KR100352710B1 - 과도유동 모세관 점도계 및 점도측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체의 점도를 측정하기 위한 점도계에 관한 것으로, 특히 과도유동현상을 이용하여 액체의 점도를 측정하는 장치이며, 비뉴턴유체와 부유입자가 떠 있는 액체의 점도측정에 편리한 모세관식 점도계이다.

이와 같은 목적을 위한 본 발명 과도유동 모세관 점도계는 액체를 저장하는 저장조(100)와; 상기 저장조(100)와 연결되어 액체가 흐르게 되는 모세관(200)과; 상기 모세관(200)을 통과한 액체를 수집하여 그 질량을 측정하고 이를 전기적신호로 변환하는 로드셀 장치(300)와; 상기 로드셀 장치(300)에서 변환된 전기적 신호를 실시간으로 전달하는 인터페이스 장치(400)와; 상기 인터페이스 장치(400)의 신호를 처리하여 유체의 점도를 계산하는 컴퓨터장치(500)로 구성된 것을 특징으로 하며, 소량의 시료를 이용하여 넓은 범위의 전단률에 걸친 액체의 점도를 정확하고 신속하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

과도유동 모세관 점도계 및 점도측정방법{Transient flow capillary tube viscometer and method for measuring viscosity thereof}

본 발명은 액체의 점성을 측정하는 점도계에 관한 것으로서, 특히 액체(liquid)유동의 정상상태(steady state)는 물론 과도상태 또는 비정상 상태(unsteady state)인 경우에도 그 점도의 측정이 용이하며, 신속하고 정확하게 유체의 점도(viscosity)를 측정할 수 있는 모세관식 점도계에 관한 것이다.

유체 내에는 유체가 흐를 때 유동에 저항하는 성질을 가지고 있는데, 이러한 성질을 점성(viscosity)이라고 한다. 즉, 유체가 흐르고 있을 때, 유체 내의 각 층 사이 또는 유체와 고체사이에서 분자간의 잡아당기는 힘에 의해 서로 운동을 막으려고 하는 힘이 작용하는 데 이러한 성질이 점성이다. 이러한 점성의 크기를 점성계수 또는 점도라고 한다.

보통 유체의 점도는 온도와 압력에 따라 다른데, 액체의 경우에는 온도가 높아지면 점도는 감소하고 압력이 증가하면 점도는 증가한다.

유체는 뉴턴유체와 비뉴턴유체로 구분할 수 있으며, 뉴턴유체는 점성계수가 전단률 변화에 관계없이 일정한 값을 가지는 유체를 말하며, 비뉴턴유체는 전단률에 따라 점성계수가 비선형적으로 변하는 유체를 말한다. 즉, 운동중인 유체에서 인접 부분의 유체요소가 서로 다른 속도로 흐를 때 그 인접 두 부분 사이에는 속도구배가 발생하며 이 속도구배는 전단응력과 연관되어있다. 전단응력이 속도구배에 정비례하는 유체를 뉴턴유체라고 하고 그렇지 않은 모든 유체를 비뉴턴유체라 한다.

비뉴턴유체의 예로서 고분자 폴리머용액, 식용유, 혈액을 들 수 있는데, 이들 유체의 점도는 전단률이 낮은 영역에서는 크게 나타나고, 전단률이 큰 영역에서는 낮게 나타나는 비뉴턴유체이다.

액체의 점도와 관련된 특성을 결정하기 위해서는 전단률이 매우 낮은 영역의 점도, 즉 영전단률 점도와 중간 전단률 영역의 점도를 나타내는 멱법칙 점도, 그리고 전단률이 매우 큰 영역의 점도인 무한전단률 점도를 알아야 한다.

이와 같이 유체의 점도를 측정하는 기기를 점도계(viscometer)라 하며, 현재 많이 사용되는 종류는 모세관 점도계, 회전식 점도계, 낙구식 점도계 등이 있다. 이러한 점도계의 측정원리 및 기능을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

회전식 점도계는 운동중인 유체가 원통 혹은 원판에 미치는 저항력을 측정하여 유체의 점도를 측정하는 기기이다. 회전식 점도계는 중간 전단률 영역의 점도를 측정하는 데 적합하나, 영전단율 점도를 측정하는 데는 부적합하다.

낙구식 점도계는 액체 중에서 낙하하는 구의 종말속도(terminal velocity)를 측정하여 점도를 측정하는 기기로서, 전단률이 낮은 영역의 점도 측정에 적합하다.

