粘度測定装置
【課題】 液体を、高粘度から低粘度までの広い範囲で測定し、かつ、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することにある。
【解決手段】 落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管１と、当該測定管１内を移動する落球と、前記測定管１の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサ３と、当該超音波センサ３の出力を入力し演算する手段４とを有することを特徴とする。
【解決手段】 落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管１と、当該測定管１内を移動する落球と、前記測定管１の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサ３と、当該超音波センサ３の出力を入力し演算する手段４とを有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粘度測定装置に関し、詳しくは、落球式の粘度測定装置に関する。特に、燃料油や潤滑油などの対象とする高圧液体の粘度測定において有用性が高い粘度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の燃料油や潤滑油の粘度測定方法、及びその他の液体の粘度測定のために、回転式、カップ式、落球（落下錘）式、機械振動式、細管式等各種の方式を用いる液体粘度測定装置が開発されてきた。
【０００３】
具体的には、振動センサを用いて液体の粘弾性を測定する振動式粘度計が多用され、例えば、図１２に示すような構成を挙げることができる。振動子５３及び振動センサ５４を取り付けた振動体５２を液体中に浸漬し、振動子５３に振動電圧を印加して振動体５２を共振周波数（ｆ１）で振動させ、振動体５２が共振周波数（ｆ１）で振動するときの振動子５３と振動センサ５４との位相差（Ｐ１）を検出して、振動子５３と振動センサ５４との位相差（Ｐ１）と予め測定した粘度（η）との関係により液体の粘度（η）を測定する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、図１４に例示されるような落下錘式粘度計を挙げることができる。６１は垂直に設定された測定管、６２は該測定管内に挿入された円柱形の落下錘である。測定管６１の中間の上部及び下部に距離Ｌだけ離して、測定管６１内を落下錘６２が落下するときに落下錘２６の通過を測定管外から検出して信号を発信する通過検出器６４ａ，及び６４ｂを設置してある。これらの通過検出器には、磁気的原理を利用した検出器、電磁的原理を利用した検出器、光学的原理を利用した検出器など、各種非接触検出原理を応用することが通例であった（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１７３９６７号公報
【特許文献２】特開平０５−７２１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の粘度計は、いずれも、常圧条件下での液体の測定を目的としたもので、測定対象が高圧液体の場合には、粘度計の構造面や測定精度の面で、仕様に合致しないことがある。特に、上記のような比較的単純な粘度の測定方法では、高圧条件下では高い測定精度を得ることは困難であった。
【０００６】
また、高圧液体を抜出して常圧下で粘度測定を行う方法もあるが、高圧条件下での粘度は常圧下での粘度と大きく異なることから、実際に使用する高圧条件下での測定精度の高い粘度測定の要請が強い。
【０００７】
さらに、落球（落下錘）式粘度計については、落球（落下錘）の落下速度が落下当初の加速された後、液体の抗力によって加速度が減少し一定（終端速度）になるとともに、その終端速度になるまでの落下時間（落下距離）が液体の粘度（圧力）によっても異なる。従って、測定結果に対してこうした挙動を考慮した補正を行う必要があるが、正確な挙動の測定が難しく高い測定精度を得ることは困難であった。
【０００８】
また、昨今、こうした終端速度になるという落球（落下錘）の挙動を利用し、終端速度になった後の粘度を測定することによって測定精度の向上を図る試みが行われているが、終端速度になったことの確認が難しく、また、終端速度までの落下時間が長い場合には粘度計が長大となるおそれがあり、実用化は困難であった。
【０００９】
さらに、透過式あるいは反射式の光センサを用いて落球の測定を行う場合には測定管に透過窓を設ける必要があるが、透過窓自体の強度あるいは取り付け構造も強度の限界から測定液体の圧力に制限があり用途が限定されることになる。例えば、窓径数ｍｍ〜十数ｍｍ、厚み数ｍｍ〜十数ｍｍのサファイアを用いた場合には、０．４ＧＰａ程度が上限圧力となる。特に窓のシール部については、これ以上の耐圧性を確保することが難しい。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、こうした要請に対応し、高粘度から低粘度までの広い範囲で測定し、かつ、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することにある。特に、高圧液体を対象とする場合においては、従来にない精度の高い測定することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す粘度測定装置によって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明は、落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管と、当該測定管内を移動する落球と、前記測定管の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサと、当該超音波センサの出力を入力し演算する手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記のように、落球式の粘度測定装置にあっては、測定管に対して耐圧性や耐蝕性などを考慮する必要のある部材の使用を必要としない測定方法を選択することが好ましい一方、高圧条件下においても所定の測定精度を確保することができる測定方法を選択する必要がある。本発明者は、粘度測定、特に高圧液体の粘度測定において、落球式測定法を用い、測定管内を移動する落球の位置や挙動を超音波センサによって検出することで、高精度かつ高い汎用性を確保することができることを見出した。
【００１４】
つまり、落球式測定法と超音波センサの組み合わせによって、高圧液体に対して耐圧構造の測定系を形成することが可能となる。また、超音波センサの出力から落球の落球速度を演算し粘度換算するとともに、後述する落球のフラツキ（回転を含む）など粘度測定における「速度検出の誤差要因」を、超音波センサの出力特性から補正演算することによって、高い精度を確保することができる。さらに、測定管内では落球の終端速度に達しない場合であっても、落下点に沿って落球速度の変化を求め終端速度を推算することによって、精度の高い粘度測定が可能となる。
【００１５】
これによって、耐圧構造の測定系を有した状態で、液体を高粘度から低粘度までの広い範囲で測定し、かつ、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。なお、ここでいう高圧液体とは、上記に例示した燃料油や潤滑油などのような０．１ＭＰａ〜数ＧＰａ程度の圧力を有する液体をいう。
【００１６】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの少なくとも１つを、前記測定管の底部に配置することを特徴とする。
【００１７】
対象物に超音波を照射した場合、反射波が受信部に到達する時間は対象物との距離によって変化するとともに、照射された超音波に広がりがあれば反射波の強度も変化する。また、測定管の側面からの測定においては、単一の超音波センサの測定範囲に限界がある。本発明は、測定管の底部からの測定を行い、超音波の照射中心軸に沿って移動する落球を測定することによって、測定管頂部から底部までの長時間測定が可能となり終端速度の判断および終端速度自体の測定あるいは推定を容易に行うことができる。従って、耐圧構造の測定系を有した状態で、精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００１８】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサが多素子型センサであり、前記測定管の管路に沿って素子が配置されることを特徴とする。
【００１９】
落球式粘度測定法にあっては、理想的には終端速度に達した状態で落球速度を検出することが好ましい。しかし、落球の移動速度は測定管の位置や液体の粘度によって変化するため、測定点において終端速度に達したか否か、あるいは測定管内でそうした状態が起こりうるのか否か、が不明である。従って、多素子型の超音波センサを用い、測定管の管路に沿って素子を配置することによって、測定管の任意の位置における落球速度を検出することが可能となり、終端速度に達した状態になった位置あるいは終端速度自体を検出することができる。また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００２０】
本発明は、複数の超音波センサを用いた粘度測定装置であって、そのうちの１つの超音波センサが発信する音波の方向が、他の少なくとも１つの超音波センサが発信する音波の方向と交差するように、前記複数の超音波センサが配置されていることを特徴とする。
【００２１】
落球式粘度測定法にあっては、理想的には落球が静止状態に近い状態で測定管の中心軸に沿って落下することが好ましい。しかし、現実には落球の位置の中心軸からのズレや落球のフラツキを生じ、その結果落下速度に影響を与え、測定誤差を発生させる可能性がある。複数の超音波センサを用い異なる角度からの落球の落下状態の検出は、こうした現象を正確に把握することができることを見出したもので、各センサ出力を比較演算し、こうした要因を補正することによって、精度の高い粘度測定が可能となった。
【００２２】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの少なくとも１つが、前記測定管の管路に沿って移動可能であることを特徴とする。
【００２３】
上記のように、落球の移動速度は測定管の位置や液体の粘度によって変化するため、測定管の側面に設けた単一の超音波センサによって、終端速度に達したか否かを判断することは難しい場合がある。本発明は、少なくとも１つの超音波センサを測定管の管路に沿って移動させることによって、測定管の任意の位置における落球速度を検出することが可能となり、終端速度に達した状態になった位置あるいは終端速度自体を検出することができる。また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００２４】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段を有することを特徴とする。
【００２５】
