JP7302867B2 - Method and apparatus for measuring viscosity coefficient - Google Patents
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Description
本発明は、試料の粘性に関する係数を測定するための測定方法及び測定装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a measuring method and a measuring device for measuring coefficients relating to viscosity of a sample.
従来、流体である試料の粘性を測定する方法としては、細管の中を通る流体の圧力損失を計測する細管式、鉛直管内を落下する物体の速度を計測する落体式、回転円盤間に流体を注入し、必要なトルクを計測する回転式、内外円筒間に流体を注入し、内円筒を振動させた場合の減衰振動を測定する振動式の4つが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
Conventional methods for measuring the viscosity of a fluid sample include the capillary method, which measures the pressure loss of a fluid passing through a capillary tube, the falling body method, which measures the velocity of an object falling in a vertical tube, and the fluid that is passed between rotating discs. Four types are known: a rotary type that measures the required torque by injecting fluid, and a vibration type that measures damping vibration when fluid is injected between the inner and outer cylinders and the inner cylinder is vibrated (for example, Non-Patent
しかしながら、従来の粘性の測定方法においては、比較的大きい装置を用いて、高い粘性をより精度よく測定できるが、粘性が極めて小さい流体についてコンパクトな装置で高精度に測定することは難しいという問題があった。また、測定装置内部に温度や圧力の空間分布が生じる場合には、測定された粘性が、どの温度・圧力での値であるかを精度よく決定することができないという問題もあった。さらに、粘性がずり速度(速度勾配)に依存する非ニュートン流体では、計測精度を維持するために、ずり速度が0に近い条件では測定できない。ずり速度が0に近づくと、せん断応力が小さくなり、精度よく粘性を測定できないからである。その結果として、ずり速度の空間分布が生じた状態で測定を行うことになるため、測定された粘性が、どのようなずり速度に対応する値であるのかを精度よく決定できないという問題も生じることになる。また、従来の粘性の測定方法においては、測定結果に対して補正をする必要があった。 However, in the conventional viscosity measurement method, high viscosity can be measured with high precision using a relatively large device, but there is a problem that it is difficult to measure a fluid with extremely low viscosity with high precision using a compact device. there were. In addition, when there is a spatial distribution of temperature and pressure inside the measuring device, there is also the problem that it is not possible to accurately determine at what temperature and pressure the measured viscosity is a value. Furthermore, non-Newtonian fluids whose viscosity depends on the shear rate (velocity gradient) cannot be measured under conditions where the shear rate is close to 0 in order to maintain measurement accuracy. This is because when the shear rate approaches 0, the shear stress becomes small and the viscosity cannot be measured with high accuracy. As a result, since the measurement is performed in a state where the spatial distribution of the shear rate occurs, there is also the problem that it is not possible to accurately determine what shear rate the measured viscosity corresponds to. become. Moreover, in the conventional viscosity measurement method, it was necessary to correct the measurement result.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、従来になかったまったく新しい粘性に関する係数の測定方法及び測定装置を提供するものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a completely new method and apparatus for measuring a coefficient relating to viscosity that has never existed before.
上記目的を達成するため、本発明による粘性に関する係数の測定方法は、流体である試料の粘性に関する係数を測定する方法であって、容器中の試料に擾乱を付与するステップと、擾乱を付与した後の試料の流速に関する所定のモードの減衰率を測定するステップと、測定された減衰率に基づいて、試料の粘性に関する係数を算出するステップと、を備えたものである。
このような構成により、擾乱を付与した後の試料の流速に関する所定のモードの減衰率に関する測定結果を用いることによって、試料の粘性に関する係数、例えば、動粘性係数や、粘性係数を測定することができる。このような方法により、コンパクトな装置であっても小さい粘性に関する係数を測定することができる。また、例えば、コンパクトな装置で測定を行った場合には、温度や圧力の空間分布における変化を抑えることができ、特定の温度や圧力における粘性に関する係数を測定することができるようになる。また、後述するように、線形安定な定常状態に近い状態において測定を行うため、ずり速度が0に近くても粘性に関する係数を測定することができる。さらに、従来法のように、測定結果に対する補正を行う必要はないというメリットもある。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for measuring a coefficient related to viscosity of a sample, which is a fluid, comprising the steps of: giving a disturbance to the sample in a container; measuring the damping rate of a given mode for the subsequent sample flow velocity; and calculating a coefficient for the viscosity of the sample based on the measured damping rate.
With such a configuration, it is possible to measure the viscosity coefficient of the sample, for example, the dynamic viscosity coefficient and the viscosity coefficient, by using the measurement result of the damping factor of the predetermined mode related to the flow velocity of the sample after the disturbance is applied. can. Such a method makes it possible to measure small viscous moduli even with a compact device. Also, for example, when the measurement is performed with a compact device, it is possible to suppress changes in the spatial distribution of temperature and pressure, and it becomes possible to measure the viscosity coefficient at a specific temperature and pressure. In addition, as will be described later, since the measurement is performed in a state close to a linearly stable steady state, the viscosity-related coefficient can be measured even if the shear rate is close to zero. Furthermore, there is also the advantage that there is no need to correct the measurement results as in the conventional method.
また、本発明による粘性に関する係数の測定方法では、所定のモードは、最も減衰の遅いモードであってもよい。
このような構成により、擾乱を付与してから十分時間の経過した時点の流速に関する減衰率を測定することによって、最も減衰の遅いモードの減衰率を測定することができ、所定のモード減衰率を容易に測定することができるようになる。
Further, in the method of measuring the coefficient related to viscosity according to the present invention, the predetermined mode may be the mode with the slowest attenuation.
With such a configuration, by measuring the attenuation rate of the flow velocity when a sufficient amount of time has passed since the disturbance was applied, the attenuation rate of the mode with the slowest attenuation can be measured. can be easily measured.
また、本発明による粘性に関する係数の測定方法では、容器は円筒形状であり、試料に擾乱を付与するステップにおいて、試料が軸対称な流速を持つように撹拌してもよい。必要な擾乱を付与した後は流動に干渉しないことが望ましい。
このような構成により、解析的に固有方程式を解くことができ、所定のモードの減衰率を容易に算出することができるようになる。
Further, in the method for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention, the container may be cylindrical, and in the step of imparting turbulence to the sample, the sample may be stirred so as to have an axially symmetrical flow velocity. It is desirable not to interfere with the flow after imparting the necessary disturbance.
With such a configuration, the eigen equation can be analytically solved, and the attenuation factor of the predetermined mode can be easily calculated.
また、本発明による粘性に関する係数の測定方法では、容器は、上方が開放されていてもよい。
このような構成により、上方の開放された容器に試料を入れ、擾乱を付与することによって、その試料の粘性に関する係数を測定することができるため、粘性に関する係数の測定を容易に行うことができるというメリットがある。
Further, in the method for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention, the container may be open at the top.
With such a configuration, by putting a sample in a container that is open at the top and imparting disturbance, it is possible to measure the coefficient related to the viscosity of the sample, so that the coefficient related to viscosity can be easily measured. There is an advantage.
また、本発明による粘性に関する係数の測定方法では、容器は、試料が充填された密閉容器であってもよい。
このような構成により、上方が開放されている容器に入れることが困難な試料、例えば、気体の試料や、揮発性の試料などについても、粘性に関する係数を測定することができるようになる。
Moreover, in the method for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention, the container may be a closed container filled with a sample.
With such a configuration, it is possible to measure the viscosity-related coefficient of a sample that is difficult to put in a container whose top is open, such as a gaseous sample or a volatile sample.
また、本発明による粘性に関する係数の測定方法では、粘性に関する係数は、動粘性係数または粘性係数であってもよい。 In addition, in the method for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention, the coefficient related to viscosity may be a kinematic viscosity coefficient or a viscosity coefficient.
