(57)【要約】粘度計は、たとえばスピーカ・メンブレンのような流体容積変位装置または駆動装置と、たとえばマイクロフォン・メンブレンのような圧力センサまたは検出器とを有する。両メンブレンは、粘度計のキャビティの内面を構成する。キャビティの内面は、制御された漏れ口たとえば毛管チューブを除き、粘度計の周囲環境からシールされている。圧力センサまたは検出器からの電気信号は、処理されて、キャビティ内の流体の粘度を表示する。粘度計はさらに、流体の発熱量、酸素消費量、およびその他の熱物理特性を測定する。また粘度が測定された後に絶対圧力も得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムを有する駆動装置と、
前記駆動装置のダイアフラムから第１の距離で配置されたダイアフラムを有するセンサと、
前記駆動装置およびセンサのダイアフラムの周縁どうしの間および周縁の周りに、ダイアフラム間のキャビティを形成すべく形成されたフィッティングと、
キャビティに対する漏れ口を設けるために前記フィッティングに形成された開口部と、を備える準静的粘度計。
【請求項２】
前記駆動装置のダイアフラムと前記センサのダイアフラムとの間の前記キャビティ内に位置するインターフェースをさらに備え、前記キャビティは２つのサブ・キャビティに分割されている請求項１に記載の粘度計。
【請求項３】
前記インターフェースが複数の孔を有している請求項２に記載の粘度計。
【請求項４】
前記駆動装置はスピーカであり、
前記センサはマイクロフォンである、請求項３に記載の粘度計。
【請求項５】
前記駆動装置に接続された信号発生器と、前記センサに接続されたプロセッサと、をさらに備える請求項４に記載の粘度計。
【請求項６】
前記プロセッサが、前記センサからの信号を処理して、前記キャビティ内の流体の粘度の表示にするようになされている請求項５に記載の粘度計。
【請求項７】
前記プロセッサが、粘度の表示を処理して、キャビティ内の流体の発熱量ＤＯ２の表示にするようになされている請求項６に記載の粘度計。
【請求項８】
前記開口部は長さＬｃおよび半径ｒｃの毛管チューブであり、
前記信号発生器は周波数ｆの信号を前記駆動装置へ出力するようになされており、
前記駆動装置は、圧力変化Δｐでキャビティに出入りする容積ΔＶｃの流体をもたらすようになされており、
前記キャビティ内の流体の粘度ηは、（πΔｐｒｃ４）／（４ΔＶｃｆＬｃ）に等しくされている、請求項７に記載の粘度計。
【請求項９】
粘度ηは流体の発熱量の表示である請求項８に記載の粘度計。
【請求項１０】
粘度ηは流体の酸素消費量ＤＯ２の表示である請求項８に記載の粘度計。
【請求項１１】
流体に対して粘度に基づいて酸素消費量を表示する装置であって、
ダイアフラムを有する駆動装置と、
前記駆動装置のダイアフラムに隣接するダイアフラムを有するセンサと、
前記駆動装置に並置された第１の開口端と前記センサに並置された第２の開口端とを有するフィッティングであって、前記駆動装置およびセンサとともにキャビティを形成するフィッティングと、
前記フィッティング内に形成された漏れ口と、を備える表示装置。
【請求項１２】
前記センサからの信号を前記漏れ口内の流体の酸素消費量の表示に変換するプロセッサをさらに備える請求項１０に記載の粘度に基づく酸素消費量表示装置。
【請求項１３】
前記駆動装置はスピーカであり、
前記センサはマイクロフォンであり、
前記フィッティング内に形成された前記漏れ口は毛管チューブである、請求項１２に記載の粘度に基づく酸素消費量表示装置。
【請求項１４】
キャビティを有する構造物と、
前記構造物上に位置するアクチュエータと、
前記構造物上に位置し、前記アクチュエータに隣接する検出器と、
前記キャビティと流体を有する環境との間の漏れ口と、を備える準静的粘度計。
【請求項１５】
前記アクチュエータと前記検出器との間の前記構造物の前記キャビティ内に位置するインターフェースをさらに備える請求項１４に記載の準静的粘度計。
【請求項１６】
前記アクチュエータはダイアフラムを有し、
前記検出器は、前記アクチュエータのダイアフラムとほぼ同じ面に位置するダイアフラムを有している、請求項１５に記載の準静的粘度計。
【請求項１７】
前記インターフェースは、前記アクチュエータと検出器との間に位置し、かつ同じ面にほぼ垂直である、請求項１６に記載の準静的粘度計。
【請求項１８】
流体が前記漏れ口を通って前記キャビティに入ることができ、
流体は前記アクチュエータと検出器との間の前記インターフェースを通過することができるようになされている、請求項１７に記載の準静的粘度計。
