿入して流体への熱の移動の変
化を計測することによって、粘性などの流体の状態の変
化を測定する方法を開示しており、更に乱流条件の下で
もこの方法を利用して測定できるセンサーとして特開昭
６３−２１２８４０号を開示している。

（考案が解決しようとする課題） しかしながら、実願昭６２−１２６７５１号のような力
学的手段では、被測定物に大きな力が加わるため構造破
壊を伴う流体については測定できない。また、サンプリ
ングをしなければならないから連続的な測定ができな
い。更に測定に際して他の要因による振動で影響を受け
ないよう、測定は静かな場所で行う必要がある。

特開昭６２−１８５１４６号のような測定方法にあって
は、静止系、流動系の何れの流体状態も測定できるが、
静止系を主体とした測定を行うようにすることは、実際
の利用態様では流動系にある流体について測定しなけれ
ばならないことが多いであろうことから問題がある。

また、流動系にある流体について測定できるようにする
方法として、流体をサンプリングして静止槽内で測定す
る方法や、バイパスを設けてその中で測定する方法、流
動系内に複数のセンサーを配設してそれらで総合的に測
定する方法などもあるが、サンプリングする方法は細菌
が発生したり、何れの部分で流体をサンプリングするか
などが問題となる。また、バイパスを設ける方法は装置
が複雑になり、バイパス内の洗浄不良等の問題が生ず
る。複数のセンサーを配設する方法は装置が複雑となり
センサーの個数によっては高価な設備が必要になるし、
測定値の分析が複雑になる。

一方、発熱体センサーによる測定においてはセンサー周
囲の流体が乱流であるとセンサーの発熱量を一定に保つ
ことが困難なため、測定誤差を少なくするためにはセン
サー周囲の流体を層流状態にすることが望ましく、特開
昭６３−２１２８４０号はこれを可能にしたものである
が、流体を保護筒内に引き込む際にピストンでセンサー
に無理な力がかかる易く、また測定が筒内の流体につい
てに限られるため筒外で刻々と状態変化するような流体
の測定に適さない。

加えて、センサーを流体槽内に固定して測定するような
手段は、流体に液面の変化や流体槽の傾きなどによって
測定値に影響がでるし、洗浄の際にセンサーを保護する
必要がある。また一定箇所に取り付けられたセンサーで
はその場所以外の別の流体の状態を測定できないという
問題がある。ここで、本案で用いている「層流」とは以
下のような意味に用いられている。すなわち流体を一定
方向に流動せしめる、いわゆる不規則な流れを含まない
流れをさし、また、まわりの流れが実際には乱流であっ
ても乱雑な変動成分が無視できるものを含んでいう。

（課題を解決するための手段） 本考案は以上の技術的課題を解決すべく、流体に一定方
向の流動状態を発生させる回転羽根と流体の状態を測定
するセンサーを流体の出入口を有する外筒体で包囲して
流体の状態変化の測定装置を構成したものである。

（作用） 以上のように構成された本考案の測定装置によれば、回
転羽根によって外筒内で流体の流動状態を発生せしめ
て、流体槽内において乱流が発生しているような場合が
あっても、外筒内に配置されたセンサー周囲の流体を外
筒体と回転羽根とによって常に一定方向の流動状態に保
ちながら測定することができる。

しかして、回転羽根の駆動装置を装着してハンディタイ
プの測定装置を構成することにより、移動が容易で任意
の箇所の流体の状態が可能になる。

また、回転羽根を外筒内に筒軸方向の流れを生じさせる
螺旋羽根もしくはプロペラ羽根で構成することによっ
て、筒内に流体を無理なく引き込んで層流を生じさせる
ことができる。かかる場合、外筒内に流体を筒軸方向に
流すための整流板を設けるようにすれば、より確実に一
定方向の流動、すなわち層流を生じさせることができ
る。

また、回転羽根を外筒内に筒軸を中心とした回転流を生
じさせる平板の羽根とすれば筒体内に一定の回転流を生
じさせることによって安定した測定ができるようにな
る。

なお、センサーは流体の温度を検出する測温センサー
と、発熱しながらその発熱温度を検出する発熱体センサ
ーで構成し、流体とセンサーの温度差から、粘性等の流
体の状態変化を測定することができる。

この場合、各センサーは流体の流れ方向に沿って配置す
るか、もしくは流体の流れ方向と直角に配置すると良
い。

（実施例） 以下本考案の実施例を説明する。

本考案は流体と発熱体を熱的に接触させ、その発熱体の
温度と流体の温度との差に基ずいて流体の状態の変化を
測定する方法を利用したものである。即ち、本出願人が
特開昭６２−１８５１４６号において示したように、流
体の状態が変化すると流体の見かけの粘性が変化し、こ
の流体の見かけの粘性変化は流体中に配置した発熱体と
流体の温度差から知ることができる。