また、本発明による粘性に関する係数の測定装置は、流体である試料の粘性に関する係数を測定する装置であって、試料が入れられる容器と、容器中の試料に擾乱を付与する擾乱付与手段と、擾乱付与手段によって擾乱を付与した後の試料の流速に関する所定のモードの減衰率を測定する測定手段と、測定された減衰率に基づいて、試料の粘性に関する係数を算出する算出手段と、算出手段によって算出された粘性に関する係数を出力する出力手段と、を備えたものである。
このような構成により、擾乱を付与した後の試料の流速に関する所定のモードの減衰率に関する測定結果を用いることによって、試料の粘性に関する係数、例えば、動粘性係数や、粘性係数を測定することができる。このような装置により、コンパクトな装置であっても小さい粘性に関する係数を測定することができる。また、例えば、コンパクトな装置で測定を行った場合には、温度や圧力の空間分布における変化を抑えることができ、特定の温度や圧力における粘性に関する係数を測定することができるようになる。また、後述するように、線形安定な定常状態に近い状態でありさえすれば測定可能なので、例えば安定静止状態近傍ではずり速度が0に近くても粘性に関する係数を測定することができる。さらに、従来法のように、測定結果に対する補正を行う必要はないというメリットもある。また、容器の形状や大きさや、測定対象の減衰率に対応するモードをあらかじめ決めておくことによって、粘性に関する係数の算出に用いる算出式として、毎回同じ式を用いることができるようになる。したがって、粘性に関する係数の測定を行うごとに算出式を変更する必要がなくなり、より簡単に粘性に関する係数を測定することができるようになる。
Further, the viscosity-related coefficient measuring device according to the present invention is a device for measuring the viscosity-related coefficient of a sample, which is a fluid, and comprises a container in which the sample is placed, a disturbance imparting means for imparting disturbance to the sample in the container, measuring means for measuring the attenuation rate of a predetermined mode relating to the flow velocity of the sample after being disturbed by the disturbance imparting means; calculating means for calculating a coefficient relating to the viscosity of the sample based on the measured attenuation rate; and calculating means and an output means for outputting the coefficient related to the viscosity calculated by.
With such a configuration, it is possible to measure the viscosity coefficient of the sample, for example, the dynamic viscosity coefficient and the viscosity coefficient, by using the measurement result of the damping factor of the predetermined mode related to the flow velocity of the sample after the disturbance is applied. can. With such a device, it is possible to measure small viscous coefficients even with a compact device. Also, for example, when the measurement is performed with a compact device, it is possible to suppress changes in the spatial distribution of temperature and pressure, and it becomes possible to measure the viscosity coefficient at a specific temperature and pressure. Further, as will be described later, since the measurement is possible only in a state close to a linearly stable steady state, for example, even if the shear rate is close to 0 in the vicinity of a stable stationary state, the coefficient related to viscosity can be measured. Furthermore, there is also the advantage that there is no need to correct the measurement results as in the conventional method. By predetermining the shape and size of the container and the mode corresponding to the attenuation factor of the object to be measured, the same calculation formula can be used each time as the calculation formula for calculating the viscosity-related coefficient. Therefore, there is no need to change the calculation formula each time the viscosity-related coefficient is measured, and the viscosity-related coefficient can be measured more easily.
本発明による粘性に関する係数の測定方法及び測定装置によれば、コンパクトな装置でも小さい粘性に関する係数を高精度に測定することが可能となる。また、例えば、コンパクトな装置によって粘性に関する係数を測定した場合には、温度や圧力の空間分布における変化を抑えることができ、特定の温度や圧力における粘性に関する係数を測定することができる。また、ずり速度が0に近い条件であっても、粘性に関する係数を測定することができる。さらに、測定結果に対する補正を行う必要もない。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the method and apparatus for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention, even a compact device can measure a small coefficient related to viscosity with high accuracy. Further, for example, when the viscosity coefficient is measured using a compact device, changes in the spatial distribution of temperature and pressure can be suppressed, and the viscosity coefficient at a specific temperature and pressure can be measured. In addition, even under conditions where the shear rate is close to zero, the viscosity coefficient can be measured. Furthermore, there is no need to correct the measurement results.
以下、本発明による粘性に関する係数の測定方法及び測定装置について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素及びステップは同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。本実施の形態による粘性に関する係数の測定方法及び測定装置は、流体の試料の流速に関する所定のモードの減衰率の測定結果と算出結果とを用いて、試料の粘性に関する係数を測定するものである。なお、本実施の形態では、粘性に関する係数が動粘性係数である場合について主に説明し、粘性に関する係数が動粘性係数以外である場合については後述する。 Hereinafter, the method and apparatus for measuring a coefficient related to viscosity according to the present invention will be described using embodiments. In the following embodiments, constituent elements and steps with the same reference numerals are the same or correspond to each other, and repetitive description may be omitted. The method and apparatus for measuring the viscosity-related coefficient of the present embodiment measure the viscosity-related coefficient of the sample using the measurement result and the calculation result of the damping factor of a predetermined mode related to the flow velocity of the fluid sample. . In this embodiment, the case where the coefficient related to viscosity is the kinematic viscosity coefficient will be mainly described, and the case where the coefficient related to viscosity is other than the kinematic viscosity coefficient will be described later.
図1は、本実施の形態による動粘性係数の測定装置1の構成を示す模式図である。本実施の形態による動粘性係数の測定装置1は、容器11と、擾乱付与手段12と、測定手段13と、記憶手段14と、算出手段15と、出力手段16と、制御手段17とを備える。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a kinematic viscosity
容器11には、動粘性係数の測定対象となる流体の試料5が入れられる。試料5は、例えば、液体であってもよく、気体であってもよく、超臨界流体であってもよい。容器11は、例えば、図1で示されるように、上方が開放されている容器であってもよく、または、密閉容器であってもよい。容器11の上方が開放されている場合には、底面が水平方向となるように容器11が配置されていることが好適である。また、試料が、例えば、気体であったり、揮発性であったりする場合には、容器11は密閉容器であることが好適である。容器11が密閉容器である場合には、容器11には、試料5が充填されていることが好適である。すなわち、密閉容器である容器11には、実質的に試料5のみが入っていることが好適である。なお、試料5が密閉容器である容器11に充填されている場合であっても、後述するように、容器11にトレーサが入っていてもよい。
A
容器11の形状は問わないが、容器11に入れられた試料5に擾乱を付与するために撹拌する際の撹拌軸に対して、任意の整数Nに関する回転対称性を有している形状、すなわち回転体形状であってもよい。容器11の形状は、例えば、円筒形状であってもよく、球形状であってもよく、回転楕円体形状であってもよく、トーラス形状(ドーナツ形状)であってもよく、中空円柱形状であってもよく、その他の回転体形状であってもよい。本実施の形態では、図1で示されるように、容器11が、上方が開口している円筒形状である場合について主に説明する。
Although the shape of the
