KR100955254B1 - Ｓｈ-ｓａｗ를 이용한 유체의 점도 측정방법 및 점도측정장치 - Google Patents

Ｓｈ-ｓａｗ를 이용한 유체의 점도 측정방법 및 점도측정장치 Download PDF

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Abstract

유체의 점도 측정방법 및 점도 측정장치가 개시된다. 개시된 유체의 점도측정 방법은, 제 1 및 제 2 채널에 기준유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계; 제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출한 후, 상기 기준유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계; 제 1 및 제 2 채널에 측정유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계; 제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출한 후, 상기 측정유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계; 상기 기준유체의 주파수 변이와 상기 측정유체 간의 주파수 변이 차이 값을 계산하는 단계; 및, 상기 주파수 변이 차이값을 이용하여 상기 측정유체의 점도를 계산하는 단계;를 포함한다.
채널, 점도 측정, SH-SAW, 주파수 변이, 비 뉴턴 유체

Description

ＳＨ-ＳＡＷ를 이용한 유체의 점도 측정방법 및 점도 측정장치{A fluid- viscosity measuring method and a apparatus thereof using a shear horizontal surface acoustic wave}
본 발명은 유체의 점도 측정방법 및 점도 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 SH-SAW(a shear-horizontal surface acoustic wave)를 이용하여 유체의 점도를 측정하는 유체의 점도 측정방법 및 점도 측정 장치에 관한 것이다.
유체의 점성이나 점도를 측정하는 방법이나 장치는 많이 알려져 있다. 특히 유체의 전단응력과 변형률의 관계가 뉴턴의 법칙을 만족하는 뉴턴유체의 점도를 측정하는 장치나 방법의 경우는 점도 측정이 복잡하지 않아 여러가지 방법 및 장치를 이용하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 국내특허 10-0662968에서는 액체의 점성계수를 구하는 방법이 개시되어 있고, 공고번호 특1992-0009415에서는 피막의 유효 점성도를 측정하는 방법이 개시되어 있다. 이 외에도 유체의 점도를 측정하는 종래의 장치 및 방법은 US5,302,878, US2007062260, US2005284210, US2004141183 등에 다수 개시되어 있다.
그러나, 종래의 점도 측정 방법 및 장치는 측정이 복잡한 단점이 있으며, 특 히 전단응력과 변형률의 관계가 일정하지 않은 비 뉴턴유체의 경우 점도를 측정하기 불가능하거나 매우 복잡하였다. 따라서, 비 뉴턴유체의 점도를 측정할 수 있는 간단하고 손쉬운 방법 및 장치가 필요하였다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유체 특히 비뉴턴 유체의 점도를 쉽고 간단하게 측정할 수 있는 SH-SAW를 이용한 유체의 점도 측정방법 및 점도 측정장치을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 해결하기 위해 개시된 유체의 점도 측정방법은, 제 1 및 제 2 채널에 기준유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계; 제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출한 후, 상기 기준유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계; 제 1 및 제 2 채널에 측정유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계; 제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출한 후, 상기 측정유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계; 상기 기준유체의 주파수 변이와 상기 측정유체 간의 주파수 변이 차이 값을 계산하는 단계; 및, 상기 주파수 변이 차이값을 이용하여 상기 측정유체의 점도를 계산하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 주파수 변이 차이 값을 y라 하고 상기 측정유체의 점도를 x라 하면, 아래와 같은 관계식에 의해 유체의 점도를 측정할 수 있다.
Figure 112008040062239-pat00001
또한, 상기 주파수 발생기로부터 발생되는 신호의 주파수는 30MHz, 40MHz, 50MHz 및 100MHz 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 유체의 점도 측정방법은, 상기 제 1 채널 및 상기 제 2 채널의 출력전극으로부터 검출된 SH-SAW의 평균 주파수를 산출하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 개시된 유체의 점도 측정장치는, 입력전극 및 출력전극을 포함하는 적어도 하나의 채널이 코팅된 기판; 상기 입력전극에 주파수를 인가하는 주파수 발생기; 상기 출력전극으로 출력되는 SH-SAW의 주파수를 검출하는 주파수 측정기; 및, 상기 SH-SAW의 주파수 변이 및 측정유체의 점도를 계산하는 컴퓨터;를 포함한다.
