JPH1114471A - 微小トルク測定装置 - Google Patents
微小トルク測定装置Info
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- JPH1114471A JPH1114471A JP16633297A JP16633297A JPH1114471A JP H1114471 A JPH1114471 A JP H1114471A JP 16633297 A JP16633297 A JP 16633297A JP 16633297 A JP16633297 A JP 16633297A JP H1114471 A JPH1114471 A JP H1114471A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 微小トルクを再現性良く測定する装置を提供
する。 【解決手段】 トルクが測定される被測定機構10と、
被測定機構10の回転軸に結合され負荷が印加される負
荷印加部位31と、粘性係数の値が既知または予め測定
されており、負荷印加部位31に負荷を印加する液体2
と、液体2を貯蔵する容器1と、液体2の粘性係数を変
化させて負荷を変える負荷可変手段6と、負荷印加部位
31の回転数を検出する回転数検出器5とを備え、負荷
可変手段6により被測定機構31に加える負荷を変えそ
のときの負荷印加部位31の回転数によりトルクを測定
する微小トルク測定装置。これにより、トルクの変動要
因としての摩擦力の変動がなくなるので、微小な応力を
精度よく測定できる。
する。 【解決手段】 トルクが測定される被測定機構10と、
被測定機構10の回転軸に結合され負荷が印加される負
荷印加部位31と、粘性係数の値が既知または予め測定
されており、負荷印加部位31に負荷を印加する液体2
と、液体2を貯蔵する容器1と、液体2の粘性係数を変
化させて負荷を変える負荷可変手段6と、負荷印加部位
31の回転数を検出する回転数検出器5とを備え、負荷
可変手段6により被測定機構31に加える負荷を変えそ
のときの負荷印加部位31の回転数によりトルクを測定
する微小トルク測定装置。これにより、トルクの変動要
因としての摩擦力の変動がなくなるので、微小な応力を
精度よく測定できる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、任意の回転機構の
トルク、特に、微小な卜ルクを測定するための装置に関
する。
トルク、特に、微小な卜ルクを測定するための装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来の回転機構のトルクを測定する装置
を、図11に示す。この例では、モータ回転軸11のプ
ーリ12に細線13を巻き付け、プーリ12と細線13
での滑りを利用することでモータに負荷トルクを印加す
る。巻き付けた細線13の重力方向には、プリロードと
なる錘14を取り付け、その下に精密天秤のような荷重
変換器15を取り付ける。図11に示すように細線13
は、ある角度θを以って取り付けられており、この角度
θを変えることでモータへの負荷トルクを可変としてい
る。回転トルクのかからない状態では、荷重変換器15
は、プリロード用錘14の重さを示している。次に細線
13を適当な角度θで取り付け、モータを矢印方向に回
転させたときプリロード用錘14は、持ち上げられる力
を得る。その微小な荷重変化を荷重変換器15により検
出する。更に細線13の取り付け角度θを大きくするこ
とで負荷トルクを大きくしモータ回転数を下げる。それ
ぞれの回転数における荷重変化を検出することで、種々
の回転数におけるトルクを測定することができる。ま
た、特開昭51−101582号公報や特開昭60−2
62039号公報には、容器内の液体に、ピアノ線で回
転自在に吊るした円柱状の錘を浸漬し、前記容器を一定
速度で回転させ、液体の粘性によって回転する錘の角度
を測定して錘に掛かる微小トルクあるいは液体の粘度を
測定するトルクセンサが開示されている。
を、図11に示す。この例では、モータ回転軸11のプ
ーリ12に細線13を巻き付け、プーリ12と細線13
での滑りを利用することでモータに負荷トルクを印加す
る。巻き付けた細線13の重力方向には、プリロードと
なる錘14を取り付け、その下に精密天秤のような荷重
