KR100504310B1 - 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치 - Google Patents
자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 측정대상 기계에 탑재가능하고, 오일이 열화됨에 따라 증가하는 형광 빛을 실시간적으로 측정함으로써 오일의 산화도를 판정할 수 있는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치에 관한 것이다. 오일 산화도 측정장치는 자외선을 방사하기 위한 광원부; 광원부로부터 방사된 자외선을 복수의 지점에서 측정대상 오일 내부로 유도하기 위한 복수의 제 1광전달수단; 오일 내에 잠기며, 복수의 제 1광전달수단과 각각 대향하며 각 제 1광전달수단으로부터 서로 다른 소정의 거리만큼 이격되어 구비되는 복수의 광반사경; 복수의 광반사경 및 오일내에 존재하는 형광물질로부터 반사되는 빛을 전달하기 위한 복수의 제 2광전달수단; 복수의 제 2광전달수단에 각각 연결되어 반사된 빛을 받아 그 세기를 출력하기 위한 복수의 광검출부; 복수의 광검출부의 출력값으로부터 오일의 형광 양자수득률 및 광흡수계수를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정하기 위한 제어부로 이루어진다. 오일내의 오염입자들에 의한 광반사경의 표면손상을 방지하기 위해 광반사경을 감싸도록 소정 크기의 필터 스크린이 더 구비된다.
Description
본 발명은 오일 산화도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정대상 기계에 탑재가능하고, 오일이 열화됨에 따라 증가하는 형광 빛을 실시간적으로 측정함으로써 오일의 산화도를 판정할 수 있는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 오일의 상태는 대상 기계의 성능 및 상태에 관한 중요한 정보를 지니고 있다. 오일을 사용함에 있어 중요한 사항은 어느 시점에 사용유를 교환할 것인가이다. 자동차의 경우, 오일의 교환은 대부분 차량 제작사에 의하여 추천된 사용기간을 기준으로 행하여지고 있는 것이 통상적이다. 그러나, 오일의 수명은 오일의 질, 엔진 종류, 차량의 운전조건, 환경조건 등 여러 요인들에 의하여 크게 변할 수 있으므로, 단순한 산술평균적인 기준만을 적용하기가 곤란한 문제점을 가진다.
오일을 더 이상 사용할 수 없는 기술적인 이유로서 오일의 물리/화학적인 오염을 들 수 있다. 우선, 물리적인 오염은 오일을 사용하는 기계시스템 구성부품의 마모에 의한 마모입자 및 외부로부터 혼입된 먼지입자들에 의하여 발생한다. 이와 같이 오일을 오염시킨 입자들은 베어링 또는 기어 등 기계요소 표면을 연삭시켜 파손을 유도할 뿐만 아니라, 연삭에 의한 마모입자들이 또 다시 기계표면 파손을 초래하기도 한다. 다음, 화학적인 오염은 주로 오일에 혼입된 수분이나 오일의 열화 생성물(degradation product), 냉각수 혹은 다른 종류의 윤활제들의 혼입에 의하여 발생한다.
오일의 물리적 상태변화를 측정하기 위하여 사용되는 오염도 측정 및 점도 측정방법은 금속 마모입자들의 존재 또는 점도의 증가 등과 같은 물리적인 변화들에 관한 정보들을 파악할 수 있지만, 오일 내에서 발생한 첨가제들의 손실이나 기타의 화학적인 기능 변화들을 알아낼 수는 없다. 많은 경우에 있어서, 오일이 열화되는 과정에서 발생하는 오일의 화학적 변화를 파악하는 것은 매우 유용한 일로서, 이의 측정을 통하여 대상 기계의 상태를 보다 정확하게 진단할 수 있다.
대부분의 오일들은 기유(base oil)의 성능을 향상시키고 열화를 방지하기 위한 다양한 종류의 첨가제들을 함유하고 있다. 현재 사용되고 있는 대표적인 첨가제들을 기능적으로 분류하면, 내마모성 첨가제, 마찰 조정제, 극압 첨가제, 청정분산제, 산화방지 첨가제, 방청 첨가제, 유동점 강하제, 내기포성 첨가제, 점도지수 향상제 등을 들 수 있다. 자동차용 오일은 지속적으로 높은 온도 분위기에 처할 뿐만 아니라, 산화질소 가스, 수분 및 공기와 접촉하면서 산화되어 열화되는데, 이와 함께 상기의 첨가제들도 소모되거나 파손된다. 따라서, 오일 속에는 사용 시간이 지남에 따라 여러 가지 형태의 오일 열화 생성물과 오염물들이 누적되어진다.
특히, 산화방지 첨가제 성분이 소모되면 오일의 산화는 크게 발생한다. 이에 따라, 오일의 점도가 증가하고 고착물이 형성되며, 산 생성물들이 기계요소 부품을 부식시킴으로써 색상이 어두어지고 독한 냄새와 산가가 증가하며, 점도가 상승함과 동시에 슬러지 성분이 증가한다.
