JPS62185146A - 流体の状態の計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は流動する流体（気体、液体、固体あるいはこれ
らの２種類以上によって構成される全ての流体、経時的
に相変化が生ずる流体）の流れの状態をインラインで総
合的に（粘性、流れの速度、流れの方向分布、組成、構
造等の変化）計測できる流体の状態の計測方法に関する
ものである。

（従来技術） 粘度や流速等の直接計測は、流体に係る様々な工業分野
において工程管理上極めて重要であり、特に工程の自動
化に際しては不可欠の前提条件である。

しかし、流体の状態のうち最も重要な特性値のひとつで
ある粘性に関しては、一定容量の液体が短管中を流下す
るのに要する時間の長さや、細管中を一定速度で通過す
る際に観測される、細管の流入口と流出口との圧力差を
計測して粘度変化を相対的に検出する方法等が一部実用
化されているだけで、流体に係る一般の工程管理に広（
応用普及するには至らなかった。

なぜならば、流体中に含有されるゴミ等の固形物による
細管の閉塞や、高粘性液体のチクソロドビーに係る挙動
のため、これらの方法が応用できる流体が、ゴミなどを
含有しない低粘度の液体のみに限定されていたからであ
る。

ところが、実際の工程では上記のような清浄な低粘度液
体はむしろ例外的な流体であり、高粘度のスラリ、攪拌
等によって粘度が急激に低下する印刷インクや食品ゲル
類、あるいは小量の気泡を含有する液体、気泡径が継時
的に変化する泡沫、気体中に水滴が浮遊する系、液体中
に油滴等のコロイドや、金属片等の微小固形分が分散す
る系等々、実に多種多様の流体が存在する。

そのため、実際の工程中で工程管理等を目的として流体
の粘度、もしくは粘度に係る総合的流動特性値を工業的
に直接計測することは従来、事実上困難であ・った。

このような現状に対して、最近粘度計測の新しい方法と
して、従来の力学的方法とは原理的に異なる計測方法が
提案された。

すなわち、乳の凝固工程において、乳中に金属細線を装
入し、該金属細線に電流を断続的もしくは連続的に通電
しながら金属細線の温度を経時的に測定することにより
、乳の凝固状態を判定する方法、つまり通電加熱された
金属線の温度上昇から乳凝固を検出する方法が特開昭５
９−２１７１６２号として提案されており、又液体物質
もしくは半固体状物質中に金属細線を装入し、該金属細
線に各物質の温度と金属細線の温度との差が一定値を保
つように連続的もしくは断続的に電流を通じ°ζその際
の電流値を測定し、該電流測定値に基づいて上記金属細
線の表面における熱伝達率を算出することによって液体
物質もしくは半固体状物質の物性変化を測定する方法（
特開昭６０−１５２９４３号）、つまり金属線の通電所
要量から流体の物性値を算出する方法である。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、以上のような従来の方法は何れも静止もしくは
実質的に静止した液体で、かつその組成及び相が変化し
ない特定の流体の粘度計測に関するものであり、前述の
各種流体から成る一ａの工程管理に広く応用することは
困難である。

さらに実際の工程管理に応用するためには、多くの場合
、粘性という特定の物性値だけを正確に計測するよりは
、むしろ物性値そのものではなくとも、すなわち学術的
意義は多少薄れても粘性や流速、速度分布、組成変化、
相変化等の流体の状態変化全体を総合的に反映する量の
方がより適当であるが、従来の方法ではこの測定が困難
である。

（問題点を解決するための手段） したがって本発明の技術的課題は、流体の状態全体を工
程管理に応用するという観点から眺めて、最も良好に反
映し、かつインラインで連続計測できる流体の状態の総
合的かつ直接的な計測方法を提供することを目的とする
ものである。

この技術的課題を解決する本発明の技術的手段は、静止
もしくは流動し、かつ組成、相及び温度が経時的に一定
もしくは変動する流体と熱的な接触を有し、かつ加熱も
しくは冷却によって該流体と実質的に異なる温度を有す
る、単一もしくは長軸方向の異なる複数個の感知素子の
温度、前記流体の温度及び感知素子と流体との温度差を
断続的もしくは連続的に計測及び比較して流体の状態を
判定することを特徴とすることを第一の方法とするもの
である。