変換器15を取り付ける。図11に示すように細線13
は、ある角度θを以って取り付けられており、この角度
θを変えることでモータへの負荷トルクを可変としてい
る。回転トルクのかからない状態では、荷重変換器15
は、プリロード用錘14の重さを示している。次に細線
13を適当な角度θで取り付け、モータを矢印方向に回
転させたときプリロード用錘14は、持ち上げられる力
を得る。その微小な荷重変化を荷重変換器15により検
出する。更に細線13の取り付け角度θを大きくするこ
とで負荷トルクを大きくしモータ回転数を下げる。それ
ぞれの回転数における荷重変化を検出することで、種々
の回転数におけるトルクを測定することができる。ま
た、特開昭51−101582号公報や特開昭60−2
62039号公報には、容器内の液体に、ピアノ線で回
転自在に吊るした円柱状の錘を浸漬し、前記容器を一定
速度で回転させ、液体の粘性によって回転する錘の角度
を測定して錘に掛かる微小トルクあるいは液体の粘度を
測定するトルクセンサが開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、前者の図1
1に示す従来技術ではプリロード用錘14と細線13の
間の滑りを利用するため、摩擦という複雑な現象が介在
し、特に微小な機械の微小なトルクを測定する際に、測
定の再現性に難点があった。また、後者の公報に開示さ
れたトルクセンサでは、いずれも被測定物のモータに連
結した容器を回転させるため、容器の質量がモータへの
負荷トルクを生じ、この容器による負荷トルクが、小型
モータへの負荷トルクとしては大きすぎて、適用するに
は問題があった。そこで本発明は、微小トルクを再現性
良く測定できる高精度の微小トルク測定装置を提供する
ことを目的とする。
1に示す従来技術ではプリロード用錘14と細線13の
間の滑りを利用するため、摩擦という複雑な現象が介在
し、特に微小な機械の微小なトルクを測定する際に、測
定の再現性に難点があった。また、後者の公報に開示さ
れたトルクセンサでは、いずれも被測定物のモータに連
結した容器を回転させるため、容器の質量がモータへの
負荷トルクを生じ、この容器による負荷トルクが、小型
モータへの負荷トルクとしては大きすぎて、適用するに
は問題があった。そこで本発明は、微小トルクを再現性
良く測定できる高精度の微小トルク測定装置を提供する
ことを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の微小トルク測定装置は、トルクが測定され
る被測定機構と、前記被測定機構の回転軸に結合され負
荷が印加される負荷印加部位と、粘性係数の値が既知ま
たは予め測定されており、前記負荷印加部位に負荷を印
加する液体と、前記液体を貯蔵する容器と、前記液体の
粘性係数を変化させて前記負荷を変える負荷可変手段
と、前記負荷印加部位の回転数を検出する回転検出器と
を備え、前記負荷可変手段により前記被測定機構に加え
る負荷を変えそのときの前記負荷印加部位の回転数によ
りトルクを測定するものである。
め、本発明の微小トルク測定装置は、トルクが測定され
る被測定機構と、前記被測定機構の回転軸に結合され負
荷が印加される負荷印加部位と、粘性係数の値が既知ま
たは予め測定されており、前記負荷印加部位に負荷を印
加する液体と、前記液体を貯蔵する容器と、前記液体の
粘性係数を変化させて前記負荷を変える負荷可変手段
と、前記負荷印加部位の回転数を検出する回転検出器と
を備え、前記負荷可変手段により前記被測定機構に加え
る負荷を変えそのときの前記負荷印加部位の回転数によ
りトルクを測定するものである。
【0005】
【発明の実施の形態】本発明のトルク測定方法は、被測
定機構の回転軸に結合された負荷印加部位を、予め粘性
係数を測定した液体の中で回転させたときの回転数から
トルクを求めるものである。特に、種々の大きさの粘性
係数の値に保持した液体の中で回転させ、被測定機構の
回転数とトルクの関係を測定するものである。また、液
体の粘性係数を変えるための手段として、加熱・冷却装
置を設けてもよいし、液体を高分子水溶液としてその濃
度を変えるための液体注入管と液体排出管とを前記容器
に設けてもよい。また、液体中で回転させる負荷印加部
位の形状を円柱状や円板状にするとトルクの測定範囲が
広がる。このような手段により、トルクの変動要因とし
