JPH0148975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、溶液の粘度の測定の用に供される
粘度測定装置に関するものである。

［従来技術］ 従来、溶液の粘度を計測する代表的な装置とし
て、トルク検出器を用いた回転円筒式のものと差
圧検出器を用いた細管式のものとがある。たとえ
ば、広く利用されている細管式のものは、細管部
をニユートン流体が通過したとき、細管部の前後
に発生する差圧を検出して、その値から所定の関
係式に基づいて演算して粘度値を求めるものであ
る。

ところで、溶液の粘度測定にあつては、広範囲
の粘度に精確に対応できることが要求される場合
がある。しかるに、上記従来のものはいずれにお
いても溶液の粘度に対しての適用範囲に限界があ
り、その使用にあたり下記のような測定条件に制
約され、使い勝手が悪い欠点がある。

(1) 測定範囲は１：10程度である。

その理由は、回転円筒式のものにおいては、
トルク検出器が、また細管式のものにおいて
は、差圧検出器の精度がそれぞれフルスケール
に対して±0.5％くらいであるから、フルスケ
ールの1/10以下では、測定値に対する誤差が±
５％以上となつてしまうからである。また、細
管式のものにおいては、ギヤポンプの定量性が
重要であるが、このギヤポンプの容積効率は粘
度の低下とともに低下することが測定範囲の下
限をきめる要因の１つになつている。

(2) スラリー状溶液には使えない。

回転円筒式のものにおける内外筒間のギヤツ
プおよび細管式のものにおける細管径は通常２
〜４mm程度であるため、スラリー状溶液では詰
りが発生するおそれがある。また、そのために
別途ろ過器を設置すると、このろ過器を頻繁に
洗浄あるいは交換しなければならなくなる。

(3) 溶液の温度はほぼ一定であること。

粘度測定にとつて温度の影響はきわめて重要
なポイントであるため、従来から装置を恒温槽
に入れたり、溶液温度を測定して電子回路によ
つて補正することが行なわれている。しかしな
がら、溶液の温度が広範囲に変化し、かつ被測
定用溶液の温度を任意に変えることが許されな
い場合には、従来のものでは対応できないこと
がある。

このような欠点に対処するための手段として、
特願昭58−31259号のものが提案されている。こ
の出願発明の内容は、細管部にバイパス流路を
設け、このバイパス流路を細管部の差圧により制
御することにより細管部の流量を制御するととも
に、被測定溶液の温度を検出して測定した粘度値
を補正するものである。

しかし、上記出願発明では、バイパス流路に一
時的に被測定溶液が滞溜することがあるため、プ
ロセスによつては、この間での物性の変化が問題
となる場合もあり、これを改良してさらに信頼性
の高い粘度測定装置が要求されていた。

［発明の概要］ この発明は上記事情に鑑みてなされたもので、
溶液の滞溜を解消するとともに、粘度演算手段に
も改良を加えての高精度な粘度測定装置を提供す
ることを目的とする。

この発明の特徴とするところは、次の通りであ
る。

すなわち、バイパス流路の代りに、細管部であ
る流路に流れる被測定用溶液に上記加圧を行なう
ポンプを可変速に駆動する可変速電動機を用いる
ことである。

さらに、一般に、細管部の両端に発生する差圧
Pd［Kg／cm²］は、細管半径Ｒ［cm］、細管長Ｌ
［cm］、粘度Ｖ［poise］、密度Ｄ［ｇｒ／cm³］、溶液
の流量Ｑ［cm³／sec］とすると、 Pd＝｛8QV（Ｌ＋nR）／πR₄＋mDQ₂／π²R⁴｝×10^-3／
ｇ…(1) （ただし、ｎ、ｍは係数、ｇは980cm／sec²）で
与えられる。ここで、上式の第２項は、溶液の運
動エネルギの変化に基づく圧力損失を表わしてお
り、流量Ｑが小さい場合、第１項に比べて、十分
小さくなるので、無視して取り扱うのが従来から
の通念であり、上記した出願発明についても、同
様に扱つている。ところが、流量Ｑを小さく設定
すると、差圧Pdおよび粘度Ｖに測定誤差が大き
くなり、無視できないことに着目して、この発明
では、さらに第２項の運動エネルギ補正項までも
測定、演算することにより、高精度で広い測定範
囲を確保している。

