KR100433105B1 - 회전토크를 이용한 회전식 점도계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용기 속의 액체 또는 반고체 상태인 피측정 시료를 회전봉으로 회전시킬 때 발생되는 접촉저항을 측정하고 그 측정된 토크값을 점도로 환산하여 피측정시료의 점도를 측정하도록 되어 있는 회전토크를 이용한 회전식 점도계에 관한 것이다.

본 발명의 회전토크를 이용한 회전식 점도계는 회전 구동력을 발생시키는 구동모터(3), 피측정 시료(11)를 담고 있는 용기(10) 위에 상기 모터(3)를 지지하는 지지 브래킷(5) 및, 상기 구동모터(3)의 회전축(13)과 커플링(15)을 통해 연결되어 상기 피측정 시료(11)에 잠긴 상태로 회전하도록 되어 있는 회전봉(9)으로 이루어져 있는 회전식 점도계(1)에 있어서, 상기 구동모터(3)와 상기 지지 브래킷(5) 사이에 설치되어 상기 브래킷(5)에 대한 상기 모터(3)의 상대 회전량을 검출하여 상기 회전봉(9)에 걸리는 토크를 측정하도록 되어 있는 토크셀(51)을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 회전토크를 이용한 회전식 점도계에 의하면, 구동모터의 회전축에 걸리는 피측정 시료의 접촉저항으로 인해 구동모터가 부착된 토크셀의 비틀림바에 걸리는 스트레인값을 측정하여 시료의 점도를 측정하게 되므로 저용량으로 사용이 가능하고, 온도변화에 따라 수시로 정밀한 점도측정을 할 수 있게 된다.

Description

회전토크를 이용한 회전식 점도계{A rotary type viscometer using rotating torque}

본 발명은 회전식 점도계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태이거나 반고체 상태인 물체의 점도를 측정하기 위해 용기 속의 시료를 회전봉으로 회전시킬 때 발생되는 접촉저항을 측정하고 그 측정된 토크값을 점도로 환산하는 회전토크를 이용한 회전식 점도계에 관한 것이다.

지금까지 회전식 점도계에 의해 시료의 점도를 측정하는 기술은 회전봉의 접촉저항에 따른 토크를 검출하기 위하여 도 1에 101로 도시된 바와 같이 홀센서(103)를 이용하여 모터(105)가 회전할 때 회전봉(103)과 피측정시료(109)와의 접촉저항 크기에 따라 변화하는 기전력을 측정하거나 도 2에 201로 도시된 바와 같이 토크미터(203)을 이용하여 모터(205)가 회전할 때 회전봉(207)과 피측정시료(209)와의 접촉저항 크기에 따라 토크 변화값을 측정 점도로 환산하여 사용하여 왔다.

즉, 도 1에 도시된 점도계(101)의 경우 모터(105)를 회전 구동시키면 커플링(107)도 함께 회전하여 커플링(107)과 연결된 회전봉(111)을 회전시키게 되고, 용기(113) 속에 담겨 있는 피측정시료(109)와 회전봉(111) 원주면의 마찰로 인하여 접촉저항이 발생한다. 이 접촉 저항의 크기에 따라 모터 기전력 변화를 홀센서(103)에서 감지하여 직류 미소전압 신호로 검출한 뒤 증폭기와 A/D 변환기(115)에서 이 미소 아날로그 신호를 디지털 신호로 증폭 변환시킨 다음 마이크로 컴퓨터(117)의 연산에 의하여 점도값으로서 디지털 표시창(119)에 표시한다. 이 때 모터(105)의 회전속도는 볼륨 또는 디지털 방식의 모터 제어기(121)를 사용하여 조절하며, 조절 시의 속도를 디지털 표시창(119)에서 모니터할 수 있도록 되어 있다.

도 2에 도시된 점도계(201)의 경우에도 모터(205)를 회전시키면 커플링(211)과 연결된 토크미터(203)와 그 하부에 또 다른 커플링(213)에 의해 연결된 회전봉(207)이 회전하게 되며, 이에 따라 용기(215) 속에 담겨 있는 피측정시료(209)와 회전봉(207) 원주면의 마찰로 인하여 회전봉(207)에 접촉저항이 걸린다. 이 때의 접촉저항은 토크미터(203)에서 토크의 크기로 검출되어 지고, 토크미터(203)에서 검출된 미소 전압신호는 증폭기와 A/D 변환기(215)에서 증폭되어 디지털 신호로 전환된 다음 마이크로 컴퓨터(217)에서 연산되어 표시창(219)을 통해 점도값으로서 표시되며, 이 때 모터(205)의 회전속도는 도 1의 점도계(101)와 마찬가지로 모터 제어기(221)에 의해 이루어진다.