ての摩擦力の変動がなくなるので、微小なトルクを精度
よく測定できる。
定機構の回転軸に結合された負荷印加部位を、予め粘性
係数を測定した液体の中で回転させたときの回転数から
トルクを求めるものである。特に、種々の大きさの粘性
係数の値に保持した液体の中で回転させ、被測定機構の
回転数とトルクの関係を測定するものである。また、液
体の粘性係数を変えるための手段として、加熱・冷却装
置を設けてもよいし、液体を高分子水溶液としてその濃
度を変えるための液体注入管と液体排出管とを前記容器
に設けてもよい。また、液体中で回転させる負荷印加部
位の形状を円柱状や円板状にするとトルクの測定範囲が
広がる。このような手段により、トルクの変動要因とし
ての摩擦力の変動がなくなるので、微小なトルクを精度
よく測定できる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の微小トルク測定装置を図に基
づいて説明する。 第1の実施例 図1は、本発明の第1の実施例を示す説明図である。容
器1内の液体2の中に、被測定機構10の回転軸と連結
軸4を介して連結された負荷印加部位31が配置されて
いる。負荷印加部位31の回転数は、回転検出器5によ
り連結軸4の回転数として検出される。容器1には液体
2の温度を変えるため、加熱・冷却装置6が取り付けら
れている。また、容器1内には、液体2の温度を測定す
る温度センサ9が設置されている。負荷トルクの印加部
位が単純な形状であれば、流体力学的な数値計算によ
り、検量線を作成することが可能である。たとえば、図
5に示すように半径r0の円板を角速度ωで回転させた
とき、円板の受ける粘性トルクMは次式で表されること
が分かっている。 M=ρr0 5Cf・ω2 ただし、ρ:液体の密度、Cf:定数である。円板表面
が平滑で充分薄く、広い空間中で回転し、かつ円板表面
近くの流れが層流の場合(Re<(3〜5)×105の
ときは層流)、Cfは次式で表される。 Cf=1.94/√(Re) ただし、レイノルズ数:Re=ωr0 2/ν、ν=μ/
ρ:動粘性率、μ:粘性率である。 例えばr0=10-2m ρ=103kg/m3(20℃の水) μ=1×10-3N・s/m2(20℃の水) ω=2π×20s-1 (1200rpm) のとき、 Re=1.3×104 M=2.7×10-5N・m となる。このようなパラメータの値を用いて、図6に示
すように当該円板が発生する負荷トルクと回転数の関係
が求まる。液体の温度を変えると、粘性係数が代わるの
で、複数の温度での検量線を図7に示すように求めるこ
とができる。たとえば、水の粘性係数は次の通りであ
る。 温度(℃) 0 20 40 60 80 μ(N・s/m2) 17.94 10.09 6.54 4.70 3.57
づいて説明する。 第1の実施例 図1は、本発明の第1の実施例を示す説明図である。容
器1内の液体2の中に、被測定機構10の回転軸と連結
軸4を介して連結された負荷印加部位31が配置されて
いる。負荷印加部位31の回転数は、回転検出器5によ
り連結軸4の回転数として検出される。容器1には液体
2の温度を変えるため、加熱・冷却装置6が取り付けら
れている。また、容器1内には、液体2の温度を測定す
る温度センサ9が設置されている。負荷トルクの印加部
位が単純な形状であれば、流体力学的な数値計算によ
り、検量線を作成することが可能である。たとえば、図
5に示すように半径r0の円板を角速度ωで回転させた
とき、円板の受ける粘性トルクMは次式で表されること
が分かっている。 M=ρr0 5Cf・ω2 ただし、ρ:液体の密度、Cf:定数である。円板表面
が平滑で充分薄く、広い空間中で回転し、かつ円板表面
近くの流れが層流の場合(Re<(3〜5)×105の
ときは層流)、Cfは次式で表される。 Cf=1.94/√(Re) ただし、レイノルズ数:Re=ωr0 2/ν、ν=μ/
ρ:動粘性率、μ:粘性率である。 例えばr0=10-2m ρ=103kg/m3(20℃の水) μ=1×10-3N・s/m2(20℃の水) ω=2π×20s-1 (1200rpm) のとき、 Re=1.3×104 M=2.7×10-5N・m となる。このようなパラメータの値を用いて、図6に示
すように当該円板が発生する負荷トルクと回転数の関係
が求まる。液体の温度を変えると、粘性係数が代わるの
