JPH0344535A - デジタル表示付き回転式粘度計 - 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］ 本発明は試料液と接触して回転駆動せしめる円筒あるい
はコーン形のロータに試料液の粘性によって発生する抵
抗トルクを、ロータ軸と駆動軸の間に介装した渦巻ばね
の角変位または板ばねの歪から試料液の粘度を電気信号
に変換して測定するようにしたデジタル表示付き回転式
粘度計に関する。

［従来の技術］ 従来この種の粘度計として、試料液の粘性によって発生
する抵抗トルクを渦巻ばねで釣合わせ、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粘度測定する
方式の粘度計を引例して以下に従来技術を説明する。

この方式の粘度計では、その測定の動作原理（定ずり速
度方式）は第２図に示すように、駆動モータ（例えばシ
ンクロナスモータ）（１）の回転駆動軸（２）に目盛板
（３）を取付け、該駆動軸（２）の下端（２°）にばね
（４）を介してロータ軸（５）を接続すると共に、該ロ
ータ軸（５）の下端には粘度を測定しようとする試料液
（６）中に浸漬するロータ（７）が取付けられている。

一方、前記ロータ軸（５）には、目盛板（３）の上方に
延出する指針（８）が取付けられ、駆動軸（２）とロー
タ軸（５）の相対的な角変位量を目盛板（３）上の指針
（８）の位置によって読取ることができる。

このような構成により、前記ロータ（７）の回転に伴い
、試料液の粘性によってロータ（７）に発生するトルク
を、渦巻ばね（４）の弾性力で釣合うようにロータ軸（
５）が、駆動軸（２）に対して角変位するときの角変位
量から、前記試料液（６）の粘度が測定できる。すなわ
ち、渦巻ばね（４）のねじつばね常数、ロータ（７）の
寸法、および、その回転数がきまれば、目盛板〔３）上
の指針（８）の指度は前記試料液（６）の粘度に比例し
、指針（８）の指度により試料液粘度を求めることがで
きる。

なお、第２図はロータとして単一円筒を用いた場合の測
定原理を示したが、ロータとしてコーン・プレートの組
合わせによる、いわゆるコーン・プレート方式の場合の
測定原理は第３図に示すようにロータ（７）の代わりに
コーン（７°）がロータ軸（５）に取り付けられ、静止
しているプレート（９）との間に試料液（１０）が充填
される、第３図では、その他の部材は、第２図と同一部
材に対応させて同一の符号をつけて示しである。

また、第４図はコーン（７°）と、プレート（９）周辺
の拡大図である。

このような測定原理に基ずく粘度計には各種製品があり
、また、最近では、駆動軸（２）とロータ軸（５）との
相対的角変位量を目盛板（３）と指針（８）から目視で
読み取るのではなく、この変位角を機構内に組み込んだ
信号変換器で電気信号に変換して発信できるものも市販
されている。

この信号変換器の目的には、ロータリ・エンコーダ、あ
るいは、回転差動トランスなどが利用されている。

第５図は、このような信号変換器を内蔵した粘度計の１
例を示す構造図で（１）は変速機構付きのモータ、（２
）は回転駆動軸で、モータ出力軸（ｌａ）と軸継手（２
ａ）を介して係合して回転する。（５）はロータ軸で軸
の上部に渦巻ばね（４）が取り付けられ、渦巻ばね（４
）は、ばね中央がロータ軸（５）に固定、ばね外側の巻
端が駆動軸（２）から下方に延出する腕（１２）に固定
される。したがって駆動軸（２）の回転により、腕（１
２）はロータ軸（５）の周囲を旋回するのでロータ軸（
５）は渦巻ばね（４）を介して回転が伝達されることと
なりロータ軸に負荷トルクがあれば、負荷トルクの大き
さに比例して駆動軸（２）と、ロータ軸（５）の間には
相対的角変位を生ずることになる。この角変位量を駆動
軸（２）の下端部と、ロータ軸（５）の上端部の間に介
装した信号変換器（１３）により電気信号に変換して発
信する。なおロータ軸（５）の上端に嵌着したビン（５
ａ）が駆動軸（２）の下端面中央に設けた穴（図示せず
）に挿通されることによりロータ軸（５）の上端は振れ
止めされ、またロータ軸（５）の下部は、コの字型部材
（１５ｂ）に取り付けたピボット（１４）と宝石軸受（
１５）により軸支される。コの字型部材の下方に延長さ
れた軸（５ｂ）の下端にコーン（７°）が取り付けられ
る。（９）は静止プレートである。

