(57)【要約】【課題】気泡式液位測定方式のエアーを使用した測定システムを流用した、粘度・比重・液面測定器の提案【解決手段】気泡式液位測定用エアーチューブ、エアーポンプ、電磁弁などのエアー部品を流用し少ない変更で、遠隔から安全に粘度、比重、液位を測定する粘度・比重計である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粘度測定カップの底の孔口径が交換でき、一端部が該粘度測定カップに固定されたエアーチューブと、該エアーチューブの他端部に接続されるエアー分岐器と該エアー分岐器に接続されるエアーポンプと圧力センサ、該エアーポンプの駆動、該圧力センサーの出力取込みを行うマイクロプロセサによる制御部および該制御部により処理された粘度、比重、液位を表示する表示器からなる粘度・比重・液位測定器。
【請求項２】
一端部がエアーチューブ２本で構成され粘度被測定液体中に浸し、先端に段差を持たせ、かつ浅い方のチューブ先端の口径が交換できる構造を持ち、被測定液体が入っている容器に固定された該エアーチューブ２本と、該エアーチューブ２本それぞれの他端部に接続される電磁弁を持ち、更にそれら２つの電磁弁がエアー分岐器を通してエアーポンプと圧力センサに接続される。
該エアーポンプおよび圧力センサはマイクロプロセサ制御部に接続され、該マイクロプロセサ制御部には測定された粘度、比重、液位を表示する表示器が接続された、粘度・比重・液位測定器。
【請求項３】
前記請求項４に被測定液体の液面より上に先端を持つ第３のエアーチューブおよび電磁弁を追加し、密閉式の被測定液体容器用、粘度、比重、液位測定器。
【請求項４】
粘度測定カップの底の孔口径が交換でき、一端部が粘度測定カップ蓋に固定され他端部が電磁弁に接続されたエアーチューブと、一端部が粘度測定カップ蓋を貫通してカップ内の底から規定した位置に挿入・固定され、他端部がエアー分岐器に接続されるもう１本のエアーチューブを持ち、該分岐器にエアーポンプと圧力センサが接続され、該エアーポンプおよび圧力センサはマイクロプロセサ制御部に接続され、該マイクロプロセサ制御部には測定された粘度、比重、液位を表示する表示器が接続された、粘度・比重・液位測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、気泡式による液体の粘度や比重の測定器に関し、より詳しくは、部品の追加により、気泡式液位計の機能を生かした液位・粘度・比重が測定できる測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】  液体の粘度を測定する方法として、「ＪＩＳ  Ｚ  ８８０３液体の粘度−測定方法」にある毛細管粘度計、落球粘度計、回転粘度計の他、振動式、カップ式（フォードカップ式、ディップカップ式、フローカップ式）など種々な方法がある。その他特開２００８−３０９７４３（Ｐ２００８−３０９７４３Ａ）のようにハーゲン・ポアズイユ（Ｈａｇｅｎ‐Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ）の流量と差圧の関係を用いて連続的に測定する方式もある。
一方、気泡式液位計は、液中に先端を浸した測定用エアーチューブにエアーを送り出すエアーポンプやその制御回路と圧力センサや表示器からなる、最近こそ防爆性や耐薬品性などから見直されつつあるが、歴史の古い技術である。
【先行技術文献】
【０００３】
【特許文献】
【特許文献】  特開２００８−３０９７４３  特開２０１０−０５４２６０  液面レベル測定装置  特開２０１０−１８１３８９  液面レベル測定装置
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  カップ式粘度計とは、容器に試料を満たし、その底の規定の直径の孔から被測定液体が流出し終わるまでの時間によって粘度を測定する方式であり、比測定物の粘度に対して適切な孔をもつカップとストップウオッチで構成できる簡便な方式である。
