KR100353425B1 - 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정유체를 저장하며 고저차 또는 외부의 힘에 의하여 발생된 압력차를 유체에 작용하는 저장실린더(10); 상기 저장실린더(10)의 하단에 연결되어 유체상에 큰 유동저항을 작용하며 통과시키는 모세관(11); 출구에서의 유체 표면장력(surface tension) 효과를 배제하기 위해 모세관(11)의 출구에 연장되어 설치되는 어댑터(12); 및 상기 어댑터(12)에서 낙하되는 유체를 수집용기(21)에 담으면서 센서(22)에서 질량변화에 따른 신호를 발생하고, 제어기(24)에서 점도를 산출하여 디스플레이(23)로 표시하는 검출수단(20)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 물과 같은 점도가 낮은 유체 또는 점도가 높은 유체를 막론하고 모세관에서 낙하시의 질량변화를 검출하여 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도를 일시에 산출하는 효과가 있다.

Description

로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계{A mass scanning capillary viscometer with a load cell}

본 발명은 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물과 같은 점도가 낮은 유체 또는 점도가 높은 유체를 막론하고 모세관에서 낙하시의 질량변화를 검출하여 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도를 일시에 산출하는 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계에 관한 것이다.

점도계는 크게 저항유동(drag flow)형과 압력구동유동(pressure-driven flow)형으로 구분된다. 전자는 쿠엣(Couette) 장치와 같이 고정된 면과 운동면 사이에 전단이 발생하는 형태를 말하고, 후자는 관(tube) 양단 간에 압력차에 의하여 전단이 발생하는 형태를 말한다. 일반적인 모세관 점도계는 후자의 압력구동유동형에 속한다.

모세관을 이용한 최초의 점도 측정은 1839년 Hagen에 의하여 수행되었으며 이와는 별도로 1840년 Poiseulle에 의해서도 수행된 바 있다. 이러한 모세관 점도계는 최초로 고안된 점도계로서 현재까지도 가장 널리 사용되고 있는 실정인데, 이는 모세관 점도계가 지닌 특성, 즉 단순성, 정확성, 실제 유동과의 유사성, 자유표면의 부재 등 고유한 장점에 기인한다.

그런데 현재 대부분의 모세관 점도계는 한번 실험에 하나의 전단률에 대한 점도만 측정하는 것이 가능하다. 따라서 관심있는 전단률 영역에서의 점도를 측정하기 위해서는 구동압력을 변화시키거나 또는 모세관의 크기를 변화시켜 반복적인 실험을 수행해야 한다. 이러한 이유로 말미암아 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도 측정을 한번의 실험을 통해 측정이 가능한 새로운 개념의 모세관 점도계 개발이 절실히 요구되고 있다.

이를 위해 개발된 점도계로서 간행물 리뷰 오브 사이언티픽 인스트루먼트(Review of Scientific Instrument) 1999년도 발행 70권 2421-2425쪽에 발표된 "모세관 점도계 측정"(Scanning Capillary Tube Viscometer)에서는 한번의 측정을 통해 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도 측정이 가능한 연속측정형 모세관 점도계가 제안된 바 있다. 이는 U-튜브 형태에서 고저차를 이용해 상부에 부착된 저장탱크에서 유체가 연결관을 통해 흘러 수평으로 놓여진 모세관에 유입되고 이후 다시 수직으로 세워진 상승관으로 유입된다. 이때 유체가 상승관에 유입되기 시작하면 저장탱크와의 고저차가 점차로 줄어들면서 구동압력이 감소하며 이에 따라 유체의 속도가 감소되고 따라서 전단률이 감소된다. 오랜 시간이 경과하면 저장탱크와 상승관의 수두차가 없어지게 되고 이후에는 더 이상의 유체 흐름이 없다. 이와 같은 방식의 점도계는 한번의 실험을 통하여 관심영역의 전단률에 대한 점도를 다량으로 측정할 수 있다.

그러나, 이러한 점도계에서 CCD(charge coupled device) 센서 어레이는 상용적으로 구입가능한 최대 길이가 200㎜로서 제약이 따르며, 점도가 큰 유체에 대하여는 보다 큰 고저차가 필요하게 된다. 이를 위해서는 별도의 CCD 센서 어레이 제작이 요구되며 이는 기기의 생산 단가를 상승시키는 요인이 된다.

