JPH11173968A - 液体性状測定方法及び液体性状測定装置 - Google Patents
液体性状測定方法及び液体性状測定装置Info
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- JPH11173968A JPH11173968A JP34342697A JP34342697A JPH11173968A JP H11173968 A JPH11173968 A JP H11173968A JP 34342697 A JP34342697 A JP 34342697A JP 34342697 A JP34342697 A JP 34342697A JP H11173968 A JPH11173968 A JP H11173968A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 液体の粘度と密度の二種類の物性値を同時に
測定する。 【解決手段】 被測定液体内に振動片２２を浸漬し、振
動片２２に取り付けた振動子２０に振動電圧を印加して
振動片２２に機械的振動を与えて振動片２２を共振周波
数ｆで共振させ、振動片２２が共振周波数ｆで振動する
とき、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐ
の３つの特性のうち、少なくとも２つの特性を振動セン
サ２１から検出する過程と、得られた２つの特性から被
測定液体の密度ρと粘度ηとを演算する。共振周波数
ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐ
の３種値のうちいずれか２つの値を測定すれば、共振周
波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐの独立な相関関
係を示す式から密度ρ及び粘度ηを求めることができ
る。
測定する。 【解決手段】 被測定液体内に振動片２２を浸漬し、振
動片２２に取り付けた振動子２０に振動電圧を印加して
振動片２２に機械的振動を与えて振動片２２を共振周波
数ｆで共振させ、振動片２２が共振周波数ｆで振動する
とき、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐ
の３つの特性のうち、少なくとも２つの特性を振動セン
サ２１から検出する過程と、得られた２つの特性から被
測定液体の密度ρと粘度ηとを演算する。共振周波数
ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐ
の３種値のうちいずれか２つの値を測定すれば、共振周
波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐの独立な相関関
係を示す式から密度ρ及び粘度ηを求めることができ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体の性状検出、
特に液体の粘度と密度を同時に計測できる液体性状測定
方法及び液体性状測定装置に関するものである。
特に液体の粘度と密度を同時に計測できる液体性状測定
方法及び液体性状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】産業システム自動化の進展に伴い、自動
運転の正確性、安全性、最適化のために、リアルタイム
で液体の様々な物性値を利用することが必要となり、こ
のため液体の物性値を測定するセンサ素子の重要性が益
々高まりつつある。例えば、ディーゼルエンジン、ガソ
リンエンジン等の燃料油、潤滑油又はその他の一般液体
の粘度又は密度を測定する必要がある。
運転の正確性、安全性、最適化のために、リアルタイム
で液体の様々な物性値を利用することが必要となり、こ
のため液体の物性値を測定するセンサ素子の重要性が益
々高まりつつある。例えば、ディーゼルエンジン、ガソ
リンエンジン等の燃料油、潤滑油又はその他の一般液体
の粘度又は密度を測定する必要がある。
【０００３】特開平２−２１３７４３号公報に示される
ように、水晶振動子を用いた発振型の粘度センサによ
り、粘度・密度積の平方根に比例する共振周波数特性か
ら粘度と密度との２つの混合物性値を測定する小型で高
感度な液体性状測定装置が近年開発されている。液体の
粘度と密度は本来別個の独立した物性値であるが、両者
の間には一般的に正の相関関係があり、被測定液体の粘
度又は密度の一方を測定できれば、粘度と密度との関係
を示す実測値から他方を推定できることが知られてい
る。しかしながら、種類の異なった複数種類の液体につ
いてそれぞれの粘度と密度とを測定する場合には、粘度
−密度特性は液体の種類によって様々であり一定ではな
いことから、得られた粘度・密度積の値から一義的に粘
度と密度の値を計算することは困難であった。従って、
複数の液体の粘度と密度とをそれぞれ測定する場合には
別々の粘度センサと密度センサを用いて各物性値を測定
する必要があった。
ように、水晶振動子を用いた発振型の粘度センサによ
り、粘度・密度積の平方根に比例する共振周波数特性か
ら粘度と密度との２つの混合物性値を測定する小型で高
感度な液体性状測定装置が近年開発されている。液体の
粘度と密度は本来別個の独立した物性値であるが、両者
の間には一般的に正の相関関係があり、被測定液体の粘
度又は密度の一方を測定できれば、粘度と密度との関係
を示す実測値から他方を推定できることが知られてい
る。しかしながら、種類の異なった複数種類の液体につ
いてそれぞれの粘度と密度とを測定する場合には、粘度
−密度特性は液体の種類によって様々であり一定ではな
いことから、得られた粘度・密度積の値から一義的に粘
度と密度の値を計算することは困難であった。従って、
複数の液体の粘度と密度とをそれぞれ測定する場合には
別々の粘度センサと密度センサを用いて各物性値を測定
する必要があった。
【０００４】自動車、船舶、鉄道等の運輸機器及び産業
用システムの動力源として多用されるディーゼルエンジ
ン機関では、粘度及び密度の異なる１号〜３号の数種類
の燃料用軽油が季節及び使用場所に応じて使い分けられ
る。軽油は、稼動環境及び種類によって粘度と密度が変
動するため、燃料噴射量が多様に変化する不具合があ
る。最近では、軽油の燃料性状を測定して最適燃料供給
量を決定し、電子制御型燃料噴射ポンプにより作動され
る自家用乗用車ディーゼルエンジンが開発されている
が、温度計測から推定した軽油の粘度値と密度値とを採
用しているのが実状である。現在使用されている燃料温
度センサに代わり、粘度・密度を直接測定できる安価な
センサが実用化されれば、より緻密かつ高効率な燃料噴
射制御が可能になる。
用システムの動力源として多用されるディーゼルエンジ
ン機関では、粘度及び密度の異なる１号〜３号の数種類
の燃料用軽油が季節及び使用場所に応じて使い分けられ
る。軽油は、稼動環境及び種類によって粘度と密度が変
動するため、燃料噴射量が多様に変化する不具合があ
る。最近では、軽油の燃料性状を測定して最適燃料供給
量を決定し、電子制御型燃料噴射ポンプにより作動され
る自家用乗用車ディーゼルエンジンが開発されている
が、温度計測から推定した軽油の粘度値と密度値とを採
用しているのが実状である。現在使用されている燃料温
度センサに代わり、粘度・密度を直接測定できる安価な
センサが実用化されれば、より緻密かつ高効率な燃料噴
射制御が可能になる。
【０００５】現在までに、液体の物性値を測定する装置
として、粘度計、密度計、温度計、電気伝導度計等の計
測装置が開発されている。このような計測装置の内、回
転型粘度計は粘度のみを測定し、振動型密度計は密度の
みを測定するため、これらの装置を用いた場合には、被
測定液体の単一物性値のみしか測定できない制約があっ
た。他面、水晶振動子を備えた発振型の振動センサを用
いて粘度及び密度を測定するときには、発振周波数ｆ、
液体の密度ρ及び液体の粘度ηとの間に下式の関係が成
立する事を利用する。 ｆ＝α（ρη）1/2＋β 上式では、αは比例定数、βは定数であり、発振周波数
ｆから液体の粘度ηと密度ρとの積ρ・ηが得られる
が、密度ρ及び粘度ηの各値を独立に算定できず、密度
ρ及び粘度ηの一方が既知でなければ他方の物性値を特
定できない制約があった。
として、粘度計、密度計、温度計、電気伝導度計等の計
測装置が開発されている。このような計測装置の内、回