［発明の実施例］ 以下この発明の一実施例を図面にしたがつて説
明する。

第１図ないし第３図はこの発明にかかる粘度測
定装置の一例における装置本体部を示すものであ
る。

同図において、１は上部測定室、２は下部測定
室、３は被測定溶液Ｍを上記上部測定室１へ供給
する入口配管、４は送液ポンプである。送液ポン
プ４の回転軸５は減速機付可変速電動機１０の出
力軸６に連結されている。７は上記上部測定室１
と下部測定室２とを連結させる流路であり、いわ
ゆる細管式のものの細管部を構成している。８は
上記流路７に設けられた電磁流量計であり、流路
７を流れる被測定用溶液Ｍの流量を測定するもの
である。この電磁流量計８における管路内は単な
る直管であり、かつその内壁は滑面化されてい
る。これにより流入した被測定用溶液Ｍが層流条
件を損なうことなく細管部を流通できるようにな
つている。１１は下部測定室２に接続された溶液
出口配管である。

１２，１３は隔膜式圧力検出器で、それぞれ上
部測定室１および下部測定室２に設けられてお
り、これら両圧力検出器１２，１３の検出圧力は
キヤピラリ１４，１４を介して差圧伝送器１５に
接続されている。差圧伝送器１５は上記圧力検出
器１２，１３などとともに、流路７の上流側と下
流側との間に発生する差圧を測定して電気信号を
出力する差圧測定手段１６を構成しており、上記
電磁流量計８などとともに、第３図に示す支柱１
７に対して、たとえばＵ字形ボルト１８，１９で
堅固に取り付けられている。

２０，２１は温度検出器、たとえば白金抵抗体
のような測温抵抗体であり、それぞれ上部測定室
１および下部測定室２に取り付けられて、後述す
る温度検出器とともに、流路７に流れる被測定用
溶液Ｍの温度を計測する溶液温度検出手段２２を
構成している。なお、上部および下部測定室１，
２、電磁流量計８などは保温材（図示せず）など
により外気としや断されている。

つぎに、この発明の装置の回路を第４図ととも
に説明する。

第４図において、２３は上記可変速電動機１０
を駆動する可変速電動機駆動手段であり、たとえ
ば、周波数変換装置（通称VVVFインバータ）、
２４は上記差圧伝送器１５に接続されたデイスト
リビユータ、２５は電磁流量計８に接続された流
量変換器、２６は温度検出器２０，２１に接続さ
れた温度変換器、２７は被測定用溶液Ｍの固有の
パラメータを設定するための手動設定器であり、
上記デイストリビユータ２４、流量変換器２５、
温度変換器２６および手動設定器２７はそれぞれ
の信号を標準電圧信号に変換して制御回路２８に
入力するようになつている。

上記制御回路２８は、たとえばアナログ入力４
点、アナログ出力２点をもつたマイクロプロセツ
サなどを有するもので、その構成はつぎのようで
ある。すなわち、２９は上記差圧を設定するパラ
メータ設定器、３０はパラメータ設定器２９と上
記デイストリビユータ２４に接続された減算器３
１は減算器３０に接続された増幅器、４０は上記
流量を設定するパラメータ設定器、４１はパラメ
ータ設定器４０と上記流量変換器２５に接続され
た減算器、４２は減算器４１に接続された増幅
器、４３は増幅器３１と増幅器４２の両出力の積
を求める乗算器で、乗算器４３の出力はリミツタ
３２を介して上記可変速電動機駆動手段２３に入
力されるように構成されている。４４は流量変換
器２５からの信号により差圧に対する運動エネル
ギの補正量を演算する演算器であり、４５はデイ
ストリビユータ２４から送出される差圧信号から
上記演算器４４の出力信号を減算する減算器であ
る。３３は減算器４５の出力と流量変換器２５と
の出力とが印加される除算器である。

３４は演算回路であり、上記温度変換器２６か
らの出力と手動設定器２７からの出力とを受けて
粘度換算用基準温度との関係値を演算するもので
ある。３５は演算回路３４に接続された指数関係
演算器、３６は除算器３３の出力と指数関係演算
器３５からの出力により基準温度に換算した粘度
値を得るための乗算器、３７は補正用パラメータ
設定器、３８は上記パラメータ設定器３７と上記
乗算器３６に接続された乗算器である。３９は上
記制御回路２８からの出力を記録する記録計であ
る。

つぎに、上記構成の動作について説明する。

入口配管３に供給された被測定用溶液Ｍは送液
ポンプ４で加圧されて、上部測定室１、流路７お
よび下部測定室２を経由して出口配管１１より系
外へ排出される。

この状態で両圧力検出器１２，１３は各部圧力
を検出し、これらの出力により差圧伝送器１５が
差圧を測定してデイストリビユータ２４に出力す
る。また、電磁流量計８は流路７の流路を測定し
て測定出力を流量変換器２５に出力する。一方、
温度検出器２０，２１は、たとえば合成抵抗値
100Ωとして設定されており、これにより両温度
検出器２０，２１の測定温度の平均値が測定され
る。この場合、上部および下部測定室１，２や流
路７が外気に対してしや断されているため、上記
測定された温度は流路７の溶液温度を代表するも
のとみなされて温度変換器２６に出力される。ま
た、手動設定器２７によつて後述する溶液の固有
値を設定する。