또한 CCD 센서 어레이에서 정확한 값을 얻기 위해서 측정된 액체에 불투명 염료를 혼합해야 하는데, 이는 측정상의 불편을 초래할 뿐 아니라 이에 따른 측정유체의 변질도 우려된다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 물과 같은 점도가 낮은 유체 또는 점도가 높은 유체를 막론하고 모세관에서 낙하시의 질량변화를 검출하여 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도를 일시에 산출하는 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 점도계의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도,

도 2는 시간에 따른 시료 유체의 수집질량 변화를 나타내는 그래프,

도 3은 유체의 점도측정 결과 및 그 오차범위를 비교하여 나타내는 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 저장실린더 11 : 모세관

12 : 어댑터 20 : 검출수단

21 : 수집용기 22 : 센서

23 : 디스플레이 24 : 제어기

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 측정유체를 저장하며 고저차 또는 외부의 힘에 의하여 발생된 압력차를 유체에 작용하는 저장실린더(10); 상기 저장실린더(10)의 하단에 연결되어 유체상에 큰 유동저항을 작용하며 통과시키는 모세관(11); 및 출구에서의 유체 표면장력(surface tension) 효과를 배제하기 위해 모세관(11)의 출구에 연장되어 설치되는 어댑터(12); 및 상기 어댑터(12)에서 낙하되는 유체를 수집용기(21)에 담으면서 센서(22)에서 질량변화에 따른 신호를 발생하고, 제어기(24)에서 점도를 산출하여 디스플레이(23)로 표시하는 검출수단(20)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 검출수단(20)에 적용되는 센서(22)는 로드셀(load cell)인 것을 특징으로 한다.

상기 검출수단(20)의 제어기(24)는 모세관(11)의 직경 ×길이를 D ×L, 센서(22)로부터의 질량변화율을, 센서의 초기질량을, 센서의 최종질량을라 할 때 점도의 알고리즘을 마이크로프로세서에 의한 연산으로 산출한다.

이와 같이 본 발명에 따른 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계는 시간에 따라 변화되는 주어진 구동압력에 대해 각각에 해당하는 전단률, 점도, 전단응력 등을 로드셀과 같은 센서를 이용하여 측정된 물리량, 즉 시간에 따른 질량변화와의 관계를 이용하여 찾아냄으로써 시간에 따른 수집유체의 질량변화를 한번의 연속 측정을 통하여 한번에 일정 영역의 전단률 구간에서의 액체 점도를 측정하는 것이 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 점도계의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도가 도시된다.

저장실린더(10)에서 모세관(11)과의 고저로 인한 수두차(head difference) 또는 저장실린더(10) 상부에 부착된 가압실린더(도시 생략)의 하중변화에 의한 압력차(pressure difference)에 의하여 저장실린더(10)에 담겨진 유체가 모세관(11) 내부로 유입되며 유동이 발생한다. 이때 모세관(11) 내부에서의 유동은 작은 관경 때문에 커다란 유동저항을 발생하게 되며 여타의 부분에서 발생하는 유동저항은 무시할 정도로 작다.

모세관(11) 출구에서의 유체 표면장력(surface tension) 효과를 배제하기 위하여 모세관(11)을 통과한 유체는 어댑터(12)를 통과한다. 어댑터(12)는 상방향으로 굽은 곡관의 구조이고 그 출구는 수집용기(11)의 저면에 근접하도록 한다. 이와 같은 어댑터(12)를 사용하면 측정에 따른 오차를 축소할 수 있다.

모세관(11) 및 어댑터(12)를 통과한 유체는 곧바로 유체를 수집하는 수집용기(21)에 유입된다. 유체에 수집용기(21)는 센서(22) 위에 고정되어 실시간으로 수집유체의 질량을 측정하게 된다. 이렇게 측정된 시간에 따른 질량은 센서(22)인 로드셀(load cell)에 연결되는 검출수단(20)에 의하여 계산, 저장 및디스플레이(23) 등 원하는 형태로 출력된다. 이러한 일련의 측정은 유체의 점도와 모세관(11)의 치수에 따라 다르지만 대략 10분 정도가 소요된다.