擾乱付与手段12は、容器11中の試料5に擾乱を付与する。この擾乱の付与は、試料5に所定の流速を生じさせるために行われる。この擾乱の付与は、後述するように、例えば、線形安定な定常状態である静止状態(流速が0である状態)に減衰する種々のモードを試料5に引き起こすために行われるものである。擾乱付与手段12が試料5に擾乱を引き起こす方法は問わない。擾乱付与手段12は、例えば、試料5を撹拌し、その撹拌を停止することによって擾乱を引き起こしてもよい。例えば、擾乱付与手段12は、撹拌翼や撹拌部材等によって試料5を撹拌してもよい。この場合には、擾乱付与手段12は、例えば、撹拌翼と、撹拌翼の固定された回転軸と、回転軸を回転させる駆動手段とを有していてもよい。そして、その撹拌翼が試料5中に挿入され、回転されることによって試料5が撹拌されてもよい。また、擾乱付与手段12は、マグネティックスターラーであってもよい。また、擾乱付与手段12は、容器11自体を回転させるものであってもよい。容器11を回転させることによって、容器11の内容物である試料5を回転させることができるからである。そのような擾乱付与手段12は、図1で示されるように、試料5の入った容器11を回転させるための回転台であってもよい。試料5の減衰率(減衰係数)の測定を繰り返す場合には、毎回、同じように試料5を回転させることが好適である。その観点からは、擾乱付与手段12は、容器11自体を回転させるものであることが好適である。擾乱付与手段12によって容器11自体を一定の回転数で回転させ、その回転を停止させることによって、容器11の内容物である試料5が、容器11に対して回転することになるが、その回転の程度を、毎回、同じにすることができるからである。なお、容器11が密閉されている場合には、撹拌翼などを容器11内に挿入することが困難であるため、回転台を用いた撹拌が行われることが好適である。本実施の形態では、擾乱付与手段12が、撹拌によって試料5に擾乱を付与する場合について主に説明する。
A disturbance imparting means 12 imparts disturbance to the
擾乱付与手段12による擾乱の付与は、容器11中の試料5に目的とする流速を生じさせるように行われることが好適である。例えば、擾乱付与手段12によって、回転体形状である容器11の回転対称軸と、撹拌軸とが一致するように撹拌が行われてもよい。例えば、擾乱付与手段12が、回転軸を有する場合には、その回転軸と、容器11の回転対称軸とが一致するように撹拌が行われてもよい。また、例えば、擾乱付与手段12が回転台である場合には、回転台の回転軸と、容器11の回転対称軸とが一致するように撹拌が行われてもよい。また、撹拌によって試料5に生じさせる流速は、所定の条件を満たすものであってもよい。例えば、容器11が円筒形状である場合には、後述するように、容器11中の試料5が、容器11の中心軸に対して軸対称な流速を持つように撹拌が行われてもよい。すなわち、容器11中の試料5が、円周方向に主に速度を有するように軸対称に撹拌が行われてもよい。この場合には、試料5は、容器11の半径方向の速度を持たないことが好適であり、仮に半径方向の速度を持つにしても、円周方向の速度と比較して十分小さいことが好適である。擾乱付与手段12は、所定の擾乱を与えた後は、静止してもよいが、試料5の流れの妨げになる場合には、擾乱付与手段12の試料5に挿入されている構成、例えば撹拌翼や回転軸などを試料5から取り出してもよい。
The turbulence imparted by the turbulence imparting means 12 is preferably carried out so as to generate a target flow velocity in the
また、擾乱付与手段12による擾乱の付与は、例えば、容器11内の液体である試料5に目的とする流速を生じさせるように、所定の気体を試料5に吹き付けることによって行われてもよい。例えば、上方が開放されている円筒形状の容器11において、円周方向の流速を生じさせるため、擾乱付与手段12は、容器11内の液体である試料5の液面に対して円周方向に気体を吹き付けてもよい。
Further, the turbulence imparted by the turbulence imparting means 12 may be performed, for example, by blowing a predetermined gas onto the
また、容器11の試料5において、目的とするモードに対応する流速が生じるのであれば、種々のモードの重ね合わせとしての流速が生じてもよい。そのため、目的とするモードに対応する流速が十分な大きさで生じるのであれば、容器11の試料5がある程度ランダムにかき混ぜられることによって擾乱が付与されてもよい。
Moreover, in the
なお、流体である試料5が流動しても、その流動を外部から観察することは、通常、困難である。したがって、例えば、試料5の流動状況を観察できるようにするため、試料5にトレーサが投入されてもよい。例えば、上方が開放されている容器11には、試料5に浮かぶトレーサが投入されてもよい。また、例えば、密閉されている容器11には、試料5と同程度の比重であるトレーサが投入されてもよい。トレーサは、例えば、試料5と視覚的に区別可能な小片や粒子等であってもよい。また、トレーサは、例えば、1個であってもよく、複数であってもよい。後者の場合には、トレーサは、例えば、試料5中に分散するトレーサ粒子であってもよい。なお、動粘性係数の測定に影響を与えないようにするため、トレーサは、容器11に入れられる試料5の量に対して無視できるほどの大きさであることが好適である。
Even if the
測定手段13は、擾乱付与手段12によって擾乱を付与した後の試料5の流速に関する所定のモードの減衰率を測定するものであり、撮影手段13aと、演算手段13bとを備える。例えば、擾乱の付与が撹拌によって行われる場合には、撹拌を停止した後の試料5の流速に関する所定のモードの減衰率が、測定手段13によって測定されることになる。この所定のモードの減衰率の測定は、通常、所定のモードの流速の測定と、その測定された流速を用いた減衰率の算出とによって行われる。上記したように、静止状態に対して擾乱が付与された後には、時間の経過と共に、流速は減衰することになる。また、その減衰のモード(固有関数)には、種々のものが存在するが、流速に関する特定のモードの減衰率が、測定手段13によって測定されることになる。なお、特定のモードは、例えば、最も減衰の遅いモードであってもよく、それ以外のモードであってもよい。前者の場合には、他のモードについて減衰が十分に完了した後(すなわち、他のモードの影響を十分無視できる程度になった後)に、減衰率を測定すればよいことになる。すなわち、擾乱を付与してから十分な時間の経過後に測定した減衰率が、最も減衰の遅いモードの減衰率となる。したがって、容易に減衰率を測定することができるという観点からは、所定のモードは、最も減衰の遅いモードであることが好適である。
The measuring means 13 measures the attenuation rate of a predetermined mode with respect to the flow velocity of the
なお、最も減衰の遅いモード以外のモードの減衰率を測定する場合には、測定対象の減衰率のモードよりも減衰が遅いモードの影響を受けないように測定する必要がある。そのため、例えば、測定対象の減衰率のモードよりも減衰が遅いモードの影響を受けない位置、すなわち、測定対象の減衰率のモードよりも減衰が遅いモードについてはその減衰が遅いモードの流速が0となる位置において、測定対象のモードの減衰率を測定するようにしてもよい。 When measuring the attenuation rate of a mode other than the slowest attenuation mode, it is necessary to measure so as not to be affected by the mode whose attenuation rate is slower than the mode of the attenuation rate to be measured. Therefore, for example, a position that is not affected by a mode with a slower attenuation than the mode of the attenuation rate to be measured, that is, a mode with a slower attenuation than the mode of the attenuation rate to be measured, the flow velocity of the mode with the slower attenuation is 0 The attenuation factor of the mode to be measured may be measured at the position where .
本実施の形態では、後述するように、試料5のトレーサを撮影し、トレーサを追跡することによって流速を算出し、その算出した流速を用いて流速に関する減衰率を求める場合について主に説明する。なお、それ以外の方法によって流速を求めてもよいことは言うまでもない。例えば、試料5中のトレーサ粒子にレーザ光を照射し、トレーサ粒子からの散乱光の周波数がトレーサ粒子の速度に応じてわずかに変化するドップラー効果を利用して流速を求めてもよい(レーザドップラー流速計)。また、上記のように、最も減衰の遅いモード以外のモードの減衰率を測定する場合には、特定の位置の流速を測定する必要があることもある。そのような場合には、例えば、流速を求めたい箇所にレーザ光を照射し、トレーサ粒子からの反射光を撮影することによって、流速を求めたい箇所の流速を測定してもよく、上記のように、レーザドップラー流速計を用いて、流速を求めたい箇所の流速を測定してもよい。
In the present embodiment, as will be described later, the case where the tracer of the
また、流速の測定を行う際には、試料5の温度及び圧力を試料5全体において一定とすることが好適である。そのようにすることで、その流速を用いて測定した減衰率に基づいて算出される動粘性係数が、どの温度及び圧力に対応するものであるのかを明確にすることができるからである。
Moreover, when measuring the flow velocity, it is preferable to keep the temperature and pressure of the
撮影手段13aは、擾乱付与手段12によって擾乱を付与した後の、試料5の流速を取得するための撮影を行う。この撮影によって、試料5のトレーサの動画像が取得されてもよい。撮影手段13aは、例えば、CMOSやCCDなどの撮像素子を用いて、トレーサの動画像を所定のフレームレートで取得してもよい。
The imaging means 13a performs imaging for acquiring the flow velocity of the
演算手段13bは、撮影手段13aによって撮影された動画像を用いて、トレーサの位置を追跡することによって、試料5の流速を取得する。また、演算手段13bは、そのようにして取得した流速を用いて、試料5の流速に関する所定のモードの減衰率を演算する。なお、この減衰率の演算の詳細については後述する。
The calculation means 13b acquires the flow velocity of the
記憶手段14では、測定された減衰率を用いた試料5の動粘性係数の算出に必要な情報が記憶される。記憶手段14では、例えば、容器11中の試料5の流速に関する所定のモードについて、理論的に算出された減衰率が記憶されていてもよく、動粘性係数を算出するための式(例えば、後述する式(10)、式(15)など)が記憶されていてもよい。この減衰率の算出の詳細については後述する。なお、理論的に算出された減衰率とは、試料5の形状等に基づいて理論的に算出された減衰率であり、測定された減衰率とは、実際の試料5における流速に基づいて測定された減衰率である。
The storage means 14 stores information necessary for calculating the dynamic viscosity coefficient of the
また、記憶手段14に情報が記憶される過程は問わない。例えば、記録媒体を介して情報が記憶手段14で記憶されるようになってもよく、通信回線等を介して送信された情報が記憶手段14で記憶されるようになってもよく、または、入力デバイスを介して入力された情報が記憶手段14で記憶されるようになってもよい。記憶手段14は、不揮発性の記録媒体によって実現されることが好適であるが、揮発性の記録媒体によって実現されてもよい。記録媒体は、例えば、半導体メモリや磁気ディスク、光ディスクなどであってもよい。 Also, the process by which the information is stored in the storage means 14 is irrelevant. For example, information may be stored in the storage means 14 via a recording medium, information transmitted via a communication line or the like may be stored in the storage means 14, or Information input via an input device may be stored in the storage means 14 . The storage means 14 is preferably implemented by a non-volatile recording medium, but may be implemented by a volatile recording medium. The recording medium may be, for example, a semiconductor memory, a magnetic disk, an optical disk, or the like.
