KR101039328B1 - 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법 - Google Patents

유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 자가 진동형 계측시스템은, 고정단 및 피측정 유체에 접하는 자유단을 갖는 보, 보의 진동을 유발하여 보와 피측정 유체 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시킬 수 있도록 보에 결합되는 압전소자, 보가 진동할 때 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도를 측정하기 위해 보에 결합되는 가속도계, 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산하는 연산모듈을 포함한다. 연산모듈은 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도와 압전소자에 인가되는 전압(V)을 각각 측정하여 실험적 전달함수를 각각 계산하고, 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 보의 파수(kb)를 계산하며, 계산된 보의 파수(kb) 및 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산한다.
유체, 측정, 진동, 계측, 시스템

Description

유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법{SELF-VIBRATION TYPE MEASURING INSTRUMENT AND METHOD FOR REAL TIME MEASUREMENT RHEOLOGICAL PROPERTIES OF NEWTONIAN/NON-NEWTONIAN FLUIDS}
본 발명은 유체의 물적 특성을 측정하기 위한 계측시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실시간으로 유체의 점도와 탄성을 계측할 있는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법에 관한 것이다.
R. W. Whorlow가 "Rheological techniques"(Ellis Horwood Ltd, (1980))에서 개시한 바와 같은 종래 회전식 점도계는 많은 연구결과들을 통해 유체의 물성을 비교적 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
그러나 회전식 계측장치는 장비 자체의 구조가 복잡하고, 고가이며, 크기가 크다. 또한, 다른 유체를 실험장치에 삽입하기까지의 과정이 복잡하여 측정하고자 하는 다른 유체로의 시편 교체가 불편할 뿐 아니라, 측정 알고리즘 상 시간에 따른 유체의 동적 특성 변화를 관측해야 하기 때문에 결과의 신뢰성에 문제가 생길 수 있는 단점이 있다.
유체의 물성을 측정하기 위한 계측장치로 회전식 계측장치 이외에 진동형 계 측장치가 알려져 있다. 진동형 계측장치는 유체의 점도를 측정할 수 있는 계측장치로, 회전형 계측장치에 비해 비교적 저가인 장점이 있다.
그러나 진동형 계측장치는 상용화된 대부분의 제품이 유체의 점도 측정은 가능하지만, 유체의 탄성 측정은 불가능하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 진동형 계측장치의 단점을 보완하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 실시간으로 유체의 점도와 탄성을 계측할 수 있는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자가 진동형 계측시스템은, 고정단 및 피측정 유체에 접하는 자유단을 갖는 보, 상기 보의 진동을 유발하여 상기 보와 상기 피측정 유체 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시킬 수 있도록 상기 보에 결합되는 압전소자, 상기 보가 진동할 때 상기 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도를 측정하기 위해 상기 보에 결합되는 가속도계, 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산하는 연산모듈을 포함한다. 상기 연산모듈은 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 상기 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도와 상기 압전소자에 인가되는 전압(V)을 각각 측정하여 실험적 전달함수를 각각 계산하고, 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 상기 보의 파수(kb)를 계산하며, 계산된 상기 보의 파수(kb) 및 상기 피측정 유체에 의한 작용 력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산한다.
본 발명에 의한 자가 진동형 계측시스템은 상기 피측정 유체에 접하여 상기 피측정 유체로부터 작용력(ffluid)을 받아들이기 위해 상기 보의 자유단에 결합되는 접촉판을 더 포함할 수 있다.
