KR101067659B1

KR101067659B1 - 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치

Info

Publication number: KR101067659B1
Application number: KR1020090005758A
Authority: KR
Inventors: 김석광; 임국희; 황명주; 박충일; 이상진; 구진범; 김종현
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2011-09-27
Also published as: KR20100086523A

Abstract

본 발명은 부력을 이용한 밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 신속하고 정확하게 밀도를 측정할 수 있도록 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치에 관한 것이다. 이를 위해, 상부측정팬과 하부측정팬으로 구성된 팬홀더, 팬홀더 상의 시편 질량을 측정하기 위한 질량측정수단 및 하부측정팬이 물에 잠기는 수조(160)를 포함하는 부력을 이용한 밀도측정장치에 있어서, 하부측정팬 상에 구비되는 충격완화수단; 및 충격완화수단이 상부측정팬(220)에 매달리도록 연결되는 복수의 연결선(270)이 제공된다.

밀도, 측정, 부력, 질량, 물, 팬홀더, 충격, 완화, 수조

Description

충격완화장치를 갖는 밀도측정장치{Density measurement device with shock absorbing device}

본 발명은 부력을 이용한 밀도 측정 장치에 관한 것으로서, 신속하고 정확하게 밀도를 측정할 수 있도록 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 밀도는 물질의 고유한 성질중의 하나로서 밀도측정은 제품 생산과 연구개발에 필수적인 사항이다. 이러한 밀도(ρ)는 [수학식 1]과 같이 물질의 질량(m)과 부피(V)와의 비, 즉 단위 부피당 질량으로 정의한다.

액체와 고체의 밀도는 온도와 더불어 변화하며, 일반적으로 일정한 조건하에서 온도가 증가함에 따라 감소하고 압력이 증가하면 약간 증가하는 경향을 나타낸다. 이러한 특성을 갖는 밀도는 다음과 같이 구분할 수 있다.

이상밀도(ideal density)란 재료중의 원자가 이상적으로 배열되어 있을 때의 밀도이다. 이러한 이상밀도는 X선 회절법 등을 이용하여 얻어진 결정격자의 크기와 단위격자내의 원자의 배열의 정보로부터 알 수 있다. 실제의 재료는 반드시 원자가 결손되어 있거나, 불순물 또는 기공 등이 존재하기 때문에 이상밀도와 일치하기 어렵다.

진밀도(True density)란 실제 고체 물질의 밀도를 의미한다. 이 때 공극이나 입자내 공간을 제외한 밀도를 의미한다. 이 경우 비공질(nonporous) 고체는 녹이지 않는 액체로 치환하여 측정이 가능하다. 다공질 고체인 경우 물질에 의해 흡착되지 않는 헬륨으로 치환하여 측정하는 헬륨 덴시토미터를 사용하는데 이는 헬륨이 공극이나 갈라진 틈속까지도 침투하는 특성을 이용한 것이다.

용적밀도(bulk density)란 고체재료, 특히 소결체에 존재하는 개기공과 폐기공을 포함해서 얻을 수 있는 밀도이다. 도 1은 기포가 있는 시편의 정면도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시편(10)의 내부에는 개기공(12)과 폐기공(14)이 같이 존재하게 된다. 산업적으로는 제품의 품질관리 및 섬광법에 의한 열전도 측정시 용적밀도를 이용한다.

이하에서는 아르키메데스의 원리(고체를 액체에 넣었을 경우 고체가 받는 부력의 크기는 같은 체적의 액체 중량과 같다)를 이용하여 용적밀도를 측정하는 장치와 방법에 대해 설명하기로 한다.

우선 아르키메데스의 원리에 따른 밀도 측정을 위한 수학식은 다음과 같다.

여기서, ρ는 밀도, m은 질량이고, 하첨자 a는 공기, w는 액체이다.

그리고, 도 2는 종래의 밀도 측정 장치(100)의 사시도이고, 도 3은 도 2중 팬홀더(180)의 사시도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수조(160)내에는 물(150)이 채워져 있고, 온도계(140)는 물(150)의 온도를 측정한다. 팬홀더(180)의 상부에는 시편(10)이 위치하는 상부측정팬(120)이 있고, 하부에는 물에 잠긴 시편(10)이 위치하는 하부측정팬(110)이 있다. 팬홀더(180)는 기둥부(190)에 매달려 있고, 기둥부(190)에 걸리는 하중이 질량으로서 측정된다.