すなわち、試料を汲み上げストップウオッチで時間測定するという人手の掛かる方式であり、高温な液体や人体に危険な液体（毒性の液体や引火性液体）などでは使用できない欠点もある。
この方式の他の欠点として、カップ満杯から液体が流下し終わるまでの２点間の時間を人間が測定するため、個人差や慣れの問題、流下し終わった時間の判定が難しいことも挙げられる。
２点間の時間測定をフォトインタラプタなど光を使って機械化したものもあるが粘度によっては徐々に細る流下を判定するため誤差を生じやすい。
毛細管方式や落球方式による粘度計は、被測定液体を汲み出して測定する必要があり、また回転粘度計や振動式粘度計などは、被測定液体のある、例えばタンクや塗料攪拌機の液中に設置することが可能なタイプもあるが、元々高価であることの他、洗浄などのためのメンテナンスコストや防爆の問題もある。【０００５】  そこで本発明は、上述の情況に鑑み、防爆性やエアーチューブ１本で遠隔から測定できる気泡式液位計のメリットを生かし、基本的な気泡式液位計に部品を追加することにより、タンク内の被測定液体の液位に加え、粘度および比重も同時にリアルタイムで測定する「気泡式による粘度・比重・液位測定器」について、大きく分けて３つの実装法を提案している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するための手段の実施形態を、３つに大別して参照符号を付して説明する。【０００７】  請求項１に係わる粘度測定器は、図１のように、底に対象とする粘度により交換可能な被測定液体流出孔１‐２Ａが開けられたカップ１‐２の底近傍にまで、カップに対して固定する固定部１‐３により垂直に固定した状態でエアーチューブ１‐１を挿入する。  該エアーチューブ１‐１の下端部１‐１Ａは気泡をスムーズに放出するため斜めに整形することもある。該エアーチューブ１‐１の他端をエアーポンプ１‐６と圧力センサ１‐７にエアー分岐器１‐４を用いて接続するが、該エアーポンプからエアーが逆流する場合は、気泡式液位計同様に逆止弁（図示せず）を該エアー分岐器１‐４とエアーポンプ１‐６の間に挿入することもある。
該エアーポンプ１‐６はプッシュスイッチなどによるスイッチ１‐５を押したことをマイクロプロセサによる制御回路１‐８で検出してＯＮ／ＯＦＦ駆動される。
該制御部１‐８は、また該圧力センサ１‐７の圧力を読み取り表示器１‐９に得られた粘度・比重を表示することを特徴としている。
なお、カップを引上げる時の引上げバーを１‐３Ａで示しているが、カップの垂直が保たれるならば鎖様のものでカップを吊り下げても良い。またエアーチューブは使用環境によって金属パイプ、プラスチックやテフロンチューブなどを選択することも出来る。更にエアーチューブとカップの内外面に撥水性の良い塗装など表面処理を施すことにより、作業性や洗浄性の向上が出来る。
また、鎖などで吊り下げた場合、鎖状のものにエアーチューブ１‐１を沿わせて制御部で駆動されるウインチなどで上げ下げし、測定を同期することにより、自動測定器にすることも出来る。【０００８】  請求項２に係わる粘度測定器は、図２のように、被測定液体が入ったタンク（水槽、油タンクなど、以下タンクと言う）２‐１１に、タンクに対して固定された固定部２‐３により垂直に固定された状態で挿入され、両先端の距離を適切に離した２本のエアーチューブ２‐１と２‐２を挿入し、該両エアーチューブ２‐１と２‐２の他端はそれぞれ電磁弁２‐４Ａと２‐４Ｂを通してエアー分岐器２‐５に接続される。
なおエアーチューブ２‐１、２‐２の口径は対象とする粘度に応じたものを選ぶ必要がある。
またエアーチューブ２‐２の先端部は異なった口径に交換することにより、気泡が出る速度を調整できるため、対象とする粘度により最適な速度になるようにネジ式など簡単に脱着できる機構を持つものとする。