이와 같은 오일의 변화를 정량적으로 측정하기 위한 방법으로서, 미국 표준규격(ASTM) D664에 기재된 전산가 측정방법, 전알칼리가 측정방법(ASTM D4739), 동점도 측정방법(ASTM D445/446), 디젤엔진유의 연료유 희석 측정방법(ASTM D3524-90), 휘발점 측정방법(ASTM D92), 산화도 측정방법(ASTM D2272) 등과 같은 표준 측정방법들이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 실험실적 측정 작업은 대상 기계시스템으로부터 분석대상 오일을 샘플링하고, 이의 분석에 앞서 적절한 전처리공정을 거쳐야 하므로, 많은 분석시간과 비용이 요구된다. 특히, 샘플 오일이 대상 기계 전체의 오일 상태를 잘 대표하고 있는지의 여부가 확실하지 않은 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 오일 샘플링작업의 필요없이 실시간적으로 오일의 상태를 진단할 수 있는 측정장치의 적용이 필수적으로 요구되고 있지만, 현재까지 자동차에 탑재하여 오일의 상태를 분석할 수 있는 상용화된 측정장치는 없는 실정이다.
일반적인 오일 분석은 오일의 점도, 절연율, 교류 전도도(AC Conductivity), 저항 및 임피던스, 부식도, pH값, 전알칼리가, 산성물질의 함량, 분광분석, 광밀도(Optical Density) 등의 다양한 물리/화학적 특성분석에 기초하고 있다. 이들 분석방법 중 실시간적으로 오일의 상태를 측정할 수 있는 대표적인 측정장치들의 특성을 간략하게 기술하면 다음과 같다.
오일이 산화됨에 따라, 카복실-산 성분이 생성되면서 오일의 분자 평균밀도 및 점도가 증가하게 된다. 미국특허 제4721874호에는 사용유에서 음향 천이시간의 변화(Acoustic Transit Time Change)와 상변화(Phase Shift)를 측정하여 오일의 점도를 측정하는 방법을 기재하고 있다. 그러나, 이러한 측정방법에서 낮은 점도를 가지는 연료유가 오일에 혼입되면 오일의 점도가 감소하므로 이를 알아낼 수 없는 문제점을 가진다.
미국특허 제5929754호에는 오일의 유전율을 측정하여 엔진오일 상태를 진단하는 방법이 기재되어 있다. 자동차 오일의 유전율은 엔진오일 종류 및 사용 시간에 따라 일반적으로 1.6~3.2 정도의 범위에 위치한다. 통상, 오일의 유전율은 사용시간이 경과되면 증가하므로, 엔진오일의 열화도를 평가하는 수단으로 유전율의 변화를 측정한다. 그러나, 자동차 엔진오일의 경우, 개스켓이나 피스톤링이 파손되었을 경우, 냉각수나 부동액 성분이 오일속으로 혼입될 수 있는데, 물의 경우 유전율이 87.5, 글리콜 에틸렌 계통의 부동액은 37.0 정도로서 오일의 유전율보다 상대적으로 크기 때문에, 이들이 오일에 혼입되었을 경우 유전율이 크게 영향을 받는 문제점을 가진다.
미국특허 제5200027호에는 오일 속에 존재하는 오염물질의 전기 전도도가 오일과 다른 점을 이용하여 오일의 상태를 측정하는 방법을 기재하고 있다. 그러나, 이러한 측정방법은 산성 물질이나 수분이 오일의 주된 오염원일 경우에는 유용하게 사용될 수 있으나, 그 이외에는 잘 맞지 않아서 사용이 제한적인 문제점을 가진다.
또한, 오일이 산화됨에 따라 오일 내에는 유기산 물질이 생성되는데, 이들 산성물질의 증가를 전산가의 증가로써 측정할 수 있다. 전산가의 측정은 오일 속에 있는 산성 물질을 중화하는데 필요한 수산화칼륨과 같은 알칼리 물질의 양을 측정함으로써 얻는다. 이와 같은 측정원리 때문에 측정장치를 탑재형으로 구성하는 것이 수월하지 못하나, 최근 정전용량 센서를 사용하여 오일의 이온이동(Ionic Migration) 현상 또는 전위차(Potential Difference)를 측정하거나, 전기화학적 고체전지 및 부식도 센서 등을 이용하여 간접적으로 오일의 전산가를 측정할 수 있는 장치들이 개발되고 있다.
미국특허 제5274335호는 상기와 같은 원리를 이용한 탑재형 오일상태 측정장치에 관한 것으로, 금 혹은 백금과 같이 비활성 금속으로 코팅된 두개의 철 재료의 전극으로 구성되어 있으며, 이들 전극사이에 측정대상 엔진오일이 채워지도록 구성되어 있다. 전극의 사이는 150마이크로미터 정도로서 전극 사이에 오일이 채워지면 일종의 축전기를 형성하여 전극 사이에 교류 전위차를 주면 이들 사이에서 전류가 발생한다. 따라서, 상기와 같이 출력된 전류의 크기는 오일의 전기화학적 반응성을 나타내게 되는데, 이들 전류 측정값과 전산가 사이에 선형적인 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 오일이 산화되면 오일 내에 산성물질이 증가하여 전기화학적 반응성이 증가하고, 따라서 전극상의 전류가 증가하게 되는 것이다. 전류값의 증가에 의하여 오일 수명이 다 되었는지의 여부를 판단하게 된다. 그러나, 실제적으로는 센서의 출력값은 오일의 전산가뿐만 아니라, 연료유 혼입이나 수분의 침투 등에 의해 영향을 받는 문제점을 가진다.