又、前記第一の方法と同じように、感知素子の温度、流
体の温度、及び感知素子と流体との温度差を断続的もし
くは連続的に計測すると共に、感知素子の温度及び流体
の温度の計測に先立ち、もしくは計測中に該流体め熱伝
動率、体積膨脹率、感知素子の主たる構成要素が任意の
形状からなる金属細線の場合の該金属細線の０℃におけ
る電気抵抗及び電気抵抗の温度係数及び通電加熱電流の
うちの１つ以上を計測し、これらの計測値及び感知素子
と流体の温度を用いて実験式に基づく特性値を算出して
流体の状態を総合的に判断することを第二の方法とする
ものである。

（発明の効果） この技術的手段によれば、静止もしくは流動し、かつ温
度が経時的に一定もしくは変動する流体の流れの総合的
な状態、すなわち粘性、流゛れの大きさや方向、相、固
形物や気体の含有量等の継時的変化が、該流体と実質的
に異なる温度に加熱もしくは冷却された感知素子を熱的
に接触させながら該流体の温度、感知素子の温度及びこ
れらの温度の差を計測、比較することによって、あるい
はこれらの計測と同時に流体の熱伝導率、体積膨脹率等
を補足計測することによって流体の状態を総合的に判定
できる。

（実施例） 以下、本発明の方法について詳細に述べる。

静止、もしく４ま流動する流体中に抵抗温度計等の従来
の測温センサーを固定して、該流体の温度（θｏｏ）を
計測し、同時に同じ流体中に浸漬固定する等の方法によ
って流体の温度より実質的に高く加熱、もしくは冷却さ
れた境界面を有する単一もしくは長軸方向の異なる複数
の感知素子（例えば発熱体を埋め込んだセラミックス棒
、白金線のパターンを焼付けたセラミックス板、白金線
のコイルを耐熱樹脂に埋め込んでその周囲をステンレス
で覆ったもの、あるいはペルチェ効果を利用した吸熱素
子で構成される棒状もしくは板状のもの）を、該流体と
熱的に接触させながら、該感知素子の温度 （θ−４．ｉ＝ｌ〜ｎｕｎは感知素子の数）を計測し、
さらに該流体と前記感知素子の温度差の絶体値 （Δθ−１＝ｌθｗｉ−θｏｏ１．ｉ　＝１−ｎ）を算
出し、これら各温度θ。、θｗｉ、Δθｗｉを継時的に
計測、比較すること等によって流体の状態を総合的に判
定する。

ここで、Δθ−ｉは特に有用な特性４１αである。

すなわち、Δθｗｉは流体の動粘性率（ν）と正の相関
が第１図に示す如くあり、−力流体の流れの速さくμ）
と負の相関が第２図に示す如くある。

又、長軸方向が互いに直交する３本の、例えば金属線を
用いた場合（ｎ＝３）流れの速さだけでな（、その方向
分布（μＸ、μｙ、μ２）の大きさも第３図の如く検出
できる。

第３図において、ａは流れなし、ｂはＸ方向流れあり、
Ｃはｘｙ方向流れあり、ｄは２方向の流れありをそれぞ
れ示している。

そして、流体中に熱伝導率の異なる物質、例えば金属コ
ロイドや微小気泡が分散すると、流体全体としての見掛
の粘性変化は小さくてもΔθ−１値は第４図に示す如く
相対的に大きな変化を示す。

又、Δθ−１値は動粘性率（ν＝η／ρ；η＝粘性率、
ρ＝密度）を反映しているため、流体が気体であれば大
きな値を示し、液体であればρが相対的に大きいためΔ
θｗｉ値は相対的に小さな値となり、気体と液体が共存
している系では第５図に示す如く両者の中間の値を示す
。