該エアー分岐器２‐５からはエアーチューブで圧力センサ２‐７とエアーポンプ２‐６に接続されているが、該エアーポンプ２‐６からエアーが逆流する場合は逆止弁（図示せず）を該エアー分岐器２‐５と該エアーポンプ２‐６の間に挿入することもある。
該圧力センサ２‐７、該電磁弁２‐４Ａ，２‐４Ｂと該ポンプ２‐６はマイクロプロセサによる制御回路２‐８に接続され、該制御部２‐８は該圧力センサ２‐７の圧力を読み取り、表示器２‐９に得られた粘度、比重、液位を表示することを特徴としている。【０００９】  請求項３に係わる測定器は、図３の如く、請求項２に係わる図２に第３のエアーチューブ３‐１２及び電磁弁３‐４Ｃをエアー分岐器３‐５に接続し、該エアーチューブ３‐１２の先端３‐１２Ａが非測定液体の液位より上になる様に設置することにより、タンクに蓋があり密閉式で内圧がある場合においても粘度、比重、液位が測定できることを特徴としている。【００１０】    請求項４に係わる粘度測定器は、図４の如く、被測定液体が入ったタンク４‐１１に対して固定された固定棒４‐３Ｂにより垂直に固定され、上面が蓋４‐３Ｃで閉じられ、底に対象とする粘度により異なった口径に交換できる孔４‐３Ａを持つカップ４‐３があり、該カップ４‐３の該蓋４‐３Ｃには、一端が取付けられ他端が電磁弁４‐４に繋がるエアーチューブ４‐１と、カップ４‐３の該蓋４‐３Ｃを貫通して該カップ４‐３に挿入され、先端４‐２Ａが斜めにカットされ他端がエアー分岐器４‐５に繋がれるエアーチューブ４‐２を持つ。
該電磁弁４‐４の他端は大気に開放されている。また、該エアー分岐器４‐５はエアーチューブにより圧力センサー４‐７とエアーポンプ４‐６に接続される。前記請求項１同様に該エアーポンプ４‐６からエアーが逆流する場合は逆止弁（図示せず）を該エアー分岐器４‐５と該エアーポンプ４‐６の間に挿入することもある。
該圧力センサ４‐７、該電磁弁４‐４とポンプ４‐６はマイクロプロセサによる制御回路４‐８に接続され、該制御部４‐８は該圧力センサ４‐７の圧力を読み取り表示器４‐９に得られた粘度・比重、液位を表示することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】  フォードカップやザーンカップのような粘度カップは、カップ内の液体の流出が途切れるまでの時間をストップウオッチなどで測定するため誤差が生じ易い。また、高温な液体や人体に危険な液体（毒性の液体や引火性液体）などでは使用できない欠点もある。毛細管方式や落球方式による粘度計は、被測定液体を汲み出して測定する必要があり、また回転粘度計や振動式粘度計などは、被測定液体タンクに設置することも出来るが高価であること、また洗浄・メンテナンスコストや防爆の問題もある。
本発明によれば、マイクロプロセサや表示器、エアーポンプを持つ既存の気泡式液位計に部品を追加するだけで、タンク内の液位に加え、粘度および比重も同時にリアルタイムで遠隔から測定する測定器が構成でき、気泡式液位計のメリット（防爆性、遠隔制御など）を生かしつつ、トータルコスト的に安価にすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】請求項１に係わる実施例
【図２】請求項２に係わる実施例
【図３】請求項３に係わる実施例
【図４】請求項４に係わる実施例
【図５】（Ａ）請求項１に係わるの粘度ＶＳ圧力の実測値の例  （Ｂ）請求項１に係わるの流出口径ＶＳ圧力の実測値の例  （Ｃ）請求項１に係わる粘度ＶＳ時間の例
【図６】（Ａ）請求項２に係わる実施例の圧力およびＰＮＭ復調の実測波形  （Ｂ）請求項２に係わる口径の異なる実施例の圧力およびＰＮＭ復調の実測波形
【図７】請求項４に係わる実施例の流出口径ＶＳ圧力の実測波形
【発明を実施するための形態】
【００１３】＜第１実施形態＞