【請求項１９】
前記漏れ口は長さＬｃおよび半径ｒｃの毛管チューブであり、
前記アクチュエータのダイアフラムは、圧力変化Δｐでキャビティに出入りする容積ΔＶｃの流体をもたらすことができ、
前記検出器のダイアフラムは圧力変化Δｐを検知し、
キャビティ内の流体の粘度ηは（πΔｐｒｃ４）／（４ΔＶｃｆＬｃ）である、請求項１８に記載の準静的粘度計。
【請求項２０】
流体の粘度ηを表示する信号を処理して流体の酸素消費量ＤＯ２を測定するようになされている、前記検出器に接続されたプロセッサをさらに備える請求項１９に記載の準静的粘度計。
【請求項２１】
流体の酸素消費量ＤＯ２を測定するための処理は、ＤＯ２＝Ａ＋ＢηＣに基づき、
Ａ、Ｂ、Ｃは相関係数である、請求項２０に記載の準静的粘度計。
【請求項２２】
流体のボンヌ数Ｂｎを測定するための処理は、Ｂｎ＝Ａ’＋Ｂ’ηＣ’に基づき、
Ａ’、Ｂ’は相関係数であり、
Ｃ’は約０．５である、請求項２０に記載の準静的粘度計。
【請求項２３】
前記プロセッサが絶対圧力ｐａを測定するようになされている、請求項２０に記載の準静的粘度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（背景）
本発明は、粘度検出器に関し、詳細にはデルタ圧力に基づくセンサに関する。より詳細には、本発明は、燃焼を目的とするガスまたは液体燃料の酸素消費量（ｏｘｙｇｅｎ　ｄｅｍａｎｄ）（完全燃焼の場合）を測定するための粘度センサに関する。
【０００２】
既存のおよび最近提案された準静的粘度計はどちらも、流体（すなわちガスまたは液体）密度および圧力に依存し、高価である（振動ワイヤーまたは水晶振動子に基づく粘度計など）。その他の粘度計は、さらなる流体特性の依存性があるという欠点を有し（たとえば熱駆動される毛管フローを伴うもの）、劣化し漏れやすいバルブのせいでドリフトする傾向があるか（加圧ガス源からの周期的な再充填によって駆動される毛管フロー、バルブ閉鎖、および減衰観察に依存する粘度計の場合）、またはその方位に依存する（落球式粘度計の場合）。
【０００３】
提案されているセンサは、流体の既知の特性、粘度を測定する。センサを燃焼制御システムに適用すれば、フィード・フォワード（ｆｅｅｄ−ｆｏｒｗａｒｄ）動作および激しくない予燃焼環境での検知が可能になる。センサは、特性が測定データに単純に比例することができるため（１つの好ましい測定アプローチにおいて）、また燃料のウォッベ（Ｗｏｂｂｅ）数、酸素消費量、または発熱量（ｈｅａｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅ）との関係も単純であるため、低コストであり、そのため検知誤差による全体の燃焼制御誤差への寄与は比較的小さい。
【０００４】
本発明は、既知の特性である粘度を燃焼制御へと利用または応用することに関する。また本発明は、粘度測定への好ましいアプローチをこの応用に用いることにも関する。
【０００５】
粘度ηは、毛管（半径ｒｃおよび長さＬｃ）内の層流容積流量（ｌａｍｉｎａｒ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｆｌｏｗ）（ｄＶ／ｄｔ）および圧力降下Δｐに対する直線関係によって最も良く知られる。これを式（１）に示す。
【０００６】
ｄＶ／ｄｔ＝πΔｐｒｃ４／（８Ｌｃη）　　（１）
最初に注意すべきことは、天然ガスの組成がさまざまであるにもかかわらず、その事実を補うように、どんな組成であっても低コストで燃焼させることのできる手段を探す場合に、燃焼制御に対する個別の特性としての粘度の可能性、および、燃焼させずに発熱量を測定する方法であって、ｋ（Ｔ１）、ｋ（Ｔ２）、およびηを含む相関関係を介した、すなわち他の特性と関連した分析的な測定が含まれる方法に対する個別の特性としての粘度の可能性である。
【０００７】
燃料の粘度、また、以前は煙道Ｏ２濃度も、燃料の酸素消費量ＤＯ２の、予測されるかまたは実際の変化を表示するためのものであった。図１に、η（曲線２３）と、燃料ガスの他の熱物理（Ｑｉ）特性、すなわちρ、密度（曲線２６）、およびｋ、熱伝導度（曲線２４）、およびＣｐ、比熱（曲線２５）、およびＣｖ、熱線式風速計（ｔｈｅｒｍａｌ　ａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ）の補正因子（曲線２７）との間の比較、およびこれらの特性が個別に燃料の酸素消費量、ＤＯ２といかに良く相関しているかを図で示す。ＤＯ２が増加したとき、ｃｐも有望であるように見えるが、ηが最も都合の良い単調な減少を示す。不燃性ＣＯ２のＣｐ値（８．８３ｃａｌ／（ｍｏｌ・Ｋ）、Ｈ２Ｏでは８．６０である）は、ＣＨ４およびＣ２Ｈ６のＣｐ値（８．５０および１２．４２）の間にあるが、不燃性ガスＯ２、Ｎ２、ＣＯ２（Ｈ２Ｏを除いて）のη値は全て、ＣＨ４のη値を上回っている。
