KR20010086770A - 인덕턴스 측정에 기초한 오일 내 철분 마모량 측정 장치및 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 인덕턴스 변화량에 의한 오일 내 철분 마모량을 측정하기 위한 측정 장치는 윤활유 내에 존재하고 있는 철분 형태의 오염물질이 증가하는 현상을 윤활유 내의 오염 입자 매체의 인덕턴스 변화를 측정함으로써 윤활유 내 철분 마모량을 정량적으로 측정한다. 본 발명의 측정 장치는 제1 유도 코일이 감겨져 있고 측정할 대상 오일의 샘플을 수납하는 제1 원통형 용기와, 상기 제1 유도 코일에 기설정된 주파수의 교류 전압이 인가될 때 상기 제1 원통형 용기에 발생되는 전자기파에 의해 상기 제1 유도 코일에 유도되는 인덕턴스 값을 측정하고 상기 측정된 인덕턴스 값과 기설정된 기준 인덕턴스 값의 차이를 인덕턴스 변화량으로서 제공하는 측정 수단과, 상기 인덕턴스 변화량을 사용하여 상기 대상 오일 내 철분 마모량을 분석하는 수단을 포함한다.

Description

인덕턴스 측정에 기초한 오일 내 철분 마모량 측정 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR MEASURING WORN FERROUS PARTICLES LEVEL IN OIL BASED ON INDUCTANCE MEASUREMENT}

본 발명은 오일 내 철분 마모량 측정장치에 관한 것으로, 구체적으로는 오일 내 오염된 매체의 인덕턴스 변화를 측정하여 오일 내 철분 마모량을 측정하는 장치에 관한 것이다.

최근 기계 및 전자 분야 등 전반적인 산업 분야에 걸친 과학 기술이 획기적으로 발전함에 따라 자동차, 항공기 등을 비롯한 기계류는 물론 발전소, 제철소, 석유화학 플랜트 등 대형 플랜트에 이르기까지 기계류 및 시스템들의 예기치 않은 고장 및 이로 인한 사고 방지를 위하여 예방 정비 기술 혹은 최적의 상태 진단 기술의 필요성이 절실하게 요구되고 있다.

윤활유에 포함된 마모량을 측정하고 분석함으로써 기계 시스템의 파괴 여부 및 건전성을 판단하는 이른바 오염도 측정을 통한 상태 진단 기술은 윤활유를 사용하는 기계 시스템 내에서 발생하는 마모 입자들의 양 및 기타 외부로부터 침투하는 오염도를 분석하는 기술로서, 인체 내 혈액의 백혈구 및 적혈구 수를 정량적으로 측정하여 인체의 건강을 판단하는 기술과 유사하며, 따라서 기계 건강 진단 기술로도 불린다.

윤활유 내의 마모량 측정을 통한 상태 진단 기술에서는 크게 나누어 정량적및 정성적인 결과들을 측정하는데, 첫째 정량적으로는 기계 작동 시간에 따른 기계 요소 부위로부터의 마모 입자의 발생량을 측정 및 분석하고, 둘째 정성적으로 마모 입자들의 성분 분석 및 마모 입자 크기의 변화, 외부로부터의 오염 입자 침입 여부, 기계 요소 부위의 부식 발생 여부 및 산화 정도 등을 측정 및 분석한다. 이상과 같은 측정 분석 결과에 의하여 일차적으로 기계 시스템의 건전성 여부를 판단하기도 하며, 또한 발생하는 마모 현상의 천이 특성을 분석하여 사전에 시스템이 파괴될 수 있음을 조기 경보하기도 한다. 또한, 지속적으로 발생하는 마모 발생 특성을 분석하여 현재 사용되는 기계 시스템의 주된 마모 기구를 파악하고, 이에 대한 결과를 2차적으로 개량된 기계 시스템 설계를 위한 기본 자료로서 활용할 수도 있다.

