KR100303162B1 - 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치 - Google Patents

휴대용 윤활유 오염도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

윤활유 내의 상자성 입자 및 비자성 입자를 구별하여 윤활유 내의 오염도를 정량적으로 측정할 수 있고, 특히 기계 시스템이 가동중인 현장에서 용이하게 설치하여 여러 곳의 오염도 측정 대상체들의 오염도를 효과적으로 측정할 수 있는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 윤활유 샘플을 수용하기 위한 측정 셀; 측정 셀의 하부에 장착되어 윤활유 내에 포함된 자성체 물질에 자장을 인가하기 위한 수단; 측정 셀의 내벽에 장착되어 측정 셀의 일측에서 타측으로 선정된 각도로 광을 방출시키기 위한 발광부; 측정 셀의 타측으로부터 반사되는 광을 수신하기 위한 수광부; 및 수신된 광의 세기 변화를 측정하기 위한 수단을 포함한다.

Description

휴대용 윤활유 오염도 측정 장치{PORTABLE APPARATUS FOR MEASURING CONTAMINATION LEVELS OF LUBRICANTS}
본원 발명은 일반적으로 윤활유 내의 오염도를 측정하기 위한 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치에 관한 것으로, 특히 기계 시스템에 사용되는 윤활유 내의 오염도 측정시 작업 현장에서 용이하게 설치하여 측정할 수 있는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치에 관한 것이다.
최근 기계 및 전자 분야 등 전반적인 산업 분야에 걸친 과학 기술이 획기적으로 발전함에 따라 자동차, 항공기 등을 비롯한 기계류는 물론 발전소, 제철소, 석유 화학 플랜트 등 대형 플랜트에 이르기까지 기계류 및 시스템들의 예기치 않은 고장 및 이로 인한 사고 방지를 위하여 예방 정비 기술 또는 최적의 상태 진단 기술의 필요성이 절실하게 요구되고 있다.
윤활유에 포함된 오염량을 측정하고 분석함으로써 기계 시스템의 마모 및 파괴 여부, 그리고 건전성을 판단할 수 있게 하는 이른바 윤활유의 오염도 측정을 통한 상태 진단 기술은 윤활유를 사용하는 기계 시스템 내에서 발생하는 마모 입자들의 양 및 기타 외부로부터 침투하는 협잡물의 오염도를 분석하는 기술로서, 인체 내 혈액의 백혈구 및 적혈구 수를 정량적으로 측정하여 인체의 건강을 판단하는 기술과 유사하며, 따라서 기계 건강 진단 기술로도 불리운다.
일반적으로, 윤활유의 오염도 측정을 통한 상태 진단 기술에서는 크게 나누어 정량적 및 정성적인 결과들을 측정하는데, 첫째 정량적으로는 기계 작동 시간에 따른 기계 요소 부위로부터의 마모 입자의 발생량, 둘째 정성적으로는 마모 입자들의 성분 분석 및 마모 입자 크기의 변화, 외부로부터의 오염 입자 침입 여부, 기계 요소 부위의 부식 발생 여부 및 산화 정도 등을 측정 및 분석한다. 이상과 같은 측정 분석 결과에 의하여 일차적으로 기계 시스템의 건전성 여부를 판단하기도 하며, 또한 발생하는 마모 현상의 천이 특성을 분석하여 사전에 시스템이 파괴될 수 있음을 조기 경보하기도 한다. 또한 지속적으로 발생하는 마모 발생 특성을 분석하여 현재 사용되는 기계 시스템의 주된 마모 기구를 파악하고, 상기 결과를 이차적으로 개량된 기계 시스템 설계를 위한 기본 설계 자료로서 활용할 수도 있다.
