KR101009471B1 - 회전식 점도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전 토크를 이용해 피측정 시료의 점도를 측정하는 회전식 점도계에 관한 것으로서, 구동모터에 의해 회전 운동하는 제1측정판에 온도센서가 설치되는 대신 고정된 제2측정판에 온도센서가 설치되고, 상기 제2측정판에 구비되는 고정축에 위치센서가 설치됨으로써, 온도센서 측정값의 정확도를 향상시키고 온도센서와 위치센서 사이에 간섭이 최소화될 수 있는 회전식 점도계에 관한 것이다.

Description

회전식 점도계{Rotational rheometer}
본 발명은 회전 토크를 이용해 피측정 시료의 점도를 측정하는 회전식 점도계에 관한 것으로서, 구동모터에 의해 회전 운동하는 제1측정판에 온도센서가 설치되는 대신 고정된 제2측정판에 온도센서가 설치되고, 상기 제2측정판에 구비되는 고정축에 위치센서가 설치됨으로써, 온도센서 측정값의 정확도를 향상시키고 온도센서와 위치센서 사이에 간섭이 최소화될 수 있는 회전식 점도계에 관한 것이다.
유체는 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. 운동중인 유체에서 인접 부분의 유체요소가 서로 다른 속도로 흐를 때 그 인접 두 부분 사이에는 속도 구배가 발생하며 이 속도 구배는 전단 응력과 연관되어있다. 전단 응력이 속도 구배에 정비례하는 유체를 뉴턴 유체(Newtonian fluid)라고 하고 그렇지 않은 모든 유체를 비 뉴턴유체(Non-Newtonian fluid)라 한다.
이와 같은 유체의 점도를 측정하는 장치를 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.
낙구식 점도계는 액체 중에서 낙하하는 구의 종말속도(terminal velocity)를 측정하여 점도를 측정하는 기기인데, 별도의 샘플을 채취하여 실험실에서 점도를 측정하는 경우라면 점도 측정 수단으로서 적절히 사용될 수 있다.
모세관 점도계는 정상유동상태인 유체의 질량유량과 압력 강하량을 측정하고 푸아죄유의 법칙(Poiseuille' law)을 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.
회전식 점도계는 운동중인 유체가 원통 혹은 원판에 미치는 저항력을 측정하여 유체의 점도를 측정하는 기기로, 두 개의 원반 사이에 피측정 시료가 개재되어 상기 피측정 시료의 상??하 양측 면 또는 일측면은 고정되고 타측면에서 가해지는 힘에 의한 변형량을 측정한다.
상기 회전식 점도계는 힘이 가해지는 축과 변형량이 측정되는 축이 동일 축인 응력 조절(stress-controlled) 방식 및 힘이 가해지는 축과 변형량이 측정되는 축이 서로 다른 변형률 조절(strain-controlled) 방식으로 나눠질 수 있다.
상기 응력 조절 방식의 회전식 점도계(200)는 힘이 가해져 구동모터(210)에 의해 회전운동 하는 축과 변형량이 측정되는 축이 동일 축이므로 간단한 구조를 가진다는 장점이 있다.
그런데, 상기 응력 조절 방식의 회전식 점도계(200)는 피측정 시료에 힘이 가해져 회전 운동되는 축에서 변형량까지 측정해야 되기 때문에, 측정값의 정확도가 떨어질 수 있다는 단점이 있다.
반면에, 상기 변형률 조절 방식의 회전식 점도계(100)는 힘이 가해져 회전 운동되는 축과 변형량이 측정되는 축이 다르기 때문에 피측정 시료의 변형량을 측정하는 정확도가 상기 응력 조절 방식의 회전식 점도계(200)에 비해 높다는 장점이 있다.
한편, 상기 회전식 점도계에서는 변형량에 영향을 미칠 수 있는 상기 피측정 시료의 온도가 정확하게 측정되는 것이 매우 중요하다.