윤활유 내의 오염도를 정량적으로 측정하는 기존의 상태 진단 기기는 다음과 같은 기기들이 주로 사용되고 있다. 첫번째로 실험실 내에서 샘플을 분석하는 오프 라인(off-line) 상태 진단 기기로 분광분석기(spectroscope) 및 입자 카운터(particle counter)를 들 수 있다. 분광분석기는 윤활유를 오염시킨 물질의 성분 및 정량적인 함량을 측정하는 것으로서, 현재 항공기의 엔진 등의 상태 진단을 위하여 사용되고 있다. 이 측정 기기는 정밀한 오염도 측정을 할 수 있지만, 오염 물질들의 크기에 관한 정보를 알 수 없으며, 측정 분석이 가능한 오염 입자의 크기가 대략 5-20㎛ 정도로 제한이 되는 문제점을 가지고 있다. 입자 카운터는 윤활유에 함유된 오염 입자들의 크기, 크기 분포 및 총 오염도를 측정하는 정밀 기기인데, 윤활유의 오염도가 클 경우에는 측정 작업이 불가능하고 오염입자 성분에 관한 정보를 전혀 알 수 없는 단점이 있다. 둘째로, 미국 특허 제4,187,170호에 기재된 페로그라피(ferrography) 기기, 영국 특허 제8,121,183호에 기재된 알피디(RPD: Rotary Particle Depositor) 기기들을 들 수 있다. 상기 기존 기기 중 페로그라피 및 알피디는 오일 내에 오염된 입자들을 투명한 유리 표면에 크기별로 고착시키는 방법을 제안한 것으로서 고착된 오염 입자들을 광학 현미경이나 전자 현미경을 이용하여 확대 시각화하여 오염 입자들의 크기, 형태, 색 등을 분석한다. 이와 같은 오염 입자 특정 분석을 통하여 윤활유 내의 오염이 발생한 기본적인 원인 및 현재 상황에 관한 정보들을 분석할 수 있다. 그러나, 상기 기기들은 분석 결과가 분석자에 따라 주관적으로 달라질 수 있는 문제점을 지니고 있다.

윤활유의 오염도를 정량적으로 측정하는 기존의 기기로는 큐디엠(QDM: Quantitative Debris Monitor), 마그네틱 칩 검출기(Magnetic Chip Detector), 에프시엠(FCM: Fluid Condition Monitor), 미국 특허 제5,404,100호에 기재된 피큐(PQ: Particle Quantifier) 기기 및 미국 특허 제5,315,243호에 기재된 오디엠(ODM: Oil Debris Monitor) 등을 예로 들 수 있다. 큐디엠은 오일 내의 오염 입자들을 자기 유도하여 특정한 센서 표면에 충돌하게 하고 상기 결과에 의하여 발생하는 전압 펄스 특성으로 오염도를 측정하는 기기이나, 측정이 가능한 오염 입자의 크기가 100㎛ 이상으로 제한되어 있는 단점이 있고 수시로 상처난 센서 표면을 교체해야 되는 번거로움이 있다. 마그네틱 칩 검출기는 윤활유 내에 자성체 물질을 삽입하고 상기 자성체 표면에 상자성체의 오염입자들을 부착시킨 후에 주기적으로 자성체 물질을 육안 등의 방법으로 분석하는 기기로서, 현장에서 간단하게 사용할 수 있으나, 자성체 표면에 부착시킬 수 있는 상자성체 입자들의 크기가 100㎛ 이상으로 제한되며 또한 비자성체 오염입자들에 관한 정보를 검출할 없는 단점을 지니고 있다. 피큐는 일차 및 이차 유도 코일들로 이루어진 픽업 전자 유도코일에서 발생하는 와류 형태의 전자기파 장의 한쪽에 오일 내에 존재하는 자성체 입자들을 위치시키고 이때 2차 전자 유도코일로 유도되는 인덕턴스 변화량을 검출함으로써 자성입자의 양을 피큐 인덱스(PQ index)형태로 표시하는 기기로서, 철강 재료들로 구성된 트랜스미션, 기어 박스 시스템 등과 같은 주요 산업체 설비 기계 요소들의 마모 상태 진단 기기로서 활용되고 있으나, 샘플 오일 온도 변화에 따른 인덕턴스 차이를 자동적으로 보장할 수 없으며 또한 기기를 현장에서 실시간으로 적용할 수 없는 단점을 지니고 있다. 한편 오디엠은 항공기 엔진의 마모를 진단하는데 사용되고 있는 기기로서 피큐 기기와 유사한 측정 원리가 사용되고 있으며 오일 배관에 직접 장착하여 사용할 수 있다. 상기 기기는 1차 및 2차 유도코일들로 이루어진 전기 유도코일 내로 오일을 통과시키고 이때 발생하는 전기 인덕턴스 변화를 측정하여 엔진에서 발생하는 마모 입자들의 크기를 측정할 수 있으며 아울러 인덕턴스 위상 변화를 측정하여 상기 재료가 철분인지 혹은 비금속 성분인지를 구별할 수 있으나, 측정할 수 있는 크기가 대략적으로 125㎛ 이상으로 제한되는 문제점이 있다. 일반적으로 마모 입자의 크기가 15㎛ 이상이 되면 중마모입자(severely worn particle)로 분류하는 점을 감안하면 오디엠 기기를 산업 기계류에 광범위하게 적용하기에는 곤란하다.

