(57)【要約】  粘度計は複数のキャピラリ管を含み、これらは質量流量計に直列にして接続されている。これらキャピラリ管は平滑にして真っ直ぐ且つスムーズであり、各々は既知で且つ一定の異なる直径を有する。差圧変換器は各キャピラリ管の測定長さに亘る差圧を検出し、質量流量計は流体の質量流量及び流体の密度を検出する。データプロセッサが質量流量計及び差圧変換器に接続され、データプロセッサは、各キャピラリ管の既知且つ一定の直径や測定長さ、各測定長さ毎に検出した差圧、流体の質量流量及び流体の密度に基づき、非ニュートン流体モデルを使用して粘度計を通過して流れる流体の粘度パラメータを計算する。【選択図】図２
2015522162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１直径Ｄ1及び第１管長ＬTot1を有する第１キャピラリ管と、
前記第１キャピラリ管の第１測定長さＬ1に亘って作動し、第１差圧ΔＰ1を検出する第１差圧変換器であって、前記第１測定長さＬ1が定常状態の層状の流れを生起するために前記第１キャピラリ管の平滑且つ真っ直ぐのスムーズな部分に亘って延びている、第１差圧変換器と、
前記第１キャピラリ管の後に直列にして流体的に接続され、第２直径Ｄ2≠Ｄ1及び第２管長ＬTot2を有する第２キャピラリ管と、
前記第２キャピラリ管の第２測定長さＬ2に亘って作動し、第２差圧ΔＰ2を検出する第２差圧変換器であって、前記第２測定長さＬ2が定常状態の層状の流れを生起するために前記第２キャピラリ管の平滑且つ真っ直ぐのスムーズな部分に亘って延びている、第２差圧変換器と、
前記第２キャピラリ管の後に直列にして流体的に接続され、流体の密度ρ及び流体の質量流量ｍを検出可能な質量流量計と、
前記質量流量計とデータ通信し、Ｄ1，Ｄ2，Ｌ1，Ｌ2，ΔＰ1，ΔＰ2，ρ，ｍに基づき、非ニュートン流体モデルを使用して前記第１キャピラリ管、前記第２キャピラリ管及び前記質量流量計を通じて流れる流体の複数の粘度パラメータを計算するプロセッサと
を具備した粘度計。
【請求項２】
前記プロセッサはまた、Ｄ1，Ｄ2，Ｌ1，Ｌ2，ΔＰ1，ΔＰ2，ρ，ｍに基づき、前記第１キャピラリ管、前記第２キャピラリ管、前記第２キャピラリ管及び前記質量流量計を通じて流れる流体のニュートン粘度を計算可能である、請求項１に記載の粘度計。
【請求項３】
前記第１管長ＬTot1はＬ1＋０．０７Ｄ1[Ｒｅ]1以上、且つ、前記第２管長ＬTot2はＬ2＋０．０７Ｄ2[Ｒｅ]2以上であり、ここで、
[Ｒｅ]1は前記第１キャピラリ管を通じて流れる流体のレイノズル数、[Ｒｅ]2は前記第２キャピラリ管を通じて流れる流体のレイノズル数である、請求項１に記載の粘度計。
【請求項４】
前記プロセッサは前記流体をビンガム流体としてモデル化するように較正され、前記計算された粘度パラメータは見掛け粘度μA及び臨界剪断応力τ0である、請求項１に記載の粘度計。
【請求項５】
前記プロセッサは前記流体をオストワルト・デワーレの流体としてモデル化するように構成され、前記計算された粘度パラメータは見掛け粘度μＡ及びニュートン挙動ｎからの乱れの指数度ｎである、請求項１に記載の粘度計。
【請求項６】
前記第１及び第２キャピラリ管の後に直列にして流体的に接続され、第３直径Ｄ３≠Ｄ1又はＤ2及び第３管長ＬTot3を有する第３キャピラリ管と、
前記第３キャピラリ管の第３測定長さＬ3に亘って作動し、第３差圧ΔＰ3を検出する第３差圧変換器であって、前記第３測定長さＬ3が定常状態の層状の流れを生成するために構成された前記第３キャピラリ管の平滑且つ真っ直ぐのスムーズな部分に亘って延びている、第３差圧変換器と
を更に具備し、
前記プロセッサは、Ｄ1，Ｄ2，Ｌ1，Ｌ2，ΔＰ1，ΔＰ2，ρ，ｍに加えてＤ3，Ｌ3，ΔＰ3に基づき、複数の粘度パラメータを計算する、請求項１に記載の粘度計。
【請求項７】
前記プロセッサは前記流体をエリスの流体としてモデル化するように構成され、前記計算された粘度パラメータは、α，φ0であり、
ここで、エリス流体の式（以下の数１）中のφ1は、以下の数２で示される、
【数１】
2015522162.tif 000026
【数２】
2015522162.tif 000027
請求項６に記載の粘度計。
【請求項８】
前記プロセンサは前記流体をハーシェル・バルクレーの流体としてモデル化するように構成され、前記計算された粘度パラメータは臨界剪断応力τ0，見掛け粘度μA，ニュートン挙動からの乱れの指数度ｎである、請求項６に記載の粘度計。
【請求項９】
前記プロセッサは、ビンガム流体のモデルを使用したτ0，μAのための解法とオストワルト・デワーレのモデルを使用したμA，ｎの解法との間を交互に反復することにより、τ0，μA，ｎを計算するように構成されている、請求項９に記載の粘度計。
【請求項１０】
温度センサを更に具備し、前記温度センサが前記粘度パラメータを計算するために前記プロセッサで使用される検出流体温度を得る、請求項１に記載の粘度計。
【請求項１１】
前記質量流量計はコリオリ式質量流量計である，請求項１に記載の粘度計。
【請求項１２】
前記第１キャピラリ管及び前記第２キャピラリ管の１つは前記コリオリ式質量流量計内に組み込まれている、請求項１１に記載の粘度計。
【請求項１３】
平滑で真っ直ぐ、また、スムーズで且つ一定の第１直径を有する第１キャピラリ管の第１長さに亘る流体の第１差圧を検出し、
前記第１キャピラリ管に流体的に直列にして接続された第２キャピラリ管であって、平滑で真っ直ぐ、また、スムーズで且つ一定の第２直径を有する第２キャピラリ管の第２長さに亘る流体の第１差圧を検出し、