例えば、熱の伝達状況を表す熱伝達率αにあっては、発
熱体と流体の温度差と次式のような関係がある。

α＝Ｑ／Ｓ（θＳ−θ∞） Ｑ：発熱体の発熱量 Ｓ：発熱体の表面積 θＳ：発熱体の表面温度 θ∞：流体の温度 従って、発熱体と流体の温度差から流体の状態変化を種
々検出することができる。この場合、発熱体として、例
えば本出願人が特開平１−４４８３８号において示した
ような、金属細線で構成される発熱体センサーなどが好
適に利用され、センサーの電流値や抵抗値から発熱体の
温度、発熱量などを知ることができる。なお、発熱体セ
ンサーの表面温度θＳは先に特開昭６３−２１７２６１
号において示したように発熱体センサーの抵抗値から容
易に算出される温度θＷと一定の関数関係にあることか
ら、知ることができる。

そして、例えば流体の温度変化が小さく一定の電流値で
も発熱量が一定であると見なせるような場合には、発熱
体の温度と流体の温度を経時的に測定して温度差の変化
から流体の状態変化を検出する。また、流体の温度が大
きく変動するときは Ｑ＝Ｒｉ^２ Ｒ：センサーの抵抗値 ｉ：センサーに通電された電流値 において、発熱量Ｑが一定になるように電流値を適宜制
御することにより、同様に発熱体と流体の温度差の変化
から流体の状態変化を検出できるようになる。

本考案は以上のように発熱体の温度と流体の温度との差
に基ずいて流体の状態の変化を測定する方法を利用した
測定装置を構成するに際し、流体に層流を発生させる回
転羽根と流体の状態を測定するセンサーを外筒で包囲す
るようにしたものであって、第１〜４図において、
（１）は外筒、（２）は発熱体センサー、（３）は測温
センサーであって、これら両センサー（２）（３）は外
筒（１）に対してブラケット（４）で固定されている。
（５）…はリード線であり、図示しない制御装置に接続
されている。

センサー（２）（３）はその先端部分が検知部（２′）
（３′）になっていて、これら検知部（２′）（３′）
は外筒先端部（１′）の内側に位置している。

外筒先端部（１′）の前端面は開口（６）になってお
り、ここから筒内部に流体を引き込んでセンサー（２）
（３）で測定するようになっている。（７）…は筒内部
に引き込んだ流体を排出する排出孔である。

外筒（１）の基端側にはグリップ（８）が取り付けられ
ている。実施例のグリップ（８）はグリップ本体（８
ａ）と把持部（８ｂ）からなっており、第５図に示すよ
うに、斜めに形成された接合部（９）を介して把持部
（８ｂ）をグリップ本体（８ａ）に対して反転させるよ
うにして、グリップ（８）を曲がった形状のものにでき
るようになっている。（１０）はグリップ（８）の曲が
った形状を保持するためのストッパーである。

グリップ本体（８ａ）内部には図示しないモーターが装
置されており、把持部（８ｂ）内部には図示しないバッ
テリーが内蔵されていることにより、スイッチ（１１）
を操作するとモーターが稼働し、外筒（１）内において
回転軸（１２）が回転するようになっている。（１３）
はモーター駆動軸と回転軸（１２）を連結しているチャ
ックである。

回転軸（１２）先端部には、外筒先端部（１′）内にお
いて４枚の平板状の回転羽根（１４）…が取り付けられ
ている。なお、この回転羽根（１４）は第２図に示すよ
うにセンサー（２）（３）よりも内側で回転して、セン
サー（２）（３）にぶつからないような長さになってい
る。

従って、スイッチ（１１）を操作すると回転羽根（１
４）が回転し、外筒（１）内に回転流が生じ、センサー
（２）（３）に対して直角に流体がぶつかるのである
が、回転羽根（１４）の形状は種々のものに変えること
が可能であり、また、その形状によっては外筒（１）内
に生ずる流れの方向を変えられるようになっている。

第６図のものは回転羽根（１４）を外筒（１）の内径と
ほぼ同じ長さの３枚の平板状のもので構成すると共に、
回転の際にセンサー（２）（３）にぶつからないように
するためのスリット（１５）を穿設したものである。

次に、第７図のものは回転羽根（１４）を螺旋状に形成
して、回転軸（１２）に対して支持杆（１６）で固定し
たものである。回転羽根（１４）の中央部は空間（１
７）になっており、この空間（１７）内にセンサー
（２）（３）が嵌入していることにより、回転の際に回
転羽根（１４）とセンサー（２）（３）がぶつからない
ようになっている。なお、回転羽根（１４）を内側にし
て、センサー（２）（３）を外側に配設するようにする
こともできる。

第７図のように構成したものによれば、回転羽根（１
４）を回転せしめると、外筒（１）前端面の開口（６）
から流体が流入されて外筒（１）内に筒軸方向に沿った
流れが生じ、セッサー（２）（３）に沿って流体が流れ
るようになる。

次に、第８図のものは回転羽根（１４）をプロペラ状の
ものとし、このプロペラ羽根（１４）を回転軸（１２）
の先端に取り付けて流体を外筒（１）内に流入するよう
に構成したものである。また、外筒先端部（１′）には
整流板（１８）を設けることにより、プロペラ羽根（１
４）で流入された流体の流れを矯正し、外筒（１）内に
筒軸方向に沿った流れが確実に生じるようにしたもので
ある。なお、第８図のように構成したものによっても、
外筒（１）内に流入した流体は筒軸方向に沿って流れ、
センサー（２）（３）に沿って流体が流れることにな
る。

