KR101433282B1 - 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점성 유체의 감쇠 계수를 온도의 변화와 더불어 정확하게 측정할 수 있는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 점성 유체를 포함하는 댐퍼의 감쇠 계수를 측정하기 위한 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치에 있어서, 지면에 고정되어 로드의 상하 진폭과 진동수를 생성하는 가진기; 상기 가진기의 로드의 끝단에 고정되어 로드의 진동 특성과 동일하게 연동하는 베이스; 상기 베이스 상면 중앙에 일면이 고정되고, 내부에 형성된 공간에 점성 유체를 포함하는 댐퍼; 상기 베이스 상면에 상기 댐퍼 주변에 일측이 고정되는 스프링; 상기 댐퍼의 타측과 상기 스프링의 타측에 고정되는 진동부; 상기 진동부에 장착되어 상기 진동부의 상하 이동을 감지하는 센서; 및 상기 센서의 신호를 입력받고, 상기 가진기를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치{Measuring appratus for damping coefficient of viscous fluid}

본 발명은 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 가진에 의하여 점성 유체의 감쇠 계수를 측정하는 장치에 관한 것이다.

점성 유체는 유체 상호간의 친화력에 의하여 유동을 방해하는 특성을 갖는 유체를 의미한다. 이때 각 유체의 점성을 나타내는 정도를 점도라 하며, 유체 자체의 고유의 특성을 의미하며, 일반적으로 온도에 따라 그 값이 급격히 변화되는 특징이 있다.

상기와 같은 점성 유체의 점도는 측정용 장비에 의하여 측정 가능하다. 예를 들면, 공개특허 제2011-0037507호에는 유체 점도 측정 장치는 기준 점도(viscosity)를 갖는 기준유체가 주입되는 제1유체주입부 및 점도를 측정하고자 하는 측정 대상 유체가 주입되는 제2유체주입부와, 제1유체주입부 및 제2유체주입부를 상호 연결하며 기준유체 및 측정 대상 유체의 유로를 형성하는 유동저항관과, 유동저항관에 일정 간격으로 연통 배치되고 유동저항관 유로 상으로 유동되는 기준유체 및 측정 대상 유체를 각각 수령하여 기준유체 및 측정 대상 유체의 유동거리를 표시하는 복수개의 표시채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 점도 측정 장치가 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제958447호에는 베이스 몸체, 상기 베이스 몸체 상의 스테이지에 제공되며 저장 용기로부터 샘플 액체를 추출하여 공급하기 위한 이송 파트, 스테이지에 제공되며 이송 파트로부터 공급된 샘플 액체의 점도를 측정하는 점도측정 파트, 이송 파트 및 점도측정 파트의 작동을 제어하기 위한 제어 파트, 및 점도측정 파트로부터 측정된 결과를 디스플레이하기 위한 디스플레이 파트를 구비한 자동 점도측정장치가 개시되어 있다.

한편, 점성 유체의 응용의 대표적인 예로 댐핑 장치를 들 수 있다. 상기 댐핑 장치는 기계 장치 또는 건물 등 진동적인 요소가 포함하는 부재에 진동을 줄이기 위한 것으로 점성 유체와 다른 기계적인 부재를 이용하는 구성이다.

상기 댐핑 장치의 특성을 나타내는 값으로 감쇠 계수를 들 수 있는데, 상기 감쇠 계수는 점성 유체의 점도와 기계적인 부재의 특성이 결합된 항목으로 점도만으로 감쇠 계수를 산정할 수 없으므로, 상기 점도 측정 장치를 이용하여 산정할 수 없는 단점이 있어, 제작된 댐핑 장치를 직접 가동하여 측정하는 것이 일반적이다.