なお、本実施の形態では、記憶手段14において、容器11中のあらかじめ決められた形状の試料5について算出された、所定のモードの減衰率、または、動粘性係数を算出するための式が記憶されている場合について主に説明するが、動粘性係数の測定装置1において、任意の形状の容器11を用いる場合や、容器11に入れられる試料5の量が任意である場合などには、測定ごとに試料5の流速に関する所定のモードの減衰率が算出されてもよい。その場合には、動粘性係数の測定装置1は、例えば、後述するアスペクト比等に基づいて、所定のモードの減衰率を算出する減衰率算出手段を備えていてもよい。減衰率算出手段は、例えば、後述するアスペクト比等を操作者等から受け付け、それらを用いて、あらかじめ決められたモードの減衰率を算出してもよい。
In the present embodiment, the storage means 14 stores the equation for calculating the damping factor of the predetermined mode or the kinematic viscosity coefficient, which is calculated for the
算出手段15は、測定手段13によって測定された減衰率に基づいて、試料5の動粘性係数を算出する。この算出の詳細については後述するが、算出手段15は、測定された減衰率と、記憶手段14で記憶されている、あらかじめ算出された減衰率とが等しいとすることによって、動粘性係数を算出してもよく、測定された減衰率を、記憶手段14で記憶されている、動粘性係数を算出するための式に代入することによって動粘性係数を算出してもよい。このようにして算出された動粘性係数が、容器11中の試料5の動粘性係数である。
The calculation means 15 calculates the dynamic viscosity coefficient of the
なお、測定手段13による減衰率の測定は、繰り返して行われてもよい。そのように減衰率の測定が繰り返された場合には、例えば、減衰率の複数の測定値の代表値を用いて、動粘性係数の算出が行われてもよく、減衰率の複数の測定値ごとに動粘性係数の算出が行われ、その算出された複数の動粘性係数の代表値が、最終的な測定された動粘性係数となってもよい。代表値は、例えば、平均値や中央値等であってもよい。 Note that the measurement of the attenuation rate by the measuring means 13 may be repeated. When the damping rate measurement is repeated in such a manner, for example, a representative value of the plurality of damping rate measurements may be used to calculate the kinematic viscosity coefficient. The kinematic viscosity coefficient may be calculated for each measurement, and a representative value of the calculated plurality of kinematic viscosity coefficients may be the final measured kinematic viscosity coefficient. The representative value may be, for example, an average value, a median value, or the like.
出力手段16は、算出手段15によって算出された動粘性係数を出力する。ここで、この出力は、例えば、表示デバイス(例えば、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなど)への表示でもよく、所定の機器への通信回線を介した送信でもよく、プリンタによる印刷でもよく、記録媒体への蓄積でもよく、他の構成要素への引き渡しでもよい。なお、出力手段16は、出力を行うデバイス(例えば、表示デバイスや通信デバイスなど)を含んでもよく、または含まなくてもよい。また、出力手段16は、ハードウェアによって実現されてもよく、または、それらのデバイスを駆動するドライバ等のソフトウェアによって実現されてもよい。 The output means 16 outputs the dynamic viscosity coefficient calculated by the calculation means 15 . Here, this output may be, for example, a display on a display device (for example, a liquid crystal display or an organic EL display), may be transmitted to a predetermined device via a communication line, may be printed by a printer, or may be a recording medium. It may be stored in or passed on to another component. Note that the output means 16 may or may not include a device for outputting (for example, a display device, a communication device, etc.). Also, the output means 16 may be realized by hardware, or may be realized by software such as a driver for driving those devices.
制御手段17は、擾乱付与手段12や、演算手段13b、算出手段15に関する制御を行ってもよい。例えば、試料5の動粘性係数を測定する旨の指示を受け付けると、制御手段17は、擾乱付与手段12によって容器11内の試料を撹拌させ、あらかじめ決められた撹拌が実現できた後に、その撹拌を停止させることによって擾乱を生じさせてもよい。また、制御手段17は、撹拌が停止された旨を演算手段13bに出力してもよい。演算手段13bは、撹拌が停止された旨を受け取ってから所定の期間が経過すると、試料5の流速の取得と、その流速に関する減衰率の取得とを行ってもよい。その後、制御手段17は、演算手段13bによって取得された減衰率と、記憶手段14で記憶されている減衰率とを用いた試料5の動粘性係数の算出を算出手段15に行わせてもよい。
The control means 17 may control the disturbance imparting means 12 , the calculation means 13 b and the calculation means 15 . For example, upon receiving an instruction to measure the dynamic viscosity coefficient of the
次に、動粘性係数の測定装置1の動作、すなわち動粘性係数の測定方法について図2のフローチャートを用いて説明する。なお、このフローチャートでは、動粘性係数を算出するための式があらかじめ記憶手段14で記憶されているものとする。また、容器11に、動粘性係数の測定対象である試料5が、あらかじめ決められた分量だけ投入されているものとする。また、擾乱の付与が撹拌によって行われるものとする。
Next, the operation of the kinematic
(ステップS101)制御手段17は、擾乱付与手段12を制御することによって、容器11中の試料5を撹拌させる。この撹拌は、例えば、容器11を回転させることによって行われる。
(Step S<b>101 ) The control means 17 stirs the
(ステップS102)制御手段17は、擾乱付与手段12による容器11の回転を停止させることによって試料5の撹拌を停止させる。この容器11の回転の停止によって、容器11内の試料5は、容器11に対して、回転することになる。このようにして、試料5に擾乱が付与されたことになる。制御手段17は、試料5の撹拌が停止された旨を演算手段13bに出力してもよい。なお、撹拌が停止されると、撮影手段13aは、撹拌が停止された後の試料5のトレーサの動画像を取得する。
(Step S<b>102 ) The control means 17 stops the stirring of the
(ステップS103)演算手段13bは、試料5の流速に関する減衰率の測定を開始するかどうか判断する。そして、測定を開始する場合には、ステップS104に進み、そうでない場合には、開始すると判断するまで、ステップS103の処理を繰り返す。演算手段13bは、例えば、撹拌が停止されてからあらかじめ決められた期間が経過した後に、減衰率の測定を開始すると判断してもよい。
(Step S103) The computing means 13b determines whether to start measuring the attenuation factor related to the flow velocity of the
(ステップS104)演算手段13bは、撮影手段13aによって取得された試料5のトレーサの動画像を用いて、試料5の流速を取得し、その取得した流速の時間変化である減衰率を測定する。
(Step S104) The computing means 13b acquires the flow velocity of the
(ステップS105)算出手段15は、演算手段13bによって測定された減衰率に基づいて、試料5の動粘性係数を算出する。算出手段15は、例えば、記憶手段14で記憶されている式に、測定された減衰率を代入することによって動粘性係数を算出してもよい。
(Step S105) The calculation means 15 calculates the dynamic viscosity coefficient of the
(ステップS106)出力手段16は、算出手段15によって算出された動粘性係数を出力する。このようにして、動粘性係数を測定する一連の処理は終了となる。 (Step S<b>106 ) The output means 16 outputs the dynamic viscosity coefficient calculated by the calculation means 15 . Thus, a series of processes for measuring the coefficient of dynamic viscosity is completed.
なお、図2のフローチャートでは、動粘性係数の測定装置1を用いて試料5の動粘性係数を測定する場合の各処理について説明したが、そうでなくてもよい。そのような装置を用いないで、実験室等において、測定者が容器11内の試料5の撹拌や、試料5のトレーサの撮影などを手作業で行ってもよい。その場合には、例えば、動粘性係数を測定する一連の処理、すなわち動粘性係数の測定方法に、試料5の流速に関する所定のモードの減衰率を理論的に算出する処理や、動粘性係数を算出するための式を求める処理が含まれていてもよい。そのモードは、測定対象の減衰率のモードと同じである。
In addition, although each process in the case of measuring the dynamic viscosity coefficient of the
次に、流体である試料の流速に関する減衰率の算出について説明する。粘性を考慮した流体の運動は、次の式(1)、式(2)で示される。なお、添え字jについては、総和規約を用いている。
ここで、式(1)はナビエ・ストークス方程式であり、式(2)は流体が非圧縮であることを示す連続の式である。なお、式(2)は、流体が液体であれば当然に満たされることになり、流体が気体であっても、定常状態を温度一定の静止状態とした場合には、密度は一定とみなすことができ、満たされることになる。また、上記各式において、viは流体の速度のi成分であり、kiは単位質量あたりの体積力であり、pは流体の圧力であり、ρは流体の密度であり、νは流体の動粘性係数である。また、tは時間であり、xは座標である。また、添え字i,jは、1から3のいずれかの整数であり、添え字i,jの1から3は、それぞれ3次元直交座標系(x,y,z)におけるx成分、y成分、z成分に対応している。 Here, equation (1) is the Navier-Stokes equation, and equation (2) is a continuity equation indicating that the fluid is incompressible. It should be noted that equation (2) is naturally satisfied if the fluid is a liquid, and even if the fluid is a gas, if the steady state is a stationary state with a constant temperature, the density can be regarded as constant. can be fulfilled. In the above equations, v i is the i component of the velocity of the fluid, k i is the volumetric force per unit mass, p is the pressure of the fluid, ρ is the density of the fluid, and ν is the fluid is the dynamic viscosity coefficient of Also, t is time and x is a coordinate. The subscripts i and j are integers from 1 to 3, and the subscripts i and j from 1 to 3 are the x component and the y component in the three-dimensional orthogonal coordinate system (x, y, z), respectively. , corresponding to the z component.