【０００８】
２つ以上の燃料特性を、発熱量またはＤＯ２との相関関係に含めることによって、達成可能な精度は著しく増加するが（後で引用する従来技術に注意されたい）、Ｃｐを測定するのにデジタル処理を行なう必要があるためコストも著しく増加するという犠牲を伴う。上述したことは、排気の制御および効率は全ての燃焼制御の最も重要な目標であるという仮定に基づく。この目標に最も近づくには、一定の煙道Ｏ２または過剰空気の下で操業する。このような操業は、一定の空気フローを維持し、燃料フローをその組成変動（ＤＯ２およびｍ＊を変える）に対応して調整することによって満足される。その濃度変化の半分は、因子ｍによって処理される。と言うのは、ｍはオリフィス制御またはベンチュリー制御のフロー制御状況の全てに作用するからである。燃料フローを調整してＷｂ（ウォッベ数）の変動に対抗するという目的は同様であるが、それほどの正確性はなく（Ａ／Ｆ（空燃比）および排気を一定に保とうとした場合）、次のようなウォッベ数の定義に戻ることになる。Ｗｂ＝ΔＨ／ｍ＊、ここでΔＨ＝Ｏ２消費量ではなく発熱量であり、ｍ＊＝（Ｍｇａｓ／Ｍａｉｒ）０．５である。Ｍはモルであり、Ｗｂは、非炭化水素燃料成分たとえばＨ２およびＣＯがない限り、Ｂｎ（ボンヌ（Ｂｏｎｎｅ）数＝Ｄ０２／ｍ＊）と密に連結している。ＤＯ２またはＢｎと粘度との相関関係は、式ＤＯ２＝Ａ＋ＢηＣまたはＢｎ＝Ａ’＋Ｂ’η０．５によって、それぞれ求めることができる。ＡおよびＢは相関係数であり、Ｃは相関指数である。Ａ’およびＢ’は同様に相関係数である。相関関係は自然の法則のそれに似ている。関連する情報は、「Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ　ｆｏｒ　Ｆｌｕｉｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｕ．ＢｏｎｎｅおよびＤ．Ｋｕｂｉｓｉａｋ著、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌｅｒ、Ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｉｓｓｕｅ（１９９６）の２１ページの図６にある。さらなる情報は、米国特許第５，４８６，１０７号（Ｕ．Ｂｏｎｎｅ、１９９６年１月２３日に付与）の発明名称「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｆｕｅｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ」にある。なおこの文献は、本明細書において参照により取り入れられている。
【０００９】
提案する粘度計に基づく燃焼制御システムの意義を説明するために、表１において、熱伝導度センサに基づいた燃焼制御システムの特性と関係のあるいくつかのパラメータを、粘度センサに基づいたシステムの場合に対して比較する。示したように全ての点において、粘度に基づいたシステムの方が、センサ出力の圧力および温度に対する依存性が小さいなどの有利な値を示すが、燃料＋空気混合物中の燃料−ガス組成または燃料濃度に対する依存性はより大きい。後者のパラメータは、燃料＋空気混合物の熱物理特性を直接測定する利点を定量化するために含めた。示したように、予め混合した燃料＋空気混合物の粘度または熱伝導度を測定した場合、圧力、温度、および湿度の影響が、求める燃料特性の影響よりも非常に大きくなる。同様の状況が、煙道ガス中のηまたはｋを測定する場合に形成される。
【００１０】
表１に、ＤＯ２またはλ、波長のセンサとしての熱伝導度に対する粘度の利点を示す。λ＝（実際の空燃比）÷（化学量論的空燃比）である。この表によれば、粘度はλおよびＤ０２の変化に対して熱伝導度よりも約２倍敏感であるが、圧力および温度の変動に対しては３０％感度が低いことが示される。これは、ＤＯ２またはλの測定に対しては、粘度の検出によって熱伝導の場合よりも数倍正確なセンサが得られることを意味する。ガスＧ２０はメタンであり、Ｇ２７１は７４％のメタンと２６％の窒素からなるガス混合物である。ｐは圧力（ｂａｒ）であり、Ｔは温度（℃）である。Ｗは、所望の特性（λまたはＤＯ２）を測定する従属変数である。ｋおよびηの感度は、空気と混合された燃料の窒素含有量、λ、Ｔ、ｐ、および純粋燃料ガスの窒素含有量の変動に対するものである。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