윤활유 내의 오염도를 정량적으로 측정하는 기존의 상태 진단 기기로는 다음과 같은 기기들이 주로 사용되고 있다. 첫번째로, 실험실 내에서 샘플을 분석하는 오프-라인 상태 진단 기기인 분광 분석기(Spectroscopy) 및 입자 카운터(Particle Counter)를 들 수 있다. 분광 분석기는 윤활유 내에 오염되어 있는 물질의 성분및 정량적인 함량을 측정하는 것으로서, 현재 항공기의 엔진 등의 상태 진단을 위하여 사용되고 있다. 이 측정 기기는 정밀한 오염도 측정을 할 수 있는 장점은 있으나, 오염 물질들의 크기에 관한 정보를 얻을 수 없으며, 측정 분석이 가능한 오염 입자의 크기가 대략적으로 5-20㎛ 정도로 제한이 되는 문제점을 가지고 있다. 입자 카운터는 윤활유에 함유된 오염 입자들의 크기, 크기 분포 및 총 오염도를 측정하는 정밀 기기인데, 윤활유의 오염도가 클 경우에는 측정 작업이 불가능하고 오염 입자 성분에 관한 정보를 전혀 알 수 없는 단점이 있다. 둘째로, 미국 특허 제4,187,170호에 개시된 페로그라피(Ferrography) 기기, 영국 특허 제8121183호에 개시된 알피디(RPD: Rotary Particle Depositor) 기기 및 피큐(PQ: Particle Quantifier) 기기 등을 들 수 있다. 상기 기술들 중 페로그라피 및 알피디는 윤활유 내에 오염된 입자들을 투명한 유리 표면에 크기별로 고착시키는 방법을 이용한 기기들로서 고착된 오염 입자들을 광학 현미경이나 전자 현미경을 이용하여 확대, 시각화하여 오염 입자들의 크기, 형태, 색깔 등을 분석한다. 이와 같은 오염 입자 특성 분석을 통하여 윤활유 내로 오염이 발생한 근본적인 원인 및 현재 상황에 관한 정보를 분석할 수 있다. 그러나, 상기 발명에 의한 기기들은 분석 결과가 분석자에 따라 주관적으로 달라질 수 있다는 문제점을 지니고 있다.
윤활유의 오염도를 정량적으로 측정하는 기존의 기기들로는 큐디엠(Q.D.M.: Quantitative Debris Monitor), 마그네틱 칩 검출기(Magnetic Chip Detector), 에프시엠(F.C.M.: Fluid Condition Monitor) 등을 예로 들 수 있다. 큐디엠은 윤활유 내의 오염 입자들을 자기 유도하여 특정한 센서 표면에 충돌하게 하고 상기 결과에 의하여 발생하는 전압 펄스 특성으로 오염도를 측정하는 기기로서, 측정이 가능한 오염 입자의 크기가 100㎛ 이상으로 제한되어 있는 단점이 있고 수시로 상처난 센서 표면을 교체해야 하는 번거로움이 있다. 마그네틱 칩 검출기는 윤활유 내에 자성체 물질을 삽입하고 그 표면에 상자성체의 오염 입자들을 부착시킨 후에 주기적으로 자성체 물질을 육안으로 확인하는 등의 방법으로 분석하는 기기로서, 현장에서 간단하게 사용할 수 있는 장점은 있으나, 자성체 표면에 부착시킬 수 있는 상자성체 입자들의 크기가 100㎛ 이상으로 제한되며 또한 비자성체 오염 입자들에 관한 정보를 검출할 수 없는 단점을 지니고 있다.
상기 사항과 관련하여 대한민국 특허 출원 공개 제870-3498호에는 '윤활유 내 마모 입자 온라인 진단 방법 및 장치'가 개시되어 있다. 이는 빛이 윤활유를 통과할 때 오염된 입자들에 의하여 차단되는 광량을 측정하여 윤활유 시료 내의 입자의 양을 계측하는 것을 주된 특징으로 하고 있다. 또한 윤활유 샘플용 포트 상부에 영구 자석을 선택적으로 설치함으로써 윤활유 내부의 상자성체 입자들을 한 쪽으로 모아 빛의 통로에서 제외시킨 후에 광량을 측정케 하여 총 오염도 중 상자성체 성분의 오염도를 별도로 측정케 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기한 발명에서는 다음과 같은 문제점들이 발생할 수 있다. 첫째, 영구 자석을 이용하여 윤활유 내에 분산되어 있는 미소 크기의 상자성체 입자들을 윤활유의 저항을 이기고 영구 자석 쪽으로 유도하기 위하여 매우 자성이 강한 영구 자석을 사용해야 할 것이므로 이와 관련된 부위의 크기가 커질 수 있다. 두번째로, 현장에서 사용 중인 윤활유를 상기 기기로 직접 유도할 때에 윤활유 샘플 측정 셀 내부에는 윤활유뿐만 아니라 많은 공기 기포들이 공존할 가능성이 매우 높다. 상기 발명과 같이 빛을 측정 매체로 사용할 시에는 이와 같은 윤활유 내의 공기 기포들이 오염 입자들로 잘못 오인되어 측정될 수 있어서 오염도가 실제 이상으로 높게 측정될 위험성이 있다. 세 번째로, 상기 발명은 빛이 윤활유를 통과할 때 불투명한 오염 입자들에 의해 빛이 차단되는 효과만을 고려하고 있으나, 실시간 측정 대상으로 하는 윤활유의 점도 변화에 따라 빛을 감쇠시키는 효과가 달라질 수 있기 때문에 윤활유의 점도를 일정하게 유지하는 부수적인 장치가 보완되거나 온도 변화에 따라 빛의 광도를 자동으로 보정하기 전에는 상기의 변화가 오염도 측정에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 문제점이 내재되어 있다.
