粘度の求め方や測定方法は（簡易も）？粘度計の種類や計算方法

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流体力学や品質管理を学ぶ上で重要な技術の一つが粘度の測定です。液体の流動性評価、製品の品質管理、プロセスの最適化など、粘度を正確に測定することは、様々な分野で欠かせません。

しかし、粘度はどうやって測定するのでしょうか。どんな粘度計があり、それぞれどんな原理で測定するのか、計算方法はどうなっているのか、わかりにくいと感じる方も多いはずです。

実は、粘度の測定方法には様々な原理があり、測定範囲や精度、コストに応じて使い分けられているのです。

回転式粘度計は最も広く使われ、毛細管式は高精度測定に適し、落球式は簡易測定に便利という特徴があります。

この記事では、粘度測定の基本的な考え方から、各種粘度計の原理と種類、具体的な計算方法、簡易測定法、そして測定上の注意点まで、わかりやすく丁寧に解説していきます。

化学工学や品質管理を学ぶ方はぜひ最後までお読みください。

粘度の測定方法とは？基本的な考え方

それではまず、粘度測定の基本的な考え方について解説していきましょう。

粘度測定の原理

粘度測定は、流体に力を加えたときの抵抗を測定することが基本です。

粘度の定義式を思い出してみましょう。

この式から、粘度を測定するには次の2つの方法があります。

方法1：せん断応力とせん断速度を測定

・流体に一定のせん断速度を与える

・そのときに必要なせん断応力を測定

・η = τ/(dv/dy)から粘度を計算

・回転式粘度計がこの原理

方法2：流動特性から粘度を推定

・流体を流したときの流れ方を測定

・流速、圧力損失、流動時間などを測定

・理論式から粘度を逆算

・毛細管式、落球式がこの原理

どちらの方法も、最終的には流体の抵抗を何らかの形で測定しているのです。

測定方法の分類

粘度計は、測定原理によって大きく分類できます。

回転式（ローテーション式）：

・円筒や円板を回転させる

・回転トルクから粘度を求める

・広範囲の粘度測定が可能

・最も広く使われる

毛細管式（キャピラリー式）：

・細い管を流体が流れる時間を測定

・ハーゲン・ポアズイユの式を利用

・高精度

・標準器として使用

落球式（落体式）：

・球が流体中を落下する速度を測定

・ストークスの式を利用

・透明な流体に適する

・簡易測定に便利

振動式：

・振動子の減衰から粘度を測定

・小型・高速測定

・オンライン測定に適する

その他の方式：

・コーン・プレート式

・ブルックフィールド式

・平行板式

測定目的や流体の性質によって、適切な方法を選択することが重要です。

粘度測定の基準

粘度測定には、国際的な基準があります。

標準粘度液：

・既知の粘度を持つ標準液

・粘度計の校正に使用

・トレーサビリティを確保

・シリコーン油、鉱物油などが使われる

測定温度：

・粘度は温度に非常に敏感

・通常20℃または25℃で測定

・±0.1℃の温度管理が必要

・恒温槽を使用

測定規格：

・JIS規格（日本工業規格）

・ISO規格（国際標準化機構）

・ASTM規格（米国材料試験協会）

・用途に応じた規格に準拠

回転式粘度計の原理と計算方法

続いては、最も広く使われる回転式粘度計について確認していきましょう。

回転式粘度計の測定原理

回転式粘度計は、流体中で回転体を回転させ、そのトルクから粘度を求める装置です。

基本構成：

・回転体（ローター、スピンドル）

・駆動装置（モーター）

・トルク測定装置

・温度制御装置

測定原理：

1. 流体中に回転体を浸す

2. 一定の回転速度で回転させる

3. 流体の粘性抵抗によるトルクを測定

4. トルクと回転速度から粘度を計算

回転式粘度計の利点：

・広範囲の粘度測定（0.1〜数百万mPa·s）

・連続測定が可能

・試料量が少量で済む

・非ニュートン流体も測定可能

・せん断速度を変えられる

同軸二重円筒式（クエット型）

同軸二重円筒式

は、最も精度の高い回転式粘度計です。

構造：

・外筒（固定）と内筒（回転）の間に流体を入れる

・隙間は非常に狭い（0.5〜2 mm程度）

・円筒間で均一なせん断速度

測定原理：

内筒を回転させると、流体を通じて外筒にトルクが伝わります。

利点：

・高精度（±1%以内）