한편, 상기와 같은 전기 특성변화를 측정하는 센서들에 비해 가혹한 환경조건에서도 사용할 수 있고, 주변의 전자기장으로부터도 영향을 받지 않는 분자 분광분석기, 특히 퓨리어 변환식 적외선 분광분석기(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)가 오일의 다양한 특성을 분석하기 위하여 많이 사용되고 있다. 분자 분광분석의 기본 원리는 특정한 종류의 분자들이 공진주파수라 불리는 특정한 주파수 대역의 빛을 흡수하는 현상을 이용하는 것이다. 이러한 특성을 이용하여 수분, 연료유, 글리콜, 오일의 산화, 수트(soot) 및 오일 첨가제들과 같은 다양한 물질들의 존재를 검출할 수 있다. 오일이 산화됨에 따라서 탄화수소는 알데하이드, 케톤, 알코올 및 카아복실산으로 변하는데, 이들의 생성을 적외선 분광분석 기술로서 검출할 수 있다.
적외선 분광분석은 적은 양의 샘플 오일을 적외선 셀에 주입한 다음, 적외선을 주사하며 출력광의 변화를 조사한다. 샘플내로 입사된 광과 샘플을 통과한 출력광의 세기의 차이가 샘플 물질에 의하여 흡수된 광으로써, 샘플의 적외선 스펙트럼이라고 불리는 이 흡수광을 주파수대별로 분석한다. 스펙트럼 광의 적외선 영역에서 어떠한 분자의 공진주파수는 분자에 포함된 고유한 분자 그룹들에 의하여 결정된다. 분자 그룹은 단순히 두 개 또는 그 이상의 원자들이 상호 특정한 형태로 결합하고 있는 분자들로 구성되는데, 이와 같이 상이한 주파수 혹은 파장 대역에서 흡수된 광을 측정함으로써 샘플 내에 존재하는 여러가지 분자들의 존재를 알아낼 수 있게 된다. 그러나, 어떠한 분자들은 상호 유사한 기능적 그룹을 갖고 있는 경우가 있다. 예를 들면, 사용유에서 세 가지 분자들이 공통적으로 종종 발견되는데, 수분, 글리콜, 그리고 화학적 입체장해형 페놀계 산화방지제(Hindered Phenol Antioxidant)인 BHT(Butylated Hydoxy Toluene) 등이 대표적인 예이다. 대부분의 엔진 사용유들은 기유, 각종 첨가제, 오일 열화생성물, 마모입자 및 오염입자들로부터의 다양한 분자들로 구성되기 때문에 매우 복잡한 적외선 스펙트럼을 지니고 있어서 신뢰성있게 이들의 존재를 분석하기가 쉽지 않다.
또한, 자동차용 엔진오일의 열화도를 진단하기 위하여 오일에 근적외선의 투과 스펙트럼 특성을 측정하는 장치가 개발되고 있는데, 이 장치는 0.5mm의 틈새를 가지는 오일유로에 두 가지 종류의 파장을 갖는 적외선을 통과시키고 적외선 투과손실을 측정하도록 되어 있다. 그러나, 이와 같은 적외선 측정기들의 단점은 미소한 두께를 갖는 오일통로 사이에 적외선을 투과하고 측정해야 하기 때문에, 오일통로가 쉽게 오염될 수 있는 문제점을 지니고 있다. 또한, 이 장치에 사용되는 파장이 1500nm 정도의 광검출기 소자는 상대적으로 비싼 단점이 있다.
적외선 분광분석기와 함께 형광분석기(Fluorescene Spectroscopy)는 오일의 상태를 진단하는데 사용하는 주요한 분광분석기 중의 하나이다. 형광이란 어떤 물질이 외부 에너지를 받아 가전자대(價電子帶)(Valence Band, VB)에서 전도대(傳導帶)(Conduction Band, CB)로 천이(excite)되었던 전자가 불안정한 에너지 상태를 가지므로 다시 VB로 되돌아 오려고 할 때 자신이 가졌던 에너지만큼을 발산하면서 원위치로 돌아오는데 물질이 가진 에너지 밴드 갭의 상태에 따라 에너지를 발산하는 물리적인 현상을 의미한다. 상기 빛의 방출은 대부분 자외선에서 가시광선 파장영역의 빛을 방출하며, 간혹 근적외선 영역의 빛을 방출하기도 한다. 통상, 오일의 산화가 진행됨에 따라, 형광 빛의 세기는 증가한다.
자동차 오일의 경우에 있어서, 오일 내의 방향족 탄화수소계(Aromatic Hydrocarbons), 폴리페닐 탄화수소계(Polyphenyl Hydrocarbons) 및 카아복실 그룹 화합물(Carboxyl Compounds) 등이 유기계 형광물체로서 알려져 있다. 대표적인 방향족 탄화수소계 물질로는 파이렌(pylene) 및 플로렌(fluorene) 등을 들 수 있다. 또한, 카아복실 그룹 물질이 다른 화합물 구조와 결합하면 밝은 형광빛을 발생한다.