ナビエ・ストークス方程式は、非線形の方程式であるため解析的に解くことはできないが、定常状態の周りで線形化することができる。例えば、流体の速度が0である静止状態に対して擾乱(摂動)を加えた状況を考えると、その擾乱が小さい場合には、式(1)の左辺第2項は他の項に比べて十分小さくなるため、無視することができる。その結果、式(1)を線形方程式にすることができ、その線形方程式の時間依存性をexp(-λt)とすることによって、固有値λと、固有関数(モード)vについての固有方程式を導くことができる。上記式(1)を線形化して、さらに無次元化すると、次の式(3)のようになる。すなわち、式(1)、式(2)は、次の式(3)、式(4)となる。なお、線形方程式でモードを定義した場合に、すべての固有値の実部が正となれば、上述の定常状態に加えられた擾乱が減衰することになるが、これを線形安定と呼ぶ。以下の式(3)は、ナビエ・ストークス方程式を、線形安定な定常状態である静止状態の周りで線形化したものとなる。
ここで、単位質量あたりの体積力kiは、流体の静止状態が実現されるようなポテンシャル場を想定して新しく定義した圧力Pに含めている。この固有方程式は、いわゆるストークス(Stokes)固有モードである。通常、この固有方程式を数値的に解くことは困難であるが、所定の拘束条件や境界条件を設定することによって、解析的に解くことができる。具体的には、図1のような円筒形の容器11に試料5を入れた場合を想定する。ここでは、円筒形の容器11における内側の底面の半径をRとし、試料5の高さをHとする。また、半径と高さとのアスペクト比α=H/Rとする。また、底面及び側面では、試料5が容器に接しているため、滑りなし(すなわち速度0)とし、上面は大気開放であるため、滑りあり(すなわち勾配0)とする。これらが境界条件となる。また、試料5の速度が円筒軸に対して軸対称となっており、円筒軸を中心とする半径方向に速度成分を持たないという拘束条件を設定すると、円周方向の速度と、固有値(速度の減衰率)とは、次式のように解析的に解くことができる。
ここで、uθ(n,m)(r,z)は、r、zの位置における(n,m)モードにおける無次元化された円周方向の速度成分(固有関数)であり、λ(n,m)は、(n,m)モードにおける無次元化された減衰率(固有値)である。また、J1(x)は、次数が1の第1種ベッセル関数であり、xnは、第1種ベッセル関数J1(x)の0以外のn番目の零点であり、既知である。ただし、nは1以上の整数であり、mは0以上の整数である。例えば、x1は、「3.8317...」である。また、rは、容器11の円筒形の中心からの距離であり、その中心が0となり、側壁の位置(半径Rの位置)が1となるように設定されている。また、zは、容器11の底面からの高さであり、底面が0となり、試料5の上端(高さHの位置)がαとなるように設定されている。それぞれ、Rで無次元化されているからである。なお、容器11に入れられた試料5に擾乱が生じていない状態が、上記の線形安定な定常状態である静止状態であり、上記の擾乱が、擾乱付与手段12によって引き起こされた試料5の流れである。
where u θ(n,m) (r,z) is the dimensionless circumferential velocity component (eigenfunction) in the (n,m) mode at the position r,z, and λ ( n,m) is the dimensionless damping rate (eigenvalue) in the (n,m) mode. Also, J 1 (x) is a Bessel function of the first kind with an order of 1, and x n is the nth non-zero zero of the Bessel function of the first kind J 1 (x), which is known. However, n is an integer of 1 or more, and m is an integer of 0 or more. For example, x1 is "3.8317...". Also, r is the distance from the center of the cylindrical shape of the
なお、容器11内の円周方向の速度分布の時間変化Uθ(r,z,t)を示す式を、式(5)、式(6)を用いて示すと、次のようになる。次式において、A(n,m)は、モードごとの所定の係数である。次式から明らかなように、十分な時間が経過すると、減衰率λ(n,m)の小さな速度のみが残ることになる。
式(5)、式(6)では、無次元化した円周方向の速度成分及び減衰率を示しているが、それらを有次元で示すと、次式のようになる。なお、Lは、無次元化のために用いられた代表長さであり、ここではL=Rである。
上記式(6)、式(8)において、最も減衰が遅いモードは、(n,m)=(1,0)モードである。その(1,0)モードの有次元の減衰率λ(d)
(1,0)は、次式で示されるようになる。
また、容器11中の試料5に擾乱を付与し、それから十分時間が経過した後の流速に関する減衰率を測定すると、それがλ(d)
(1,0)に等しいことになる。したがって、そのようにして測定した減衰率をλ(m)とすると、動粘性係数νは、次式のように計算することができる。なお、式(10)の右辺において、減衰率λ(m)は測定値であり、L,αは、容器11の形状や、試料5の高さに応じて決まる値である。それ以外は、定数であるため、式(10)の右辺を算出することができる。このようにして、試料5の動粘性係数νを測定することができる。
なお、固有値の虚部が0である場合には、過減衰となり、指数関数的に減衰することになる。この場合には、減衰がA×exp(-λt)と表現されるのであれば、そのλ(実数)が減衰率λ(m)となる。一方、固有値の虚部が0でない場合には、減衰振動となり、振動しながら減衰することになる。この場合には、極大値または極小値の時間変化から減衰率λ(m)を取得することができる。 If the imaginary part of the eigenvalue is 0, it will be overdamped and will decay exponentially. In this case, if the attenuation is expressed as A×exp(−λt), λ (real number) becomes the attenuation rate λ (m) . On the other hand, when the imaginary part of the eigenvalue is not 0, damped oscillation occurs and damps while vibrating. In this case, the attenuation rate λ (m) can be obtained from the time variation of the maximum or minimum value.
減衰率の測定において、最も減衰が遅いモードの減衰率を測定する場合には、上記のように、最も減衰が遅いモードの減衰率(上記の例では、(1,0)モードの減衰率)のみをあらかじめ算出しておけばよいことになる。一方、どのモードの減衰率を測定するのかが決まっていない場合には、式(5)、式(6)の組み合わせや、式(7)、式(8)の組み合わせのように、固有関数と固有値とのモードごとの組合せを、あらかじめ算出するようにしてもよい。そして、モードごとの固有関数と固有値とを参照することによって、減衰率を測定するモードを決定してもよい。 In measuring the attenuation rate, when measuring the attenuation rate of the mode with the slowest attenuation, as described above, the attenuation rate of the mode with the slowest attenuation (in the above example, the attenuation rate of the (1, 0) mode) Only has to be calculated in advance. On the other hand, when it is not determined which mode's attenuation rate is to be measured, the eigenfunction and A combination for each mode with an eigenvalue may be calculated in advance. Then, by referring to the eigenfunction and eigenvalue for each mode, the mode for measuring the attenuation rate may be determined.