대한민국 특허 제150054호에는 "윤활유 내 마모 입자 온라인 진단 방법 및장치"가 개시되어 있다. 이는 빛이 오일을 통과할 때 오염 입자들에 의하여 차단되는 광량을 측정하여 오일 샘플 내의 입자의 양을 측정하는 것을 주된 요지로 하고 있다. 또한 오일 샘플을 담는 용기의 상부에 영구 자석을 선택적으로 위치시키고 이에 따라서 오일 내부의 상자성체 입자들을 한쪽으로 모아 빛의 통로에서 제외시킨 후에 광량을 측정케 하여 총 오염도 중 상자성체 성분의 오염도를 별도로 측정케 하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 상기 방법에서는 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다. 첫째, 영구자석을 이용하여 오일 내에 분산되어 있는 미소 크기의 상자성체 입자들을 오일의 저항을 이겨내고 영구 자석쪽으로 유도하기 위하여 매우 자성이 강한 영구자석을 사용해야 할 것이므로 이와 관련된 부분의 크기가 커질 수 있는 소지가 있다. 둘째, 현장에서 사용 중인 윤활유를 상기 방법으로 직접 유도할 때 오일 샘플 측정 셀 내부에는 오일뿐만 아니라 많은 공기 기포들이 공존할 가능성이 매우 높다. 상기 방법과 같이 빛을 측정 매체로 사용할 시에는 이와 같은 오일 내의 공기 기포들이 오염 입자들로 잘못 오인되어 측정될 수 있어서 오염도가 실제 이상으로 높게 측정될 위험성이 있다. 셋째, 상기 방법은 빛이 오일을 통과할 때 불투명한 오염 입자들에 의해 빛이 차단되는 효과만을 고려하고 있으나, 실시간으로 측정 대상으로 하는 오일이 점도 변화에 따라 빛을 감쇠시키는 효과가 달라질 수 있기 때문에 오일의 점도를 일정하게 유지하는 부수적인 장치를 보완하거나 혹은 온도 변화에 따라서 빛의 광도를 자동으로 보정하기 전에는 상기의 변화가 오염도 측정에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 문제점이 내재되어 있다.

전술한 바와 같이 윤활유 내의 오염 입자들을 정량적으로 측정하는 방법들에서 요구되는 주요한 기술적 사항들은, 우선 상기 기술이 실시간으로 사용되는 것이 바람직하고, 기계가 작동하는 작업 현장에서 직접적으로 측정을 행하는 것이 요구되며, 무엇보다도 정밀하게 측정할 수 있는 능력을 구비하여야 한다. 또한 실시간 오염도 측정 기기를 현장에서 장기간 사용하기 위하여는 상기 기기의 유지 보수 관리가 최소 한도로 되는 것이 바람직하다. 기존의 측정 기기들을 검토해 보면, 예시한 바와 같이 오염도를 측정하는 원리로서 필터 부품이나 전자기성 코팅 피막을 사용함을 흔히 볼 수 있다. 필터 부품을 사용하여 필터 전후의 압력차 혹은 유체 흐름량의 변화를 측정하는 방법들에서는 측정 작업 후에 유체를 역방향으로 흐르게 하여 필터 표면에 걸려 있는 오염 입자들을 제거하는 방법을 주로 사용하고 있으나, 상기 작업 후에 필터 표면이 완벽하게 세정되었는지를 확인하기 어려운 문제점이 있으며 일정 기간 사용 후에는 상기 필터 요소를 교체하는 번거로움이 있다. 또한 전자기성 피막 코팅을 이용하는 기기들에서도 측정에 따른 불가피한 피막 손상에 의하여 상기 부품을 교체하여야 하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존의 문제점들을 해결하기 위해서 인덕턴스 변화량을 사용하여 오일 내 철분 성분 오염도를 정확하게 측정할 수 있는 오일 내 철분 마모량 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 오일 내 철분 마모량을 측정하기 위한 측정 장치에 있어서, 제1 유도 코일이 감겨져 있고 측정할 대상 오일의 샘플을 수납하는 제1 원통형 용기와, 상기 제1 유도 코일에 기설정된 주파수의 교류전압이 인가될 때 상기 제1 원통형 용기에 발생되는 전자기파에 의해 상기 제1 유도 코일에 유도되는 인덕턴스 값을 측정하고 상기 측정된 인덕턴스 값과 기설정된 기준 인덕턴스 값의 차이를 인덕턴스 변화량으로서 제공하는 측정 수단과, 상기 인덕턴스 변화량을 사용하여 상기 대상 오일 내 철분 마모량을 분석하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 오일 내 철분 마모량 측정 장치를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 오일 내 철분 마모량 측정 장치의 일실시예를 나타내는 회로도.

