JPH02247540A - 回転式粘度計 - 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］ 本発明はコーン形ロータの回転に伴って試料液の粘性に
よりロータに発生する抵抗トルクをばねで釣り合わせる
ことにより、ロータ軸が角変位するときの角変位量から
試料液粘度を測定するようにした回転式粘度計において
、通常慣用されているロータの一定回転速度における粘
度測定と、超低流動域における粘度特性測定とができる
回転式粘度計に関する。

［従来の技術］ この種の回転式粘度計としては、渦巻ばねの緩和を利用
して試料液の超低流動域粘度特性を測定するものとして
　ジャーナル　オブ　ペイントテクノロジー、３８巻、
５０２号、１９６６年１１月号（Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏ
ｆ　　Ｐａ１ｎｔ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ｖｏｌ
、３８．Ｎｏ、５０２、Ｎｏｖ、１９６６）に　ティー
・シー・パラトン（Ｔ、Ｃ，ＰＡＴＴＯＮ）による「コ
ーンプレート形粘度計のばね緩和法を応用したすり速度
範囲　０．００１から１．０ｓ−’　　のセットリング
、レベリング及びペネトレーションにおける新しい塗料
粘度測定法Ｊ　　（Ａ　　Ｎｅｗ　　Ｍｅｔｈ。

ｄ　　　ｆｏｒ　　　ｔｈｅ　　　Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ
　　　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　　　ｏｆ　　　Ｐａ１
ｎｔ　　　ｉｎＳｅｔｔｌｉｎｇ、Ｓａｇｇｉｎｇ、Ｌ
ｅｖｅｌｌｉｎｇ　　　ａｎｄ　　　Ｐｅｎｅｔｒａｔ
ｉｏｎ　　　５ｈｅａｒ　　　Ｒａｔｅ　　　Ｒａｎｇ
ｅ　　　ｏｆ　　　、００１　　　ｔｏ　　　１．０　
　　Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ　　　５ｅｃｏｎｄｓ　　　
Ｕｓｉｎｇ　　　ａ　　Ｃｏｎｅ／Ｐｌａｔｅ　　　Ｓ
ｐｒｉｎｇ　　　Ｒｅ１ａｘａｔｉｏｎ　　Ｔｅｃｈｎ
ｉｑｕｅ）と題する雑文があり、その中に開示されてい
る。この粘度計は、測定部にコーン・プレート形ロータ
を持つ汎用の回転式粘度計（ウェルズ−プルツタフィー
ルド　マイクロ　ヴイスコメータ　アール　ティー　ヴ
イー　コーンプレート形）　　（Ｗｅｌｌｓ−Ｂｒｏｏ
ｋｆｉｅｌｄ　　Ｍｉｃｒｏ　　Ｖｉｓｃｏｍｅｔｅｒ
　　ＲＴＶＣｏｎｅ　　Ｐｌａｔｅ　　Ｍｏｄｅｌ）で
あった。

この粘度計は、第３図にその動作原理を示すように減速
機付駆動モータ（１）により回転する駆動軸（２）に目
盛円板（３）が取り付けられている。駆動軸（２）の下
端（２゛）には、ばね（４）を介してロータ軸（５）が
接続され、ロータ軸（５）の下端には粘度を測定しよう
とする目的の試料液（９）をコーン形ロータ（６）とプ
レート（７）の間にサンドイッチして挟んである。一方
ロータ軸（５）には目盛円板の上方に延出する指針（８
）が取り付けられ、駆動軸（２）とロータ軸（５）の相
対的な角変位量は目盛円板（３）上の指針（８）の位置
によって読み取ることができる。すなわち、ばね（４）
のねじつばね常数とロータ（６）の寸法、ロータ回転速
度が決まれば、目盛円板（３）上の指針（８）の指度は
試料液の粘度に比例し、指針指度から粘度を求めること
ができる。

