JPH08128940A - 電気粘性流体の粘性性状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気粘性流体の粘性性状測定結果の信頼性を
高める。 【構成】 試料としての電気粘性流体で満たされた試料
容器１２内に一対の電極１５を対向配置するとともに、
試料中にセラミック製の一対の薄肉感応部材５を入れて
共振振動させる。電極１５に通電しながら感応部材５の
駆動電流を連続的に変化させて、感応部材５の振幅を測
定する。駆動電流値と振幅値との関係から試料の粘性性
状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気粘性流体の粘性性
状を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】液体の粘性性状を測定する方
法として二重円筒型の回転式粘度計が広く使用されてい
る。この回転式粘度計を用いた方法では、電極である一
方の円筒を液体中で回転させて、その時の回転トルクと
回転数から剪断応力とひずみ速度を算出し、両者の関係
から流動特性曲線を求めて液体の粘性性状ひいては流動
物性を解析するようにしている。

【０００３】しかしながら、電気粘性流体の粘度を測定
しようとする時、ほとんどの電気粘性流体が絶縁性の油
と微粒子との懸濁液であるために、回転式粘度計では乱
流が生じるほか、比重の大きい微粒子が遠心力のために
外側に片寄って微粒子の分散が均一でなくなり、さら
に、電極である円筒の一方向への移動（回転）を伴う測
定法であることから、円筒と試料液体との接触面に滑り
が生じ、いずれの場合にも測定精度の向上が望めない。
また、二重円筒のうちのいずれか一方が偏心すると電極
間の距離が一定でなくなり、電気粘性流体全体に均一な
電荷が加わらなくなって正しい測定を行うことができな
い。さらに、回転式粘度計の特殊性として、トルクを検
出するトーションワイヤやトルクメータの誤差が測定精
度に直接影響するという欠点がある。

【０００４】また、電気粘性流体の特性のひとつに降伏
応力がある。この降伏応力は、図１２に示したように、
剪断速度が０（１／Ｓ）の時、つまり流体が静止状態か
ら動的な流動状態に変化する時に生ずる応力のことで、
回転式粘度計を用いての降伏応力の測定は、所定の範囲
の剪断速度でのデータから外挿法により降伏応力を求め
なければならず、正しい測定ができない。

【０００５】一方、粘度計による試料の物性解析方法と
して特公平４−７０５７９号公報に記載されているもの
があり、この方法では、先端に感応板を取り付けた一対
の板ばねを測定試料中に挿入して電磁振動により逆位相
で共振振動させ、電磁駆動部への駆動電流を無段階に連
続的に変化させたときの感応板の振幅値を測定し、その
駆動電流値と応答振幅値との関係から試料の物性を解析
するようにしている。

【０００６】しかしながら、試料が電気粘性流体である
場合にはこの流体内に臨ませた電極にて通電する必要が
あることから、感応板が導体であるとこの感応板付近の
絶縁強度が下がるばかりでなく、感応板にまで通電され
てしまう可能性があり、正しい測定ができなくなる。

【０００７】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、電気粘性流体の粘性性状を正確に測定で
き、その測定結果の信頼性の向上を図った方法を提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用】本発明
は、対向配置した一対の電極の間隙内を電気粘性流体で
満たし、その電気粘性流体のなかに電気絶縁性を有する
一対の薄肉感応部材を浸漬させるとともに、この一対の
薄肉感応部材を電磁駆動部による電磁振動により逆位相
で共振振動させて、前記一対の電極に通電しながら電磁
駆動部の駆動電流を連続的に変化させたときの前記薄肉
感応部材の振幅を連続的に測定し、これら駆動電流値と
応答振幅値との関係から電気粘性流体の粘性性状を測定
することを特徴としている。