落球式粘度測定法にあっては、上記のように落球の位置の中心軸からのズレや落球のフラツキを生じやすく、さらに極端な場合には測定管の僅かな傾斜や落下開始直後における落下方向や落球自体の回転モーメントの発生によって、落球のフラツキを生じせしめ、結果測定誤差を発生させる可能性がある（以下こうした誤差要因を「速度検出の誤差要因」という。）。特に、高圧条件下では、こうした速度検出の誤差要因の発生が起こりやすい。本発明者は、超音波センサの出力を演算して作成した時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターン（以下「出力パターン等」という。）が、落球速度の検出に使用できるだけでなく、落球速度の変化および上記の速度検出の誤差要因によっても変化することを見出したもので、出力パターン等から上記速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することによって、精度の高い落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。具体的な解析方法については後述する。
【００２６】
本発明は、複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを用いた粘度測定装置であって、当該超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段と、２以上の時間関数あるいは位置関数または出力パターン同士を比較する手段とを有することを特徴とする。
【００２７】
上記のように出力パターン等は、落球速度の変化とともに、速度検出の誤差要因によって変化することが判った。しかし、例えば高圧条件下においては測定が長時間に及ぶ場合もあり、このとき速度検出の誤差要因自体が変化することがある。また、上記のように測定管の１つの領域に関する１つの超音波センサのみの情報では終端速度の判断ができないこともある。そこで、異なる超音波センサの複数の出力パターン等を比較し、その相違点から上記速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することによって、より一層正確な落下速度を検出し、また複数の落下速度と位置の関係から終端速度に達した位置の特定および終端速度を検出することができる。従って、より正確な粘度測定が可能となった。
【００２８】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記測定管を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することを特徴とする。
【００２９】
上記のように、落球のフラツキは、落下速度検出の誤差要因となっている。しかし、こうした誤差要因は、落下の基準線あるいは基準面が決まれば大幅に低減することができる。つまり、測定管を傾斜状態にして落球が測定管の内面に沿って落下し、測定管の外周下側面に設けられた超音波センサによって落球の挙動を検出することによって、測定誤差が低減され、より正確に粘度測定を行うことが可能となった。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明によれば、従来困難であった、液体の正確な粘度測定を、シンプルな構造の耐圧構造の測定系を有した状態で、高粘度から低粘度までの広い範囲で行うことが可能となった。特に高圧条件下においては、耐圧構造においても同等の精度で測定できる点に高い有用性がある。また、超音波センサの出力パターン等を作成し、速度検出の誤差要因との関係を比較検討し、演算・補正することによって、精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００３１】
特に、単一の超音波センサを移動し測定管側面の任意の位置での測定を可能にし、あるいは複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを適切に配置することによって、落球の位置や速度あるいはフラツキなどの挙動を、より正確に把握することができ、一層精度の高い粘度測定が可能となった。
【００３２】
また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、従来困難であった、終端速度に達しない場合においても、精度よく粘度測定を行うことが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
＜基本的な構成例（第１構成例）＞
図１は、この発明に係る粘度測定装置の基本的な構成を例示している。測定対象である液体が通過する流路を有する測定管１と、該測定管１内を移動する落球２と、該測定管１の外周部に設けられた超音波センサ３からなる測定部、該超音波センサ３の出力を入力し演算する手段（演算部）４によって、粘度測定装置を形成している。また、図１では、測定管１の最上部に設けられ落球２を固定するプランジャー５、および落球２が測定管１の最下部に達したことを検知する接点６を有する構成を例示するが、本発明はこうした構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００３５】
ここで、粘度は、その特性上測定時の環境温度によって影響されることから、粘度測定装置は、周囲温度の変化が少ない条件下で用いることが好ましい。また、環境温度の変化が生じる可能性がある場合には、超音波センサ３に近接して、液体の液温を検出する手段（図示せず）を設けることが好ましい。検出された温度データを演算部４に入力し、後述するような測定データの補正を行うことによって、正確な粘度測定が可能となる。なお、本願の対象とする具体的な粘度の値は、特に制限はないが、高圧条件下においては１０−３〜１０８Ｐａ・ｓが適している。
【００３６】
測定管１は、通常耐圧材質であれば、特に限定されるものではないが、強度面、あるいは内管の加工性や内表面の均一性などから、金属製の管あるいは金属管内部にガラスやセラミックス製の内管を挿入した補強管などが好適である。また、測定管１の大きさは、測定対象物および液体圧力など使用条件によって異なるが、一般に数ｍｍ〜数１０ｍｍの内径を有し、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍの長さを有する管状体を用いることができる。
【００３７】
落球２は、その大きさは特に限定されるものではないが、通常、測定管１の内径の５０〜８０％程度の直径を有する球体を使用することができる。材質は、高圧液体に対して所定の落下速度を得ることができる比重を有するものであれば特に限定されるものではないが、球面の加工性や滑性などから、金属やガラス・セラミックスなどが好適である。また、鉄球や鋼球などを用いることによって、後述するように落下前の固定や落下後の検知を容易にする方法を採ることができる。
【００３８】
超音波センサ３について、センサを構成する素子としては、ローレンツ力を用いた電磁式の振動子や圧電セラミックのピエゾ効果を用いた振動子などを用いることができる。図１では、センサの取り付けの便利などの観点から発信部と受信部を一体化した部材として例示しているが、これに限定されるものではなく、別体を組み合わせて用いることも可能である。
【００３９】
また、発信部からの超音波を落球２に照射し反射波を受信する方法（反射式）と、発信部からの超音波を常に受信部に照射し落球２による遮断により検出する方法（透過式）があるが、落球２の挙動を検出するためには、図１のような反射式の方が好ましい。落球２の落下が加速状態にあるか否か、あるいはフラツキの有無など、落球の状態時間的な変化を、透過式よりも正確に反射波によって検出することが可能である。
【００４０】
さらに、超音波のエネルギーを有効に使用し検出感度の向上を図るために、反射波が受信部に焦点を結ぶように発信部から超音波を照射する方法（焦点式）を採ることが好ましい。本発明者の実験においては、焦点式の超音波センサ３を用いることによって、高い精度を確保することができた。
【００４１】
超音波センサ３の取り付け位置は、予め落球２が終端速度になる位置が推定できる場合には、その位置よりも下部に設けることが好ましい。ただし、終端速度になる位置が不明の場合であっても、所定の条件では超音波センサ３の出力パターン等から終端速度を算出することができることから、終端速度の算出には、球が容器底面からの影響を受けない範囲で、底に近い箇所での落下速度を用いることが好ましい。また、種々の液体を測定する必要のある場合には、測定管１の外周部に超音波センサ３の設置位置を変更できるガイド（図示せず）など設けることが好ましい。さらに、後述する構成例のように、複数の超音波センサや多素子型センサを用いること、あるいは移動機構を用いてセンサを測定管１に沿って移動させることも可能である。
【００４２】
演算部４には、超音波センサ３の出力を連続的に受けて順次書き込む機能（書き込みデータ）、粘度測定装置の操作部からの入力あるいは温度データなどの伝送手段からの入力を受けるデータ入力機能、予め得られた既知粘度の液体を検出したときの超音波センサ３の基準出力データや、落下速度と粘度との相関関係（関数データあるいは対比するテーブルなどデータの保存の仕方は問わない）などを記憶する機能（記憶データ）、および、書き込みデータや記憶データを用いた出力パターン等の作成、複数の出力パターン等の比較演算、出力パターン等の補正演算、等々粘度を算出するに必要な種々の機能が内蔵されている。また、粘度の算出における環境温度の補正機能や、複数の超音波センサ間の出力特性のバラツキの補正機能なども内蔵することが好ましい。
【００４３】
測定に際しては、以下に例示するように操作し、処理される。
（１）測定時においては、液体は停止状態にすることが好ましく、測定前の所定時間液体の導入を停止する。停止方法としては、測定管１に繋がる流路に設けた電磁弁による遮断などによって行うことができる（図示せず）。
（２）プランジャー５に電圧を印加し電磁石によって落球２を固定しておく。このとき、落球２の固定部分（例えば電磁石の先端部）を小さくすることによって、固定部分から離れた落球２に対して働く落下方向と異なるモーメントの発生を小さくすることができる。
（３）液体が安定状態になった段階で、プランジャー５に印加した電圧をＯＦＦにして、落球２の落下を開始する。落球２の落下に伴い、超音波センサ３の出力が増大し、やがて減少する。
（４）落球２が測定管１の最下部に達したとき、予め電圧が印加された接点６に落球２が接触する。このとき、接点６の表面電位が変化することから、落球２が測定管１の最下部に達したことを検知することができ、１つの測定サイクルを完了する。
（５）上記（１）の電磁弁による液体の停止状態を解除し、次の測定対象となる液体を測定管１に導入し、安定状態にする。なお、上記の１つの測定サイクルで十分な精度が得られない場合には、（１）〜（４）の繰り返し、あるいは同一の液体を再度測定管１に導入した後に（１）〜（４）の繰り返しを行い平均値あるいは偏差値などを算出することによって、所望の精度の粘度測定を確保することができる。
【００４４】
なお、液体は、測定管１の下部から導入することが好ましい。上記（１）〜（４）を完了した段階で、液体を導入することによって落球２を測定管１の上部に移送することができ、プランジャー５に電圧を印加することによって、再度（２）のようにプランジャー５に落球２を固定することができる。こうした操作を自動的に行うことによって、装置の機能性の向上を図ることができる。
【００４５】