図１をもとに説明する。粘度の被測定液体にカップ１‐２を沈めて汲み上げるなり、カップ１‐２の上から注ぐなりして該被測定液体を満杯にした直後からカップの底の穴１‐２Ａから該被測定液体が流出を始めカップ１‐２内の該被測定液体が減少し始める。
満杯にした直後または満杯にしている最中から、エアーポンプでエアーチューブ１‐１を通してエアーを供給してエアーチューブ１‐１内の該被測定液体を追い出して置くことにより、満杯後にスイッチ１‐５によりポンプを止めた時点のエアーチューブ１‐１内の圧力値（Ｐ０）はカップの上端からエアーチューブ１‐１の先端の１‐１Ａまでの深さの圧力となり、圧力センサ１‐７により測定できる。（これが気泡式液位計の原理そのものである。）
カップ１‐２の上端からエアーチューブ先端１‐１Ａまでの距離をＨとし、該被測定液体の比重をρとすれば、
圧力値  Ｐ０  ＝  ρ×ｇ×Ｈ  ………………………（１）
であり、ｇは重力加速度、Ｈは既知であることから、比重ρが算出できる。
同様に、カップ１‐２内の該被測定液体が徐々に減少していく時の圧力の変化もエアーチューブ１‐１を通して圧力センサー１‐７で連続して測定できる。
このカップ１‐２の満杯状態から空になるまでの時間をストップウオッチで測定して粘度を出すのが従来の粘度測定法であり、誤差を含む方法であった。
本実施例では、既述のように圧力変化が連続的にできることを利用し、精度の高い粘度測定法を実現するものである。
具体的には、満杯から、予め決めた高さ、即ち予め決めた圧力になるまでの時間をマイクロプロセサ１‐８で求め、予め既知の粘度標準サンプルで同様に求めた時間と比較することにより、被測定液体の粘度を知ることが出来る。
別の方法として、測定された圧力の低下カーブと、予め既知の粘度標準サンプルで同様に求めたカーブとを用い２つの圧力点の時間で比較することにより、満杯時点の確定をする必要もなく精度の向上が期待できる。
図５の（Ａ）にグリセリン入りの水溶液にてグリセリン濃度を変えて測定した、グリセリン濃度ｖｓ流出時間の測定例を示す。図５の（Ａ）から、グリセリンの濃度が高いほど流出に掛かる時間が長くなることが判る。
また、図５の（Ｂ）に流出孔口径と流出時間の測定例を示す。図から判る様に、口径が大きいほど流出に要する時間は短くなる。
この現象を利用し、口径をφ１．８ｍｍとφ１．４ｍｍに変えて、粘度ＶＳ流出時間をプロットした図５の（Ｃ）を示す。
図５の（Ｃ）から粘度と流出時間が直線関係で測定できることがわかる。
【００１４】＜第２実施形態＞
図２を用いて説明する。タンク２‐１１内の被測定液体中に浸した、エアーチューブ２‐１の先端２‐１Ａとエアーチューブ２‐２の対象とする粘度により異なった口径に交換できる先端２‐２Ａの段差をｄ、２‐２Ａと被測定液体の液面２‐１０との距離（深さ）をｈとする。
まず、電磁弁２‐４ＡをＯＦＦ（閉鎖）し、電磁弁２‐４ＢをＯＮ（開放）した状態で、ポンプ２‐６をＯＮし、該エアーチューブ２‐２から被測定液体を追出すことにより、該エアーチューブ２‐２内の圧力Ｐ２は被測定液の液位と先端２‐２Ｂの深さに相当する圧力となる。ここで、被測定液体の比重をρとすると、
Ｐ２＝ρ×ｇ×（ｈ‐ｄ）………………………（１）
となる。
次に、該ポンプ２‐６をＯＮのまま該電磁弁２‐４ＢをＯＦＦ（閉鎖）、該電磁弁２‐４ＡをＯＮ（開放）して該エアーチューブ２‐１から被測定液体を追出すことにより、該エアーチューブ２‐１内の圧力Ｐ１は被測定液の液位と先端２‐２Ａの深さｈに相当する圧力となる。
Ｐ１＝ρ×ｇ×ｈ…………………………………（２）
式（１）と（２）から、
比重ρ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（ｇ×ｄ）  ………（３）
として、この時点で、被測定液体の比重ρが求められることになり、同時に、このρが算出できた時点で正確なｈ（液位）が分かることになる。