このような構造の信号変換器を内蔵した粘度計は、例え
ば、第６図に示すようにロークリ・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
（２２）（インクリメンタル・エンコーダの場合）によ
り、角変位量をパルス・カウントすることにより、ある
いはデコーダ（２２）（アブソリュート・エンコーダの
場合）で変換することにより、また、回転差動トランス
を変換器として使用する場合は、変換器出力をＡ／Ｄ変
換器（２４）により変換して、デジタル値で表示器（２
３）に表示したり、あるいはプリンタに印字記録するな
ど適当な表示、記録方法が採用されているのが従来のこ
の種の粘度計の構成、機能であった。なお第６図中で（
２１）は粘度計本体、（２５）は回転数設定器、（２６
）は粘度計に装着する試料液を定温保持するための循環
恒温水槽を示す。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら回転式粘度計では、ロータが単一円筒、二
重円筒あるいはコーン・プレートなど、いずれの場合も
実際の加工・組立誤差により、駆動軸（２）と、ロータ
軸（５）間の角変位量が、不安定に変動を生じ、このた
め、第６図の表示器（２３）に表示されるデジタル値が
、例えば３桁の表示とすれば、最小位桁の表示値がかな
りの幅で変化して作業者が読み取りに困難を感すること
がある。これの原因として典型的な原因を１〜２例示し
、また、その不安定な変動の発生する状況を以下に説明
する。

これまで角変位検出方式で説明してきたので以降の説明
も角変位検出方式を例示して示す。不安定な変動の原因
としてはロータの理想状態からのずれによって発生する
ものと、粘度計機構内の駆動軸とロータ軸の相対的芯ず
れによって発生するものと大別して考えることができる
。

ロータとしてコーン・プレート方式の場合を例示する。

第８図はプレートｊこ対しコーンの回転軸が垂直な理想
状態で回転している場合を示す。

先ず第８図の場合は、ロータ周辺のギャップＧは、角度
αは比較的小さいので近似的にＧ＝ｒα ローフ表面の線速度は ｖ　＝　ｒ　ω したがって、ずつ速度γは γ＝　ｖ　／　Ｇ　：　ｒω／ｒα ＝ω／α 液の粘性係数なηとすると、発生トルクＴは３α で表わされる。この式から理想状態では、時間的な変動
要因はないことが判かる。

つぎに、第９図はプレートが上記第８図の理想状態から
角度δ８で傾斜し、かつ、コーンの軸線が回転軸に対し
角度δ２だけ傾斜している状態で振れ廻る場合を想定す
る。第８図の理想状態に対し第９図に示すように理想か
ら偏倚した場合のロータ発生トルクを考える。ただしろ
、δ２はαに比べ微小角とする。

ロータ周辺のギャップＧ（θ、ｔ）は、方位角θ、時間
ｔ、ロータの回転角速度ωとすればＧ（θ、ｔ）＝ｒａ
−ｒδ、　ｃｏｓθ−ｒδｚｃｏｓ（θ−ωｔ） ずり速度γ（θ、ｔ）は γ　（θ、１）＝ ｒ　ω （α−δｌ　ＣＯ３ θ−δ、Ｃ０８ （ θ−ωｔＮ α　−δ　首　　ＣＯＳ θ 一δ２　Ｃ０８ （ θ−ωｔ） すり抵抗トルクＴ （１） は 一δｚ　　Ｃｏ５ （ θ−ωｔ） 一δ、Ｃ０５ （ θ−ωｔ）。