このとき、超音波センサ３の出力を演算部４に入力し、時間関数あるいは時間をパラメータとする出力パターン等を作成することが好ましい。具体的には、前者として超音波センサ３の連続出力を基に時間をパラメータとして算出（通常多次元関数となるが、演算処理の便宜のために２次あるいは３次の関数に近似することが好ましい）する出力関数を挙げることができる。また、後者としては、図２に例示するように、横軸に時間、縦軸に超音波センサ３の出力とする相関関係をパターンとして作成し、パターン上の出力／時間データとして作成することができる。このとき、超音波センサ３の出力そのもの、つまり、エコー高さｈを基に、出力パターン等作成することも可能であるが、超音波センサ３の出力を設置された状態における測定管内面でのエコー（ボールが存在しないときの）の高さｈ０を求め、落球２の通過時のエコー高さｈを標準化しエコー高さ比Ｈを求め（Ｈ＝ｈ／ｈ０）、これを基に出力パターン等を作成することが好ましい。
【００４６】
こうした出力パターン等からは、落球２の落下速度ｖを算出することができるとともに、落球速度の変化量（つまり加速度）αの算出および上記の速度検出の誤差要因による補正を行うことができる。つまり、複数の既知粘度の液体の出力パターン等のデータを基に、図２（Ａ）に示すパターンの高さＨｍと時間半値幅Ｔ、および図２（Ｂ）に示す中心線Ｍに対する時間半値幅の前後の値ＴａおよびＴｂの大きさの相違によって、落球２の落下速度ｖや終端速度ｖ０に達したか否かの判定、あるいは速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することが可能となる。
【００４７】
（１）落下速度ｖの大きさは、時間半値幅Ｔと相関がある。つまり、落下速度ｖが大きい場合には短時間で超音波センサ３の検出領域から出ることから時間半値幅Ｔは小さくなり、落下速度ｖが小さい場合にはその逆となる。このことから、図２（Ｃ）に示すように、複数の既知粘度の液体の出力パターン等の終端速度（例えば、ｖ０１、ｖ０２、ｖ０３）と時間半値幅（例えば、Ｔ０１、Ｔ０２、Ｔ０３）のデータから、両者の相関関係（相関関数で表すことも可能である）を予め求めておき、被検体における時間半値幅Ｔｘに相当する落下速度ｖを求めることができる。
【００４８】
（２）また、落下速度ｖの大きさは、予め超音波センサ３におけるエコー高さ比Ｈと落球２の位置との関係を求めることによって推算することができる。つまり、予め図２（Ｄ）のように、高圧液体のない条件で測定管２の頂部から定位置に落球２を吊り下げた状態でのエコー高さ比Ｈを求めておき、図２（Ｅ）のような位置を横軸とする出力パターン等を作成する。このとき、この出力パターン等を、超音波の照射中心軸Ｍ０におけるエコー高さ比Ｈ０を例えば１．０として正規化することによって、超音波センサ３自体の出力や角度分布のばらつきなどの影響を無視することができる。また、本発明における測定法、特に焦点式の超音波センサ３を用いた場合においては、超音波が透過する媒質の相違や音波の屈折など視野角の広い測定法における影響は音波の拡散によって殆ど無視できることから精度の高い推算が可能となる。
【００４９】
（２−１）具体的には、図２（Ｅ）の位置をパラメータとする出力パターン等を有する超音波センサによって、図２（Ａ）の時間をパラメータとする出力パターン等を得た場合、例えば図２（Ｅ）の半値幅Ｇ（２つの半値点間の距離を表す）を求め、図２（Ａ）の半値幅Ｔ（２つの半値点間の時間を表す）によって除することによって、照射中心軸Ｍ０における落下速度ｖを求めることができる。つまり、標準化されたエコー高さ比Ｈを基に作成された両出力パターン等における出力値は、同じ位置の同じ時間の落球２の測定値に相当し、例えば図２（Ａ）におけるＰ点は図２（Ｅ）におけるＰ’、同様にｔ２とｇ２、ｔｎとｇｎが対応することから、時間Ｔの間に移動した距離Ｇによって速度を算出することができる。
【００５０】
（２−２）また、（２−１）の技術思想を拡張することによって、落下速度ｖの変化を追跡することができる。具体的には、図２（Ｅ）におけるｇ１、ｇ２、ｇ３・・と細分化した位置におけるエコー高さ比Ｈに対応する図２（Ａ）における時間ｔ１、ｔ２、ｔ３・・を求め、ｖ２１＝（ｇ２−ｇ１）／（ｔ２−ｔ１）、ｖ３２＝（ｇ３−ｇ２）／（ｔ３−ｔ２）・・を算出し、図２（Ｆ）のような変化を追跡することによって、後述する終端速度ｖ０の推算を行うことが可能となる。
【００５１】
（３）終端速度ｖ０に達したか否かは、図２（Ａ）における時間半値幅Ｔの中心線Ｍに対する前後の値（ＴａおよびＴｂ）と相関がある。つまり、加速状態にある場合には超音波センサ３の検出領域の中心時間の前よりも後の時間が短くなり、終端速度になれば両者の時間はほぼ同じになる。従って、出力パターン等におけるＴａおよびＴｂを算出することで終端速度ｖ０に達したか否かを判定することが可能となる。
【００５２】
（４）終端速度ｖ０に達したか否かは、図２（Ｂ）における前後の面積ＳａとＳｂと相関がある。つまり、加速状態にある場合には超音波センサ３の検出領域の中心時間の前よりも後の方が反射波の量が少なくなり、終端速度になれば両者の時間はほぼ同じになる。従って、出力パターン等におけるＳａとＳｂを算出することで終端速度ｖ０に達したか否かを判定することが可能となる。
【００５３】
（５）落球２のフラツキに関しては、落球２が超音波センサ３に近いほど反射波が強くなり遠いほど反射波が弱くなることから、パターンの高さＨｍが変化するとともに、通常図２（Ｇ）に例示するようなノイズ状成分が付加される出力パターン等となると推察できる。従って、予め既知粘度の液体を用いて複数の出力パターン等を求め、例えば、ピークＰの出力を１．０として出力パターン等を標準関数化しておき、被検体の測定によって得られた複数点（例えば、標準関数が２次関数の場合は３点、３次関数の場合は４点）のデータを用いて演算することによって標準関数の係数を決定し、出力パターン等を標準関数に近似させることによって落球２のフラツキを補正することが可能となる。このとき、被検体の測定値のうち標準関数からの乖離値に対し閾値を設定し、閾値を超える場合の測定結果は使用しないこととすることによって、補正精度の向上を図ることができる。この補正された出力パターン等を上記（１）の落球速度の算出に用いることによって、精度の高い粘度測定値を得ることができる。
【００５４】
＜第２構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第２の構成例を、図３に例示する。少なくとも１つの超音波センサ３を測定管１の底部に配設することを特徴とする。つまり、超音波センサ３から照射された超音波は、通常、音軸方向に伝播するとともに半径方向にも広がる。底面に装着された探触子の音軸近くで落球２が移動する場合には、落球面からのエコーはその移動情報を捉えることができる。
【００５５】
具体的には、図３（Ａ）のように測定管１の底部に超音波センサ３を配設し、落球２の落下とともに増加する超音波を検出することによって、落球２の落下速度ｖつまりは終端速度ｖ０を検出することができる。例えば図３（Ｂ）のように、エコー高さ比Ｈは落球２の落下とともに高くなり、底面エコーと球エコーとの路程差ΔＬ（時間差ΔＴ×音速ｃ）は、小さくなる。路程差の時間微分でその点での落下速度ｖが求まり、速度の傾向から、終端速度ｖ０の推定が可能となる。ただし、落下速度ｖの算出には液体の音速ｃが必要であり、推定可能な場合にはその値を用い、不明な場合には、底面からある位置（既知の値）の測定管１の側面に焦点型の超音波センサ３’を取り付け、その位置の音軸上を落球２が通過する時点での落球２と底面からの反射時間の差から、液体の音速ｃを求めることも可能である。
【００５６】
少なくとも１つの超音波センサ３によって、常に落球２の同一面を基に移動速度ｖを測定することができることから、非常に測定精度の高い測定装置を構成することが可能となる。また、図３（Ｂ）の構成によれば、粘度の測定と同時に、液体の音速を測定することができるという従来にない技術的効果を得ることができる。特に、高圧条件下での音速は実測することが困難であり、本構成による優れた技術的効果の１つである。
【００５７】
＜第３構成例＞
次に、本発明に係る粘度測定装置の他の構成を、図４に例示する。複数の超音波センサ３１、３２、３３を測定管１の管路に沿って配置したことを特徴とし、基本構成において説明した１つの超音波センサの場合には限界があった機能面あるいは精度面を、複数の超音波センサを用いることによって補完、補償することが可能となった。
【００５８】
具体的には、図４に示すように、推定する終端速度領域に近傍および領域内に分散して配置することによって、終端速度に達した位置の検知と終端速度の確認、および速度検出の誤差要因による影響の有無およびその影響度の検知を行うことができる。測定に際しては、各超音波センサの出力パターン等に対し、以下に例示するような処理が行われる。なお、前提として、各超音波センサの出力特性は、等価でありセンサ間のバラツキはないもの、あるいは補正し合ったものとする。また、これらの各超音波センサの出力を上述のような正規化を行うことによって、さらに精度を上げることができる。
【００５９】
（１）終端速度に関しては、複数の超音波センサが検出した落下速度ｖ１、ｖ２、ｖ３から推定あるいは算出することができる。つまり、複数の超音波センサ個々の出力パターン等における半値幅Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から落下速度ｖ１、ｖ２、ｖ３を第１構成例における図２（Ｃ）の特性を利用して求めることができる。もし、図５（Ａ）実線に示すように、等価でない場合には、測定管１の鉛直方向の位置を横軸とし、各センサ位置と落下速度との相関を求めることによって、終端速度ｖ０を推算することが可能となる。図５（Ａ）破線に示すように、測定管１の下位にある超音波センサ３３および３２（あるいは３１も等価となる場合がある）が検出した落下速度が等価（ｖ３’＝ｖ２’＝ｖ０）の場合には、その値を終端速度とする。
あるいは、図５（Ｂ）に示すように、測定管１の鉛直方向の位置を横軸とし、各センサ位置と半値幅Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３との相関を求めて終端速度域の半値幅Ｔ０を求め、図２（Ｃ）の特性を利用することによって、終端速度を推算することが可能となる。
さらには、半値幅の中心線Ｍの前後において、Ｔａ１とＴｂ１が等価であればＴ１を基に、Ｔａ１とＴｂ１が等価でなくＴａ２とＴｂ２が等価であればＴ２を基に、いずれも等価でなくＴａ３とＴｂ３が等価であればＴ３を基に、終端速度を推算することが可能となる。
【００６０】
（２）落球２のフラツキに関しては、各センサ出力における高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３が異なる場合、フラツキがあると推察することができる。従って、各高さの平均値、あるいは平均値から最も外れた値を排除した値の平均値を基に、出力パターン等を標準関数に近似させることによって落球２のフラツキを補正することが可能となる。
あるいは、終端速度に達したセンサ出力が多数あれば、その平均値を標準出力パターンとすることが可能である。
このように補正された出力パターン等を、上記（１）の落球速度の算出に用いることによって、精度の高い粘度測定値を得ることができる。
【００６１】
＜第４構成例＞
上記の構成において、図６に例示するように、複数の超音波センサ（３１〜３５）のうちの少なくとも１つの超音波センサ（３４および３５）が発信する音波の方向が、他の超音波センサ（３１〜３３）が発信する音波の方向と交差するように配置することによって、さらに精度の高い測定系を構成することが可能となる（第４構成例）。
【００６２】
つまり、複数の超音波センサ３１〜３５を異なる角度から落球２の落下状態を検出することによって、落球２のフラツキを２次元的に把握することができることから、各センサの出力パターン等を比較演算し、こうした要因を補正することによって、粘度測定における誤差を大きく低減することができる。特に、同一位置における落球２を同時に異なる角度から超音波センサ３２と３４および３３と３５によって検出した場合には、一方向での検出では把握できない落下速度に関する情報および誤差要因の情報を得ることが可能となる。