여기서, 상기 채널은 제 1 채널 및 제 2 채널을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 개시된 유체의 점도 측정장치는, 상기 제 1 및 제 2 채널의 상기 입력전극과 상기 출력전극 간의 전압을 증폭시키는 증폭기; 및, 상기 제 2 채널의 상기 입력전극 및 상기 출력전극 사이의 기판 상에 설치된 도금판을 더 포함할 수 있다.
또한, 개시된 일 실시 예에 의하면, 상기 유체의 점도 측정장치는, 상기 입력전극과 상기 출력전극 사이의 기판 상에 설치되며, 측정챔버를 구비한 지그부재; 상기 측정챔버에 유체를 공급하는 공급유닛; 및, 상기 측정챔버로부터 배출되는 유체를 흡입하는 흡입유닛;을 더 포함한다.
개시된 유체의 점도 측정방법 및 장치에 따르면, 측정유체의 점도를 SH-SAW 주파수 변이만을 측정함으로써 유체의 점도를 계산할 수 있으므로, 뉴턴유체 뿐만 아니라 특히 점도 측정이 까다롭고 복잡한 비 뉴턴 유체의 점도를 매우 손쉽고 간단하게 측정할 수 있다.
또한, 하나 이상의 채널을 사용하여 SH-SAW의 주파수 변이를 측정함으로써, 측정된 점도의 정확성 및 신뢰도가 높다는 장점이 있다.
또한, 유체의 점도 측정장치는, 구조가 단순하고 간단하며 누구나 쉽게 장치를 구성하고 측정할 수 있는 장점이 있다.
표면 탄성파(Surface Acoustic Wave, SAW)는 기판 표면에서 에너지를 갖고 이동하는 파이다. 따라서, 표면 탄성파가 진행하는 진로 표면에 물리적이나 화학적인 변형이 있으면 표면 탄성파의 특징(위상 속도, 진폭)에 변화를 일으킨다. 이러한 변화를 측정함으로써, 예를 들어 공진기(resonator)와 같은 센서가 개발되었다. 이들은 이때 석영 크리스탈 기판 표면을 이동하는 R-SAW(Rayleigh-SAW)를 사용하였다.
SH-SAW(Shear-Horizontal Surface Acoustic Wave)는 R-SAW(Rayleigh SAW)와는 달리 유체의 위상을 측정할 수 있다. 본 출원인은 SH-SAW와 유체의 점도와의 상호관계를 많은 실험과 연구를 통해 해석하게 되었으며, 이들 간의 관계를 분석하여 유체의 점도를 측정하기 위한 방법 및 장치를 개발하였다. 특히 종래의 측정방법으로 측정하기 어려운 비뉴턴 유체(non-Newtonian fluid)에 대한 점도 센서의 새로운 방법 및 이를 이용한 점도 센서를 개발하였다. 참고적으로, SH-SAW는 표면 탄성 파(Surface Acoustic Wave)의 일종으로서, 1977년 토오쿠(Tohoku) 대학의 나카무라 교수가 36°Y-cut X-propagating LiTaO₃(36YX.LT) 기판에서 진행하는 표면 탄성파를 명명한 것이다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 점도 측정장치 및 방법을 자세히 설명한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유체의 점도 측정장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(40), 제 1 채널(80), 제 2 채널(90), 지그부재(300), 공급유닛(100), 흡입유닛(200), 주파수 발생기(46), 증폭기(42), 주파수 측정기(50) 및, 컴퓨터(52)를 포함한다.
기판(40)은 LiTaO₃(LT) 재질로, 사각형상으로 구성되어 있다. LiTaO₃는 압전물질(piezoelectric material)이며,SH-SAW(Surface Acoustic Wave)가 진행하는 매질 역할을 한다. 기판(40)에는 금분말로 코팅된 도금판(54)이 설치되어 있다.
제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90) 각각은 입력 전극(10)과 출력 전극(30)을 포함한다. 각 채널(80,90)의 입력 전극(10)과 출력 전극(30)은 일정 간격을 두고 서로 마주 보도록 기판(40)상에 코팅되어 있으며, 200Å의 티타늄과 2800Å의 금으로 코팅 처리되어 있다. 입력 전극(10) 및 출력 전극(30)은 각각 양극(12,16,32,36)과 접지 극(14,18,34,38)을 구비하고, 입력되는 주파수에 따라 양극(12,16,32,36)과 접지 극(14,18,34,38) 간의 간격 및, 입력 전극(10)과 출력 전극(30) 간의 간격이 다르게 구성된다.