이와 같은 밀도측정장치의 측정순서는 다음과 같다. 우선, 온도계(140)를 이용하여 물(150)의 온도를 측정한다. 그 다음, 밀도 측정 장치(100)의 질량 표시값을 영점 보정을 한다. 그 다음, 시편(10)을 상부측정팬(120)위에 놓고 공기중의 질량(m_a)을 측정한다. 그리고, 시편(10)을 하부측정팬(110) 위에 놓고 물(150)속에서의 질량(m_w)을 측정한다. 측정된 공기중의 질량(m_a), 물(150)속에서의 질량(m_w) 및 알고 있는 물과 공기의 밀도를 이용하여 [수학식 2]로부터 밀도(ρ)를 계산한다.

이러한 밀도측정의 오차 요인으로는 다음과 같은 것이 있다. 우선, 수평유지와 진동으로 인한 오차이다. 정확한 수평위치의 선정 및 안정된 설치는 반복된 결과를 얻기 위한 필수요건이다. 0.01 mg 의 정밀한 질량측정을 위해서는 외부와의 진동을 차단하거나 흡수하기 위한 충격흡수 받침대의 역할이 중요하다.

그리고, 또 다른 오차요인은 팬홀더이다. 밀도를 측정하기 위해서는 수중에 있는 측정판에 시편을 올려놓아야 한다. 이 때, 팬홀더의 요동 정도가 큰 오차 변수로 작용하게 된다. 그 밖에는 물의 온도 보정과 시편 표면의 기포 영향 등이 오차 요인으로 들 수 있다.

그러나, 이와 같은 밀도측정은 다음과 같은 문제점이 있었다. 즉, 부력측정방법에서 공기중의 시편(10) 질량은 일반적으로 정확하게 측정된다. 그러나, 유체(물)속의 시편(10) 질량은 시편(10)을 담글때 팬홀더(180)의 요동에 의해 안정화된 값을 얻기 어려웠다. 따라서, 종래에는 물(150)속의 하부측정팬(110)에 시편(10)을 놓을 때 팬홀더(180)의 요동을 방지하기 위하여 시편(10) 자체의 하중을 단계적으로 이동시키는 숙련도가 필요하였다. 따라서, 실험자의 숙련도에 따라 측정 오차가 크게 좌우되었으며, 이를 참값에 가까운 값을 얻기 위해 반복하는데 많은 시간을 소비하지만 숙련된 기법으로도 측정시료를 유체내의 하부측정팬에 닿는 초기시점에서의 외력을 피할 수 없기 때문에 측정값의 신뢰도가 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 유체내의 하부측정팬에 시편을 올려 놓는 순간 팬홀더와 그 연결부위를 통한 충격이나 진동 전달을 방지할 수 있는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은,

상부측정팬과 하부측정팬으로 구성된 팬홀더, 팬홀더 상의 시편 질량을 측정하기 위한 질량측정수단 및 하부측정팬이 물에 잠기는 수조(160)를 포함하는 부력을 이용한 밀도측정장치에 있어서,

하부측정팬 상에 구비되는 충격완화수단; 및

충격완화수단이 상부측정팬(220)에 매달리도록 연결되는 복수의 연결선(270)을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 상부측정팬(220)의 하면에는 충격완화 받침대(340)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

아울러, 충격완화 받침대(340)는 고무, 실리콘, 우레탄, 합성수지재중 적어도 하나를 포함하는 재질일 수 있다.

그리고, 상부측정팬(220)의 하면 중심에 수직으로 설치되는 금속바아(275); 및 금속바아(275)의 자유측에 설치되는 3분할 지주부(272)를 더 포함하는 것이 가능하다.

또한, 3분할 지주부(272)의 각 자유단에는 연결선(270)이 연결되어 있고, 연결선(270)은 합성수지재의 줄일 수 있다.

그리고, 충격완화수단은, 연결선(270)이 연결되는 제 2 판(320); 제 2 판(320)과 소정간격만큼 이격되고, 시편이 위치하는 제 1 판(300); 및 제 1 판(300)과 제 2 판(320) 사이에 구비되는 탄성수단일 수 있다.

그리고, 제 1 판(300)과 제 2 판(320)중 적어도 하나에는 다수의 관통공이 형성되어 있다.

탄성수단은 압축 코일 스프링(310) 등과 같이 충격을 흡수하고 변형에 복원력이 있는 재질인 것이 바람직하다.

아울러, 제 1 판(300) 및 제 2 판(320)은 원형인 것이 바람직하고, 제 1 판(300)은 시편의 위치 고정을 위해 오목하게 형성된 것이 바람직하다.