모세관 점도계는 정상유동상태인 유체의 질량유량과 압력강하량을 측정하여 포이셀(POISEUILLE) 법칙을 이용하여 점도를 측정하는 기기이다. 유체의 정상유동(steady flow) 상태란 유체의 흐름상태가 시간에 따라 변화하지 않고 일정한 상태를 유지하는 유동을 말하며, 과도유동 또는 비정상(transient flow)유동은 흐름의 상태가 시간에 따라 변화하는 유체의 유동상태를 말하는 것이다.

기존의 모세관 점도계는 점도측정에 있어서 정상상태에서 이루어지므로 주어진 전단률에서 실험결과를 얻는데 많은 시간이 소요되며, 다양한 전단률에 걸친 점도를 측정할 때 환경변화에 의한 오차발생의 우려가 있었다.

이에 더하여, 혈액이나 고형물이 함유된 유체(예를 들어 흙탕물)와 같은 비뉴턴유체의 점도측정은 불가능하였다.

더군다나 혈액의 경우, 환자의 몸에서 체취한 혈액을 실험실에서 그 점도를 측정하기 위하여는 혈액의 응고를 방지하기 위하여 항응고제를 첨가하여야 했으며 점도측정에 많은 노력과 시간이 필요하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 기존 점도계의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액체를 저장하는 저장조와; 상기 저장조에 연결되어 액체가 흐르게 되는 모세관과; 상기 모세관을 통과한 액체를 수집하여 그 질량을 측정하고 이를 전기적 신호로 변환하는 로드셀 장치와; 상기 로드셀에서 변환된 전기적 신호를 실시간으로 전달하는 인터페이스 장치와; 상기 인터페이스 장치의 신호를 처리하여 액체의 점도를 계산하는 컴퓨터장치로 구성됨으로써, 항응고제의 첨가없이 혈액의 점도를 현장에서 바로 측정할 수 있으며, 고형물이 함유된 액체에서는 침전이 이루어지기 전에 점도측정이 가능하여 산업현장에서 바로 점도를 측정할 수 있으며, 넓은 전단률 영역의 점도는 물론 과도유동상태에서 액체의 점도측정도 가능하고, 소량의 시료로도 점도를 정확히 측정해 낼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시 예를 나타낸 구조도,

도 2a는 본 발명의 저장조와 모세관을 나타낸 도,

도 2b는 도 2a의 A의 확대도,

도 3은 도 1의 B의 확대도로서 액체를 수집하는 용기를 보여주는 도,

도 4는 과도유동 점도계를 이용한 점도계산방법의 실시예를 보여주는

흐름도.

< 도면의 주요부분에 부호의 설명 >

100 : 저장조 200 : 모세관

300 : 로드셀장치 400 : 인터페이스 장치

500 : 컴퓨터장치 600 : 밸브

700 : 용기 800 : 완충부

도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 도로서 이를 참조하여 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 액체를 저장하는 저장조(100)와; 상기 저장조(100)와 연결되어 액체가 흐르게 되는 모세관(200)과; 상기 모세관(200)을 통과한 액체를 수집하여 그 질량을 측정하고 이를 전기적 신호로 변환하는 로드셀 장치(300)와; 상기 로드셀 장치(300)에서 변환된 전기적 신호를 실시간으로 전달받아 이를 처리하는 인터페이스 장치(400)와, 상기 인터페이스 장치(400)의 신호를 받아 유체의 점도를 계산하는 컴퓨터장치(500)로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 저장조(100)는 점도를 측정할 대상 액체를 저장하는 용기로서 그 내경이 작은 원형관의 형태로 함으로써 적은 양의 액체를 이용하고 과도유동 상태에서 액체의 점성측정을 용이하게 할 수 있다.

상기 모세관(200)은 상기 저장조(100)에 연결된 관으로서 상기 저장조(100)보다 훨씬 가늘게 하여 액체가 이 관을 따라 흘러 나올 수 있도록 하는 관이다.

상기 저장조(100)와 모세관(200)은 지면과 수직이 되도록 설치된다.

상기 로드셀 장치(300)는 상기 모세관(200) 아래에 설치되어, 상기 모세관(200)을 통과한 액체를 수집하는 장치로서 수집된 액체의 미세한 질량을 측정한다.

상기 로드셀 장치(300)의 상측에는 액체를 수집하는 용기(700)가 놓여져 있고 미소 유량 측정시 발생되는 오차를 최소화 하기 위하여 용기의 중앙부에 완충부(800)를 설치할 수가 있다.

