JPS59126931A

JPS59126931A - 流体の特性測定装置

Info

Publication number: JPS59126931A
Application number: JP323883A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Matsushiro; 松代　隆一; Kenji Iwamoto; 岩本　賢司; Kenji Kondo; 憲司近藤; Masahiro Tomita; 正弘富田
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1983-01-12
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1984-07-21

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】本発明は流体中に設けた振動物体の振動挙動よ多流体の
粘度あるいは粘度等の特性を刈る流体の特性測定装置に
関するものである。

この棚の測定装置としては従来流体の粘度を測定する倣
勧片粘度計が知られている。これは流体中に薄い金属片
を挿入し、その自由倣動の減衰率から流体の粘度を測定
するものであるが、上記金属片を振動せしめ、あるいは
金属片の変位量を検出する回路や機構が必要なため装置
全体が大形となる上に、耐久性にも欠け、車両等への搭
載は不可能であった。

本究明は、コンパクトでかつ寿命の長い流体の特注測定
装置を提供することによシ、上記従来装置の不具合を解
消することを目的とするもので、流体中に挿置した圧電
倣動子と、該圧電振動子に一体的に設け、その変位を測
定する反位測定用圧電体と、上記圧電振動子に励振信号
を送出する励振回路と、上記変位測定用圧電体の出力信
号を受信する受信回路と、受信信号の挙動より流体の特
性を算出する演算回路とを具備する特性測定装置を提供
する。

以下本発明を図示の実施例により説明する。

第１図ないし第７図は本発明の第１の実施例を示すもの
で、各図に従い構成と作動を併せて説明する。

第１図において、分極方向を板厚方向に対して反対とし
た圧′複不板１１ａ、ｌｘｂを接合し、その両面に電極
］、　２　ａ、１２１）を設けていわゆるバイモルフ形
の圧電＠動子ｌが構成しである。

一方、圧“畦体板２１０両面には電極２２ａ、２２ｂを
設け、変位測定用圧電体２が構成しである。

そして、振動子ｌと圧電体２は絶縁板３を介しりて接合され、全体を絶縁性樹看キコーティングされて、
一端は取付用部材５に固定しである。

取付用部材５は段付きの内厚円筒形で、小径部外周には
取付用ネジ部５ａが形成しである。

筒内には絶縁性樹脂６が封着してあり、上記振動子ｌお
よび圧電体２の各一端が樹脂６内に埋設固着しである。

一方、倣動子１の７４１＠ｘｇａ。

１２ｂ２よび圧坂不２の直像２２れ、２２０にはそれぞ
れ、樹脂６を経て外部へ延びるリードｉ７ａ、’ｉ’ｂ
、７０．７（ｉの一刷が接縮しである。

なお、第１図のＡ矢視図を第２区に示す。

上記リード線７ａ、７ｂによシ圧醒倣動子ｌに交番電圧
を印加すると、交番゛電圧の極性の反り云に伴なって倣
動子１は第１図の左右方向にわん曲倣動する。この時、
変位測定用）土′祇体２は振動子１とともにわん曲伸節
し、リード線７Ｃ１７σ間には振動子１の倣側振輻に応
じて大きさが変わる出力電圧が現われる。

第３図以降は上記変位測定用圧電体２を一体に設けた圧
電振動子１を使用して流体の粘性測定装置を４再成し、
本装置にて内燃１晟関のオイルの劣化検知をした例を示
す。

第３図において、庄゛亀倣動子１はエンジンＥのオイル
パンＥｌの底部に装置され、オイル中に挿入しである。

そして、リード線７ａ〜７ｄにより１０号処理回路３０
に接続しである。、３１は温度センサで、その感温部は
オイル中に挿入しである。３２はオイル劣化警告灯、３
３はバッテリである。上記温度センサ３ｘ、ｙ告灯３２
、バッテリ３３はいずれもイぎ号処理回路３０に接続し
である。

第４図に信号処理回路３０の構成をボす。図中３ＯＡは
温度検出器、３０Ｂ、３０にはＡ／Ｄコンバータ、３０
Ｃは関数発生器、３０Ｄは増幅器、３０Ｅ、３０Ｇは差
動アンプ、３０　Ｆ’、３０Ｈは聚流平滑回路、３０Ｊ
は演算器、３０Ｌ、３ＯＮはインターフエーメ回路、３
０Ｍは主演算回路である。

温度センサ３１の出力信号はＩＭＬ反検出器３０Ａに入
力され、ここで所定の電圧レベルに夏換された後、Ａ／
Ｄコンバータ３０Ｂにてデジタル値に寂換され、温度デ
ータＴとして主演算回路３０Ｍに読み込まれる。

