JPH11513492A - 加圧環境における表面張力の測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 1000ｐｓｉｇ（7000ｋＰａ）以内で、これに限定されない通常の外気圧力以上に加圧された容器(１)、反応器の内部、又はフロースループロセスパイプの一部分内にて液体の表面張力を測定する方法及び装置は、流体の表面の下方における選択され且つ可変の位置にてプローブを配置することを許容するモジュラー式プローブ組立体に形成された小径オリフィス及び大径オリフィスを有する一対の管（２、３）を備えている。高圧力源（４）が２つ又は３つの機械的又は電子的な体積流量制御装置（６、７、８）の入力側に圧力調整装置（５）を通じて不活性窒素又はプロセス気体を提供し、該制御装置は、外部の電源（９）により駆動され、該制御装置は、容器、反応器、又はフロースループロセスパイプ内の圧力とは独立的に、手動の調整又はコンピュータソフトウェアプログラムにより判断された電子的な設定点を介して各オリフィスにおける気泡の量を制御する。１つ以上の差圧変換器（１０、１１）が形成され且つ２つのオリフィスから放出される気泡の圧力を測定する。変換器デモジュレータ回路（１２）が形成されて変動する圧力信号を同等の変動する電気的な直流電圧信号に変換する。この信号は１つ以上の差し込み式のアナログ入力／出力コンピュータインターフェース回路盤（１４）を使用してコンピュータ（１３）に入力される。ソフトウェアプログラムが差圧の波形を追跡し、流体の表面張力に直比例した最大の気泡差圧を補足する。温度プローブ（１５）及び／又はその他の市販のプローブ（伝導率、粘度又は密度のような）をオリフィスと同一の深さに浸漬して、液体の温度及び／又はその他のプロセスパラメータを測定する。空圧ダンパ（１６）が単一の変換器装置内で大径オリフィスの信号を平滑にする一方、２つの変換器装置内にて、個々の減衰されない２つの圧力信号の最大値の平均値を電子的に差し引いて、流体の表面張力に直比例した最大の気泡差圧が得られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】 加圧環境における表面張力の測定 発明の背景 米国特許第4,416,148号に記載されたように、流体中に浸漬させた異なる直径 の２つのオリフィスを採用する気泡の最大差圧法は、15年以上にも亙って加圧環 境において摂氏25度にて公称10ｐｓｉｇの圧力までの圧力を測定するために試験 され且つ適用可能であることが実証されている。修正した最大気泡差圧技術によ り流体の表面張力を測定するために電子機器によるピーク値の測定は、非加圧状 態下にて試験した非粘性流体、流体について満足し得ることが判明している。機 器によるピーク値検出法は、単極（正）の値である、公称０乃至５、又は０乃至 10ボルトＤＣの範囲にある変換器の出力信号に制限される。しかしながら、機器 によるピーク値検出器回路は、零交差のとき、偽作動する可能性がある。 電子機器によるピーク値検出回路は、機器によるピーク値検出器を作動させる 偽ピーク値を発生させることにより、特定の空圧状態が差圧の波形を変化させる とき、更なる多数の制限がある。機器によるピーク値検出器は、小径オリフィス 位置にて、内径0.1mm及び大径オリフィスが使用されるとき、毛管作用に起因し て圧力信号が変動する際に偽作動する可能性がある(図４参照)。液体の粘度が増 すに伴い、移動する気泡に対する流体の液圧動的抵抗力が増大する。極めて粘性 な流体、及び懸濁固体濃度の大きい流体は、電子ピーク検出器に偽作動させる。 オリフィスにおける増大した液圧動的抵抗力に打ち勝つのに必要とされるより大 きい空気圧は、不安定であったり、又はノイズが多い波形を生じる可能性がある 。 差圧波形の振幅を小さくすれば、それに比例して偽ピーク値の大きさも小さく なり、このため、電子機器によるピーク値検出器は、最早、偽ピーク値を発生さ せることはない。しかしながら、このことは、電子ピーク値検出器を最早、作動 させない点まで流体の下面の表面張力における波形の振幅を低下させる可能性が ある。この状況のとき、例えば、アルコールのような、標準較正の小さい流体内 にて計測器を較正することは、最早、不可能となる。 また、電子機器ピーク値検出器は、測定した試験流体が加圧されたときに生ず る波形のノイズ変動時に偽動作させることになる。増大した加圧環境において作 動するのに必要な体積流量制御装置は、気泡の間にて益々、不安定となる気泡の 最大の差圧波形を生じさせる(図６)。各気泡を放出した後にシステムが安定し且 つ次の気泡が吹き出される前に、大きい変動が生じる。 非加圧環境において、体積流量制御装置によって一旦、流量が設定されたなら ば、気泡の量は一定のままである。しかしながら、益々増大する加圧環境におい て、最大の気泡圧力は一定のままであり、このため、表面張力は一定であるが、 圧力の上昇に伴い気泡の量は減少する（遅くなる）(図４及び図６参照)。 電子機器によるピーク値検出回路は、最大の気泡圧力波形の種々の振幅及び周 波形の変化に応答する点にて更に制限され、気泡量が変化し、また、流体の粘度 が増大するに伴い波形の形状が変化する。