以上のように構成された本考案の測定装置によれば、グ
リップ（８）把持部（８ｂ）を持って外筒先端部
（１′）を流体中に浸漬し、開口（６）から外筒（１）
内に流体を引き込むと共に、スイッチ（１１）をＯＮに
して回転羽根（１４）を回転させて回転流もしくは筒軸
に沿った流れを生じせしめて、センサーに対して直角も
しくは平行に流体の流動状態を発生させる。

その状態で発熱体センサー（２）から流体に一定の熱量
を供給しながら測温センサー（３）で流体温度を測定し
て、両センサーの温度差から流体の状態変化を測定する
のである。

しかして、回転羽根の駆動装置を装着したハンディタイ
プの測定装置により、移動が容易で任意の箇所の流体の
状態が可能となり、回転羽根（１４）で外筒（１）内の
流れは一定の回転流もしくは筒軸に沿った流れを生じさ
せることによって安定した測定が行われる。

本案装置における測定はセンサーまわりにおいて流体が
乱流状態にあるより層流状態にあるほうが測定に支障の
ないことは第９図のデーターで示されている。

このデーターは流体として２５℃の水を用いて発熱セン
サーの発熱量を０．６Ｗ（ワット）で測定したもので、
回転羽根により筒体内に軸方向と直交する方向の流れを
生じせしめる装置の場合のものである。回転羽根は長さ
４０mmで半径１２mmのものであって、センサーは第１図
に示した構造であり、直径２mmのものを回転軸中心より
１８mm離れたところに設置したものである。この装置に
よって回転羽根の回転数を１０r,p,mと６０r,p,mにした
場合の発熱センサーと流体温度の温度差を測定値として
比較すると発熱開始から一定時間経過後の定常状態にお
いて１０r,p,mの測定値は安定した推移を示しているが
６０r,p,mにすると定常状態の測定値が乱れ、測定に影
響がでていることが解かる。

発熱センサーは熱伝達の変化を測定するセンサーである
から流体が乱流であると熱伝達も乱れるため測定値が乱
れるものと予測され、測定値から流体が乱流か層流であ
るかを予測することができる。なお、本案の装置は流体
の状態変化を測定するもので第９図の測定値の定常状態
から流体の粘度変化により異なる定常状態へと測定値が
変動する様子を測定することを目的としており、乱流の
影響と思われる測定値の変動は好ましくない状態であ
る。したがって回転羽根の回転数を制御することで層流
と思われる状態を簡単に実現できる。

（考案の効果） 以上何れにしても本考案の測定装置によれば、センサー
の傾きや被測定流体の流れの状況に影響されないで、外
筒内で一定方向の流動を発生させることができ、乱流状
態や不規則な流れを生じている測定槽内の流体について
も感度良く測定できる。

また、測定装置をハンディタイプのものに構成できるた
め、取扱が極めて便利で、装置を簡単に移動させていろ
いろな場所で流体の測定ができる。

しかも、装置自体の構造は簡単なものであるため取付、
洗浄などがしやすく、また破損等の恐れも少ないもので
ある。

なお、静止系の流体を測定するときは回転羽根を回転さ
せないで使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案装置の縦断面図、第２図は第１図Ａ−Ａ
線断面図、第３図は本考案装置の内部を省略した正面
図、第４図は本考案装置の分解図、第５図はグリップの
説明図、第６、７図は何れも回転羽根の斜視図、第８図
は外筒先端部の縦断面図、第９図は回転羽根の回転数に
よって層流状態が発生することを示す実測図。 １……外筒、 ２……発熱体センサー、 ３……測温センサー、 ８……グリップ、 １２……回転軸、 １４……回転羽根、 １８……整流板

Claims (7)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】流体に一定方向の流動状態を発生せしめる
   回転羽根と流体の状態を測定するセンサーを流体の出入
   口を有する外筒体で包囲してなる流体の状態の測定装
   置。
2. 【請求項２】回転羽根は外筒内に筒軸方向の流れを生じ
   させる螺旋羽根もしくはプロペラ羽根である請求項(1)
   の流体の状態変化の測定装置。
3. 【請求項３】外筒内において流体を筒軸方向に流すため
   の整流板を設けた請求項(2)の流体の状態変化の測定装
   置。
4. 【請求項４】回転羽根は外筒内において筒軸を中心に回
   転流を生じさせる平板の羽根である請求項(1)の流体の
   状態変化の測定装置。
5. 【請求項５】センサーは流体の温度を検出する測温セン
   サーと、発熱しながらその発熱温度を検出する発熱体セ
   ンサーからなる請求項(1)〜(4)の何れかの流体の状態変
   化の測定装置。
6. 【請求項６】各センサーは流体の流れ方向に沿って配置
   されていることを特徴とする請求項(2)または(3)の流体
   の状態変化の測定装置。
7. 【請求項７】各センサーは流体の流れ方向と直角に配置
   されていることを特徴とする請求項(4)の流体の状態変
   化の測定装置。