上記のように、有次元の場合には、理論的に算出した減衰率に動粘性係数νが含まれるため、式(9)で示される算出した減衰率と、測定した減衰率λ(m)とを用いることによって、式(10)で示されるように、動粘性係数νを算出することができる。そのようにして算出された動粘性係数νが、本実施の形態による動粘性係数の測定装置1によって測定された動粘性係数νとなる。なお、図1で示される動粘性係数の測定装置1において、容器11に入れられる試料5の高さHを決めておくことによって、アスペクト比αは、決定されることになる。また、容器11の半径R(=L)や、x1も既知であるため、式(10)の右辺は、C×λ(m)とすることができる。ここで、Cは、L2/(x1
2+(π/(2α))2)に相当する実数である。したがって、ν=C×λ(m)が記憶手段14において記憶されている場合には、算出手段15は、その式に測定された減衰率λ(m)を代入することによって、動粘性係数νを算出することができる。なお、式(10)に対応する式:ν=C×λ(m)において、λ(m)以外の部分、すなわち「ν/C」の部分は、算出された減衰率に対応するため、算出手段15が、その式を用いて動粘性係数νを算出した場合には、測定された減衰率λ(m)と、算出された減衰率「ν/C」とを用いて、動粘性係数νが算出されたことになる。
As described above, in the dimensional case, the theoretically calculated damping rate includes the kinematic viscosity coefficient ν . , the kinematic viscosity coefficient ν can be calculated as shown in Equation (10). The kinematic viscosity coefficient ν thus calculated is the kinematic viscosity coefficient ν measured by the kinematic
なお、無次元化した減衰率は、試料5の形状と、試料5の境界条件と、試料5の撹拌条件にのみ依存しており、試料5の種類には依存しないことになる。そのため、上記のように円柱形状の容器11内で軸対称に擾乱を付与する状況では、無次元化した減衰率は、式(6)で示されるように、アスペクト比のみに依存し、容器11中における試料5のアスペクト比αが一定である場合、すなわち試料5の形状が相似である場合には同じ値になる。したがって、減衰率を無次元化することによって、試料5のアスペクト比が一定である場合には、減衰率の算出を繰り返さなくてもよい、というメリットがある。
The dimensionless attenuation rate depends only on the shape of the
無次元化された(1,0)モードの減衰率と、測定された減衰率λ(m)との関係は、次式のようになる。したがって、次式を用いて動粘性係数νを算出することもできる。なお、式(11)を変形すれば、上記の式(10)と同じになる。
上記の説明から明らかなように、無次元化されている場合には、算出された減衰率λ(1,0)は数値であり、測定された減衰率λ(m)と、算出された減衰率λ(1,0)とを関係付ける式(11)に、動粘性係数νが含まれることになる。一方、有次元の場合には、式(8)で示されるように、算出されたλ(d) (1,0)に動粘性係数νが含まれていることになる。 As is clear from the above description, when dimensionless, the calculated attenuation rate λ (1,0) is a numerical value, and the measured attenuation rate λ (m) and the calculated attenuation rate The kinematic viscosity coefficient ν will be included in equation (11) relating the rate λ (1,0) . On the other hand, in the dimensional case, the calculated λ (d) (1,0) includes the kinematic viscosity coefficient ν as shown in Equation (8).
ここでは、容器11の上方が開放している場合について説明したが、容器11の上方が開放していない場合、すなわち、容器11が密閉容器である場合にも、同様にして、動粘性係数を算出することができる。この場合には、最も減衰が遅い(1,0)モードの有次元の減衰率は、次式のようになる。
したがって、容器11が密閉容器である場合には、動粘性係数νは、次式を用いて算出することができる。なお、λ'(m)は、アスペクト比がαであり、半径がR(=L)である密閉の容器11中の試料5について測定された(1,0)モードの減衰率であるとする。
この場合には、容器11が密閉されているため、気体や揮発性の液体についても、動粘性係数を測定することができる。また、容器11を任意の方向に傾けても、動粘性係数を測定することができる。すなわち、容器11の底面が水平方向でなくてもよいことになる。
In this case, since the
なお、上記の説明では、最も減衰が遅いモードについて、減衰率の測定と、減衰率の算出とを行うとしたが、そうでなくてもよい。2番目に減衰が遅いモードなどにおける減衰率の測定と、算出とを行うことによって、上記と同様に、動粘性係数を測定することもできる。ただし、その場合には、減衰率を測定する際に、目的としているモード以外のモードの影響を受けないように測定が行われることが好適である。例えば、最も減衰が遅いモードに関して節となる位置、すなわち、最も減衰が遅いモードに関する速度成分が存在しない位置において、2番目に減衰が遅いモードの流速を測定できる場合には、そのようにして測定した2番目に減衰が遅いモードにおける試料5の流速に関する減衰率の測定結果と、その減衰率の理論的な算出結果とを用いて、動粘性係数を算出することもできる。
In the above description, the attenuation rate is measured and calculated for the slowest attenuation mode, but this need not be the case. By measuring and calculating the damping rate in the second slowest damping mode, etc., the kinematic viscosity coefficient can also be measured in the same manner as described above. However, in that case, it is preferable to measure the attenuation rate so as not to be affected by modes other than the intended mode. For example, if the flow velocity of the second slowest damping mode can be measured at a node location for the slowest damping mode, i.e., a location where there is no velocity component for the slowest damping mode, then so measure. The kinematic viscosity coefficient can also be calculated using the measurement result of the damping rate related to the flow velocity of the
次に、本実施の形態による動粘性係数の測定方法及び測定装置1に関する実施例について説明する。本実施例では、内径が29cm、外径が30cmであり、高さが30cmであるアクリル製の上方が開放されている直円筒の容器11を水平台上に設置し、高さ(水深)が8cmとなるように試料5である水を注入した。また、トレーサとして、直径が2.7cmのポリエチレン発泡体製の薄い円盤の中央に黒い点を付したものを水に浮かべた。そして、上方から投入した撹拌部材により、初期速度分布が容器11の中心軸に対して、軸対称な流れを主として持つようにし、撹拌部材を水中から引き揚げ取り出した。撹拌を与える動作を停止してから20分間、円筒の容器11の上方に設けたデジタルカメラである撮影手段13a(Nikon D5100)によって撮影を行った。また、その撮影した動画像について、解析ソフト(kinovea0.8.27)で解析することによって、撹拌停止後のトレーサの移動速度を計測することによって、各時間の流速(ピクセル/秒)を計測した。なお、本実施例では、1ピクセル(px)が0.356mmに相当した。その計測結果の一例は、図3で示されるとおりである。また、図3では、流速の時間変化を片対数で示している。また、撹拌を停止してから速度が十分に減速した、図4で示される10(ピクセル/秒)以降の流速を用いて、流速の時間変化を図4で示される直線100で示されるように近似し、その直線100に応じた減衰率を求めた。なお、図3,図4では、速度(縦軸)を対数目盛としているため、直線100の傾きの絶対値が減衰率となる。減衰率λ(m)は0.00103(1/秒)であった。実験の開始前後において、ほぼ静止・平衡状態で測定した水温の平均は18.1℃であった。圧力は1atmであった。また、本実施例では、撹拌を停止してから十分な時間が経過した後に減衰率を測定しているため、最も減衰が遅いモードである上記の(1,0)モードでの減衰率を測定したことになる。(1,0)モードの減衰率λ(m)を用いて動粘性係数νを算出する式(10)を再掲すると、次のとおりである。
上記式(10)の右辺に、測定した減衰率λ(m)、容器11の内側の半径L=R=0.145(メートル)、次数が1の第1種ベッセル関数J1(x)の0以外の1番目の零点x1=3.83、容器11のアスペクト比α=(H/R)=(0.08/0.145)をそれぞれ代入すると、水の動粘性係数νは0.952×10-6(平方メートル/秒)と求まった。
On the right side of the above equation (10), the measured attenuation rate λ (m) , the inner radius L=R=0.145 (meters) of the
なお、理科年表に記載されている、1atmにおける15℃及び20℃の水の動粘性係数を内挿することによって、圧力1atm、水温18.1℃に対応する動粘性係数を求めると、1.055×10-6(平方メートル/秒)となった。そのため、本実施例では、約9.8%の相対誤差で水の動粘性係数を測定できたことになる。 By interpolating the kinematic viscosity coefficient of water at 1 atm at 15 ° C. and 20 ° C. described in Rika Chronicle, the kinematic viscosity coefficient corresponding to a pressure of 1 atm and a water temperature of 18.1 ° C. is obtained. 0.055×10 −6 (square meters/second). Therefore, in this example, the dynamic viscosity of water could be measured with a relative error of about 9.8%.