第５図中、ａは液体、ｂは気体、Ｃは液体、ｄは気体＋
液体の場合を示す。

さらに、時定数の小さなΔθ−１の継時的変動は、一般
の工程の流体にごく背進に観察される乱流に近い小さな
流れの発生を表している。第６図におけるΔθ賀対時間
曲線の波線は乱れた流体の発生をあられしている。

もし、流体温度θ。が任意で、かつ乱流を示す６６ｗ１
値の変動も観測されない状態でΔθｗｉ値が上昇すれば
粘性率η値の増加、例えば液体のゲル化が第７図の時間
対Δθ讐凸曲線読み取れる。図中のａはゲル化開始地点
を示す。

又、固形物の混入、低沸点成分の蒸発、気泡の発生、成
長、液体の結晶化等流体の組成及び相が継時的に変化す
る系では、前述の流体と発熱体の温度（θ。、θＷ）及
びこれらの値の差（ＩθＷ−θｏｏｌ）以外に流体の熱
伝導率（λ）、体積膨脹率（β）、発熱体が金属細線を
主とした構成要素とする場合においては該金属細線のＱ
　’ｃにおける電気抵抗（Ｒｏ）及び電気抵抗の温度計
数（αＷ）、さらに金属線の加熱電流も変化する系にお
いては該電流値（ｉ）を計測し、以上の諸計測値θ。、
θＷ、１θＷ−θ。０１、λ、β、ＲＯ％α−１ｉのひ
とつ以上で定義される特性値、例えば １θＷ−θ。ｏｌ／　（１＋αＷθ會）等を用いて流体
の温度の影響を考慮した上で、流体の総合的特性値を求
めることができる。

なお、熱伝動率の計測方法は多種多様にあるが、流体の
熱伝動率の測定は、非定常細線加熱法を用いて測定する
のが好ましい。

非定常加熱法というのは、流体の温度の計測法と同じで
あって、金属線を１本流体中に固定して電流を流すので
あるが、通常の流体の温度測定の方は、電流を流し放し
であるのに対し、熱伝動率の方は、電流を流した直後の
１秒、２秒における金属線の温度変化をみて測る方法で
ある。

又、流動する流体において、流体の全部もしくは一部を
連続的もしくは断続的に静止させることがある。例えば
、粘度の変化を知りたい場合において、粘度の変化を上
まわって流れの変化が大きいと流れの変化と粘土の変化
とを分けて検出できないので、流れの影響をとめなれば
ならない。かくすることにより、粘度の微小の変化を知
ることができる。

そして、工程中においては完全に流れを止めることがで
きないので、バイパスを通して流れを一時的に止めて測
定することになる。

以下、実験例によってより具体的述べる。

実験例１ １５耐容積のチーズカード製造タンクに用いる感知素子
は第８図にみられる如く、電気的絶縁体であるテフロン
（２）で被覆したステンレス棒（１）の周囲に金属細線
として白金線（３）を巻きつけ、更に白金線を巻いたス
テンレス棒（１）をテフロン（４）で被覆したものを用
いた。

そして感知素子のＱ　’Ｃにおける抵抗約３Ω、長さ５
ｃｍ、加熱電流０．４Ａとして両端の電位差Ｖを計測し
、その温度θ−を関係式 θ−＝　（Ｒ／Ｒｏ　−１）　／αＷを用いて、又、同
タンク内の流体（空気、水蒸気、乳、凝固乳、ホエー、
温水、洗浄液）の温度θ。を白金測温抵抗体を用いてそ
れぞれ第１０図に示した計測装置系によって連続計測し
た。

第１０図において（５）はタンク、（６）は電流源、（
７）は電圧測定装置、（８）は制御装置を示す。

ここで、Ｒ＝電気抵抗、αＷ＝電気抵抗の温度係数を示
す。

まず、タンク内が空の場合、流体温度θ。

は室温に近（相対的に低い値を示しているが、八〇−は
空気の動粘性率（ν）値を反映して第９図ａの如く大き
な値を示したが、殺菌のためタンク内に熱湯が散布され
ると第９図の如く感知素子の温度θＷは熱湯の温度のた
め上界するが、熱湯と感知素子の温度差 Δθ−は熱湯の動粘性率（ν）値を反映して急激に小さ
くなり、又、散布に伴う乱流状態を示す。