転型粘度計は粘度のみを測定し、振動型密度計は密度の
みを測定するため、これらの装置を用いた場合には、被
測定液体の単一物性値のみしか測定できない制約があっ
た。他面、水晶振動子を備えた発振型の振動センサを用
いて粘度及び密度を測定するときには、発振周波数ｆ、
液体の密度ρ及び液体の粘度ηとの間に下式の関係が成
立する事を利用する。 ｆ＝α（ρη）1/2＋β 上式では、αは比例定数、βは定数であり、発振周波数
ｆから液体の粘度ηと密度ρとの積ρ・ηが得られる
が、密度ρ及び粘度ηの各値を独立に算定できず、密度
ρ及び粘度ηの一方が既知でなければ他方の物性値を特
定できない制約があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記のように、水晶振
動子を用いた小型の液体性状測定装置では、液体の粘度
ηと密度ρとの積の値を計測できるが、各物性値を独立
に検出することはできなかった。また、数ＭＨｚの高い
振動周波数で振動する水晶振動子では、発振回路と出力
検出回路のコストが高くなり、高周波振動子に起因し
て、センサの感度が非常に高い利点がある反面、センサ
に付着した汚れ等の質量付加の影響を受けやすい欠点も
ある。
動子を用いた小型の液体性状測定装置では、液体の粘度
ηと密度ρとの積の値を計測できるが、各物性値を独立
に検出することはできなかった。また、数ＭＨｚの高い
振動周波数で振動する水晶振動子では、発振回路と出力
検出回路のコストが高くなり、高周波振動子に起因し
て、センサの感度が非常に高い利点がある反面、センサ
に付着した汚れ等の質量付加の影響を受けやすい欠点も
ある。
【０００７】本発明は、液体の粘度と密度の二種類の物
性値を同時に測定できる液体性状測定方法及び液体性状
測定装置を提供することを目的とする。また、本発明
は、汚染による影響が少ない液体性状測定方法及び液体
性状測定装置を提供することを目的とする。更に、本発
明は、振動周波数の低い音叉型振動片を使用する小型で
安価な液体性状測定方法及び液体性状測定装置を提供す
ることを目的とする。
性値を同時に測定できる液体性状測定方法及び液体性状
測定装置を提供することを目的とする。また、本発明
は、汚染による影響が少ない液体性状測定方法及び液体
性状測定装置を提供することを目的とする。更に、本発
明は、振動周波数の低い音叉型振動片を使用する小型で
安価な液体性状測定方法及び液体性状測定装置を提供す
ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による液体性状測
定方法は、被測定液体内に振動片（２２）を浸漬する過
程と、振動片（２２）に取り付けた振動子（２０）に振
動電圧を印加して振動片（２２）に機械的振動を与えて
振動片（２２）を共振周波数（ｆ）で共振させる過程
と、振動片（２２）が共振周波数（ｆ）で振動すると
き、共振周波数（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及び入出力位
相差（Ｐ）の３つの特性のうち、少なくとも２つの特性
を振動センサ（２１）から検出する過程と、得られた２
つの特性から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを
演算する過程とを含む。
定方法は、被測定液体内に振動片（２２）を浸漬する過
程と、振動片（２２）に取り付けた振動子（２０）に振
動電圧を印加して振動片（２２）に機械的振動を与えて
振動片（２２）を共振周波数（ｆ）で共振させる過程
と、振動片（２２）が共振周波数（ｆ）で振動すると
き、共振周波数（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及び入出力位
相差（Ｐ）の３つの特性のうち、少なくとも２つの特性
を振動センサ（２１）から検出する過程と、得られた２
つの特性から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを
演算する過程とを含む。
【０００９】振動片（２２）が被測定液体中にあると
き、共振周波数ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び
入出力位相差Ｐは、液体の粘度η及び密度ρに依存して
変化することが知られており、その関係式に関し、本発
明の実施例の場合には下式のような実験式が得られてい
る。 ｆ＝−８９２ρ0.98＋１４０８３ （１） Ｑ＝２３６ρ-0.52・η-0.66＋８８ （２） Ｐ＝１３.５ρ-0.3・η-0.42＋７３.２ （３） 共振周波数ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び入出
力位相差Ｐの３種値のうちいずれか２つの値を測定すれ
ば、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐの独
立な相関関係を示す式（１）〜（３）から密度ρ及び粘
度ηを求めることができる。この場合、共振周波数ｆと
密度ρとの関係を表す式（１）を利用すると、密度ρ及
び粘度ηを比較的容易に求めることができる。上式を一
般化すると下式が得られる。 ｆ＝ａρK＋ｂ （４） Ｑ＝ｃρMηN＋ｄ （５） Ｐ＝ｅρOηR＋ｇ （６） 式（４）より、密度ρを下式のように求める。
き、共振周波数ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び
入出力位相差Ｐは、液体の粘度η及び密度ρに依存して
変化することが知られており、その関係式に関し、本発
明の実施例の場合には下式のような実験式が得られてい
る。 ｆ＝−８９２ρ0.98＋１４０８３ （１） Ｑ＝２３６ρ-0.52・η-0.66＋８８ （２） Ｐ＝１３.５ρ-0.3・η-0.42＋７３.２ （３） 共振周波数ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭度Ｑ及び入出
力位相差Ｐの３種値のうちいずれか２つの値を測定すれ
ば、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐの独
立な相関関係を示す式（１）〜（３）から密度ρ及び粘
度ηを求めることができる。この場合、共振周波数ｆと
密度ρとの関係を表す式（１）を利用すると、密度ρ及
び粘度ηを比較的容易に求めることができる。上式を一
般化すると下式が得られる。 ｆ＝ａρK＋ｂ （４） Ｑ＝ｃρMηN＋ｄ （５） Ｐ＝ｅρOηR＋ｇ （６） 式（４）より、密度ρを下式のように求める。
【００１０】
【数４】
【００１１】式（７）の密度ρを式（５）に代入して、
粘度ηを下式のように求める。
粘度ηを下式のように求める。
【００１２】
【数５】
【００１３】また、式（５）（６）に示す共振周波数ｆ
及び入出力位相差Ｐの組み合わせから密度ρ、粘度ηを
下式のように求める。
及び入出力位相差Ｐの組み合わせから密度ρ、粘度ηを
下式のように求める。
【００１４】
【数６】
【００１５】この場合でも上記と同様に密度ρと粘度η
とを得ることができるが、追加されるパラメータ分だけ
やや複雑になる。式（７）（８）の右辺は式（９）（１
０）の右辺の特殊な場合である。
とを得ることができるが、追加されるパラメータ分だけ
やや複雑になる。式（７）（８）の右辺は式（９）（１
０）の右辺の特殊な場合である。
【００１６】前記のように、本発明では音叉型振動片を
用いた液体性状測定装置では、共振周波数ｆ、共振先鋭
度Ｑ、入出力位相差Ｐのうち、いずれか２種類のセンサ
出力より、粘度と密度の値が同時に計測できる。
用いた液体性状測定装置では、共振周波数ｆ、共振先鋭
度Ｑ、入出力位相差Ｐのうち、いずれか２種類のセンサ
出力より、粘度と密度の値が同時に計測できる。
【００１７】本発明の実施の形態では、共振周波数
（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及び入出力位相差（Ｐ）の下
記３つの組合せ値： １ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）、 ２ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力位相差
（Ｐ）、 ３ 被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）と被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力