상기 로드셀 장치(300)에서 측정된 액체의 질량의 값은 전기적 신호 즉 출력전압으로 변환되어 인터페이스 장치(400)로 전송되고 인터페이스는 컴퓨터장치에 입력 가능한 신호로 변환하여 상기 컴퓨터장치(500)로 전송된다.

상기 컴퓨터장치(500)는 상기 로드셀 장치(300)의 출력전압을 입력받아 이에 의하여 시간당 상기 로드셀 장치(300)에 수집되는(상기 모세관(200)을 통과하는) 액체의 질량을 측정해 내고, 또한 상기 저장조(100)의 압력수두를 계산하여 점도를 결정하는데 이용하고 계산된 결과를 컴퓨터 모니터에 표시하게 된다.

이하 본 발명 과도유동 모세관 점도계의 작용과 점도측정방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

밸브(600)를 열면 액체가 상기 저장조(100)에 저장되고, 상기 작은 크기의 저장조(100)에 담겨진 액체는 상기 저장조(100)에 연결된 수직상태의 모세관(200)을 통하여 흐르고, 곧바로 상기 모세관(200)을 통과한 유체가 상기 로드셀장치(300)에 수집된다.

상기 로드셀 장치(300)에 수집된 유체의 질량유량을 정밀하게 측정하게 되면 상기 컴퓨터장치(500)에 의하여 상기 저장조(100)의 압력수두가 정확하게 계산될 수 있다.

즉 상기 로드셀 장치(300)에 수집된 유체의 질량은 상기 로드셀 장치(300)에서 정확히 측정되고 이는 전기적 신호인 전압으로 변환되어 상기 컴퓨터장치(500)로 보내져 점도를 계산하는 데 이용된다.

시간이 흐름에 따라 상기 로드셀 장치(300)에 누적되는 질량에 의한 상기 로드셀 장치(300)의 출력전압은 실시간으로 상기 컴퓨터장치(500)에 입력되고 상기 컴퓨터장치(500)에 내장된 시계의 시간과 함께 상기 출력전압이 저장된다. 시간변화에 따른 질량변화의 값이 계산되어 유량과 유속, 저장조 내의 수두변화에 따른 압력차등의 값이 계산되고 이를 이용하여 점도를 계산해 낼 수 있다.

적은 양의 시료를 사용하기 때문에 저장조의 크기가 작으며 이로 인하여 로드셀 장치는 수 그램에서 수십 그램에 이르는 미소량의 유량을 측정하게 된다. 이때 모세관 출구와 액체를 받는 용기의 거리가 크면 액체의 떨어지는 충격으로 인하여 측정 결과에 큰 오차를 발생한다.

액체의 낙하 충격량의 영향을 최소화하기 위하여 도 3과 같이 용기의 중앙부에 완충부를 설치하고 모세관(200)과 완충부(800)의 거리를 수 ㎜ 이내로 조절한 후 실험한다.

본 발명 과도유동 모세관 점도계에 의한 점도()를 계산해 내는 방법을 도2a와 도2b을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도2a 는 저장조(100)와 모세관(200)의 길이를 나타낸 도이고, 도2b는 모세관(200)내의 유체의 미소체적(B)을 나타낸 도이다.

상기 모세관(200)내 미소검사체적(B)에 대한 비압축성 유체의 유동방향(모세관길이 방향)인 z방향의 운동량방정식은 완전히 발달된 비정상상태에서 다음의 [수학식 1]과 같이 정리된다.

[수학식 1]

상기 식에서는 유체의 점도이고,는 시간,은 반경방향,는 유동 방향의 속도,는 유체의 압력,는 유체의 밀도,는 중력가속도를 나타낸다.

이와 같이 정리된 [수학식 1]을 적분하면 체적유량(Q)은 [수학식 2]와 같이 얻을 수 있다.

[수학식 2]

상기 식에서는 유체의 체적 유량이고,은 모세관의 내부반경이다.

상기 [수학식 2]에서 비정상유동을 나타내는 항을 수정 베르누이 방정식을 이용하여 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

상기 [수학식 3]에서는 저장조내 액체의 높이이고,은 모세관의 길이이고,는 과도 유동에 의한 수정계수이고,은 모세관내 평균 속도이다.

또한 모세관(200)의 입구단과 출구단의 손실, 마찰손실 등을 손실계수()를 이용하여 나타내면 점도()를 나타내는 상기 [수학식 3]은 다음의 [수학식 4]와 같은 점도()를 계산해 내는 식이 된다.