상기 압전소자는 상기 보의 고정단에 결합될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 계측방법은, (a) 보의 자유단을 피측정 유체에 접촉시키고, 상기 보에 결합된 압전소자로 상기 보에 강제적으로 진동을 유발하여 상기 보와 상기 피측정 유체 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시키는 단계, (b) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 상기 보에 부착된 압전소자에 인가되는 전압(V)과 상기 보의 임의 지점(x=x1)에서의 가속도를 각각 측정하는 단계, (c) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 다음의 수학식 1과 같은 실험적 전달함수와 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 다음의 수학식 2와 같은 실험적 전달함수를 구하는 단계, (d) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 상기 수학식 2와 같은 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 수치 해석적 방법으로 상기 보의 파수(Wave Number)(kb) 를 계산하는 단계, (e) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 상기 수학식 1과 같은 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수 및 이론적 전달함수를 이용하여 수치 해석적 방법으로 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)을 계산하는 단계, (f) 상기 계산된 작용력(ffluid)을 이용하여 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산하는 단계를 포함한다. 여기에서, 수학식 1 및 수학식 2는 다음과 같다.
Figure 112009036756167-pat00001
Figure 112009036756167-pat00002
(여기에서, w(x1,t,kb,ffluid)는 유체의 작용력이 있을 때 보의 변위, ω는 주파수, x1은 변위측정 위치, t는 시간, V는 압전소자에 인가되는 전압, w(x1,t,kb,0)는 유체의 작용력이 없을 때 보의 변위)
상기 (f) 단계에서 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산하기 위해 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid) 모델로 다음과 같은 수학식 3이 이용될 수 있다.
Figure 112009036756167-pat00003
(여기에서, Gl = μω(μ는 점성계수), b=(피측정 유체의 면적)/피측정 유체의 두께), GS는 유체의 저장계수, Gl은 유체의 손실계수)
상기 (e) 단계에서 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 상기 이론적 전달함수는 상기 압전소자에 의한 가진을 고려하여 파동전달해석을 통해 도출될 수 있다.
상기 (e) 단계에서 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)은 상기 보의 자유단의 변위에 스프링 상수를 곱하여 계산될 수 있다.
본 발명에 의하면, 비교적 간단한 형태의 자가 진동형 측정장치와 그 수학적 모델을 이용하여 유체의 점도 및 탄성을 측정할 수 있게 되므로, 저가의 진동형 계측시스템의 구현이 가능하다.
또한, 본 발명에 의하면, 측정 알고리즘 상에 시간에 관한 변수가 없기 때문에, 측정에 필요한 시간과 시간의 변화에 따른 유체의 동적 특성 변화를 관측할 필요가 없으므로, 항시 실시간으로 신뢰성 있는 측정결과를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 해석적 해가 확실한 보 전달함수법을 사용하므로, 측정 결과에 신뢰성이 있고, 지능 구조물인 압전소자를 사용하여 보의 진동을 유발 함으로써 외부의 다른 가진장치에 의한 것보다 정밀도가 높으며, 실시간 유체 점도 계측이 가능하다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템 및 계측방법에 대하여 설명한다. 도면에서 구성요소의 크기와 형상 등은 발명의 이해를 돕기 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템의 진동형 측정장치를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 연산모듈에 탑재되는 점도 및 탄성 산출 알고리즘이다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 자가 진동형 계측시스템은 유체와 접하는 보(110), 보(110)에 결합된 압전소자(130) 및 가속도계(150)를 갖는 진동형 측정장치(100), 보(110)의 일정 지점에서의 가속도 및 압전소자(130)에 인가된 전압(V)을 통한 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하 여 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산하는 연산모듈(160), 결과 데이터를 출력하기 위한 출력장치(170)를 포함한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 진동형 측정장치(100)는 지지대(120)에 고정된 고정단(101) 및 피측정 유체에 접하는 자유단(102)을 갖는 보(110), 보(110)의 고정단(101)에 결합되어 진동을 유발하는 압전소자(130), 측정하고자 하는 유체와 접촉할 수 있도록 보(110)의 자유단(102)에 결합된 접촉판(140), 보(110)의 중간에 결합되는 가속도계(150)를 포함한다. 접촉판(140)은 피측정 유체와 접촉하는 부분으로 피측정 유체로부터 힘을 받아들이는 부분이다.