殺菌が終了してもタンク内が空になると、熱湯の温度θ
。は降下し、温度差ΔθＷは再び上昇し、配孔完了に伴
うΔθ−の第９図ｄに示す急激な降下までその状態が第
９図Ｃの如く続く。

第９図のｄ−ｆ迄の凝固工程ではｄ　ｗ　ｅの酵素反応
の後、凝固に伴う粘性率η値の上昇（ゲル化、ここでθ
。＝一定）、凝固乳の切断に伴う流れに起因する温度差
ΔθＷの降下が第９図ｆの如く観測され、ホエーの一部
のタンク外排出に伴い、タンク内の液面が下がると温度
差Δθ御が第９図ｇの如く急上昇する。

さらに、第９図りの如（温湯散布に引続く激しい攪拌（
第９図ｉ）を経て、タンク内は空になり（第９図ｊ）、
水押しく第９図ｋ）の後、次の凝固工程に移り（第９図
１）、最後に加熱したアルカリ及び酸洗浄液を用いる洗
浄処理（第９図ｍ）を経て一連のカードメーキング工程
を完了する。

以上のように、本発明の方法を用いればタンク内に蓄け
る様々な流体の状態変化がθ。、θ−１ΔθＷ値から総
合的に計測できた。

実験例２ 未使用の鉱物油及び１１００ｐｐの金属片（直径約１μ
ｍ）を分散させた鉱物油の中に長さ１００１ｍ、直径０
．１鰭の白金線（Ｒｏ　＝　１．３１８６Ω）を垂直に
固定し、試料油を４５℃から約１℃／ｈｒの速さで冷却
しながら、該白金線の電流が０．７Ａの通電加熱時の温
度θ−を計測して（θ−−θｏＯ）／（１＋α譬θ−）
対　鉱物油の温度θ。の関係を求めたところ、鉱物油の
温度θ。降下に伴う動粘性率（ν）値の増加あるいは金
属片分散及び低沸点成分の蒸発に伴う流体の粘度に係る
総合的特性値の変化が第１１図の如（顕著に観測された
。