도 3은 본 발명에 따른 오일 내 철분 마모량 자동 측정 시스템을 도시하는 도면.

도 4는 원통형 용기의 길이 방향으로 발생하는 회돌이형 전자기파를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 측정 장치를 사용하여 측정한 출력 전압 변화를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 오일 샘플 수납 원통형 용기

4, 5: 오일 공급 제어 전자변 밸브

6, 7: 전기 유도 코일

8: 오일 신유 원통형 용기

21: 전압 증폭기

22: 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너

본 발명에 따른 오일 내 철분 마모량 측정 장치는 윤활유의 철분 성분 마모 를 측정하기 위해 사용될 수 있는데, 이하에서는 특히 윤활유의 철분 오염도를 측정하는 실시예를 예로 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 인덕턴스 변화에 의한 오일 내 철분 마모량 측정 장치는 사용유의 인덕턴스 변화를 측정하여 윤활유 내의 철분 성분들의 오염도를 정량적으로 측정할 수 있다. 철강 재료로 이루어진 기계 요소들이 마모됨에 따라서 윤활유 내에 존재하고 있는 철분 마모량이 증가되는 정도를 윤활유를 통과하는 오염 입자 매체에 의한 인덕턴스 변화를 측정함으로써 윤활유 내 오염도를 정량적으로 측정하고 특히 측정 대상 신유의 인덕턴스 측정값과의 차이를 연속적으로 비교하여 측정함으로써 상기 오염도를 정밀하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 오일 내 철분 마모량 측정 장치를 도시하고 있다. 이 측정 장치는 오일 저장 탱크(26)에 담겨져 있는 측정할 대상 오일을 원통형 용기(1)에 순환시키며 공급하는 입구(2)와 출구(3), 그리고 이들의 오일 흐름을 단속 제어하는 전자변 밸브(solenoid valve)(4,5)를 구비한다. 또한, 대상 오일이 흐르는원통형 용기(1) 외부에는 전기 유도 코일(6)이 감겨져 있으며, 그 코일로 오일 내에 자화될 수 있는 자성체 물질이 통과하게 되면 전기 유도 코일(6)로 유도되는 인덕턴스가 변화하도록 구현되어 있다. 한편, 원통형 용기(1) 주변에는 전기 유도 코일(7)이 감겨져 있는 또 다른 원통형 용기(8)가 제공되어 있으며, 그 용기(8) 내에 대상 사용유의 신유를 주입하는 입구(9)를 구비하되, 주입된 신유를 보관할 수 있도록 용기(8)의 출구 부분(10)은 밀봉되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 상기 원통형 용기(1 및 8)를 고정시키기 위한 고정부(11), 외부로부터의 전자기파의 영향을 최소화하여 센서 내부를 보호하는 케이스(12), 샘플 오일을 원통형 용기(1)로 유도하기 위하여 센서 측면에 설치된 유로(13 및 14), 오일 순환 펌프(15), 용기 내의 유량을 측정하는 유량계(16) 및 센서 내 오일의 흐름을 볼 수 있는 원형 창틀(17)로 구성되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 측정 장치는 인덕턴스 변화값에 대응되는 전압값을 출력하기 위한 출력부(27)와 출력된 전압값에 따라 오염도를 분석하기 위한 분석부(28)를 포함한다.