이러한 진동형 측정장치(100)는 보(110)에 결합된 접촉판(140)을 물성을 측정하고자 하는 유체에 접촉시키고, 압전소자(130)를 이용하여 보(110)의 진동을 유발하여 유체와 구조물 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력이 발생하도록 한다. 가속도계(150)는 보(110)의 일정 지점에서의 가속도를 측정하기 위한 것으로, 보(110)의 고정단(101)에서 보(110)의 전체 길이의 20~30%되는 부분에 배치되는 것이 좋다.
연산모듈(160)은 진동형 측정장치(100)를 통해 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 보(110)의 한 지점(x=x1)에서의 가속도와 압전소자(130)에 인가되는 전압(V)을 각각 측정하여 실험적 전달함수를 각각 계산하고, 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 실험에 사용된 보(110)의 파수(kb)를 계산한다. 그리고 계산된 보(110)의 파 수(kb) 및 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산하고, 그 결과를 출력장치(170)로 출력한다.
이하에서는 도 3을 참조하여 상술한 자가 진동형 계측시스템을 통해 유체의 유변학적 특성을 측정하는 계측방법에 대하여 설명한다.
먼저, 보(110)의 고정단(101)에 결합된 압전소자(130)를 이용하여 강제적으로 모멘트를 일으켜 보(110)의 진동을 유발하고, 보(110)의 자유단(102)에 결합된 접촉판(140)을 피측정 유체에 접촉시켜 유체와 구조물 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시킨다.
이후, 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 보(110)에 부착된 압전소자(130)에 인가되는 전압(V)과 임의 지점(x=x1)에서의 가속도를 각각 측정하여, 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 실험적 전달함수를 각각 계산한다. 여기에서, 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수는 다음의 수학식 4와 같고, 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 실험적 전달함수는 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112009036756167-pat00004
Figure 112009036756167-pat00005
(여기에서, w(x1,t,kb,ffluid)는 유체의 작용력이 있을 때 보의 변위, ω는 주파수, x1은 변위측정 위치, t는 시간, V는 압전소자에 인가되는 전압, w(x1,t,kb,0)는 유체의 작용력이 없을 때 보의 변위)
위의 수학식 1에서 -ω2×w(x1,t,kb,ffluid)는 유체의 작용력이 있을 때의 가속도를 나타내고, 수학식 2에서 -ω2×w(x1,t,kb,0)는 유체의 작용력이 없을 때의 가속도를 나타낸다.
계속해서, 유체에 의한 작용력이 없을 때의 상기 수학식 2와 같은 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 수치 해석적 방법으로 보(110)의 파수(Wave Number)(kb)를 계산한다. 여기에서, 보(110)의 파수(kb)는 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 비교하여 이를 만족하는 파수(kb)를 수치적으로 계산할 수 있다. 그리고 이론적 전달함수는 수학식 2와 같이, 보의 변위에 주파수(ω) 제곱값을 곱하여 가속도를 구하고, 이를 전압(V)으로 나눔으로써 도출할 수 있다.
보(110)의 파수(kb) 계산 후, 상기 수학식 1과 같은 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 이들 실 험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하여 수치 해석적 방법으로 유체에 의한 작용력(ffluid)을 계산한다. 여기에서, 이론적 전달함수는 압전소자(130)에 의한 가진을 고려하여 파동전달해석을 통해 도출할 수 있다. 그리고, 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)은 보(110)의 자유단의 변위에 스프링 상수를 곱하여 계산할 수 있다.
이후, 계산된 작용력(ffluid)을 이용하여 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산한다. 여기에서, 유체에 의한 작용력(ffluid) 모델로 다음과 같은 수학식 6이 이용된다.