전술한 바와 같이, 윤활유 내의 오염 입자들을 정량적으로 측정하는 방법들에서 요구되는 주요한 기술적 사항들은 첫번째로 가능하면 실시간 방식으로 사용되는 것이 바람직하고 기계가 작동하는 작업 현장에서 직접 측정을 행할 수 있는 것이 요구되며, 무엇보다도 정밀하게 측정할 수 있는 능력을 구비하여야 한다. 두번째로, 오염되어 있는 입자들의 정량적인 오염도를 측정하는 것 외에도 오염 입자들을 정성적으로 분석할 수 있는 기능을 가진 방법이 보다 바람직하다고 할 수 있다. 이는 기계 시스템 내의 주요 기계 요소들이 상자성체인 철강 재료들과, 알루미늄, 구리 등의 비자성체 재료들로 구성되어 있기 때문에, 이들 기계 요소들이 마모됨에 따라서 윤활유 내에 마모 입자로서 오염되는 정도를 병행하여 측정하는 것이 곧바로 기계 시스템 내에서 어느 부분의 기계 요소에서 마모 발생이 큰지를 효과적으로 파악할 수 있게 하기 때문이다.
또한 실시간 오염도 측정 기기를 현장에서 장기간 사용하기 위하여는 상기 기기의 보수 유지 관리가 최소한도로 되는 것이 바람직하다. 기존의 측정 기기들을 검토해 보면, 예시한 바와 같이 오염도를 측정하는 원리로서 필터 부품이나 전자기성 코팅 피막을 사용함을 흔히 볼 수 있다. 필터 부품을 사용하여 필터 전후의 압력 차 혹은 윤활유 흐름량의 변화를 측정하는 방법에서는 측정 작업 후에 윤활유를 역방향으로 흐르게 하여 필터 표면에 걸려 있는 오염 입자들을 제거하는 방법을 주로 사용하고 있으나, 상기 작업 후에 필터 표면이 완벽하게 세정되었는지를 확인하기 어려운 문제점이 있으며, 일정 기간 사용 후에는 상기의 필터 요소를 교체해야 하는 번거로움이 있다. 또한 전자기성 피막 코팅을 이용하는 기기들에서도 측정에 따른 불가피한 피막 손상에 의하여 상기 부품을 교체하여야 하는 문제점이 있다.