その後、該ポンプ２‐６をＯＦＦ（閉鎖）し、該電磁弁２‐４ＢをＯＮ（開放）して２本の該エアーチューブ２‐１と２‐２を直結すると、瞬時に該２本のエアーチューブ２‐１、２‐２内の圧力がエアーチューブ２‐２の圧力Ｐ２になる。
その後、被測定液体が徐々に該エアーチューブ２‐１に浸入し始め、該エアーチューブ２‐２先端からは気泡排出が始まる。
この気泡がプツプツと出るときの圧力の微妙な変化は該圧力センサ２‐７で連続観測するとパルス状になって観測できる。そのパルス間隔は、被測定液体が上昇するに従い徐々に長くなっていき、該エアーチューブ２‐１内に被測定液体がエアーチューブ先端２‐２Ａの位置まで上昇して止まる。
この気泡が出ている時間と予め既知の粘度で求めた時間と比較して粘度を求めることも出来るが、パルスの発生間隔が密から疎に変化していくことをパルス密度変調と捉え、ＰＮＭ復調器を用いて密度減少のカーブを求めることにより更に精度を上げることも可能である。
また圧力センサの出力を直接マイクロプロセサ制御部２‐８で処理してパルス間隔を求めることも出来る。この一連の動作による圧力変化の様子を図６に示す。
図６の（Ａ）は図２のエアーチューブ先端２‐１Ａの口径を２．５ｍｍφにした場合であり、圧力変化は６‐１で示し、気泡発生時のパルスをトリガーとして発生したモノマルチバイブレータの出力を６‐２で示している。
６‐１のパルスの密度が変わることにより、６‐２のパルスも密度が変わっていることがわかる。
このモノマルチバイブレータの出力を低域通過フィルターで平滑することにより、エアーチューブ２‐１内を上昇していく被測定液体の上昇量が判る。
図６の（Ｂ）はエアーチューブ先端２‐１Ａの口径を３．０ｍｍφにした場合であり、波形６‐３および６‐４のパルス発生が図６の（Ａ）と比較し短期間になっていることがわかる。
【００１５】＜第３実施形態＞
図３を用いて説明する。第２実施形態の図２のタンクに蓋３‐３が付いた密閉型タンクに追加エアーチューブ３‐１２および電磁弁３‐４Ｃを追加しエアー分岐器３‐５に接続した形態である。
エアーチューブ３‐１，３‐２および３‐１２は蓋に固定されており、該エアーチューブ３‐１２の先端はタンク３‐１１内の比測定液体の液位より上に設置し、タンク３‐１１内の内圧を測定できるようにしている。これにより密閉型タンクにおいて内圧が存在した場合でも粘度、比重、および液位が測定できる。
【００１６】＜第４実施形態＞
図４を用いて説明する。タンク４‐１１内の被測定液体の液位４‐１０から本実施例の粘度測定器４‐３の底に設けられた、対象とする粘度により異なった口径に交換できる孔４‐３Ａまでの深さをｈとし、その４‐３Ａからエアーチューブ４‐２の、先端４‐２Ａまでの距離をｄとする。また、被測定液体の比重  をρとする。
まず、電磁弁４‐４をＯＮ（開放）して放置しておくと、タンク４‐１１内の被測定液体が本実施例の粘度測定器４‐３の内部に、被測定液体の液面４‐１０まで上昇し平衡している。
この状態から、まずエアーポンプ４‐６をＯＮするとエアーチューブ４‐２を通してエアーが流れ、エアーチューブ４‐２内にあった被測定液体を追出しエアーチューブ先端４‐２Ａから気泡として排出される。
この時点の圧力をＰ１とすると、Ｐ１＝ρ×ｇ×ｈ−ｄ）……………（１）  となる。
次に電磁弁４‐４をＯＦＦ（閉鎖）すると、エアーポンプ４‐６からのエアーは更に粘度測定器４‐３の中の被測定液体を押し出し、ついには粘度測定器４‐３の底の孔４‐３Ａから気泡を排出し始める。
この時の圧力Ｐ２は、
Ｐ２＝ρ×ｇ×ｈ  ………………………………（２）
となる。式（１）と（２）から、比重ρが、
ρ＝（Ｐ２−Ｐ１）／（ｇ×ｄ）………………（３）
として求められ、同時に液位ｈも求められる。
次に再び電磁弁４‐４をＯＮすると、被測定液体が孔４‐３Ａから流入を始める。
マイクロプロセサでは、該電磁弁４‐４をＯＮした時点から時間測定を開始し、エアーチューブ先端４‐２Ａに被測定液体が孔４‐３Ａから流入して上昇してくる液体が到達するまでの時間を測定する。