도 2는 도 1에 도시한 측정 장치에서 원통형 용기(1) 내를 흐르는 대상 오일 내의 자성체 물질의 양을 정량적으로 측정하기 위하여 본 발명에 따라 유도 코일(6 및 7)과 출력부(27)를 인덕턴스 브릿지 회로로 구성한 회로도를 도시하고 있다. 도 2에서 L_X는 측정 대상인 사용유가 흐르는 원통형 용기(1)에 위치한 전기 유도 코일(6)에서의 인덕턴스 값을, L_O는 대상 오일의 신유가 담겨져 있는 원통형 용기(8)에 위치한 전기 유도 코일(7)에서의 인덕턴스 값을, R₁및 R₂는 각각 전기 저항들로서 원통형 용기(1)에 신유가 흐를 경우, 즉 대상 오일의 오염도가 영인 조건에서, 인덕턴스 브릿지에서의 전기 출력(18) 전압이 영이 나오도록 전기 저항값이 설정되어 있다. 인덕턴스 브릿지에는 일정한 주파수를 지니는 정현파 형태의 교류 전압(19)이 입력된다. 원통형 용기(1)에 자성체 성분의 입자들이 포함되어 있는 사용유가 흐르게 되면, L_X값이 변화하고 따라서 인덕턴스 브릿지에서의 출력 전압이 변화하게 된다. 상기 일차 출력(20)의 전압 값을 전압 증폭기(21)를 거쳐 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(universal Linear-Variable Differential Transformer(LVDT) signal conditioner)(22)에 입력하면 원통형 용기(1) 내의 철분 오염도 측정에 사용하는 인덕턴스 변화값이 직류 형태의 2차 출력전압(23)으로서 발생한다. 이 출력 전압은 도 1에 도시된 분석부(28)로 인가되고 분석부(28)에서는 출력 전압들의 평균값을 계산하여 오일 내 철분 성분 오염 농도를 구한다.

도 3은 본 발명에 따른 오일 내 철분 마모량 자동 측정 시스템으로서 측정 장치에 위치한 모든 전자변 밸브들과 오일 순환 펌프 및 이들의 작동을 제어하고 지시하며 컴퓨터에서 측정 데이터를 처리하는 과정을 예로서 도시하고 있다. 컴퓨터, 예를 들면, 휴대용 컴퓨터(24)의 명령으로부터 증폭기(25) 내의 마이크로 프로세서가 작동하면 전자변 밸브(4 및 5)가 열리고, 오일 순환 펌프(15)가 가동하여 윤활유를 오일 저장 탱크로부터 센서부 원통형 용기(1)로 순환하게 하며 측정 장치의 인덕턴스 브릿지 및 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(22)로부터 발생하는 출력 전압 값이 컴퓨터(24)로 입력되어 연산과정을 거쳐 윤활유 내의 오염도 값을정량적으로 보여준다.

본 발명의 측정 원리는 다음과 같다. 도 4에 도시된 바와 같이 원통형 용기 위에 전기 유도 코일을 원주 방향으로 감고 전압을 가하면, 원통형 용기의 길이 방향으로 회돌이형 전자기파가 발생한다. 상기 원통형 용기 내로 오일을 통과시키면 오일 내에 존재하는 매체들의 고유한 전자기 투자성(permeability)에 따라 전기 유도 코일의 인덕턴스 값(L)이 다음 수학식과 같이 표현된다.

여기에서 N은 전기 유도 코일의 감긴 수, S는 오일이 통과하는 원통형 용기의 단면적,l은 전기 유도 코일의 길이 방향의 길이, μ는 원통형 용기 내를 흐르는 매체의 전자기 투자성 계수 이다. 예를 들면, N은 10 내지 10000회이다.

오일 내에 자성을 지니는 자성체 입자들이 존재할 경우의 용기 내에 존재하는 매체의 전자기 투자성 계수 μ_test는 다음 수학식과 같이 표현된다.

여기에서 μ_oil은 측정 대상 오일 내에 오염이 없는 청결한 상태에서의 전자기 투자성 계수를, μ_p는 오일 내에 오염되어 있는 자성 입자 재질의 전자기 투자성 계수를, C_ν는 자성입자들의 총 체적 비율을 나타낸다. 상기 수학식 1 및 2로부터 원통형 용기 내로 자성체 성분의 입자들이 오염된 오일이 흐르면 전기 유도코일로 유도되는 인덕턴스의 양(L) 및 변화량(dL)은 다음과 같은 수학식으로 얻을 수 있다.

따라서 수학식 4로부터 전기 유도 코일로 유도되는 인덕턴스 양의 변화는 원통형 용기 내부를 흐르는 자성입자들의 오염도 변화와 선형적인 비례관계를 지니고 있음을 알 수 있다.