（δ 、＋６２ Ｏ８ ωｔ） Ｏ８ θ ｄθ 一δｚ　　ｓｉｎ　　ωｔ ｌｎ θ ここで δ １＋６２ ＣＯＳ　　ωｔ＝ａ δｚ　　ｓｉｎ ωｔ＝ｂ と置くと、 積分記号内の式の分母は ａ−（ａｃｏｓ　　θ＋ｂｓｉｎ　　θ）＝α−ψ７弓
耳７ ｃｏｓ　（θ−β） ここで β＝ｊａｎ−’ であり、 α〉〉ψ５７訂 の条件が成立する ことから α　− す７巧Ｆ ｃｏｓ　（ θ−β ） 括弧内筒３項以下は微小なので省略すると括弧内筒１項
は理想状態の粘性トルクと同じであり、第２項が理想状
態から偏倚することにより発生する増加成分と見なすこ
とができる。増加成分をＴｏとすると δｌ′＋２６１ δ、ＣＯＳ ωｔ＋δ！”　ＣＯ５”　　ωｔ １ηωＲ３ （δｌ′＋６２”）＋２δ１δｘ　ＣＯ８（ＡＪ　ｔす
なわち第９図の状態では増加成分は傾斜角δ１、δ２に
よる固定成分と、変動成分より成り、いずれも微小量と
見られるが、変動成分は１回転を１周期とする正弦変動
になることが判る。

つぎに、粘度計機構内の駆動軸とロータ軸の芯ずれに原
因する変動の発生を第１Ｏ図に示す。図において（Ｏ３
）はロータ軸の回転中心、（０゜）は駆動軸の回転中心
、（４）は渦巻ばね、（Ｅ）は渦巻ばね（４）の外側固
定端である。ロータ軸中心（０１）と駆動軸中心（０，
）が偏心してずれていると、渦巻ばね（４）の外側固定
端（Ｅ）は、（０□）を中心とする回転軌跡（ＣＴＩ）
上を旋回することになる。このことは相対的にはロータ
軸中心（ＯＩ）を固定し渦巻ばね外側固定端（Ｅ）をロ
ータ軸中心（０，）と駆動軸中心（０□）の芯ずれ量（
ε）を半径とする円（ＣＴ。

）上を駆動軸の回転に同期して動かすことと同等であり
、ロータ軸は、駆動軸の等速回転に重畳した φ＝　（ε／Ｒｏ）ｓｉｎ　　ωｔ の揺動を受けることになる。

以上のように、ロータ軸にはロータ回転に伴い変動成分
を伴った粘性トルクと、駆動軸側からは揺動成分を伴っ
た駆動力を受けることになる。

方、第２図、第３図、第５図、に示すようにロータ軸は
、ロータを含む質量がバネで釣られた構造であり、ロー
タに接する試料液による減衰効果が働いているが、回転
方向の共振振動系を形成している。したがって上記した
ロータ回転に伴い回転に同期して発生する変動負荷トル
ク、変動駆動力が強制力となり、また粘度測定の条件、
とじて共振周波数近傍のロータ回転速度を選ばざるを得
ないような場合には、共振のために、かなり顕著な振動
を発生し第７図に示すごとく測定信号に正弦的変動が現
われることがある。

本発明は上記した従来の回転式粘度計の欠点を除去し、
安定、かつ正確に粘度測定を可能にする信号表示を安定
化させたデジタル表示付き回転式粘度計を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の粘度計においては
、変速機付きモータと、試料液粘性により発生するトル
クを電気信号に変換する信号変換器と、上記モータの出
力軸、あるいは該出力軸に係合し回転駆動する駆動軸の
１回転を偶数２０等分割する回転角度毎に、粘度測定デ
ータをサンプリングするトリガ信号を作る回転角度検出
手段と、サンプリングした測定データをスタックして貯
える２０個のスタックと、スタック内のデータを積算し
て平均値を求める演算器と、得られた平均値を一時貯溜
するレジスタと、レジスタ内の平均値を表示する表示器
、およびこれらに付属する回路とから構成され、粘度計
の１回転を２０等分する回転角度毎にサンプリングした
データの平均値を出力表示するようにした。