그런데, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 점도계(101)는 홀센서(103)에 의해 모터(105)의 기전력 변화를 감지하도록 되어 있으므로 공급 전원 또는 습도 등의 주변환경이나 모터(105)의 온도 등에 따라 많은 측정 오차가 발생될 뿐 아니라 모터(105)의 회전속도도 피드백 제어가 되지 않기 때문에 정확한 제어가 되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 도 2에 도시된 점도계(201)의 경우에는 토크미터(203)를 구조상 저용량으로 제작하기 곤란하므로 저용량으로의 사용이 불가능하고, 장치가전체적으로 대형이 되며, 따라서 가격이 비싸지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래의 점도계가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 모터와 브래킷 사이에 장착되는 토크셀의 비틀림바 측면에 부착된 스트레인 게이지에 의해 비틀림바에 걸리는 스트레인값을 측정하고, 이 값을 이용해 피측정 시료의 점도를 측정함으로써, 고용량에서 저용량까지 용량에 구애됨 없이 시료의 점도를 측정할 수 있을 뿐 아니라, 점도 측정에 발열 상태나 주변습도, 주전원의 변동 등에 따라 변화되는 모터의 기전력을 이용하지 않도록 하여 정밀한 점도 측정을 가능하게 하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 회전식 점도계를 개략적으로 도시한 종단도면.

도 2는 또 다른 종래의 회전식 점도계를 개략적으로 도시한 종단면도.

도 3은 본 발명에 따른 회전식 점도계를 개략적으로 도시한 종단면도.

도 4는 도 5의 BB선에 따른 도 3에 도시된 토크셀의 상세 종단면도.

도 5는 도 4의 AA선에 따른 횡단면도.

도 6은 스트레인 게이지의 출력전압 검출을 위한 휘트스톤 브리지의 구성 형태를 보인 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1 : 회전식 점도계 3 : 서보 모터

5 : 지지용 브래킷 7 : 제어부

9 : 회전봉 11 : 피측정 시료

13 : 회전축 15 : 커플링

17 : 장착판 19 : 온도센서

21 : 마찰판 23 : 지지 베어링

25 : 관통 개구부 31~38 : 스트레인 게이지

51 : 토크셀 53,55 : 상하부 링체

57 : 비틀림바

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해, 회전 구동력을 발생시키는 구동모터, 피측정 시료를 담고 있는 용기 위에 구동모터를 지지하는 지지 브래킷 및, 구동모터의 회전축과 커플링을 통해 연결되어 피측정 시료에 잠긴 상태로 회전하도록 되어 있는 회전봉으로 이루어져 있는 회전식 점도계에 있어서, 구동모터와 지지 브래킷 사이에 설치되어 브래킷에 대한 모터의 상대 회전량을 검출하여 회전봉에 걸리는 토크를 측정하도록 되어 있는 토크셀을 구비하고 있는 회전토크를 이용한 회전식 점도계를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 회전토크를 이용한 회전식 점도계를 첨부 도면을 참조로 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 회전식 점도계는 도 3에 도면번호 1로 도시된 바와 같이, 기본적으로는 일반 회전식 점도계와 마찬가지로 구동용 서보모터(3) 즉, 구동모터(3)와 회전봉(9) 그리고 지지용 브래킷(5) 등을 구비하고 있으며, 특히 구동모터(3)와 지지 브래킷(5)의 사이에 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 토크셀(51)이 장착되어 있다.

여기에서 구동모터(3)는 토크셀(51) 위에 장착판(17)을 통해서 고정되며, 장착판(17)은 토크셀(51) 상부 링체(53)의 상단 플랜지부(54)에 원주방향으로 관통 형성된 복수의 나사공(61)에 결합되는 볼트(59)에 의해 상부 링체(53) 위에 고정되고, 제어부(7)의 구동모터 제어기(73)에 의해 회전속도가 제어되며, 인접 설치된 인코더(20)에 의해 부호화된 회전수를 제어부(7)의 인코더 카운터(75)로 전송한다.

장착판(17)의 중심에 관통된 구동모터(3)의 회전축(13) 하단에 커플링(15)을 통해 일체로 결합되어 있는 회전봉(9)은 지지 베어링(23)을 통해 지지 브래킷(5)에 관통 삽입되어 지지 브래킷(5)의 아래쪽에 위치하는 용기(10) 내부의 피측정 시료(11)에 잠긴 상태에서 구동모터(3)의 회전 구동력에 의해 회전하도록 되어 있으며, 피측정 시료(11) 속으로 잠기는 부분에는 시료(11)와의 접촉저항을 일정값 이상으로 유지하기 위해 마찰판(21)이 부착된다.