前記第２キャピラリ管に流体的に直列にして接続された質量流量計にて、流体の密度及び流体の質量流量を検出し、
前記第１及び第２キャピラリ長さ、前記第１及び第２直径、前記検出された第１及び第２差圧、流体の前記密度及び流体の前記質量流量を使用し、非ニュートン流体モデルの調整可能な粘度パラメータを計算し、
前記計算された調整可能な粘度パラメータを出力信号中に出力する、流体の粘度を特徴付ける方法。
【請求項１４】
前記非ニュートン流体モデルはビンガム流体モデルであり、調整可能な粘度パラメータの解法は見掛け粘度μA及び臨界剪断応力τ0のための解法を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記非ニュートン流体モデルはオストワルト・デワーレモデルであり、調整可能な粘度パラメータの解法は見掛け粘度μA及びニュートン挙動からの乱れの指数度ｎの解法を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記非ニュートン流体モデルはエリスモデルであり、調整可能な粘度パラメータの解法はα、φ0の解法を含み、
ここで、エリス流体の式（以下の数３）中のφ1は、以下の数４で示される、
【数３】
2015522162.tif 000028
【数４】
2015522162.tif 000029
請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記非ニュートン流体モデルはハーシェル・バルクレーモデルであり、調整可能な粘度パラメータの解法は臨界剪断応力τ0，見掛け粘度μA及びニュートン挙動からの乱れの指数度の解法を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
τ0,μAの解法は、ビンガム流体モデルを使用したτ0,μAの解法とオストワルト・デワーレモデルを使用したμＡ，ｎの解法との交互の反復を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１差圧センサに結合された第１キャピラリ管であって、前記第１差圧センサが前記第１キャピラリ管の定常状態領域での第１差圧を検出するように構成されている、第１キャピラリ管と、
前記第１キャピラリ管に流体的に接続されるとともに第２差圧センサに結合された第２キャピラリ管であって、前記第２差圧センサが前記第２キャピラリ管の定常状態領域での第２差圧を検出するように構成されている、第２キャピラリ管と、
前記第１及び第２キャピラリ管に流体的に直列にして接続された、流体の質量流量及び流体の密度を検出可能なセンサ装置と、
データプロセッサと
を具備し、
前記データプロセッサは、前記質量流量、前記密度、前記キャピラリ管毎の差圧及び各キャピラリ管の寸法に基づき、前記第１キャピラリ管、前記第２キャピラリ管及び前記センサ装置を通過する流体の複数の粘度パラメータを計算する、粘度計。
【請求項２０】
前記複数の粘度パラメータは、ビンガム流体、オストワルト・デワーレ、エリス又はハーシェル・バルクレーのモデルからなるグループから選択された非ニュートン流体モデルの自由パラメータである、請求項１９に記載の粘度計。
【請求項２１】
保存すべく構成されたメモリと、
前記流体モデルグループの何れかを使用して粘度パラメータを計算する複数のアルゴリズムと、
前記粘度パラメータを計算するために使用されるべき複数のアルゴリズムの１つを選定する流体モデルセレクションと
を更に具備する、請求項２０に記載の粘度計。
【請求項２２】
前記データプロセッサはプロセス送信器の一部であり、前記プロセス送信器は中央コントローラに前記粘度パラメータを報告すべく構成されている、請求項２１に記載の粘度計。
【請求項２３】
粘度計が工業的プロセスフローにインラインで適合すべく構成されている、請求項２２に記載の粘度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に粘度測定に係わり、特にニュートン流体及び非ニュートン流体の両方を取り扱うことができる粘度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の粘度は多くの工業プロセスにおいて、重要且つ一般的に測定されるパラメータである。このようなプロセスにて、多様な設計の粘度計は典型的には、１次プロセスフロー経路からプロセス流体を少ない量だけ逸らした後、１次プロセスフロー経路と平行に接続された粘度計を通過させることによって使用される。代替的に、少ないインライン設計のものでは、１次プロセスフロー経路内への直接的な粘度計の位置付けを可能とし、プロセス流体を逸らす必要性を不要にする。多くの通常の工業用粘度計はプロセス流体に接触する回転部品を利用し、この結果、軸受及び流体の漏れを防止するシールを要求する。荒い流体、腐食性又は研磨性の流体を含む適用において、このような粘度計は頻繁なメンテナンスを要求する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通常の工業プロセスの粘度計はニュートン流体（粘度が一定）の測定に適応している。しかしながら、非ニュートン風に振る舞うスラリーや、糊及びプラスチックを取り扱うような工業的に広い適用範囲にて、通常の粘度計はその測定のためには備えられていない。このような工業的な適用は、油田の掘削（例えば、掘削泥の取り扱い）、糊又はプラスチックの製造（例えば、化粧品又はポリマ、又は、ペンキ、石膏又はモルタルなどの建築製品）、精製（例えば、潤滑油又は燃料油の取り扱い）及び食品プロセスを含む。
【０００４】
