KR101193563B1 - 온도진동 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 유체가 중력에 의하여 수직으로 놓여진 센싱부 표면을 흘러내릴 때, 시간에 따른 유체의 두께 변화를 열적으로 감지하여 점도를 측정케 하는 온도진동 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도진동 측정장치는, 수직기판, 상기 수직기판에 박막으로 형성되어 표면을 흘러내리는 유체막을 가열 및 상기 유체막의 온도를 측정하는 센싱부, 상기 센싱부에 연결되어 교류 전류의 가열 각주파수를 공급하는 신호발생기, 상기 센싱부의 전압 신호로 온도 신호를 측정하는 록인 증폭기, 및 상기 록인 증폭기에 연결되어 상호 연동되는 제어부를 포함한다.
점도계, 열, 유체막

Description

온도진동 측정장치 {Temperature Amplitude Measuring Device}
본 발명은 온도진동 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체가 중력에 의하여 수직으로 놓여진 센싱부 표면을 흘러내릴 때, 시간에 따른 유체의 두께 변화를 열적으로 감지하여 점도를 측정케 하는 온도진동 측정장치에 관한 것이다.
점도측정은 여러 기초 연구 분야에서뿐만 아니라 산업적/의료적 응용 분야에서 필수적으로 요구된다. 예를 들어, 점도는 단백질 동역학(protein dynamics), 세포 유사분열(cell mitosis)과 같은 생물학적 사건에서 중요한 인자 역할을 한다. 식품 및 화학약품의 제조산업에서는 품질관리를 위해서 점도측정이 자주 행해진다. 의료 진단시, 혈액의 비이상적인 점도는 당뇨병, 고혈압 및 경색과 같은 질병들을 일으키는 요인으로 알려져 있다.
일반적으로 점도는 기계적인 점도계에 의해서 측정된다. 예를 들면, 모세관 점도계, 회전식 점도계 및 낙구식 점도계 등이 있다. 모세관 점도계는 모세관에서 흐르는 유체의 압력강하와 유량을 측정하여 점도를 측정한다. 회전식 점도계는 원통 혹은 원판에 미치는 유체의 저항력을 측정하여 유체의 점도를 측정한다. 낙구식 점도계는 유체 속을 낙하하는 구의 속도를 측정하여 점도를 측정한다.
또한, 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도 측정을 한번의 실험으로 측정 가능한 연속 측정형 모세관 점도계가 제안되고 있으며, 마이크로 채널을 이용한 모세관 점도계도 개발되고 있다. 하지만 이와 같은 점도계들은 제자리(in-situ) 점도계로 활용하기 어렵다.
예를 들면, 제자리(in-situ) 점도계는 기계적 진동형 센서를 주로 이용한다. 진동형 센서들은 유체시료 속에서 진동하는 매체(마이크로 캔틸레버 또는 박막)가 있을 때 유체의 점도에 따라 공진주파수 또는 댐핑 효과가 변화하는 것을 감지함으로써 점도를 측정한다. 그러나 이 방법은 진동하는 매체에 이물질이 흡착되면서 질량 변화를 일으켜 점도 측정의 정확도를 저하시킨다.
한편, 유체시료 속에서 균일하게 가열되는 수직평판의 온도와 주변 유체의 온도 차이를 감지하여 점도를 측정하는 열적 점도계도 개발되고 있다. 하지만 이 방법은 자연 대류에 의한 열전달에 기반하고 있으므로 유동 조건이 있는 상황에서 제자리(in-situ) 점도측정이 불가능하다. 따라서 신뢰성 있는 제자리(in-situ) 점도측정을 위해서 새로운 점도측정 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 유체가 중력에 의하여 수직으로 놓여진 센싱부 표면을 흘러내릴 때, 시간에 따른 유체의 두께 변화를 열적으로 감지하여 점도를 측정케 하는 온도진동 측정장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도진동 측정장치는, 수직기판, 상기 수직기판에 박막으로 형성되어 표면을 흘러내리는 유체막을 가열 및 상기 유체막의 온도를 측정하는 센싱부, 상기 센싱부에 연결되어 교류 전류의 가열 각주파수를 공급하는 신호발생기, 상기 센싱부의 전압 신호로 온도 신호를 측정하는 록인 증폭기, 및 상기 록인 증폭기에 연결되어 상호 연동되는 제어부를 포함한다.