【００６３】
具体的には、図７に例示するような、超音波センサ３１〜３５の出力パターン等（Ａ）〜（Ｅ）を仮定し、これを基に説明する。つまり、以下の条件を仮定すると、（１）〜（３）のように、終端速度ｖ０の算出や補正が可能となる。
（Ａ）〜（Ｃ）における、高さＨ３１〜Ｈ３３は略同一値とする。
（Ａ）は半値幅Ｔ３１がＴ３２〜Ｔ３５よりも大きく、かつ半値幅の前後についてＴａ３１よりもＴｂ３１が大きい。
（Ｂ）と（Ｃ）は半値幅Ｔ３２またはＴ３３が略同じである。
（Ｄ）は高さＨ３４がＨ３２またはＨ３３よりも高く、かつピークＰ３４が中心線Ｍよりも後方にシフトしている。
（Ｅ）は高さＨ３５がＨ３１〜Ｈ３３およびＨ３４よりも小さい。
【００６４】
（１）超音波センサ３１〜３３の出力パターン等（Ａ）〜（Ｃ）の関係から、超音波センサ３２の位置において終端速度に達していることを判定することができる。つまり、半値幅Ｔ３２またはＴ３３およびＴａ３１とＴｂ３１の関係を基に判定することができる。従って、このときの半値幅Ｔ３２またはＴ３３（＝Ｔ３２）を用いて、図２（Ｃ）に相当する相関関係から終端速度ｖ０を求めることができる。
【００６５】
（２）図７（Ｃ）と（Ｅ）の出力パターン等、つまり、（Ｅ）の高さＨ３５が他の出力パターン等より低いことから、落球２にフラツキが生じている、あるいは軌道が測定管１の中心からずれていることを示している。しかし、（Ａ）〜（Ｃ）においては高さの変動がないことから、落球２のフラツキはなく、軌道が測定管１の中心からずれていると判定することができる。従って、（１）の終端速度ｖ０の補正は不要と判定することができる。
【００６６】
なお、以上（１）および（２）の判定において、（Ｂ）および（Ｃ）で安定した終端速度に達している場合には、より安定状態にあると考えられる（Ｃ）での半値幅Ｔ３３を用いて終端速度ｖ０を求めることが好ましい。また、以上の仮定においては、補正を不要とした場合を例示したが、補正が必要である場合には、構成例３に例示したような方法によって、正確性の高い補正が可能となる。
【００６７】
＜第５構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第５の構成例を、図８に例示する。超音波センサ３を多素子型センサとし、測定管１の管路に沿って素子（例えば、３ａ、３ｂ、３ｃ・・）が配置されることを特徴とする。例えば、第３構成例における超音波センサ３１，３２、３３を１つの素子として超音波センサ３を構成したものということができ、測定管１の管路に沿って配置することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。
【００６８】
具体的には、図８のように測定管１に配置された多素子からなる超音波センサ３において、例えば、検出開始時には、最上部の素子３ａを作動させて検出し、順次３ｂ、３ｃ・・と作動する素子を切換えて検出することによって、落球２の落下速度つまりは終端速度を検出することができる。このとき、粘度の異なる液体を測定する場合であっても、粘度の高い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃ・・と順に作動させ、粘度の低い場合には素子３ａ、３ｃ・・と１つ素子を飛ばして作動させる、あるいは、粘度の高い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃだけで検出を終了し、粘度の低い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃ・・と全ての素子を作動させることができる。このように、液体の性状や必要とされる測定精度あるいは測定時間などの条件によって切換えることができ、非常に汎用性の高い測定装置を構成することが可能となる。
【００６９】
＜第６構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第６の構成例を、図９に例示する。超音波センサ３を測定管１の管路に沿って移動可能とすることを特徴とする。例えば、超音波センサ３を測定管１の管路に沿って落球２と等速で移動することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。また、超音波センサ３を測定管１の管路に沿って数段階の等速移動区間を設けて移動することによって落球２との速度差を検出することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。
【００７０】
具体的には、図９のように測定管１に配置された移動機構Ｚに超音波センサ３を配設し、例えば、検出開始時には、最上部の位置に超音波センサ３を配して落球２を検出し、順次３ｂ、３ｃ・・と落球２の落下に合せて超音波センサ３を移動させて検出することによって、落球２の落下速度ｖつまりは終端速度ｖ０を検出することができる。このとき、超音波センサ３の出力が最大となるように移動速度を上下に微小幅変化させることによって、落球２の落下速度とより正確に同じ速度で移動することができる。また、超音波センサ３の移動速度は、例えばサーボモータを用いた場合にはその回転数など、移動機構における操作量をもとに算出することができる。
【００７１】
粘度の異なる液体を測定する場合であっても、粘度の高い場合には超音波センサ３の移動速度を下げ、粘度の低い場合には超音波センサ３の移動速度を上げ、液体の性状や必要とされる測定精度あるいは測定時間などの条件によって移動条件を変更することができ、非常に汎用性の高い測定装置を構成することが可能となる。
【００７２】
＜第７構成例＞
上記の構成例においては、測定管１を鉛直方向に配置した場合について説明した。しかし、速度検出の誤差要因の１つである落球の位置の中心軸からのズレあるいは落球のフラツキは、落下の基準線あるいは基準面が決まれば大幅に低減することができる。つまり、図１０に例示するように、測定管１を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することが好ましい（第７構成例）。
【００７３】
具体的には、測定管１を傾斜状態にして落球２を測定管１の内面に沿って落下させる。測定管の外周面には、上記構成例と同様、超音波センサ３が設けられ、落球２の挙動を検出する。ここで、測定管１の内面の下側面が基準となるため、その下側面に接する落球２の面を検出することができるように、少なくとも１つの超音波センサを配置することによって、落球２のフラツキを低減した状態で精度よく検知することが可能となる。
【００７４】
また、測定管１の内面は円筒面状ではなく、下面にＶカット面（図１０（Ａ）参照）あるいはＵカット面を有することも可能である。ただし、測定管１の内面にＶ字溝を掘ると、高圧の下で応力の集中が生じ、圧力容器が破壊してしまう場合があり、図１０（Ｂ）に例示するように、測定管１の中央を落球２が通るようにガイドレール７を取り付けることが好ましい。
【００７５】
圧力容器へは接着で取り付ける。測定管１の断面において落球２との接触を１つの点で行う場合には（落下の軌跡は１つの線となる）、振動や落下始動時の位置のズレによって落下時のフラツキを生じる可能性があるが、Ｖカット面あるいはＵカット面においては２つの点によって落球２を支えることができる（落下の軌跡は２つの線となる）ことから、安定した落下状態を確保することでき、より正確に粘度測定を行うことが可能となる。
【００７６】
＜その他の実施態様＞
上記は、液体特に高圧液体の粘度測定（体積弾性率）について述べたが、第２構成例において記載したように、本発明の構成を用いることによって液体の音速を測定することができる。また、第４構成例を応用することによっても、高圧液体の音速を測定することができる。
【００７７】
具体的には、図１１に例示するように、測定管１のほぼ中央を落球２が落下している場合を考える。例えば、下記のように、落球２の中心が測定管１の中心と僅かにずれているときの液体音速Ｃは次式１で与えられる。
【００７８】
Ｃ（Ｔ１＋Ｔ２） ≒ ２（Ｄ−ｄ） ＝ ＣＴ３−２ｄ ・・（式１）
ここで、Ｔ１は超音波センサ３１における測定管内面でのエコーと落球表面でのエコーとの時間差を表し、Ｔ２は超音波センサ３２における測定管内面でのエコーと落球表面でのエコーとの時間差を表し、Ｔ３は、球が存在しない、管内径Ｄを音波が伝播して反対側の内面で反射したときの液体中の往復伝播時間である。従って、
Ｃ ＝ ２ｄ／（Ｔ３−Ｔ２−Ｔ１） ・・（式２）
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る粘度測定装置の基本的な構成（第１構成例）を示す説明図。
【図２】本発明に係る粘度測定装置における、超音波センサの出力パターン等を概略的に例示する説明図。
【図３】本発明に係る粘度測定装置の第２構成例を示す説明図。
【図４】本発明に係る粘度測定装置の第３構成例を示す説明図。
【図５】超音波センサの位置と落下速度あるいは半値幅との相関関係を例示する説明図。
【図６】本発明に係る粘度測定装置の第４構成例を示す説明図。
【図７】第４構成例における超音波センサの出力パターン等を概略的に例示する説明図。
【図８】本発明に係る粘度測定装置の第５構成例を示す説明図。
【図９】本発明に係る粘度測定装置の第６構成例を示す説明図。
【図１０】本発明に係る粘度測定装置の第７構成例を示す説明図。
【図１１】本発明に構成例を用いた音速測定装置の概略を示す説明図。
【図１２】従来技術に係る振動式粘度計の構成を概略的に示す説明図。
【図１３】従来技術に係る落下錘式粘度計の構成を概略的に示す説明図。
【符号の説明】
【００８０】
１ 測定管
２ 落球
３ 超音波センサ
４ 演算手段（演算部）
５ プランジャー
６ 接点
ｖ 落下速度
ｖ０ 終端速度
Ｈ エコー高さ比
Ｔ 半値幅（時間半値幅）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粘度測定装置に関し、詳しくは、落球式の粘度測定装置に関する。特に、燃料油や潤滑油などの対象とする高圧液体の粘度測定において有用性が高い粘度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の燃料油や潤滑油の粘度測定方法、及びその他の液体の粘度測定のために、回転式、カップ式、落球（落下錘）式、機械振動式、細管式等各種の方式を用いる液体粘度測定装置が開発されてきた。
【０００３】
具体的には、振動センサを用いて液体の粘弾性を測定する振動式粘度計が多用され、例えば、図１２に示すような構成を挙げることができる。振動子５３及び振動センサ５４を取り付けた振動体５２を液体中に浸漬し、振動子５３に振動電圧を印加して振動体５２を共振周波数（ｆ１）で振動させ、振動体５２が共振周波数（ｆ１）で振動するときの振動子５３と振動センサ５４との位相差（Ｐ１）を検出して、振動子５３と振動センサ５４との位相差（Ｐ１）と予め測定した粘度（η）との関係により液体の粘度（η）を測定する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
また、図１４に例示されるような落下錘式粘度計を挙げることができる。６１は垂直に設定された測定管、６２は該測定管内に挿入された円柱形の落下錘である。測定管６１の中間の上部及び下部に距離Ｌだけ離して、測定管６１内を落下錘６２が落下するときに落下錘２６の通過を測定管外から検出して信号を発信する通過検出器６４ａ，及び６４ｂを設置してある。これらの通過検出器には、磁気的原理を利用した検出器、電磁的原理を利用した検出器、光学的原理を利用した検出器など、各種非接触検出原理を応用することが通例であった（例えば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−１７３９６７号公報