上記デイストリビユータ２４に送出された差圧
信号による流路７の流量制御がこの発明の特徴で
もあり、この点を詳述する。つまり、上記デイス
トリビユータ２４で標準電圧信号（１〜5V）に
変換された差圧信号が制御回路２８に入力される
と、この差圧信号がパラメータ設定器２９で設定
された値と減算器３０で比較される。上記両者の
偏差値は増幅器３１で増幅される。一方、電磁流
量計８で検出された流路７の流量は、流量変換器
２５で標準電圧信号（１〜5V）に変換されて、
流量信号として、制御回路２８に入力されると、
この流量信号はパラメータ設定器４０で設定され
た値と減算器４１で比較され、この両者の偏差値
は増幅器４２で増幅される。増幅器３１と増幅器
４２の両出力はいずれも０〜１の値に規格化され
ており、乗算器４３で乗算された後、リミツタ３
２で標準電圧範囲に整定されて可変速電動機駆動
手段２３に出力される。可変速電動駆動手段２３
は、たとえばVVVFインバータであるならば、
出力周波数を増減して可変速電動機１０を駆動し
てポンプの流量を制御する。すなわち、これによ
つて、流路７を流れる被測定用溶液Ｍを流量制御
して上記両偏差値が零近くになるまで続けられ
る。

上記制御系の働きを具体的数値を使つて示すな
らば、粘度計の測定範囲を10〜1000poiseとして、
被測定用溶液Ｍの粘度が10〜100poiseのとき、可
変速電動機１０は可変速電動機駆動手段２３の制
御により、送液ポンプ４で加圧供給される被測定
用溶液Ｍはパラメータ設定器４０で設定された量
（6944cm³／sec）が流路７を流れる。この場合、上
部測定室１と下部測定室２との間に生じる差圧、
すなわち、差圧伝送器１５からの測定値による差
圧は、測定粘度と正比例の関係にあり、100poise
の粘度での差圧は１Kg／cm²になる。パラメータ設
定器２９の設定値は１Kg／cm²となつているから、
粘度が100poiseを越すと、電動機１０の回転が低
下し始め、流路７に流れる流体が減少し、したが
つて、差圧が１Kg／cm²以上にならないように制御
される。粘度が高くなる程、可変速電動機１０の
回転数が小さくなり、たとえば、粘度が
1000poiseでは、最高回転数の約1/10となる。一
方、流路７を流れる流量は、粘度が100poise以下
のときは6944cm³／sec流れるが、粘度が100poise
を越えると、粘度に反比例して減少し、粘度が
1000poiseでは、694cm³／secとなる。

一方、流量変換器２５の出力は演算器４４によ
り運動エネルギの補正項が演算され、この演算値
の分だけデイストリビユータ２４からの差圧が減
算器４５によつて減算されることにより、運動エ
ネルギによる誤差項が除かれ、この値が、さら
に、流量変換器２５からの出力である流量値とと
もに乗算器３３に印加され、差圧値が流量値で除
算されることによつて、 Pd／Ｑ＝8QV（Ｌ＋nR）／πR⁴×10^-3／ｇ …(2) となり、粘度Ｖに正比例する値が得られる。

一方、温度の補正はつぎのようになされる。

粘度流体の温度による粘度の変化はそれぞれの
物質に特有なものであるが、それを数式化した場
合、多くの物質に対してつぎの式が成り立つ。

Vs＝Vt・EXP(A) …(3) Ａ＝Ｂ（Ｔ−Ts）／（273＋Ｔ）（273＋Ts）…
(4) ここに、 Vs…温度Ts℃での粘膜値（poise） Vt…温度Ｔ℃での粘度値（poise） Ｂ…物質毎に固有な値（−） 演算回路３４は、上記温度変換器２６からの測
定温度をＴ、手動設定器２７の設定値をＢ、粘度
を換算する基準温度をTsとしたとき、上記式(4)
のＡの値を演算する。基準温度Tsはプログラム
の中で定義しておく。しかして、指数関数演算器
３５は上記演算回路３４からの演算結果のＡを受
けて上記式(3)のEXP(A)を演算する。

乗算器３６は除算器３３で得た温度Ｔにおける
粘度値に指数関数演算器３５の演算結果を掛け
る。これにより基準温度に換算した粘度値、すな
わち、上記式(3)のVsが得られる。