따라서, 다양한 점성 유체를 이용한 댐핑 장치의 감쇠 계수를 정확히 측정하고, 또한 온도 변화에 따른 감쇠 계수의 변화를 정확히 측정할 수 있는 새로운 형태의 감쇠 계수 측정 장치가 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 점성 유체의 감쇠 계수를 온도의 변화와 더불어 정확하게 측정할 수 있는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 점성 유체를 포함하는 댐퍼의 감쇠 계수를 측정하기 위한 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치에 있어서, 지면에 고정되어 로드의 상하 진폭과 진동수를 생성하는 가진기; 상기 가진기의 로드의 끝단에 고정되어 로드의 진동 특성과 동일하게 연동하는 베이스; 상기 베이스 상면 중앙에 일면이 고정되고, 내부에 형성된 공간에 점성 유체를 포함하는 댐퍼; 상기 베이스 상면에 상기 댐퍼 주변에 일측이 고정되는 스프링; 상기 댐퍼의 타측과 상기 스프링의 타측에 고정되는 진동부; 상기 진동부에 장착되어 상기 진동부의 상하 이동을 감지하는 센서; 및 상기 센서의 신호를 입력 받고, 상기 가진기를 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 댐퍼는: 상기 베이스에 고정되며, 내부에 공간이 형성된 실리더; 상기 실린더의 공간을 왕복하는 피스톤; 상기 피스톤에 상단으로 연장 형성되며, 끝단이 상기 진동부에 연결되는 피스톤 로드; 및 상기 피스톤에 형성되며, 상기 피스톤에 의하여 구분되는 상기 실린더의 내부 공간을 연통하여 피스톤의 이동에 의하여 점성 유체를 이동시키는 오리피스 홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어장치는 스프링의 스프링 상수를 k, 진동부의 질량을 m으로 하고, 상기 가진기의 로드를 ω_n=(k/m)^1/2의 진동수로 진폭 a₀로 가진하고, 이때 측정되는 진동부의 진폭을 a라 하면, r_n=a/a₀ 이고, 감쇠 계수 c는

인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 제어장치는 상기 가진기의 진동수를 0에서 출발하여 점차적으로 일정 진동수를 증가시키면서, 상기 진동부의 진폭을 측정하고, 측정된 최대진폭을 a로 산정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제어장치는 스프링의 스프링 상수를 k, 진동부의 질량을 m으로 하고, 상기 가진기의 로드를 ω의 진동수로 진폭 a₀로 가진하고, 이때 측정되는 진동부의 진폭을 a라 하면, r=a/a₀ 이고 ω_n=(k/m)^1/2이며, 감쇠 계수 c는

인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 실린더 외부에는 내부의 점성 유체를 가열하는 가열부를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 가열부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치는 점성 유체를 간단히 주입하고, 특정 온도에 따라 외부 가진에 의하여 감쇠 계수를 측정하는 구성으로 다양한 점성 유체의 온도에 따른 감쇠 계수를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있으며, 더 나아가 산업적 적용이 높은 댐핑 장치 제작을 위한 점성 유체의 기초 자료를 수립할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치의 사시도이며,
도 2는 도 1의 구성도이며,
도 3은 도 1의 댐퍼의 구성을 나타내는 단면도이며,
도 4는 도 1의 진동 모델을 설명하는 구성도이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치(100)는 베이스(10), 상기 베이스(10) 상단에 수직으로 설치되는 댐퍼(20), 상기 베이스(10) 상단에 수직으로 설치되되 상기 댐퍼(20) 주변에 설치되는 스프링(30), 상기 스프링(30)과 상기 댐퍼(20) 상단과 결합하여 진동하는 진동부(40), 지면에 고정되어 상기 베이스(10)를 상하로 가진하는 가진기(50), 상기 진동부(40)에 부착되어 상기 진동부(40) 진동을 감지하는 센서(60)를 포함하여 구성된다.

상기 가진기(50)는 도 2에 도시된 바와 같이, 지면에 고정되며, 별도의 제어장치(70)에 의하여 제어되어 상단에 돌출된 로드(51) 상하로 진동하는 구성으로 진동의 주기는 상기 제어장치(70)에 의하여 조절된다.

상기 로드(51) 상단에는 상기 베이스(10)가 고정되며, 따라서 상기 베이스(10)는 상기 로드(51)의 상하 이동과 동일한 형태로 상호로 진동한다.

상기 베이스(10)는 다른 부재들의 고정을 위한 구성으로 상단에 위치하는 부재들을 지지할 수 있는 정도의 무게를 가지는 것이 적절하며, 부재 설치 등의 편이를 위하여 원형 형태의 플레이트 형성이 바람직하나, 필요한 경우 다른 형태로도 변형 가능하고, 강도적인 특성만 유지되면, 합성수지, 금속, 나무 등으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 베이스(10)의 상단 중앙에는 댐퍼(20)의 일측이 부착된다. 상기 댐퍼(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 공간이 형성된 실린더(21), 상기 실린더(21)의 공간에 삽입되는 피스톤(22) 상기 피스톤(22)의 중앙에 연결되는 피스톤 로드(23)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 피스톤(22)에는 피스톤(22)에 의해서 구분되는 실린더(21)의 공간에 위치하는 점성 유체(1)의 이동을 위한 오리피스 홀(24)가 형성된다. 상기 피스톤(22)은 시험 중 상기 실린더(21)의 공간에서 상하로 이동하고, 상기 실린더(21)의 공간에는 점성 유체(21)가 위치하므로 피스톤(22) 이동에 의하여 점성 유체(1)의 이동을 위한 오리피스 홀(24)이 형성된다.