クエットの流れ（即ち、２つ平行板間の流れであって、一方の平行板は他方の平行板に対して移動する）におけるニュートン流体の粘度は、下式によって記述される。
【０００５】
【数１】
2015522162.tif 000003
ここで、Ｆは剪断力、Ａは各面の断面積、τは剪断応力（即ち、等価的な運動量流束）、μは粘度、du/dyは剪断速度である。数１からの推定は、ニュートン流体の流れを運ぶ管内にて、剪断応力、剪断速度及び粘度の間に以下の関係を生成する。
【０００６】
【数２】
2015522162.tif 000004
ニュートン流体
ここで、τrzは、管の軸線（即ち、ｚ方向）に対して直交する半径（ｒ）方向での剪断応力、dVz/drはｒに対するｚ方向の剪断速度である。
【０００７】
数２はニュートン流体（及び実質的にニュートン領域の流体）を記述し、ここでは、粘度（μ）が剪断速度の関数として変化しない。しかしながら、非ニュートン流体は剪断速度が増加する連れ、より粘性（「剪断の厚い(shear thickening)」、即ち、「ダイラタント」の流体となるか、より粘性の無い（「剪断の薄い(shear thinning)」、即ち、「疑塑性」の流体となる。ビンガム流体(Bingham Plastic)、オストワルト・デワーレ(Ostwald-de Waele)、エリス(Ellis)、ハーシェル・バルクレーモデル(Herschel-Bulkley、以下に詳述する）を含む非ニュートン流体の挙動を記述するため、多様な経験的モデルが明らかにされている。図１は、これらモデルの各々にて、剪断速度を関数とした剪断応力の図示を提供する。大部分にて、これらモデルは理論的な基礎を有していないが、各モデルは非ニュートン流体の部分集合を正確に記述することを示している。
【０００８】
ビンガム流体モデルは、単一のニュートン粘度パラメータではなく、２つの粘度相関パラメータ、「剪断応力」及び「見掛け粘度」を利用する。ビンガム流体は充分な剪断応力を受けない限り流動しない。臨界剪断応力τ0を一旦超えれば、ビンガム流体は実質的にニュートン風に振る舞い、以下のように一定の見掛け粘度μAを示す。
【０００９】
【数３】
2015522162.tif 000005
ビンガム流体
ビンガム流体モデルと同様に、オストワルト・デワーレモデルは流体の粘度におい
２つのパラメータの記述を提示する。オストワルト・デワーレモデルは、「冪乗則」流体に適し、剪断応力は剪断速度の冪関数である（線形関数ではない）。オストワルト・デワーレ流体は以下のように振る舞う。
【００１０】
【数４】
2015522162.tif 000006
オストワルト・デワーレ流体
ここで、μAは見掛け粘度、ｎはニュートン流体の挙動からの乱れ度であり、ｎ＜１は疑塑性流体に相当し、ｎ＞１はダイラタント流体に相当する。
【００１１】
エリスモデルは、流体の粘度を特徴付けするため、２つよりも多い３つの調整可能なパラメータを使用する。エリスモデルは、以下のように剪断応力の関数として剪断速度を記述する。
【００１２】
【数５】
2015522162.tif 000007
エリス流体
ここで、α，φ0は調整可能なパラメータである。エリスモデルは一定のφ0，φ1によって縮尺された冪乗則及び線形の成分を結合し、α＞１は疑塑性流体に相当し、α＜１はダイラタント流体に相当する。
【００１３】
ハーシェル・バルクレー流体モデルは、臨界剪断応力未満で、オストワルト・デワーレ流体の冪乗則挙動とビンガム流体の硬直性とを結合し、３つの調整可能なパラメータを使用する。ハーシェル・バルクレーモデルは特に、石油やガスの掘削に適用した際に取り扱うスラリーや泥を記述するのに好適する。ハーシェル・バルクレーモデルによれば、次式となる。
【００１４】
【数６】
2015522162.tif 000008
ハーシェル・バルクレー流体
ここで、τ0は臨界剪断応力、μAは見掛け粘度、ｎはオストワルト・デワーレの流体モデル（数４）に関して前述したようにニュートン流体の挙動からの乱れ度である。
【００１５】
前述の各モデルは非ニュートン流体の種類を記述するが、非ニュートン流体は通常の工業用粘度計によっては好適に取り扱えない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は粘度計に関し、該粘度計は質量流量計に直列にして接続された複数のキャピラリ管を含む。これらキャピラリ管は平滑で真っ直ぐ、そして、スムーズであって、その各々は異なる一定の直径を有し、これら直径は既知である。差圧変換器は各キャピラリ管の測定長さに亘る差圧を検出し、そして、質量流量計は流体の質量流量及び流体の密度を検出する。質量流量計及び差圧変換器にはデータプロセッサが接続され、このデータプロセッサは、各キャピラリ管における一定の既知直径及び測定長さ、各測定長さに亘る検出された差圧、流体の質量流量及び流体の密度に基づき、非ニュートン流体のモデルを使用し、粘度計を通じて流れる流体の複数の粘度パラメータを計算する。更に、本発明は上述の粘度計を使用し、粘度パラメータを決定する方法にも関する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】幾つかのニュートン流体及び非ニュートン流体モデルに従う剪断速度を関数とした剪断応力を示すグラフである。
【図２】本発明における粘度計の概略図である。
【図３】ハーシェル・バルクレーモデルの流体粘度パラメータを計算する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
一般的に本発明は、複数種のニュートン流体又は非ニュートン流体を取り扱うことができるインライン型の粘度計に関し、前記流体はビンガム流体、オストワルト・デワーレ,エリス及びハーシェル・バルクレーの流体を含む。