한편, 일반적인 윤활유의 오염도 측정 방법은 일정량의 윤활유 샘플을 원통형 용기에 담아 광 센서(발신부: 적외선 다이오드, 수신부: 포토 다이오드)를 이용하여 광을 투과시키고, 투과되는 광량의 변화 즉 광학 밀도의 변화를 측정하여 윤활유 내에 함유되어 있는 총 오염도를 정량적으로 검출하게 된다. 그러나, 이와 같은 방법으로는 윤활유의 오염도가 기계 요소 재료들의 마모에 의하여 발생하였는지 또는 외부로부터 침투한 물질들에 의하여 야기되었는지를 알 수가 없다. 기계 요소 부품 및 시스템의 윤활을 위하여 사용하는 윤활유 내에 존재하는 대부분의 마모 입자들은 상자성체 또는 강자성체의 물질들로 구성되기 때문에 외부로부터 윤활유 내로 침투하는 기타의 불순물들과는 자화되는 성질이 다르다고 할 수 있다. 따라서, 이와 같은 자성체 물질들에 의한 오염도를 측정하기 위하여 사용할 수 있는 방법 중의 하나는 윤활유 주위에 자장을 걸어줌으로써 자성체 입자들을 자력선을 따라 배열되게 하여 윤활유를 통과하는 빛의 밀도를 변화시키는 방법이다. 그러나, 이와 같은 방법을 사용할 경우에 문제가 될 수 있는 점은 강한 자장을 걸어주기 위하여 대형 전자석을 사용하여야 하고, 특히 윤활유 내에 자성체 물질의 오염도가 상대적으로 낮을 경우에는 자장에 의한 광학 밀도의 변화가 크지 않기 때문에 윤활유 내부를 투과하는 빛의 거리를 크게 할 수 밖에 없어서 측정 셀의 크기가 필요 이상으로 커지게 되는 문제점들이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 윤활유 내의 상자성 입자 및 비자성 입자를 구별하여 윤활유 내의 오염도를 정량적으로 측정할 수 있고, 특히 기계 시스템이 가동중인 현장에서 용이하게 설치하여 여러 곳의 오염도 측정 대상체들의 오염도를 효과적으로 측정할 수 있는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 윤활유 샘플을 수용하기 위한 측정 셀; 측정 셀의 하부에 장착되어 윤활유 내에 포함된 자성체 물질에 자장을 인가하기 위한 수단; 측정 셀의 내벽에 장착되어 측정 셀의 일측에서 타측으로 선정된 각도로 광을 방출시키기 위한 발광부; 측정 셀의 타측으로부터 반사되는 광을 수신하기 위한 수광부; 및 수신된 광의 세기 변화를 측정하기 위한 수단을 포함한다.
상기 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 발광부로부터 방출되는 광을 평행하게 하기 위한 광학 수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 윤활유 내의 기포를 제거하기 위한 진공 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 기계 시스템으로부터의 마모 입자 발생 및 외부로부터의 협잡물 침투 등의 여러 요인에 의해 윤활유의 오염도가 변하는 현상을 윤활유를 통과하는 광자기량 변화를 측정함으로써 정량적으로 측정하도록 되어 있으며, 특히 자성체 성분의 마모 입자들에 의한 오염도를 일정 시간 동안 농축함으로써 윤활유 내 오염도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치에서 샘플 윤활유 용기로부터 측정 셀(용기)로 윤활유를 공급하고 순환시키는 윤활 라인의 흐름도와 윤활유내의 기포를 제거하기 위한 진공 장치의 배기도를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치의 측정 데이타 처리 과정을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치의 측정 셀의 측면에 설치된 전자석에 의한 자장에 의해 측정 셀의 표면에 자성체 물질이 부착되는 것을 나타내는 도면.
도 5는 ACMTD 입자를 오염 입자로 사용하여 윤활유 내의 오염도를 변화시키면서 본 발명에 따른 오염도 측정 장치로 측정한 윤활유의 광학 밀도 변화 J2(t)를 도시하는 도면.
도 6은 카아보닐-철 입자(Carbonyl Iron Powder)를 오염 입자로 사용하여 윤활유 내의 오염도를 변화시키면서 본 발명에 따른 오염도 측정 장치로 측정한 윤활유의 광학 밀도의 변화 J3(t)를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 윤활유 샘플 측정 셀
2 : 윤활유 샘플 흡입구
3 : 윤활유 샘플 배기구
4 : 윤활유 흡입 조절 전자변 밸브
5 : 윤활유 배출 조절 전자변 밸브
6, 7, 8, 9 : 입사용 광섬유
10, 11, 12, 13 : 입사용 광학 렌즈부
16, 17, 18, 19 : 수신용 광학 렌즈부
20, 21, 22, 23 : 수신용 광섬유
24 : 윤활유 수준계
25 : 전자석
26, 27, 28, 29 : 광섬유 및 렌즈 고정부
30 : 케이스
31 : 진공 펌프
32 : 모터
33 : 진공 게이지
34 : 원형 창틀
35 : 샘플 용기
36 : 밸브
37 : 휴대용 컴퓨터
38 : 증폭기
39 : 광 발생부
40 : 측정 셀
41 : 광섬유
42 : 증폭기 수신부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치를 나타낸다.