気泡がその最大の気泡圧力点まで形成 されるとき、直線状の正の勾配が圧力の上昇に従う、鋸の歯の形態にて、波形は、、 毎秒１つの気泡量にて、流れる(図４)。気泡が放出されると、急激に降下し（ 負の下降勾配）が生じ、その後、瞬間的な背圧及び毛管作用が生じ、その次に、 管内の圧力が均等となり、次の気泡の形成が始まる。この正の勾配は、気泡の「 表面角度」と一般に称される一方、その他は、「無駄時間」と一称に称される( 図５)。 理想的な機器によるピーク値検出器は、有効な最大値に達する迄、鋸の歯の波 形の表面老化（正）位置のみを追跡し、その最大値を捉え、その後の降下（負の 下降勾配）を検出することにより、リセット信号を発生させ、その後、次の有効 なピーク値を追跡する。 鋸歯の波形の無駄時間は限定されており、流体のオロジー、オリフィスの直径 及び形態、体積流量制御装置の圧力特性に依存する。気泡の量が増すに伴い、無 駄時間は、ピーク値間の気泡の間隔時間のより大きい比率を占めるようになる。 毎秒１つの気泡の量のとき(図４)、表面の老化は、典型的に、気泡の間隔の90％ 以上であるが、毎秒当たり35以上の気泡の量のとき、表面の老化は、気泡の間隔 の10％以下である(図５)。 計測器を測定し且つ較正したとき、体積流量制御装置は、特定の流量となるよ うに設定されている。しかしながら、流体の表面張力が変化した場合、流体が一 定に保たれた場合であっても、気泡の量は変化する。ピーク値検出器は、全ての 可能な気泡量の範囲をカバーするのに十分、自由度が大きくなければならない。 例えば、表面張力が70＋ダイン／ｃｍの範囲にあるとき、水中で毎秒１つの気泡 を生じさせる流量の設定値としたならば、表面張力が典型的に、20プラスダイン ／ｃｍ範囲にあるとき、アルコール中にて、毎秒３つの気泡以上の気泡が発生す る。アルコール中における波形の振幅は、アルコールの表面張力が小さいため、 遥かに小さくなる。電子ピーク値検出回路は、上述したように、種々のノイズ振 動及び信号の組み合わせを無視する機能を欠いている。 発明の概要 本発明において、機器のピーク値検出法を使用するときに出会う問題点を解決 し且つ表面張力の正確な測定を可能にするため、改良されたソフトウェアピーク 値検出プログラムが提供される。本発明にて使用される、それにより得られたソ フトウェアプログラムは、機器に微かな修正を加えることにより、外気及び加圧 状態下の双方にて、粘性流体及び高固体量の流体の表面張力を正確に測定するた めに応用することができる。 圧力下にて表面張力を測定するための連続的工程用の計測器は、現在、販売さ れていない。ラテックス重合化反応器内にて、加圧された液化ガス(天然ガス、 フロン、及びフロン代替物のような)、及び高圧下にて製造され、又は変換され る液体、及び熱可撓性材料の表面張力を測定するための計測器が必要とされてい る。 このため、本発明の一つの目的は、液体を保持する容器の圧力環境、及び流体 の表面下にプローブを浸漬する深さに関係なく、液体の表面張力を測定する装置 を提供することである。 本発明の別の目的は、容器反応器又は管が加圧される間に、プローブを洗浄す るため体積流量制御装置を通って流れる流量を最大値まで増大させるべく、体積 流量制御装置の制御弁をその完全に開いた位置まで開くためのソフトウェア及び 機器手段を提供し、流体、特にプローブを詰まらせる可能性のある高固体濃度を 有する流体の逆流を防止することである。この洗浄機能は、必要であるならば、 通常の製造サイクル中、プローブの詰まりを除去する手段として使用することも できる。 本発明の更に別の目的は、２つの検出オリフィスが物理的に結合解除され、２ つのオリフィス信号の各々からの最大の気泡圧力ピーク値が個々に平均化される ように、多数の変換器装置を提供することである。大径オリフィスからの信号の 最大の平均値を、小径オリフィスからの信号の最大平均値から電子的に差し引き 、表面張力に直比例した、極めて正確な最大の気泡差圧の値が得られるようにす る。高粘性の液体の場合、気泡の量の比率は、表面張力の値を粘度効果と独立的 なものとし得るように設定することができる。このことは、非加圧環境及び加圧 環境の双方に適用可能である。 本発明の更に別の目的は、外気及び加圧環境の双方にて、１つの容器、反応器 、又は管部分内部の浸漬深さ、方向、表面張力の位置、温度及びその他の同様の 測定プローブを変化させるための自由度のあるモジュラー式で且つ相互に交換可 能な機械的手段を提供することである。この機械的手段は、容器、反応器、又は パイプ内の流体の流れ又は混合に起因するせん断、又は乱流（プローブオリフィ スにおける気泡の自由な形成にとって有害である）の効果を緩和する多孔質のバ スケットをプローブの端部に備えている。これと同時に、このバスケットは、張 力オリフィス、及び関連した温度、又はその他の測定プローブを通って流体が自 由に非乱流状態で流れることを許容する。 