・理論的に明確

・標準器として使用

欠点：

・試料量が多く必要

・高粘度液には不向き

・清掃が大変

円錐平板式（コーン・プレート式）

円錐平板式

は、均一なせん断速度が得られる方式です。

構造：

・平板と円錐の間に流体を挟む

・円錐の角度は非常に小さい（1〜4度）

・隙間全体でせん断速度が均一

測定原理：

利点：

・試料量が少量（0.5〜2 mL）

・せん断速度が均一

・非ニュートン流体の測定に適する

欠点：

・低粘度液には不向き

・気泡が入りやすい

・試料が飛び散ることがある

単一円筒式（ブルックフィールド型）

単一円筒式

は、最も普及している簡易型粘度計です。

構造：

・円筒状のスピンドルを流体中で回転

・容器は十分大きい

・様々な形状のスピンドルがある

測定原理：

スピンドルを一定速度で回転させ、トルクを測定します。

利点：

・操作が簡単

・安価

・広範囲の粘度測定

・様々なスピンドルで対応

欠点：

・精度が低い（±数%）

・せん断速度が不均一

・容器の大きさの影響

毛細管式粘度計の原理と計算方法

続いては、高精度測定に使われる毛細管式粘度計を見ていきましょう。

毛細管式粘度計の測定原理

毛細管式粘度計は、細い管を流体が流れる時間を測定して粘度を求める装置です。

基本原理はハーゲン・ポアズイユの式。

層流の条件下で、毛細管を流れる流体の体積流量Qは次の式で表されます。

これを変形すると、

体積Vの流体が時間tで流れる場合、Q = V/tなので、

この式が毛細管式粘度計の基礎となります。

ウベローデ粘度計

ウベローデ粘度計

は、最も広く使われる毛細管式粘度計です。

構造：

・U字型のガラス管

・上部に球状の容器

・毛細管部分

・液面の標線（2本）

測定方法：

1. 流体を一定量注入

2. 液を上部の球に吸い上げる

3. 液を自然落下させる

4. 上下の標線間を通過する時間tを測定

5. 動粘度を計算

装置定数Cは、標準液で校正して決定します。

利点：

・高精度（±0.5%以内）

・簡単な構造

・安価

・標準器として使用

欠点：

・透明な流体のみ

・試料量が必要（10〜20 mL）

・清掃が必要

・温度管理が重要

オストワルド粘度計

オストワルド粘度計

は、最も単純な構造の毛細管式粘度計です。

構造：

・U字型のガラス管

・片側に球状の容器と標線

・毛細管部分

測定方法：

ウベローデ粘度計と同様に流下時間を測定します。

オストワルド粘度計は構造が簡単ですが、ウベローデ式より精度が劣ります。

キャノン・フェンスケ粘度計

キャノン・フェンスケ粘度計

は、不透明液体も測定できる方式です。

特徴：

・自動的に一定体積を測定

・圧力駆動式

・石油製品の測定に適する

計算式はウベローデ式と同様：

これらの計算方法をマスターすれば、正確な粘度測定が可能になるでしょう。

落球式粘度計と簡易測定方法

続いては、落球式粘度計と簡易な測定方法を見ていきましょう。

落球式粘度計の原理

落球式粘度計は、流体中を球が落下する速度から粘度を求める装置です。

測定原理はストークスの式。

終端速度vで落下する球には、次の力が働いています。

・重力：(4/3)πr³ρₛg（下向き）

・浮力：(4/3)πr³ρg（上向き）

・粘性抵抗：6πηrv（上向き）

力の釣り合いから、

落下速度v = L/t（Lは距離、tは時間）なので、

落球式粘度計の測定方法

測定手順：

1. 円筒容器に流体を満たす

2. 球を流体表面から静かに落とす

3. 2本の標線間を通過する時間tを測定

4. 式に代入して粘度を計算

利点：

・構造が簡単

・安価

・透明な流体で視覚的に観察

・高粘度液の測定に適する

欠点：

・精度が低い（±5〜10%）

・透明な流体のみ

・球と容器の壁の影響（補正が必要）

・低粘度液には不向き

簡易測定方法

実験室や現場で、簡易的に粘度を評価する方法があります。

流出カップ法：

・一定体積のカップに穴を開けたもの

・流体が流出する時間を測定

・フォードカップ、ザーンカップなど

測定方法：

1. カップに流体を満たす

2. 穴から流出する時間を測定

3. 換算表から粘度を推定

用途：

・塗料の粘度管理

・現場での簡易測定

・相対比較

気泡上昇法：