그리고, 충격완화수단의 하면에는 무게추(330)가 더 구비되어 있고, 무게추(330)는 충격완화수단으로 하면에 매달리도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 시편이 올려질 때의 충격을 흡수하거나 완화하여 겉보기 밀도가 1 g/cm³ 이상의 밀도를 신속하고 정확하게 밀도를 측정할 수 있다.

또한, 시편이 올려지는 팬홀더의 진자운동을 최소화하고, 제 1, 2 판의 관통공에 의해 유체의 저항을 감소시키는 역할을 한다. 이로 인해, 팬홀더는 빠른 시간내에 안정될 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

(실시예의 구성)

이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 충격완화장치가 구비된 팬홀더(200)의 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상부측정팬(220)은 공기중에서 시편(10)의 질량을 측정할 때 시편(10)이 올려지는 접시이다.

금속바아(275)는 스텐레스강과 같은 금속재의 봉재로서 상부측정팬(220)의 하면 중심에서 수직하게 연결된다.

3분할 지주부(272)는 중심부가 금속바아(275)의 자유단에 연결되고, 자유단 은 120도씩 분할되어 방사상으로 뻗어져 나간 형상으로 이루어져 있다. 3분할 지주부(272)는 설계에 따라 2분할, 4분할 이상으로 형성할 수도 있다. 이러한 금속바아(275)와 3분할 지주부(272)는 합성수지재를 일체로 사출하여 성형할 수도 있다.

연결선(270)은 합성수지재의 줄(낚시줄과 유사함)로서 매우 가늘고, 질기며 유연하여 잘 구부러지는 특성을 갖는다. 3개의 연결선(270) 각각은 일단이 3분할 지주부(272)의 자유단과 연결되고, 타단은 제 2 판(320)에 연결된다.

제 2 판(320)은 수평으로 위치하며, 다수의 관통공이 수직 방향으로 형성된다. 관통공은 물(150)속에서 제 2 판(320)이 움직이는 경우 유체 저항을 최소화한다. 제 2 판(320)의 둘레에는 연결선(270)이 연결되어, 제 2 판(320)이 매달리도록 한다. 이러한 제 2 판(320)은 금속이나 합성수지재로 제작된다.

제 1 판(300)은 물(150)속에서 시편(10)이 올려지는 부재이다. 제 1 판(300)은 제 2 판(320)위에 평행으로 이격되도록 위치하며, 다수의 관통공이 수직 방향으로 형성된다. 제 1 판(300)은 연결선(270)과의 간섭을 피하기 위해 제 2 판(320) 보다 작게 형성되고, 제 2 판(320)과 같은 재질로 제작한다.

스프링(310)은 제 1 판(300)과 제 2 판(320) 사이에 위치하는 압축 코일 스프링이다. 스프링(310)은 시편(10)이 올려질 때의 충격을 흡수하고, 제 2 판(320)으로 전달되는 충격을 완화하는 기능을 한다. 스프링(310)은 1개를 사용할 수도 있고, 여러개를 대칭적으로 배치하여 사용할 수도 있으며, 판스프링 등으로 대체될 수 있다.

무게추(330)는 제 2 판(320)의 하면에 매달려있다. 무게추(330)는 팬홀 더(200)의 진자운동(진동)을 억제하여 신속히 안정화 되도록 한다.

충격완화 받침대(340)는 일부가 절개되어 개방되어 있고, 상부측정팬(220) 하면이 기둥부(190) 상면 사이에 놓이게 된다. 시편은 물(150)에 닿는 순간부터 제 1 판(300)에 놓일 때까지 팬홀더(200)의 진동이나 충격을 기둥부(190)에 전달되는 것을 차단하기 위해 충격완화 받침대(340)는 고무, 실리콘, 우레탄, 합성수지재 또는 그 결합재로 성형한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 도 4의 팬홀더(200)가 장착된 밀도 측정 장치의 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 충격완화 받침대(340)가 끼워진 채로 팬홀더(200)가 기둥부(190) 위에 올려진다. 팬홀더(200)의 제 1, 2 판(300, 320)은 물(150)에 충분히 잠기도록 조정된다. 기둥부(190)로 전달되는 질량은 하부에 구비된 별도의 저울을 통해 질량이 디지털 숫자로 표시된다.