지그부재(300)는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 입력전극(10)과 출력전극(30) 사이에 설치되어 있으며, 측정챔버(310)가 구비되어 있다. 지그부재(300)는 도 1과 같이, 도금판(54)이 측정챔버(310) 내부에 위치되도록 기판(40) 위에 설치된다. 도 2를 참조하면, 측정챔버(310)의 일측 상부에는 유체가 유입되는 입구(312)가, 타 측 하단에는 유체가 배출되는 출구(314)가 형성되어 있다.
공급유닛(100)은, 측정 유체, 워싱 솔루션(washing solution), 기준유체 등을 측정챔버(310)에 공급하는 유닛으로서, 공급탱크유닛(110), 공급펌프(120) 및 공급배관(130)을 포함한다. 공급탱크유닛(110)은, 도 2를 참조하면, 6개의 탱크 및 각각의 탱크를 공급배관과 연결 및 차단시키는 6개의 밸브(140)로 구성되어 있다. 6개의 탱크에는 워싱 솔루션, 기준유체 및 4개의 측정유체가 저장되어 있다. 공급펌프(120)는 공급하고자 하는 유체를 측정챔버(310)로 펌핑하도록 공급배관(130) 상에 설치되어 있으며, 공급배관(130)은 6개의 탱크와 측정챔버의 입구(312)에 연결된다. 따라서, 공급하고자 하는 유체를 연속적으로 측정챔버(310)에 공급한다.
흡입유닛(200)은, 측정챔버(310)에 있는 유체를 흡입하여 저장하는 유닛으로서, 흡입탱크유닛(210), 흡입펌프(220) 및 흡입배관(230)으로 구성된다. 즉, 흡입탱크유닛(210)은 6개의 탱크와 밸브(240)로 구성되어 성질이 다른 유체를 별도로 저장하고, 흡입배관(230)은 출구(314)와 각각의 흡입탱크유닛(210)과 연결되어 있다. 따라서, 측정을 마친 유체들은 흡입펌프(220)에 의해 흡입탱크유닛(210)으로 저장된다.
본 실시 예에서는 6개의 탱크와 밸브로 구성되어 있으나, 이에 한정되지 않고 흡입탱크유닛이나 공급탱크유닛은 다양하게 구성할 수 있다.
주파수 발생기(46)는 제 1 채널(80)과 제 2 채널(90)의 입력 전극(10)에 특정 주파수를 입력시킨다. 즉 주파수 발생기(46)가 입력 전극(10) 및 출력 전극(30)에 특정 주파수를 입력하면, 기판(40)상에 코팅된 입력 전극(10)에 의해 동일한 주파수를 갖는 SH-SAW가 기판(40) 표면을 따라 출력 전극(30) 방향으로 진행하게 된다.
증폭기(42)는, 입력 전극(10)와 출력 전극(30) 간의 전압을 증폭하고, 주파수 측정기(50)는 제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90)의 출력 전극(30)으로부터 출력되는 SH-SAW의 주파수를 측정한다. 측정된 제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90)의 주파수는 비교 분석을 위해 컴퓨터로 출력된다.
컴퓨터(52)는, 주파수 측정기(50)에서 검출되는 제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90)의 SH-SAW 주파수를 이용하여 측정하고자 하는 측정유체의 점도를 계산한다. 즉, 컴퓨터(52)는 제 2 채널(90)의 입력 전극(10)으로 입력되는 주파수에 비하여 출력 전극(30)로 출력되는 SH-SAW의 주파수의 차이를 계산함으로써, 측정유체의 점도를 계산할 수 있다. 그러나, SH-SAW의 주파수 변이는 진행하는 기판(40)상의 측정유체 뿐만 아니라 기판(40)의 온도 등 환경의 변화에 의해서도 달라질 수 있다. 따라서, 이미 점도를 알고 있는 기준유체에 의한 SH-SAW 주파수 변이를 구하고, 측정유체에 의한 주파수 변이를 구한 후, 이들 간의 차이를 이용하여 점도를 계산함으로써, 외부 환경에 의한 오차를 배제하고 측정유체의 정확한 점도를 계산할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체의 점도 측정장치를 이용하여 유체의 점도의 측정 방법 및 결과에 대하여, 도 1 내지 5를 참조하여, 자세히 설명한다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 점도를 모르는 측정유체의 점도를 측정하기 위해서, 먼저, 공급탱크유닛(110)의 기준유체의 탱크 밸브(140)가 오픈되고, 기준유체를 공급배관(130)을 통해 측정챔버(310)에 연속적으로 유입함으로써, 제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90)에 기준유체를 공급하고, 100KHz 주파수를 주파수 발생기(46)에서 각 채널(80,90)의 입력전극(10)에 인가한다. 측정챔버(310)에 기준유체가 채워지면 공급펌프(120)는 작동을 멈추고 오픈된 밸브는 잠긴다. 입력전극(10)에 주파수가 인가되면, 기판상에는 SH-SAW가 발생되며 기준유체를 통과하여 출력전극(30)으로 이동된다. SH-SAW의 주파수는 기준유체를 통과하면서 또는/및 외부 환경에 의해 달라질 수 있다. 주파수 측정기(50)에서는 제 1 및 제 2 채널(80,90)의 출력전극(30)을 통해 검출되는 SH-SAW의 주파수를 검출하고 컴퓨터(52)로 출력하며, 컴퓨터(52)는 각 채널(80,90)에서 검출되는 기준유체에 의한 SH-SAW의 평균주파수를 계산한 후, 입력된 주파수 100KHz에 대해 검출된 평균 주파수의 주파수 변이를 계산한다. 측정이 완료된 기준유체는 흡입펌프(220)에 의해 흡입배관(230)을 통해 흡입탱크유닛(210) 중 하나의 탱크에 저장된다.