位相差（Ｐ）、のうち、少なくとも２つの組合せ値から
被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを求めることが
できる。
（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及び入出力位相差（Ｐ）の下
記３つの組合せ値： １ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）、 ２ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力位相差
（Ｐ）、 ３ 被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）と被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力
位相差（Ｐ）、のうち、少なくとも２つの組合せ値から
被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを求めることが
できる。
【００１８】本発明による液体性状測定装置では、被測
定液体内に浸漬される振動片（２２）、振動片（２２）
に機械的振動を与える振動子（２０）及び振動片（２
２）の振動状態に対応する電気出力を発生する振動セン
サ（２１）とを有する発振装置（１３）と、発振装置
（１３）の振動子（２０）に振動電圧を印加する発振器
（３１）と、少なくとも下記の３つの回路： １ 振動子（２０）の共振周波数（ｆ）を検出する周波
数測定回路（２３）、 ２ 振動センサ（２１）に接続されかつ振動子（２０）
の共振先鋭度（Ｑ）を検出するＱ測定回路、 ３ 振動センサ（２１）に接続されかつ振動子（２０）
と振動センサ（２１）との入出力位相差（Ｐ）を検出す
る位相差測定回路、 のうち少なくとも２つの回路と、これらの２つの回路の
出力から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）を演算す
る性状演算回路（２５）とを備えている。
定液体内に浸漬される振動片（２２）、振動片（２２）
に機械的振動を与える振動子（２０）及び振動片（２
２）の振動状態に対応する電気出力を発生する振動セン
サ（２１）とを有する発振装置（１３）と、発振装置
（１３）の振動子（２０）に振動電圧を印加する発振器
（３１）と、少なくとも下記の３つの回路： １ 振動子（２０）の共振周波数（ｆ）を検出する周波
数測定回路（２３）、 ２ 振動センサ（２１）に接続されかつ振動子（２０）
の共振先鋭度（Ｑ）を検出するＱ測定回路、 ３ 振動センサ（２１）に接続されかつ振動子（２０）
と振動センサ（２１）との入出力位相差（Ｐ）を検出す
る位相差測定回路、 のうち少なくとも２つの回路と、これらの２つの回路の
出力から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）を演算す
る性状演算回路（２５）とを備えている。
【００１９】本発明の実施の形態では、周波数測定回路
（２３）で検出した共振周波数（ｆ）から被測定液体の
密度（ρ）を検出する密度演算回路（２６）又は電気出
力測定回路（２４）に設けられたＱ測定回路及び位相差
測定回路の出力から被測定液体の密度（ρ）と粘度
（η）とを演算する指数演算回路（２７）を備えてもよ
い。
（２３）で検出した共振周波数（ｆ）から被測定液体の
密度（ρ）を検出する密度演算回路（２６）又は電気出
力測定回路（２４）に設けられたＱ測定回路及び位相差
測定回路の出力から被測定液体の密度（ρ）と粘度
（η）とを演算する指数演算回路（２７）を備えてもよ
い。
【００２０】本発明の実施の形態では、ａ、ｂを定数と
し、ｆを共振周波数とすると、密度演算回路（２６）
は、下式：
し、ｆを共振周波数とすると、密度演算回路（２６）
は、下式：
【００２１】
【数７】
【００２２】により被測定液体の密度（ρ）を検出す
る。
る。
【００２３】指数演算回路（２７）は、ａ、ｂ、ｃ、ｄ
を定数とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とする
と、下式：
を定数とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とする
と、下式：
【００２４】
【数８】
【００２５】により被測定液体の粘度（η）を演算す
る。
る。
【００２６】指数演算回路（２７）は、ａ、ｂ、ｃ、ｄ
を定数とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とする
と、下式：
を定数とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とする
と、下式：
【００２７】
【数９】
【００２８】により被測定液体の密度（ρ）と粘度
（η）とを演算する。
（η）とを演算する。
【００２９】振動子（２０）及び振動センサ（２１）
は、結晶振動子若しくはセラミック振動子等の圧電型振
動子又は金属磁歪振動子若しくはフェライト振動子等の
磁歪型振動子であり、振動片（２２）は音叉型振動片で
ある。電気出力測定回路（２４）は、共振先鋭度（Ｑ）
を測定するＱ測定回路又は入出力位相差（Ｐ）を測定す
る位相差測定回路のいずれか又は両方を備えている。
は、結晶振動子若しくはセラミック振動子等の圧電型振
動子又は金属磁歪振動子若しくはフェライト振動子等の
磁歪型振動子であり、振動片（２２）は音叉型振動片で
ある。電気出力測定回路（２４）は、共振先鋭度（Ｑ）
を測定するＱ測定回路又は入出力位相差（Ｐ）を測定す
る位相差測定回路のいずれか又は両方を備えている。
【００３０】振動子（２０）及び振動センサ（２１）
は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、複合ペロ
ブスカイト（Ａ（Ｂ1，ＢH）Ｏ3−ＰＺＴ）、チタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ナイオベイト（ＰｂＮｂ2Ｏ6）等
の圧電セラミックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）等の薄膜圧電体、ポリフッ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチ
レンの共重合体等の有機圧電高分子材料チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、酸化亜鉛薄膜の
いずれかから選択される圧電体である。振動片（２２）
は、一対のカンチレバー部（２２ａ、２２ｂ）と、一対
のカンチレバー部（２２ａ、２２ｂ）を結合する連結部
（２２ｃ）とによりほぼＵ字状に形成された音叉型振動
片で構成される。
は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、複合ペロ
ブスカイト（Ａ（Ｂ1，ＢH）Ｏ3−ＰＺＴ）、チタン酸
鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ナイオベイト（ＰｂＮｂ2Ｏ6）等
の圧電セラミックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）等の薄膜圧電体、ポリフッ化ビニリデ
ン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチ
レンの共重合体等の有機圧電高分子材料チタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、酸化亜鉛薄膜の
いずれかから選択される圧電体である。振動片（２２）
は、一対のカンチレバー部（２２ａ、２２ｂ）と、一対
のカンチレバー部（２２ａ、２２ｂ）を結合する連結部
（２２ｃ）とによりほぼＵ字状に形成された音叉型振動
片で構成される。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下、本発明による液体性状測定
方法及び液体性状測定装置の実施の形態を図１〜図６に
ついて説明する。
方法及び液体性状測定装置の実施の形態を図１〜図６に
ついて説明する。
【００３２】図１に示すように、この発明による液体性