最も好ましい特性（ｋまたはη）に対しては、１〜３列のＷ値は最も高く４〜５は最も低くなければならない。粘度が好ましい選択であることは明らかである。
【００１３】
（発明の概要）
本明細書で開示する粘度計は、加圧ガス、マイクロセンサの入手のしやすさ、または熱駆動装置（ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｒｉｖｅｒ）に依存せず、その出力は絶対圧力とは無関係である（粘度が無関係である範囲で）。本粘度計は方位の影響を受けず、低コストで製造することができる。本粘度センサは、種々のガス混合物の酸素消費量を測定するために用いられる。本センサは、流体容積の変位装置、アクチュエータまたは駆動装置たとえばスピーカ・メンブレン、および圧力センサまたは検出器たとえばマイクロフォンを、チャンバーまたはキャビティ、およびキャビティと粘度センサの周囲環境との間の制御された漏れ口（ｌｅａｋ）とともに有する。駆動装置、漏れ口、およびセンサ・エレクトロニクスは、市販される安価なコンポーネントから組み立てることができる。要約して言えばセンサは、製造コストが低く、精度、信頼性、本質的安全が良好で、耐用寿命が長い。
【００１４】
（実施形態の説明）
図２の粘度計１０では、圧力差Δｐにおける、制御された漏れ口（最初に毛管（Ｃ）１１（半径ｒｃ、長さＬｃの毛管チューブ１１）を選択する）を通る層流容積流量（ｄＶ／ｄｔ）と粘度ηとの間の直線関係を用いている。これらのパラメータの数学的関係を下式（２）に示す。
【００１５】
ｄＶ／ｄｔ＝πΔｐｒｃ４／（８Ｌｃη）　　（２）
熱源を用いる代わりにバルブまたは機械的フローを用いて、再現性があるが時間に依存するフローを起こし、圧力降下（または上昇）Δｐ、時定数τ、または位相のずれδの観察ができるようにする。本明細書で開示する粘度計１０は、再現性があるが時間に依存しないフローを起こして、アクチュエータ１２による容積変位速度（ｒａｔｅ　ｏｆ　ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）と実際の漏れフローとが数ミリ秒（ｍｓ）の間等しくなるときに、安定したΔｐの観察ができるようにデザインされている。これを図２および３に概略して示す。３種類のガス、Ａｒ、Ｎ２、およびＣ３Ｈ８に対するΔｐ信号に、曲線１３、１４、および１５としてそれぞれ印をつけ、のこぎり歯曲線１７で示したキャビティ１６の容積変化ΔＶｃ（パーセント）によって、アクチュエータまたは駆動装置１２によって引き起こされた容積変化を示す。
【００１６】
十分に強いアクチュエータの変位がガスの種類に依存せず、アクチュエータ１２を「のこぎり歯」モードおよび一定の周波数ｆで駆動することができ、上式（１）が実際に成立すると仮定できるならば、全ての種類のガスは最終的にチャンバー内でその特有のΔｐに達するが、同じ毛管１１の流量において、Δｐを測定し式（２）を用いることで各流体の粘度を測定することができる。上述した最初の２つの仮定を満足するように粘度計１０がデザインされているならば、残る問題は、上述の等式が成立するのに十分な時間が半周期の間に存在するかどうかである。毛管半径ｒが小さすぎる場合には、Δｐ（ｔ）ものこぎり歯のような関数である（ΔＶｃが小さい場合には断熱加熱効果は無視できる）。しかし毛管１１が十分に大きい場合には、そのフローおよびΔｐは、粘度計１０内のガスの粘度に拘わらず、ｄＶ／ｄｔ＝ΔＶｃｆ／２となるまで増加して、のこぎり歯１７のピリオドの終わりまでその値に留まるだけである。その結果、粘度は下式（３）から得られる。
【００１７】
η＝πΔｐｒｃ４／（４ΔＶｃｆＬｃ）　　（３）