【特許文献２】特開平０５−７２１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の粘度計は、いずれも、常圧条件下での液体の測定を目的としたもので、測定対象が高圧液体の場合には、粘度計の構造面や測定精度の面で、仕様に合致しないことがある。特に、上記のような比較的単純な粘度の測定方法では、高圧条件下では高い測定精度を得ることは困難であった。
【０００６】
また、高圧液体を抜出して常圧下で粘度測定を行う方法もあるが、高圧条件下での粘度は常圧下での粘度と大きく異なることから、実際に使用する高圧条件下での測定精度の高い粘度測定の要請が強い。
【０００７】
さらに、落球（落下錘）式粘度計については、落球（落下錘）の落下速度が落下当初の加速された後、液体の抗力によって加速度が減少し一定（終端速度）になるとともに、その終端速度になるまでの落下時間（落下距離）が液体の粘度（圧力）によっても異なる。従って、測定結果に対してこうした挙動を考慮した補正を行う必要があるが、正確な挙動の測定が難しく高い測定精度を得ることは困難であった。
【０００８】
また、昨今、こうした終端速度になるという落球（落下錘）の挙動を利用し、終端速度になった後の粘度を測定することによって測定精度の向上を図る試みが行われているが、終端速度になったことの確認が難しく、また、終端速度までの落下時間が長い場合には粘度計が長大となるおそれがあり、実用化は困難であった。
【０００９】
さらに、透過式あるいは反射式の光センサを用いて落球の測定を行う場合には測定管に透過窓を設ける必要があるが、透過窓自体の強度あるいは取り付け構造も強度の限界から測定液体の圧力に制限があり用途が限定されることになる。例えば、窓径数ｍｍ〜十数ｍｍ、厚み数ｍｍ〜十数ｍｍのサファイアを用いた場合には、０．４ＧＰａ程度が上限圧力となる。特に窓のシール部については、これ以上の耐圧性を確保することが難しい。
【００１０】
そこで、この発明の目的は、こうした要請に対応し、高粘度から低粘度までの広い範囲で測定し、かつ、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することにある。特に、高圧液体を対象とする場合においては、従来にない精度の高い測定することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す粘度測定装置によって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明は、落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管と、当該測定管内を移動する落球と、前記測定管の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサと、当該超音波センサの出力を入力し演算する手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
上記のように、落球式の粘度測定装置にあっては、測定管に対して耐圧性や耐蝕性などを考慮する必要のある部材の使用を必要としない測定方法を選択することが好ましい一方、高圧条件下においても所定の測定精度を確保することができる測定方法を選択する必要がある。本発明者は、粘度測定、特に高圧液体の粘度測定において、落球式測定法を用い、測定管内を移動する落球の位置や挙動を超音波センサによって検出することで、高精度かつ高い汎用性を確保することができることを見出した。
【００１４】
つまり、落球式測定法と超音波センサの組み合わせによって、高圧液体に対して耐圧構造の測定系を形成することが可能となる。また、超音波センサの出力から落球の落球速度を演算し粘度換算するとともに、後述する落球のフラツキ（回転を含む）など粘度測定における「速度検出の誤差要因」を、超音波センサの出力特性から補正演算することによって、高い精度を確保することができる。さらに、測定管内では落球の終端速度に達しない場合であっても、落下点に沿って落球速度の変化を求め終端速度を推算することによって、精度の高い粘度測定が可能となる。
【００１５】
これによって、耐圧構造の測定系を有した状態で、液体を高粘度から低粘度までの広い範囲で測定し、かつ、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。なお、ここでいう高圧液体とは、上記に例示した燃料油や潤滑油などのような０．１ＭＰａ〜数ＧＰａ程度の圧力を有する液体をいう。
【００１６】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの少なくとも１つを、前記測定管の底部に配置することを特徴とする。
【００１７】
対象物に超音波を照射した場合、反射波が受信部に到達する時間は対象物との距離によって変化するとともに、照射された超音波に広がりがあれば反射波の強度も変化する。また、測定管の側面からの測定においては、単一の超音波センサの測定範囲に限界がある。本発明は、測定管の底部からの測定を行い、超音波の照射中心軸に沿って移動する落球を測定することによって、測定管頂部から底部までの長時間測定が可能となり終端速度の判断および終端速度自体の測定あるいは推定を容易に行うことができる。従って、耐圧構造の測定系を有した状態で、精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００１８】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサが多素子型センサであり、前記測定管の管路に沿って素子が配置されることを特徴とする。
【００１９】
落球式粘度測定法にあっては、理想的には終端速度に達した状態で落球速度を検出することが好ましい。しかし、落球の移動速度は測定管の位置や液体の粘度によって変化するため、測定点において終端速度に達したか否か、あるいは測定管内でそうした状態が起こりうるのか否か、が不明である。従って、多素子型の超音波センサを用い、測定管の管路に沿って素子を配置することによって、測定管の任意の位置における落球速度を検出することが可能となり、終端速度に達した状態になった位置あるいは終端速度自体を検出することができる。また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００２０】
本発明は、複数の超音波センサを用いた粘度測定装置であって、そのうちの１つの超音波センサが発信する音波の方向が、他の少なくとも１つの超音波センサが発信する音波の方向と交差するように、前記複数の超音波センサが配置されていることを特徴とする。
【００２１】
落球式粘度測定法にあっては、理想的には落球が静止状態に近い状態で測定管の中心軸に沿って落下することが好ましい。しかし、現実には落球の位置の中心軸からのズレや落球のフラツキを生じ、その結果落下速度に影響を与え、測定誤差を発生させる可能性がある。複数の超音波センサを用い異なる角度からの落球の落下状態の検出は、こうした現象を正確に把握することができることを見出したもので、各センサ出力を比較演算し、こうした要因を補正することによって、精度の高い粘度測定が可能となった。
【００２２】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの少なくとも１つが、前記測定管の管路に沿って移動可能であることを特徴とする。
【００２３】
上記のように、落球の移動速度は測定管の位置や液体の粘度によって変化するため、測定管の側面に設けた単一の超音波センサによって、終端速度に達したか否かを判断することは難しい場合がある。本発明は、少なくとも１つの超音波センサを測定管の管路に沿って移動させることによって、測定管の任意の位置における落球速度を検出することが可能となり、終端速度に達した状態になった位置あるいは終端速度自体を検出することができる。また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、終端速度に達しない場合にも精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００２４】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段を有することを特徴とする。
【００２５】
落球式粘度測定法にあっては、上記のように落球の位置の中心軸からのズレや落球のフラツキを生じやすく、さらに極端な場合には測定管の僅かな傾斜や落下開始直後における落下方向や落球自体の回転モーメントの発生によって、落球のフラツキを生じせしめ、結果測定誤差を発生させる可能性がある（以下こうした誤差要因を「速度検出の誤差要因」という。）。特に、高圧条件下では、こうした速度検出の誤差要因の発生が起こりやすい。本発明者は、超音波センサの出力を演算して作成した時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターン（以下「出力パターン等」という。）が、落球速度の検出に使用できるだけでなく、落球速度の変化および上記の速度検出の誤差要因によっても変化することを見出したもので、出力パターン等から上記速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することによって、精度の高い落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。具体的な解析方法については後述する。
【００２６】
本発明は、複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを用いた粘度測定装置であって、当該超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段と、２以上の時間関数あるいは位置関数または出力パターン同士を比較する手段とを有することを特徴とする。
【００２７】
上記のように出力パターン等は、落球速度の変化とともに、速度検出の誤差要因によって変化することが判った。しかし、例えば高圧条件下においては測定が長時間に及ぶ場合もあり、このとき速度検出の誤差要因自体が変化することがある。また、上記のように測定管の１つの領域に関する１つの超音波センサのみの情報では終端速度の判断ができないこともある。そこで、異なる超音波センサの複数の出力パターン等を比較し、その相違点から上記速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することによって、より一層正確な落下速度を検出し、また複数の落下速度と位置の関係から終端速度に達した位置の特定および終端速度を検出することができる。従って、より正確な粘度測定が可能となった。
【００２８】
本発明は、上記粘度測定装置であって、前記測定管を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することを特徴とする。
【００２９】
上記のように、落球のフラツキは、落下速度検出の誤差要因となっている。しかし、こうした誤差要因は、落下の基準線あるいは基準面が決まれば大幅に低減することができる。つまり、測定管を傾斜状態にして落球が測定管の内面に沿って落下し、測定管の外周下側面に設けられた超音波センサによって落球の挙動を検出することによって、測定誤差が低減され、より正確に粘度測定を行うことが可能となった。