で、複数の温度での検量線を図7に示すように求めるこ
とができる。たとえば、水の粘性係数は次の通りであ
る。 温度(℃) 0 20 40 60 80 μ(N・s/m2) 17.94 10.09 6.54 4.70 3.57
【0007】この装置において、被測定機構10の回転
数を測る。図8に示すように、回転数の値を示す直線
(測定値から垂直に延ばした線)と検量線の交点が被測
定機構10の発生トルクを与えることになる。いくつか
の温度での交点を結べば、被測定機構10のトルク−回
転数特性(破線)が求まる。なお、前記液体の組成を変
えることにより粘性抵抗を変化させることができる。ま
た、前記負荷印加部位の形状を種々の形状の物に変える
ことで、広い範囲のトルクを測定することができる。円
板以外のものを負荷印加部位に使う際に、負荷トルクを
計算によって求めることが困難な場合は、標準となる複
数のトルク発生機構を用意し、それぞれの標準トルク発
生機構に対して円板を使って図8に示した手順によっ
て、図9のような発生トルクと回転数の関係P1,P2,
P3を求める。つぎに、円板を他の形状のものに変え、
それぞれの標準トルク発生機構と結合した時の回転数を
測定する。図10のように、それぞれの標準トルク発生
機構を用いたときの回転数を示す直線(測定値から垂直
に延ばした直線)と、それぞれ対応する発生トルク特性
曲線との交点を結べば、当該負荷印加部位に対する検量
線(破線)を作成することができる。さらに、液体の粘
性を変えて同様の測定を行えば、図7のような粘性が異
なるときの検量線を得ることができる。液体2として
は、測定対象に応じて、水、高分子の水溶液、オイル等
が使われる。負荷印加部位31として小さい円板あるい
は丸棒を使った場合は印加される負荷が小さいので、特
に微小なトルクの測定に適する。加熱・冷却装置6とし
ては、例えばペルチェ素子が使われる。例えば液体2が
水の場合、温度を50℃から10℃まで変えると粘性係
数が3倍近くまで増大するため、負荷抵抗の大きさを約
3倍にできる。これにより、回転機構10の回転数が変
化し、異なる回転数でのトルクの大きさを測定すること
ができる。また、微小トルクを測定する際には、液体2
の量は少なくて良いので熱容量が小さく、迅速に温度を
変えられるという利点もある。
数を測る。図8に示すように、回転数の値を示す直線
(測定値から垂直に延ばした線)と検量線の交点が被測
定機構10の発生トルクを与えることになる。いくつか
の温度での交点を結べば、被測定機構10のトルク−回
転数特性(破線)が求まる。なお、前記液体の組成を変
えることにより粘性抵抗を変化させることができる。ま
た、前記負荷印加部位の形状を種々の形状の物に変える
ことで、広い範囲のトルクを測定することができる。円
板以外のものを負荷印加部位に使う際に、負荷トルクを
計算によって求めることが困難な場合は、標準となる複
数のトルク発生機構を用意し、それぞれの標準トルク発
生機構に対して円板を使って図8に示した手順によっ
て、図9のような発生トルクと回転数の関係P1,P2,
P3を求める。つぎに、円板を他の形状のものに変え、
それぞれの標準トルク発生機構と結合した時の回転数を
測定する。図10のように、それぞれの標準トルク発生
機構を用いたときの回転数を示す直線(測定値から垂直
に延ばした直線)と、それぞれ対応する発生トルク特性
曲線との交点を結べば、当該負荷印加部位に対する検量
線(破線)を作成することができる。さらに、液体の粘
性を変えて同様の測定を行えば、図7のような粘性が異
なるときの検量線を得ることができる。液体2として
は、測定対象に応じて、水、高分子の水溶液、オイル等
が使われる。負荷印加部位31として小さい円板あるい
は丸棒を使った場合は印加される負荷が小さいので、特
に微小なトルクの測定に適する。加熱・冷却装置6とし
ては、例えばペルチェ素子が使われる。例えば液体2が
水の場合、温度を50℃から10℃まで変えると粘性係
数が3倍近くまで増大するため、負荷抵抗の大きさを約
3倍にできる。これにより、回転機構10の回転数が変
化し、異なる回転数でのトルクの大きさを測定すること
ができる。また、微小トルクを測定する際には、液体2
の量は少なくて良いので熱容量が小さく、迅速に温度を
変えられるという利点もある。
【0008】第2実施例 図2は、本発明の第2実施例を示す説明図である。本実