【０００９】

【実施例】図２は本発明の一実施例を示す図で、本測定
方法に用いられる粘度測定装置の構造を示している。

【００１０】図２に示すように、粘度測定装置のスライ
ダ１には一対の板ばね２がボルト３にて固定されてお
り、この板ばね２の下端に支持部材４が連結されてい
る。さらに、支持部材４の下端には先端が円形の薄肉感
応部材５がボルト６にて連結されており、この薄肉感応
部材５は電気絶縁性を有するセラミックにて薄板状に形
成されている。そして、前記一対の支持部材４の間には
電磁駆動部７が設けられており、この電磁駆動部７の加
振力により支持部材４を介して一対の薄肉感応部材５が
その共振振動数のもとで互いに逆位相で左右方向に正弦
振動される。つまり、一対の薄肉感応部材５はその表裏
両面が加振方向と平行となるように取り付けられてい
る。

【００１１】また、前記スライダ１には変位センサ８が
取り付けられており、後述するようにこの変位センサ８
によって支持部材４ひいては薄肉感応部材５の振幅が検
出されるようになっている。

【００１２】なお、前記スライダ１は図示しない本体フ
レームに昇降可能に支持されている。

【００１３】また、スライダ１の下端には、後述するよ
うに試料容器１２に対する薄肉感応部材５の浸漬深さを
規制するレベル針９が設けられているほか、図３に示す
ように試料温度を検出する温度センサ１０が取り付けら
れている。

【００１４】前記スライダ１の下方のテーブル１１上に
は試料容器１２が設けられていて、この試料容器１２は
図４〜６に示すようにハンドル１３を回転操作すること
により位置決め金具１４との間で押圧固定される。前記
試料容器１２は、図７〜９に示すように、底部および四
周側壁部がアクリル板にて形成されている一方、その容
器内空間の中央部に所定間隔を保つように例えばステン
レス製の一対の電極１５を挿入し、それ以外の空間をテ
フロン等のふっ素樹脂で形成されたサポートブロック１
６，１７で埋めた構造となっている。そして、一方のサ
ポートブロック１６には半円状の開口孔１８が形成され
ていて、この開口孔１８と一対の電極１５，１５同士の
対向間隙Ｇ内のみが試料である電気粘性流体によって満
たされて、後述するようにその対向間隙Ｇ内の試料のな
かに薄肉感応部材５が浸漬されるとともに、温度センサ
１０が開口孔１８内の試料のなかに浸漬されることにな
る。

【００１５】ここで、本実施例では、前記一対の電極１
５，１５の対向間隙Ｇが１ｍｍになるように電極１５の
位置がふっ素樹脂製のスペーサ１９で規制されている。
また、前記電極１５の端子部１５ａは図１０に示すよう
に電源２０に接続される。

【００１６】以上の構造において、図２のほか図４〜６
に示すように、所定の試料を採取した試料容器１２をテ
ーブル１１の上に載せた上、ハンドル１３を回転操作し
て試料容器１２を位置決め金具１４とハンドル１３との
間で押圧固定する。

【００１７】続いて、スライダ１をゆっくりと下降さ
せ、図１に示すようにレベル針９の先端が試料容器１２
内の試料液面に接する位置で停止させる。これにより、
一対の薄肉感応部材５が電極１５，１５同士の対向間隙
Ｇ内の試料中に浸漬されるとともに、温度センサ１０が
開口孔１８内の試料のなかに浸漬されることになる。

【００１８】この状態で、図１０に示すように、電源２
０から一対の電極１５に所定の電圧を印加する一方、発
振器２１は駆動制御部２２からの指示により振動系全体
が固有振動数で振動する共振周波数の信号を増幅器２３
に送り、増幅器２３はその入力信号を増幅し、この増幅
後の交流電流を電磁駆動部７に入力する。これにより、
板ばね２を介して一対の薄肉感応部材５が左右方向に共
振振動する。この時の駆動電流は電流計２４にて測定さ
れる。

【００１９】ここで、一対の電極１５，１５同士の間の
対向間隙が１ｍｍとなるように予め設定されていること
から、その対向間隙Ｇの中央部に一対の薄肉感応部材５
が位置して電極１５に接触しないように試料容器１２と
薄肉感応部材５との相対位置関係が予め設定されてい
る。また、前記薄肉感応部材５はセラミックで形成され
ているために、試料である電気粘性流体に電荷をかけた
場合にもその薄肉感応部材５近傍の絶縁強度が下がるこ
ともなければ薄肉感応部材５自体に電流が流れることも
ない。