状測定装置１は、一対のカンチレバー部２２ａ、２２ｂ
と、一対のカンチレバー部２２ａ、２２ｂを結合する連
結部２２ｃとによりほぼＵ字状に形成された音叉型の振
動片２２を備えている。一方のカンチレバー部２２ａに
は発振装置１３の入力端子１３ａが接続される振動子２
０が固着され、他方のカンチレバー部２２ｂには発振装
置１３の出力端子１３ｂが接続される振動センサ２１が
固着される。共振周波数ｆの温度特性は、基本的には振
動片２２の形状、材料特性及び材料の線膨張係数に依存
するが、振動片２２は、エリンバー合金、エルコロイ合
金、ＮｉスパンＣ等の線膨張係数が０（／℃）に近く、
熱変形量の小さい材料で音叉型振動片を作製することが
望ましい。
状測定装置１は、一対のカンチレバー部２２ａ、２２ｂ
と、一対のカンチレバー部２２ａ、２２ｂを結合する連
結部２２ｃとによりほぼＵ字状に形成された音叉型の振
動片２２を備えている。一方のカンチレバー部２２ａに
は発振装置１３の入力端子１３ａが接続される振動子２
０が固着され、他方のカンチレバー部２２ｂには発振装
置１３の出力端子１３ｂが接続される振動センサ２１が
固着される。共振周波数ｆの温度特性は、基本的には振
動片２２の形状、材料特性及び材料の線膨張係数に依存
するが、振動片２２は、エリンバー合金、エルコロイ合
金、ＮｉスパンＣ等の線膨張係数が０（／℃）に近く、
熱変形量の小さい材料で音叉型振動片を作製することが
望ましい。
【００３３】振動子２０及び振動センサ２１は、結晶振
動子若しくはセラミック振動子等の圧電型振動子又は金
属磁歪振動子若しくはフェライト振動子等の磁歪型振動
子である。振動子２０及び振動センサ２１は、チタン酸
ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ3）、複合ペロブスカイト（Ａ
（Ｂ1，ＢH）Ｏ3−ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉ
Ｏ3）、ナイオベイト（ＰｂＮｂ2Ｏ6）等の圧電セラミ
ックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）等の薄膜圧電体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重
合体等の有機圧電高分子材料チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）、チタン酸バリウム、酸化亜鉛薄膜のいずれかか
ら選択される圧電体でもよい。
動子若しくはセラミック振動子等の圧電型振動子又は金
属磁歪振動子若しくはフェライト振動子等の磁歪型振動
子である。振動子２０及び振動センサ２１は、チタン酸
ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ3）、複合ペロブスカイト（Ａ
（Ｂ1，ＢH）Ｏ3−ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉ
Ｏ3）、ナイオベイト（ＰｂＮｂ2Ｏ6）等の圧電セラミ
ックス、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）等の薄膜圧電体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）、フッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重
合体等の有機圧電高分子材料チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）、チタン酸バリウム、酸化亜鉛薄膜のいずれかか
ら選択される圧電体でもよい。
【００３４】また、振動子２０及び振動センサ２１に含
まれる温度特性を考慮して実際の粘度と密度とを測定す
ることが必要である。例えば、振動片２２を駆動する振
動子２０及び振動センサ２１を構成する圧電体の接着部
分の強度、熱歪み等の機械的特性及び誘電率、絶縁抵抗
等の電気的特性が温度変化によって変動しない接着材料
及び接着方法を選定することも重要である。共振周波数
ｆの温度特性の対策を施し、更に液体性状測定装置１の
近傍に設置した温度センサで僅かに残る共振周波数ｆの
温度特性を補正すれば、温度変化に伴う共振周波数ｆへ
の影響は実用上無視できる。
まれる温度特性を考慮して実際の粘度と密度とを測定す
ることが必要である。例えば、振動片２２を駆動する振
動子２０及び振動センサ２１を構成する圧電体の接着部
分の強度、熱歪み等の機械的特性及び誘電率、絶縁抵抗
等の電気的特性が温度変化によって変動しない接着材料
及び接着方法を選定することも重要である。共振周波数
ｆの温度特性の対策を施し、更に液体性状測定装置１の
近傍に設置した温度センサで僅かに残る共振周波数ｆの
温度特性を補正すれば、温度変化に伴う共振周波数ｆへ
の影響は実用上無視できる。
【００３５】また、液体性状測定装置１は、発振装置１
３と、発振装置１３の入力端子１３ａに振動電圧を印加
する発振器３１と、発振装置１３の入力端子１３ａに印
加される振動電圧の共振周波数ｆを検出する周波数測定
回路２３と、周波数測定回路２３で検出した共振周波数
ｆから被測定液体として燃料液体の密度ρを検出する密
度演算回路２６と、発振装置１３の電極により構成され
る出力端子１３ｂからの電気出力を測定する電気出力測
定回路２４と、周波数測定回路２３及び電気出力測定回
路２４から燃料液体の密度ρと粘度ηとを演算する性状
演算回路２５とを備えている。発振器３１は、パルス発
生装置又は交流電源が使用される。性状演算回路２５
は、周波数測定回路２３で検出した共振周波数ｆから被
測定液体の密度ρを検出する密度演算回路２６と、電気
出力測定回路２４から被測定液体の粘度ηとの積ξを演
算する指数演算回路２７とによって構成される。電気出
力測定回路２４は、共振先鋭度Ｑを測定するＱ測定回路
又は入出力位相差Ｐを測定する位相差測定回路のいずれ
か又は両方により構成される。性状演算回路２５は、密
度演算回路２６と指数演算回路２７との出力から被測定
液体の密度ρと粘度ηを演算する。
３と、発振装置１３の入力端子１３ａに振動電圧を印加
する発振器３１と、発振装置１３の入力端子１３ａに印
加される振動電圧の共振周波数ｆを検出する周波数測定
回路２３と、周波数測定回路２３で検出した共振周波数
ｆから被測定液体として燃料液体の密度ρを検出する密
度演算回路２６と、発振装置１３の電極により構成され
る出力端子１３ｂからの電気出力を測定する電気出力測
定回路２４と、周波数測定回路２３及び電気出力測定回
路２４から燃料液体の密度ρと粘度ηとを演算する性状
演算回路２５とを備えている。発振器３１は、パルス発
生装置又は交流電源が使用される。性状演算回路２５
は、周波数測定回路２３で検出した共振周波数ｆから被
測定液体の密度ρを検出する密度演算回路２６と、電気
出力測定回路２４から被測定液体の粘度ηとの積ξを演
算する指数演算回路２７とによって構成される。電気出
力測定回路２４は、共振先鋭度Ｑを測定するＱ測定回路
又は入出力位相差Ｐを測定する位相差測定回路のいずれ
か又は両方により構成される。性状演算回路２５は、密
度演算回路２６と指数演算回路２７との出力から被測定
液体の密度ρと粘度ηを演算する。
【００３６】図１に示す液体性状測定装置１により燃料
液体の密度及び粘度を測定するとき、図２に示すよう
に、容器３０内に入れた燃料液体内に振動片２２を浸漬
し、振動片２２に固定した振動子２０、連結部２２ｃ及
び振動センサ２１をそれぞれインピーダンスアナライザ
３６の入力線３２、アース線３３及び出力線３４に接続
する。燃料液体は、２５℃の室温に保持した軽油、灯
油、トリクレン（トリクロロエチレン）、イソプロピル
アルコール、フロリナートである。インピーダンスアナ
ライザ３６はパーソナルコンピュータ３５で制御され、
インピーダンスアナライザ３６内に設けられた発振器３
１から振動片２２に一定振幅の振動電圧を印加して振動
子２０を機械的に振動させると共に、振動センサ２１か
らの出力信号は再度インピーダンスアナライザ３１に取
り込まれる。パーソナルコンピュータ３５の制御により
所定の周波数幅にわたり入力信号の周波数を掃引し、周
波数ｆ、入出力振幅比Ｇ及び入出力位相差Ｐを測定す
る。その後、（ｆ1，Ｇ1，Ｐ1）・・・（ｆi，Ｇi，