【００１９】
粘度計のハードウエア
図２は粘度計１０の一実施形態の図示し、該粘度計１０はプロセス流入口１２、第１キャピラリ管１４、複数の結合シール１６、複数の接続管１８、第２キャピラリ管２０、第３キャピラリ管２２、コリオリ(Coriolis)質量計２４、プロセス流出口２６、第１差圧変換器２８、第２差圧変換器３０、第３差圧変換器３２、第１分離ダイヤフラム３４ａ，３４ｂ、第２分離ダイヤフラム３６ａ，３６ｂ、第３分離ダイヤフラム３８ａ，３８ｂ、プロセス送信器４０とを含む。プロセス送信器４０は信号プロセッサ４２、メモリ４４、データプロセッサ４６及び入出力ブロック４０を更に含む。
【００２０】
図２の実施形態によれば、第１、第２及び第３キャピラリ管１４，２０，２２は平滑なキャピラリ又は管であって、定常状態の剪断分布に流体の流れを平衡させることができ、ここでの剪断分布は測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3に沿う軸線方向位置に関して変化しない。測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3は、キャピラリ管１４，２０，２２の実質的に中央部に位置付けられている。各キャピラリ管１４，２０，２２は異なる既知の直径Ｄ1，Ｄ2，Ｄ3をそれぞれ有する。キャピラリ管１４，２０，２２はコリオリス質量流量計２４に直列に接続され、通常のコリオリ効果装置は流体の質量流量ｍ、流体の密度ρ及び流体の温度Ｔを測定する。流体は、プロセス流入口１２を通じて第１キャピラリ管１４に流入し、第２キャピラリ管２０、第３キャピラリ管２２及びコリオリ質量流量計２４内を連続して流れ、そして、プロセス流出口２６を通じて流出する。プロセス流入口１２及びプロセス流出口２６は接続チューブ又はパイプであって、重合プロセスからの流体ポリマ又は穿孔プロセスからの廃棄スラリーのような工業プロセスの流体を運ぶ。粘度計１０は脇に逸らされた流体流の粘度を測定するのでなく、インラインでの粘度測定を提供する。この粘度測定は出力信号ＳOUTの形態をとり、この出力信号ＳOUTは、使用した流体モデルに依存する多数の粘度パラメータを含んでいる。
【００２１】
本明細書は、３つのキャピラリ管(１４，２０，２２)を有する粘度計１０を記載するが、当業者は多数の調整可能なパラメータを備えた流体モデルのための全ての粘度パラメータを計算するには付加的なキャピラリ管が複数必要となることを認識している。同様に、（２つの調整可能なパラメータのみを有するビンガム流体及びオストワルト・デワーレの流体モデル、又は、１つのパラメータのみを有するニュートン流体モデルのような）少ない調整パラメータを備えた流体モデルは、より少ないキャピラリ管を要求する。３つのキャピラリ管は、ここで考慮される流体モデルのための全ての粘度パラメータを計算するのに充分である。図２は３つのキャピラリ管を図示するが、本発明の幾つかの実施形態は２つのキャピラリ管、又は、４つ以上のキャピラリ管を使用可能である。
【００２２】
図２によれば、接続管１８はパイプ又はチューブであって、第１キャピラリ管１４を第２キャピラリ管２０に接続し、第２キャピラリ管２０を第３キャピラリ管２２に接続する。粘度計１０は、接続管１８の形状又は寸法に対して影響を受けず、粘度計１０の幾つかの実施形態は図示の接続管の１つ以上を省略、又は、図２には示されていないが付加的な複数の接続管を含むことも可能である。例えば、幾つかの実施形態において、第２キャピラリ管２０は第１キャピラリ管１４及び／又は第３キャピラリ管２２に直接（即ち、如何なる接続管１８も無しに）接続可能である。他の実施形態において、付加的な複数の接続管はプロセス流入口１２と第１キャピラリ管１４との間、第３キャピラリ管２２とコリオリ質量流量計２４との間、及び／又は、コリオリ質量流量計２４とプロセス流出口２６との間に介挿可能である。キャピラリ管１４，２０，２２は銅、鋼、又はアルミニウムのような堅い材料で形成されている。キャピラリ管１４，２０，２２のために選択される材料はプロセス流体に依存し、このプロセス流体は幾つかの適用において、ある材料に対して腐食剤、研磨剤又は他の有害な材料となり得る。接続管１８はキャピラリ管１４，２０，２２と同様な材料で形成できるか又はプロセス流体に対して弾性のような堅く無い材料から形成可能である。
【００２３】
第１、第２、第３差圧変換器２８，３０，３２は、蓄電可能な差圧セルのような通常の差圧装置である。差圧変換器２８，３０，３２は、分離ダイヤフラム３４，３６，３８をそれぞれ使用し、測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3に亘る差圧を測定する。分離ダイヤフラム
３４，３６，３８は、キャピラリ管１４，２０，２２を通じて流れるプロセス流体からの圧力を閉じたオイルキャピラリのような圧力ラインをそれぞれ経て差圧変換器２８，３０，３２に伝達するダイヤフラムである。分離ダイヤフラム３４ａ，３４ｂは測定長さＬ1の両端に位置付けられ、分離ダイヤフラム３６ａ，３６ｂは測定長さＬ2の両端に位置付けられ、分離ダイヤフラム３８ａ，３８ｂは測定長さＬ3の両端に位置付けられている。差圧変換器２８，３０，３２は差圧信号ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3を生成し、これら差圧信号ΔＰは測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3に亘る差圧の変化をそれぞれ表す。