본 발명에 따른 센서(22)는 0.01g 정도의 정밀도를 지니고 유체의 질량을 시간에 따라 변화하는 아날로그신호로 추출하는 것이 필요하다. 매 순간마다 측정된 유체의 질량은 소정의 알고리즘에 따라 연산되고 저장된다. 좀더 구체적으로 유체의 질량 측정자료를 시간에 대하여 1차 미분하면 단위 시간당 모세관(11)을 통과하는 질량유속(mass flow rate)이 결정되며 이에 다시 측정유체의 밀도를 제산하면 단위시간 모세관(11)을 통과하는 체적유량(volume flow rate)이 산출된다.

이때 측정유체가 채워진 저장실린더(10)와 모세관(11)의 고저차에 의하여 구동되는 경우 구동압력은 수두차, 즉 유체의 밀도와 중력가속도 및 저장실린더(10)와 모세관(11)의 고저차를 서로 승산하여 결정된다. 저장실린더(10)와 모세관(11)의 고저차는 유체의 액면이 하강할 때 시간에 따라 변화하는데 이를 앞에서 측정한 시간에 따른 질량자료로부터 계산할 수 있다. 따라서 이 경우에는 별도의 구동압력 측정장치가 필요치 않다.

모세관(11)을 통과하는 동안의 압력손실()은 총 압력손실()에서 모세관(11) 입출구의 압력손실()을 뺀 값에 해당하는데는 상대적으로 작은 0.5% 이하의 값이므로

만일 고점도 유체를 측정하는 경우에는 저장실린더(10)에 별도의 구동보조장치를 부착하고 저장실린더(10)의 하부 또는 모세관(11)의 입구근처에 별도의 압력센서도 부착하여 모세관(11) 양단의 압력차를 측정할 수 있다.

뉴턴성 유체(Newtonian Fluid)의 경우 모세관(11)에서의 점도를 계산하는 식은 다음과 같다.

참고적으로 전단률은

제어기(24)는 이와 같은 연산을 수행하며 그 결과를 메모리의 특정 영역에 저장하고, LCD 등의 디스플레이(23)에 그 측정결과를 표시한다. 도시에는 없으나 제어기(24)는 프린터로 출력하도록 제어하는 것도 가능하다.

도 2는 시간에 따른 시료 유체의 수집질량 변화를 나타내는 그래프이고, 도 3은 유체의 점도측정 결과 및 그 오차범위를 비교하여 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 점도계를 이용하여 물의 점도를 측정하기 위해 수집유체의 질량변화를 시간에 대하여 측정한 결과 도 2와 같은 프로파일이 생성된다. 도 2의 데이터를 이용하여 물의 점도를 측정한 결과 도 3과 같은 프로파일이 생성되고 이를 수치화하면 표 1과 같다. 도 3을 참조하면 18℃의 실온에서 전단률 50 및 1000s^-1범위의 점도는 대략 1.09mPa·s 임을 알 수 있다.

	질량연속측정식모세관점도계	기준값	오차
물의 점도(15℃)(mPa·s)	1.094	1.091	0.2%

상기 표 1에서 기준값은 문헌에 따른 값이 인용된다.

이상의 구성 및 작용에 의하면 본 발명은 물과 같은 점도가 낮은 유체 또는 점도가 높은 유체를 막론하고 비뉴턴성 유체까지도 모세관에서 낙하시의 질량변화를 검출하여 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도를 일시에 산출하는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 측정유체를 저장하며 고저차 또는 외부의 힘에 의하여 발생된 압력차를 유체에 작용하는 저장실린더(10);

   상기 저장실린더(10)의 하단에 연결되어 유체상에 큰 유동저항을 작용하며 통과시키는 모세관(11);

   출구에서의 유체 표면장력(surface tension) 효과를 배제하기 위해 모세관(11)의 출구에 연장되어 설치되는 어댑터(12); 및

   상기 어댑터(12)에서 낙하되는 유체를 수집용기(21)에 담으면서 센서(22)에서 질량변화에 따른 신호를 발생하고, 제어기(24)에서 점도를 산출하여 디스플레이(23)로 표시하는 검출수단(20)을 포함하여 이루어지며,

   상기 검출수단(20)에 적용되는 센서(22)는 로드셀(load cell)이며,

   상기 검출수단(20)의 제어기(24)는 모세관(11)의 직경 ×길이를 D ×L, 질량변화율을, 센서의 초기질량을, 센서의 최종질량을라 할 때 점도의 알고리즘을 마이크로프로세서에 의한 연산으로 산출하는 것을 특징으로 하는 로드셀에 의한 질량 연속측정식 모세관 점도계.
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