前記雑文に用いられた粘度計の動作原理の説明ではロー
タ軸（５）、ロータ（６）、指針（８）かばね（４）で
駆動軸下端（２°）と係合するものとして動作原理を示
したが、このような構造ではロータ軸（５）系が不安定
であり、実際の粘度計は第５図に示すようにロータ軸（
５ａ）はピボット（１１）、宝石軸受（１２）で軸受さ
れ、上端の振れは軸穴に貫入したビン（１３）により振
れ止めされている。その他各部は第３図の対応する各部
分から引き出した参照番号に（ａ）を付しである。ただ
し第３図のばね（４）に対応する（４ａ）には渦巻ばね
を用いである。（１７）は試料液を恒温保持するための
ジャケットであり、別に準備した恒温槽から循環水を流
すことができるさらに本粘度計では、粘度測定をすると
き指針（８ａ）、目盛円板（３ａ）とも駆動モータで回
転させられ、回転中に指針指度を読み取ることが困難で
あることから、本粘度計の標準的な操作方法として、粘
度計を回転開始してから指度が安定した後、第５図のク
ランプレバ−（１４）を指で押し下げ、（１４°）を支
点として、押上チップを押しあげて、これに係合する目
盛円板軸（１６）したがって、目盛円板（３ａ）を上方
に引き上げて、指針（８ａ）と、目盛円板（３ａ）の外
周部に刻まれたローレット溝（図示せず）を噛み合い回
転状態で目盛円板（３ａ）に対し指針（８ａ）が指度を
維持したままクランプさせる。この状態でモータを停止
すると指針（８ａ）が目盛円板（３ａ）にクランプされ
たまま停止するので容易に指針指度を読み取ることがで
きる。クランプレバ−（１４）を解放すると指針（８ａ
）と目盛円ｍ（３ａ）の噛み合いが外れ、指針（８ａ）
は解放されて目盛指度Ｏに戻る。

前記雑文は上述の粘度計を使用して渦巻ばねの緩和を利
用した超低流動域の粘度測定について報告したものであ
る。ばねの緩和による粘度測定においては、コーンとプ
レートとの間に試料液を充填する前、まだ測定部を取り
付けていない間に、粘度計の渦巻ばねがフルスケールに
なる位置（指針が目盛の１００を指す）まで手でロータ
を廻してから、指針をその位置にクランプする。渦巻ば
ねの巻き込みは、ロータ軸下端のロータをゆるやかに手
で゛まわして指針が１００目盛を指すようにする。この
位置で指針を固定、すなわち渦巻ばねを巻き込んだ状態
で固定するには、クランプレバ−を押し下げてから、レ
バーにゴムバンドを巻きつけるなどしてクランプレバ−
の押し下げを固定する。その後、実際の粘度測定を行な
うためにレバーを緩めるまで、その状態を保っておく。

次に下記の手順で粘度測定を行なう。

ストップウォッチを零にセットし、指針を１００目盛に
固定しているレバーを解放すると同時にストップウォッ
チをスタートさせる。次いで適当な時間間隔で目盛を読
み取る（例えばスタート時には１０〜１５秒毎、終りの
方では３０秒毎に読み取る）。測定時間は数分で終了す
る。読み取り値が１目盛以下になったときに測定を終る
。

このようにして得られたデータを片対数方眼紙にプロッ
トする。目盛読み取り値は対数目盛（２サイクル）に、
時間のデータは均等目盛にとって得られた曲線を第６図
に例示する。曲線上の任意の点の粘度、またその点に対
応するすり応力、ずつ速度は次のようにして求められる
。

まず、ずつ応力は、求める点から左の方に水平な直線を
引いて対数軸を切る座標値より求められる。この読み取
り値は、ずり応力りに比例し、適当な常数を乗すること
によってｄｙｎｅ／ｃｍ２で表わしたすり応力に変換で
きる。

粘度計の渦巻ばねの最大トルク（目盛指度のフルスケー
ル１００に相当）を　Ｍ　Ｉｏ　ｏとすれば、任意の指
度Ｓに対するトルクＭｓは（１）式で与えられる。

ＭＳ　＝　（Ｓ／ｌｏｏ　）　Ｍｌｏｏ　　　　　　　
　（１）第４図のコーン形ロータ部拡大図に示すごとく
、粘度計の回転しているコーンと、静止プレートの間に
充填した試料液に加わるずり応力でと、コーンに加わる
トルクＭの関係は、コーン半径をｒとすると（２）式の
関係がある。