Ｐi）・・・（ｆn，Ｇn，Ｐn）のデータが得られる。
液体の密度及び粘度を測定するとき、図２に示すよう
に、容器３０内に入れた燃料液体内に振動片２２を浸漬
し、振動片２２に固定した振動子２０、連結部２２ｃ及
び振動センサ２１をそれぞれインピーダンスアナライザ
３６の入力線３２、アース線３３及び出力線３４に接続
する。燃料液体は、２５℃の室温に保持した軽油、灯
油、トリクレン（トリクロロエチレン）、イソプロピル
アルコール、フロリナートである。インピーダンスアナ
ライザ３６はパーソナルコンピュータ３５で制御され、
インピーダンスアナライザ３６内に設けられた発振器３
１から振動片２２に一定振幅の振動電圧を印加して振動
子２０を機械的に振動させると共に、振動センサ２１か
らの出力信号は再度インピーダンスアナライザ３１に取
り込まれる。パーソナルコンピュータ３５の制御により
所定の周波数幅にわたり入力信号の周波数を掃引し、周
波数ｆ、入出力振幅比Ｇ及び入出力位相差Ｐを測定す
る。その後、（ｆ1，Ｇ1，Ｐ1）・・・（ｆi，Ｇi，
Ｐi）・・・（ｆn，Ｇn，Ｐn）のデータが得られる。
【００３７】更に、上記データ列から、入出力振幅比Ｇ
が最大値となる時の周波数を共振周波数ｆｒとし、共振
周波数ｆｒでの入出力振幅比Ｇ、入出力位相差Ｐを入出
力振幅比Ｇｒ、入出力位相差Ｐｒとする。図６に示すよ
うに、入出力振幅比Ｇｒから３ｄＢ減衰した点での周波
数幅Δｆを用いて、Ｑ＝ｆｒ／Δｆの計算式より共振先
鋭度Ｑを求め、一回の周波数掃引からｆｒ、Ｇｒ、Ｐ
ｒ、Ｑのデータを得る。
が最大値となる時の周波数を共振周波数ｆｒとし、共振
周波数ｆｒでの入出力振幅比Ｇ、入出力位相差Ｐを入出
力振幅比Ｇｒ、入出力位相差Ｐｒとする。図６に示すよ
うに、入出力振幅比Ｇｒから３ｄＢ減衰した点での周波
数幅Δｆを用いて、Ｑ＝ｆｒ／Δｆの計算式より共振先
鋭度Ｑを求め、一回の周波数掃引からｆｒ、Ｇｒ、Ｐ
ｒ、Ｑのデータを得る。
【００３８】被検液体の粘度と密度は別途、測定機器を
用いて測定し、共振周波数ｆｒの粘度・密度依存性ｆｒ
（ρ，η）、共振先鋭度Ｑｒの粘度・密度依存性Ｑｒ
（ρ，η）、入出力位相差Ｐｒの粘度・密度依存性Ｐｒ
（ρ，η）を算出するため、音叉型振動片振動子も水晶
振動子と同じ振動型の粘度・密度センサであると考え、
それぞれの音叉型振動片の出力値に対して、水晶振動子
の場合と同様の特性方程式が成立すると仮定する。 ｆｒ＝ａρhηi＋ｂ （１１） Ｑｒ＝ｃρjηk＋ｄ （１２） Ｐｒ＝ｅρiηm＋ｇ （１３） 次に、先に測定した各種液体毎のρ、η、ｆｒ、Ｑｒ、
Ｐｒのデータを式（１１）（１２）（１３）に代入し、
数値計算により最も相関係数の高いρ、ηの指数値及び
係数値を求めた結果、それぞれ９５％以上の相関係数を
持つｆｒ、Ｑｒ、Ｐｒの特性方程式が得られ、実用上十
分な粘度値と密度値が得られた。
用いて測定し、共振周波数ｆｒの粘度・密度依存性ｆｒ
（ρ，η）、共振先鋭度Ｑｒの粘度・密度依存性Ｑｒ
（ρ，η）、入出力位相差Ｐｒの粘度・密度依存性Ｐｒ
（ρ，η）を算出するため、音叉型振動片振動子も水晶
振動子と同じ振動型の粘度・密度センサであると考え、
それぞれの音叉型振動片の出力値に対して、水晶振動子
の場合と同様の特性方程式が成立すると仮定する。 ｆｒ＝ａρhηi＋ｂ （１１） Ｑｒ＝ｃρjηk＋ｄ （１２） Ｐｒ＝ｅρiηm＋ｇ （１３） 次に、先に測定した各種液体毎のρ、η、ｆｒ、Ｑｒ、
Ｐｒのデータを式（１１）（１２）（１３）に代入し、
数値計算により最も相関係数の高いρ、ηの指数値及び
係数値を求めた結果、それぞれ９５％以上の相関係数を
持つｆｒ、Ｑｒ、Ｐｒの特性方程式が得られ、実用上十
分な粘度値と密度値が得られた。
【００３９】本発明の評価結果について以下に述べる。
式（１１）〜（１３）は、実験及びデータ解析の結果得
られたｆｒ、Ｑｒ、Ｐｒのρ、ηに関する特性方程式で
ある。共振周波数ｆｒの式（１１）では、解析の結果、
粘度ηの指数値がほぼ０であり、ηiの項はほぼ１とな
るので粘度感度は除外した。このように、音叉型振動片
の共振周波数は殆ど粘度の影響を受けずに、主に密度の
みによって決定される。共振先鋭度Ｑｒ及び入出力位相
差Ｐｒの式（１２）（１３）では、密度ρ、粘度ηのど
ちらの指数値も０以外の値が決定され、密度感度、粘度
感度共に有する。図３、図４及び図５は、上記の実験に
よって得られたデータが、解析の結果求められたρhηi
パラメータに対してどのような相関を持つかについて具
体的に示すグラフである。図３〜図５に示すように、共
振周波数ｆｒ、共振先鋭度Ｑｒ、入出力位相差Ｐｒのセ
ンサ出力値は、それぞれのρhηiパラメータに対して明
瞭な直線関係を示し、式（１２）（１３）の特性方程式
の有効性を示す。
式（１１）〜（１３）は、実験及びデータ解析の結果得
られたｆｒ、Ｑｒ、Ｐｒのρ、ηに関する特性方程式で
ある。共振周波数ｆｒの式（１１）では、解析の結果、
粘度ηの指数値がほぼ０であり、ηiの項はほぼ１とな
るので粘度感度は除外した。このように、音叉型振動片
の共振周波数は殆ど粘度の影響を受けずに、主に密度の
みによって決定される。共振先鋭度Ｑｒ及び入出力位相
差Ｐｒの式（１２）（１３）では、密度ρ、粘度ηのど
ちらの指数値も０以外の値が決定され、密度感度、粘度
感度共に有する。図３、図４及び図５は、上記の実験に
よって得られたデータが、解析の結果求められたρhηi
パラメータに対してどのような相関を持つかについて具
体的に示すグラフである。図３〜図５に示すように、共
振周波数ｆｒ、共振先鋭度Ｑｒ、入出力位相差Ｐｒのセ
ンサ出力値は、それぞれのρhηiパラメータに対して明
瞭な直線関係を示し、式（１２）（１３）の特性方程式
の有効性を示す。
【００４０】周波数測定回路２３によって振動片２２の
共振周波数ｆを測定する。図３に示すように、共振周波
数ｆ（Ｈｚ）と被測定液体の密度ρとの関係が予め実測
され、式（７）中のａ、ｂ、ｋは既知の値であるから、
密度演算回路２６は測定した共振周波数ｆから燃料液体
の密度ρを検出することができる。図３に示すように、
共振周波数ｆ出力は粘度の大きさには殆ど依存せず、ρ
0.98にほぼ比例して、密度の増大によって共振周波数ｆ
の出力は減少する。
共振周波数ｆを測定する。図３に示すように、共振周波
数ｆ（Ｈｚ）と被測定液体の密度ρとの関係が予め実測
され、式（７）中のａ、ｂ、ｋは既知の値であるから、
密度演算回路２６は測定した共振周波数ｆから燃料液体
の密度ρを検出することができる。図３に示すように、
共振周波数ｆ出力は粘度の大きさには殆ど依存せず、ρ
0.98にほぼ比例して、密度の増大によって共振周波数ｆ
の出力は減少する。
【００４１】また、燃料液体内に振動片２２を浸漬した
状態で振動子２０に振動電圧を印加して振動子２０を共
振周波数ｆで振動させると、Ｑ測定回路及び位相差測定
回路を備えた電気出力測定回路２４は振動センサ２２か
ら共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐの値を含む電気出力
を取り出して、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐを検出
する。図４及び図５に示すように、共振先鋭度Ｑとρh
ηiパラメータ及び入出力位相差Ｐとρhηiパラメータ
との関係が予め実測され、式（８）（９）（１０）中の
ｃ、ｄ、ｅ、ｇ、Ｍ、Ｎ、Ｏ及びＲは既知の値であるか
ら、指数演算回路２７は、測定した共振先鋭度Ｑと入出
力位相差Ｐから燃料液体の密度ρ及び粘度ηを検出する
ことができる。図４では、共振先鋭度Ｑは粘度と密度の
両方の影響を受けてρ-0.52・η-0.66に比例する特性が
得られる。図５では、入出力位相差Ｐは粘度と密度の両
方の影響を受けてρ-0.3・η-0.42に比例する特性が得
られる。共振先鋭度Ｑ値、入出力位相差Ｐでは、粘度と
密度の増加によってそれぞれのセンサ出力は減少する。
状態で振動子２０に振動電圧を印加して振動子２０を共
振周波数ｆで振動させると、Ｑ測定回路及び位相差測定
回路を備えた電気出力測定回路２４は振動センサ２２か
ら共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐの値を含む電気出力
を取り出して、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐを検出
する。図４及び図５に示すように、共振先鋭度Ｑとρh