이와 같이 구동모터(3)와 지지 브래킷(5) 사이에서 회전봉(9)과 지지 브래킷(5) 사이에 걸리는 토크를 측정하도록 되어 있는 토크셀(51)은 측정된 아날로그 형태의 토크값을 제어부(7)로 전송하여 증폭기(77)에서 증폭한 다음, A/D 변환기(79)를 통해 디지털 값으로 변환시켜 마이크로 컴퓨터(71)에 의해 처리하도록 되어 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 지지 브래킷(5)에 삽입된 상태로나사공(63)을 통해 하부 링체(55)의 플랜지부(56)에 삽입되는 볼트(65)에 의해 지지 브래킷(5)에 고정된다.

이와 같이 지지 브래킷(5) 위에 설치되는 토크셀(51)은 도 4 및 도 5에 보다 상세히 도시된 것처럼, 상하부 링체(53,55)와 상하부 링체(53,55) 사이에 연결된 복수의 비틀림바(57) 및 비틀림바(57)의 측면에 부착된 복수의 스트레인 게이지(31,32,33,34,35,36,37,38)로 이루어져 있는데, 여기에서 상부 및 하부 링체(53)는 도시된 것처럼, 외주면에 플랜지부(54,56)가 각각 돌출 형성되어 있고, 각 플랜지부(54,56)에 볼트(59,65)를 체결하기 위한 복수개의 나사공(61,63)이 각각 관통 형성되어 있는데, 특히 하부 링체(53)의 경우에는 플랜지부(56) 아래로 지지 브래킷(5)의 두께만큼 안착 돌출부(67)가 돌출 형성되어 지지 브래킷(5)에 형성된 관통 개구부(25)에 끼워지도록 되어 있다.

상하부 링체(53,55)를 중간에서 연결하고 있는 복수의 비틀림바(57)는 양 링체(53,55) 사이에 축대칭을 이루도록 일체로 형성되어 있으며, 도시된 것처럼 측면에 복수개의 스트레인 게이지(31,32,33,34,35,36,37,38)가 장착되어 있는데, 각각의 게이지는 예컨대 도 4와 같이 비틀림바(57)의 일측면 상하에 부착되어 하부 링체(55)에 대해 상부 링체(53)가 반시계 방향으로 상대 회전할 때 도 4와 같이 위쪽의 게이지(31,33,35,37)는 비틀림바(57)의 인장을, 아래쪽의 게이지(32,34,36,38)는 비틀림바(57)의 압축을 각각 감지하도록 되어 있다. 또한 각각의 게이지에는 입력 전압에 대한 저항 변화로 출력전압을 검출하기 위해 도 6에 도시된 바와 같은 휘트스턴 브리지가 연결되는데, 이 휘트스턴 브리지 회로는 대각선 방향의 게이지끼리 직렬로 연결되도록 구성된다.

또한, 피측정 시료(11)의 온도를 측정하기 위해 용기(10) 내의 시료(11) 속에 도 4에 도시된 것처럼 잠겨 있는 온도센서(19)는 시료(11)의 온도를 감지하여 아날로그값으로 제어부(7)로 전송하며, 전송된 온도값은 제어부(7)의 증폭기(80)를 통해 증폭된 뒤, A/D 컨버터(81)를 통해 디지털값으로 변환된 다음, 마이크로 컴퓨터(71)에 의해 처리된다.

아울러, 제어부(7)에는 도 3에 도시된 것처럼 마이크로 컴퓨터(71)를 통해 디지털 표시창(83)이나 PC(85)가 연결되어 있으며, PC(85)를 인터페이스로 하여 프린터(86)나 모니터(87)가 연결되어 있다.

이제, 위와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 회전토크를 이용한 회전식 점도계(1)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 회전식 점도계(1)는 회전봉(9)을 통해 구동모터(3)의 회전축(13)에 회전 부하가 걸릴 때, 지지 브래킷(5)에 고정된 토크셀(51)의 하부 링체(55)와 하부 링체(55)에 대해 상대 회전하도록 구동모터(3)를 고정하고 있는 상부 링체(53) 사이에 부착된 비틀림바(57)가 휘어지는 원리를 이용한 점도계로, 회전 시 회전봉(9)에 접촉저항을 일으키는 시료(11)의 마찰저항에 따른 토크를 측정함으로써 시료(11)의 점도를 계측하도록 되어 있다.