그런 다음, 공급탱크유닛(110)의 측정유체를 저장하고 있는 탱크 밸브(140)가 오픈되고, 공급배관(120)을 통해 측정챔버(310)에 측정유체를 연속적으로 유입함으로써, 제 1 채널(80) 및 제 2 채널(90)에 측정유체(55)(도 2 참조)를 공급하고, 100KHz 주파수를 주파수 발생기에서 각 채널(80,90)의 입력전극(10)에 인가한 다. 측정챔버(310)에 측정유체(55)가 채워지면 공급펌프(120)는 작동을 멈추고 오픈되었던 밸브(140)는 잠긴다. 입력전극(10)에 주파수가 인가되면, 기판(40)상에는 SH-SAW가 발생되며 측정유체(55)를 통과하여 출력전극(30)으로 이동된다. SH-SAW의 주파수는 측정유체(55)를 통과하면서 주파수의 변화를 일으키고 출력전극(30)으로 출력된다. 주파수 측정기(50)에서는 제 1 및 제 2 채널(80,90)의 출력전극(30)을 통해 검출되는 SH-SAW의 주파수를 검출하고 컴퓨터(52)로 출력하며, 컴퓨터(52)는 각 채널(80,90)에서 검출되는 측정유체에 의한 SH-SAW의 평균주파수를 계산한 후, 입력된 주파수 100KHz에 대해 검출된 평균 주파수의 주파수 변이를 계산한다. 측정이 완료된 측정유체(55)는 흡입펌프(220)에 의해 흡입배관(230)을 통해 흡입탱크유닛(210) 중 하나의 탱크에 저장된다.
그런 다음, 컴퓨터(52)는 기준유체에 의한 주파수 변이와 측정유체에 의한 주파수 변이의 주파수 차이 값을 계산하고, 이러한 주파수 차이 값을 이용하여 측정유체의 점도을 계산한다. 만약 다른 유체를 측정하고자 하는 경우에는, 측정챔버(310) 내에 남아 있는 미량의 측정유체를 제거하기 위해, 공급유닛(100)으로부터 워싱 솔루션을 측정챔버(310)에 공급한 후 흡입유닛(200)으로 배출시킨다. 워싱 솔루션은 측정유체 내부를 깨끗히 정리하여 다음 측정유체의 점도 측정에 영향을 주지 않도록 한다.
도 4 및 도 5는 측정유체를 글리세롤 용액으로 하고, 기준유체를 주파수 변화가 없는 증류수로 하여, 증류수에 글리세롤 용액의 농도를 변화시켜 가면서 측정한 SH-SAW의 주파수 변화 및 주파수 변이를 나타낸 그래프이다. 도 4의 x축은 시간 을, y축은 주파수를 나타내며, 도 5에서 x축은 점도를 y축은 주파수 변이를 나타낸다.