본 발명에 따른 오염도 측정 장치는 윤활유 샘플 측정 셀(1), 측정 셀(1)에 측정 대상 윤활유를 순환시키며 공급하는 윤활유 샘플 흡입구(2) 및 윤활유 샘플 배출구(3), 윤활유 샘플 흡입구(2) 및 윤활유 샘플 배출구(3)로의 윤활유 흐름을 단속 제어하는 윤활유 흡입 조절 전자변 밸브(4) 및 윤활유 배출 조절 전자변 밸브(5), 측정 셀(1) 내의 윤활유에 광을 투사하기 위한 적외선 발광 다이오드(도시되지 않음), 발광 다이오드로부터 광을 전달하는 입력용 광섬유(6, 7, 8, 9), 입력용 광섬유(6, 7, 8, 9)를 통해 전달된 광을 평행광으로 만들어 측정 셀(1) 내의 윤활유에 입사시키는 입력용 광학 렌즈부(10, 11, 12, 13), 윤활유를 통과하여 감쇠된 광을 모으기 위한 수신용 광학 렌즈(16, 17, 18, 19), 수신용 광학 렌즈부(16, 17, 18, 19)에서 모아진 광을 포토 다이오드(도시되지 않음)로 전달하기 위한 수신용 섬유(20, 21, 22, 23), 샘플 윤활유의 양이 측정 셀(1) 내의 적당한 수위까지 도달함을 측정하기 위하여 설치된 윤활유 수준계(24), 측정 셀(1)내의 윤활유에 자장을 인가하기 위한 전자석(25), 광섬유들 및 렌즈부들을 고정하기 위한 부분(26, 27, 28, 29), 내부를 보호하는 케이스(30), 샘플 윤활유를 측정 셀(1)에 유도하기 위해 측정 셀(1) 상부에 설치된 피스톤형 진공 펌프(31), 진공 펌프(31)를 구동하기 위한 모터(32), 측정 셀(1) 내의 진공도를 측정하는 진공 게이지(33), 및 측정 셀 내 윤활유의 흐름을 볼 수 있는 원형 창틀(34)들을 포함한다.
본 발명의 장치는 측정 셀(1)의 측면에 자장을 걸어주고, 자장이 작용하는 표면 부위에 자성체 물질들이 부착하게 되면 윤활유 속에 오염되어 있는 자성체 물질들이 물리적으로 농축되는 효과를 얻을 수 있다는 점에 착안하여 적은 양의 자성체 물질에 의한 오염이라 하더라도 이를 정밀하게 측정할 수 있도록 하였다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 전자석(25)에 의해 측정 셀(1) 내에 자장이 걸리면 윤활유 흐름과 수직 방향으로 자력선이 인가되며, 자성체의 입자들이 측정 셀의 측면에 설치된 전자석과 인접한 벽면에 퇴적되게 되고, 윤활유의 흐름에 따라서 전자장이 걸리는 시간과 비례하여 상기 벽면에 퇴적하는 자성체 물질의 양도 증가하게 된다.한편 측정 윤활유가 흐르는 용기의 단면을 폭이 넓고 높이가 낮은 직사각형 단면으로 구성하고 상기 용기의 측면에 전자석을 설치하면 자장의 영향을 받아 퇴적되는 자성체 물질의 양을 극대화 할 수 있다. 이 때 윤활유 흐름의 수직 방향에서 볼 때, 윤활유 흐름의 상부에서 빛을 표면이 빛 반사를 용이하게 하는 물질로서 입혀져 있는 윤활유 통로 하부로 일정한 각도로 투사하고 반대 방향으로 반사되어진 빛의 양을 지속적으로 측정하면 수신되는 빛의 양은 자장이 걸리는 시간에 따라서 바닥에 퇴적된 물체들에 의한 빛 감쇄 효과에 의하여 지속적으로 감소하게 된다. 상기의 시간에 따른 광학밀도 차이를 측정하고 비교함으로써 윤활유 내에 함유되어 있는 자성체의 오염입자와 비자성체 성분의 불순물의 상대적인 비율을 측정할 수 있다.