그러나, 산업 기계용 윤활유 오일에 기계 요소들이 마모되어 오일 내에 마모 입자로서 오염되어 있는 철강 재료 입자들은 일반적으로 크가가 수 마이크로 미터에서 수십 마이크로미터 정도로 매우 작을 뿐만 아니라 오염도도 수십 내지 수백 피피엠(ppm) 정도로 적은 양에 불과하기 때문에 이와 같은 미량의 자성체 입자들에 의한 오일의 인덕턴스 변화를 측정하기가 용이하지 않다. 또한, 전기 유도 코일 주변의 온도가 변하거나 오일의 온도가 변하게 되면 매질들의 전자기 투자성이 변화하여 전기 유도 코일로 유도되는 인덕턴스 측정값이 변하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하고 보다 효과적으로 자성 입자에 의한 인덕턴스 변화만을 측정하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 인덕턴스 브릿지회로를 구성하였다.

이러한 인덕턴스 브릿지의 평형 상태를 이루기 위한 조건은 다음 수학식과 같다.

여기에서 R_Lx및 R_Lo는 각각 전기 유도 코일 L_X및 L_O의 유도 저항(reactive resistance) 값들을 나타낸다. 인덕턴스 브릿지에는, 예를 들면, 60 내지 1000 ㎑ 정현파인 일정한 주파수를 지니는 정현파 형태의 교류 전압이 입력되며, 상기 두 전자 유도 코일들에서 R_Lx=R_Lo, L_X= L_O, R₁= R₂,의 조건이 만족되면 인덕턴스 브릿지는 평형 상태가 이루어지면 출력 전압이 영이 된다. 한편, 전기 유도 코일 L_X를 갖는 원통형 용기에 자성 성분의 입자들이 포함되어 있는 사용유가 흐르게 되면 L_X값이 변화하고 따라서 인덕턴스 브릿지에서의 출력 전압이 변화하게 된다. 상기 1차 출력 전압값을 전압증폭기를 거쳐 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너에 입력하면 원통형 용기 내의 철분 오염도에 상응하는 인덕턴스 변화값이 직류 형태의 2차 출력 전압으로서 발생한다. 도 1에 도시된 바와 같이 인덕턴스 브릿지를 구성하는 두 개의 전기 유도 코일들이 감겨져 잇는 원통형 용기들을 서로 직각이 되도록 배열하면, 각각의 원통형 용기에서 발생하는 회돌이형 전자기파의 방향이 직각을 이루게 되어 서로 상대편 전자기파에 영향을 주지 않게 된다.

본 발명과 같이 전기 유도 코일이 각각 감겨져 있는 두 개의 원통형 용기를 직각으로 배열하고, 한 쪽에는 측정 대상 신유를 위치시키고 다른 한 쪽에는 자성입자들이 오염되어 있는 측정 대상 오일을 흐르게 하면 상기의 전기 유도코일 L_X의 변화에 따라서 발생하는 인덕턴스 브릿지에서의 불균형으로 인하여 출력전압이 발생하게 되고 이의 결과에 의하여 측정 대상 오일 내에 오염되어 있는 자성 입자들의 오염도를 측정할 수 있게 된다. 즉, 측정 대상인 신유와 자성입자들이 오염되어 있는 오일들로부터 전기 유도 코일들로 각각 유도되는 인덕턴스 차이만을 얻게되어 측정 오일 자체의 온도 변화에 따른 인덕턴스 변화 및 전기 유도코일 주변의 온도 변화에 따른 인덕턴스 변화들을 본 발명의 인덕턴스 브릿지 구성을 통하여 서로 상쇄할 수 있게 된다. 이와 같은 자성체 마모 입자들의 총량은 별도의 예비 시험 결과를 이용하여 환산할 수 있다.

다음은 사용유의 오염도 및 자성체 입자들에 의한 오염도를 측정하는 작업 순서를 예시한다.

가) 윤활유 마모량 수동 측정 작업의 순서

1) 측정 장치에 주전압을 공급한다.

2) 샘플 오일 입력 및 출력측 전자변 밸브를 열고, 오일 순환 펌프를 가동시킨다.

3) 오일이 흐르는 상태에서 측정 장치의 출력 전압을 일정한 시간 동안 측정한다.