ηiパラメータ及び入出力位相差Ｐとρhηiパラメータ
との関係が予め実測され、式（８）（９）（１０）中の
ｃ、ｄ、ｅ、ｇ、Ｍ、Ｎ、Ｏ及びＲは既知の値であるか
ら、指数演算回路２７は、測定した共振先鋭度Ｑと入出
力位相差Ｐから燃料液体の密度ρ及び粘度ηを検出する
ことができる。図４では、共振先鋭度Ｑは粘度と密度の
両方の影響を受けてρ-0.52・η-0.66に比例する特性が
得られる。図５では、入出力位相差Ｐは粘度と密度の両
方の影響を受けてρ-0.3・η-0.42に比例する特性が得
られる。共振先鋭度Ｑ値、入出力位相差Ｐでは、粘度と
密度の増加によってそれぞれのセンサ出力は減少する。
【００４２】従って、密度演算回路２６は式（７）の演
算を行い、指数演算回路２７は式（８）（９）（１０）
の演算を行う。従って、共振周波数で振動する時点で共
振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとを測定すれば、式（９）
と（１０）によって燃料液体の密度ρ及び粘度ηを演算
できるので、密度演算回路２６を省略することができ
る。
算を行い、指数演算回路２７は式（８）（９）（１０）
の演算を行う。従って、共振周波数で振動する時点で共
振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとを測定すれば、式（９）
と（１０）によって燃料液体の密度ρ及び粘度ηを演算
できるので、密度演算回路２６を省略することができ
る。
【００４３】図３は、共振周波数ｆに対するρKパラメ
ータの具体的な相関特性を示すグラフである。図３に示
すように、共振周波数ｆに対してρKパラメータは明瞭
な直線関係を示し、式（７）の特性方程式の有効性を示
す。図４及び図５は、それぞれ共振先鋭度Ｑ及び入出力
位相差Ｐに対するρMηNパラメータとρOηRパラメータ
の具体的な相関特性を示すグラフである。図４及び図５
に示すように、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐは、そ
れぞれρMηNパラメータとρOηRパラメータに対して明
瞭な直線関係を示し、式（８）〜（１０）の特性方程式
の有効性を示す。共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐでは、
粘度と密度の増加によってそれぞれの振動センサ２１の
出力は減少する。
ータの具体的な相関特性を示すグラフである。図３に示
すように、共振周波数ｆに対してρKパラメータは明瞭
な直線関係を示し、式（７）の特性方程式の有効性を示
す。図４及び図５は、それぞれ共振先鋭度Ｑ及び入出力
位相差Ｐに対するρMηNパラメータとρOηRパラメータ
の具体的な相関特性を示すグラフである。図４及び図５
に示すように、共振先鋭度Ｑ及び入出力位相差Ｐは、そ
れぞれρMηNパラメータとρOηRパラメータに対して明
瞭な直線関係を示し、式（８）〜（１０）の特性方程式
の有効性を示す。共振先鋭度Ｑ、入出力位相差Ｐでは、
粘度と密度の増加によってそれぞれの振動センサ２１の
出力は減少する。
【００４４】単一の電気出力測定回路２４から共振先鋭
度Ｑと入出力位相差Ｐとの２種類の物性値を測定するた
め、粘度ηと密度ρとを独立変数とする２種類の互いに
独立なセンサ出力Ａ、Ｂを表す下記４種類の２元連立方
程式（ａ）〜（ｄ）の内のいずれかが必要になる。 ｇi、ｈi（ｉ＝１，２，３，４）は各組み合わせの式中
で互いに独立な関数を表す。
度Ｑと入出力位相差Ｐとの２種類の物性値を測定するた
め、粘度ηと密度ρとを独立変数とする２種類の互いに
独立なセンサ出力Ａ、Ｂを表す下記４種類の２元連立方
程式（ａ）〜（ｄ）の内のいずれかが必要になる。 ｇi、ｈi（ｉ＝１，２，３，４）は各組み合わせの式中
で互いに独立な関数を表す。
【００４５】共振周波数ｆ、共振周波数ｆ時の共振先鋭
度Ｑ及び入出力位相差Ｐが音叉型振動片を用いた液体性
状測定装置から得られるが、共振周波数ｆは主に液体の
密度に依存し、共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐは、下式
で示すように、それぞれ液体の粘度と密度の両方に依存
することが実験的に判明した。 ｆ＝ｇ（ρ） Ｑ＝ｈ（η，ρ） Ｐ＝Ｉ（η，ρ） ここで、ｇ、ｈ、Ｉは、互いに独立な方程式を表す。
度Ｑ及び入出力位相差Ｐが音叉型振動片を用いた液体性
状測定装置から得られるが、共振周波数ｆは主に液体の
密度に依存し、共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐは、下式
で示すように、それぞれ液体の粘度と密度の両方に依存
することが実験的に判明した。 ｆ＝ｇ（ρ） Ｑ＝ｈ（η，ρ） Ｐ＝Ｉ（η，ρ） ここで、ｇ、ｈ、Ｉは、互いに独立な方程式を表す。
【００４６】共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位相
差Ｐと粘度η、密度ρとの間の関係を利用すると、音叉
型振動片を用いた液体性状測定装置では、共振周波数ｆ
と共振先鋭度Ｑとの組合せ、共振周波数ｆと入出力位相
差Ｐとの組合せ又は共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとの
組合せの３つの組合せの内の１つの組合せのセンサ出力
を用いて、液体の粘度ηと密度ρの測定が可能となる。
差Ｐと粘度η、密度ρとの間の関係を利用すると、音叉
型振動片を用いた液体性状測定装置では、共振周波数ｆ
と共振先鋭度Ｑとの組合せ、共振周波数ｆと入出力位相
差Ｐとの組合せ又は共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとの
組合せの３つの組合せの内の１つの組合せのセンサ出力
を用いて、液体の粘度ηと密度ρの測定が可能となる。
【００４７】共振周波数ｆと密度ρとの式ｆ＝ｇ（ρ）
と、共振先鋭度Ｑと粘度η及び密度ρとの式Ｑ＝ｈ
（η，ρ）と、入出力位相差Ｐと粘度η及び密度ρとの
式Ｐ＝Ｉ（η，ρ）とは、それぞれ実験的に求めること
ができるので、実測値に適合するよう適時校正可能であ
る。この場合でも上記と同様に、共振周波数ｆと共振先
鋭度Ｑとの組合せ、共振周波数ｆと入出力位相差Ｐとの
組合せ及び共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとの組合せの
いずれかの組み合わせの連立方程式から密度ρ、粘度η
を求めることができる。
と、共振先鋭度Ｑと粘度η及び密度ρとの式Ｑ＝ｈ
（η，ρ）と、入出力位相差Ｐと粘度η及び密度ρとの
式Ｐ＝Ｉ（η，ρ）とは、それぞれ実験的に求めること
ができるので、実測値に適合するよう適時校正可能であ
る。この場合でも上記と同様に、共振周波数ｆと共振先
鋭度Ｑとの組合せ、共振周波数ｆと入出力位相差Ｐとの
組合せ及び共振先鋭度Ｑと入出力位相差Ｐとの組合せの
いずれかの組み合わせの連立方程式から密度ρ、粘度η
を求めることができる。
【００４８】音叉型振動片の材料定数、圧電体の材料定
数、圧電体の接着部分の材料定数及び接着方法を含む殆
ど全ての構成要素の温度特性が共振先鋭度Ｑ値の温度特
性に影響を与える。しかしながら、音叉型振動片を液体
中に入れて粘度・密度センサとして使用する場合には、
粘度・密度による共振先鋭度Ｑの減衰が非常に大きい事
を考慮すると、音叉型振動片の共振先鋭度Ｑは液体の粘
度・密度によって支配的に決定され、温度の影響は相対
的に小さい。例えば、空気中で２０００程度の共振先鋭
度Ｑは、液体中では２００程度にまで減衰し、９０％の
変化率であるのに対して、音叉型振動片の周辺空気中の
温度を変化させる場合には、共振先鋭度Ｑに及ぼす温度
の影響は、０〜１００℃の空気中で１０％前後の変化率
である。即ち、１００℃以下の液体中では、温度特性が
共振先鋭度Ｑに与える影響は小さく、粘度・密度による
共振先鋭度Ｑに与える影響の方がはるかに大きい。更
に、本発明において粘度・密度センサの近傍に設置した
温度センサの出力によって温度特性を補正すれば、僅か
に残る共振先鋭度Ｑの温度特性による影響は実用上無視
できる。
数、圧電体の接着部分の材料定数及び接着方法を含む殆
ど全ての構成要素の温度特性が共振先鋭度Ｑ値の温度特
性に影響を与える。しかしながら、音叉型振動片を液体
中に入れて粘度・密度センサとして使用する場合には、
粘度・密度による共振先鋭度Ｑの減衰が非常に大きい事