【発明の効果】
【００３０】
以上のように、本発明によれば、従来困難であった、液体の正確な粘度測定を、シンプルな構造の耐圧構造の測定系を有した状態で、高粘度から低粘度までの広い範囲で行うことが可能となった。特に高圧条件下においては、耐圧構造においても同等の精度で測定できる点に高い有用性がある。また、超音波センサの出力パターン等を作成し、速度検出の誤差要因との関係を比較検討し、演算・補正することによって、精度よく測定することができる落球式粘度測定装置を提供することが可能となった。
【００３１】
特に、単一の超音波センサを移動し測定管側面の任意の位置での測定を可能にし、あるいは複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを適切に配置することによって、落球の位置や速度あるいはフラツキなどの挙動を、より正確に把握することができ、一層精度の高い粘度測定が可能となった。
【００３２】
また、落球の終端速度を有する場合だけでなく、従来困難であった、終端速度に達しない場合においても、精度よく粘度測定を行うことが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３４】
＜基本的な構成例（第１構成例）＞
図１は、この発明に係る粘度測定装置の基本的な構成を例示している。測定対象である液体が通過する流路を有する測定管１と、該測定管１内を移動する落球２と、該測定管１の外周部に設けられた超音波センサ３からなる測定部、該超音波センサ３の出力を入力し演算する手段（演算部）４によって、粘度測定装置を形成している。また、図１では、測定管１の最上部に設けられ落球２を固定するプランジャー５、および落球２が測定管１の最下部に達したことを検知する接点６を有する構成を例示するが、本発明はこうした構成に限定されるものでないことはいうまでもない。
【００３５】
ここで、粘度は、その特性上測定時の環境温度によって影響されることから、粘度測定装置は、周囲温度の変化が少ない条件下で用いることが好ましい。また、環境温度の変化が生じる可能性がある場合には、超音波センサ３に近接して、液体の液温を検出する手段（図示せず）を設けることが好ましい。検出された温度データを演算部４に入力し、後述するような測定データの補正を行うことによって、正確な粘度測定が可能となる。なお、本願の対象とする具体的な粘度の値は、特に制限はないが、高圧条件下においては１０−３〜１０８Ｐａ・ｓが適している。
【００３６】
測定管１は、通常耐圧材質であれば、特に限定されるものではないが、強度面、あるいは内管の加工性や内表面の均一性などから、金属製の管あるいは金属管内部にガラスやセラミックス製の内管を挿入した補強管などが好適である。また、測定管１の大きさは、測定対象物および液体圧力など使用条件によって異なるが、一般に数ｍｍ〜数１０ｍｍの内径を有し、数１０ｍｍ〜数１００ｍｍの長さを有する管状体を用いることができる。
【００３７】
落球２は、その大きさは特に限定されるものではないが、通常、測定管１の内径の５０〜８０％程度の直径を有する球体を使用することができる。材質は、高圧液体に対して所定の落下速度を得ることができる比重を有するものであれば特に限定されるものではないが、球面の加工性や滑性などから、金属やガラス・セラミックスなどが好適である。また、鉄球や鋼球などを用いることによって、後述するように落下前の固定や落下後の検知を容易にする方法を採ることができる。
【００３８】
超音波センサ３について、センサを構成する素子としては、ローレンツ力を用いた電磁式の振動子や圧電セラミックのピエゾ効果を用いた振動子などを用いることができる。図１では、センサの取り付けの便利などの観点から発信部と受信部を一体化した部材として例示しているが、これに限定されるものではなく、別体を組み合わせて用いることも可能である。
【００３９】
また、発信部からの超音波を落球２に照射し反射波を受信する方法（反射式）と、発信部からの超音波を常に受信部に照射し落球２による遮断により検出する方法（透過式）があるが、落球２の挙動を検出するためには、図１のような反射式の方が好ましい。落球２の落下が加速状態にあるか否か、あるいはフラツキの有無など、落球の状態時間的な変化を、透過式よりも正確に反射波によって検出することが可能である。
【００４０】
さらに、超音波のエネルギーを有効に使用し検出感度の向上を図るために、反射波が受信部に焦点を結ぶように発信部から超音波を照射する方法（焦点式）を採ることが好ましい。本発明者の実験においては、焦点式の超音波センサ３を用いることによって、高い精度を確保することができた。
【００４１】
超音波センサ３の取り付け位置は、予め落球２が終端速度になる位置が推定できる場合には、その位置よりも下部に設けることが好ましい。ただし、終端速度になる位置が不明の場合であっても、所定の条件では超音波センサ３の出力パターン等から終端速度を算出することができることから、終端速度の算出には、球が容器底面からの影響を受けない範囲で、底に近い箇所での落下速度を用いることが好ましい。また、種々の液体を測定する必要のある場合には、測定管１の外周部に超音波センサ３の設置位置を変更できるガイド（図示せず）など設けることが好ましい。さらに、後述する構成例のように、複数の超音波センサや多素子型センサを用いること、あるいは移動機構を用いてセンサを測定管１に沿って移動させることも可能である。
【００４２】
演算部４には、超音波センサ３の出力を連続的に受けて順次書き込む機能（書き込みデータ）、粘度測定装置の操作部からの入力あるいは温度データなどの伝送手段からの入力を受けるデータ入力機能、予め得られた既知粘度の液体を検出したときの超音波センサ３の基準出力データや、落下速度と粘度との相関関係（関数データあるいは対比するテーブルなどデータの保存の仕方は問わない）などを記憶する機能（記憶データ）、および、書き込みデータや記憶データを用いた出力パターン等の作成、複数の出力パターン等の比較演算、出力パターン等の補正演算、等々粘度を算出するに必要な種々の機能が内蔵されている。また、粘度の算出における環境温度の補正機能や、複数の超音波センサ間の出力特性のバラツキの補正機能なども内蔵することが好ましい。
【００４３】
測定に際しては、以下に例示するように操作し、処理される。
（１）測定時においては、液体は停止状態にすることが好ましく、測定前の所定時間液体の導入を停止する。停止方法としては、測定管１に繋がる流路に設けた電磁弁による遮断などによって行うことができる（図示せず）。
（２）プランジャー５に電圧を印加し電磁石によって落球２を固定しておく。このとき、落球２の固定部分（例えば電磁石の先端部）を小さくすることによって、固定部分から離れた落球２に対して働く落下方向と異なるモーメントの発生を小さくすることができる。
（３）液体が安定状態になった段階で、プランジャー５に印加した電圧をＯＦＦにして、落球２の落下を開始する。落球２の落下に伴い、超音波センサ３の出力が増大し、やがて減少する。
（４）落球２が測定管１の最下部に達したとき、予め電圧が印加された接点６に落球２が接触する。このとき、接点６の表面電位が変化することから、落球２が測定管１の最下部に達したことを検知することができ、１つの測定サイクルを完了する。
（５）上記（１）の電磁弁による液体の停止状態を解除し、次の測定対象となる液体を測定管１に導入し、安定状態にする。なお、上記の１つの測定サイクルで十分な精度が得られない場合には、（１）〜（４）の繰り返し、あるいは同一の液体を再度測定管１に導入した後に（１）〜（４）の繰り返しを行い平均値あるいは偏差値などを算出することによって、所望の精度の粘度測定を確保することができる。
【００４４】
なお、液体は、測定管１の下部から導入することが好ましい。上記（１）〜（４）を完了した段階で、液体を導入することによって落球２を測定管１の上部に移送することができ、プランジャー５に電圧を印加することによって、再度（２）のようにプランジャー５に落球２を固定することができる。こうした操作を自動的に行うことによって、装置の機能性の向上を図ることができる。
【００４５】
このとき、超音波センサ３の出力を演算部４に入力し、時間関数あるいは時間をパラメータとする出力パターン等を作成することが好ましい。具体的には、前者として超音波センサ３の連続出力を基に時間をパラメータとして算出（通常多次元関数となるが、演算処理の便宜のために２次あるいは３次の関数に近似することが好ましい）する出力関数を挙げることができる。また、後者としては、図２に例示するように、横軸に時間、縦軸に超音波センサ３の出力とする相関関係をパターンとして作成し、パターン上の出力／時間データとして作成することができる。このとき、超音波センサ３の出力そのもの、つまり、エコー高さｈを基に、出力パターン等作成することも可能であるが、超音波センサ３の出力を設置された状態における測定管内面でのエコー（ボールが存在しないときの）の高さｈ０を求め、落球２の通過時のエコー高さｈを標準化しエコー高さ比Ｈを求め（Ｈ＝ｈ／ｈ０）、これを基に出力パターン等を作成することが好ましい。
【００４６】
こうした出力パターン等からは、落球２の落下速度ｖを算出することができるとともに、落球速度の変化量（つまり加速度）αの算出および上記の速度検出の誤差要因による補正を行うことができる。つまり、複数の既知粘度の液体の出力パターン等のデータを基に、図２（Ａ）に示すパターンの高さＨｍと時間半値幅Ｔ、および図２（Ｂ）に示す中心線Ｍに対する時間半値幅の前後の値ＴａおよびＴｂの大きさの相違によって、落球２の落下速度ｖや終端速度ｖ０に達したか否かの判定、あるいは速度検出の誤差要因を解析して演算・補正することが可能となる。
【００４７】
（１）落下速度ｖの大きさは、時間半値幅Ｔと相関がある。つまり、落下速度ｖが大きい場合には短時間で超音波センサ３の検出領域から出ることから時間半値幅Ｔは小さくなり、落下速度ｖが小さい場合にはその逆となる。このことから、図２（Ｃ）に示すように、複数の既知粘度の液体の出力パターン等の終端速度（例えば、ｖ０１、ｖ０２、ｖ０３）と時間半値幅（例えば、Ｔ０１、Ｔ０２、Ｔ０３）のデータから、両者の相関関係（相関関数で表すことも可能である）を予め求めておき、被検体における時間半値幅Ｔｘに相当する落下速度ｖを求めることができる。
【００４８】
（２）また、落下速度ｖの大きさは、予め超音波センサ３におけるエコー高さ比Ｈと落球２の位置との関係を求めることによって推算することができる。つまり、予め図２（Ｄ）のように、高圧液体のない条件で測定管２の頂部から定位置に落球２を吊り下げた状態でのエコー高さ比Ｈを求めておき、図２（Ｅ）のような位置を横軸とする出力パターン等を作成する。このとき、この出力パターン等を、超音波の照射中心軸Ｍ０におけるエコー高さ比Ｈ０を例えば１．０として正規化することによって、超音波センサ３自体の出力や角度分布のばらつきなどの影響を無視することができる。また、本発明における測定法、特に焦点式の超音波センサ３を用いた場合においては、超音波が透過する媒質の相違や音波の屈折など視野角の広い測定法における影響は音波の拡散によって殆ど無視できることから精度の高い推算が可能となる。
【００４９】
（２−１）具体的には、図２（Ｅ）の位置をパラメータとする出力パターン等を有する超音波センサによって、図２（Ａ）の時間をパラメータとする出力パターン等を得た場合、例えば図２（Ｅ）の半値幅Ｇ（２つの半値点間の距離を表す）を求め、図２（Ａ）の半値幅Ｔ（２つの半値点間の時間を表す）によって除することによって、照射中心軸Ｍ０における落下速度ｖを求めることができる。つまり、標準化されたエコー高さ比Ｈを基に作成された両出力パターン等における出力値は、同じ位置の同じ時間の落球２の測定値に相当し、例えば図２（Ａ）におけるＰ点は図２（Ｅ）におけるＰ’、同様にｔ２とｇ２、ｔｎとｇｎが対応することから、時間Ｔの間に移動した距離Ｇによって速度を算出することができる。