この関係を、数値モデルを用いた計算結果によって図３および４に示す。このモデルでは、所定のｒｃ、Ｌｃ、およびｆに対して、キャビティ容積を時間ステップΔｚ＝０．１ｍｓに対応する小さな量ずつ増加させることによって、キャビティ圧力をＰＶ＝ｎＲＴに対応する量だけ変化させる。その結果、毛管を通るフローが開始してΔｚの間の圧力変化の一部を取り除く。これはｄＶ／ｄｔ＝ｄＶｃ／ｄｔ＝ΔＶｃｆ／２と、Δｐとの間の平衡状態に達するまで続く。これらの図から、次のことが分かる。（１）安定したΔｐ値が、のこぎり歯のピリオドの終わりの方で実現される。（２）このような安定したΔｐのピリオドの値は、表示したガスＣ３Ｈ８、Ｎ２、およびＡｒの粘度（２０℃および１ａｔｍにおいて、それぞれ８３、１７８、および２２４μＰである）に比例する。（３）レイノルズ数Ｒｅ＝２ｒｖρ／ηで表示したときに、毛管内における安定したΔｐピリオドおよび層流（Ｒｅ＜２３００）の両方が実現されるように、１２４および３２４Ｈｚの周波数、およびη／ρが最も低いガス（図３および４ではプロパンであった）に対して、Ｒｖ＝ΔＶｃ／Ｖｃ、ｒｃ、およびＬｃの値を選択する必要があり、また選択することができる。３２４Ｈｚの周波数を選択したのは、５０Ｈｚおよび６０Ｈｚの比較的高い高調波からほぼ同じように離れるようにするためである。（４）安定したΔｐのピリオドに達する時定数は、流体の粘度が高くなりガス圧力が低くなるにつれて長くなる。時定数の結果を図５に示す。
【００１８】
図３は、Δｐ、圧力振幅（ｃｍ水柱（ＷＣ））対ｚまたは時間（ｍｓ）のグラフである。このグラフは、振動容積１７と、３種類のガスＡｒ、Ｎ２、およびＣ３Ｈ８に対する漏出キャビティ１６のΔｐとを示しており、曲線１３、１４、および１５によってそれぞれ表わされている。キャビティ１６の振動容積１７は、アクチュエータ１２へ電気入力した結果である。曲線１３、１４、および１５で示される圧力センサの変化は、センサ２０によって検出される。これらのプロットは、２２℃および０．７ｂａｒの圧力で取った。周波数ｆは１３２Ｈｚである。Ｒｖは１パーセントである。最終的なΔｐの６３％に達する圧力平衡時間τは、３種類のガスに対して、それぞれ０．４０、０．２３、および０．１５３ｍｓである。停止しているときのキャビティ容積Ｖｃｏは、０．１５ｃｍ３であり、毛管の長さＬｃおよび半径ｒｃは、それぞれ０．３ｃｍおよび０．１７ｃｍである。最大レイノルズ数Ｒｅｍａｘは７５２である。
【００１９】
図４は、圧力振幅Δｐ（ｃｍＷＣ）対時間ｚ（ｍｓ）のグラフである。このグラフは、振動容積１７と、３種類のガスＡｒ、Ｎ２、およびＣ３Ｈ８に対する漏出キャビティ１６のΔｐとを示しており、曲線１３、１４、および１５によってそれぞれ表わされている。これらのプロットは、２２℃および０．７ｂａｒの圧力で取った。周波数ｆは３２３Ｈｚであり、図２の場合の周波数ｆよりも約２．４４７倍速い。Ｒｖは０．５％、Δｚは０．０５ｍｓであり、直線励起（ｌｉｎｅａｒ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）τは０．１８ｍｓである。ＶｃｏおよびＬｃは図３の場合と同様である。毛管の半径ｒｃは、より大きくて０．２ｍｍである。最大レイノルズ数は７８５である。対応する曲線１３、１４、および１５の振幅は、図３の曲線の場合の約半分であることに注意されたい。しかし曲線１３、１４、および１５の間の振幅の差は、図４の方が、図３よりも識別できるように見える。
【００２０】
図５は、Δｐ、圧力振幅（ｃｍＷＣ）対Ｚ、時間（ｍｓ）のグラフである。このグラフは、振動容積１７と、３つの異なる絶対圧力ｐａのＮ２に対する漏出キャビティ１６のΔｐとを示している。曲線１４は０．７ｂａｒのＮ２の場合であり、曲線１８は１．０ｂａｒのＮ２の場合であり、曲線１９は１．５ｂａｒのＮ２の場合である。このデータはデバイス１０から、２２℃および１２２Ｈｚの周波数で取ったものであり、Ｒｖは１％に等しい。Ｖｃｏは０．１５ｃｍ３、Ｌｃは０．３ｃｍ、ｒｃは０．１４ｍｍ、Ｒｅｍａｘは８４６である。図５のこれらの曲線は、到達されるΔｐ−平衡状態が絶対圧力に依存しないことを示している。しかしこれらの曲線は、平衡状態に達する時定数τが圧力に依存することも示している。約０．２９、０．２３、および０．１９４ｍｓの時定数が、０．７、１．０、および１．５ｂａｒの圧力に対してそれぞれ得られた。このことは、粘度を測定した後に絶対圧力を測定することにも役立ち得る。ｐａτ２≒一定である。
【００２１】
粘度計１０を実現するためには、容積駆動装置（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　ｄｒｉｖｅｒｓ）１２、圧力センサ２０、および可能性のあるシステム制約を考慮する必要がある。図６および７に、駆動装置１２とセンサ２０との間のバッフルまたは少なくとも部分的なバリアであり得るインターフェースまたはカップリング・デバイス２８および２９をそれぞれ特徴とするさらなる実施形態２１および２２を示す。バリア２８または２９は、駆動装置１２からセンサまたは検出器２０へのいかなる物理的エネルギー（すなわち機械的、電気、および／または熱）の輸送も防ぐためである。このエネルギーは、駆動装置１２から検出器２０へのΔｐ情報の伝達を妨げるか、遅らせるか、または抑制する可能性がある。バッフル２８または２９は、このような可能性のある歪みまたは破損（ｄｉｌａｐｉｄａｔｉｏｎ）を、拡散、減衰、またはその他の適切に作用する機能を行なうことによって防ぐことができる。