【００２４】
本明細書は差圧セルを経て差圧の直接的な検出を記載するが、当業者は差圧が多様な方法で等価的に測定可能であることを理解しており、多様な方法は２つ以上の絶対圧力センサを使用し、これら絶対圧力センサはキャピラリ管１４，２０，２２における測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3の各々に沿い位置付けられている。選択された差圧検出をなす格別な方法は特定の適用や、プロセス流体の圧力に依存する。
【００２５】
一実施形態において、プロセス送信器４０は電子装置であって、コリオリ質量流量計２４及び差圧変換器２８，３０，３２から検出信号を受け取る一方、遠隔監視／制御のための室又はセンタ（図示せず）から指令信号を受け取って、１つ以上の流体モデルに基づきプロセス流体の粘度を計算し、そして、計算された粘度を遠隔監視／制御室に送信する。プロセス送信器４０は信号プロセッサ４２、メモリ４４、データプロセッサ４６及び入出力ブロック４８を含む。信号プロセッサ４２は通常の信号プロセッサであって、コリオリ質量流量計２４及び差圧変換器２８，３０，３２からの検出信号を収集し、そして、処理する。メモリ４４は半導体メモリチップのような通常のデータ記憶媒体である。データプロセッサ４６はマイクロプロセッサのような論理的な実行が可能な(logic-capable)装置である。入出力ブロック４８は有線又は無線のインタフェースであって、プロセス送信器４０と遠隔監視／制御室との間にて、アナログ又はデジタルの信号を送信、受信、そして、変換する。
【００２６】
信号プロセッサ４２は、差圧変換器２８，３０，３２からの差圧信号ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3及びコリオリ質量流量計２４からの流体質量流量ｍ、流体密度ρ、流体温度Ｔを収集し、そしてデジタル化する。また、信号プロセッサ４２は各センサの較正に必要となる複数の値を正常化し且つ調整する。信号プロセッサ４２はデータプロセッサ４６又は（データプロセッサ４６を経て）入出力ブロック４８から較正情報又は指示を受け取ることができる。
【００２７】
メモリ４４は通常の不揮発性データ記録媒体であって、測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3及び直径Ｄ1,Ｄ2，Ｄ3が読み込まれている。これらのデータをメモリ４４は必要に応じてデータプロセッサ４６に供給する。また、メモリ４４は粘度の計算中、一時的なデータを記憶し、そして、過去の粘度情報や構成情報等を表す履歴データを永久的又は半永久的に記憶する。幾つかの実施形態において、メモリ４４には複数のモデル（例えば、ニュートン、ビンガム流体、エリス又はオストワルト・デワーレに従い、流体の粘度を計算するための複数のアルゴリズムが記憶されていてもよい。このような実施形態において、メモリ４４は現時点にて使用するアルゴリズムの１つを選定するモデルセレクションを更に記憶することができる。このモデルセレクションは入出力ブロック４８を経て、ユーザ又は遠隔コントローラによって提供されるか、又は、データプロセッサ４６によって生成可能である。プロセス送信器４０の幾つかの実施形態は、単一の流体モデルを取り扱うべく構成されているだけでもよい。
【００２８】
データプロセッサ４６は、メモリ４４からの測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3及び直径Ｄ1,Ｄ2，Ｄ3、信号プロセッサ４２からの差圧ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3、流体の質量流量ｍ、流体の密度ρ及び流体の温度Ｔを使用し、導入された上述の流体モデルの少なくとも１つに従い、１つ以上の調整可能な粘度パラメータを計算する。特に、計算された調整可能な粘度パラメータは選択された流体モデルに依存し、その詳細は各モデルに関して後述する。例えば、ビンガム流体モデルを使用し、データプロセッサ４６は剪断応力τ0及び見掛け粘度μAを計算し得る。上述したように、２つの調整可能なパラメータを備えたモデル（例えば、ビンガム流体及びオストワルト・デワーレのモデル）は、備えられた３つのキャピラリ管のうちの２つのみのためのデータを要求する。このような場合、例えば、Ｌ3，Ｄ3，ΔＰ3は無視可能である。データプロセッサ４６は、計算された粘度パラメータの全てを１つ出力信号ＳOUTに集め、この出力信号ＳOUTを入出力ブロック４８は遠隔コントローラに送信する。
【００２９】
入出力ブロック４８は出力信号ＳOUTを遠隔コントローラに送信する一方、この遠隔コントローラ及び他の外部ソースから指令を受け取る。データプロセッサ４６が送信に不適切なフォーマットで出力信号ＳOUTを提供する場合、入出力ブロック４８は受入れ可能なアナログ又はデジタルのフォーマットにＳOUTを変換することができる。入出力ブロック４８の幾つかの実施形態は無線の送信器を経て遠隔コントローラと通信し、他の実施形態は有線の接続を使用する。
【００３０】
データプロセッサ４６は、ハーゲン・ポアズイユ(Hagan-Poiseuille)の式の変形を使用して、選択された流体モデルのための粘度パラメータを計算する。ニュートン流体のためのハーゲン・ポアズイユの式は、以下の数式７で示される。
【００３１】
【数７】
2015522162.tif 000009
ニュートンのハーゲン・ポアズイユ