【００５０】
（２−２）また、（２−１）の技術思想を拡張することによって、落下速度ｖの変化を追跡することができる。具体的には、図２（Ｅ）におけるｇ１、ｇ２、ｇ３・・と細分化した位置におけるエコー高さ比Ｈに対応する図２（Ａ）における時間ｔ１、ｔ２、ｔ３・・を求め、ｖ２１＝（ｇ２−ｇ１）／（ｔ２−ｔ１）、ｖ３２＝（ｇ３−ｇ２）／（ｔ３−ｔ２）・・を算出し、図２（Ｆ）のような変化を追跡することによって、後述する終端速度ｖ０の推算を行うことが可能となる。
【００５１】
（３）終端速度ｖ０に達したか否かは、図２（Ａ）における時間半値幅Ｔの中心線Ｍに対する前後の値（ＴａおよびＴｂ）と相関がある。つまり、加速状態にある場合には超音波センサ３の検出領域の中心時間の前よりも後の時間が短くなり、終端速度になれば両者の時間はほぼ同じになる。従って、出力パターン等におけるＴａおよびＴｂを算出することで終端速度ｖ０に達したか否かを判定することが可能となる。
【００５２】
（４）終端速度ｖ０に達したか否かは、図２（Ｂ）における前後の面積ＳａとＳｂと相関がある。つまり、加速状態にある場合には超音波センサ３の検出領域の中心時間の前よりも後の方が反射波の量が少なくなり、終端速度になれば両者の時間はほぼ同じになる。従って、出力パターン等におけるＳａとＳｂを算出することで終端速度ｖ０に達したか否かを判定することが可能となる。
【００５３】
（５）落球２のフラツキに関しては、落球２が超音波センサ３に近いほど反射波が強くなり遠いほど反射波が弱くなることから、パターンの高さＨｍが変化するとともに、通常図２（Ｇ）に例示するようなノイズ状成分が付加される出力パターン等となると推察できる。従って、予め既知粘度の液体を用いて複数の出力パターン等を求め、例えば、ピークＰの出力を１．０として出力パターン等を標準関数化しておき、被検体の測定によって得られた複数点（例えば、標準関数が２次関数の場合は３点、３次関数の場合は４点）のデータを用いて演算することによって標準関数の係数を決定し、出力パターン等を標準関数に近似させることによって落球２のフラツキを補正することが可能となる。このとき、被検体の測定値のうち標準関数からの乖離値に対し閾値を設定し、閾値を超える場合の測定結果は使用しないこととすることによって、補正精度の向上を図ることができる。この補正された出力パターン等を上記（１）の落球速度の算出に用いることによって、精度の高い粘度測定値を得ることができる。
【００５４】
＜第２構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第２の構成例を、図３に例示する。少なくとも１つの超音波センサ３を測定管１の底部に配設することを特徴とする。つまり、超音波センサ３から照射された超音波は、通常、音軸方向に伝播するとともに半径方向にも広がる。底面に装着された探触子の音軸近くで落球２が移動する場合には、落球面からのエコーはその移動情報を捉えることができる。
【００５５】
具体的には、図３（Ａ）のように測定管１の底部に超音波センサ３を配設し、落球２の落下とともに増加する超音波を検出することによって、落球２の落下速度ｖつまりは終端速度ｖ０を検出することができる。例えば図３（Ｂ）のように、エコー高さ比Ｈは落球２の落下とともに高くなり、底面エコーと球エコーとの路程差ΔＬ（時間差ΔＴ×音速ｃ）は、小さくなる。路程差の時間微分でその点での落下速度ｖが求まり、速度の傾向から、終端速度ｖ０の推定が可能となる。ただし、落下速度ｖの算出には液体の音速ｃが必要であり、推定可能な場合にはその値を用い、不明な場合には、底面からある位置（既知の値）の測定管１の側面に焦点型の超音波センサ３’を取り付け、その位置の音軸上を落球２が通過する時点での落球２と底面からの反射時間の差から、液体の音速ｃを求めることも可能である。
【００５６】
少なくとも１つの超音波センサ３によって、常に落球２の同一面を基に移動速度ｖを測定することができることから、非常に測定精度の高い測定装置を構成することが可能となる。また、図３（Ｂ）の構成によれば、粘度の測定と同時に、液体の音速を測定することができるという従来にない技術的効果を得ることができる。特に、高圧条件下での音速は実測することが困難であり、本構成による優れた技術的効果の１つである。
【００５７】
＜第３構成例＞
次に、本発明に係る粘度測定装置の他の構成を、図４に例示する。複数の超音波センサ３１、３２、３３を測定管１の管路に沿って配置したことを特徴とし、基本構成において説明した１つの超音波センサの場合には限界があった機能面あるいは精度面を、複数の超音波センサを用いることによって補完、補償することが可能となった。
【００５８】
具体的には、図４に示すように、推定する終端速度領域に近傍および領域内に分散して配置することによって、終端速度に達した位置の検知と終端速度の確認、および速度検出の誤差要因による影響の有無およびその影響度の検知を行うことができる。測定に際しては、各超音波センサの出力パターン等に対し、以下に例示するような処理が行われる。なお、前提として、各超音波センサの出力特性は、等価でありセンサ間のバラツキはないもの、あるいは補正し合ったものとする。また、これらの各超音波センサの出力を上述のような正規化を行うことによって、さらに精度を上げることができる。
【００５９】
（１）終端速度に関しては、複数の超音波センサが検出した落下速度ｖ１、ｖ２、ｖ３から推定あるいは算出することができる。つまり、複数の超音波センサ個々の出力パターン等における半値幅Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３から落下速度ｖ１、ｖ２、ｖ３を第１構成例における図２（Ｃ）の特性を利用して求めることができる。もし、図５（Ａ）実線に示すように、等価でない場合には、測定管１の鉛直方向の位置を横軸とし、各センサ位置と落下速度との相関を求めることによって、終端速度ｖ０を推算することが可能となる。図５（Ａ）破線に示すように、測定管１の下位にある超音波センサ３３および３２（あるいは３１も等価となる場合がある）が検出した落下速度が等価（ｖ３’＝ｖ２’＝ｖ０）の場合には、その値を終端速度とする。
あるいは、図５（Ｂ）に示すように、測定管１の鉛直方向の位置を横軸とし、各センサ位置と半値幅Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３との相関を求めて終端速度域の半値幅Ｔ０を求め、図２（Ｃ）の特性を利用することによって、終端速度を推算することが可能となる。
さらには、半値幅の中心線Ｍの前後において、Ｔａ１とＴｂ１が等価であればＴ１を基に、Ｔａ１とＴｂ１が等価でなくＴａ２とＴｂ２が等価であればＴ２を基に、いずれも等価でなくＴａ３とＴｂ３が等価であればＴ３を基に、終端速度を推算することが可能となる。
【００６０】
（２）落球２のフラツキに関しては、各センサ出力における高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３が異なる場合、フラツキがあると推察することができる。従って、各高さの平均値、あるいは平均値から最も外れた値を排除した値の平均値を基に、出力パターン等を標準関数に近似させることによって落球２のフラツキを補正することが可能となる。
あるいは、終端速度に達したセンサ出力が多数あれば、その平均値を標準出力パターンとすることが可能である。
このように補正された出力パターン等を、上記（１）の落球速度の算出に用いることによって、精度の高い粘度測定値を得ることができる。
【００６１】
＜第４構成例＞
上記の構成において、図６に例示するように、複数の超音波センサ（３１〜３５）のうちの少なくとも１つの超音波センサ（３４および３５）が発信する音波の方向が、他の超音波センサ（３１〜３３）が発信する音波の方向と交差するように配置することによって、さらに精度の高い測定系を構成することが可能となる（第４構成例）。
【００６２】
つまり、複数の超音波センサ３１〜３５を異なる角度から落球２の落下状態を検出することによって、落球２のフラツキを２次元的に把握することができることから、各センサの出力パターン等を比較演算し、こうした要因を補正することによって、粘度測定における誤差を大きく低減することができる。特に、同一位置における落球２を同時に異なる角度から超音波センサ３２と３４および３３と３５によって検出した場合には、一方向での検出では把握できない落下速度に関する情報および誤差要因の情報を得ることが可能となる。
【００６３】
具体的には、図７に例示するような、超音波センサ３１〜３５の出力パターン等（Ａ）〜（Ｅ）を仮定し、これを基に説明する。つまり、以下の条件を仮定すると、（１）〜（３）のように、終端速度ｖ０の算出や補正が可能となる。
（Ａ）〜（Ｃ）における、高さＨ３１〜Ｈ３３は略同一値とする。
（Ａ）は半値幅Ｔ３１がＴ３２〜Ｔ３５よりも大きく、かつ半値幅の前後についてＴａ３１よりもＴｂ３１が大きい。
（Ｂ）と（Ｃ）は半値幅Ｔ３２またはＴ３３が略同じである。
（Ｄ）は高さＨ３４がＨ３２またはＨ３３よりも高く、かつピークＰ３４が中心線Ｍよりも後方にシフトしている。
（Ｅ）は高さＨ３５がＨ３１〜Ｈ３３およびＨ３４よりも小さい。
【００６４】
（１）超音波センサ３１〜３３の出力パターン等（Ａ）〜（Ｃ）の関係から、超音波センサ３２の位置において終端速度に達していることを判定することができる。つまり、半値幅Ｔ３２またはＴ３３およびＴａ３１とＴｂ３１の関係を基に判定することができる。従って、このときの半値幅Ｔ３２またはＴ３３（＝Ｔ３２）を用いて、図２（Ｃ）に相当する相関関係から終端速度ｖ０を求めることができる。
【００６５】
（２）図７（Ｃ）と（Ｅ）の出力パターン等、つまり、（Ｅ）の高さＨ３５が他の出力パターン等より低いことから、落球２にフラツキが生じている、あるいは軌道が測定管１の中心からずれていることを示している。しかし、（Ａ）〜（Ｃ）においては高さの変動がないことから、落球２のフラツキはなく、軌道が測定管１の中心からずれていると判定することができる。従って、（１）の終端速度ｖ０の補正は不要と判定することができる。
【００６６】
なお、以上（１）および（２）の判定において、（Ｂ）および（Ｃ）で安定した終端速度に達している場合には、より安定状態にあると考えられる（Ｃ）での半値幅Ｔ３３を用いて終端速度ｖ０を求めることが好ましい。また、以上の仮定においては、補正を不要とした場合を例示したが、補正が必要である場合には、構成例３に例示したような方法によって、正確性の高い補正が可能となる。
【００６７】
＜第５構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第５の構成例を、図８に例示する。超音波センサ３を多素子型センサとし、測定管１の管路に沿って素子（例えば、３ａ、３ｂ、３ｃ・・）が配置されることを特徴とする。例えば、第３構成例における超音波センサ３１，３２、３３を１つの素子として超音波センサ３を構成したものということができ、測定管１の管路に沿って配置することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。
【００６８】