광유계 오일(Mineral Oil)은 이소파라핀, 나프텐, 아로메틱 및 나프테노-아로메틱 탄화수소계 화합물들의 혼합으로 구성된다. 이들 중 이소파라핀과 나프텐계 물질들은 형광작용을 하지 않으나, 아로메틱 혹은 나프테노-아로메틱 탄화수소계 화합물에서의 벤젠 링(Benzene Ring)의 존재에 의하여 형광을 하는 것으로 알려져 있다.
한편, 합성기유(Synthetic Base Oil)는 대부분 특별한 특성을 발휘하기 위하여 화학반응에 의해 생성된 분자길이가 큰 분자들로 이루어져 있다. 합성기유는 주로 합성 탄화수소계(Synthesized Hydrocarbons), 에스테르계(Esters), 에테르계(Ethers), 할로겐계(Hologenated Compounds) 및 실리콘계 폴리머의 5가지 종류가 사용되며, 기타물질로는 매우 특별한 용도에서의 사용을 위하여 나트륨 칼륨 공융혼합물(Sodium Potassium Eutectics) 또는 보론, 인, 질소의 무기물계 폴리머 등이 사용되기도 한다. 이들 대부분의 물질들은 자외선 형광특성을 가진다.
그러나, 이러한 형광특성을 이용한 종래의 형광 분광분석기는 스펙트럼 분석 장비가 상대적으로 고가이므로 자동차에 탑재하여 사용하기에는 적절하지 않은 단점이 있다. 또한, 효과적인 측정을 위해서는 오일을 매우 얇은 두께로 최소화하여 오일 매체에 의한 광감쇠 효과를 최소화함이 요구되나, 이러한 측정가능 오일 두께의 제약으로 인해 종래의 형광 분광분석기를 자동차 오일에 실시간으로 적용하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 측정대상 기계에 탑재가능하고, 오일이 열화됨에 따라 증가하는 형광 빛을 실시간적으로 측정함으로써 오일의 산화도를 판정할 수 있는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치는 자외선을 방사하기 위한 광원부; 광원부로부터 방사된 자외선을 복수의 지점에서 측정대상 오일 내부로 유도하기 위한 복수의 제 1광전달수단; 오일 내에 잠기며, 복수의 제 1광전달수단과 각각 대향하며 각 제 1광전달수단으로부터 서로 다른 소정의 거리만큼 이격되어 구비되는 복수의 광반사경; 복수의 광반사경 및 오일내에 존재하는 형광물질로부터 반사되는 빛을 전달하기 위한 복수의 제 2광전달수단; 복수의 제 2광전달수단에 각각 연결되어 반사된 빛을 받아 그 세기를 출력하기 위한 복수의 광검출부; 그리고 복수의 광검출부의 출력값으로부터 오일의 형광 양자수득률 및 광흡수계수를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정하기 위한 제어부로 이루어진다.
또한, 오일내의 오염입자들에 의한 광반사경의 표면손상을 방지하기 위해 광반사경을 감싸도록 구비된 소정 크기의 필터 스크린을 더 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
빛이 오일과 같은 소정의 매질을 통과할 때 일정한 거리를 통과한 후의 빛은 매질 내 분자들에 의하여 흡수되고 산란되어 일정량이 소모되는데, 상기와 같은 빛의 소멸현상은 다음과 같은 램버트-비어(Lambert-Beer)의 법칙에 따르는 것으로 알려져 있다.
여기서, Po는 입사 광량, P(x)는 입사광이 거리x를 통과한 후의 빛의 양, σ는 빛의 소멸계수(Light Extinction Coefficient)를 나타낸다.
대부분의 경우, 매질내의 분자 혹은 입자들의 크기가 매우 작을 때에는 빛의 소멸은 대부분 흡수작용에 의하여 소멸된다. 그러나, 형광물체와 같이 특정한 분자들은 외부로부터 에너지를 받았을 때 빛을 흡수하는 과정에서 일정량의 빛을 방출하는데, 이러한 현상을 나타내는 척도로서, 형광 양자수득률(α, Fluorescene Quantum Yield)이 사용된다. 어떠한 매질 내의 형광물체가 Pi만큼의 세기를 가지는 빛을 흡수할 경우에 형광물체에서 발산되는 단위 길이당 형광 빛의 세기(Pi')를 다음과 같이 정의할 수 있다.
오일 매질을 향해 Po의 광량을 갖는 자외선을 쪼이면 오일 내 임의의 거리(xi)의 위치에서의 빛의 세기는 수학식(1)과 같으므로, xi의 위치에서 발광하는 형광물체에서의 단위 길이당 형광 빛의 세기(p(x)i')는 수학식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
오일 내에 형광물체(fluorophore)의 분자질량당 농도(Molar Concentration)가 C1이고, 여기광의 파장(λo, Excitation Wavelength) 대역에서의 형광물체의 분자 질량당 광흡수도(Molar Absorptivity)가 β1이면, 수학식(3)은 아래의 수학식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 오일 내에 존재하는 형광물체에서 방출되는 빛은 오일 매질을 통과하는 동안 매질 내에서 파장 λ(λ≠λo, λ= λo ±Δλ)대역에서 흡수되므로, 오일 내 임의의 거리(xi)만큼 통과한 형광 빛의 세기는 전술한 수학식(1)에서와 같이 빛이 재차 감쇠되어 다음의 수학식(5)와 같이 표시된다.