본 발명의 장치에서는 투과되는 광을 평행광으로 만들기 위하여 2개의 렌즈를 사용하였으며, 다이오드의 온도 특성을 보상하기 위하여 발광 다이오드의 광을 측정하여 피드백 제어를 통해 일정 광량을 입사하도록 하였다. 또한 발광 및 수광 다이오드의 특성이 윤활유의 온도에 무관하도록 하며, 증폭기와 센서를 분리하기 위하여 광섬유를 사용하였다.
본 발명에 따른 오염도 측정 장치의 측정 원리는 이론적으로 다음과 같다.
일반적으로 매질을 통과하는 광의 세기는 광감쇠 이론에 의하여 수학식 1과 같이 표시된다.
수학식 1에서 I1은 투과된 광세기, I0는 입사광의 세기, χ는 광의 투과거리이며 σ는 감쇠정수로서 매질 내에 위치하고 있는 오염입자의 농도와 비례관계를 보인다. 따라서 매질을 통과하는 광들의 상호 대수(logarithm) 비는 오염입자의 농도와 비례 관계를 가지게 된다. 윤활유 내에 오염 입자들이 존재함에 의하여 본 발명의 측정 셀에 의하여 측정되는 광학밀도의 변화는 상기 원리를 적용하면 윤활유의 오염 정도 및 자기장의 유무에 따라서 다음 수학식과 같이 표시된다.
여기서, J1: 신유의 광학밀도, J2: 사용유의 광학밀도
J3(t): 자장을 가했을 때 사용유의 광학밀도,
t : 자장이 가해지는 시간
따라서 신유와 사용유의 광학밀도 J1과 J2를 측정함으로써 수학식 2에 의하여 그 광량의 크기 비로써 광학밀도의 변화 D1이 계산되어지며, 윤활유 내부에 존재하는 총 오염도 양은 사전에 표준 오염입자 오염도에 따라 측정된 D1결과를 이용하여 환산함으로써 결정되어진다 (제5도 및 제6도 참조). 또한 측정 셀에 자기장을 걸어주면 자성체의 오염입자들이 전자석이 위치하고 있는 방향의 바닥에 퇴적하게 되며, 그 결과로 광학밀도 값이 J2에서 J3(t)로 변화되고 오염도 대소에 따라 별도로 일정한 시간(t)를 정하면 수학식 3에 의하여 자성체 오염 입자들만에 의한 오염도를 상대적으로 측정할 수 있다. 이와 같은 자성체 마모입자들의 총량은 별도의 예비 시험 결과를 이용하여 환산할 수 있다.
이제, 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 샘플 윤활유 용기(35)로부터 측정 셀(1)로 윤활유를 공급하고 순환시키는 윤활 라인의 흐름도 및 윤활유 내의 기포를 제거하기 위한 진공 장치(31)의 흐름도를 도시하는 도면이다.
상기 도면에서, 윤활유의 흐름은 진공 펌프(31)를 이용하여 윤활유 용기(35)로부터 측정 셀(1)로 윤활유 입력측 전자변 밸브(4)의 제어에 의해 윤활유가 공급되며 윤활유의 양이 윤활유 수준계(24)의 위치에 이를 때까지 윤활유가 공급된다. 진공 펌프(31)는 샘플 윤활유를 측정 셀(1) 내로 공급하는 역할 외에도 윤활유 내의 기포를 제거하는 역할을 수행한다. 윤활유가 윤활유 수준계(24)의 위치까지 도달하면 진공 펌프(31)의 작동은 중단되고 윤활유 입력측 전자변 밸브(4)가 닫히게 되며, 일정 시간동안 윤활유의 상태가 안정화될 때까지 대기하며 다시 진공 펌프(31)를 구동하여 측정 셀(1) 내의 윤활유 속에 존재하는 공기 기포들을 제거한다. 윤활유 내의 공기 기포들이 제거된 후에 진공을 대기로 환원시켜 주는 대기 환원용 전자변 밸브(36)와 출력측에 연결된 윤활유 출력측 전자변 밸브(5)를 열어서 윤활유가 아래 방향으로 흐르게 하고, 측정 셀(1)의 측면에 설치된 전자석(도시되지 않음)에 전기가 공급된 상태에서 측정을 행하게 된다. 일정한 시간동안의 오염도 측정 후에는 전자석에 걸려있는 자기장을 풀어주고 윤활유 입력측의 전자변 밸브(4)도 열어서 원통형 용기 내에 잔류하고 있는 윤활유를 배출한다.