ところで、粘度測定装置としての総合精度の確
認は、粘度値およびその温度特性のはつきりした
標準液（たとえばシリコン系オイル）を使つて実
測して行なうが、パラメータ設定器３７の補正値
と上記乗算器３６の出力が乗算器３８で掛けられ
て最終的な補正が行なわれる。この乗算器３６の
出力は制御回路２８の出力として記録計３９で記
録される。

つぎに、この発明の装置によつて特定の条件下
で被測定用溶液Ｍの粘度を測定した場合に確認さ
れた効果について述べる。

測定すべき粘度値は10〜1000poiseであり、溶
液温度は120〜30℃であつて、粘度および温度と
も時々刻々変化する。粘度測定装置から出た溶液
Ｍは、もとのタンクに戻す必要があり、また溶液
に化学反応を起こさせないために粘度測定装置の
中に溶液に急激な温度変化を与えることはできな
い。被測定用溶液Ｍには、20mmの固形物が混入し
ており、細管に詰らないように、細管径をかなり
大きくする必要があるとともに、管の大径化にと
もなう差圧低下をカバーするため流量Ｑもある程
度大きくすることが要求され、加えて従来技術で
説明したように、調節弁バイパス通路を設けたも
のでは、スラリー溶液がバイパス流路に滞溜する
ことを避けるためにも、調整弁バイパス方式は適
当でないことが判明した。

以上の条件のもとで、この発明の粘度測定装置
を使用した場合、粘度測定範囲は上記した必要な
範囲をカバーできた。また、粘度10poiseにおけ
る差圧は、理論式第１項によるものが、0.084
Kg／cm²に対して第２項の運動エネルギによるもの
が0.0116Kg／cm²だけ発生する。したがつて、運動
エネルギの補正を行なわないとすれば、約14％の
測定誤差が発生するが、この発明の運動エネルギ
の補正を採用することによつて、この誤差を除去
することができた。

さらに、温度補正についても、上記温度範囲の
全域にわたり精度よく換算することができた。

この装置の最も管径の狭い部位は、電磁流量計
８の部分であるが、その内径は、実施例について
は75mmに設定したため、この中に固形物が詰る現
象は全くなくなつた。また、ポンプ４について、
一般用途として、ギヤポンプが適しているが、実
施例に示すように固形物の混入があるときには、
スラリーポンプを用いることによつて実用上全く
支障はなくなつた。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、ポンプの回
転数を変化させることによつて流路の流量を増減
できるように構成されているので、無理なく流量
と差圧の制御が可能であり、調節弁バイパス方式
では、対処できなかつた測定条件下での粘度測定
が可能となり、そのうえ、運動エネルギの補正回
路を付加することにより、測定性能が飛躍的に拡
張されて使い勝手の良い粘度測定装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はそれぞれこの発明にかかる粘
度測定装置の一例における装置本体部を示す正面
図、上面図、側面図、第４図は同実施例にかかる
粘度測定装置の全体の回路構成図である。 １……上部測定室、２……下部測定室、３……
ポンプ、４……可変速電動機、７……流路（細管
部）、８……電磁流量計、１０……可変速電動機、
１６……差圧測定手段、２２……温度検出手段、
２３……可変速電動機駆動手段、２７……パラメ
ータ設定手段、２８……制御回路、３９……記録
手段、Ｍ……被測定用溶液。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被測定用溶液が加圧されて供給される上部測
   定室から下部測定室までの間に形成されて細管部
   を形成する流路と、上記上部測定室に接続されて
   上記被測定用溶液に上記加圧を行なうポンプと、
   このポンプを可変速に駆動する可変速電動機と、
   上記流路に設けられた電磁流量計と、上記流路に
   被測定用溶液が流れた際に上流側と下流側との間
   に発生する差圧を測定する差圧測定手段と、上記
   流路に設けられて被測定用溶液の温度を計測する
   溶液温度検出手段と、上記被測定用溶液の固有の
   パラメータを設定するパラメータ設定手段と、上
   記差圧測定手段からの差圧および電磁流量計から
   の流量信号を受けてこの差圧および流量が設定値
   に近似するように上記可変速電動機を制御すると
   ともに、上記電磁流量計からの細管流量、この細
   管流量から求めた被測定用溶液の運動エネルギ、
   上記差圧測定手段からの細管差圧および溶液温度
   検出手段からの溶液温度の各計測値ならびにパラ
   メータ設定手段のパラメータ値とから規定温度に
   換算された粘度値を演算出力する制御回路と、こ
   の制御回路からの出力を記録する記録手段とを具
   備した粘度測定装置。