여기서, β2(λ)는 여기광의 파장 λ대역에서 형광물체의 분자 질량당 광흡수도를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치에 사용되는 광측정센서의 일실시예를 개략적으로 보인 도면이다.
도시된 바와 같이, 자외선 LED 광원(2)으로부터 방사된 자외선은 제 1광전달수단(4)을 통해 광학 윈도우(7)를 거쳐 오일(10)내로 일정하게 입사된다. 광학 윈도우(7)로부터 d/2의 거리만큼 이격되어 광반사경(8)이 설치되고, 광반사경(8)으로부터 반사된 빛은 제 2광전달수단(5)을 통해 광검출기(9)로 전달된다. 미설명 부호 6은 제 1 및 제 2광전달수단(4,5)의 끝단과 광학 윈도우(7)를 고정시키기 위한 홀더로서, 오일 저장부(12)의 일측에 부착된다. 바람직하게는, 광전달수단(4,5)으로서 광섬유가 사용된다.
광검출기(9)에서 측정한 총 형광출력값(PF(λ))은 상기 수학식(5)를 적분하여 다음의 수학식(6)과 같이 구할 수 있다.
여기서, β(λ)=β1 +β2(λ)이고, β(λ)C1는 오일(10)내에 존재하는 형광물체의 광흡수계수(Light Absorption Coefficient)를 나타내며, 오일(10)내에서 빛이 통과한 거리 xi는 d가 된다.
그러나, 광검출기(9)에서의 출력은 실제적으로는 오일(10) 내에 존재하는 형광물체들에서의 출력(PF)뿐만 아니라, 자외선 광원(2)의 빛(Po)이 오일(10)에 의하여 일부 반사되거나 흡수된 후에 광검출기로 재차 반사되어 측정되는 빛의 양도 일부 존재한다. 이와 같이 비형광 물체들(Non-fluorescene Species)에 의한 빛의 출력(PR)은 전술한 수학식(1)로부터, 다음과 같이 표시된다.
여기서, β'(λ)는 오일 내의 비형광 물체들의 여기광의 파장(λ) 대역에서의 분자 질량당 광흡수도를 나타내고, C'는 비형광 물체의 분자질량당 농도를 나타낸다.
따라서, 도 1에서 도시한 광검출기(9)에서의 총 출력은 형광물체들에서의 출력(PF)과 비형광 물체들에 의한 빛의 출력(PR)의 합으로 다음과 같이 측정된다.
즉, 광검출기(9)에서의 출력은 거리x가 짧으면, 자외선 광원(2) 자체의 광량(Po)에 의해 지배되고, 거리x가 길어질수록 형광 출력(PF)에 의하여 결정된다.
도 2는 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치에 사용되는 광측정센서의 다른 실시예를 개략적으로 보인 도면이다.
도시된 바와 같이, 도 1의 센서와 비교하여 광반사경이 삭제된 구성을 가진다.
이와 같이 광반사경이 없는 경우(x=xmax)에는 상기 수학식(5)는 다음의 수학식(9)와 같이 표시할 수 있다.
여기서, xmax는 pi(λ)값이 최소화(pmin(λ))되는, 즉 광검출기(9)로 실제 측정할 수 있는 최대 거리로서, 자외선 광의 세기 및 광검출기의 민감도 등과 같은 형광센서의 디자인 특성 및 오일의 광흡수 특성 등에 좌우된다. 상기 수학식(9)로부터 xmax는 다음과 같이 정의할 수 있다.
또한, xmax 위치에서의 총 형광출력값(PF(λ))은 다음과 같다.
이 때, pmin(λ)이 영(zero)에 가깝다고 가정하면, 광검출기(9)에서의 총 형광출력값(PF(λ))은 다음의 수학식(12)와 같이 형광 양자수득률(α)과 오일의 광흡수계수(β(λ)C1)에 의하여 결정된다.
상기 수학식(6)과 수학식(12)에서 나타낸 바와 같이, 사용유의 형광출력값은 기본적으로 오일이 산화됨에 따라 증가하는 형광 빛 세기와 오일의 광흡수율에 의하여 좌우된다. 그러나, 오일이 열화됨에 따라 오일의 색이 검어지면 광이 오일내에서 감쇠되는 양이 많아지게 되고, 따라서 형광 작용에 의한 빛이 이의 영향을 받아서 광검출기에서의 출력이 감소하게 된다. 따라서, 이들의 영향을 모두 알기 위하여는 이들 두 가지 특성에 관한 측정을 독립적으로 행하여야 한다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 오일 산화도 측정장치의 단면도이고, 도 4는 그 개략도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1실시예에 따른 오일 산화도 측정장치는 단일의 자외선 LED 광원(22)과, 자외선 광원(22)으로부터 출력된 빛을 오일 저장부(52)내의 각기 다른 두 지점에서 제 1 및 제 2광학 윈도우(28,29)를 통해 오일(50)내로 전달하기 위한 복수의 제 1광섬유(24)와, 제 1 및 제 2광학 윈도우(28,29)로부터 각각 연장되어 구비되는 복수의 제 2광섬유(26)와, 복수의 제 2광섬유(26)를 통해 오일(50)로부터 반사되는 빛을 각각 전달받는 제 1 및 제 2광검출기(34,36)로 이루어진다. 또한, 오일 저장부(52)내에는 제 1광학 윈도우(28)와 대향하며, 이로부터 소정 거리(d1)만큼 이격되어 광반사경(30)이 설치된다.