［作用］ 前記の構成による本発明の回転式粘度計では、モータを
定速回転させると、ロータ回転に伴う試料液の粘性トル
クがロータに発生し、この粘性トルクに比例した電気信
号を発信する。この電気信号には、上に詳説したように
、ロータ１回転を１周期とする規則的な正弦変動成分が
含まれているが、駆動軸１回転を２ｎ等分割する回転角
度毎に電気信号をＡ／Ｄ変換してサンプリング、すなわ
ちロータ回転の１周期を２０等分する各点のデータをサ
ンプリングして２０個のスタックに貯え、その平均値を
出力することにより、正弦変動成分を除去して安定な表
示、あるいはプリンタ記録をすることができる６駆動軸
回転に伴い新しいデータがサンプリングされる毎にスタ
ックに加えられるので、その平均値は常に駆動軸回転１
周期に相当する区間の移動平均を表示出力することとな
り、このために指示が安定化する。

〔実施例］ 以下、図面に基ずいて本発明に好適な実施例を例示して
詳しく説明する。

第１図は本願発明粘度計の第１実施例の構成要部を示す
図で、この実施例は時系列パルス信号でパルスモータを
駆動し、このパルスを処理して、サンプリングトリガ信
号を作る回転角度検出手段を有する。（３１）は粘度計
本体を示し、駆動源としてパルスモータ（３２）、およ
び変位角を電気信号に変換する信号変換器として回転差
動トランス（３３）を内蔵する。回転数設定器（３４）
で粘度計の回転数を設定すると、その設定信号により、
パルスゼネレータ（３５）はクロック（３０）からのク
ロックパルスを分周して、パルスモータを指定速度で回
転させるために必要なパルスレートの駆動パルスを発信
してパルスモータを回転させる。一方、駆動パルスはカ
ウンタ（３６）により計数され、カウンタ（３６）はあ
らかじめ定められた計数値に達すると回転差動トランス
（３３）の信号をサンプリングするためのサンプリング
・タイミング信号を発信してリセットされて再び計数開
始する。カウンタの計数値をＮ　／　２　ｎとすること
により、ロータ１回転を正確に２０等分する角度毎に粘
度計測データをサンプリングすることになる。（３７）
は回転差動トランスのアナログ信号をＡ／Ｄ変換する変
換器である。このようにしてサンプリングされた粘度計
測データはスタック（３８−１）に入力されると同時に
、それ以前にスタックの各番地（３８−１）、（３８−
２）、・・　（３８−２ｎ）に入っていた各計測データ
はそれぞれ（３８−２）、（３８−３）、・・　（３８
−２ｎ）の番地に一斉にシフトし、最後の番地（３８−
２ｎ）に入っていた計測データは捨てられる。このよう
にしてロータ１回転を２ｎ等分する各回転角における計
測データがスタック内に保持され、新しくサンプリング
されたデータが入る毎に最も古いデータが捨てられるこ
とになる。スタック内の各データはクロ・７り（３０）
からの一定時間毎に平均値演算器（３９）で平均値が求
められ、求められた平均値はレジスタ（４０）に入って
いる古いデータをリフレッシュして書き込まれる。この
レジスタ（４０）内のデータをリフレッシュ毎に表示器
（４１）に表示、あるいは必要によりプリンタに出力し
て記録させることもできる。

このようにして得られた平均値データは、第７図に示す
ように（図では１周期を８等分した場合を示す）、１周
期に相当する２０個のデータが常に平均され、新しい１
個のデータがサンプリングされる毎に最も古いデータ１
個が捨てられるので平均値を取る区間がπ／ｎの回転位
相毎に移動する、いわゆる移動平均値として表示、記録
されるので、正弦的変動成分を完全に除去することがで
きる。

また、第１１図は本発明粘度計の第２実施例のサンプリ
ングのトリガ信号を発生する回転角度検出手段を示す０
本実施例においてはモータ出力軸に全周を２ｎ等分割す
る角度毎にスリットを設けた円板（１７）を取り付けて
該円板の外縁を挟んで前記２０等分割する角度毎のスリ
ットを検出する検出器（１８）を設けて目的とするサン
プリングトリガ信号を作る。その他の構成は第１実施例
と同様である。