여기서, 상기 오리피스 홀(24)은 필요한 경우 복수로 형성될 수 있으며, 댐핑 장치의 특성을 위하여 적절하게 형성할 수 있다.

또한, 상기 실린더(21)의 주변으로는 실린더(21) 내부 공간에 위치하는 점성 유체를 가열하기 위한 가열부(80)가 부착되며, 상기 가열부(80)는 상기 제어장치(70)에 의하여 제어되며, 필요한 경우 상기 가열부(80)는 온도 감지를 위한 온도 센서를 포함하여 구성될 수 있다. 이때 상기 온도 센서의 출력은 상기 제어장치(70)가 입력받아 상기 가열부(80) 제어에 이용할 수도 있다.

그리고 상기 베이스(10) 상단에는 상기 댐퍼(20) 주변으로 스프링(30)이 수직으로 일단이 고정된다. 상기 스프링(30)은 수직 진동을 위하여 댐퍼(20)에 일정한 거리로 설치되며, 복수개 설치되는 경우 동일한 직경에서 균일한 각도로 배치되도록 구성한다.

한편, 상기 진동부(40)는 상기 스프링(30)의 타단과 상기 피스톤 로드(23)의 끝단과 고정된다.

상기 진동부(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 균일한 두께로 형성되며, 상기 베이스(10)와 동일한 형상으로 구성하는 것이 바람직하며, 시험 시에는 상하로 반복 운동하는 역할을 하는 것으로 중앙에는 진동부(40)의 진동량을 감지하기 위한 센서(60)가 부착되며, 상기 센서(60)의 출력은 상기 제어장치(70)로 전달된다.

상기 센서(60)는 변화되는 위치를 인식할 수 있는 어떠한 센서도 적용 가능하나 바람직하게는 가속도 센서이다.

상기와 같은 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치(100)는 시험 시 가진기(50)가 먼저 상기 제어장치(70)의 출력 신호에 의하여 작동한다.

상기 가진기(50)의 작동으로 로드(51)가 상하로 진동하면, 상기 로드(51)에 고정된 베이스(10)도 동일하게 상하로 진동한다.

상기 베이스(10)의 진동은 상기 스프링(30)의 일측과 댐퍼(20)의 실린더(21)를 진동시키므로, 상기 스프링(30)의 작용과 점성 유체(1)에 의한 저항에 의하여 피스톤(22)을 운동시켜 최종적으로 진동부(40)가 상하로 진동한다.

상기 진동부(40)가 상하로 진동하면, 상기 센서(60)는 행당 진동 신호를 상기 제어장치(70)로 출력하고, 상기 제어장치(70)는 상기 센서(60) 신호를 이용하여 진동부(40)의 진동을 인식한다.

상기와 같은 감쇠 계수 측정 장치(100)는 도 4에 도시된 1 자유도 진동계로 모델링될 수 있다.

가진기(50)의 가진 로드(51)의 상하 변위는 xo, 그리고 센서(60)에서 감지되는 진동부(40)의 상하 진동은 x, 진동부(40)의 질량은 m, 스프링(30)에 의한 스프링 상수는 k(병렬 연결이므로, 복수의 스프링인 경우 각 스프링 상수를 합한 값), 댐퍼(20)의 댐핑 상수를 c라 하면, x는 다음과 같이 표현된다.

상기 식에서 x₀=a₀sin(ωt)라 할 경우, 감쇠 계수 c는 다음과 같이 표현된다.

수학식 1:

여기서 a₀는 가진기(50) 로드(51)의 상하 변위이며, ω는 가진기(50)의 진동 각속도이다. 그리고 ω_n은 (k/m)^1/2로 고유진동수이며, r_n=a/a₀이며, 여기서 a는 ω가 ω_n인 경우 진동부(40)의 최대 진폭을 의미한다.

상기 수학식 1은 정확한 댐핑 계수를 계산할 수 있는 장점이 있으나, 상기 가진기(50)의 가진 진동수를 고유진동수와 일치시켜야하는 단점이 있으므로, 실무상 다음의 수학식 2를 이용할 수도 있다.