다음은 사용유의 오염도 및 자성체 입자들에 의한 오염도를 측정하는 작업 순서를 예시한다.
가)윤활유 마모량 수동 측정 작업의 순서
1) 오염도 측정 장치에 주전압을 공급한다.
2) 윤활유 흡입 조절 전자변 밸브(4)를 열고, 진공 펌프(31)를 가동한다.
3) 윤활유가 윤활유 수준계(24) 위치까지 위치하면 진공 펌프(31)를 정지시켜 윤활유의 공급을 차단하고, 10초 동안 윤활유를 안정화한 후에 윤활유 내에 포함되어 있는 공기 기포를 제거하기 위해 진공 펌프(31)를 다시 가동한다.
4) 윤활유내 기포가 완전히 제거되었으면 진공 펌프(31)를 오프시키고, 대기로 연결되어 있는 대기 환원용 전자변 밸브를 열어서 대기 조건으로 환원한다.
5) 윤활유 흐름이 정지된 상태에서 측정 셀(1)의 사용유의 광학밀도 J2를 측정한다.
6) 윤활유 배출 조절 전자변 밸브(5)를 열어 측정 셀(1)로부터 윤활유를 흘려주며 전자석(25)에 전류를 가하여 윤활유 내부에 자장을 걸어준다.
7) 자성체 입자들이 측정 셀(1) 내벽에 퇴적하면서 변하는 광학밀도 J3(t)를일정한 시간 동안 측정한다.
8) 전자석(25)에 가해졌던 전원을 끊고, 양 전자변 밸브(4, 5)를 동시에 개폐하여 측정 셀 내에 잔류하고 있는 샘플 윤활유를 배출한다.
9) 측정된 J2, J3(t)들로부터 수학식 2 및 3의 값들을 계산하여 윤활유 내에 함유되어 있는 총 오염도와 자성체 입자들의 오염 농도를 사전에 환산되어 있는 값을 이용하여 상기 입자들의 오염 농도를 각각 구한다.
나)자동 측정 시스템 구성
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치는 위에서 설명한 수동 작업에 의한 측정 외에도 본 발명에 따른 장치를 휴대용 컴퓨터에 연결하여 측정 작업이 자동으로 이루어질 수 있도록 하였다. 자동 측정이 가능한 본 발명의 측정 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 윤활유의 오염도를 측정하는 측정 셀(1), 전자변 밸브들(4, 5)의 제어 및 윤활유 공급과 진공 펌프(31)의 구동을 제어하기 위한 증폭기(38), 그리고 증폭기(38)와 정보를 주고 받으며 데이터를 표시, 저장 및 분석하는 휴대용 컴퓨터(37)로 구성되어 있다.
휴대용 컴퓨터(37)의 명령으로부터 증폭기(38) 내의 마이크로 프로세서가 작동하여 진공 펌프(31) 및 각 밸브들(4, 5)의 동작을 제어하고, 광원을 발생시키고 감지하여 광 발생부(39)로부터 입력용 광섬유(41)를 통하여 발생된 광이 측정 셀(1)로 입사되고, 수신용 광섬유(20, 21, 22 및 23)를 통하여 윤활유를 통과한 광이 증폭기 수신부(42)로 수신되어 컴퓨터로 입력된다. 컴퓨터 모니터에는 그 측정결과들을 그래프 형태로 표시하여 주도록하였고 측정결과를 입출력하게 하였다.