상기 구성요소들을 지지하기 위한 본체(38)는 오일 저장부(52)에 볼트(46) 체결되며, 기밀유지를 위해 본체(38)와 저장부(52) 사이에 O-링(48)이 장착된다. 제 1 및 제 2광섬유(24,26)와 광학 윈도우(28,29)는 홀더(40)에 의해 본체(38)에 고정된다. 또한, 오일(50)내에 존재하는 오염입자들에 의해 광반사경(30) 및 광학 윈도우(28,29)의 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 소정의 크기를 가지는 필터 스크린(42)이 광반사경(30) 및 광학 윈도우(28,29)를 둘러싸도록 구비되어 있다.
제 1 및 제 2광검출기(34,36)를 통하여 각기 측정된 광신호들은 전자판(44)에서 증폭되고 연산되어 결과 표시기(미도시)에 출력된다.
바람직하게는, 자외선 LED 광원(22)은 파장이 370nm를 갖는 것을 사용하였고, 광섬유(24,26)는 지름이 1mm인 폴리머 재질의 광섬유를 사용하였다.
상술한 바와 같이, 제 1광검출기(34)는 고정된 광전달거리(x=2d1)를 가지며, 제 2광검출기(36)는 광전달거리가 고정되지 않도록 구성되어 있다.
광전달거리가 고정되지 않은 경우(x=xmax)에는, 자외선 광원(22)의 광량(Po)이 오일(50)에 의하여 제 2광검출기(36)로 반사되어 측정되는 출력값(PR)은 무시할 수 있다. 따라서, 오일(50) 내 존재하는 형광물질의 광흡수계수(βC1)가 비형광물질의 광흡수계수(β'C')와 같다(βC1≒β'C')고 가정하면, 제 2광검출기(36)에서의 출력(P2)을 보다 간단하게 표시할 수 있다. 즉, 제 1광검출기(34)로부터 얻은 광량(P1)과 제 2광검출기(36)로부터 얻은 광량(P2)은 상기 수학식(8)과 (12)로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 수학식(13)과 (14)로부터 광흡수도(β) 및 형광 양자수득률(α)을 다음과 같이 유도할 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2광검출기(34,36)로부터의 출력들로부터 후술할 제어부는 다음의 수학식(17)과 (18)로부터 오일(50)의 형광 양자수득률(α) 및 총 광흡수계수(βC1)를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 소정 기준치의 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정한다.
여기서, U0는 x=0 일 때의 광검출기에서의 출력(mV), 즉 자외선 LED 광원(22)의 빛 세기를 의미하며, 이 값은 제어부에 미리 설정되어진다. 또한, U1과 U2는 각각 제 1 및 제 2광검출기(34,36)로부터의 출력값(mV)이다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 오일 산화도 측정장치를 개략적으로 보인 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2실시예에 따른 오일 산화도 측정장치는 상기 제 1실시예와 비교하여 제 2광학 윈도우(29)와 대향하며, 이로부터 d2의 거리만큼 이격되어 설치된 제 2광반사경(32)을 더 포함하는 구조를 갖는다.
이러한 구성에 있어서, 제 1광검출기(34, x=2d1) 및 제 2광검출기(36, x=2d2)로부터 얻는 광량(P1,P2)에 대해서는 상기 수학식(8)로부터 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이 때, 오일(50) 내 존재하는 형광물질의 광흡수계수(βC1)가 비형광물질의 광흡수계수(β'C')와 같다(βC1≒β'C')고 가정하면, 상기 수학식(19)와 (20)은 아래의 수학식(21)과 (22)로 나타낼 수 있고, 이로부터 제어부는 형광 양자수득률(α)과 오일의 광흡수계수(βC1)를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 소정 기준치의 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정한다.
상기 제 1 및 제 2실시예에 따른 오일 산화도 측정장치는 도 1 및 도 2에 도시된 2개의 광측정센서가 복합된 구조를 가지고 있으나, 필요에 따라 2개 이상의 광측정센서가 복합되어 구성될 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치의 전기 회로도이고, 도 7은 오일 산화도 측정장치의 측정부의 전기 회로도이다.
이들에 도시된 바와 같이, 오일 산화도 측정장치는 측정부(60), 오일의 산화도 판정을 위한 데이터 제어부(70), 그리고 전압공급부(80)로 크게 구성되어 있고, 측정부(60)는 자외선 입사광 및 안정화 회로(62), 광검출기 회로(64) 및 온도측정회로(66)의 세부분을 포함한다.
자외선 입사광 및 안정화 회로(62)에 있어서, 자외선 LED 광원(D3)에는 1kHz의 주파수를 갖는 0~2.5V사이의 전압이 가해지며, 트랜지스터(Q1) 및 전기저항(R9,R10)은 자외선 LED(D3)에서 일정한 전류(30mA)가 발생하도록 한다. 자외선 광의 일부가 광검출기(D2)로 입사되고, 광검출기(D2)에서의 출력신호가 트랜스임피던스 증폭기(U1B)로 공급된다. 상기와 같이 출력이 피드백된 신호는 데이터 제어부(70)로 공급되고, 상기 신호량에 따라서 자외선 LED(D3)의 전류량을 조절하여 일정한 자외선 광이 방출되도록 구성되어 있다.