を考慮すると、音叉型振動片の共振先鋭度Ｑは液体の粘
度・密度によって支配的に決定され、温度の影響は相対
的に小さい。例えば、空気中で２０００程度の共振先鋭
度Ｑは、液体中では２００程度にまで減衰し、９０％の
変化率であるのに対して、音叉型振動片の周辺空気中の
温度を変化させる場合には、共振先鋭度Ｑに及ぼす温度
の影響は、０〜１００℃の空気中で１０％前後の変化率
である。即ち、１００℃以下の液体中では、温度特性が
共振先鋭度Ｑに与える影響は小さく、粘度・密度による
共振先鋭度Ｑに与える影響の方がはるかに大きい。更
に、本発明において粘度・密度センサの近傍に設置した
温度センサの出力によって温度特性を補正すれば、僅か
に残る共振先鋭度Ｑの温度特性による影響は実用上無視
できる。
【００４９】空気中での入出力位相差Ｐの温度特性は、
３０〜１００℃の範囲で、約９０度で一定であり、非常
にフラットで安定な温度特性が実験的に確認された。し
たがって、音叉型振動片を液体中で振動させて上記温度
範囲で入出力位相差Ｐの温度特性は非常に安定であると
判断できる。
３０〜１００℃の範囲で、約９０度で一定であり、非常
にフラットで安定な温度特性が実験的に確認された。し
たがって、音叉型振動片を液体中で振動させて上記温度
範囲で入出力位相差Ｐの温度特性は非常に安定であると
判断できる。
【００５０】次に、振動子を液体中に入れて長時間粘度
と密度の測定を行う際に、振動子に付着した汚れ等の影
響を考慮しなくてはならない。一般に、汚れ等の質量付
加に対する振動子の出力変化は、素子の振動周波数が低
いほど少ないが、この点でも音叉型振動片を用いた液体
の粘度・密度センサは有効である。例えば、水晶振動子
を用いた粘度センサの場合には数ＭＨｚであり、弾性表
面波素子を用いた物では数十ＭＨｚである事と比べる
と、音叉型振動片の振動周波数は数ｋＨｚ〜約２０ｋＨ
ｚであり、大幅に低い振動周波数で駆動される。高周波
型の粘度センサに比べると、音叉型振動片型の粘度セン
サは、汚れ付着物の影響を受けにくい。中でも、約２０
０時間程度の連続使用では、入出力位相差Ｐの出力変化
は殆ど無い事が実験的に確認され、共振周波数ｆ、入出
力位相差Ｐの検知方式は、良好な温度特性に加えて、長
時間の連続使用も可能な粘度・密度センサを構成する。
と密度の測定を行う際に、振動子に付着した汚れ等の影
響を考慮しなくてはならない。一般に、汚れ等の質量付
加に対する振動子の出力変化は、素子の振動周波数が低
いほど少ないが、この点でも音叉型振動片を用いた液体
の粘度・密度センサは有効である。例えば、水晶振動子
を用いた粘度センサの場合には数ＭＨｚであり、弾性表
面波素子を用いた物では数十ＭＨｚである事と比べる
と、音叉型振動片の振動周波数は数ｋＨｚ〜約２０ｋＨ
ｚであり、大幅に低い振動周波数で駆動される。高周波
型の粘度センサに比べると、音叉型振動片型の粘度セン
サは、汚れ付着物の影響を受けにくい。中でも、約２０
０時間程度の連続使用では、入出力位相差Ｐの出力変化
は殆ど無い事が実験的に確認され、共振周波数ｆ、入出
力位相差Ｐの検知方式は、良好な温度特性に加えて、長
時間の連続使用も可能な粘度・密度センサを構成する。
【００５１】本発明の実施の形態では下記の作用効果が
得られる。 [１] 本発明の液体性状測定装置は、簡素でかつ堅牢の
構造を有する小型の音叉型振動片を用いて作製できる。 [２] ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃
機関内の狭小空間内に設置できる。 [３] 携帯用の液体粘度・密度センサ、液体性状測定装
置としても利用できる。 [４] 一つのセンサ素子で、液体の粘度と密度の物性値
を同時に独立した値として計測できる。 [５] 小型かつ安価な本発明の液体性状測定装置は、据
置型及び携帯用の計測機器として幅広く利用できる。 [６] 温度センサを併用して温度依存性を測定し粘度・
密度を補正できる。 [７] 数ｋＨｚの振動周波数の水晶振動子に比べて、音
叉型振動片を用いた本発明の液体性状測定装置では、低
周波振動の検出回路を安価に製造できる。 [８] センサ感度が過敏にならず、汚染による質量増加
の影響が小さい。 [９] 本発明による液体性状測定装置は機械的な強度に
も優れ、内燃機関、インプラント内の小空間、振動環境
にも設置できる。
得られる。 [１] 本発明の液体性状測定装置は、簡素でかつ堅牢の
構造を有する小型の音叉型振動片を用いて作製できる。 [２] ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃
機関内の狭小空間内に設置できる。 [３] 携帯用の液体粘度・密度センサ、液体性状測定装
置としても利用できる。 [４] 一つのセンサ素子で、液体の粘度と密度の物性値
を同時に独立した値として計測できる。 [５] 小型かつ安価な本発明の液体性状測定装置は、据
置型及び携帯用の計測機器として幅広く利用できる。 [６] 温度センサを併用して温度依存性を測定し粘度・
密度を補正できる。 [７] 数ｋＨｚの振動周波数の水晶振動子に比べて、音
叉型振動片を用いた本発明の液体性状測定装置では、低
周波振動の検出回路を安価に製造できる。 [８] センサ感度が過敏にならず、汚染による質量増加
の影響が小さい。 [９] 本発明による液体性状測定装置は機械的な強度に
も優れ、内燃機関、インプラント内の小空間、振動環境
にも設置できる。
【００５２】本発明の前記実施の形態は変更が可能であ
る。インピーダンスアナライザによる粘度・密度の測定
に限定されず、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位
相差Ｐの各パラメータを測定する個別の回路により検出
し、粘度と密度の値を算出しても同様な効果が得られ
る。振動子２２は音叉型のほかに、カンチレバー（片持
ち梁）型等他の形状に形成することができる。
る。インピーダンスアナライザによる粘度・密度の測定
に限定されず、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑ、入出力位
相差Ｐの各パラメータを測定する個別の回路により検出
し、粘度と密度の値を算出しても同様な効果が得られ
る。振動子２２は音叉型のほかに、カンチレバー（片持
ち梁）型等他の形状に形成することができる。
【００５３】
【実施例】下表は、共振周波数ｆ、共振先鋭度Ｑのセン
サ出力より６％の誤差範囲内で液体の粘度ηを計測し、
１％以内の高精度で密度ρを計測した例を示す。
サ出力より６％の誤差範囲内で液体の粘度ηを計測し、
１％以内の高精度で密度ρを計測した例を示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
【発明の効果】前記のように、本発明は、汚染による影
響が少なく、小型で安価な液体性状測定装置により液体
の粘度と密度の二種類の物性値を同時に測定できる。
響が少なく、小型で安価な液体性状測定装置により液体
の粘度と密度の二種類の物性値を同時に測定できる。
【図１】 本発明による液体性状測定装置の電気回路図
【図２】 本発明による液体性状測定装置により粘度及
び密度を測定する電気回路図
び密度を測定する電気回路図
【図３】 共振周波数と被測定液体の密度との関係を示
すグラフ
すグラフ
【図４】 共振先鋭度と被測定液体の粘度・密度指数積
との関係を示すグラフ
との関係を示すグラフ
【図５】 入出力位相差と被測定液体の粘度・密度指数
積との関係を示すグラフ
積との関係を示すグラフ
【図６】 音叉型振動片の周波数変化に対するゲイン及
び位相差の変化を示すグラフ
び位相差の変化を示すグラフ
１・・液体性状測定装置、 １３・・発振装置、 ２０
・・振動子、 ２１・・振動センサ、 ２２・・振動
片、 ２２ａ、２２ｂ・・カンチレバー部、２２ｃ・・
連結部、２３・・周波数測定回路、 ２４・・電気出力
測定回路、２５・・性状演算回路、 ２６・・密度演算
回路、 ２７・・指数演算回路、３１・・発振器、
・・振動子、 ２１・・振動センサ、 ２２・・振動
片、 ２２ａ、２２ｂ・・カンチレバー部、２２ｃ・・
連結部、２３・・周波数測定回路、 ２４・・電気出力
測定回路、２５・・性状演算回路、 ２６・・密度演算
回路、 ２７・・指数演算回路、３１・・発振器、
Claims (12)
- 【請求項１】 被測定液体内に振動片を浸漬する過程