本発明のその他の目的及び有効な点は、以下の説明、添付図面及び請求の範囲 の記載から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、単一の圧力差変換器と、２つの体積流量制御装置とを使用する本発明 の好適な実施の形態を構成する構成要素を示す、空圧ブロック及び電気ブロック を組み合わせた図である。 図２は、２つの差圧変換器と、３つの体積流量制御装置とを使用する一つの代 替的な装置を備える構成要素を示す、図１と同様の空圧ブロック及び電子ブロッ クを組み合わせた図である。 図３は、標準的で且つ交換可能な小型及び大型のオリフィスプローブ、及び圧 力及び伝導率のようなその他のプロセスを監視するプローブを使用する手段を示 す、加圧容器及び非加圧容器、反応器、又はプロセス管パイプ部分の双方にて使 用されるモジュラー式プローブ組立体の断面図である。 図３Ａは、図３のプローブの側面図であり、図３Ｂは、図３のプローブの平面 図である。 図４は、最大気泡圧力点における有効ピーク値(Ａ)、零交点における偽ピーク 値(Ｂ)、毛管作用における偽ピーク値（Ｃ）という、３つの異なる機器ピーク値 検出器の励起信号を示す、通常の最大の気泡差圧波形の波形図である。 図５は、表面老化及び無駄時間を示す、毎秒35個の気泡における通常の気泡圧 力の波形図である。 図６は、各気泡が放出された後の信号の変動を示す、175ＰＳＩＧ圧力下時に おける水中の通常の最大気泡差圧波形の波形図である。 図７は、オリフィスにて各気泡が形成され且つ解放されるときに生じる通常の ピーク値及び下降するエッジを示す理想的な圧力波形図である。 図８は、毛管作用に起因する有効ピーク値及び偽ピーク値を示す理想的な圧力 波形図である。 図９は、ソフトウェアピーク値検出アルゴリズム及び許容窓の平均ピーク値を 示す理想的な圧力波形図である。 図１０は、２つの異なる流体に対する動的表面張力のプロット図である。 図１１は、図１の構成要素を使用して表面張力を測定する方法を示す装置のブ ロック図である。 図１２は、図２に図示した構成要素を使用して表面張力を測定する方法を示す 装置のブロック図である。 図１３は、ソフトウェアピーク値を検出する装置の全体を示す簡略化したソフ トウェアフローチャートである。 図１４Ａ及び図１４Ｂは、共に、本発明の改良されたソフトウェアピーク値検 出ルーチンのより詳細なソフトウェアのフロー図である。 図１５Ａ及び図１５Ｂは、共に、気泡が発生する間のピーク値信号を検出する ソフトウェアルーチンのソフトウェアのフロー図である。 図１６は、検出群における最大値及び最小値を検出するソフトウェアのフロー 図である。 図１７は、値を分類するソフトウェアルーチンを示す簡略化したブロック図で ある。 図１８Ａ及び図１８ｂは、共に、表面張力の測定値を計算するソフトウェアル ーチンの図である。 好適な実施の形態の説明 本発明の一つの好適な実施の形態を図示する図面、特に、図１を参照すると、 1000ｐｓｉｇ（7000ｋＰａ）以内であるが、この値にのみ限定されたい、加圧さ れた環境において液体の表面張力を測定する装置は、適当な高圧管、接続具又は ホースを通じて圧力調整手段（５）に接続された高圧の窒素又はプロセスガス源 （４）を備えている。 本発明は、オリフィス当たり１つの体積流量制御装置（体積流量制御装置（６ 、７）を使用し、必要な場合には、図２及び図１２に図示するように、２つの変 換器（１０、１１）スキームにて使用されるような第三の体積流量制御装置（８ ）を使用して、プローブ組立体に対して、プロセスガスの対応する正確な出力体 積流量の制御を可能にするのに必要とされる条件に応じて、高圧の入力圧力源を 受け入れ且つその圧力を降下させる手段を備えている。本発明の一つの実施の形 態にて使用される体積流量制御装置は、毎分当たり０乃至100ミリリットルの一 定の体積流量（SCCM）となる定格とされたＭＫＳモデル1261である。 図１及び図１１に図示した体積流量制御装置（６、７）の各々の出力は、Ｔ字 形接続部（１９）を通じて、バリダイン・エンジニアリング・セールズ・コーポ レーション（Validyne Engineering Sales Corporation）が製造する差圧変換器 （１０）モデルＤＰ15に接続されている。該変換器の負（−ｖｅ）ポートは小径 オリフィス側に接続され、その正（＋ｖｅ）ポートは大径オリフィス側に接続さ れている。 図２及び図１２の場合、粘度を補正する形態とされた２つの変換器において、 各オリフィスは−ｖｅポートに接続され、＋ｖｅ変換器ポートの各々は共に結合 し且つクロス接続具（１８）を使用して第三の体積流量制御装置（８）に接続さ れ、次に、開いた排気接続具（１７）又は第三の管を通じて圧力反応器の雰囲気 中に排気される。 表面張力装置の出力は、フランジ(２２)の頂部に溶接された高圧管接続具（２ １）を使用して、反応器のプローブ組立体まで伸長する加圧された管部分(２０) に接続される。該フランジは、特定の容器、反応器又はプロセスパイプ用に設計 され且つこれらに適用可能である。小径オリフィス及び大径オリフィスプローブ は、同様に接続され且つフランジの下側にて同様のフランジ溶接管接続具(２１) から垂下されて、典型的に.25インチ（即ち6ｍｍ外径）の市販の小径の管(２３) の長さから支持されている。