따라서, 회전식 점도계(1)에 의해 시료(11)의 점도를 측정하기 위해서는 점도계(1)를 도 3에 도시된 것처럼 설치한 상태에서 먼저 구동모터(3)를 작동시킨다. 이에 따라 구동모터(3)에서 발생된 회전 구동력은 모터 회전축(13)과 커플링(15)을순차적으로 거쳐 회전봉(9)으로 전달되며, 이 때 회전봉(9)이 무부하 상태이면 브래킷(5)에 고정되어 있는 토크셀(51)에는 아무런 반력도 작용되지 않지만, 용기(10) 내에 담겨 있는 피측정 시료(11)에 회전봉(9)을 담근 상태에서 모터(3)를 작동시키면 피측정 시료(11)와 회전봉(9)의 마찰판(21) 사이에 마찰저항이 발생되며, 이 마찰저항이 반력이 되어 토크셀(51)에 의해 미소전압 신호로 검출되어진다. 이 때, 토크셀(51)에 편심하중이 작용하는 경우 도 6의 휘트스톤 브리지에 의해 편하중으로 인해 각 게이지에서 발생하는 전압편차를 검출하여 제어부(7)를 통해 보정하게 된다.

이렇게 해서 검출되어진 아날로그 미소신호는 증폭기(77)에서 고속 정밀 증폭된 뒤 A/D 컨버터(79)에서 디지털 신호로 변환되어 마이크로 컴퓨터(71)로 전송되어지며, 이 마이크로 컴퓨터(71)로 전송된 디지털 전압신호값은 PC(85)를 인터페이스로 하여 모니터(87)나 프린터(86)를 통해 표시되거나 서면 자료로 출력되어 영구 보존될 수 있는 등, PC(85)를 통한 모니터링이나 저장 또는 분석 등에 이용될 수 있다.

한편, 점도계(1)에 의한 점도 측정에 있어서 주요 인자로서 회전속도 제어가 수반되는데, 일단 모터 제어기(73)에서 속도(rpm)를 지령하면 구동모터(3)가 동작하여 해당 속도로 회전축(13)을 회전시키게 된다. 이 때 회전 속도값을 인코더(20)와 제어부(7)의 인코더 카운터(75)를 통해 획득하고, 마이크로 컴퓨터(71)에서 초기 지령한 속도값과 PID제어를 통해 비교함으로써 일정한 속도를 유지시킬 수 있게 된다.

또한, 피측정 시료(11)의 온도 또한 점도 측정의 중요한 요소인 바, 온도센서(19)에 의해 측정된 용기(10) 내의 피측정 시료의 미소 아날로그 온도 신호값은 증폭기(80)에 의해 증폭되어 A/D 컨버터(81)에서 디지털 값으로 변환된 뒤, 제어부(7)의 마이크로 컴퓨터(71)로 전송된다. 전송된 온도값은 마이크로 컴퓨터(71)에서 PC(85)를 인터페이스로 하여 모니터()나 프린터()를 통해 온도와 점도의 관계를 나타내는 그래프로 표시되거나 서면 자료로서 영구 보존될 수 있으며, PC(85)를 통해 저장 및 분석될 수도 있다.

이상의 설명과 같이 본 발명에 따른 회전토크를 이용한 회전식 점도계에 의하면, 석유화학, 식품, 의학, 고분자 등의 분야에서 물성치인 점도를 정확히 측정할 수 있고, 측정된 점도값 데이터를 저장하고, 분석하며, 모니터링할 수 있게 될 뿐만 아니라 제품 제조공정 중 또는 생산 후 검사과정에서 점도를 측정할 수 있게 되며, 특히 점도가 높은 제품의 점도 측정에 편리하게 사용할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 회전 구동력을 발생시키는 구동모터(3)와; 피측정 시료(11)를 담는 용기(10) 위에서 상기 구동모터(3)를 지지하는 지지 브래킷(5)과; 상기 구동모터(3)의 회전축(13)과 연결되며, 상기 피측정 시료(11)에 잠긴 상태로 회전하는 회전봉(9)과; 상기 구동모터(3)를 제어하며, 상기 회전봉(9)을 통해 측정된 토크값을 처리하는 제어부(7)를 포함하여 구성되는 회전식 점도계(1)에 있어서,

   상기 구동모터(3)와 상기 지지 브래킷(5)의 사이에는,

   상기 구동모터(3)의 하부에 결합되는 상부 링체(53)와;

   상기 지지 브래킷(5)의 상부에 결합되는 하부 링체(55)와;

   상기 상부 링체(53)와 상기 하부 링체(55)의 사이에 축대칭으로 설치되는 비틀림바(57)와;

   상기 비틀림바(57)의 측면에 설치되어, 상기 비틀림바(57)의 비틀림 변형을 측정하는 스트레인 게이지(31,32,33,34,35,36,37,38)로 구성되는 토크셀(51)을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전토크를 이용한 회전식 점도계.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제어부(7)와 연결된 상태로 상기 용기(10) 내의 피측정 시료(11) 속에 잠겨, 상기 피측정 시료(11)의 온도를 측정하고, 측정된 온도값을 상기 제어부(7)로 전송하는 온도센서(19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전토크를 이용한 회전식 점도계.