なお、通常は、一定の温度及び圧力において動粘性係数の測定を繰り返し、平均値等である代表値を最終的な動粘性係数の測定値とすることになる。したがって、そのような複数の測定結果を平均することによって動粘性係数を測定した場合の精度について説明する。ここでは、式(11)を用いて、その精度について検討した。上記実施例と同様にして、圧力1atm、水温が16℃~20℃の範囲において求めた減衰率λ(m)や、容器11中の水の温度に対応する、上記と同様に内挿法で求めた動粘性係数等を式(11)の左辺に代入することによって、式(11)の左辺を算出した。このような測定及び算出を30回繰り返すことによって、式(11)の左辺の平均を算出した。その平均は22.8であった。また、式(11)の右辺を式(6)を用いて計算すると22.79となる。また、式(11)式の左辺の平均値の標準偏差σは0.984となった。なお、詳細は省略するが、この標準偏差σを式(11)の右辺の値で割った値が、平均値である動粘性係数の相対誤差となるため、30回の測定を繰り返して平均することにより、相対誤差4.3%で動粘性係数を測定できたことになる。したがって、本実施の形態による動粘性係数の測定方法及び測定装置1を用いて動粘性係数の測定を繰り返し、その平均値を取得することによって、粘性の小さい流体についても高い精度で動粘性係数を測定できることが確認された。
Normally, the kinematic viscosity coefficient is measured repeatedly at a constant temperature and pressure, and a representative value such as an average value is used as the final kinematic viscosity coefficient measurement value. Therefore, the accuracy when the kinematic viscosity coefficient is measured by averaging such a plurality of measurement results will be described. Here, the accuracy was examined using equation (11). In the same manner as in the above embodiment, the attenuation rate λ (m) obtained at a pressure of 1 atm and a water temperature in the range of 16 ° C. to 20 ° C., and the temperature of the water in the
以上のように、本実施の形態による動粘性係数の測定方法及び測定装置1によれば、従来とは異なる、まったく新しい方法によって動粘性係数を測定することができる。例えば、装置がコンパクトである場合には、式(8)においてLが小さくなり、減衰率が大きくなるが、流速を計測する際の時間分解能を上げることによって減衰率を測定することができるため、コンパクトな装置であっても、動粘性係数を測定することができる。動粘性係数が大きい流体について動粘性係数を測定する場合にも同様である。一方、動粘性係数が小さい流体について動粘性係数を測定する場合には、減衰率が小さくなるため、長時間の計測を行うことによって減衰率を測定することができ、動粘性係数を測定することができる。
As described above, according to the kinematic viscosity measuring method and the measuring
また、非ニュートン流体のように、粘性がずり速度に依存するような場合であっても、線形安定な定常状態において、動粘性係数が依存している速度や、速度の空間勾配が一様であるような状態(例えば、試料の全体の流速が0である状態)に擾乱を加えることによって、動粘性係数を測定することができる。また、試料の温度や圧力も一様になり、空間分布が生じないようにすることができる。したがって、所定の温度、所定の圧力、速度が0である極限での動粘性係数を測定できるという意味において、高精度な動粘性係数の測定を実現することができる。非ニュートン流体に関するこのような測定は、ずり速度が0に近い状況では動粘性係数を測定できない従来法では決して実現できないものである。また、従来法と異なり、測定値について補正を行う必要もないというメリットもある。 Moreover, even in cases where the viscosity depends on the shear rate, such as in non-Newtonian fluids, the velocity on which the kinematic viscosity depends and the spatial gradient of the velocity are uniform in the linearly stable steady state. By adding a disturbance to a certain state (eg, a state where the total flow velocity of the sample is zero), the kinematic viscosity can be measured. In addition, the temperature and pressure of the sample become uniform, and spatial distribution can be prevented. Therefore, in the sense that it is possible to measure the kinematic viscosity at the limit where the predetermined temperature, the predetermined pressure, and the speed are 0, highly accurate measurement of the kinematic viscosity can be realized. Such measurements for non-Newtonian fluids are simply not possible with conventional methods, which cannot measure kinematic viscosity under near-zero shear rates. Moreover, unlike the conventional method, there is also the advantage that there is no need to correct the measured values.
なお、例えば、従来法においても低粘度流体の動粘性係数を測定することはできる。しかしながら、例えば、落体式であれば、トレーサ球直径を極めて小さくし、また管長を大きくする必要があり、相対的に高速に落下する球体の運動を高精度に測定する必要がある。また、例えば、回転式であれば、円盤間距離を極めて小さくする必要がある。そのため、円盤の回転を高精度に相互に平行に保つ必要があり、また、測定される小さなトルクを高精度に測定する必要がある。このように、従来法によって、低粘度流体の動粘性係数を測定するためには、計測精度に問題が生じることになる。振動式等でも同様である。一方、本実施の形態による動粘性係数の測定方法及び測定装置1では、上記実験例から分かるように、市販のデジタルカメラを用いた計測によって、十分高精度な測定を実現することができるというメリットがある。また、大きい動粘性係数を測定する場合や、コンパクトな装置で動粘性係数を測定する場合であっても、高速度撮影を行うことができるデジタルカメラを用いて時間分解能を上げることによって、精度の高い動粘性係数の測定を実現することができる。
For example, the kinematic viscosity coefficient of a low-viscosity fluid can also be measured by the conventional method. However, for example, in the case of the falling body type, it is necessary to make the diameter of the tracer sphere extremely small and lengthen the tube length, and to measure the motion of the sphere falling at a relatively high speed with high accuracy. Further, for example, in the case of a rotary type, it is necessary to make the inter-disc distance extremely small. Therefore, the rotation of the discs must be kept parallel to each other with high accuracy, and the small torques to be measured must be measured with high accuracy. As described above, in order to measure the kinematic viscosity coefficient of a low-viscosity fluid by the conventional method, a problem arises in measurement accuracy. The same applies to the vibration type and the like. On the other hand, in the method and
なお、本実施の形態では、試料の流速に関する減衰率を測定したり、算出したりする場合について説明したが、試料の流速に関する緩和時間について測定したり、算出したりしてもよい。また、緩和時間は、減衰率の逆数である。すなわち、緩和時間=1/減衰率となる。したがって、緩和時間について測定したり、算出したりする場合であっても、実質的には減衰率を測定したり、算出したりしていると考えることができるため、緩和時間を用いた動粘性係数の測定についても、本実施の形態による動粘性係数の測定方法及び測定装置1による測定に含まれると考えることができる。
In this embodiment, the attenuation rate related to the flow velocity of the sample is measured or calculated, but the relaxation time related to the flow velocity of the sample may be measured or calculated. Also, the relaxation time is the reciprocal of the decay rate. That is, relaxation time=1/decay rate. Therefore, even when the relaxation time is measured or calculated, it can be considered that the damping rate is actually measured or calculated. Coefficient measurement can also be considered to be included in the measurement by the kinematic viscosity coefficient measurement method and
また、本実施の形態では、容器11が円筒形状である場合について主に説明したが、そうでなくてもよいことは上記のとおりである。円筒形状以外の容器11を用いた場合であっても、固有関数や固有値を求めることができる境界条件や拘束条件を設定することによって、上記と同様にして、所定のモードの減衰率を測定したり、その所定のモードの減衰率を理論的に算出したりすることができ、動粘性係数を測定することができる。
Further, in the present embodiment, the case where the
また、本実施の形態では、粘性に関する係数が動粘性係数である場合について主に説明したが、粘性に関する係数は、粘性係数(絶対粘度)であってもよい。動粘性係数νと、粘性係数μとは、次の関係がある。
ν=μ/ρ
Further, in the present embodiment, the case where the coefficient related to viscosity is the coefficient of kinematic viscosity has been mainly described, but the coefficient related to viscosity may be a viscosity coefficient (absolute viscosity). The dynamic viscosity coefficient ν and the viscosity coefficient μ have the following relationship.
ν=μ/ρ
ここで、ρは流体の密度である。上記関係は、流体がニュートン流体であっても、非ニュートン流体であっても成立する。したがって、上記した動粘性係数に関する説明は、粘性係数についても当てはまることになり、本実施の形態で説明した動粘性係数の測定方法及び測定装置1と同様の方法及び装置によって、粘性係数の測定も実現できることになる。具体的には、算出手段15は、式(10)に代えて次の式(14)を用いることによって、粘性係数μを算出することができる。
この場合には、出力手段16は、算出手段15によって算出された粘性係数μを出力してもよい。このようにして、粘性に関する係数の測定方法及び測定装置は、流体である試料5の粘性係数を測定することもできる。
In this case, the output means 16 may output the viscosity coefficient μ calculated by the calculation means 15 . In this way, the viscosity-related coefficient measurement method and measurement device can also measure the viscosity coefficient of the
また、本実施の形態では、線形安定な定常状態が静止状態である場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。例えば、層流クエット流は、速度勾配が一定である流れ場であり、線形安定な定常状態である。したがって、層流クエット流に擾乱を加え、元の層流クエット流に戻る際の流速の変化を観察することによって、一定のずり速度に対応した非ニュートン流体の粘性に関する係数を測定することもできる。なお、この場合、固有方程式系は式(3)(4)で表されるものとは異なる。このようにして、0でないずり速度に対応する粘性に関する係数を精度高く測定することも可能になる。なお、その擾乱は、試料の撹拌によって加えられてもよい。 Also, in the present embodiment, the case where the linearly stable steady state is the stationary state has been mainly described, but this need not be the case. For example, a laminar Couette flow is a flow field with a constant velocity gradient and a linearly stable steady state. Therefore, by adding a disturbance to the laminar Couette flow and observing the change in flow velocity as it returns to the original laminar Couette flow, we can also measure the viscosity coefficient of a non-Newtonian fluid corresponding to a constant shear rate. . Note that in this case, the eigenequation system is different from that represented by the equations (3) and (4). In this way, it is also possible to accurately measure the viscosity coefficients corresponding to non-zero shear rates. The disturbance may be added by stirring the sample.