これらの管は、細長い有孔の(perforated)保護剛性 パイプ又は管（２４）内に収容されており、該パイプ又は管は、フランジの下側 に溶接された半継手内にねじ込まれ、このことは、外側のパイプ部分及び内側の 接続管の長さを変化させることにより、プローブの全長、従って、流体中へのプ ローブの貫入深さを特定の用途に合うように変更することを可能にする。この配 置は、僅かな修正を加えることで頂部又は底部に取り付ける場合、及び側部に取 り付ける場合にも適したものとなる。 標準的なパイプ継手(２５)を通じて保護パイプ部分の端部に螺着された保護、 換気又は有孔の閉鎖端「バスケット」装置（２４）は、容器、反応器又はパイプ 内の流体の流れ又は混合に起因するせん断、又は乱流作用を緩和すると同時に、 張力オリフィス、及び関連付けられた温度プローブ（１５）又はその他の測定プ ローブを経て流体が乱流を生ぜずに自由に流れることを許容する。追加的な内部 管スペーサ（２６）は、外側パイプ組立体内で装置に対して剛性を付与し、プロ ーブが保護バスケット内で動くのを防止する。 標準的な管接続具（２７）は、プローブ、及びガラス、ステンレス鋼、被覆し たガラス及び鋼を含むが、これらにのみ限定されない、プローブ材料、直線状プ ローブ、又は逆プローブの置き換え、及びそれらの互換を可能にする。特に、温 度プローブ及びその他の測定プローブの場合、管は圧力密封され、プローブ及び 関連付けられた配線へ流体が流入するのを防止し得るようにする。組立体の全体 は、プロセス又は生産工程の間に、交換及び洗浄のための組立て及び分解が容易 に為し得るようにモジュール型式のものである。 液体の表面張力は逆関係にて温度に依存するため、試験中の液体の温度を検出 する温度プローブ（１５）が設けられる。この液体の温度が上昇すると、表面張 力は低下する。２つの標準的な較正流体に対する表面張力対温度の関係のアルゴ リズムがソフトウェアに含まれており、このため較正過程中、コンピュータプロ グラムは、使用される較正流体の温度を測定し、正確な表面張力の値を自動的に 入力する。典型的な標準較正流体は、脱イオン水、エチルアルコールである。ま た、このアルゴリズムを使用して、工程中の表面張力の温度補正を行うこともで きる。 このソフトウェアプログラムは、界面活性剤を含む試験後の流体に対する動的 表面張力の曲線を自動的に生じさせることを可能にする、連続的な自動流れ制御 設定／較正手順を内蔵している(図１０)。体積流量制御装置は、一連の流量制御 設定値（即ち、例えば、全定格値の10、20、30、40、50％）を通じて順序的に制 御し得るように予めプログラム化されており、その結果、５つの異なり且つ連続 的に増大する気泡量となる。最初に、プローブを高標準較正流体(脱イオン水)中 に浸漬させ、次に、プログラムは、ステップ毎の方法にて、異なる流量設定値を 経て順序通りに進め、高圧の標準較正流体に対する差圧の波形を分析し且つ正確 な表面張力の値を自動的に入力することを可能にするのに十分な時間、作動を一 時的に中断する。このことは、低圧の標準較正流体（エチルアルコール）の場合 、反復して行われる。その後、各種の試験流体をこれらの異なる流量にて測定し 、得られる表面張力及び気泡の頻度のデータをプロットして、正確な動的表面張 力の曲線（図１０）が得られるようにする。 電源（９）は、体積流量制御装置に作動電力を提供する。これらの体積流量制 御装置の入力及び出力制御信号は、変換器のデモジュレータ回路(１２)、温度プ ローブ(１５)、及びその他のセンサからの入力及び出力制御信号と共に、ソフト ウェアプログラムで処理すべくコンピュータ（１３）内に配置されたアナログ入 力及び出力インターフェース盤（１４）に伝達される。装置をプローブ組立体か ら離れているが、信号の感度及び所望の精度を保つように取り付けることのでき る、実際上の最大距離の条件が必要とされるから、危険で且つ爆発性気体雰囲気 内にて装置及び体積流量制御装置は遠隔制御することが重要である。具体的な一 例は、反応過程にて可燃性の塩化ビニル気体を使用して、ポリ塩化ビニル（ＰＶ Ｃ）を重合化する反応器を監視し且つ制御するために装置を使用することであ る。この目的及び同様の目的のために、装置は、地方の安全規則及び／又は基準 により必要とされるように、防爆性ハウジング、及び／又は窒素でパージした容 器内に取り付けられる。 図２の装置の配置は、粘度効果を補正することを可能にする。可動の気泡に対 する流体の液圧運動学的抵抗値の推定は、液体の粘性抵抗値に対してストーク法 則（Stokes law）を使用して行われる。動的表面張力の測定値と実際の値との差 である、表面張力の計算値の補正値は、次式から推定される。 △γ＝３μｒ／２τ ここで、μは液体の粘度、 γは液体の表面張力、 ｒはオリフィスの半径、 τは表面老化(surface age)である。 大径オリフィス及び小径オリフィスの双方にて表面張力は変化するため、この 関係は、各オリフィスの半径と形成される各気泡の表面老化との簡単な関係に還 元することができる。