광검출기 회로(64)는 광검출기(D1,D2) 및 공진주파수가 1kHz이며 주파수의 대역너비(bandwidth)가 약 4kHz를 갖는 트랜스임피던스 증폭기(U1A,U1B)로 구성되어 있다. 오일을 통과하면서 변조된 자외선 LED 신호는 광검출기(D1,D2)로 전달되고, 트랜스임피던스 증폭기(U1A,U1B)를 거치면서 광검출기(D1,D2)의 측정 전류를 전위값으로 전환한다. 커패시터(C1,C3)는 광검출기(D1,D2)의 전류의 직류성분을 필터링한다. 전기저항(R2,R5)은 증폭기(U1A,U1B)의 이득률(gain)을 조정하고, 전기저항(R3,R6,R7,R8) 및 커패시터(C2,C4)는 주파수 대역너비를 조정한다. 상기의 결과로서 증폭기(U1A,U1B)에는 -4~+4V 전위차 신호가 출력된다. 온도 측정센서(U2)는 시험대상 오일(50)의 온도를 측정하기 위하여 사용된다.
이하에서는, 본 발명의 제 1실시예에 따른 오일 산화도 측정장치를 이용하여 광유계 오일에 대해 시험한 결과를 설명하기로 한다.
본 시험에서는, 40℃온도에서의 동점도가 468cSt인 기어유(Super Gear EP 460)가 사용되었으며, 신유와 일정 기간동안 산업현장에서 사용한 사용유를 비교하였다. 측정장치의 광전달거리(di)는 각각 0, 0.4, 1.5, 2.3, 3.5, 4.3, 5.5mm로 변화하였으며, 광전달거리가 고정되지 않은 경우(di=xmax)도 측정하였다. 측정결과는 다음의 표 1에서 보인 바와 같다.
상기 측정결과에서, 신유 및 사용유에서의 양자수득률과 광흡수계수는 각각 수학식(17)과 (18)로부터 얻은 값이다. 이 때, Uo는 광전달거리가 0일 때의 측정값, U1은 광전달거리 xi에서의 측정값, U2는 광전달거리가 xmax에서의 측정값이다. 신유의 양자수득률은 평균적으로 0.054mm-1을 얻을 수 있었으며, 사용유의 평균 양자수득률은 0.065mm-1을 얻을 수 있었다. 또한, 신유의 평균 광흡수계수는 약 0.295mm-1인 반면, 사용유의 평균 광흡수계수는 0.626mm-1을 얻을 수 있었다. 즉, 오일이 열화됨에 따라 산화되는 현상을 본 발명에서와 같이 사용유에서의 형광 양자수득률을 측정하여 정량적으로 판단할 수 있음을 확인할 수 있다. 특히, 오일이 오염됨에 따라 오일의 색이 어두워지는 상황하에서도 오일의 형광특성을 효과적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있다.
표 2는 상기 시험에 따른 광흡수계수 및 형광 양자수득률의 평균결과치와 종래의 전산가 측정 결과치를 비교한 것으로, 이에 나타난 바와 같이 양측 모두 각 항목의 값이 신유보다 사용유측에서 높게 측정되어 상호 일치함을 알 수 있다.
다음, 본 발명의 제 1실시예에 따른 오일 산화도 측정장치를 이용하여 합성유 오일에 대해 시험한 결과를 설명하기로 한다.
시험대상 오일은 40℃온도에서의 동점도가 300cSt인 폴리알파올레핀(PAO)계 합성유인 기어유(Ultra Gear Oil 320)가 사용되었으며, 신유와 일정 기간동안 산업현장에서 사용한 사용유를 비교하였다. 측정장치의 광전달거리(di)는 각각 0, 2, 4mm로 변화하였으며, 광전달거리가 고정되지 않은 경우(di=xmax)도 측정하였다. 측정결과는 다음의 표(3)에서 보인 바와 같다.