상기 센싱부는, 상기 수직기판에 형성되는 박막열선과, 상기 박막열선에 상기 신호발생기 및 상기 록인 증폭기를 연결하는 전극들을 포함할 수 있다.
상기 전극은, 상기 박막열선과 상기 신호발생기를 연결하여 교류 전류를 공급하는 전류 공급 전극과, 상기 박막열선과 상기 록인 증폭기를 연결하여, 상기 박막열선의 전압 신호를 측정하는 전압 측정 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도진동 측정장치는, 상기 전압 측정 전극과 상기 록인 증폭기 사이에 연결되어 상기 온도 신호를 증폭하는 차동 증폭기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도진동 측정장치는, 상기 신호발생기와 함께 상기 전류 공급 전극에 직렬로 연결되는 가변저항을 더 포함할 수 있다.
상기 박막열선은, 상기 수직기판의 측면에 1개로 형성될 수 있다. 상기 박막열선은, 상기 수직기판의 측면에 수직 방향으로 설정 거리만큼 이격되는 제1 박막열선과 제2 박막열선을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 센싱부를 구비한 수직기판에 중력에 의한 유체를 흘러내리고, 시간에 따른 유체막의 두께 변화를 열적으로 감지함으로써 유체의 점도를 측정할 수 있게 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도진동 측정장치의 구성도이다. 도1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 온도진동 측정장치(100)는 유체(F)가 중력에 의하여 수직으로 놓여진 센서(20)의 표면에서 흘러내릴 때, 시간에 따른 유체막(FL)의 두께(h) 변화((a)에서 (b)로)를 열적으로 감지하여 유체의 점도(η)를 측정하도록 형성된다.
예를 들면, 온도진동 측정장치(100)는 수직기판(10)과, 수직기판(10)에 박막으로 형성되는 박막열선(21)을 가지는 센서(20)를 포함한다. 센서(20)는 진동형 센서와 달리 측정부인 박막열선(21)에서 기계적인 움직임을 필요로 하지 않으므로 흡착의 영향을 거의 받지 않는다.
온도진동 측정장치(100)는 센서(20)의 교류 열분석법을 이용하므로 높은 민감도와 잡음저항성을 가지며, 자동차 엔진, 압축기 및 터보 기계의 윤활유의 점도를 제자리(in-situ) 계측 장치로 활용될 수 있다.
도2는 도1의 센서의 구성도이다. 도2를 참조하면, 센서(20)는 박막열선(21)을 포함하는 센싱부(30), 신호발생기(40), 록인(lock-in) 증폭기(50), 가변저항(60), 차동 증폭기(70) 및 제어부(80)를 포함한다.
도3은 도2 센서에서 센싱부의 구성도이다. 도3을 참조하면, 센싱부(30)는 박막열선(21) 및 전극들(I22, V22)을 포함한다. 일례를 들면, 박막열선(21)은 Au/Cr 박막으로 형성될 수 있고, 길이 1 mm, 폭 20㎛로 형성될 수 있다. 전극들(I22, V22)은 박막열선(21)에 연결되어 전류 공급 및 전압 신호 측정을 가능하게 한다.
박막열선(21) 및 전극들(I22, V22)은 수직기판(10) 및 필요에 따라 다양한 크기, 재질 및 모양으로 형성될 수 있다. 4개의 전극들(I22, V22)은 박막열선(21)에 교류 전류를 공급하는 2개의 전류 공급 전극(I22)과, 박막열선(21)으로부터 전압 신호를 측정하는 2개의 전압 측정 전극(V22)을 포함한다.
다시 도2를 참조하면, 신호발생기(40)는 전류 공급 전극(I22)을 통하여 박막열선(21)에 연결되어, 박막열선(21)에 ω각주파수의 교류 전류를 공급한다.
록인(lock-in) 증폭기(50)는 신호발생기(40)에 연결되고 또한 전압 측정 전극(V22)을 통하여 박막열선(21)에 연결되어, 박막열선(21)에서 변화되는 온도 신호를 측정한다. 물론, 박막열선(21)의 전압 신호를 측정하는 것으로 온도 신호를 측정한다. 즉 록인 증폭기(50)는 신호발생기(40)의 ω각주파수의 교류 전류에 의해 가열된 박막열선(21)의 3ω각주파수인 전압 신호를 측정한다.