気泡の量、従って表面老化は、次のように、２つのオリフ ィスの半径に対して逆の関係にて各オリフィスの表面老化を設定することにより 、粘度効果を打ち消し得るように調整することができる。 ３μｒ₁／２τ₁＝３μｒ₂／２τ₂→ｒ₁／τ₁＝ｒ₂／τ₂ ここでｒ₁は、小径オリフィスの半径、ｒ₂は、大径オリフィスの半径である。 機器によるピーク値検出法を採用する間に、出会う問題点を緩和し、外気及び 加圧環境の双方にてピーク値検出器を偽作動させることなく、正確な表面張力の 測定値を得るため、改良に係るソフトウェアピーク値検出プログラムが開発され た。図１１及び図１３参照。この改良に係るソフトウェアピーク値検出プログラ ムは、単極又は双極（共に正、又は正と負）の何れかとすることのできるデモジ ュレータの出力信号から最大の気泡圧力を測定するための手段を備えている。こ の手段は、毛管作用及びその他の変動に起因する偽りのピーク値を排除する手段 により、圧力下の流体を測定することができる。この手段は、外気及び加圧状態 の双方にて、極めて粘性な流体中の偽りのピーク値を排除し、粘度効果を補正す る手段により表面張力を測定することができる。 標準的なソフトウェアピーク値検出技術は、有効なピーク値と、ノイズに起因 するピーク値とを識別することができない(図８)。このため、この方法を標準的 なソフトウェアピーク値検出に応用するこが必要となった。この新規な改良に係 るソフトウェアピーク値検出アルゴリズムは、全ての有効なピーク値の平均値を 使用して、新たに検出されたピーク値の各々とその平均値とを比較する。このた め、このアルゴリズムは、新たに検出されたピーク値を有効又は無効として評価 する機能を備えている。ソフトウェアのユーザは、選択されたピーク値が有効と して受け入れられる程度を選択することにより、この検出に影響を及ぼす自由度 が与えられる。 この装置は、２つの主要部品から成っており、その主要部品自体は補助システ ム（図１３乃至図１８）に分割される。これら２つの主要部品は、（１）差圧信 号分析部と、（２）差圧信号ピーク値検出部とである。 プログラムが開始した直後、又はプローブを新たな試料内に浸漬させたとき、 その選択されたピーク値を比較するのに利用可能な平均値は存在しない。このた め、信号は分析しなければならず、標準的なソフトウェアのピーク値検出を使用 して、特定の数のピーク値を検出することができることを意味する。こうしたピ ーク値により、正確な平均値を求めることができ、その平均値は、この時点から 改良に係るピーク値検出アルゴリズムまで使用される。 差圧信号は、コンピュータ内にて個々の整数により表現される。図１４Ａ及び 図１４Ｂを参照のこと。８つの連続数が１つの検出群を構成する。図１６を参照 のこと。各検出群の内、最大値及び最小値が求められ、また、記憶バッファ内の その標識も保存される。次に記載した方法により、このアルゴリズムにてピーク 値を検出するために最大値が使用される。 １つのピーク値を検出するため、差圧信号の下降エッジを最初に検出しなけれ ばならない。下降エッジ（図７）は次のように規定される。 １．ノイズピーク値の検出を回避するため、最大値と最小値との差は、366ｍ Ｖ（＋150整数）以上でなければならない。 ２．最小値の指数は、最大値の指数よりも大きくなければならない、即ち、最 大値は、同一の検出群の最大値よりも後に現れなければならない。 現在の検出群からの最大値はその前の検出群からの最大値と比較する。これは 重要なステップであると同時に、ピーク値検出中このアルゴリズムにとって独創 的な一つの特徴であり、それは、ピーク値は、検出群Ｉ（図７）に現れるが、降 下エッジは検出群IIにて検出されるからである。この状態を使用し、ピーク値検 出アルゴリズムにより極めて正確なピーク値が得られることが確認される。 信号を分析する間に、ソフトウェアは特定の数のピーク値を検出しようとする 。図１５Ａ及び図１５Ｂを参照のこと。この数は許容窓の設定値に依存する。許 容窓の設定値と分析ピーク値の数との関係は次の通りである。 許容窓 狭い−10ピーク値 許容窓 中程度−16ピーク値 許容窓 広い−20ピーク値 必要な数のピーク値が検出され且つ保存された後、そのピーク値は値毎に分類 し、この場合、気泡分類アルゴリズム（図１７）を使用する。このアルゴリズム は１つの分類方法にのみ限定されるものではない。この分類後に、分析列中の最 値をバッファの頂部にし、最小値を底部にする。 例 値を分数した後、５つの最大値（指数５乃至９）の内、正確な平均ピーク値を 計算する。許容窓の設定値とは独立的に、５つの最大値は、常に、平均値の計算 に使用される。このことは、有効ピーク値と毛管作用に起因するピーク値（無効 なピーク値）とから成る差圧信号から得られる。この場合は、有効な高ピーク値 と無効な低ピーク値と数が等しいため、最悪のケースとみなすことができる。分 析列の上方部分のみを検討することにより、平均値の計算に有効な高ピーク値の みが使用される。これで分析は終了となる。 改良に係るピーク値の検出中、１つのピーク値が検出されたならば、その値が 現下の環境にて有効であるかどうかを評価するため、この値の更なる検討が為さ れる。