Figure 112009036756167-pat00006
(여기에서, Gl = μω(μ는 점성계수), b=(피측정 유체의 면적)/피측정 유체의 두께), GS는 유체의 저장계수, Gl은 유체의 손실계수)
여기에서, 손실계수(Gl)는 유체의 점도와 연결되고, 저장계수(Gs)는 유체의 탄성과 관계가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템의 진동형 측정장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 자가 진동형 계측시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 연산모듈에 탑재되는 점도 및 탄성 산출 알고리즘이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 진동형 측정장치 110 : 보
120 : 지지대 130 : 압전소자
140 : 접촉판 150 : 가속도계
160 : 연산모듈 170 : 출력장치

Claims (7)

  1. 고정단 및 피측정 유체에 접하는 자유단을 갖는 보;
    상기 보의 진동을 유발하여 상기 보와 상기 피측정 유체 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시킬 수 있도록 상기 보에 결합되는 압전소자;
    상기 보가 진동할 때 상기 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도를 측정하기 위해 상기 보에 결합되는 가속도계;
    상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 상기 보의 한 지점(x=x1)에서의 가속도와 상기 압전소자에 인가되는 전압(V)을 각각 측정하여 실험적 전달함수를 각각 계산하고, 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 상기 보의 파수(kb)를 계산하며, 계산된 상기 보의 파수(kb) 및 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수와 그에 대한 이론적 전달함수를 이용하여 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 각각 계산하는 연산모듈;을 포함하는 자가 진동형 계측시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피측정 유체에 접하여 상기 피측정 유체로부터 작용력(ffluid)을 받아들이기 위해 상기 보의 자유단에 결합되는 접촉판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 진동형 계측시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소자는 상기 보의 고정단에 결합되는 것을 특징으로 하는 자가 진동형 계측시스템.
  4. (a) 보의 자유단을 피측정 유체에 접촉시키고, 상기 보에 결합된 압전소자로 상기 보에 강제적으로 진동을 유발하여 상기 보와 상기 피측정 유체 간에 단순 전단 변형(Simple Shear)에 의해 작용력(ffluid)을 발생시키는 단계;
    (b) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때와 없을 때의 상기 보에 부착된 압전소자에 인가되는 전압(V)과 상기 보의 임의 지점(x=x1)에서의 가속도를 각각 측정하는 단계;
    (c) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 다음의 수학식 1과 같은 실험적 전달함수와 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 다음의 수학식와 같은 실험적 전달함수를 구하는 단계;
    [수학식 1]
    Figure 112009036756167-pat00007
    [수학식 2]
    Figure 112009036756167-pat00008
    (여기에서, w(x1,t,kb,ffluid)는 유체의 작용력이 있을 때 보의 변위, ω는 주파수, x1은 변위측정 위치, t는 시간, V는 압전소자에 인가되는 전압, w(x1,t,kb,0)는 유체의 작용력이 없을 때 보의 변위)
    (d) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 없을 때의 상기 수학식 2와 같은 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 수치 해석적 방법으로 상기 보의 파수(Wave Number)(kb)를 계산하는 단계;
    (e) 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 상기 수학식 1과 같은 실험적 전달함수에 대한 이론적 전달함수를 구하고, 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 실험적 전달함수 및 이론적 전달함수를 이용하여 수치 해석적 방법으로 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)을 계산하는 단계;
    (f) 상기 계산된 작용력(ffluid)을 이용하여 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산하는 단계;를 포함하는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 계측방 법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서 상기 피측정 유체의 점도 및 탄성 관련 변수를 계산하기 위해 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid) 모델로 다음과 같은 수학식이 이용되는 것을 특징으로 하는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 계측방법.
    Figure 112009036756167-pat00009
    (여기에서, Gl = μω(μ는 점성계수), b=(피측정 유체의 면적)/피측정 유체의 두께), GS는 유체의 저장계수, Gl은 유체의 손실계수)
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)이 있을 때의 상기 이론적 전달함수는 상기 압전소자에 의한 가진을 고려하여 파동전달해석을 통해 도출되는 것을 특징으로 하는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 계측방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 피측정 유체에 의한 작용력(ffluid)은 상기 보의 자유 단의 변위에 스프링 상수를 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 유체의 유변학적 특성 측정을 위한 계측방법.
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