【００２２】
粘度計２１は、アクチュエータ１２とセンサ２０との間のキャビティ１６内に配置されたバッフル２８を有する。バッフルまたはディヒューザー・プレート２８は開口部または孔３２を有するため、駆動装置１２はセンサ２０に、試験用ガスおよび開口部３２を介して作用することができる。ガスは毛管１１を通ってキャビティ１６に入る。開口部３２を示すために、ディヒューザー・プレート２８の正面図を示す。ダイヤフラム３３に面して配置されたプレート２８が１つだけある。粘度計２２は、アクチュエータ１２とセンサ２０との間のキャビティ１６内に配置されたバッフル、バー、または減衰経路２９を有する。通路または孔３０によって試験用ガスの通路が与えられるため、駆動装置１２はセンサ２０に作用してガスの粘度を測定することができる。制御されたキャビティの漏れ口は、毛管開口部１１を通る。
【００２３】
アクチュエータは、いくつかの種類であり得る。一定速度の容積膨張または収縮を発生させるために、バルク（圧電性）ＰＺＴ膨張、ＰＺＴバイモルフ・アクチュエータ（ツイータで使用されている）、および電磁スピーカを、駆動装置１２として検討することができる。圧電トランスデューサの容積膨張は、変位は非常に小さいがガス密度の変化の影響を受けない大きな力を伴うため魅力的である。ＰＺＴ膨張およびＰＺＴバイモルフのアクチュエータの両方とも、温度補償する必要がある。これは電磁スピーカの場合には必要でない。
【００２４】
測定される中央の偏位を、バイモルフ・アクチュエータ（ＰＺＴ／真鍮の積層、Ｍａｌｌｏｒｙ　Ｓｏｎａｌｅｒｔ社（インディアナポリス、インディアナ州）製、２５〜９９の数量において１個あたり＄０．５５）で形成した。このアクチュエータは、１５ｍｍＯＤ／０．１１ｍｍ厚みの真鍮支持体＋１０ｍｍＯＤ／０．１１ｍｍ厚みのＰＺＴ＋９ｍｍＯＤ／０．０２ｍｍ厚みのＡｇ電極フィルムからなる。定格電圧≦２５Ｖの下で、中央の偏位は約０．８μｍ／ＶＲＭＳであった。また中央の偏位の測定を、電磁スピーカ（ＢＲＴ１２０９Ｐ−０１、Ｉｎｔ’ｌ．Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ社（メルビル、ニューヨーク州）製、２５〜９９の数量の場合の価格は１個あたり＄０．６０）によっても行ない、１〜２ＶＤＣの最大入力および１０ｍＡ最大に対して評価した。この５０μｍ厚みスピーカ・ディスクの中央の偏位は、入力電圧に対してかなり直線的であることが分かった（図８の曲線３１を参照）。変位は、−６〜＋６ＶＤＣにおいて約７．５μｍ／Ｖであった。すなわち電圧（Ｖ）あたりのこの変位は、ＰＺＴバイモルフからの変位と比べて約１０倍大きい。スピーカ・メンブレン３３の支持については、多少注意深く考慮する必要がある（図２および６のデザイン１０および２１のメンブレン３３にそれぞれ注意されたい）。
【００２５】
スピーカ・メンブレン３３からの漏れをなくすためにチャンバーまたはキャビティ１６をシールする場合には、そのＶｃ側と反対の側を周囲／外部の流体に対して開放して、周囲の圧力または温度が変化したときの変則的な影響を避ける必要がある。キャビティ１６と反対側のメンブレン３３における容積が、キャビティ１６からの漏れに対して気密にシールされていない場合（ＢＲＴ１２０６Ｐ−０１の場合）には、毛管１１に匹敵しかつ／またはオリフィスとしての漏れ機能に匹敵する。
【００２６】
センサはいくつかの種類であり得る。粘度計１０に必要な他の機能は、周囲とＶｃとの間のΔｐセンサ２０である。マイクロフォンが、要求を満足する最も低価格の選択であり得る。理想的なセンサ２０は、硬いマイクロフォンである。すなわち変形によるＶｃへの影響がなく、出力は周波数に依存しない。エレクトレット・マイクロフォン（Ｐａｎａｓｏｎｉｃ　ｏｆ　Ｓｅｃａｕｃｕｓ（ニュージャージー）製、またはＧｅｎｔｅｘ　ｏｆ　Ｃａｒｂｏｎｄａｌｅ（ペンシルベニア州）製、変形可能なメンブレンを有する）を、位相のずれの測定に用いた。これは、≦１．２ｃｍのＨ２Ｏの約５０〜６０Ｈｚの圧力変化に対して２００ｍＶの非増幅の出力をもたらした。ノイズ・レベルは２ｍＶであった。これは、（１．２／１０００）（２／２００）・１０６＝１２ｐｐｍのキャビティ１６内の圧力変化、または０．０１２ｃｍのＨ２Ｏに相当する。