この評価は、このピーク値の検出アルゴリズムを進歩させることになる。 図１４Ａ及び図１４Ｂを参照のこと。 検出したピーク値をその前の全ての有効なピーク値の現在の平均値と比較する 。この比較のため、いわゆる許容窓が適用される。検出されたピーク値を現在の ピーク値の平均値と比較するため、ピーク値と平均ピーク値との差の絶対値は、 許容値よりも小さくなければならない。 ＡＢＳ（ピーク値−平均ピーク値）＜＝許容値 この等式の結果が一致するならば、そのピーク値は有効として受け入れること ができる。この場合、表面張力の新たな値を計算することができる。 ユーザが調整可能である許容窓は、このソフトウェアの極めて独創的な特徴で ある。図８及び図９を参照のこと。この窓によれば、２つのことが可能となる。 １．表面張力の測定値に何ら影響しないように、毛管作用に起因するピーク値 を排除できること。 ２．典型的に、不一致である差圧信号を有する、高粘度の流体を測定すること が可能であること。 毛管作用によ起因するピーク値は、典型的に、気泡が解放するときに現れるピ ーク値の約20％のピーク値である(図８)。 標準的なピーク値検出アルゴリズムによれば、これら２つのピーク値は、差を つけることができず、表面張力、及び気泡の頻度に対して不正確な測定値を生じ させる。改良に係るピーク値検出法によれば、許容窓を適用することにより、ピ ーク値に差をつれることができる(図９)。この許容窓は、平均ピーク値の概ね± 許容値の範囲の値である。許容窓内の有効ピーク値は、毛管作用が排除される間 に、受け入れることができる。 基本的装置（図１）を使用しても高粘度の流体を測定するため、ユーザはこの 許容窓を次のように調整することができる。 即ち、狭い（±300ｍＶ） 中程度（±650ｍＶ） 広い（±1000ｍＶ） 流体のピーク値は、典型的に、調節可能な許容窓の場合、非粘性な流体のピー ク値よりも大きく変動するため、ユーザは、どのピーク値を受け入れるかを判断 することができ、粘性流体の極めて正確な結果を得ることができる。更に、測定 結果を計算する平均化ファクタは、より幅の広い許容窓と共に増大し、ピーク値 が変動する場合でさえ、測定値の非常な安定性を期待することができる。 このソフトウェアにて使用される新たな平均化アルゴリズムを通じて、２つの 目標が達成される。即ち、(１)変動する平均値と比べて測定値がより安定したも のとなること、(２)新たな平均値をより迅速に計算できることである。図１８Ａ 及び図１８Ｂを参照のこと。 この平均化アルゴリズムに対して、平均化ファクタを導入する。特定の測定値 （表面張力、温度又は気泡の頻度の何れか）の平均値は次式により計算される。 新たな平均値＝(現在の平均値・平均化ファクタ)／(平均化ファクタ＋１) 許容窓の設定値と分析ピーク値の数との間の関係は次の通りである。 許容窓 狭い−平均化ファクタ＝10 許容窓 中程度−平均化ファクタ＝21 許容窓 広い−平均化ファクタ＝33 本明細書に記載した装置の形態は、本発明の一つの実施の形態を構成するが、 本発明はこの装置の正確な形態にのみ限定されるものではなく、請求の範囲に記 載した本発明の範囲から逸脱せずに、該装置に変更を加えることが可能であるこ とを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジャヌール，ヴィクター・ピー アメリカ合衆国アリゾナ州85234，ギルバ ート，ノース・コーリーン 234 【要約の続き】 を同等の変動する電気的な直流電圧信号に変換する。こ の信号は１つ以上の差し込み式のアナログ入力／出力コ ンピュータインターフェース回路盤（１４）を使用して コンピュータ（１３）に入力される。ソフトウェアプロ グラムが差圧の波形を追跡し、流体の表面張力に直比例 した最大の気泡差圧を補足する。温度プローブ（１５） 及び／又はその他の市販のプローブ（伝導率、粘度又は 密度のような）をオリフィスと同一の深さに浸漬して、 液体の温度及び／又はその他のプロセスパラメータを測 定する。空圧ダンパ（１６）が単一の変換器装置内で大 径オリフィスの信号を平滑にする一方、２つの変換器装 置内にて、個々の減衰されない２つの圧力信号の最大値 の平均値を電子的に差し引いて、流体の表面張力に直比 例した最大の気泡差圧が得られるようにする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体の表面張力の測定装置において、 容器、反応器又はプロセスパイプの部分内にて液体の表面下方に配置された異 なる直径のオリフィスを有する１つ以上の管と、 前記オリフィスの液体中への浸漬深さを調節する手段と、 管の各々に対して別個の体積流量制御装置を使用して、前記管に対し気体圧力 源を提供する手段と、 前記管に対して気体の調整された一定の体積流量を提供すべく、前記気体源と 前記管との間に接続された手段と、 前記プローブに対する気体の流量、従って、オリフィスにおける気泡の量を制 御する手段と、 差圧変換器を使用して、前記プローブにて形成される気泡の最大差圧を液体の 表面張力の関数として測定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し、正確な温度補正された表面張力の 値を計算する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序(sequence)を使用して、流量制御装置の設定 値を自動的に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装 置。 ２．液体の表面張力の測定装置において、 液体を圧力下にて保持する容器、反応器又はプロセスパイプ装置と、 前記容器、反応器又はパイプ装置内にて液体の表面の下方に配置された異なる 直径のオリフィスを有する一対の管と、 前記オリフィスの液体中への浸漬深さを調節する手段と、 管の各々に別個の体積流量制御装置を使用して、前記管に対し気体圧力源を提 供する手段と、 容器、反応器又はパイプ装置内の圧力とは独立的に、前記管に対し調整された 一定の体積流量の気体を提供すべく、前記気体源と前記管との間に接続された手 段と、 前記容器、反応器又はパイプ装置内の圧力とは独立的に、前記管に対する気体 の流量、従って、オリフィスにおける気体の気泡量を自動的に制御する手段と、 差圧変換器を使用して、前記プローブにて形成される気泡の最大差圧を液体の 表面張力の関数として測定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し且つ正確な温度補正された表面張力 の値を計算する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序を使用して、流量の制御装置の設定値を自動 的に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装置。 ３．液体の表面張力の測定装置において、 液体を圧力下にて保持する容器、反応器又はプロセスパイプ装置と、 前記容器、反応器又はパイプ装置内にて液体の表面の下方に配置された異なる 直径のオリフィスを有する一対の管と、 前記オリフィスの液体中への浸漬深さを調節する手段と、 管の各々に別個の体積流量制御装置を使用し、かつ容器、反応器又はパイプ装 置内の圧力を相殺するため、容器の雰囲気、又は第三の管に通気された第三の制 御装置を使用して、前記管に対し圧力下の気体源を提供する手段と、 容器、反応器又はパイプ装置内の圧力とは独立的に、前記管に対し調整された 一定の体積流量の気体を提供すべく、前記気体源と前記管との間に接続された手 段と、 前記容器、反応器又はパイプ装置内の圧力とは独立的に、前記管に対する気体 の流量、従って、オリフィスにおける気体の気泡量を自動的に制御する手段と、 前記容器、反応器又はパイプ装置内で加圧された装置に接続された１つの共通 の側部を有する２つ以上の差圧変換器を使用して、プローブにて形成される気泡 の最大差圧を液体の表面張力の関数として測定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し且つ正確な温度補正された表面張力 の値を計算する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序を使用して、流量の制御装置の設定値を自動 的に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装置。 ４．容器、反応器又はプロセスパイプの一部分内に浸漬させるのに適したモジ ュラー式プローブ組立体において、 ガラス、ステンレス鋼及び被覆材料を含むが、これらにのみ限定されない互い に異なる材料から出来た標準的な表面張力測定プローブを取り付ける手段と、 直線状、曲がり(ben)、又は逆形状の異なる形態にて形成された標準的な表面 張力測定プローブを取り付ける手段と、 内側の管及び外側の管部分の中間の接続部分の長さを変更し又はその長さを不 要にすることにより、プローブ組立体の垂直及び水平方向への貫入、従って、そ の浸漬深さを変化させる手段と、 外側の保護パイプ組立体内で表面張力の検出プローブに隣接して温度プローブ を取り付ける手段と、 伝導率プローブを含むが、これにのみ限定されない外側の保護パイプ組立体内 にて表面張力オリフィスに隣接してその他の化学的検出プローブを取り付ける手 段と、 バルク流体からのせん断力及び乱流を緩和しつつ、外側の保護内部プローブ組 立体の壁を通じて、容器、反応器又はプロセスパイプ部分の体積から流体が流れ るのを許容する手段と、 容器、反応器又はプロセスパイプからの管内への液体又は気体の侵入を防止す べく、前記プローブ、及び関連した電気的プローブの配線を圧力密封する手段と を備えるモジュラー式プローブ組立体。 ５．