【図面の簡単な説明】

第１図は流体と感知素子の温度差（ΔθＷ）と流体の動
粘性率（ν）と時間との関係を示す第２図は流体と感知
素子の温度差（ΔθＷ）と流体の流れの速さくμ）と時
間との関係を示す図 第３図は感知素子として長軸方向が互いに直交する３本
の金属線を用いた場合の流体の方向分布図 第４図は流体中に熱伝導率の異なる物質のある場合の流
体と感知素子の温度差（Δθ−）と金属片の量と時間と
の関係を示す同 第５図は気体、液体及び気体と液体の共存している時の
温度差Δθ讐と気体、又は液体の温度と時間との関係を
示す図 第６図は時定数の小さなΔθ−１の継時的変動における
温度差Δθ−と感知素子と時間との関係を示す図 第７図は温度差と流体の温度と時間との関係を示す図 第８図は感知素子の説明図 第９図はチーズカード製造における流体の温度（θｏｏ
）、感知素子の温度（θ鍔）、温度差（Δθ−）と時間
との関係を示す画 筆１０図は計測装置系を示す説明図 第１１図は金属片分散油と未使用油の θ賀−θｏｏ／（１＋α−θ賀）とθ。との関係を示す
図である。 （１）・・・・ステンレス棒 （２）・・・・テフロン （３）・・・・白金線 （４）・・・・テフロン （５）・・・・タンク （６）・・・・電流源 （７）・・・・電圧測定装置 （８）・・・・制御装置 第１図 時　　間 時　　間 第２図 時　　間 時　　間 第４図 時　　　間 時　　　間 第５図 時　　　　間 時　　　　間 第６図 時　　　間 時　　　間 第７図 時　　　間 時　　　間 第８図 第１０図 第１１図 θ。 手続有ｔＴ正書く自発） 昭和６１年４月２１日 昭和６１年特許願第２８２８０号 ２、発明の名称 流体の状態の計測方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　札幌市東区苗穂町６丁目１番１号名称（６６９）
雪印乳業株式会社 取締役社長　山　本　店　− ４、代理人　〒１０２ ５、補正命令の日付　　自　発 ６、補正により増加する発明の詳細な説明細書第２頁第
１１行目、第７頁第１５行目、第１２頁第９行目、同頁
第１０行目、同頁第１６行目「熱伝動率」とあるを「熱
伝導率」と補正する。 補正された特許請求の範囲 （１）静止もしくは流動し、かつ組成、相及び温度が経
時的に一定もしくは変動する流体と熱的な接触を有し、
かつ加熱もしくは冷却によって該流体と実質的に異なる
温度を有する、単一もしくは長軸方向の異なる複数個の
感知素子の温度、前記流体の温度及び感知素子と流体と
の温度差を断続的もしくは連続的に計測及び比較して流
体の状態を判定することを特徴とする流体の状態の計測
方法。 （２）流動する法律において、該流体の全部もしくは一
部を連続的もしくは断続的に静止させる特許請求の範囲
第１項記載の流体の状態の計測方法。 （３）流体が気体、液体、固体もしくはこれらの２種類
以上で構成される物質である特許請求の範囲第１項又は
第２項記載の流体の状態の計測方法。 （４）静止もしくは流動し、かつ組成、相及び温度が経
時的に一定もしくは変動する流体と熱的な接触を有し、
かつ加熱もしくは冷却によって該流体と実質的に異なる
温度を有する、単一もしくは長軸方向の異なる複数個の
感知素子の温度、前記流体の温度及び感知素子と流体と
の温度差を断続的もしくは連続的に計測すると共に、感
知素子の温度及び流体の温度の計測に先立ち、もしくは
計測中に該流体のＷ、体積膨脹率、感知素子の主たる 構成要件が任意の形状からなる金属細線の場合の該金属
細線の０℃における電気抵抗及び電気抵抗の温度係数及
び通電加熱電流のうちの１つ以上を計測し、これらの計
測値及び感知素子と流体の温度を用いて実験式に基づく
特性値を算出して流体の状態を総合的に判断する流体の
状態の計測方法。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）静止もしくは流動し、かつ組成、相及び温度が経
   時的に一定もしくは変動する流体と熱的な接触を有し、
   かつ加熱もしくは冷却によって該流体と実質的に異なる
   温度を有する、単一もしくは長軸方向の異なる複数個の
   感知素子の温度、前記流体の温度及び感知素子と流体と
   の温度差を断続的もしくは連続的に計測及び比較して流
   体の状態を判定することを特徴とする流体の状態の計測
   方法。
2. （２）流動する流体において、該流体の全部もしくは一
   部を連続的もしくは断続的に静止させる特許請求の範囲
   第１項記載の流体の状態の計測方法。
3. （３）流体が気体、液体、固体もしくはこれらの２種類
   以上で構成される物質である特許請求の範囲第１項又は
   第２項記載の流体の状態の計測方法。
4. （４）静止もしくは流動し、かつ組成、相及び温度が経
   時的に一定もしくは変動する流体と熱的な接触を有し、
   かつ加熱もしくは冷却によって該流体と実質的に異なる
   温度を有する、単一もしくは長軸方向の異なる複数個の
   感知素子の温度、前記流体の温度及び感知素子と流体と
   の温度差を断続的もしくは連続的に計測すると共に、感
   知素子の温度及び流体の温度の計測に先立ち、もしくは
   計測中に該流体の熱伝動率、体積膨脹率、感知素子の主
   たる構成要件が任意の形状からなる金属細線の場合の該
   金属細線の０℃における電気抵抗及び電気抵抗の温度係
   数及び通電加熱電流のうちの１つ以上を計測し、これら
   の計測値及び感知素子と流体の温度を用いて実験式に基
   づく特性値を算出して流体の状態を総合的に判断する流
   体の状態の計測方法。