と、振動片に取り付けた振動子に振動電圧を印加して振
動片に機械的振動を与えて振動片を共振周波数（ｆ）で
共振させる過程と、振動片が共振周波数（ｆ）で振動す
るとき、共振周波数（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及び入出
力位相差（Ｐ）の３つの特性のうち、少なくとも２つの
特性を振動センサから検出する過程と、得られた２つの
特性から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを演算
する過程とを含むことを特徴とする液体性状測定方法。 - 【請求項２】 共振周波数（ｆ）、共振先鋭度（Ｑ）及
び入出力位相差（Ｐ）の下記３つの組合せ値： １ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）、 ２ 被測定液体の密度の関数である共振周波数（ｆ）と
被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力位相差
（Ｐ）、 ３ 被測定液体の密度及び粘度の関数である共振先鋭度
（Ｑ）と被測定液体の密度及び粘度の関数である入出力
位相差（Ｐ）、 のうち、少なくとも２つの組合せ値から被測定液体の密
度（ρ）と粘度（η）とを求める請求項１に記載の液体
性状測定方法。 - 【請求項３】 被測定液体内に浸漬される振動片、振動
片に機械的振動を与える振動子及び振動片の振動状態に
対応する電気出力を発生する振動センサとを有する発振
装置と、発振装置の振動子に振動電圧を印加する発振器
と、少なくとも下記の３つの回路： １ 振動子の共振周波数（ｆ）を検出する周波数測定回
路、 ２ 振動センサに接続されかつ振動子の共振先鋭度
（Ｑ）を検出するＱ測定回路、 ３ 振動センサに接続されかつ振動子と振動センサとの
入出力位相差（Ｐ）を検出する位相差測定回路、 のうち少なくとも２つの回路と、これらの２つの回路の
出力から被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）を演算す
る性状演算回路とを備えたことを特徴とする液体性状測
定装置。 - 【請求項４】 性状演算回路は、周波数測定回路で検出
した共振周波数（ｆ）から被測定液体の密度（ρ）を検
出する密度演算回路を備えた請求項３に記載の液体性状
測定装置。 - 【請求項５】 性状演算回路は、電気出力測定回路に設
けられたＱ測定回路及び位相差測定回路の出力から被測
定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを演算する指数演算
回路を備えた請求項３又は請求項４に記載の液体性状測
定装置。 - 【請求項６】 ａ、ｂを定数とし、ｆを共振周波数とす
ると、密度演算回路は、下式： 【数１】 により被測定液体の密度（ρ）を検出する請求項４に記
載の液体性状測定装置。 - 【請求項７】 指数演算回路は、ａ、ｂ、ｃ、ｄを定数
とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とすると、下
式： 【数２】 により被測定液体の粘度（η）を演算する請求項５に記
載の液体性状測定装置。 - 【請求項８】 指数演算回路は、ａ、ｂ、ｃ、ｄを定数
とし、ｆを共振周波数、Ｑを共振先鋭度とすると、下
式： 【数３】 により被測定液体の密度（ρ）と粘度（η）とを演算す
る請求項５に記載の液体性状測定装置。 - 【請求項９】 振動子及び振動センサは、結晶振動子若
しくはセラミック振動子等の圧電型振動子又は金属磁歪
振動子若しくはフェライト振動子等の磁歪型振動子であ
り、振動片は音叉型振動片である請求項３〜請求項５の
いずれか１項に記載の液体性状測定装置。 - 【請求項１０】 電気出力測定回路は、共振先鋭度
（Ｑ）を測定するＱ測定回路又は入出力位相差（Ｐ）を
測定する位相差測定回路のいずれか又は両方を備えた請
求項３に記載の液体性状測定装置。 - 【請求項１１】 振動子及び振動センサは、チタン酸ジ
ルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸バリ
ウム（ＢａＴｉＯ3）、複合ペロブスカイト（Ａ（Ｂ1，
ＢH）Ｏ3−ＰＺＴ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ナ
イオベイト（ＰｂＮｂ2Ｏ6）等の圧電セラミックス、酸
化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の薄
膜圧電体、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化
ビニリデンとトリフルオロエチレンの共重合体等の有機
圧電高分子材料チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタ
ン酸バリウム、酸化亜鉛薄膜のいずれかから選択される
圧電体である請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載
の液体性状測定装置。 - 【請求項１２】 振動片は、一対のカンチレバー部と、
一対のカンチレバー部を結合する連結部とによりほぼＵ
字状に形成された音叉型振動片で構成される請求項３に
記載の液体性状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34342697A JPH11173968A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 液体性状測定方法及び液体性状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34342697A JPH11173968A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 液体性状測定方法及び液体性状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11173968A true JPH11173968A (ja) | 1999-07-02 |
Family
ID=18361431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34342697A Pending JPH11173968A (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 液体性状測定方法及び液体性状測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11173968A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003012399A1 (fr) * | 2001-07-31 | 2003-02-13 | Zeon Corporation | Procede permettant de determiner une conversion par polymerisation, procede et appareil permettant de produire un polymere et reacteur de polymerisation |
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| JP2006520906A (ja) * | 2003-03-21 | 2006-09-14 | サイミックス テクノロジーズ， インコーポレイテッド | 流体解析の制御用特定用途向け集積回路 |
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| KR20210038059A (ko) * | 2019-09-30 | 2021-04-07 | 연세대학교 산학협력단 | 액체 정보 센서 및 이의 구동 방법 |
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-
1997
- 1997-12-12 JP JP34342697A patent/JPH11173968A/ja active Pending
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