具体的には、図８のように測定管１に配置された多素子からなる超音波センサ３において、例えば、検出開始時には、最上部の素子３ａを作動させて検出し、順次３ｂ、３ｃ・・と作動する素子を切換えて検出することによって、落球２の落下速度つまりは終端速度を検出することができる。このとき、粘度の異なる液体を測定する場合であっても、粘度の高い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃ・・と順に作動させ、粘度の低い場合には素子３ａ、３ｃ・・と１つ素子を飛ばして作動させる、あるいは、粘度の高い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃだけで検出を終了し、粘度の低い場合には素子３ａ、３ｂ、３ｃ・・と全ての素子を作動させることができる。このように、液体の性状や必要とされる測定精度あるいは測定時間などの条件によって切換えることができ、非常に汎用性の高い測定装置を構成することが可能となる。
【００６９】
＜第６構成例＞
本発明に係る粘度測定装置の第６の構成例を、図９に例示する。超音波センサ３を測定管１の管路に沿って移動可能とすることを特徴とする。例えば、超音波センサ３を測定管１の管路に沿って落球２と等速で移動することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。また、超音波センサ３を測定管１の管路に沿って数段階の等速移動区間を設けて移動することによって落球２との速度差を検出することによって、終端速度域の検出および終端速度の正確な検出を行うことが可能となる。
【００７０】
具体的には、図９のように測定管１に配置された移動機構Ｚに超音波センサ３を配設し、例えば、検出開始時には、最上部の位置に超音波センサ３を配して落球２を検出し、順次３ｂ、３ｃ・・と落球２の落下に合せて超音波センサ３を移動させて検出することによって、落球２の落下速度ｖつまりは終端速度ｖ０を検出することができる。このとき、超音波センサ３の出力が最大となるように移動速度を上下に微小幅変化させることによって、落球２の落下速度とより正確に同じ速度で移動することができる。また、超音波センサ３の移動速度は、例えばサーボモータを用いた場合にはその回転数など、移動機構における操作量をもとに算出することができる。
【００７１】
粘度の異なる液体を測定する場合であっても、粘度の高い場合には超音波センサ３の移動速度を下げ、粘度の低い場合には超音波センサ３の移動速度を上げ、液体の性状や必要とされる測定精度あるいは測定時間などの条件によって移動条件を変更することができ、非常に汎用性の高い測定装置を構成することが可能となる。
【００７２】
＜第７構成例＞
上記の構成例においては、測定管１を鉛直方向に配置した場合について説明した。しかし、速度検出の誤差要因の１つである落球の位置の中心軸からのズレあるいは落球のフラツキは、落下の基準線あるいは基準面が決まれば大幅に低減することができる。つまり、図１０に例示するように、測定管１を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することが好ましい（第７構成例）。
【００７３】
具体的には、測定管１を傾斜状態にして落球２を測定管１の内面に沿って落下させる。測定管の外周面には、上記構成例と同様、超音波センサ３が設けられ、落球２の挙動を検出する。ここで、測定管１の内面の下側面が基準となるため、その下側面に接する落球２の面を検出することができるように、少なくとも１つの超音波センサを配置することによって、落球２のフラツキを低減した状態で精度よく検知することが可能となる。
【００７４】
また、測定管１の内面は円筒面状ではなく、下面にＶカット面（図１０（Ａ）参照）あるいはＵカット面を有することも可能である。ただし、測定管１の内面にＶ字溝を掘ると、高圧の下で応力の集中が生じ、圧力容器が破壊してしまう場合があり、図１０（Ｂ）に例示するように、測定管１の中央を落球２が通るようにガイドレール７を取り付けることが好ましい。
【００７５】
圧力容器へは接着で取り付ける。測定管１の断面において落球２との接触を１つの点で行う場合には（落下の軌跡は１つの線となる）、振動や落下始動時の位置のズレによって落下時のフラツキを生じる可能性があるが、Ｖカット面あるいはＵカット面においては２つの点によって落球２を支えることができる（落下の軌跡は２つの線となる）ことから、安定した落下状態を確保することでき、より正確に粘度測定を行うことが可能となる。
【００７６】
＜その他の実施態様＞
上記は、液体特に高圧液体の粘度測定（体積弾性率）について述べたが、第２構成例において記載したように、本発明の構成を用いることによって液体の音速を測定することができる。また、第４構成例を応用することによっても、高圧液体の音速を測定することができる。
【００７７】
具体的には、図１１に例示するように、測定管１のほぼ中央を落球２が落下している場合を考える。例えば、下記のように、落球２の中心が測定管１の中心と僅かにずれているときの液体音速Ｃは次式１で与えられる。
【００７８】
Ｃ（Ｔ１＋Ｔ２） ≒ ２（Ｄ−ｄ） ＝ ＣＴ３−２ｄ ・・（式１）
ここで、Ｔ１は超音波センサ３１における測定管内面でのエコーと落球表面でのエコーとの時間差を表し、Ｔ２は超音波センサ３２における測定管内面でのエコーと落球表面でのエコーとの時間差を表し、Ｔ３は、球が存在しない、管内径Ｄを音波が伝播して反対側の内面で反射したときの液体中の往復伝播時間である。従って、
Ｃ ＝ ２ｄ／（Ｔ３−Ｔ２−Ｔ１） ・・（式２）
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る粘度測定装置の基本的な構成（第１構成例）を示す説明図。
【図２】本発明に係る粘度測定装置における、超音波センサの出力パターン等を概略的に例示する説明図。
【図３】本発明に係る粘度測定装置の第２構成例を示す説明図。
【図４】本発明に係る粘度測定装置の第３構成例を示す説明図。
【図５】超音波センサの位置と落下速度あるいは半値幅との相関関係を例示する説明図。
【図６】本発明に係る粘度測定装置の第４構成例を示す説明図。
【図７】第４構成例における超音波センサの出力パターン等を概略的に例示する説明図。
【図８】本発明に係る粘度測定装置の第５構成例を示す説明図。
【図９】本発明に係る粘度測定装置の第６構成例を示す説明図。
【図１０】本発明に係る粘度測定装置の第７構成例を示す説明図。
【図１１】本発明に構成例を用いた音速測定装置の概略を示す説明図。
【図１２】従来技術に係る振動式粘度計の構成を概略的に示す説明図。
【図１３】従来技術に係る落下錘式粘度計の構成を概略的に示す説明図。
【符号の説明】
【００８０】
１ 測定管
２ 落球
３ 超音波センサ
４ 演算手段（演算部）
５ プランジャー
６ 接点
ｖ 落下速度
ｖ０ 終端速度
Ｈ エコー高さ比
Ｔ 半値幅（時間半値幅）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管と、当該測定管内を移動する落球と、前記測定管の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサと、当該超音波センサの出力を入力し演算する手段とを有することを特徴とする粘度測定装置。
【請求項２】
前記超音波センサの少なくとも１つを、前記測定管の底部に配置することを特徴とする請求項１記載の粘度測定装置。
【請求項３】
前記超音波センサが多素子型センサであり、前記測定管の管路に沿って素子が配置されることを特徴とする請求項１記載の粘度測定装置。
【請求項４】
複数の超音波センサを用いた粘度測定装置であって、そのうちの１つの超音波センサが発信する音波の方向が、他の少なくとも１つの超音波センサが発信する音波の方向と交差するように、前記複数の超音波センサが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項５】
前記超音波センサの少なくとも１つが、前記測定管の管路に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項６】
前記超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項７】
複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを用いた粘度測定装置であって、当該超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段と、２以上の時間関数あるいは位置関数または出力パターン同士を比較する手段とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項８】
前記測定管を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項１】
落球式の粘度測定装置であって、液体が通過する測定管と、当該測定管内を移動する落球と、前記測定管の外周部に設けられた少なくとも１つの超音波センサと、当該超音波センサの出力を入力し演算する手段とを有することを特徴とする粘度測定装置。
【請求項２】
前記超音波センサの少なくとも１つを、前記測定管の底部に配置することを特徴とする請求項１記載の粘度測定装置。
【請求項３】
前記超音波センサが多素子型センサであり、前記測定管の管路に沿って素子が配置されることを特徴とする請求項１記載の粘度測定装置。
【請求項４】
複数の超音波センサを用いた粘度測定装置であって、そのうちの１つの超音波センサが発信する音波の方向が、他の少なくとも１つの超音波センサが発信する音波の方向と交差するように、前記複数の超音波センサが配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項５】
前記超音波センサの少なくとも１つが、前記測定管の管路に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項６】
前記超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項７】
複数の超音波センサあるいは多素子型超音波センサを用いた粘度測定装置であって、当該超音波センサの出力を入力し時間関数あるいは位置関数、または時間あるいは位置をパラメータとする出力パターンを作成する手段と、２以上の時間関数あるいは位置関数または出力パターン同士を比較する手段とを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粘度測定装置。
【請求項８】
前記測定管を傾斜状態にし、測定管の外周下側面に少なくとも１つの超音波センサを配置することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粘度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２１４９３０（Ｐ２００６−２１４９３０Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９３５３（Ｐ２００５−２９３５３）
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【出願人】（５９７１５４９６６）学校法人高知工科大学 (141)
【出願人】（３９２０００１１０）オートマックス株式会社 (16)
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月４日（２００５．２．４）
【出願人】（５９７１５４９６６）学校法人高知工科大学 (141)
【出願人】（３９２０００１１０）オートマックス株式会社 (16)
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