이때, 박막열선(21)에서 측정되는 3ω각주파수의 전압 신호는 ω각주파수의 전압 신호보다 대략 1000배 정도 작다. 따라서 록인 증폭기(50)의 신호 선택성을 향상시키기 위하여, ω각주파수의 전압 신호를 제거해줄 필요가 있다.
이를 위하여, 박막열선(21)에 가변전항(60)과 차동 증폭기(70)가 직렬로 연결된다. 가변저항(60)의 저항값과 차동 증폭기(70)의 이득값을 조정함으로써, 박막열선(21)의 ω각주파수 전압 신호가 제거된다.
이때, 차동 증폭기(70)는 외부 노이즈 신호를 제거해주는 역할을 더 수행한다. 따라서 최종적으로, ω각주파수의 전압 신호 없이, 3ω각주파수의 전압 신호가 록인 증폭기(50)에 의해 측정된다. 록인 증폭기(50)는 제어부(80)에 연결되어 제어부(80)에 의하여 제어되며, 제어부(80)는 록인 증폭기(50)가 측정한 결과값을 기록 저장한다.
도1 내지 도3과 같이 구성되는 온도진동 측정장치(100) 및 교류 열분석법을 이용하여 유체의 동점도를 구할 수 있게 하는지에 대하여 살펴본다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 점도 측정 원리의 개념도이다. 도4를 참조하면, 유체(F)에 담겨있는 수직기판(10)을 위쪽으로 이동시키면((a)에서 (b)로), 수직기판(10)의 표면에 두께(e)를 가지는 유체막(FL)이 형성된다. 유체막(FL)의 두께(e)는 유체(F)의 점도, 수직기판(10)의 상승 속도, 유체(F)의 표면장력과 관계되는 LLD 법칙이나 Derjaguin 법칙에 의해서 결정된다.
이때, 유체막(FL)은 중력에 의해 수직기판(10)을 따라 아래로 다시 흘러내리게 되고, 그 결과 위쪽에서부터 길이(λ)에 걸쳐서 유체막(FL)의 두께(h)가 얇아지는(h<e) 구간이 발생한다.
Figure 112009051031610-pat00001
수학식 1과 같이, 길이(λ)에 대응하는 구간의 두께(h)는 유체가 흘러내리는 시간(t), 유체막(FL) 최상부 지점으로부터 각 지점에 이르는 거리(x), 유체의 점도(η), 유체의 밀도(ρ), 중력가속도(g)에 의해서 결정된다.
유체막(FL)의 두께(h)가 얇아지는 구간의 길이(λ)는 수학식1의 두께(h)가 유체막(FL) 두께(e)와 같아질 때(h=e, λ=x)까지 이어지므로 수학식 1은 수학식 2로 표현된다.
Figure 112009051031610-pat00002
따라서 시간(t)이 지남에 따라 유체막(FL)의 두께(h)가 얇아지는 구간의 길이(λ)가 확장된다. 수학식 1에 의해서 두께(h)가 얇아진 구간 내의 한 지점(x)에서 시간(t)에 따른 두께(h)의 변화를 알 수 있다면 유체의 동점도(η/ρ)를 얻어낼 수 있다.
도5는 3오메가(ω) 교류 열분석법으로 유체의 동점도를 구하는 개념도이다. 도5를 참조하면, 유체시료(FS), 중간층(IL), 박막열선(H) 및 기판(S)의 단면 구조가 예시되어 있다.
2b의 폭을 가지는 박막열선(H)에 ω각주파수를 가지는 교류 전류를 인가하면, 박막열선(H)에서 2ω 각주파수를 가지는 온도 진동(△T)이 발생한다. 이때의 온도 진동(△T)은 수학식 3 내지 5에 의해서 계산할 수 있다.
Figure 112009051031610-pat00003
Figure 112009051031610-pat00004
Figure 112009051031610-pat00005
여기서 △T는 박막열선(H)의 복소 온도 변화이고, P는 가열 파워이며, l은 박막열선(H)의 길이이다. b는 박막열선(H) 폭의 1/2이며, k는 유체시료(FS)/중간층(IL)/기판(S)에 관한 복소 파수이고, C는 체적열용량이며, h는 중간층의 두께이며, κ는 열전도율이다. 아래 첨자 s, f, m은 각각 기판(S), 유체시료(FS), 중간층(IL)을 나타낸다.