施例では第1の実施例の加熱・冷却装置6の代わりに、
液体2を組成の異なるものと交換することで粘性を変化
させる例である。液体2を交換するため、液体注入管7
および排出管8を有する。液体2の粘性係数を変化させ
るため、高分子水溶液の濃度を変化させる。さらに、図
2の例に加熱・冷却装置6を付加した図3のような構成
をとれば、さらに広い粘性の範囲を利用できる。その
際、液体2の組成を変えることで粘性係数を粗く変化さ
せた上で、温度変化により細かく変化させることもでき
る。
施例では第1の実施例の加熱・冷却装置6の代わりに、
液体2を組成の異なるものと交換することで粘性を変化
させる例である。液体2を交換するため、液体注入管7
および排出管8を有する。液体2の粘性係数を変化させ
るため、高分子水溶液の濃度を変化させる。さらに、図
2の例に加熱・冷却装置6を付加した図3のような構成
をとれば、さらに広い粘性の範囲を利用できる。その
際、液体2の組成を変えることで粘性係数を粗く変化さ
せた上で、温度変化により細かく変化させることもでき
る。
【0009】第3の実施例 図4は本発明の第3の実施例を示す説明図である。図
1、2、3の例では、負荷印加部位に丸棒あるいは円板
を用い、特に微小なトルクを測定するのに適した構成を
とっていた。それに対し、負荷印加部位31を図4のよ
うなスクリュー型の負荷印加部位32と交換することに
より、大きめのトルクを測定する構成をとることもでき
る。負荷印加部位の形状としては、その他にも円筒、球
など様々なものを適用可能であり、測定対象に応じて選
択できる。
1、2、3の例では、負荷印加部位に丸棒あるいは円板
を用い、特に微小なトルクを測定するのに適した構成を
とっていた。それに対し、負荷印加部位31を図4のよ
うなスクリュー型の負荷印加部位32と交換することに
より、大きめのトルクを測定する構成をとることもでき
る。負荷印加部位の形状としては、その他にも円筒、球
など様々なものを適用可能であり、測定対象に応じて選
択できる。
【0010】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、被
測定機構からのトルクを伝達し液体中で回転する負荷印
加部位と、前記負荷印加部位の回転数を検出する回転検
出器とを有し、前記負荷印加部位に対する前記液体の既
知ないし予め測定した粘性係数の値と前記回転検出器に
より検出された回転数とからトルクを測定する手段を備
えたことにより、微小トルクの正確、かつ容易な計測が
可能となる。
測定機構からのトルクを伝達し液体中で回転する負荷印
加部位と、前記負荷印加部位の回転数を検出する回転検
出器とを有し、前記負荷印加部位に対する前記液体の既
知ないし予め測定した粘性係数の値と前記回転検出器に
より検出された回転数とからトルクを測定する手段を備
えたことにより、微小トルクの正確、かつ容易な計測が
可能となる。
【図1】 本発明の第1の実施例の説明図である。
【図2】 本発明の第2の実施例の説明図1である。
【図3】 本発明の第2の実施例の説明図2である。
【図4】 本発明の第3の実施例の説明図である。
【図5】 本発明の原理を説明するための説明図であ
る。
る。
【図6】 負荷トルク−回転数特性の説明図である。
【図7】 負荷トルク−回転数特性の説明図である。
【図8】 負荷トルク−回転数特性から被測定機構のト
ルク−回転特性を求める方法の説明図である。
ルク−回転特性を求める方法の説明図である。
【図9】 複数のトルク発生機構に対して求めた発生ト
ルクと回転数の関係を示すグラフである。
ルクと回転数の関係を示すグラフである。
【図10】 負荷部位に対する検量線を求める方法の説
明図である。
明図である。
【図11】 従来例のトルク測定装置の構成を示す概略
図である。
図である。
1 容器、2 液体、31 負荷印加部位(丸棒型)、
32 負荷印加部位(スクリュー型)、4 連結軸、5
回転検出器、6 加熱・冷却装置、7 液体注入管、
8 液体排出管、9 温度センサ、10 被測定機構、
11 モータ回転軸、12 プーリ、13 細線、14
錘、15 荷重変換器、20 モータ、21 容器、
22 液体、23 負荷印加部位、24 軸、25 回
転数計、26 トルク計、27 加熱・冷却装置
32 負荷印加部位(スクリュー型)、4 連結軸、5