液体の表面張力の測定装置において、 容器、反応器、又はパイプ内の圧力、又は浸漬深さとは独立的に、容器、反応 器、又はプロセスパイプの一部内に浸漬させた管を通じて気泡の量を自動的に制 御する手段と、 始動及び作動中、前記管をパージする手段と、 単極又は双極の何れかとすることのできるデモジュレータの出力回路からの最 大の気泡圧力信号を測定する手段と、 液体の圧力環境とは独立的に、毛管作用に起因する偽のピーク値を排除する手 段により、最大の気泡圧力、従って、液体の表面張力を測定する手段と、 液体の圧力環境とは独立的に、最大の気泡圧力の波形の変動に起因する偽のピ ーク値を排除する手段により、最大の気泡圧力、従って、液体の表面張力を測定 する手段と、 オリフィスにて形成される気泡に対して、粘性な流体の液圧運動学的抵抗力に 起因する差圧の波形の変動による偽のピーク値を排除する手段により、粘性な流 体中の表面張力を測定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し且つ正確な温度補正された表面張力 の値を計算する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序を使用して流量の制御装置の設定値を自動的 に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装置。 ６．液体の表面張力の測定装置において、 容器、反応器、又はパイプ内の圧力、又は管の浸漬深さとは独立的に、容器、 反応器、又はプロセスパイプの一部内に浸漬させた２つの管を通じて気泡の量を 自動的に制御する手段と、 始動及び作動中、前記管をパージする手段と、 単極又は双極の何れかとすることのできるデモジュレータの出力回路からの最 大の気泡圧力信号を測定する手段と、 液体の圧力環境とは独立的に、毛管作用に起因する偽のピーク値を排除する手 段により、最大の気泡圧力、従って、液体の表面張力を測定する手段と、 加圧環境内にてオリフィスにおける最大の気泡圧力を測定し且つ最大の気泡圧 力の波形の変動に起因する平均ピーク値を測定し、従って、液体の表面張力を測 定する手段と、 オリフィスにて形成される気泡に対して、粘性な流体の液圧運動学的抵抗力に 起因する差圧の波形の変動による偽のピーク値を排除する手段により、粘性な流 体中の表面張力を測定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し、正確な温度補正された表面張力の 値を計算する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序を使用して流量の制御装置の設定値を自動的 に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装置。 ７．液体の表面張力の測定装置において、 容器、反応器、又はパイプ内の圧力、又は液体中の浸漬深さとは独立的に、容 器、反応器、又はプロセスパイプの一部内に浸漬させた、オリフィス寸法の異な る２つ以上の管を通じて気泡の量を自動的に制御する手段と、 始動及び作動中の任意の時点にて前記管をパージする手段と、 単極又は双極の何れかとすることのできるデモジュレータの出力回路からの最 大の気泡圧力信号を測定する手段と、 液体の圧力環境とは独立的に、毛管作用に起因する偽のピーク値を排除する手 段により、最大の気泡圧力、従って、液体の表面張力を測定する手段と、 ２つのオリフィスとは独立的に最大の気泡圧力を測定し且つ加圧環境内にて最 大の気泡圧力の波形の変動に起因する偽のピーク値を排除する手段と、得られる 最大の気泡圧力値を差し引いて、その差を求め、これにより、液体の表面張力を 判断する手段と、 粘性な液体内の２つのオリフィスの各々にて独立的に最大の気泡圧力を測定す る手段と、オリフィスにて形成される気泡に対する粘性な流体の液圧運動学的抵 抗値の効果を打ち消す比率にて各オリフィスにおける流量を設定する手段と、 標準的な較正流体の温度を自動的に測定し、正確な温度補正された表面張力の 値を選択する手段と、 順序的な流量制御設定／較正順序を使用して流量の制御装置の設定値を自動的 に順序だて且つ動的表面張力曲線を発生させる手段とを備える測定装置。 ８．液体の表面張力を検出するプローブ組立体において、 該プローブ組立体を容器内にて支持する機構に取り付けられるその一端にてカ ラーが設けられた長い剛性な管と、 該剛性な管の長さに沿って伸長する少なくとも２つの圧力管であって、その一 端が前記カラーを貫通して伸長し且つ接続具(fitting)が設けられた前記少なく とも２つの圧力管と、 各圧力管の他端に取り付けられたプローブであって、各々がその一端にて較正 したオリフィスが設けられた前記プローブと、 前記剛性な管の他端に取り付けられたバスケットであって、堅固な底部と、そ の側部に形成された複数の開口部とを有し、容器内の流体の流れ又は混合に起因 するせん断又は乱流効果を緩和しつつ、前記プローブの較正したオリフィスを通 じて流体が非乱流状態で自由に流れるのを許容するようにした前記バスケットと を備える、プローブ組立体。 ９．請求項８に記載のプローブ組立体において、前記剛性なハウジング内に配 置され且つ前記較正したオリフィスのレベルまで伸長する温度プローブを更に備 える、プローブ組立体。 １０．請求項８に記載のプローブ組立体において、前記圧力管と前記剛性な管と の間に配置されたスペーサを更に備える、プローブ組立体。 １１．請求項８に記載のプローブ組立体において、前記剛性な管が有孔とされて いる、プローブ組立体。