그런데, 종래의 상기 변형률 조절 방식의 회전식 점도계(100)는 변형량이 측정되는 축에는 위치센서(120)가 설치되고 구동모터(110)에 의해 회전 운동되는 축에 온도센서(130)가 설치되는데, 이 때, 가능한 한 상기 피측정 시료에 인접하여 상기 온도센서(130)가 설치될 수 있도록 회전 운동되는 축의 중심에 파여진 구멍 안으로 온도센서(130)를 삽입하여 고정시키는 복잡한 과정을 거치게 되며, 상기 구동모터의 회전에 영향을 미칠 수도 있다는 단점이 있어, 이를 극복할 수 있는 회전식 점도계의 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구동모터에 의해 회전 운동하는 제1측정판에 온도센서가 설치되는 대신 고정된 제2측정판에 온도센서가 설치되고, 상기 제2측정판에 구비되는 고정축에 위치센서가 설치됨으로써, 온도센서 측정값의 정확도를 향상시키고 온도센서와 위치센서 사이에 간섭이 최소화될 수 있는 회전식 점도계를 제공하는 것이다.
본 발명의 회전식 점도계는 회전 구동력을 발생시키는 구동모터(30); 상기 구동모터(30)에 의해 회전되도록 상기 구동모터(30)의 회전축(31)과 연결되는 판형상의 제1측정판(10); 상기 제1측정판(10)과 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 판형상의 제2측정판(20); 상기 제2측정판(20)의 일측면 일정영역에 길이방향으로 돌출되어 형성되는 고정축(40); 상기 제2측정판(20)의 일측면과 일정거리 이격되어 상기 고정축(40)에 설치되는 위치센서(50); 상기 제2측정판(20)의 일정영역에 설치되어 상기 피측정 시료의 온도를 측정하는 온도센서(60); 및 상기 구동모터(30)를 제어하며 상기 온도센서(60)의 측정값 및 위치센서(50)의 측정값을 처리하는 제어부(70); 를 포함하여 형성되며, 상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20) 사이에 피측정 시료가 개재되어 상기 제1측정판(10)이 회전운동 함으로써 발생되는 회전 토크를 이용해 피측정 시료의 점도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20)은 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정축(40)에는 상기 피측정 시료의 온도가 상기 위치센서(50)의 측정값에 영향을 미치지 않도록 상기 제2측정판(20)과 상기 위치센서(50) 사이에 단열층(80)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2측정판(20)에는 상기 피측정 시료와 접하는 면과 반대되는 타측면에 상기 온도센서(60)가 안착되어 고정될 수 있도록 일정깊이 함입 되어 형성되는 온도센서 삽입부(61)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 구동모터에 의해 회전 운동하는 제1측정판에 온도센서가 설치되는 대신 고정된 제2측정판에 온도센서가 설치되고, 상기 제2측정판에 구비되는 고정축에 위치센서가 설치됨으로써, 온도센서 측정값의 정확도를 향상시키고 온도센서와 위치센서 사이에 간섭이 최소화될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래에 제1측정판이 회전되는 회전축의 파여진 홈에 온도센서가 설치되는 대신 고정된 제2측정판의 일측면에 온도센서가 간편하게 설치됨으로써, 조립과정이 단순화된다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 온도센서가 제2측정판에 설치되도록 함으로써, 제1측정판을 회전시키는 구동모터의 정확한 구동이 가능하도록 할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 응력 조절 방식의 회전식 점도계를 나타낸 부분 정면도.
도 2는 종래의 변형률 조절 방식의 회전식 점도계를 나타낸 부분 정면도.
도 3은 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 부분 확대 구성도.
도 5는 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 사시도.
이하, 본 발명의 회전식 점도계(1)를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 변형률 조절 방식의 회전식 점도계를 나타낸 부분 정면도이며, 도 2는 종래의 응력 조절 방식의 회전식 점도계를 나타낸 부분 정면도이고, 도 3은 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 구성도이며, 도 4는 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 부분 확대 구성도이고, 도 5는 본 발명의 회전식 점도계를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 회전식 점도계(1)는 크게 구동모터(30), 제1측정판(10), 제2측정판(20), 고정축(40). 위치센서(50), 온도센서(60) 및 제어부(70)를 포함하여 형성된다.