따라서 도5의 중간층(IL)을 도4의 유체막(FL)으로 대체하고, 도5의 유체시료(FS)를 도4의 외부 기체 성분으로 대체하면, 도4의 유체막(FL)의 두께(h) 변화를 열적으로 감지할 수 있다.
즉, 3오메가(ω) 교류 열분석법을 이용하여 시간(t)에 따른 유체막(FL)의 두께(h) 변화를, 시간(t)에 따른 박막열선(21)의 온도 변화를 통하여 얻을 수 있다.
다시, 도1의 온도진동 측정장치(100)를 이용한 점도 측정에 대하여 설명한다. 먼저, 박막열선(21)이 수직기판(10)의 측면에 1개로 구성된다.
박막열선(21)을 따라 유체막(FL)이 흘러내림에 따라 3오메가(ω) 열분석법을 이용하여 시간(t)에 따른 박막열선(21)의 온도 변화를 측정할 수 있다.
또한, 제어부(60)는 수학식 1의 두께(h)를 수학식 3의 중간층(IL)의 두께(h)에 대입하여 박막열선(21)의 온도 변화를 이론적으로 계산할 수 있다.
수직기판(10), 유체(F), 외부 기체의 열물성과 유체막(FL)이 흘러내리기 시작한 지점으로부터 박막열선(21)까지의 거리(x)를 알고 있을 때, 제어부(60)는 수학식 1의 동점도(η/ρ)를 맞춤변수(fitting parameter)로 하여, 이론식에 의한 이론값과 실험에 의한 실험값을 맞출 수 있다. 이와 같이, 이론값과 실험값의 맞춤법(fitting)을 통하여 유체의 동점도를 구할 수 있다.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도진동 측정장치의 구성도이다. 도6을 참조하면, 온도진동 측정장치(200)는 수직기판(10)의 측면에 제1, 제2 박막열선(21, 31)를 구비한다.
제2 실시예의 온도진동 측정장치(200)는 유체막(FL)이 흘러내리기 시작한 지점으로부터 제1 박막열선(21)까지의 거리(x)를 알기 어려울 때 사용할 수 있다. 제1, 제2 박막열선(21, 31)은 간격(△x)을 두고 수직기판(10)에 위치한다.
제1, 제2 박막열선(21, 31)은 제1 실시예와 같은 방법으로 이론값과 실험값의 맞춤법을 통하여 제1, 제2 박막열선(21, 31)의 맞춤변수(f1, f2)를 각각 구할 수 있다.
이때 거리(x)의 값을 모르기 때문에 각 맞춤변수(f1, f2)는 동점도(η/ρ)와 각 제1, 제2 박막열선(21, 31)의 위치(x, x+△x)가 곱해진 값으로 수학식 6과 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure 112009051031610-pat00006
Figure 112009051031610-pat00007
Figure 112009051031610-pat00008
수학식 8과 같이, 두 맞춤변수(f1, f2)를 빼주면 거리(x)가 소거되고, 알고 있는 거리(△x)와 동점도(η/ρ)의 곱을 구할 수 있다. 따라서 거리(x)를 모르는 경우에도, 제1, 제2 박막열선(21, 31) 2개의 맞춤법을 이용하여 동점도(η/ρ)를 구할 수 있다.
도7 및 도8은 제1 실시예의 온도진동 측정장치에 표준점도용액을 흘러내릴 때, 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다. 도7과 8을 참조하면, 도1의 수직기판(10)의 제1 박막열선(21)에 표준점도용액을 흘러내릴 때, 제1 박막열선(21) 및 수직기판(10)에 형성되는 표준점도용액 막에 대한 3오메가(ω) 교류 열분석법을 이용하여, 시간(sec)에 따른 온도 진동(△T)의 크기 변화를 측정한 결과이다.
표준점도용액 막이 흘러내리면서 온도 진동(△T)의 크기가 점차 감소하다가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 예를 들면, 제1 박막열선(21)의 거리(x)는 1cm이고, 동점도(η/ρ)를 맞춤변수로 하여, 수학식 1과 수학식 3을 이용하여 계산한 이론값과 실험값을 맞추었다(fitting).
도7 및 도8은 동점도가 각각 494×10-6 m2/s 및 1024 × 10-6 m2/s 인 표준점도용액의 점도를 측정한 결과들이다. 도7은 동점도가 440 × 10-6 m2/s로 맞추었고, 도8은 동점도가 859 × 10-6 m2/s로 맞추었다.