また、本実施の形態では、固有値解析を行う場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。例えば、式(11)の例で示されるように、容器形状が相似で境界条件が同じであれば,無次元化された所定のモードの減衰率は、試料の種類に依存しない。したがって、あらかじめ粘性に関する係数が既知である第1の試料について所定のモードの減衰率λ1
(m)を測定しておき、粘性に関する係数を求めたい第2の試料について、第1の試料と同様に同じ実験装置を用いてその所定のモードの減衰率λ2
(m)を測定することによって、粘性に関する係数を、次の式(15)を用いて算出することもできる。なお、ここでは、粘性に関する係数が動粘性係数であるとしており、第1及び第2の試料の動粘性係数をそれぞれν1,ν2としている。
したがって、算出手段15は、式(15)を用いることによって、測定対象である試料(第2の試料)の粘性に関する係数(例えば、動粘性係数ν2)を、測定された減衰率(λ2 (m))に基づいて算出してもよい。 Therefore, the calculating means 15 calculates the coefficient (for example, kinematic viscosity coefficient ν 2 ) related to the viscosity of the sample (second sample) to be measured by using the equation (15) to calculate the measured damping rate (λ 2 (m) ).
また、本実施の形態では、容器11が回転体形状である場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。容器11は、例えば、直方体形状などのように、回転体形状以外の形状であってもよい。そのような回転体形状以外の形状の容器11であっても、粘性に関する係数を測定することができる。具体的には、密閉された直方体形状の容器11に、粘性に関する係数の測定対象である磁性流体の試料を入れ、容器11の外部から時間変動する磁場を加えることによって試料に初期擾乱を加え、この磁場による初期擾乱を加えた後の各点での流速の変化を測定し、この測定結果から流速の減衰率を取得してもよい。そして、式(15)に、測定対象である試料について測定した減衰率λ2
(m)や、あらかじめ粘性に関する係数が分かっている試料(例えば、水など)について、その直方体形状の容器11を用いて測定した減衰率λ1
(m)や粘性に関する係数(例えば、動粘性係数ν1)を代入することによって、測定対象である試料の粘性に関する係数を算出してもよい。
Also, in the present embodiment, the case where the
また、上記実施の形態において、各処理または各機能は、単一の装置または単一のシステムによって集中処理されることによって実現されてもよく、または、複数の装置または複数のシステムによって分散処理されることによって実現されてもよい。 Further, in the above embodiments, each process or function may be implemented by centralized processing by a single device or single system, or may be implemented by distributed processing by multiple devices or multiple systems. It may be realized by
また、上記実施の形態において、各構成要素間で行われる情報の受け渡しは、例えば、その情報の受け渡しを行う2個の構成要素が物理的に異なるものである場合には、一方の構成要素による情報の出力と、他方の構成要素による情報の受け付けとによって行われてもよく、または、その情報の受け渡しを行う2個の構成要素が物理的に同じものである場合には、一方の構成要素に対応する処理のフェーズから、他方の構成要素に対応する処理のフェーズに移ることによって行われてもよい。 Further, in the above-described embodiment, when the information is passed between the components, for example, when the two components that exchange the information are physically different, one of the components output of information and reception of information by the other component, or one component if the two components that pass the information are physically the same from the phase of processing corresponding to the other component to the phase of processing corresponding to the other component.
また、上記実施の形態において、各構成要素が実行する処理に関係する情報、例えば、各構成要素が受け付けたり、取得したり、選択したり、生成したりした情報や、各構成要素が処理で用いる閾値や数式等の情報等は、上記説明で明記していなくても、図示しない記録媒体において、一時的に、または長期にわたって保持されていてもよい。また、その図示しない記録媒体への情報の蓄積を、各構成要素、または、図示しない蓄積部が行ってもよい。また、その図示しない記録媒体からの情報の読み出しを、各構成要素、または、図示しない読み出し部が行ってもよい。 Further, in the above embodiments, information related to processing executed by each component, for example, information received, acquired, selected, or generated by each component, and information that each component can process. Information such as thresholds and formulas to be used may be stored temporarily or for a long period of time in a recording medium (not shown) even if they are not specified in the above description. Further, each component or an accumulation section (not shown) may accumulate information in the recording medium (not shown). Further, each component or a reading unit (not shown) may read information from the recording medium (not shown).
また、上記実施の形態において、各構成要素等で用いられる情報、例えば、各構成要素が処理で用いる閾値や各種の設定値等の情報がユーザによって変更されてもよい場合には、上記説明で明記していなくても、ユーザが適宜、それらの情報を変更できるようにしてもよく、または、そうでなくてもよい。それらの情報をユーザが変更可能な場合には、その変更は、例えば、ユーザからの変更指示を受け付ける図示しない受付部と、その変更指示に応じて情報を変更する図示しない変更部とによって実現されてもよい。その図示しない受付部による変更指示の受け付けは、例えば、入力デバイスからの受け付けでもよく、通信回線を介して送信された情報の受信でもよく、所定の記録媒体から読み出された情報の受け付けでもよい。 Further, in the above embodiment, if the information used in each component etc., for example, information such as threshold values and various setting values used in processing by each component may be changed by the user, the above description may be used. Even if not explicitly stated, the user may or may not be able to change such information as appropriate. If the information can be changed by the user, the change is realized by, for example, a reception unit (not shown) that receives a change instruction from the user and a change unit (not shown) that changes the information according to the change instruction. may The reception of the change instruction by the reception unit (not shown) may be, for example, reception from an input device, reception of information transmitted via a communication line, or reception of information read from a predetermined recording medium. .
また、上記実施の形態において、各構成要素は専用のハードウェアにより構成されてもよく、または、ソフトウェアにより実現可能な構成要素については、プログラムを実行することによって実現されてもよい。例えば、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録されたソフトウェア・プログラムをCPU等のプログラム実行部が読み出して実行することによって、各構成要素が実現され得る。その実行時に、プログラム実行部は、記憶部や記録媒体にアクセスしながらプログラムを実行してもよい。 Further, in the above embodiments, each component may be configured by dedicated hardware, or components that can be realized by software may be realized by executing a program. For example, each component can be realized by reading and executing a software program recorded in a recording medium such as a hard disk or a semiconductor memory by a program execution unit such as a CPU. During the execution, the program execution unit may execute the program while accessing the storage unit or recording medium.
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。 Moreover, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various modifications are possible and are also included within the scope of the present invention.
以上より、本発明による粘性に関する係数の測定方法及び測定装置によれば、従来とはまったく異なる方法によって粘性に関する係数を測定できるという効果が得られ、粘性に関する係数を測定する方法及び装置として有用である。 As described above, according to the method and apparatus for measuring the coefficient related to viscosity according to the present invention, the effect that the coefficient related to viscosity can be measured by a method completely different from the conventional method is obtained, and it is useful as a method and device for measuring the coefficient related to viscosity. be.
1 動粘性係数の測定装置
5 試料
11 容器
12 擾乱付与手段
13 測定手段
13a 撮影手段
13b 演算手段
14 記憶手段
15 算出手段
16 出力手段
17 制御手段
REFERENCE SIGNS
Claims (7)
容器中の前記試料に擾乱を付与するステップと、
前記擾乱を付与した後の前記試料の流速に関する所定のモードの減衰率を測定するステップと、
前記測定された減衰率に基づいて、前記試料の粘性に関する係数を算出するステップと、を備えた粘性に関する係数の測定方法。 A method for measuring a coefficient of viscosity of a fluid sample, comprising:
applying a disturbance to the sample in a container;
measuring the decay rate of a given mode with respect to the flow velocity of the sample after applying the disturbance;
and calculating a viscosity coefficient of the sample based on the measured attenuation factor.
前記試料に擾乱を付与するステップにおいて、前記試料が軸対称な流速を持つように撹拌する、請求項1または請求項2記載の粘性に関する係数の測定方法。 The container has a cylindrical shape,
3. The method of measuring a coefficient relating to viscosity according to claim 1, wherein in the step of imparting turbulence to said sample, said sample is stirred so as to have an axisymmetric flow velocity.
前記試料が入れられる容器と、
前記容器中の前記試料に擾乱を付与する擾乱付与手段と、
前記擾乱付与手段によって擾乱を付与した後の前記試料の流速に関する所定のモードの減衰率を測定する測定手段と、
前記測定された減衰率に基づいて、前記試料の粘性に関する係数を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された粘性に関する係数を出力する出力手段と、を備えた粘性に関する係数の測定装置。 A device for measuring the coefficient of viscosity of a fluid sample,
a container in which the sample is placed;
a disturbance imparting means for imparting disturbance to the sample in the container;
measuring means for measuring an attenuation rate of a predetermined mode with respect to the flow velocity of the sample after being disturbed by the disturbance applying means;
calculation means for calculating a coefficient related to the viscosity of the sample based on the measured attenuation factor;
and an output means for outputting the coefficient related to viscosity calculated by the calculating means.
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