표(3)에 나타난 바와 같이, 형광 양자수득률은 평균적으로 0.002mm-1을 얻었고, 사용유의 형광 양자수득률은 0.022mm-1을 얻어, 사용유의 형광 양자수득률이 신유보다 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 오일이 열화됨에 따라 오일이 어둡게 변색됨과 동시에 형광 양자수득률 증가를 동반한 오일의 산화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자외선 형광 특성을 이용한 오일 산화도 측정장치는 오일이 열화됨에 따라 형광 빛이 증가됨을 측정함으로써 오일의 산화도를 평가하는 것으로, 특히 복수의 광측정센서를 복합적으로 사용함으로써 오일의 열화에 따라 오일의 색이 어두워지더라도 이를 보상하여 측정함으로써 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래의 오일 산화도 측정방법과 달리 측정대상 오일의 두께에 제약을 받지 않을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 상대적으로 제조비용이 저렴하므로 측정대상 기계에 탑재하여 오일의 산화도를 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치에 사용되는 광측정센서의 일실시예를 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치에 사용되는 광측정센서의 다른 실시예를 개략적으로 보인 도면,
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 오일 산화도 측정장치의 단면도,
도 4는 도 3의 오일 산화도 측정장치를 개략적으로 보인 도면,
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 오일 산화도 측정장치를 개략적으로 보인 도면,
도 6은 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치의 전기 회로도,
도 7은 본 발명에 따른 오일 산화도 측정장치의 측정부의 전기 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
22: 발광부
24: 제 1광섬유
26: 제 2광섬유
28: 제 1광학 윈도우
29: 제 2광학 윈도우
30: 제 1광반사경
32: 제 2광반사경
34: 제 1광검출기
36: 제 2광검출기
40: 홀더
42: 필터 스크린
50: 오일
Claims (9)
- 자외선을 방사하기 위한 광원부;상기 광원부로부터 방사된 자외선을 복수의 지점에서 측정대상 오일 내부로 유도하기 위한 복수의 제 1광전달수단;오일 내에 잠기며, 상기 복수의 제 1광전달수단과 각각 대향하며 각 제 1광전달수단으로부터 서로 다른 소정의 거리만큼 이격되어 구비되는 복수의 광반사경;상기 복수의 광반사경 및 오일내에 존재하는 형광물질로부터 반사되는 빛을 전달하기 위한 복수의 제 2광전달수단;상기 복수의 제 2광전달수단에 각각 연결되어 반사된 빛을 받아 그 세기를 출력하기 위한 복수의 광검출부; 그리고상기 복수의 광검출부의 출력값으로부터 오일의 형광 양자수득률 및 광흡수계수를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정하기 위한 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 복수의 제 1 및 제 2광전달수단은 광섬유인 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 제 1항에 있어서, 오일내의 오염입자들에 의한 상기 광반사경의 표면손상을 방지하기 위해 상기 광반사경을 감싸도록 구비된 소정 크기의 필터 스크린을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 자외선을 방사하기 위한 광원부;상기 광원부로부터 방사된 자외선을 두 지점에서 측정대상 오일 내부로 유도하기 위한 한 쌍의 제 1광섬유;오일 내에 잠기며, 상기 한 쌍의 제 1광섬유 중 어느 일측의 제 1광섬유와 대향하며 소정의 광전달거리만큼 이격되어 구비되는 광반사경;상기 광반사경 및 오일내에 존재하는 형광물질로부터 반사되는 빛을 전달하기 위한 한 쌍의 제 2광섬유;상기 한 쌍의 제 2광섬유에 각각 연결되어 반사된 빛을 받아 그 세기를 출력하기 위한 한 쌍의 광검출부; 그리고상기 한 쌍의 광검출부의 출력값으로부터 오일의 형광 양자수득률 및 광흡수계수를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정하기 위한 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 제어부는 다음의 수학식을 이용하여 오일의 형광 양자수득률과 광흡수계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.여기서, α(λ)는 형광 양자수득률, d1은 광전달거리, U0는 광원부의 빛 세기, U1은 광반사경으로부터 반사된 빛을 받는 광검출부의 출력값, U2는 광전달거리가 고정되지 않은 측의 광검출부의 출력값, β(λ)C1은 광흡수계수이다.
- 제 4항에 있어서, 오일내의 오염입자들에 의한 상기 광반사경의 표면손상을 방지하기 위해 상기 광반사경을 감싸도록 구비된 소정 크기의 필터 스크린을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 자외선을 방사하기 위한 광원부;상기 광원부로부터 방사된 자외선을 두 지점에서 측정대상 오일 내부로 유도하기 위한 한 쌍의 제 1광섬유;오일 내에 잠기며, 상기 한 쌍의 제 1광섬유와 각각 대향하며 각 제 1광섬유로부터 서로 다른 소정의 광전달거리만큼 이격되어 구비되는 제 1 및 제 2광반사경;상기 광반사경 및 오일내에 존재하는 형광물질로부터 반사되는 빛을 전달하기 위한 한 쌍의 제 2광섬유;상기 한 쌍의 제 2광섬유에 각각 연결되어 상기 제 1 및 제 2광반사경으로부터 반사된 빛을 받아 그 세기를 각각 출력하기 위한 제 1 및 제 2광검출부; 그리고상기 제 1 및 제 2광검출부의 출력값으로부터 오일의 형광 양자수득률 및 광흡수계수를 산출하고, 미리 기억시켜 둔 형광 양자수득률 및 광흡수계수와 비교함으로써 오일의 산화도를 판정하기 위한 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
- 제 7항에 있어서, 상기 제어부는 다음의 수학식을 이용하여 오일의 형광 양자수득률과 광흡수계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.여기서, d1은 제 1광섬유와 제 1광반사경 사이의 광전달거리, d2는 제 1광섬유와 제 2광반사경 사이의 광전달거리, Uo는 광원부의 빛 세기, U1은 제 1광검출부의 출력값, U2는 제 2광검출부의 출력값, α(λ)는 형광 양자수득률, β(λ)C1은 광흡수계수이다.
- 제 7항에 있어서, 오일내의 오염입자들에 의한 상기 제 1 및 제 2광반사경의 표면손상을 방지하기 위해 상기 제 1 및 제 2광반사경을 감싸도록 구비된 소정 크기의 필터 스크린을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자외선 형광특성을 이용한 오일 산화도 측정장치.
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