【００２０】一方、振動する板ばね２の振幅が電圧変化
として変位センサ８により検出され、その電圧信号は増
幅器２５にて増幅され、増幅後の振幅値が電圧計２６に
て測定される。同時に試料容器１２内の試料温度が温度
センサ１０により検出されて温度表示部２８に表示され
る。

【００２１】そして、前記変位センサ８により検出され
た振幅値がその変位センサ８の起電力変化としてパーソ
ナルコンピュータ等にて構成された解析処理装置２７に
入力され、同時に前記電流計２４にて測定された駆動電
流値、および温度センサ１０による温度出力もそれぞれ
解析処理装置２７に入力される。

【００２２】本発明は、上記のように試料である電気粘
性流体のなかに入れた薄肉感応部材５を振動させる一方
で、その加振力を変化させるとともに、必要に応じて電
極１５を介して電気粘性流体に加えられる電荷を変化さ
せながら、振幅値と駆動電流を測定し、その両者の関係
から試料である電気粘性流体の物性を解析するもので、
その具体例を図１１に示す。

【００２３】図１１は、図７〜９に示した試料容器１２
に、シリコーンオイル（ＳＨ２００１０ＣＳ，東レ・ダ
ウコーニング・シリコーン（株）社製）に、水分を吸着
させたセルロース（アビセル，旭化成工業（株）社製）
を分散させてなる粒子濃度３５ｗｔ％の電気粘性流体を
満たし、電気粘性流体に加えられる電荷を０ｋＶ／ｍ
ｍ、２ｋＶ／ｍｍ、４ｋＶ／ｍｍと変化させた場合の降
伏応力の変化を図１に示した振動式粘度測定法のもとで
測定したものである。また、比較例として、上記と同様
の電気粘性流体の降伏応力変化を従来の回転式粘度測定
法により測定した結果を図１２に示す。

【００２４】ここで、先に述べたように電磁駆動部７の
駆動電流Ｉを連続的に変化させることによりその電磁駆
動部７が薄肉感応部材５に及ぼす加振力が変化し、この
加振力と試料である電気粘性流体の剪断応力τとの間に
相関関係があるので、（１）式からその剪断応力τを算
出する。

【００２５】また、前記電磁駆動部７の駆動振動数を３
０Ｈｚ（一定）に設定しているので、電気粘性流体の粘
度に応じて薄肉感応部材５の振幅が変化し、例えば粘度
が高ければ振幅が小さくなり、粘度が低ければ振幅が大
きくなる。そこで、上記の応答振幅値を変位センサ８に
より起電力Ｅとして検出し、式（２），（３）に基づい
て粘度ηを算出する。

【００２６】そして、上記の剪断応力τおよび粘度ηを
もとに式（４）から剪断速度Ｄ_Sを算出する。

【００２７】なお、上記の各計算は図１０に示した解析
処理装置２７によって処理された上で、図１１のように
グラフ化されて記録される。

【００２８】 τ（Ｐａ）＝１５８８×Ｉ（Ａ）‥‥‥‥‥（１） Ｒ＝Ｉ（Ａ）／Ｅ（ｍＶ）‥‥‥‥‥（２） ｌｏｇη（ｍＰＡ・Ｓ）＝ａ・ｌｏｇＲ²＋ｂ・ｌｏｇＲ＋Ｃ‥‥‥（３） Ｄ_S（Ｓ^-1）＝τ（Ｐａ）／η（Ｐａ・Ｓ）‥‥‥‥‥（４） ただし、 τ：剪断応力 Ｉ：電磁駆動部の駆動電流（Ａ） η：見掛け粘度（Ｐａ・Ｓ） Ｒ：駆動電流Ｉ（Ａ）と振幅（変位センサの起電力Ｅ
（ｍＶ）との比 Ｅ：振幅に応じた変位センサの起電力（ｍＶ） Ｄ_S：剪断速度（Ｓ^-1） ａ：定数（＝−０．１３６０１８５１２） ｂ：定数（＝０．５７２１４２７６１） ｃ：定数（６．７０１９０３６０６） である。