【００２７】
電磁スピーカ（ＢＲＴ１２０９Ｐ−０１、Ｉｎｔ’ｌ．Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ社製）を、駆動装置１２として機能する類似のユニットと背中合わせにして、センサ２０としてテストした。しかしそれらの磁界が干渉したので、良好な結果を得るにはシールディングが必要であろう。
【００２８】
マイクロ・スイッチ２４ＰＣ圧力センサ・チップ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社（フリーポート、イリノイ州）製）をＴＯ５ヘッダ（わずかな背圧も生じないように中央の孔の上）に搭載してシールしたところ、アクチュエータ１２として機能するＢＲＴ１２０６Ｐ−０１スピーカの１つとともに動作して、センサ２０として良好に機能した。センサ２０の出力は、毛管１１に栓をしたときに駆動装置１２の励起形状（サイン、矩形、のこぎり歯形状）に従うことが確かめられた。毛管の栓を抜いた後に、キャビティ１６の容積変化速度と毛管１１の流速との間の釣り合いが実現し、本発明が実証された。この動的に釣り合う間、確立されたΔｐは流体の粘度を表わしていた。毛管１１チューブのＬ／Ｄ比は、４よりも大きくなければならない。毛管１１の入口は、乱流を最小限にするために、内部およびエッジで滑らかでなければならない。
【００２９】
駆動装置１２は同じであるが、圧電スピーカをセンサ２０として機能させた実験では、理論的に予想されていた圧力に依存しない関係、η≒ΔＧｐ０（ここでΔＧ＝圧力センサの出力、ｐ＝絶対圧力）が、±５％の範囲の測定誤差内で得られた。この粘度センサは、市販の＄０．６０駆動装置１２と＄０．５５センサ２０とを単に背中合わせでエポキシ樹脂で接着したものから構成され、これらを６０Ｈｚで動作させた。要約して言えば、非常に低価格の在庫コンポーネントであることから、本発明の粘度計１０、２１、または２２の製造を非常に費用対効果の高いものにできることが分かる。
【００３０】
粘度計１０には、いくつかの制限があり得る。第１に、可能性のある１つの制限は、フローの反転によるヘッド圧力である。フロー・駆動装置の周波数が増加するにつれて、それぞれの往復するフロー反転で生じる内部圧力が増加する。このような影響を避けるために、下式（４）に示すように、毛管１１の圧力降下Δｐｃが内部圧力降下Δｐｉに等しくなる周波数を計算することができる。
【００３１】
Δｐｃ＝（ΔＶｃｆ／２）・８ηＬｃ／（πｒ４）および
Δｐｉ＝２ρｖ２／２＝ρ（ΔＶｃｆ／（２ρｒ２））２　　（４）
各方向の安定した容積フローΔＶ・ｆ／２によって、平均速度ｖ＝ΔＶｃｆ／（２πｒ２）と反転時の内部圧力パルス２ρｖ２／２とが生じると仮定すれば、Δｐｃ＝Δｐｉに対して、下式が得られる。
【００３２】
８ηＬｃ＝ρΔＶｃｆ／（２π）およびｆ＝１６πηＬｃ／（ρΔＶｃ）
（５）
η＝０．０００１７８ｇ／（ｃｍ・ｓ）またはυ＝η／ρ＝０．１５３ｃｍ２／ｓ（２０℃で１ｂａｒのＮ２に対して）、Ｌｃ＝１ｃｍおよびＶｃ＝０．０００１ｃｍ３の場合、ｆ＝７７ｋＨｚが得られる。したがって殆どの用途において、この影響は低い周波数では概ね小さく各フロー反転でのみ生じるため、無視することができる。
【００３３】
第２に、毛管１１チューブ内における乱流の出現を避ける必要がある。上述の実施例の場合、ｒ＝０．００８ｃｍであれば、Ｎ２に対してＲｅ＝２ｒｃｖ／ν＝１９０９が得られる（しかしプロパンに対しては６９３５である）。しかしｒｃ、ΔＶｃ、およびｆの変化の適切な組み合わせによって、実際に広い層流の範囲が得られる。乱流の開始を最小限にするためには、毛管１１の先端のエッジを滑らかに作らなければならない。
【００３４】
第３に、アクチュエータ、Δｐ、センサ、および制御された漏れ口（時間が経過しても詰まらない）の安定性は、長期間に渡る信頼性の高い稼動に対して明らかに重要である。安定した変位を回路により維持し、安定した漏れを多孔性プレート内の多数の漏れ口により維持する方法、およびセンサの適切な動作および精度の自己点検を、安定性の限界を克服するために推奨する。
【００３５】