ｔ（ＳｈｅａｒＳｔｒｅｓｓ）＝３Ｍ／２ｕｒ３（２）
（１）式を（２）式に代入すると（３）式が得られる。

ここでＬ８は目盛指度がＳであるときの試料液に作用す
るすり応力とする。

Ｔ：　、　＝３　（Ｓ／１００　）　Ｍ、ｏ。／　２ｘ
　ｒ　３（３）指針が最初に目盛指度Ｓ０の位置にあら
かじめクランプされている場合を考える。この段階では
ロータには、渦巻ばねのねじり反力がかかっているが、
クランプ機構によりロータは回転するのを抑止されてい
る。測定開始（１＝０）によりクランプを解放すると、
渦巻ばねが緩みはじめ、　ロータは回転を開始する。微
小時間ｄｔの間の指針指度の変化をｄｓとすると、時間
ｄｔの間の指針移動の微小角ｄθ（単位ｒａｄｉａｎ　
）は、（４）式で表わされる。ここで常数Ｃは粘度計目
盛板に刻まれている目盛１００に対し同じ目盛ピッチで
３６０°を分割したとしたときのフルスケール値である
。

ｄθ＝　　（ｄｓ　／Ｃ）２ｘ　　　　　　　　　（４
）任意の時間における指針の回転角速度を　ｒａｄｉａ
ｎ／５ｅｃｏｎｄ　　で表わすと、ω＝ｄθ／　ｄｔで
ある。

（４）式のｄθを、この表わし方に変換すると（５）式
が得られる。

Ｃ，ｌ　＝　ｄθ／　ｄｔ　＝　　（ｄｓ／ｄｔｌ　（
２π／　Ｃｌ　　（５）コーン・プレート粘度計では、
コーンの形状からずり速度γは、回転角速度をω、コー
ンの角度をαとすれば（６）式　で表わされる。

γ＝ω／α　　　　　　　　　　　　　（６）（５）式
のωを（６）式に代入すると（７）式が得られる。

γ＝　　（ｄｓ／ｄｔｌ’（２π／Ｃα）　　　　　　
（７）試料液粘度ηは、このずり応力と、ずつ速度の比
として定義される。すなわち粘度の基本式は（８）式で
与えられる。

ｒ）　（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）＝ｚ　（ｓｈｅａｒ　５
ｔｒｅｓｓ）／　Ｙ　（ｓｈｅａｒｒａｔｅｌ　　　　
　　　　　　　　　　（８）（７）式のγ、（３）式の
で、を（８）式　に代入して整理すると（９）式が得ら
れる。

ｄｓ／ｓ＝　（３Ｍ＋ｏｏ　Ｃａ／４π２ｒ　’　１０
０η）ｄｔ　　　　　　　　　　（９） （９）より ｄ　ｌｏｇ　Ｓ　＝　（３ＦｖＬｏｏ　Ｃａ／　４ｘ　
２ｒ３１００η）　ｄｔ ｎ”　（３Ｒ／Ｌｏｏ　Ｃ（Ｚ／４π２ｒ　’　１００
）／ｄ　ｌｏｇ　Ｓ／ｄｔ　　　　　　　　　（１０）
括弧内の数字は粘度計渦巻ばねのフルスケールトルク目
盛円板の目盛分割仕様、コーン寸法、角度により決まる
数字であるから粘度計の設計によって決り、（１１）式
に示すように簡単化することができる。ここで に＝３Ｍ＋ｏｏ　Ｃａ／４ｘ　２ｒ　’　１００・２．
３ とする。