ここで、ｍは流体の質量流量、ρは流体の密度、μは粘度、そして、ΔＰは、長さＬ及び直径Ｄの単一キャピラリでの差圧である。第１、第２及び第３キャピラリ管１４，２０，２２（各キャピラリ管は異なる既知の直径Ｄを有する）の測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3に亘る差圧の測定により、粘度計１０は、以下に詳述するように複数の粘度パラメータを用いて、ハーゲン・ポアズイユの式の非ニュートン流体の変形を解くことができる。
【００３２】
ハーゲン・ポアズイユの式は、丸い円形断面且つ一定の直径のキャピラリ管内が流体で完全に満され、流体とキャピラリ壁との間にてスリップを生じることなく、定常状態且つ層状にして流体がキャピラリ管を通じて流れるものと仮定している。このような仮定の全てが真となることを確実にするため、キャピラリ管１４，２０，２２は全体的に真っ直ぐ且つ平滑でなければならず、そして、定常状態の流れを乱す如何なる特徴をも有していてはならない。付け加えて、キャピラリ管１４，２０，２２の端近傍での管の幾何学的変化（例えば、接続管１８での方向転換、又は、管直径の変化）がキャピラリ管１４，２０，２２における測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3を通過する流体の挙動に関して無視可能な影響しか及ぼさないように、キャピラリ管１４，２０，２２は充分に長いものでなければならない。従って、各キャピラリ管は、幾何学的な変化の影響を最少にするために、各測定長さの両端から緩和長さＬEだけ延長されている。この緩和長さＬEは次式で表される。
【００３３】
【数７】
2015522162.tif 000010
緩和長さ
ここで、Dは対応するキャピラリ管の直径、[Re]はキャピラリ管内のプロセス流体のレイノズル数である。[Re]は無次元の量であり、流動するプロセス流体内での乱れ度を提供する。[Re]は公知のように各流体モデル毎に計算可能であるが、これは層流にとっての２１００よりも少ない場合である。一般的に、各キャピラリ管１４，２０，２２は全長ＬTotを有し、この全長ＬTotはＬ＋２ＬE以上、即ち、ＬTot ？ Ｌ1＋２ＬE1 = Ｌ1＋０．００７Ｄ1[Re]1，ＬTot ？ Ｌ2＋２ＬE2 = Ｌ2＋０．００７Ｄ2[Re]2 等である。
【００３４】
ビンガム流体及びハーシェル・バルクレーの流体は、剪断応力が臨界剪断応力τ0を超えてなければ流動しない。このような流体を運ぶため、キャピラリ管１４，２０，２２は以下のように構成されなければならない。
【００３５】
【数８】
2015522162.tif 000011
ここで、Ｄはキャピラリ管の直径、Ｌtotalはキャピラリ管の全長、ΔＰtotalはキャピラリ管での全圧力降下である。
【００３６】
流体モデルの解明
前述したように、幾つかの実施形態において、メモリ４４は、測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3、直径Ｄ1,Ｄ2，Ｄ3、差圧ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3、流体の質量流量ｍ、流体の密度ρ及び流体の温度Ｔに基づき、種々の流体モデルの複数のパラメータを解明するアルゴリズムを記憶することができる。代替的には、データプロセッサ４６は、１つ以上の流体モデルの複数のパラメータを解明するハードワイヤによって実現されている。この後、これらパラメータは出力信号ＳOUTの一部として、遠隔監視／制御室に送信され、そして、遠隔監視／制御室に保存されるか、又は、幾つかの実施形態においては他の装置又は他のユーザに提供される。特別なパラメータ及び流体モデルの解明に使用されるアルゴリズムは流体モデル間にて変化するが、ここで考慮される全流体モデルのパラメータは全て、既知の直径及び測定長さを有する３つのキャピラリ管（即ち、キャピラリ管１４，２０，２２）よりも多くないキャピラリ管を使用して計算可能である。ここでは、ニュートン、ビンガム流体、オストワルト・デワーレ、エリス及びハーシェル・バルクレーのモデルが詳細に論じられているが、多数の自由パラメータを有するモデルに必要となる付加的なキャピラリ管を組み込んだ粘度計１０を用いて、他の流体モデルもまた付加的又は代替的に利用可能であることを当業者は理解している。
【００３７】
ビンガム流体のモデルが連続的な領域（即ち、連続的なビンガム流体の流れの下で、τR＞τ0）にとって、ビンガム流体のためのハーゲン・ポアズイユの式は以下のものとなる。
【００３８】
【数９】
2015522162.tif 000012
ビンガム流体  ハーゲン・ポアズイユ
前述したように、ｍは流体の質量流量、ρは流体の密度、Dはキャピラリ管の直径、Ｌは測定長さ、τ0は流動性にとって要求される臨界剪断応力、そして、μAは、τ＞τ0にとってのビンガム流体の見掛け粘度である。
【００３９】
ΔＰはτRの線形関数であり、以下の式で表される。
【００４０】
【数１０】
2015522162.tif 000013
【００４１】
【数１１】
2015522162.tif 000014
【００４２】
【数１２】
2015522162.tif 000015
従って、数９に代入することによって、ビンガム流体モデルにおける２つの粘度パラメータ、臨界剪断応力τ0及び見掛け粘度μAの解明が可能となり、次の式を生成する。
【００４３】
【数１３】
2015522162.tif 000016
【００４４】
【数１４】
2015522162.tif 000017
メモリ４４に記憶されたモデルセレクションがビンガム流体モデルを選定するとき（又は、データプロセッサ４６がビンガム流体のためにハードコードされているとき）、データプロセッサ４６は前記解法を使用してτ0及びμAを計算する。