【００２９】図１１から明らかなように、駆動電流を無
段階に変化させて、その駆動電流値を徐々に大きくした
場合と徐々に小さくした場合とでは曲線が相互に異な
り、ヒステリシス曲線を描いていることがわかる（特に
２ｋＶ／ｍｍ印加時）。したがって、この特性を示す電
気粘性流体はビンガム流体でありながらチクソトロピー
的な性状をもつものであることがわかる。また、図１１
から明らかなように、その特性曲線に降伏応力が明確に
表われて該降伏応力を直接的に求めることができる。

【００３０】これに対して、図１２に示した回転式粘度
測定法のもとでの測定結果では、試料である電気粘性流
体の性状を的確に特定できないばかりでなく、降伏応力
を求めるには図１２に示すように補助的に直線を引いて
その傾向を調べるいわゆる外挿法によらなければなら
ず、最終的に求められる降伏応力の値が線の引き方によ
ってその都度異なり、正確な降伏応力の値を求めること
は難しい。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、対向配置
した一対の電極の間隙内を電気粘性流体で満たし、その
電気粘性流体のなかに電気絶縁性を有する一対の薄肉感
応部材を浸漬させるとともに、この一対の薄肉感応部材
を電磁駆動部による電磁振動により逆位相で共振振動さ
せて、前記一対の電極に通電しながら電磁駆動部の駆動
電流を連続的に変化させたときの前記薄肉感応部材の振
幅を連続的に測定し、これら駆動電流値と応答振幅値と
の関係から電気粘性流体の粘性性状を測定するようにし
たことにより、従来の回転式粘度計による解析法のよう
に試料である電気粘性流体の挙動が検出精度に影響する
ことがないばかりでなく、薄肉感応部材に通電されてし
まうおそれがないため、電気粘性流体の粘性性状を正確
に測定できるようになって、その測定結果の信頼性が大
幅に向上する。

【００３２】また、本発明によれば加振力と応答振幅値
との関係すなわち剪断応力と剪断速度との関係から電気
粘性流体の降伏応力を直接求めることができるから、従
来の外挿法による測定と比べてその降伏応力の測定結果
の信頼性も併せて向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定方法に用いられる粘度測定装置の
構成説明図。

【図２】図１の装置において薄肉感応部材を試料容器に
浸漬させる前の構成説明図。

【図３】図２の要部拡大側面図。

【図４】図１に示すテーブルの平面図。

【図５】図４の正面図。

【図６】図５の右側面図。

【図７】図１に示す試料容器の拡大正面図。

【図８】図７の平面図。

【図９】図７の右側面図。

【図１０】図１に示す粘度測定装置の信号処理系のブロ
ック回路図。

【図１１】本発明による測定結果の一例を示す特性図。

【図１２】従来の方法による測定結果の特性図。

【符号の説明】

５…薄肉感応部材 ７…電磁駆動部 ８…変位センサ １２…試料容器 １５…電極 ２７…解析処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石渡 章介 埼玉県熊谷市月見町２−１−１ 秩父セメ ント株式会社内 (72)発明者 林 充郎 埼玉県熊谷市月見町２−１−１ 秩父セメ ント株式会社内 (72)発明者 野村 郁夫 東京都文京区本郷１−28−10 本郷ＴＫビ ル 秩父セメント株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対向配置した一対の電極の間隙内を電気
   粘性流体で満たし、その電気粘性流体のなかに電気絶縁
   性を有する一対の薄肉感応部材を浸漬させるとともに、
   この一対の薄肉感応部材を電磁駆動部による電磁振動に
   より逆位相で共振振動させて、前記一対の電極に通電し
   ながら電磁駆動部の駆動電流を連続的に変化させたとき
   の前記薄肉感応部材の振幅を連続的に測定し、これら駆
   動電流値と応答振幅値との関係から電気粘性流体の粘性
   性状を測定することを特徴とする電気粘性流体の粘性性
   状測定方法。