非接触型レオロジー物性計測装置
システム、プログラムおよび方法
北海道大学大学院工学研究院
機械・宇宙航空工学部門
准教授 田坂 裕司
令和２年１１月１９日

開発の背景2/22

化学的・生理学的機能性

材料の機能性・化学反応の進展
力学的機能性 非ニュートン粘性 粘弾性（レオロジー物性） 材料の成分 微細構造変化
 化学的変化嚥下障害と食べやすさの評価
加工・生産・調理の品質評価

自然素材の成分ばらつき
底なし沼とダイラタンシー
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan管内流体物性の評価

3/22

管内を流れる流体の物性・製品の品質評価
・反応度合いの確認
・生産ラインの最適化
・原材料の成分評価
流体の取り出し＆ 試験
トルク式レオメータ試験(Anton Paar GmbH)

流動時と状態が異なる問題（経時・環境変化）
レオメータ自体の問題
インラインレオメータ試験（内閣府資料）

Society5.0
それに必要なセンサー情報

物性値の実時間計測により，生産ラインの状態把握が可能となる。
IoTに関連して生産現場の高度情報化が可能。
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan超音波応用技術
超音波エコグラフィ

4/22

ドップラー効果- 非破壊検査 超音波探傷

♪

𝒗𝒗

医療検査

フルーツの内部構造可視化

𝒗𝒗 ∝ 𝒇𝒇𝑫𝑫

Yoshida et al. (2018)
Doppler info.

Echo intensity

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

超音波流速分布計 (UVP)u(ξ, t)5/22

ドップラー信号より計測線上の速度分布を取得
不透明流体・不透明流路への適用
瞬時速度分布計測
リアルタイム・長時間計測
応用例：
高精度流量計（発電所）
食品の流動評価
液体金属の計測

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, JapanUVPを利用したレオメトリ

6/22【流れの通常の決定プロセス】
レオロジー物性（粘性・粘弾性など）

流れの式＋振動条件（振幅 f ・周波数 Θ）【UVPレオメトリの逆解析プロセス】
物性の推定
流れの式とレオロジーモデルによる逆解析

f,Θ
円筒内を試験液体で満たす。
理想的な流れの形成＋速度分布計測『固形物など混ざり物のある液体も計測可能』

Yoshida et al. J. Rheol. (2017); Yoshida et al. Phys. Fluids (2019)

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan超音波インラインレオメータ
インラインレオメータ

2R
材料の成分

レオロジー物性

Δp

7/22

ru(r)

UVP

管内速度分布

速度分布計測から流動物性，さらには材料の成分を推定することができる．

UVP + PD (pressure difference) 法(Incipientus Ultrasound Flow Technologies AB)

製品化済み

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, JapanUVP + PD 法の原理と問題点

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超音波センサ
圧力センサ

e.g. 指数則モデル

圧力センサu(r) （UVP計測より）実験値を再現する最適な(n, K)

開発目的
衛生面などの問題から，圧力差計測を必要としない，完全非侵襲型のインラインレオメトリを構築したい。
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan非侵襲インラインレオメトリ
管内流れの非定常運動方程式

レオロジーモデル

2R

Δpu(r1)
u(rn)

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ru(rN)
方程式の数 ≥ 未知数の数
N (large) << Π1, Π2, Π3, · · · , α(t); 未知数の方が多い

フーリエ変換と周波数の抽出 ω = ω0

『一つの周波数成分のみ扱う』
ˆ : フーリエ変換

方程式の数 ≥ 未知数の数
N (large) >> Π1, Π2, Π3, · · · , ℜ[�𝜶𝜶(ω0)], ℑ[�𝜶𝜶(ω0)]; 十分少ない

粘度計への応用 (ニュートン流体)

未知数３: ν, ℜ[�𝜶𝜶(ω0)], ℑ[�𝜶𝜶(ω0)]

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan数値実験による検証
円管内振動流れのモデル式

定常流れ振動流れモデル式から数値化した速度変動データ【検証項目】
計測限界について離散データの影響
計測ノイズの影響実用化のために必要
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計測限界の検証𝜼𝜼 = 𝝂𝝂𝐞𝐞𝐞𝐞𝐞𝐞 /𝝂𝝂𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬

11/22

𝝀𝝀 = |�𝒂𝒂𝐞𝐞𝐞𝐞𝐞𝐞|/|�𝒂𝒂𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬𝐬|

ρ = 1000 kg/m3 U1 = 0.1 m/s Noise: 5.0 φ = π/4 rad
周波数の影響ν = 100 mm2/s

粘度の影響
f0 = 1.0 Hz

λ [-]

1.0

λ [-]

1.0

η [-]

0.5

η [-]

0.5

0.0 110102
ν [mm2/s]

1030.010−2

10−1f0 [Hz]100

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japanインラインレメータの計測限界

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管壁近傍の「粘性層厚さ」の影響
𝜹𝜹𝒗𝒗𝒗𝒗𝒗𝒗 ≫ R（粘性の情報を持つ領域)
𝜹𝜹𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯 ~ 𝝂𝝂/𝝎𝝎
f0 = 1.0 Hz, ν = 100 mm2/s; 𝜹𝜹𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯 = O(R)

管径： 2R = 20~50mm
UVPの性能から，分解能： ΔR ~ 1mm
周波数：f0 = 0.1-10Hz

𝜹𝜹𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯

方法論の計測可能範囲
ΔR < 𝜹𝜹𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯𝐯 ≲ O(R)

実際の状況では

10 cSt ≲ ν ≲ O(103 cSt)

（水の10倍から1000倍程度）

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan実証試験

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検証用ループ装置
２インチステンレス管

サニタリーポンプ（振動制御可能）ジャケットタンク（温度制御可能）

UVPにより計測された管内振動流れの速度分布 u(r, t)
10cStシリコーンオイル

50Co-reflection（ニュートン流体）
50uξ [mm/s]

ξ [mm]

40302010005t [s]100
Near field＋トレーサ粒子
0.1Hzの振動

特別な治具無く速度分布計測を実現

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実現性について

10cStのシリコーンオイルで粘度計測が可能であることを実証
速度分布の解析解を基にしたアルゴリズムの数値実験：
耐ノイズ性，計測可能な粘度の範囲を検証
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非ニュートン流体への適用

15/22

壁

管径48mm

壁（素子側）

管径22mm

せん断応力 τ [Pa]102101100

管径48mm10−1
10−1CMC溶液（ずり減粘度）100

管径22mm101. −1102

ひずみ速度 γ [s ]Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan過渡的温度変化を伴う計測
タンク

小大PDF

温度[℃]

3530252015100.416/22

流速
計測
熱電対

粘度[Pa⋅s]3m

脈動周波数：1 Hz
最大流量： 2.9 m3/h
最小流量： 0.6 m3/h
管内径： 46 mm
粘性層：𝛿𝛿vis ~ 7 mm

圧力 [Pa]ポンプ

25℃ におけるカタログ粘度(0.29 Pas)

0.35
0.3
0.250.2
530
520
510
500
490
4800

2000

4000

t [s]

6000

8000

Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan10000インラインレオメータの優位点

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材料・製品の状態把握

力学的機能性評価 粘度（水の10倍から1000倍程度）
 非ニュートン粘性（制限あり）
 粘弾性（検証の必要性あり）

 材料の成分 微細構造変化
 化学的変化

完全非侵襲での計測
衛生問題への対応・過酷環境下での使用
混合体・混相体の計測可能食品から泥状鉱物資源まで幅広い対象
経時変化への対応（10秒程度の時間分解能）
反応の進展・原材料の状態をキャプチャ
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan知財・グラント・今後の展開

18/22「非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法」
特願2019－056493（出願日：2019年3月25日）田坂裕司，芳田泰基，村井祐一（以上発明者），国立大学法人北海道大学（以上出願人）「スマートファクトリー化を推進するインサイト非侵襲管内物性診断装置の開発」(2019/9/17-2021/3/31)『専用インライン品質管理システム』の可能性
生産過程で食感・食べやすさ評価『食べやすさ』の規格化へ
生産物の瞬時物性・状態把握
生産と開発の両立・生産のIoT化
AIとの高い親和性により生産システムの高度情報化に貢献

北海道発の高度食品生産管理技術・化学プラントなどへの応用展開
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想定される実用例

19/22「スマートファクトリー化を推進するインサイト非侵襲管内物性診断装置の開発」(2019/9/17-2021/3/31)【化学工業・素材】
高分子溶液のずり減粘度計測【食品】
乳製品の品質制御
食べやすさの指標

生産を管理する有能な「目」

AIを統合した新たなシステムの構築【エネルギー・資源】
各種パイプラインの健全性評価
海底資源採取時の組成診断

IoTによる生産の最適化・無人化【生体医工学】
血流の流動性評価
人工唾液の性能評価
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

実用化に向けた課題

20/22『専用ハードウェアの開発』

超音波計測は市販品に頼っており，現場に持ち込むためには専用機器の開発が必要。

『適用可能性を検討するコンソーシアム』
北大試験ループのオープンファシリティ化
情報・材料持ち込みによる適用可能性検証
どこまで使えるかは未知数。

情報の蓄積による方法論の最適化

ハードとソフトの並列開発による実用化へのアプローチ
Laboratory for Flow Control – Hokkaido University, Japan

企業の皆様へ• インラインレオメータのプロトタイプ開発を共同で行っていただく技術面での参画を希望します．
• 試料や工場の情報を持ち込み，北大試験ループでの検証実験の実施を歓迎いたします．
• インラインレオメータの技術をベースにした，応用開発に関する共同研究のご提案を歓迎します．
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お問い合わせ先
国立大学法人北海道大学
産学・地域協働推進機構
産学連携推進本部
産学協働マネージャー 岩村 相哲
ＴＥＬ 011-706-9559
ＦＡＸ 011-706-9550
e-mail s-iwamura＠mcip.hokudai.ac.jp

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