・流体中に気泡を入れる

・気泡が上昇する速度を測定

・簡易的な粘度評価

傾斜流下法：

・傾斜板上での流下速度を観察

・流れの広がり方から粘度を推定

・非常に簡易的

棒の引き上げ法：

・棒を流体に浸して引き上げる

・付着した流体の流れ方を観察

・定性的な評価

これらの簡易法は精度が低いですが、迅速な評価や相対比較には便利です。

その他の粘度計

振動式粘度計

：

・振動子を流体中で振動させる

・共振周波数や減衰から粘度を測定

・小型で連続測定可能

・オンライン測定に適する

音叉式粘度計：

・音叉の振動減衰から粘度を測定

・非常に小型

・インライン測定

電磁式粘度計：

・磁場を利用して回転子を駆動

・非接触測定

・高温・高圧環境に適する

測定上の注意点と精度向上

続いては、粘度測定を正確に行うための注意点を見ていきましょう。

温度管理の重要性

粘度は温度に非常に敏感な物性値です。

温度の影響：

・液体：温度が10℃上がると粘度は1/2〜1/3に

・温度管理が最も重要

・±0.1℃以内の精度が理想

温度管理の方法：

・恒温槽（サーモスタット付き水槽）を使用

・測定前に十分な温度平衡時間（15〜30分）

・温度計で実測温度を確認

・測定中の温度変化を監視

温度記録：

測定結果には必ず温度を記録。

例：「粘度 = 100 mPa·s（20℃）」

試料の調製と前処理

正確な測定には、適切な試料調製が必要です。

気泡の除去：

・気泡は測定誤差の原因

・真空脱泡または静置

・撹拌後は十分な静置時間

異物の除去：

・フィルターで濾過

・特に毛細管式では重要

・詰まりの原因

試料の均一化：

・沈殿物がある場合は撹拌

・分離している場合は混合

・測定直前に確認

適量の試料：

・粘度計の仕様に従う

・不足や過剰は誤差の原因

粘度計の選択

測定する流体と測定範囲に応じて、適切な粘度計を選択します。

粘度範囲：

・低粘度（ 10,000 mPa·s）：回転式、落球式

流体の性質：

・透明：すべての方式

・不透明：回転式、キャノン・フェンスケ式

・ニュートン流体：すべての方式

・非ニュートン流体：回転式（せん断速度を変えられる）

精度要求：

・高精度（±1%以内）：同軸二重円筒式、ウベローデ式

・中精度（±2〜5%）：ブルックフィールド式

・簡易（±5〜10%）：落球式、流出カップ

試料量：

・少量（測定精度の向上

より正確な測定のための工夫：

複数回測定と平均化：

・最低3回測定

・平均値を採用

・ばらつきが大きい場合は原因調査

標準液での校正：

・定期的に標準粘度液で確認

・装置定数の検証

・トレーサビリティの確保

清掃の徹底：

・測定ごとに清掃

・残留物は誤差の原因

・溶媒で洗浄後、乾燥

せん断速度の影響：

・非ニュートン流体では複数のせん断速度で測定

・せん断速度-粘度曲線を作成

・用途に応じたせん断速度を選択

測定環境：

・振動のない場所

・直射日光を避ける

・室温が安定した場所

測定結果の記録

測定結果には次の情報を記録します。

必須項目：

・粘度の値と単位

・測定温度

・測定日時

・使用した粘度計の種類

推奨項目：

・せん断速度（回転式の場合）

・試料名と識別番号

・測定者名

・備考（異常など）

これらの注意点を守ることで、信頼性の高い粘度測定が実現できるでしょう。

まとめ

粘度の求め方と測定方法について、基本的な考え方から各種粘度計の原理、具体的な計算方法、簡易測定法、測定上の注意点まで詳しく解説してきました。

粘度測定の基本は、流体に力を加えたときの抵抗を測定することであり、η = τ/(dv/dy)という定義式に基づいています。

回転式粘度計は、トルクと回転速度から粘度を計算し（η = K × T/ω）、広範囲の粘度測定に適しているのです。

毛細管式粘度計は、流下時間から動粘度を求め（ν = C × t）、高精度測定（±0.5%）が可能。

落球式粘度計は、球の落下時間から粘度を計算し（η = K × t）、簡易測定に便利です。

測定では温度管理が最も重要で、±0.1℃の精度が求められ、気泡除去や適切な粘度計の選択も必要でしょう。

化学工学、品質管理、材料科学、食品工学など、多くの分野で粘度測定の知識が必要です。

この記事で学んだ知識を使って、正確な粘度測定を実現してください。