(실시예의 동작)

이하에서는 상기와 같은 밀도 측정 장치의 충격 완화 동작에 관하여 설명하기로 한다. 도 5와 같은 상태에서 온도계(140)로 물(150)의 온도를 측정하여 물과 공기의 밀도를 알아낸다. 그 다음, 상부측정팬(220)에 시편(10)을 올려 놓아 공기중의 질량을 측정한다. 그 다음, 핀셋 등을 이용하여 시편(10)을 제 1 판(300) 바로 위에서 낙하시킨다. 이 때, 제 1 판(300)으로 이동되는 시편(10)의 질량으로 인해 충격이 발생한다. 이러한 충격은 팬홀더(200)의 진동과 물(150)의 유동으로 이어진다.

이 때, 스프링(310)에 의해 제 1 판(300)은 충격이 완화된 채 수직 이동하게 된다. 특히, 제 1 판(300)에 형성된 다수의 관통공은 제 1 판(300)의 이동시 유체 저항을 최소화하는 역할을 한다. 그리고, 무게추(330)는 팬홀더(200)의 진동, 진자운동 등을 흡수하여 팬홀더(200)가 빨리 안정되도록 한다. 연결선(270)은 매우 유연한 합성수지재의 줄이기 때문에 제 1, 2 판(300, 320)의 움직임이 3분할 지주부(272)와 금속바아(275)로 전달되는 것을 최소화한다. 더욱이 3분할 지주부(272)가 원주방향을 3등분하기 때문에 제 1, 2 판(300, 320)을 치우침 없이 안정적으로 지지할 수 있다.

그리고, 완화되었지만 미소하게 남아있는 움직이나 진동 등은 금속바아(275)로부터 기둥부(190)로 전달될 때 충격완화 받침대(340)에 의해 감쇠된다. 따라서, 질량을 측정하는 저울과 연결된 기둥부(190)로는 진동, 충격 등이 없는 매우 정적인 힘만이 전달된다.

도 1은 기포가 있는 시편의 정면도,

도 2는 종래의 밀도 측정 장치의 사시도,

도 3은 도 2중 팬홀더(180)의 사시도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 충격완화장치가 구비된 팬홀더(200)의 사시도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 도 4의 팬홀더(200)가 장착된 밀도 측정 장치의 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 시편,

12 : 개기공(open pore),

14 : 폐기공(closed pore),

100 : 밀도측정장치,

110 : 하부측정팬,

120 : 상부측정팬,

140 : 온도계,

150 : 물,

160 : 수조,

170 : 금속선재,

175 : 금속바아,

180 : 팬홀더,

190 : 기둥부,

200 : 팬홀더,

220 : 상부측정팬,

270 : 연결선,

272 : 3분할 지주부,

275 : 금속바아,

300 : 제 1 판,

310 : 스프링,

320 : 제 2 판,

330 : 무게추,

340 : 충격완화 받침대.

Claims

상부측정팬과 하부측정팬으로 구성된 팬홀더, 상기 팬홀더 상의 시편 질량을 측정하기 위한 질량측정수단 및 상기 하부측정팬이 물에 잠기는 수조(160)를 포함하는 부력을 이용한 밀도측정장치에 있어서,

상기 하부측정팬 상에 구비되는 충격완화수단;

상기 충격완화수단이 상기 상부측정팬(220)에 매달리도록 연결되는 복수의 연결선(270);

상기 상부측정팬(220)의 하면에 구비되는 충격완화 받침대(340); 및

상기 충격완화수단의 하면에 매달리도록 구성되는 무게추(330);를 포함하고,

상기 충격완화수단은,

상기 연결선(270)이 연결되는 제 2 판(320);

상기 제 2 판(320)과 소정간격만큼 이격되고, 상기 시편이 위치하는 제 1 판(300); 및

상기 제 1 판(300)과 제 2 판(320) 사이에 구비되는 탄성수단을 구비하고,

상기 제 1 판(300)과 제 2 판(320)중 적어도 하나에는 다수의 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 충격장치를 갖는 밀도측정장치.
삭제
청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

상기 충격완화 받침대(340)는 고무, 실리콘, 우레탄, 합성수지재중 적어도 하나를 포함하는 재질인 것을 특징으로 하는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치.
청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

상기 연결선(270)은 합성수지재의 줄인 것을 특징으로 하는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치.
삭제
삭제
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,

상기 탄성수단은 압축 코일 스프링(310)인 것을 특징으로 하는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 판(300)은 상기 시편의 위치 고정을 위해 오목하게 형성된 것을 특징으로 하는 충격완화장치를 갖는 밀도측정장치.
삭제
삭제