関数発生器３０Ｃは圧電振動子１の固有振動数に等しい
周波数の正弦波出力１０号を発する。

この出力信号は増幅器３０Ｄで増幅され、正負に極性を
寂える励振信号としてリード線７ａ、７ｂを経て振動子
ｌに与えられ、これに応じて振動子１が振動する。励振
信号はまた屋切アンプ３０Ｅで増幅され、整流平滑回路
３０Ｆでその振幅に比例しだ［ぽ流信号■１に変換され
て、演算器３０Ｊに入力される。

一方、振動子１と一体となって振動する圧電体２の出力
信号はリード線ｒ７ｃ、ｗｄを経て差動アンプ３０Ｇに
入力さｎ１増幅された後、整流平滑回路３０Ｈでその振
幅に比例した直流１Ｍ号■２に変換され、演算器３０Ｊ
に入力される。

演算器３０Ｊは上記直流信号Ｖ　１＋　Ｖ　２の電圧比
Ｖ　２　／　Ｖ　ｌを糾算し、励振信号と受信信号の振
幅比に比例した出力を光する。出力信号はＡ／Ｄコンバ
ータ３０Ｋにてデジタル値に変換され、振幅比データＲ
として主演算回路３０　Ｍに読み込まれる。

オイル劣化警告灯３２はインターフェース同路３ＯＮに
接続してあシ、主演算回路３０Ｍの出力信号により点灯
する。

ところで、上記振幅比データＲと流体の粘度Ｃとは第５
図に示す如く、反比例関係にある。

まだ、流体の粘度Ｃとオイルの劣化度とは第６図に示す
如く、温度をパラメータとして一義的に定まる。図中、
線に、ｔ、ｍはこの順に温度が低い。

そこで、主演算回路３０Ｍでは第７図に示す手順でオイ
ルの劣化を検知する。すなわち、ステップ７０１にて温
度データＴと振幅比データＲを読み込む。ステップ７０
２では振幅比データＲよυオイルの粘度Ｃを算出し、続
くステップ７０３にて読み込み（Ｍ＋、　／ｆ　Ｔにお
けるオイルの劣化限界粘度Ｃ，（Ｔｌと比較する。その
結果、粘度Ｃが限界粘浅Ｃ６（時を越えていると７テツ
プ７０４にて警告表示灯３２（第４１参Ｍ）を点灯し、
運転者に注意を促す。

このように、本発明の流体特注測定装置はオイル中に設
けた圧電振動子を強制振動せしめるとともに、圧電振動
子にはその倣動反位を測定する変位測定用圧電体を一体
的に設け、圧電振動子への励振信号と変位１１１１１定
用圧電体より得られる受信信号との振幅比を測定するこ
とにより、旧確にオイルの粘度を算出し、これに基づい
てオイルの劣化を検知するもので、振動物体と、その振
動変位測定手段に圧電体を使用して、装置全体を極めて
コンパクトになし、車両等への搭載を可能としたもので
ある。

なお、圧電振動子１および変位測定用Ｌｉ：成体２は第
８図ないし第１１因に示す構造としても第１の実施例と
同様の効果がある。

すなわち、第８図において１．ｆ士電振動子ユは分極方
向を板厚方向に同一とした圧電体板１１ａ、１１１）を
三枚の’４極１２ａ、１２ｂ、１２Ｃ間に挟着しである
。そして、電極１２ａ、１２Ｃには共通のリード線７ａ
の一端が接続され、電極１２１）にはリード線７ｂの一
端が接続しである。

リード線７ａ、７１）によシ正負に極性を変える励振信
号を入力すると、これに応じて圧電振動子ｌが図の左右
方向にわ、ん曲振動する。

第９図において、変位測定用圧電体２は圧電振動子ｌと
同様のバイモルフ構造としである。

すなわち、圧電体液２は分極方向を板厚方向に対して反
対とした二枚の圧電体板２１ａ、２１ｂを接合し、その
両面に電極２２ａ、２２ｂが設けである。

振動子１と伴に圧電体２も図の左右方向にわん曲振動し
、リード線７Ｃ１７α１ｉｊＪ　Ｋ微動に応じた出力信
号が得られる。

第１０図において、圧箪振動子ユは板厚方向を分極方向
とした圧電体板１１の両面に電極１２ａ１１２１）を設
けた掘進としである。

リード線７ａ、７ｂより正負に極性を斐える励振信号を
入力すると、これに応じて圧゛酸振動子１は図の上下方
向へ伸猫振動する。この時変位測定用の圧電体２も振動
子ｌとともに伸縮振動し、リード線７Ｃ１７は間に振動
に応じた出力信号が得られる。