[수학식 4]

상기 [수학식 4]에서 보는 바와 같이 저장조내 액체의 높이(), 모세관의 길이(), 모세관의 내부반경(), 체적유량(), 액체의 비중량(), 손실계수(,) 및 평균속도()을 알면 점도()를 알아낼 수 있다.

모세관(200)의 길이()와 모세관(200)의 내부반경()은 그 값을 측정하여 쉽게 구할 수 있는 값이고, 액체의 비중량()은 각 액체의 특성으로 정해진 값이며, 체적유량(Q)와 저장조(100)내의 액체의 높이()와 평균유속()은 로드셀장치(300)의 출력전압으로부터 컴퓨터장치(500)가 계산해 내는 값이다. 상기 [수학식 4]의 손실계수(,)는 실험적, 경험적으로 얻어지는 값이다.

따라서, 본 발명은 로드셀장치(300)에 수집되는 유체의 질량만을 정확하게 측정하면 이를 인터페이스 장치를 통하여 신호로 변환하여 컴퓨터장치(500)에 전송하고 상기 컴퓨터장치(500)가 상기 [수학식 4]를 근거로 하여 바로 그 유체의점도()를 알아낼 수 있는 것이다.

이와 같이 컴퓨터에 의하여 실시가능한 점도측정방법은 다음과 같은 단계로 구성될 수가 있다.

도 4는 로드셀장치에서 얻은 신호를 이용하여 컴퓨터장치에서 점도를 측정하는 방법을 보여주는 흐름도로서, 컴퓨터를 통하여 점도계산에 필요한 입력전압값에 대한 질량환산계수, 정지시 초기수두, 모세관길이, 모세관의 반경, 저장조의 반경, 작동유체의 비중량, 손실계수를 입력받으며, 필요한 변수인 초기질량등의 초기값을 정의하는 제1단계(S10)와;

모세관을 통하여 유출되는 유체에 대하여 시간에 따라 전압값와 시간를 입력받는 제2단계(S20)와;

상기 제2단계에서 입력된 전압값와 시간를 이용하여 질량환산계수() ×측정전압값()으로 질량()를 구하며, 시간() - 기준시간()으로부터 시간변화량()을 구하며, 질량 () - 기준질량()으로부터동안 질량변화량()을 구한 후W는W ₀ , T ₀ 는T로 치환하는 제3단계(S30)와;

상기 제3단계(S30)에서 구한 값들을 이용하여으로부터 평균유속,으로부터 순간저장조수두,으로부터 유량를 계산하는 제4단계(S40)와;

상기 제4단계에서 구한 값을 이용하여으로부터 전단율,으로부터 점도를 구하여 출력하는 제5단계(S50)와;

상기 수두을 0과 비교하여 0보다 크면 상기 제2단계(S20)로 진행되며, 0보다 작으면 작업을 종료하는 제6단계(S60)로 구성될 수가 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 장치 및 방법은, 산업현장에서 고형물의 침전없이 액체의 점도를 측정할 수 있고 병원등에서 혈액의 점도를 측정하는데 사용할 수 있는데, 혈액을 채취하여 이의 응고를 막기위해 항응고제를 사용할 필요없이 바로 현장에서 환자의 혈액의 점도를 측정할 수 있다.

이와 같이 본 발명 과도유동 모세관 점도계는 모세관을 흐르는 유체의 질량만을 측정하여 현장에서 신속하게 유체의 점도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 과도유동 또는 비정상유동 상태에서 유체의 점도를 측정할 수 있고, 비뉴턴유체의 점도 또한 측정할 수 있다.

혈액의 경우에는 항응고제의 첨가없이 혈액의 점도를 현장에서 바로 측정할 수 있으며, 고형물이 함유된 액체는 침전이 이루어지기 전에 점도측정이 가능하여 산업현장에서 바로 점도를 측정할 수 있는 효과를 갖는다. 또한 소량의 시료를 가지고도 점도를 정확히 측정해 낼 수 있다는 장점이 있다.

특히 혈액관련 질병과 혈액의 점도는 밀접한 관련이 있으므로, 그 혈액의 점도를 신속하고 정확하게 알아내는 것은 환자에 있어서 무엇보다 중요한 바, 본 발명은 이러한 경우에 있어서도 매우 유용한 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 액체를 저장하는 저장조와; 상기 저장조와 연결되어 액체가 흐르게 되는 모세관과; 상기 모세관을 통과한 액체를 수집하여 그 질량을 측정하고 이를 전기적신호로 변환하는 로드셀장치와; 상기 로드셀장치에서 변환된 전기적 신호를 실시간으로 전달받아 이를 처리하는 인터페이스장치와; 상기 인터페이스장치의 출력 신호를 이용하여 유체의 점도를 계산하는 컴퓨터장치를 포함하는 과도유동 모세관 점도계에 있어서,

   액체의 점도는 상기 로드셀장치에 수집되는 액체의 질량을 측정하여 상기 컴퓨터장치에서 다음 식에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 과도유동 모세관 점도계.