η＝　Ｋ／ｄ　ｌｏｇ　Ｓ／ｄｔ　　　　　　　　　（
１１）（１１）式から第６図のように得られた曲線上の
任意の点における粘度は、その点に接線となる直線を引
き、この接線の傾斜を求める。粘度ηは（１１）式に与
えられるように、この傾斜ｄ　ｌｏｇ　Ｓ／ｄｔに反比
例する関係から計算により求めることができる。また、
この点におけるすり応力て、は（３）式から、また、ず
つ速度γは、（８）式の関係から求められる。第６図に
は、このようにして粘度計の諸元と測定データから求め
た各数値を例示して記入しである０以上が前記雑文の要
旨である。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明した従来技術においては、ばね緩和による超低
流動域で粘度測定を行なう場合には、粘度計の操作とし
て、あらかじめ渦巻ばねをフルスケール位置までロータ
を手で廻して、指針クランプレバ−な押し下げて、指針
をクランプした状態にしておくために、クランプレバ−
をゴムバンドなどで固定しておかな（ではならず、また
測定を開始するときには、指針クランプレバ−を指で押
し下げた状態でゴムバンドを取り除き、クランプレバ−
から指を外した時を測定開始時期の基準時間として、時
計を見ながら所要の時間間隔毎に目盛指度な読み取る必
要があった。この操作は極めて煩わしいだけでなく、時
間を見ながら、目盛読み取り、記録するためには２名の
作業者が必要であるという問題があった。

本発明はかかる従来技術の有する欠陥を除去し、自動的
に、かつ正確に超低流動域における粘度特性測定を行う
ことができる回転式粘度計を提供することを目的として
いる。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明の回転式粘度計におい
ては、ロータ軸の角変位を電気信号に変換して発信する
信号変換器を内蔵させ、粘度計駆動源としてパルスモー
ク及び駆動用パルスゼネレータを使用することを特徴と
する。

［作用］ かかる構成によって本回転式粘度計は、通常の粘度計と
しての、ロータの一定回転速度における慣用的粘度測定
を可能にすると共に、パルスモータの急速起動、急速停
止の機能と、渦巻ばねのフルスケールに相当する巻き上
げ角度になるように、あらかじめ設定した駆動パルス数
だけインデックスさせる機能を利用することによって前
述したばね緩和による粘度測定を容易に、自動的に行う
ことができる。

［実施例］ 実施例について図面を参照して説明する。第１図は本願
発明実施例の粘度計の構成要部を示す図で、パルスモー
タ（２１）によって軸継手（２５）を介して駆動軸（２
２）を回転駆動することができる。駆動軸（２２）の下
端（２２ａ）の端面に小孔（図示せず）を設け、この小
孔にロータ軸（５）の上端のビン（５ａ）が差し込まれ
ロータ軸（５）の上端が軸受される。（４ａ）は第３図
（４）に示すばねと同じものである。（２３）は駆動軸
（２２）に対するロータ軸の回転方向における角変位量
を電気信号に変換する信号変換器であって、この目的に
対してはロークリ・エンコーダあるいは回転差動トラン
スなどを利用することができる。

このように構成した粘度計は、従来の慣用的な一定回転
速度で回転させて試料液粘度を測定する第５図の構成の
粘度計と機能的には全く同じものであり、異なる点はモ
ータの回転速度を時系列パルス列駆動信号の周波数によ
って変速することができることと、ロータに加わる試料
液粘度に比例して変化するロータ軸の駆動軸に対する回
転方向の角変位量を目盛円板で読み取るのでなく、電圧
あるいは電気パルス列信号として発信することができる
点である６ 次に第２図について本粘度計を用いてばね緩和により超
低流動域における粘度測定を説明する。

（３１）は粘度計の本体を示す。パルスモータ駆動回路
（３２）および駆動信号を発信するためのパルスゼネレ
ータ（３３）はパルスモータを駆動する。また角変位量
の電気信号変換器として、例えば回転差動トランスを使
用するとすれば出力信号電圧を記録するチャートレコー
ダ（３５）を接続する。ロークリ・エンコーダを変換器
として使用する場合は、変換器出力をパルスカウンタ（
インクリメンタルエンコーダの場合）（３６）あるいは
デコーダ（アブソリ上−トエンコーダの場合）（３６）
で受信し、出力値をプリンタ（３７）に印字記録させる
方法など適宜な記録方法を採用することができる。