第１１図は第１０図に示す構造の圧電振動子１および変
位測定用圧電体２を半円形にわん曲せしめ両端部を取付
用部イ第５に固定したもので、これにより、倣動子１お
よび圧電体２の伸舶倣動はわん曲面の上下微ｒＡとなる
。

第１２図ないし第１４図は不究明の第２の実施例を示す
もので、上記圧電振動子１を使用して流体の密度測定装
置と偶成した例である。

第１２図に、はいて、測定容器３４内には試料衣坏りが
満たしてあシ、圧゛酸振動子１は上記液中に挿入しであ
る。振動子ｌは信号処理回路３０に接続され、処理１ｉ
＝１回路３０には表示器５５および電源３６が接続しで
ある。

第１３図に石号処理回路３００回路構成をボす。関数発
生器３０ＣはＤ／Ａコンバータ３０Ｐに依ｆ恍されてお
９、主演算回路３０Ｍより出力される周波数設定データ
Ｆにより、その正弦波出力石号の周波数を変ぐ、るゎ表
示器３５１まインターフェース回路３ＯＮに接続してあ
り、正波算回路３０Ｍよ多出力される液俸りの電展値を
表示する。

他の回路構成は第１の実施例と同じである。

第１４図は主演算回路における液体密度の算出手順を示
すもので、周波数設定データＦにより関数発生器３０Ｃ
の出力信号周波数を順次大きくして各周波数における励
振信号と受信信号の振幅比データＲを読み込み、振幅比
データＲが最大値を示す周波数より流体の密度を算出す
るものである。

すなわち、ステップ１４１にて周波数設定データ用レジ
スタ（ト）および振Ｉ陥比データ用しジヌタ（ＲＯ）を
クリアする。ステップ１４２にてレジスタ（ト）の内容
を所定の角周波数Δ７ｖだけ増し、周波数設定データＦ
としてＤ／Ａコンバータ３０Ｐに出力する。

ステップ１４３では上記設定データＦに基づいて発信さ
れた励振信号と受信信号の振幅比データＲを読み込む。

この振幅比データＲがレジスタ（Ｒｏ　）　　の内容よ
りも大きい場合にはステップ１４４よりステップ１４５
に進んでレジメタ（Ｒ’、　）に振幅比データＲを記憶
し、ステップ１４２以降を繰り返す。

一方、振幅比データＲがレジスタ（ＲＯ）の内容よシも
大きくない場合、すなわち最大値を示した場合にはステ
ップ１４４よりステップ１４６に進む。ステップ１４６
では最大値を示した振幅比データＲと、この時の周波数
データＦより振動子１の固有角振動数１１）ｎを算出す
る。そして、続くステップ１４７で固有角振動数Ｗｎに
基づいて散体りの密度ρを算出し、ステップ１４８では
算出した密度ρを表示器３５（第１３図参照）に表示す
る。

なお、この時液体りの粘度が大きくて振幅比データＲの
最大値が得られない場合には脈動子１を第１５図に示す
構造として、そのバネ定数を上昇せしめると良い。すな
わち、図において振動子１の側面に絶縁性樹脂へのコー
ティングＩ―を介して適当なバネ定数を有する板状材８
を接着する。

上記板状材８は振動子１と圧電体２間に介在せしめた絶
縁板３を分割し、その間に設けてももちろん良い。

このように、本発明の流体特性測定装置は圧′ｌｔ振動
子の固有振動数よシ流体の密度を算出するもので、装置
は極めてコンパクトである。

第１６図ないし第２０図は本発明の第３の実施例を示す
もので、上記圧電倣動子ｌを使用して流体の流速および
流量測定装置を（１”４成した例である。

第１６図において、振動子ｌは流体雪路３７中に挿入し
である。流体がある速度で流れていると、振動子１は流
体の動圧を受け、流速に応じて下流側にわん曲する。こ
のわん曲度を測定することによシ流速を算出することが
できる。

密度の変化が無視できない流体については、上記わん曲
位置を中心にして振動子１を振動せしめ、第２の実施例
と同様な方法で同時に密度を測定すれば正確な流速が得
られる。

第１７図はこの為の信号処理回路３０を示すもので、変
位測定用圧電体２のわん曲度に比例したその出力信号中
のバイアス分を得る平滑回路３０Ｑを設け、この平滑回
路３０Ｑ、の出力信号をＡ／Ｄコンバータ３ＯＲにてデ
ジタル値に置換して、わん曲度データＤとして主イシｉ
算回路３０Ｍに入力する。

量算出手順を示す。ステップ１８１では第２の実施例と
同様の手順で流体の密度ρを算出する。

ステップエ８２にてわん曲度データＤを証み込み、これ
に基づいてステップ１８３で動圧Ｐ１ステップ１Ｂ４で
流速■を順次算出する。ステップ１８５では算出した流
速■と管路３７の断面積よシ流量Ｑを算出し、ステップ
１８６にて流速Ｖおよび流量Ｑを表示ｄ３５上に表示す
る。