   상기 식에서는 액체의 점도,는 액체의 비중량,은 모세관의 내부반경,는 액체의 체적유량,은 모세관의 길이,는 저장조 내에 저장된 액체의 높이(시간이 경과될 때 변함),는 비정상유동에 의한 손실계수,은 모세관의 마찰손실, 입구단과 출구단 손실 및 충격량에 의한 영향을 나타내는 손실 계수,은 모세관 내 평균유속,는 중력가속도를 나타낸다.
3. 액체를 저장하는 저장조와; 상기 저장조와 연결되어 액체가 흐르게 되는 모세관과; 상기 모세관을 통과한 액체를 수집하여 그 질량을 측정하고 이를 전기적신호로 변환하는 로드셀장치와; 상기 로드셀장치에서 변환된 전기적 신호를 실시간으로 전달받아 이를 처리하는 인터페이스장치와; 상기 인터페이스장치의 출력 신호를 이용하여 유체의 점도를 계산하는 컴퓨터장치를 포함하는 과도유동 모세관 점도계에 있어서,

   상기 로드셀장치의 상면에 완충부가 추가로 부설되어 액체가 낙하시 충격에 의한 오차를 줄일 수 있는 것을 특징으로 하는 과도유동 모세관 점도계.
4. 컴퓨터를 통하여 점도계산에 필요한 입력전압값에 대한 질량환산계수 A, 정지시 초기수두, 모세관길이 L, 모세관의 반경, 저장조의 반경, 실험액체의 비중량, 손실계수 K를 입력받으며, 초기질량의 초기값을 정의하는 제1단계와;

   모세관을 통하여 유출되는 유체에 대하여 시간에 따라 전압값 V와 시간 T를 입력받는 제2단계와;

   상기 제2단계에서 입력된 전압값 V와 시간 T를 이용하여 질량환산계수(A)×측정전압값(V)으로 질량(W)를 구하며, 시간(T) - 기준시간()으로부터 시간변화량()을 구하며, 질량(W) - 기준질량()으로부터동안질량변화량()을 구한 후 W는,로 치환하는 제3단계와;

   상기 제3단계에서 구한 값들을 이용하여

   으로 부터 평균유속과,으로부터 순간저장조수두와,으로부터 유량 Q를 계산하는 제4단계와;

   상기 제4단계에서 구한 값을 이용하여

   으로부터 전단율과,을 이용하여 점도를 구하여 출력하는 제5단계와;

   상기 수두값을 0과 비교하여 0보다 크면 상기 제2단계로 진행되며, 0보다 작으면 작업을 종료하는 제6단계로 구성되어,

   컴퓨터와 인터페이스장치로 연결된 과도유도 모세관 점도계를 이용한 점도측정 방법.
5. 컴퓨터를 통하여 점도계산에 필요한 입력전압값에 대한 질량환산계수 A, 정지시 초기수두, 모세관길이 L, 모세관의 반경, 저장조의 반경, 실험액체의 비중량, 손실계수 K를 입력받으며, 초기질량의 초기값을 정의하는 초기값입력기능과;

   모세관을 통하여 유출되는 유체에 대하여 시간에 따라 전압값 V와 시간 T를입력받는 데이터입력기능과;

   상기 데이터입력기능에서 입력된 전압값 V과 시간 T를 이용하여 질량환산계수(A)×측정전압값(V)으로 질량(W)를 구하며, 시간(T) - 기준시간()으로부터 시간변화량()을 구하며, 질량(W) - 기준질량()으로부터동안 질량변화량()을 구한 후 W는,로 치환하는 파라메타계산가능과;

   상기 파라메타계산기능에서 구한 값들을 이용하여

   으로부터 평균유속과,으로부터 순간저장조수두와,으로부터 유량 Q를 계산하는 중간값계산기능과;

   상기 중간값계산기능에서 구한 값을 이용하여

   으로부터 전단율과,을 이용하여 점도를 구하여 출력하는 최종값계산기능과;

   상기 수두값을 0과 비교하여 0보다 크면 상기 제2단계로 진행되며, 0보다 작으면 작업을 종료하는 판단기능을 실현시키기 위한 점도측정 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.