【００４５】
オストワルト・デワーレのためのハーゲン・ポアズイユの式は以下のものとなる。
【００４６】
【数１５】
2015522162.tif 000018
オストワルト・デワーレ  ハーゲン・ポアズイユ
ここで、前述したように、ｍは流体の質量流量、ρは流体の密度、Ｄはキャピラリ管の直径、Ｌは測定長さ、μAは見掛け粘度、そして、ｎはニュートン流体の挙動からの乱れ度である。測定長さＬ、差圧ΔＰ、そして、２つのキャピラリ管（キャピラリ管１４，２０，又は２のうちの何れか）のキャピラリ管直径Ｄの代入は、次の２つの式を生成する。
【００４７】
【数１６】
2015522162.tif 000019
数１６は、ｎ及びμAのために同時に解くことができ、次の式を生成する。
【００４８】
【数１７】
2015522162.tif 000020
【００４９】
【数１８】
2015522162.tif 000021
メモリ４４内に記憶されたモデルセレクションがオストワルト・デワーレモデルを選定するとき（又は、データプロセッサ４６がオストワルト・デワーレモデルのためにハードコードされている実施形態のとき）、データプロセッサ４６は前記解法を使用してｎ及びμAを計算する。オストワルト・デワーレモデル及びビンガム流体モデルは、２つの自由パラメータのみを有し、従って、完全な解明のためには２つのキャピラリ管のみを要求する。この結果、上述モデル及び他の２次元モデルの利用のみを意図した粘度計１０の実施形態は、第３キャピラリ管２２を省略することができる。代替的には、粘度計１０は、複数のキャピラリ管の１つの組合せ（例えば、キャピラリ管１４，２０、キャピラリ管１４，２２、キャピラリ管２０，２２）以上を使用して流体パラメータを別個に計算し、そして、粘度計１０が正確に較正且つ機能していることを確証するため、実質的に同一であるべき計算結果を比較する。
【００５０】
エリス及びハーシェル・バルクレーモデルは３つの粘度パラメータを利用する。この結果、図２に示された実施形態での３つのキャピラリ管１４，２０，２２の全てが前記パラメータの解明に必要となり、そして、３つのキャピラリ管よりも多くのキャピラリ管が確証のための冗長な解明のために要求される。エリス流体のためのハーゲン・ポアズイユの式は以下の通りとなる。
【００５１】
【数１９】
2015522162.tif 000022
エリス  ハーゲン・ポアズイユ
ここで、前述したように、ｍは流体の質量流量、ρは流体の密度、Ｄはキャピラリ管の直径、Ｌは測定長さ、そして、α，φ0，φ1は、エリスモデルの調整可能なパラメータである。各キャピラリ管１４，２０，２２のための測定長さＬ、差圧ΔＰ、キャピラリ管の直径Ｄを代入することで、次の２つの式が生成される。
【００５２】
【数２０】
2015522162.tif 000023
数２０のシステムにとっては閉じた形態の分析的解法は存在しない。メモリ４４に記憶されたモデルセレクションがエリスモデルを選定するなら（又は、データプロセッサ４６がエリスモデルのためにハードコードされているなら）、データプロセッサ４６は、複数存在する通常の反復的な計算技術のうちの幾つかを使用し、α，φ0，φ1に関して数２０を同時に解くことができる。
【００５３】
ハーシェル・バルクレー流体のためのハーゲン・ポアズイユの式は次の通りとなる。
【００５４】
【数２１】
2015522162.tif 000024
ハーシェル・バルクレー  ハーゲン・ポアズイユ
ここで、ｍは流体の質量流量、ρは流体の密度、Ｄはキャピラリ管の直径、Ｌは測定長さ、τ0は臨界剪断応力、μAは見掛け粘度、そして、ｎはニュートン流体の挙動からの乱れ度である。各キャピラリ管１４，２０，２２のための測定長さＬ、差圧ΔＰ、キャピラリ管の直径Ｄを代入し、次の３つの式を生成する。
【００５５】
【数２２】
2015522162.tif 000025
エリスモデルの場合、数２２のシステムための閉じた形態の分析的解法は存在しない。メモリ４４に記憶されたモードセレクションがハーシェル・バルクレーモデルを選定するなら（又は、データプロセッサ４６がハーシェル・バルクレーモデルのためにハードコードされているなら）、データプロセッサ４６は、τ0，μA，ｎに関して数２２をコンピュータ的に解く。ハーシェル・バルクレーモデルは、オストワルト・デワーレ流体の冪乗則(power law)の挙動とビンガム流体における臨界剪断応力の不連続性とを結合するため、特に数式２２におけるコンピュータ的且つ同時的な有効な解法は、τ0，μA，ｎの推定に関して反復的に改善させるため、エリス及びビンガム流体のモデルに対する前述の分析解法を使用する。
【００５６】
図３は方法のフローチャート１００であり、該方法は数２２に対する反復的且つコンピュータ的な解法を提供する。先ず、データプロセッサ４６はメモリ４４から測定長さＬ1,Ｌ2，Ｌ3及びキャピラリ管の直径Ｄ1,Ｄ2，Ｄ3、そして、コリオリ質量流量計２４から差圧ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3、流体の質量流量ｍ、流体の密度ρを取り込む（工程Ｓ１）。次に、データプロセッサ４６はプロセス流体の流れをビンガム流体として近似し、数１２，１３を使用してΔＰ0，μA，τ0の初期値それぞれのために解明する（工程Ｓ２）。この後、データプロセッサ４６は調整された差圧ΔＰ1A＝ΔＰ1−ΔＰ0，ΔＰ2A＝ΔＰ2−ΔＰ0，ΔＰ3A＝ΔＰ3−ΔＰ0を生成する（工程Ｓ３）。測定された差圧ΔＰ1,ΔＰ2，ΔＰ3に調整された差圧ΔＰ1A，ΔＰ2A，ΔＰ3Aを置換することは、データプロセッサ４６にプロセス流体をオストワルト・デワーレの流体として近似することを許容する。