상기 구동모터(30)는 회전 구동력을 발생키며, 상기 제1측정판(10)은 판 형상으로 상기 구동모터(30)에 의해 회전되도록 상기 구동모터(30)의 회전축과 연결된다.
상기 제2측정판(20)은 상기 제1측정판(10)과 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 판 형상이고, 상기 고정축(40)은 상기 제2측정판(20)의 일측면 일정영역에 길이방향으로 돌출되어 형성되며, 상기 제2측정판(20)의 일측면과 일정거리 이격되어 상기 고정축(40)에는 위치센서(50)가 설치된다.
상기 온도센서(60)는 상기 피측정 시료의 온도를 측정하며, 피측정 시료와 인접한 상기 제2측정판(20)의 일정영역에 설치된다.
상기 제어부(70)는 상기 구동모터(30)의 속도를 제어하며 상기 온도센서(60)의 측정값 및 위치센서(50)의 측정값을 처리한다.
상기 제1측정판(10) 또는 제2측정판(20) 중 어느 하나는 수직 이동 가능하도록 설치되어 상기 피측정 시료가 상기 제1측정판(10)과 제2측정판(20) 사이에 개재될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 회전식 점도계(1)는 상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20) 사이에 피측정 시료가 개재되어 상기 제1측정판(10)이 회전운동 함으로써 발생되는 회전 토크를 이용해 피측정 시료의 점도를 측정한다.
도 3내지 5를 참고로, 상기 회전식 점도계(1)의 작용을 설명하면,
상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20) 사이에 개재된 피측정 시료는 상기 제어부(70)의 모터제어부로부터 신호를 받아 구동되는 구동모터(30)의 회전에 의해 회전부하가 걸리게 된다.
이 때, 발생되는 토크에 의한 피측정 시료의 비틀림 정도를 측정하는 위치센서(50)는 제어부(70)로 측정된 아날로그 데이터를 전송하며, 전송된 데이터는 상기 제어부(70)의 A/D(Analog/Digital) 컨버터를 통해 디지털 값으로 변환된 다음 마이크로컴퓨터에 의해 처리된다.
이와 마찬가지로, 상기 회전식 점도계(1)는 피측정 시료의 온도를 측정하기 위해 제2측정판(20)의 일정영역에 설치되는 온도센서(60)가 상기 피측정 시료의 온도를 감지하여 제어부(70)로 측정된 아날로그 데이터를 전송하며, 전송된 온도 값은 상기 제어부(70)의 A/D(Analog/Digital) 컨버터를 통해 디지털 값으로 변환된 다음 마이크로컴퓨터에 의해 처리된다.
아울러, 상기 제어부(70)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로컴퓨터를 통해 디지털 표시창 또는 PC가 연결되어 있으며, 상기 PC를 인터페이스로 하여 프린터 또는 모니터가 연결되어 상기 회전식 점도계(1)에 의해 측정된 데이터를 모니터 또는 프린터를 통해 출력하여 확인할 수 있다.
한편, 상기 피측정 시료는 일반적으로 플라스틱 재질인 경우가 많은데, 상기 플라스틱 재질의 피측정 시료는 점도를 측정하기 위해 용융되어 200~300도 정도의 고온 상태일 수 있으므로, 상기 온도센서(60)는 300도 이상의 온도를 측정할 수 있는 것이어야 한다.
상기 제1측정판(10), 제2측정판(20), 고정축(40)은 금속재질로 이루어지는 것이 일반적인데, 상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20) 사이에 개재되는 피측정시료가 고온의 플라스틱 재질인 경우, 상기 위치센서(50)가 설치되는 고정축(40)은 열전도에 의해 온도가 높은 상태가 될 수 있다.
이런 경우, 상기 위치센서(50)는 높은 온도에 의해 오작동을 일으킬 수도 있으며, 상기 고정축(40)이 고온에서 팽창됨으로써 발생되는 변위에 의해 상기 위치센서(50)의 측정값에 오차가 커질 수 있다.
상기 회전식 점도계(1)는 상기 위치센서(50)에 의해 측정되는 측정값이 최대 수mm 정도이기 때문에 상술한 바와 같은 열전도에 의한 팽창으로 발생될 수 있는 변위는 측정값 대비 큰 오차일 수 있다.