このように構成した測定系において、第２図のモータ駆
動用パルスゼネレータ（３３）の出力（３４）をパルス
モータのステップ角度θ。とフルスケール角度Ａから計
算したパルス数Ｎ　（＝Ａ／θ０）と、本粘度計の回転
仕様の最高回転速度に相当する発信周波数を設定してお
く。次に通常の回転式粘度計の取り扱い手順に準じてコ
ーンとプレートの間にテストすべき試料液を所要量充填
して粘度計にセットし、恒温槽（３８）から恒温循環水
を流して液温を所望の温度に恒温保持する。

以上の測定準備が完了したのち測定を開始する。

パルスゼネレータに駆動指令（押釦スイッチなどによる
）を与えることにより、設定された周波数でＮパルスが
発信される。この発信信号によってパルスモータは急激
に最高速で回転を立ち上げ渦巻ばねのフルスケール角度
で瞬時停止する。一方ロータは試料液による粘性トルク
と、慣性によって殆ど停止した侭の状態を保持するので
渦巻ばねはフルスケール角度に巻き上げられ、モータの
停止に伴って渦巻ばねの緩和トルクに駆動されてロータ
は回転開始する。ロータ回転に伴う経時的な角変位量は
信号変換器から発信され、上述のレコーダ、あるいはプ
リンタに記録される。プリンタ記録はプリンタ記録打ち
出しのデータサンプリング時期を適切に決めておけば、
測定開始から任意の時間間隔でデータ採取ができる。ま
たチャートレコーダ記録の場合もチャート速度を適切に
選べば任意の時間間隔のデータをチャート上から読み取
ることができる。

［発明の効果コ 本発明は以上説明したように構成されているので以下の
ごとく操作が自動化され、測定は容易、正確かつ廉価に
行なえるという効果が得られる。

１、　ばね緩和による超低流動域の粘度測定が、ロータ
の手まわしによる渦巻ばねの巻き上げ、ゴムバンド等に
よるクランプ保持操作など面倒な操作は自動化され不要
である。

２、指針指度の読み取りが任意時間間隔で、正確に自動
的に行なえる。

３、従来の方法では、データ読み取りと記録のために作
業者２名を要したが、本願発明の粘度計では１名で済む
ばかりでなく、殆ど測定準備作業が主業務で、データ採
取はスタート押釦を押すのみでよく、操作性が極、めで
よい。

４、粘度計取り扱いの非熟練者でも容易に操作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本願発明の粘度計本体の縦断面図第２図・
・・本願発明の粘度計の測定実施の場合の機器構成を示
す系統図 第３図・・・コーン・プレート形回転式粘度計の動作原
理図 第４図・・・コーン・プレート部分の拡大図第５図・・
・従来のコーン・プレート形回転式粘度計の縦断面図 第６図・・・ばね緩和による超低流動域粘度測定のデー
タ例を示すグラフ ２　ｌ　・ ２３　・ ３・３　・ ４ａ　・ ６　・　・ ７　・　・ ９　・　・ ・パルスモータ ・信号変換器 ・パルスゼネレータ ・渦巻ばね コーン形ロータ プレート 試料液

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロータの回転に伴って試料液の粘性によりロータに発生
   する抵抗トルクを渦巻ばねで釣り合わせることによりロ
   ータ軸が駆動軸に対して角変位するときの角変位量から
   試料液粘度特性を測定するようにした回転式粘度計にお
   いて、角変位量を電気信号に変換する信号変換器を内蔵
   すると共に、駆動用モータとしてパルスモータ及びパル
   スゼネレータを有し、もって通常の慣用されているロー
   タの多段の一定回転速度における粘度測定と、パルスモ
   ータによる渦巻ばねの急速巻き上げ、急速停止の後渦巻
   ばねの緩和によるロータの自由回転によって超低流動域
   における試料液粘度特性の測定ができることを特徴とす
   る回転式粘度計。