回転検出器、6 加熱・冷却装置、7 液体注入管、
8 液体排出管、9 温度センサ、10 被測定機構、
11 モータ回転軸、12 プーリ、13 細線、14
錘、15 荷重変換器、20 モータ、21 容器、
22 液体、23 負荷印加部位、24 軸、25 回
転数計、26 トルク計、27 加熱・冷却装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松尾 智弘 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石2番1号 株式会社安川電機内
Claims (5)
- 【請求項1】 トルクが測定される被測定機構と、 前記被測定機構の回転軸に結合され負荷が印加される負
荷印加部位と、 粘性係数の値が既知または予め測定されており、前記負
荷印加部位に負荷を印加する液体と、 前記液体を貯蔵する容器と、 前記液体の粘性係数を変化させて前記負荷を変える負荷
可変手段と、 前記負荷印加部位の回転数を検出する回転検出器とを備
え、 前記負荷可変手段により前記被測定機構に加える負荷を
変えそのときの前記負荷印加部位の回転数によりトルク
を測定することを特徴とする微小トルク測定装置。 - 【請求項2】 前記負荷可変手段は前記液体の温度を変
える加熱・冷却装置である請求項1に記載の微小トルク
測定装置。 - 【請求項3】 前記負荷可変手段は前記液体を高分子水
溶液とし、その濃度を変えるための液体注入管と液体排
出管とを前記容器に設けた請求項1または2に記載の微
小トルク測定装置。 - 【請求項4】 前記負荷印加部位の形状が円柱状である
請求項1ないし3のいずれかの項に記載の微小トルク測
定装置。 - 【請求項5】 前記負荷印加部位の形状が円板状である
請求項1ないし3のいずれかの項に記載の微小トルク測
定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16633297A JPH1114471A (ja) | 1997-06-23 | 1997-06-23 | 微小トルク測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16633297A JPH1114471A (ja) | 1997-06-23 | 1997-06-23 | 微小トルク測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1114471A true JPH1114471A (ja) | 1999-01-22 |
Family
ID=15829408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16633297A Pending JPH1114471A (ja) | 1997-06-23 | 1997-06-23 | 微小トルク測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1114471A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008215849A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Ihi Corp | 負荷装置 |
| JP2008224296A (ja) * | 2007-03-09 | 2008-09-25 | Ihi Corp | 負荷装置 |
| JP2009255281A (ja) * | 2008-04-14 | 2009-11-05 | John K Junkers | 流体作動トルク工具の較正機器 |
| WO2011102129A1 (ja) * | 2010-02-17 | 2011-08-25 | 京都電子工業株式会社 | 粘度測定方法および粘度測定装置 |
| JP2012053068A (ja) * | 2011-12-01 | 2012-03-15 | Ihi Corp | 負荷装置 |
-
1997
- 1997-06-23 JP JP16633297A patent/JPH1114471A/ja active Pending
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