수학식 2:

여기서 r=a/a₀이며, 상기 a는 임의의 가진 진동수에 대한 진동부(40)의 최대 진폭을 의미한다.

한편, 상기 제어장치(70)는 상기 가진기(50)의 진폭 a₀, 가진 진동수 ω의 값을 입력장치(71)를 통하여 인식하고, 필요한 경우 상기 진동수 ω를 낮은 값에서 출발하여 높은 값으로 순차적으로 증가시켜 상기 가진기(50)를 제어한다.

또한, 상기 제어장치(70)은 상기 진동부(40)에 부착된 센서(60)의 값을 입력 받아 진동부(40)의 진폭을 산정한다.

상기 가진기(50)의 진동수를 순차적으로 증가시키면서, 상기 센서(60)의 진폭을 감지한다. 상기 가진기(50)의 진동수가 고유 진동수에 근접하면, 상기 진폭치가 최대값을 나타내므로, 진폭의 최대값을 찾아서 해당 값을 a로 선정하면, 댐핑 계수를 정확히 산정할 수 있다.

또한, 상기 제어장치(70)는 온도의 특성을 부가하기 위하여 가열부(80)을 제어한다. 상기 가열부(80) 역시 사용자가 상기 입력장치(71)를 통하여 설정한 온도로 제어한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

1: 점성 유체 10: 베이스
20: 댐퍼 21: 실린더
22: 피스톤 23: 피스톤 로드
24: 오리피스 홀 30: 스프링
40: 진동부 50: 가진기
51: 로드 60: 센서
70: 제어장치 71: 입력 장치
80: 가열부 100: 감쇠 계수 측정 장치

Claims (6)

1. 점성 유체를 포함하는 댐퍼의 감쇠 계수를 측정하기 위한 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치에 있어서,
   지면에 고정되며, 상하 방향으로 진폭과 진동수를 생성하는 로드를 포함하는 가진기;
   상기 가진기의 로드의 끝단에 고정되어 로드의 진동 특성과 동일하게 연동하는 베이스;
   상기 베이스 상면 중앙에 일면이 고정되고, 내부에 형성된 공간에 점성 유체를 포함하는 댐퍼;
   상기 베이스 상면에 상기 댐퍼 주변에 일측이 고정되는 스프링;
   상기 댐퍼의 타측과 상기 스프링의 타측에 고정되는 진동부;
   상기 진동부에 장착되어 상기 진동부의 상하 이동을 감지하는 센서; 및
   상기 센서의 신호를 입력받고, 상기 가진기를 제어하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 댐퍼는:
   상기 베이스에 고정되며, 내부에 공간이 형성된 실리더;
   상기 실린더의 공간을 왕복하는 피스톤;
   상기 피스톤에 상단으로 연장 형성되며, 끝단이 상기 진동부에 연결되는 피스톤 로드; 및
   상기 피스톤에 형성되며, 상기 피스톤에 의하여 구분되는 상기 실린더의 내부 공간을 연통하여 피스톤의 이동에 의하여 점성 유체를 이동시키는 오리피스 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 제어장치는 스프링의 스프링 상수를 k, 진동부의 질량을 m으로 하고, 상기 가진기의 로드를 ω_n=(k/m)^1/2의 진동수로 진폭 a₀로 가진하고, 이때 측정되는 진동부의 진폭을 a라 하면, r_n=a/a₀ 이고, 감쇠 계수 c는
   

   

   
   인 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제어장치는 상기 가진기의 진동수를 0에서 출발하여 점차적으로 일정 진동수를 증가시키면서, 상기 진동부의 진폭을 측정하고, 측정된 최대진폭을 a로 산정하는 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   
5. 청구항 2에 있어서, 상기 제어장치는 스프링의 스프링 상수를 k, 진동부의 질량을 m으로 하고, 상기 가진기의 로드를 ω의 진동수로 진폭 a₀로 가진하고, 이때 측정되는 진동부의 진폭을 a라 하면, r=a/a₀ 이고 ω_n=(k/m)^1/2이며, 감쇠 계수 c는
   

   

   
   인 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   
6. 청구항 2에 있어서, 상기 실린더 외부에는 내부의 점성 유체를 가열하는 가열부를 더 포함하며, 상기 제어장치는 상기 가열부를 제어하는 것을 특징으로 하는 점성 유체의 감쇠 계수 측정 장치.
   

Images