この測定された時間と、予め既知の粘度で求めた時間と比較して粘度を求めることが出来る。
ただし、この実施例の場合は、粘度測定器４‐３の液位からの距離ｈにより、測定された時間が変化する。
例えば、ｈが大きい時は粘度測定器４‐３の底の孔４‐３Ａにかかる圧力が大きく、被測定液体の流入速度も速くなるため、予め既知の粘度の液体で時間を求めておく時に、深さｈを変えた場合も含めたテーブルにしておくことが必要である。
図４の一連の動作を説明するため、図７に孔４‐３Ａの口径をパラメータとした場合の圧力ＶＳ時間の実測波形を示す。
図７の７‐１の位置は粘度測定器４‐３内のエアーの圧力がＰ２の場合である。
次に該電磁弁４‐４をＯＮした直後に粘度測定器４‐３内の圧力が０（大気圧）になるが、その後、被測定液体は粘度測定器４‐３内を上昇していき、エアーチューブ先端４‐２Ａに到達し、さらに上昇する。
この被測定液体がエアーチューブ先端４‐２Ａに到達した時点からエアーチューブ４‐２内の圧力が上昇を始めるが、その上昇開始時点は図７のように孔４‐３Ａの口径に依存する。
従って該電磁弁４‐４をＯＮした時点から、その圧力上昇点までの時間をマイクロプロセサ４‐８に繋がる圧力センサ４‐７で、測定すれば口径が測定でき、同様に口径を一定にすれば粘度が測定出来ることになる。
【符号の説明】
【００１７】１‐１      エアーチューブ
１‐１Ａ    エアーチューブ先端
１‐２      カップ
１‐２Ａ    交換可能なカップ底の孔
１‐３      エアーチューブ固定器
１‐３Ａ    とって
１‐４      エアー分岐器
１‐５      測定開始スイッチ
１‐６      エアーポンプ
１‐７      圧力センサ
１‐８      マイクロプロセサ制御部
１‐９      表示器
１‐１０    液面
２‐１      エアーチューブ
２‐１Ａ    エアーチューブ先端
２‐２      エアーチューブ
２‐２Ａ    交換可能なエアーチューブ先端
２‐３      エアーチューブ固定器
２‐４Ａ    電磁弁
２‐４Ｂ    電磁弁
２‐５      エアー分岐器
２‐６      エアーポンプ
２‐７      圧力センサ
２‐８      マイクロプロセサ制御部
２‐９      表示器
２‐１０    液面
２‐１１    タンク
３‐１      エアーチューブ
３‐１Ａ    エアーチューブ先端
３‐２      エアーチューブ
３‐２Ａ    交換可能なエアーチューブ先端
３‐３      容器密閉蓋
３‐４Ａ    電磁弁
３‐４Ｂ    電磁弁
３‐４Ｃ    電磁弁
３‐５      エアー分岐器
３‐６      エアーポンプ
３‐７      圧力センサ
３‐８      マイクロプロセサ制御部
３‐９      表示器
３‐１０    液面
３‐１１    タンク
３‐１２    エアーチューブ
４‐１      エアーチューブ
４‐２      エアーチューブ
４‐２Ａ    エアーチューブ先端
４‐３Ａ    交換可能なカップ底の孔
４‐３Ｂ    カップ固定器
４‐３Ｃ    カップ蓋
４‐４      電磁弁
４‐５      エアー分岐器
４‐６      エアーポンプ
４−７      圧力センサ
４‐８      マイクロプロセサ制御部
４‐９      表示器
４‐１０    液面
４‐１１    タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
2012150090.tif 000005
【図４】
2012150090.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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