따라서 상기 고정축(40)에는 상기 제2측정판(20)과 위치센서(50) 사이의 일정영역에 열전도가 일어나는 것을 방지할 수 있는 단열층(80)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제2측정판(20)은 1~2mm정도의 두께를 가지는 얇은 판이기 때문에, 상기 온도센서(60)는 상기 제2측정판(20)의 피측정 시료와 접하는 면과 반대되는 면에 간편하게 부착되어 상기 피측정 시료의 온도를 측정함으로써, 종래에 제1측정판(10)의 회전축(31) 중심에 홈을 파고 삽입하는 복잡한 과정을 거치지 않아도 된다.
이 때, 상기 제2측정판(20)에는 상기 온도센서(60)의 부착이 용이하도록 일정깊이 함입 되어 형성되는 온도센서 삽입부(61)가 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제2측정판(20)은 상기 온도센서(60)가 상기 피측정 시료와 직접 접하지 않더라도 상기 제2측정판(20)의 온도를 측정함으로써 상기 피측정 시료의 온도를 측정하는 것과 동일한 결과를 얻을 수 있도록 열전도성이 높은 금속재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 회전식 점도계(1)는 구동모터(30)에 의해 회전 운동하는 제1측정판(10)에 온도센서(60)가 설치되는 대신 고정된 제2측정판(20)에 온도센서(60)가 설치되고, 상기 제2측정판(20)에 구비되는 고정축(40)에 위치센서(50)가 설치됨으로써, 온도센서(60) 측정값의 정확도를 향상시키고 온도센서(60)와 위치센서(50) 사이에 간섭이 최소화될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 종래에 제1측정판(10)이 회전되는 회전축(31)의 파여진 홈에 온도센서(60)가 설치되는 대신 고정된 제2측정판(20)의 일측면에 온도센서(60)가 간편하게 설치됨으로써, 조립과정이 단순화된다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 온도센서(60)가 제2측정판(20)에 설치되도록 함으로써, 제1측정판(10)을 회전시키는 구동모터(30)의 정확한 구동이 가능하도록 할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 회전식 점도계
10 : 제1측정판
20 : 제2측정판
30 : 구동모터 31 : 회전축
40 : 고정축
50 : 위치센서
60 : 온도센서 61 : 온도센서 삽입부
70 : 제어부
80 : 단열층

Claims (4)

  1. 회전 구동력을 발생시키는 구동모터(30); 상기 구동모터(30)에 의해 회전되도록 상기 구동모터(30)의 회전축(31)과 연결되는 판형상의 제1측정판(10); 상기 제1측정판(10)과 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 판형상의 제2측정판(20); 상기 제2측정판(20)의 일측면 일정영역에 길이방향으로 돌출되어 형성되는 고정축(40); 상기 제2측정판(20)의 일측면과 일정거리 이격되어 상기 고정축(40)에 설치되는 위치센서(50); 상기 제2측정판(20)의 일정영역에 설치되어 상기 피측정 시료의 온도를 측정하는 온도센서(60); 및
    상기 구동모터(30)를 제어하며 상기 온도센서(60)의 측정값 및 위치센서(50)의 측정값을 처리하는 제어부(70); 를 포함하여 형성되며, 상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20) 사이에 피측정 시료가 개재되어 상기 제1측정판(10)이 회전운동 함으로써 발생되는 회전 토크를 이용해 피측정 시료의 점도를 측정하는 것을 특징으로 하는 회전식 점도계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1측정판(10) 및 제2측정판(20)은 금속 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 회전식 점도계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고정축(40)에는
    상기 피측정 시료의 온도가 상기 위치센서(50)의 측정값에 영향을 미치지 않도록 상기 제2측정판(20)과 상기 위치센서(50) 사이에 단열층(80)이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 점도계.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제2측정판(20)에는
    상기 피측정 시료와 접하는 면과 반대되는 타측면에 상기 온도센서(60)가 안착되어 고정될 수 있도록 일정깊이 함입 되어 형성되는 온도센서 삽입부(61)가 형성되는 것을 특징으로 하는 회전식 점도계.
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