準静的粘度計１０のコンポーネントおよびそれらのコストには、以下のものがある。のこぎり歯発生器が＄０．４、スピーカ（１０〜１５ｍｍの直径）が＄０．２２〜０．２５（ＤＡＩ社製）、マイクロフォン（６〜１０ｍｍの直径）が＄０．２２〜０．２５、マイクロフォン増幅器およびデジタル出力用のアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）が約＄２．００、１つまたは複数の０．２〜０．４ｍｍの孔／長さ３〜６ｍｍの毛管、または多孔性材料からなる複数の同等な制御された漏れ口が＄０．１０、さらに組み立て、較正、および種々雑多な材料が約＄３．００である。このようにセンサの総費用は＄６．００を下回り得るため、その用途およびビジネスの可能性は非常に広い。
【００３６】
本発明の特徴には、キャビティ１６へのまたはキャビティ１６からの毛管１１フロー（粘度に比例することが知られている）と、電気機械式流体変位装置／アクチュエータ１２と、のこぎり歯電子駆動装置３４とを組み合わせて、各ＡＣ駆動周期の２つのピリオドの少なくとも一方の間にキャビティ１６内のΔｐが安定することを可能にすることが含まれる。（少なくとも一方または）それぞれののこぎり歯ピリオドの終わりに確立されるΔｐの測定値が、所望する粘度の表示である。絶対圧Ｐａに大きく依存するのは、Δｐである（しかしΔｐ／ｐａではない）。Δｐはセンサ２０によって検知され、センサ２０は出力をアナログ・デジタル変換器３５へ送る（図９に示す）。デジタル出力は、プロセッサ３６へ送られて処理される。プロセッサ３６は、燃焼制御装置または調整装置などの何らかの装置へ送られ得るデジタルまたはアナログ出力を有する。また出力は、直接測定された粘度および相関する特性たとえば試験用ガスの酸素消費量またはその他のパラメータについての読み取り可能な情報を提供できる表示装置３７へ送られる。その代わりにセンサ２０の出力を、アナログ表示装置、プロセッサ、またはインターフェースへ直接送っても良い。
【００３７】
一実施形態においては、圧電ツイータまたは静電スピーカではなく、低電圧のアクチュエータ１２、電磁イヤホーン・スピーカを有していても良く、Δｐセンサ２０は、圧電性（好ましい）、圧電抵抗性、電磁的、エレクトレット、炭素接触、または容量の効果の何れかに基づくマイクロフォンである。本発明では、粘度を検知するだけでなく、測定された粘度と、初期時定数またはアクチュエータ１２の入力とセンサ２０の出力との間の位相のずれ（図３〜５に示す）とをさらに処理することによって、絶対圧力を検出しても良い。
【００３８】
粘度計１０、２１、および２２は、絶対圧力に全く依存しないため、圧力の減衰または位相のずれがある振動ワイヤーおよび水晶発信器に基づく関連技術の粘度計よりも有利である。また粘度計１０、２１、または２２は、測定される流体の熱伝導度または比熱に全く依存しないため、熱励起に基づく粘度計よりも有利である。また加圧流体の定供給源によって駆動される毛管フローに基づくか、または物体落下のタイミングに基づく従来の粘度計よりも有利であり、すなわち定圧流体の高価な供給源、重力の一定の大きさおよび方向、または落下物体を供給し測定するための機器が全く必要でない。本粘度計は、その取り付け方位の影響を受けない。本デバイスを用いれば、前述したように粘度に加えて、初期時定数またはアクチュエータ入力とセンサ出力との間の位相ずれを用いることによって、絶対圧力を検知することもできる。これは関連技術の粘度計からは得られない特徴である。
【００３９】
本明細書で開示されていない本発明の他の実施形態および変形が、特許請求の範囲に包含され、本発明の全ての均等物を含む特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料の酸素消費量と燃料の熱物理特性との間の関係を示す図である。
【図２】粘度計を示す図である。
【図３】３種類の異なるガスに対する漏出キャビティの振動容積とデルタ圧力とを示すグラフである。
【図４】３種類の異なるガスに対する漏出キャビティの振動容積とデルタ圧力とを示すグラフである。
【図５】３種類の異なるガスに対する漏出キャビティの振動容積とデルタ圧力とを示すグラフである。
【図６】粘度計のさらなる実施形態を示す図である。
【図７】粘度計のさらなる実施形態を示す図である。
【図８】粘度計のアクチュエータに対する駆動電圧対偏位を示すグラフである。
【図９】種々の用途で用いる粘度計および関連するコンポーネントを示す図である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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