도 4는 측정 셀(1) 측면에 전자석(25)을 설치한 구성으로서, 측정 셀(1) 내에 자장이 걸리면 윤활유 흐름과 수직 방향으로 자력선이 인가되며, 자성체의 입자들이 측정 셀(1)의 측면에 설치된 전자석(25)과 인접한 벽면에 퇴적되게 되고, 윤활유의 흐름에 따라서 전자장이 걸리는 시간과 비례하여 상기 벽면에 퇴적하는 자성체 물질의 양도 증가하게 되는 것을 나타낸다. 한편 측정 윤활유가 흐르는 용기(측정 셀)의 단면을 폭이 넓고 높이가 낮은 직사각형 단면으로 구성하고 상기 용기의 측면에 전자석을 설치하면 자장의 영향을 받아 퇴적되는 자성체 물질의 양을 극대화 할 수 있다. 이 때 윤활유 흐름의 수직 방향에서 볼 때, 윤활유 흐름의 상부에서 빛을 표면이 빛 반사를 용이하게 하는 물질로서 입혀져 있는 윤활유 통로 하부로 일정한 각도로 투사하고 반대 방향으로 반사되어진 빛의 양을 지속적으로 측정하면 수신되는 빛의 양은 자장이 걸리는 시간에 따라서 바닥에 퇴적된 물체들에 의한 빛 감쇄 효과에 의하여 지속적으로 감소하게 된다. 상기의 시간에 따른 광학밀도 차이를 측정하고 비교함으로써 윤활유 내에 함유되어 있는 자성체의 오염입자와 비자성체 성분의 불순물의 상대적인 비율을 측정할 수 있다.
도 5는 ACMTD 입자를 사용하여 윤활유 내의 오염도를 변화시키며 본 발명에 따른 측정 셀(1)로 측정한 윤활유의 광학밀도 변화(J2)를 도시하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 측정한 윤활유의 입자 농도는 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 ppm으로서 오염도 증가에 따른 광학 밀도의 변화는 선형적으로 증가하는 현상을 볼 수 있다.
도 6은 카아보닐-철 입자(Carbonyl lron Powder)를 오염입자로 사용하여 본 발명에 따른 측정센서(1)로 측정한 광학 밀도의 변화 J3(t)를 도시하는 도면이다. 측정한 윤활유의 입자 농도는 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 ppm으로서 농도 증가에 따른 광학밀도 J3의 변화는 ACMTD 입자를 첨가했을 때와는 달리 지수적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 측정 초기(t = 0)에는 농도 증가에 따른 광학밀도 차이가 매우 작으나, 측정 시간이 증가함에 따라서 농도 변화에 따른 측정 값 변화가 점차적으로 커져서 오염된 시료들의 오염 농도를 보다 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 휴대용 윤활유 오염도 측정 기기는 휴대용 컴퓨터와 연결하여 작업 현장에서 용이하게 설치하여 실시간으로 윤활유 내의 오염도를 정량적으로 측정할 수 있으며, 오염 입자를 정성적으로도 분석할 수 있어 기계 시스템 내의 어느 부위에서 마모 발생이 심한지를 효과적으로 파악함으로써 기계 시스템의 예기치 못한 고장 및 이로 인한 사고를 방지할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시예를 통해 설명되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의되는 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양한 다른 변형을 실시할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

  1. 자성체 물질을 포함하는 윤활유의 오염도를 측정하기 위한 휴대용 장치에 있어서,
    윤활유 샘플을 수용하기 위한 측정 셀;
    상기 측정 셀의 하부에 장착되어 상기 자성체 물질에 자장을 인가하기 위한 수단;
    상기 측정 셀의 내벽에 장착되어 상기 측정 셀의 일측에서 타측으로 선정된 각도로 광을 방출시키기 위한 발광부;
    상기 측정 셀의 타측으로부터 반사되는 광을 수신하기 위한 수광부; 및
    상기 수신된 광의 세기 변화를 측정하기 위한 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발광부로부터 방출되는 광을 평행하게 하기 위한 광학 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 윤활유 내의 기포를 제거하기 위한 진공장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 측정 셀과 상기 발광부는 광 섬유로 연결된 것을 특징으로 하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 장치.
  5. 제1항에 따른 윤활유 오염도 측정 장치를 포함하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 시스템에 있어서,
    상기 윤활유 내의 기포를 제거하기 위한 진공 장치;
    상기 시스템의 운전 및 윤활유 공급과 진공 장치의 공압 및 전자변 밸브를 제어하기 위한 시스템 제어부; 및
    상기 측정 셀에 온 라인 결합되어 윤활유 오염도 측정 결과를 분석 및 저장하기 위한 휴대용 컴퓨터
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 윤활유 오염도 측정 시스템.
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