なお、液体のように密度ρがほぼ一定である場合には冷
−これを計算する必要はなく、第１８図におけるステッ
プ１８１は不要であり、これに伴なって第１７図の信号
処理回路３０中の差動アンプ３０Ｊ３０Ｇ、整流平滑回
路３０Ｆ１３０Ｈ１演算器３０Ｊ、Ａ／Ｄコンバータ３
０におよびＤ／Ａコンバータ３０Ｆが不要である。

この時振動子ｌは振動せしめておく方が、動圧によるわ
ん曲にヒステリシスが生じず、好ましい。

また、振動子１は第１９図、第２０図に示す構造のもの
を使用しても良い。

第１９図では・Ｒ路３７内に形成した支持部材３’７ａ
に絶縁材３８を介して圧電＠動子１および父位測定用圧
′屯体２が一体固定しである。振動子１は長手方向を流
れ方向に一致せしめて配設され、その上流側端間には流
体の動圧を受ける受圧板９が設けである。リード課７ａ
〜７ｄとしては４腺表面に絶縁被膜を形成したエナメル
線等を使用する。

振動子１は流体の動圧に応じて一定量長手方向に圧縮せ
しめられ、この状態で伸節振動する。

第２０図では振動子１の上流側に面したわん曲面が動圧
の受圧部となり、流体の動圧によってわん曲面が下流側
に一定量変形せしめられ、この状態で振動する。

以上の如く、本発明の流体の特性測定装置は圧電振動子
を流体中で振動せしめ、その振動挙動より流体の粘度、
密度あるいは流速を棋１」定するもので、振動物体とし
て圧′複振動子を使用するとともに、これに一体重に変
位測定用圧電体を設けることにより、装置の小型化およ
び耐久性の向上を笑現し、特に車両等へ搭載して優れた
性能を発揮するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明の第１の実施例を示すもの
で、第１図は圧電ゴ展動子の断面図、第２図は第１図の
Ａ天視図、第３図は本発明の装置をオイルの劣化検知に
使用した装置偶成図、第４図は信号処理回路の構成を示
すブロック図、第５図は振１隔比と粘度の関係を示す図
、第６図は粘度とオイルの劣化度のｌＡ係を示す図、第
７図は主演算回路の演算フローチャートである。第８図ないし第１１図は圧′心頭動子の断面図である。第１２図ないし第１５図は本発明の第２の実施例を示す
もので、第１２図は本究明の装置を流体の密度ホ１］定
に使用した装置構成図、第１３図は信号処理回路のイ１
チ成を示すブロック図、第１４図は主演算回路のｍｌｌ
ラフローチャート第１５図は圧電振動子の断面図である
。第１６図ないし第２０図は本発明の第３の実施例を示す
もので、第１６図は本開明の装置を流体の流速測定に使
用した装置榊ノ戊図、第１７図は泊り処理回路の１角成
を示すブロック図、第１８図は主演算回路の演算フロー
チャート、第１９図、第２０図は圧電振動子の断面図で
ある。１・・・・・・圧′ｄｉ振動子２・・・・・・反位測定用圧電体３０・・・・・・イぎ号処坤回路３０Ｃ・・・・・関数発生器３０１）　　・・・ハシ幅器３０Ｅ、３０Ｇ・・・・・差動アンプ３０　Ｆ’、３０Ｂ・・・・・聚流平滑回路ろＯＪ・・
・・・・演算器３０Ｑ・・・・・平ｌ骨回路３０Ｍ・・・主演算回路第３図第５図　　　　　　　第６図第７回第８図　　　　　　　第９図第１ｏ図第１１図第１４図第１５図第１６図７第１８図第１９図７第２０図７

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　流体中に挿置した圧電振動子と、該圧電振動
子に一体的に設け、その変位を測定する反位測定用圧電
体と、上記圧電振動子に励振信号を送出する励振回路と
、上記変位測定用圧電体の出力信号を受信する受信回路
と、受信信号の挙動より流体の特性を算出する演算回路
とを具備する流体の特性測定装置。
（２）上記演算回路は励振信号と受信信号の振幅比より
流体の粘性を算出する特ｆＦ副木の範囲第１項記載の流
体の特性測定装置。
（３）上記演算回路は励振信号と受信信号の振幅比が他
領を示す信号周波数より流体の密度を算出する特許請求
の範囲第１項記載の流体の特性測定装置。
（４）上記演算回路は受信信号のバイアス分よ多流体の
流速および流量を算出する特許請求の範囲第１項記載の
流体の特性測定装置。