なお、本発明は前記両実施例に限定されるものではなく
、変速機構としてギヤ変速機を用いたシンクロナスモー
タなどの等速モータを駆動源とし、このモータの出力軸
、あるいは、それに結合する駆動軸に取り付けた円板上
のスリットあるいは磁性マークを用いて光学的、磁気的
あるいは機械的に２ｎ等分割した回転角度を検出してサ
ンプリングトリガ信号を得ることも、また、時系列パル
ス信号の場合は、パルスモータではなく、ＤＣサーボモ
ータなどを位相同期ループ形周波数変調（ＰＬＬ制御）
して時系列パルス信号で安定化した回転制御系を用いて
、パルス信号を処理してサンプリングトリガ信号を得る
ようにすること、あるいは駆動軸回転速度設定から逆算
して１回転所要時間（Ｔ）を２０等分する時間（Ｔ・／
２ｎ）毎にサンプリングトリガ信号を内蔵タイマによっ
て発信することも容易に実施することができる。

また、粘性トルクの信号変換器に対しては回転差動トラ
ンスやエンコーグなどの角変位検出方式に限らず、ピエ
ゾ効果、６ｎ歪、あるいはストレンゲージなどの応力検
出方式にも、またロータについて言えば、単一円筒方式
、二重円筒方式など、あらゆるロータ方式について本発
明の要旨を変えることなく、実施することができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来
の回転式粘度計で回転の条件によって測定値に重畳して
不可避的に現われる正弦的変動成分を完全に除去するこ
とができるので、正確な測定値を読み取ることができ、
次のような効果が得られる。

■粘度計の測定操作を行なう作業者にデータを読み取り
易くする。

■測定値がばらつかないので、作業者に不安感を与えな
い。

■粘度計取り扱いの非熟練者でも容易に操作できる。

■ロータ精度や、粘度計各部の精度を無暗に高めること
を要さないので、粘度計製品価格を低減できる。

■粘度計としての製品品位を高めることができる■粘度
測定中に経時的に試料液の粘度が変化するような特性の
粘性液に対しても測定データは、ロータ１回転で全デー
タが入れ替わるのでレスポンスを損なうことはない。

【図面の簡単な説明】

第１図・・・本発明の回転式粘度計の第１実施例の全体
構成図 第２図・・・従来の円筒形ロータを有する回転式粘度計
の動作原理図 第３図・・・従来のコーン・プレート形ロータを有する
回転式粘度計の動作原理 図 第４図・・・コーン・プレート部の拡大図第５図・・・
従来の信号変換器を内蔵した回転式粘度計本体の縦断面
図 第６図・・・従来の回転式粘度計の全体構成図第７図・
・・信号変換器よりの出力測定値第８図・・・コーン・
プレートの理想的状態の拡大図 第９図・・・コーン・プレートの理想的状態から偏倚し
た状態の拡大図 第１０図・・ロータ軸と駆動軸が偏心した状態における
動作図 第１１図・・本発明の回転式粘度計の第２実施例の本体
の縦断面図 （３０）はクロック、（３１）は粘度計本体、（３２）
はパルスモータ、（３３）は回転差動トランス、（３４
）は回転数設定器、（３５）はパルスゼネレータ、（３
６）はカウンタ、（３７）はＡ／Ｄ変換器、（３８）は
スタック、（３９）は平均値演算器、（４０）はレジス
タ、（４１）は表示器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　デジタル表示付き回転式粘度計において、ロータを定
   速回転で駆動する駆動軸の１回転を偶数等分割する回転
   角度毎にサンプリングのタイミング信号を発生するため
   の回転角度検出手段と、上記ロータの回転に伴って発生
   する粘性抵抗トルクを電気信号に変換する信号変換器を
   内蔵し、上記駆動軸の１回転を偶数等分割する回転角度
   毎に上記信号変換器からの出力信号をサンプリングして
   得られる１回転１周期に相当する偶数個数のデータの移
   動平均値をつくる手段を有し、もって上記移動平均値を
   粘度測定結果として、表示出力することにより、測定信
   号表示を安定化させることを特徴とするデジタル表示付
   き回転式粘度計。