データプロセッサ４６は、数式１７，１８のそれぞれ、ΔＰ1A，ΔＰ2A，ΔＰ3Aの可能な組合せの全てを使用してｎ，μAのために解明し、そして、ｎ、μAとして解明した値の平均を利用する（工程Ｓ４）。この後、データプロセッサ４６は、ｎ、μAに係るこれらの値を使用してΔＰ0の次の推定値を計算する（工程Ｓ５）。方法１００の第１反復にて（工程S６にて判別）、データプロセッサ４６はこの後、メモリ４４にτ0，μA，ｎの現在推定値を記憶する（工程Ｓ７）。次の反復にて（工程S６にて判別）、データプロセッサ４６は、最新の推定値τ0，μA，ｎと記憶値τ0，μA，ｎとを比較し、τ0，μA，ｎが収束したか否かを判別する（工程Ｓ８）。記憶値と最新推定値との間の差が無視可能なら（即ち、より一般的には、それらの差が予め規定された閾値よりも小さいなら）、データプロセッサ４６はτ0，μA，ｎの最新の値を入出力ブロック４８に送信し（工程Ｓ９）、この入出力ブロック４８は遠隔コントローラ及び予定された他の受け取り器に出力信号ＳOUTを送信する。或いは、プロセッサ４６はτ0，μA，ｎの最新の推定値をメモリ４４に記憶し（工程Ｓ７）、数１２，１３を使用してτ0，μAの新たな推定値、そして、工程Ｓ５における新たなΔＰ0を計算する（工程Ｓ１０）。τ0，μAの新たな推定値は、方法１００が繰り返されるとき、数式１７，１８からｎ，μAの新たな推定値を生成するために使用される。
【００５７】
ビンガム流体としてのハーシェル・バルクレーの流体とオストワルト・デワーレの流体とに近似することを交互に反復することにより、方法１００は数２２に対する高精度なコンピュータ的解法に関し、迅速に収束させることができる。しかしながら、当業者はまた、臨界剪断応力τ0，見掛け粘度μA，ニュートン挙動からの乱れ度ｎを決定するにあたり、他のコンピュータ的方法が使用可能であることを理解している。
【００５８】
多くの流体の粘度は温度依存である。実質的に一定の温度にて作動する工業プロセスにとって、この温度依存は概して無視される。同様に、幾つかの適用は、一定の温度にて粘度の測定を要求する。これを達成するため、プロセク流体はポンプで熱交換器に送出されるか、又は、粘度計１０が一定温度に調整された槽内に取付けられる。ここでは、特に粘度における温度依存の詳細を論じないが、大幅な温度変化が予期される適用にあっては、データプロセッサ４６は、粘度計１０内の温度示度を受け取ることができる。特に、本明細書は、流体の温度Ｔの測定を備えるものとしてコリオリ質量流量計を記載する。当業者は、粘度計１０内にて他の位置に温度センサを代替的又は付加的に組み込み可能であることを理解している。
【００５９】
上述したように、粘度計１０は、ここに記載した３つ（キャピラリ管１４，２０，２２）よりも多い又は少ないキャピラリ管を含むことができる。特に、２次元の流体モデルに適した粘度計１０の実施形態は２つのみのキャピラリ管に特色をなし、一方、４つ（又は，これ以上）の次元の流体モデルに適した実施形態は付加的なキャピラリ管を要求する。付け加えて、粘度計１０の幾つかの実施形態は、コリオリ質量流量計２４での圧力降下を測定することにより、１つのキャピラリ管を省略することができる。コリオリ質量流量計２４は定常状態の層状の流体の流れを確保するうえで要求される完全に真っ直ぐで平滑、そして、スムーズな流体経路を備えていないので、ハーゲン・ポアズイユの式は、そのような系を介して流体の挙動を正確に記述できず、従って、計算された粘度パラメータの正確さは悪くなる。しかしながら、多くの適用にとって、正確さの僅かな減少は、粘度計１０を安価且つよりコンパクトにするうえで、容認可能な取引である。
【００６０】
粘度計１０はニュートン流体の粘度を決定するために使用可能であるが、より意義深いことは、ビンガム流体、エリス、オストワルト・デワーレ、ハーシェル・バルクレーのモデルを含むものの限定されることはない種々の非ニュートン流体モデルのために、粘度パラメータを高精度にして測定できることにある。上述したように、プロセス送信器４０は多数の流体モデルを取り扱う能力を備えて製作可能であり、如何なるハードウエアの交換無しに特定のモデルを指定する複数の流体への適用範囲に対して粘度計１０の適合を許容する。粘度計１０は工業プロセスフローにインラインで作動し、それ故、プロセス流体の粘度に関し、その正確な測定なすためにプロセスの流れからプロセス流体を脇に逸らす必要はない。
【００６１】
本発明は、例示的な実施形態を参照して記載されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、複数の要素に対する種々の変形及び等価物への代替が可能であることは当業者に理解されている。付け加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に対して特定の状況又は材料に適合させるべく種々の改善が可能である。それ故、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものでないが、添付の特許請求の範囲内の全ての実施形態の全てを含むことを意図している。
【図１】
2015522162.tif 000030
【図２】
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【図３】
2015522162.tif 000032
【国際調査報告】
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2015522162.tif 000034