도9는 서로 다른 동점도를 가지는 표준점도용액을 실험하여, 측정된 동점도의 평균값 및 표준편차를 동점도의 실제값과 비교한 그래프이다. 도9를 참조하면, 표준점도용액들은 각각 10 × 10-6, 50 × 10-6, 101 × 10-6, 494 × 10-6, 및 1024 × 10-6 m2/s인 동점도를 가진다.
5가지 표준점도용액들에 대해서 각각의 실험을 수행하면, 측정된 동점도의 평균값과 표준편차는 실제값과 대략 16% 정도의 최대오차를 가지는 것을 알 수 있다.
예를 들면, 첫 번째 표준점도용액은 동점도의 실제값이 10 × 10-6 m2/s이지만, 측정된 동점도의 평균값과 표준편차는 각각 실제값과 오차를 가지는 8.38 × 10-6, 0.62× 10-6m2/s임을 알 수 있다. 따라서 본 실시예에 개시된 점도 측정법의 원리는 실험적으로 검증되었다.
이상에서 유체의 두께 변화를 열적 감지하는데 교류 가열법을 적용하여 설명하였으나, 직류 가열법도 적용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 온도진동 측정장치의 구성도이다.
도2는 도1의 센서의 구성도이다.
도3은 도2 센서에서 센싱부의 구성도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 점도 측정 원리의 개념도이다.
도5는 3오메가(ω) 교류 열분석법으로 유체의 동점도를 구하는 개념도이다.
도6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 온도진동 측정장치의 구성도이다.
도7 및 도8은 제1 실시예의 온도진동 측정장치에 표준점도용액을 흘러내릴 때, 이론값과 실험값을 비교한 그래프이다.
도9는 서로 다른 동점도를 가지는 표준점도용액을 실험하여, 측정된 동점도의 평균값 및 표준편차를 동점도의 실제값과 비교한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 온도진동 측정장치 10 : 수직기판
20 : 센서 21 : 박막열선
I22 : 전류 공급 전극 V22 : 전압 측전 전극
30 : 센싱부 40 : 신호발생기
50 : 록인 증폭기 60 : 가변저항
70 : 차동 증폭기 80 : 제어부

Claims (9)

  1. 수직기판;
    상기 수직기판에 박막으로 형성되어, 표면을 따라 흘러내려 가는 점도 측정 대상의 유체막에 접하는 박막열선;
    상기 박막열선에 연결되어 교류 전류를 공급하여 상기 박막열선을 가열하는 신호발생기;
    상기 신호발생기 및 상기 박막열선에 연결되어, 상기 유체막의 두께에 따라 상기 박막열선의 온도 변화를 측정하는 록인 증폭기; 및
    상기 록인 증폭기에 연결되어 측정된 온도 변화 값을 저장하는 제어부를 포함하는 온도진동 측정장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수직기판에 박막으로 형성되어, 상기 박막열선에 상기 신호발생기 및 상기 록인 증폭기를 연결하는 전극들을 더 포함하는 온도진동 측정장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 박막열선과 상기 신호발생기를 연결하여 교류 전류를 공급하는 전류 공급 전극과,
    상기 박막열선과 상기 록인 증폭기를 연결하여, 상기 박막열선의 온도 변화에 따른 전압 신호를 측정하는 전압 측정 전극을 포함하는 온도진동 측정장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 전압 측정 전극과 상기 록인 증폭기 사이에 연결되어 상기 전압 신호를 증폭하는 차동 증폭기를 더 포함하는 온도진동 측정장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 신호발생기와 함께 상기 전류 공급 전극에 직렬로 연결되는 가변저항을 더 포함하는 온도진동 측정장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 박막열선은,
    상기 수직기판의 측면에 1개로 형성되는 온도진동 측정장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 박막열선은,
    상기 수직기판의 측면에 수직 방향으로 설정 거리만큼 이격되는 제1 박막열선과 제2 박막열선을 포함하는 온도진동 측정장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 신호발생기는,
    상기 박막열선에 ω각주파수의 교류 전류를 공급하는 온도진동 측정장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 록인 증폭기는,
    상기 ω각주파수의 교류 전류에 의하여 가열된 상기 박막 열선으로부터 3ω각주파수의 전압 신호를 측정하는 온도진동 측정장치.
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