도 4의 그래프에서 "DW"는 증류수(Distilled Water)를 의미하고, "10% Gly"는 10% 글리세롤 용액을 의미한다. 처음에는 기판 표면에 처음에는 증류수(DW,Distilled Water)를 공급하고, 100MHz 주파수를 갖는 신호를 공급하면서, 시간이 지날수록 글리세롤 용액의 양을 점차 늘려 가면서 공급하였다. 10, 30, 50, 70 및 90%의 글리세롤 용액에서, 주파수 변이는 48.9, 69.4, 107.4, 134.3 및 185.1KHz를 나타냈다. 도 2를 참조하면, 10%의 글리세롤 용액을 떨어뜨렸을 때는 증류수(DW)만 공급하였을 때보다 48.9KHz의 주파수 드롭(drop)이 일어나고, 20%를 더 떨어뜨려 30%의 글리세롤 용액이 되었을 때는 증류수만 있을 때보다 69.4KHz 주파수 드롭이 일어나고, 50% 글리세롤 용액이 되었을 때는 증류수만 떨어뜨렸을 때보다 107.4KHz 주파수 드롭이, 70% 글리세롤 용액이 되었을 때는 134.3KHz 주파수 드롭이, 90% 글리세롤 용액에서는 185.1KHz의 주파수 드롭이 일어난 것을 알 수 있다.
이렇게, 글리세롤 용액의 양이 늘어나면, 즉 측정유체의 점도가 커지면 SH-SAW의 주파수 변이가 늘어난다는 것을 알 수 있으며, 도 5의 그래프의 방정식을 도출할 수 있다. 즉, 도 5의 y축이 주파수 변이이고, x축이 점도이므로, 도 5에 도시된 그래프의 방정식은 아래와 같다.
Figure 112008040062239-pat00002
이와 같은 방정식을 통해 주파수 변이(y)를 구하면, 미지 농도의 글리세롤 용액의 점도(x)도 간단히 계산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 점도 측정장치의 시스템을 설명하기 위한 개략적 시스템도,
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 라인을 따라 절개한 후, 공급유닛, 흡수유닛, 기판 및 지그부재만을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 점도 측정방법을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 도 1에 도시된 점도 측정장치를 이용하여 실험한 시간, 점도 및 측정 주파수와의 관계를 나타낸 그래프로서, x축은 시간, y축은 측정 주파수를 나타내며,
도 5는 도 4에서 측정된 점도 및 주파수의 값을 이용하여 주파수 변이와 점도와의 관계를 도시한 그래프로서, x축은 점도를, y축은 주파수 변이를 나타낸 그래프이다.

Claims (9)

  1. 제 1 및 제 2 채널에 기준유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계;
    제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출하여 평균주파수를 계산한 후, 상기 기준유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계;
    제 1 및 제 2 채널에 측정유체를 공급하고, 제 1 및 제 2 채널의 입력전극에 주파수를 인가하는 단계;
    제 1 및 제 2 채널의 출력전극으로부터 출력되는 SH-SAW 주파수를 검출하여 평균주파수를 계산한 후, 상기 측정유체에 의한 SH-SAW의 주파수 변이를 계산하는 단계;
    상기 기준유체의 주파수 변이와 상기 측정유체 간의 주파수 변이 차이 값을 계산하는 단계; 및,
    상기 주파수 변이 차이값을 이용하여 상기 측정유체의 점도를 계산하는 단계;를 포함하며,
    상기 주파수 변이 차이 값을 y라 하고 상기 측정유체의 점도를 x라 하면, y와 x의 관계식은 아래와 같은 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정방법.
    Figure 112010017674897-pat00003
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 발생기로부터 발생되는 신호의 주파수는 30MHz, 40MHz, 50MHz 및 100MHz 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정방법.
  4. 삭제
  5. 입력전극 및 출력전극을 각각 포함하는 제 1 채널 및 제 2 채널의 코팅된 기판;
    상기 입력전극에 주파수를 인가하는 주파수 발생기;
    상기 출력전극으로 출력되는 SH-SAW의 주파수를 검출하는 주파수 측정기;
    상기 제 1 및 제 2 채널의 상기 입력전극과 상기 출력전극 간의 전압을 증폭시키는 증폭기;
    상기 제 2 채널의 상기 입력전극 및 상기 출력전극 사이의 기판 상에 설치된 도금판; 및
    상기 SH-SAW의 주파수 변이 및 측정유체의 점도를 계산하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 입력전극과 상기 출력전극 사이의 기판 상에 설치되며, 측정챔버를 구비한 지그부재;
    상기 측정챔버에 유체를 공급하는 공급유닛; 및,
    상기 측정챔버로부터 배출되는 유체를 흡입하는 흡입유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 측정유체는 비 뉴턴유체(non-Newtonian fluid)인 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.
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