4) 측정된 출력 전압들로부터 평균값을 계산하여 오일 내에 함유되어 있는 자성체 성분들의 총 오염도를 사전에 환산되어 있는 보정값을 이용하여 측정 오일 내의 자성입자 오염 농도를 구한다.

나) 자동 측정 시스템 구성

본 발명의 장치는 위에서 설명한 수동 작업에 의한 측정 외에도 도 3에 도시된 바와 같이 본 장치를 휴대용 컴퓨터에 연결하여 측정 작업이 자동으로 이루어질 수 있도록 하였다. 자동 측정을 위한 측정 시스템은 오일의 오염도를 측정하는 측정 장치, 전자변 밸브들의 제어 및 윤활유 흐름을 제어하기 위한 증폭기, 증폭기와 정보를 주고 받으며 데이터의 표시, 저장, 분석하는 휴대용 컴퓨터로 구성되어 있다.

도 3에서는 측정 장치에 위치한 모든 전자변 밸브들과 오일 순화펌프 및 이들의 작동을 제어하고 지시하며 컴퓨터(24)의 명령으로부터 증폭기(25) 내의 마이크로 프로세서가 작동하면 전자변 밸브(4 및 5)가 열리고 오일 순환펌프(15)가 가동하여 윤활유를 오일 저장 탱크(26)로부터 측정 장치 원통형 용기(1)로 순환하게 하며 측정 장치의 인덕턴스 브릿지 및 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(22)로부터 발생하는 출력 전압값이 컴퓨터로 입력되어 연산 과정을 거쳐 윤활유 내의 오염도 값을 정량적으로 보여준다.

도 5는 카아보닐 철 입자(carbonyl iron powder)를 사용하여 윤활유 내의 오염도를 변화시키며 본 발명의 측정 장치로 측정한 출력 전압 변화를 보여주고 있다. 이 예에서는 측정 장치에 사용된 원통형 용기(1 및 8)로는 두께가 1㎜, 외경이 10㎜인 유리관이 사용되었으며, 상기의 원통형 용기들 위에는 직경이 0.07㎜인 전기 유도 코일이 3000번 횟수로 감았다. 이때 전기 유도 코일의 저항값들은 R_Lx=549Ω, R_Lo=543Ω으로 측정되었으며, 공기 중에서 측정한 전자기 인덕턴스는 원통형 용기(1)의 경우에 L_x=83.9 mH, 원통형 용기(8)의 경우에 L_o=83.6 mH이 측정되었다. 인덕턴스 브릿지에 사용된 저항은 R₁=R₂=1.8Ω이 사용되었다. 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(22)로부터 인덕턴스 브릿지에 공급되는 입력전류는 3.5Vrms의 주파수 15㎑의 정현파가 사용되었으며, 인덕턴스 브릿지로부터의 1차 출력 전압을 1차 연산 증폭기(operational amplifier)(21)를 통하여 일차적으로 100배 증폭한 후에 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너에 입력한 후에 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너에서 발생하는 직류 전압을 2차 연산 증폭기(도시되지 않음)를 통하여 50 배 증폭하여 최종적으로 출력 전압을 얻었다. 인덕턴스 브릿지에서 평형 조건을 1차적으로 얻기 위하여는 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(22) 내의 옵셋(offset) 미세 저항값을 조정하여 원통형 용기(1) 내에 신유가 통과할 경우에 최종 출력 전압값이 영이 되도록 하였다. 측정 대상에 사용한 오일은 산업용 오일(ISO VG #32)이며, 측정한 오일의 입자 농도는 100, 200, 400, 600, 800, 1000 ppm으로서 오염도 증가에 따른 출력 전압이 선형적으로 증가하는 현상을 볼 수 있다.

본 발명의 인덕턴스 변화에 의한 오일 내 철분 마모량 측정 장치 및 시스템은 윤활유 내에 존재하고 있는 철분 형태의 오염도가 증가하는 현상을 윤활유 내의 오염 입자 매체의 인덕턴스 변화를 측정함으로써 윤활유 내 오염도의 정도를 정량적으로 측정하고, 특히 측정 대상 신유의 인덕턱스 측정값과의 차이를 연속적으로 비교하여 측정함으로써 상기 오염도가 정밀하게 측정되는 기술적 특징을 지니고 있다.

비록 본 발명이 상기의 상세한 설명에 의해 특별히 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의된 발명의 본질과 범위에서 벗어나지 않고서도 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양한 다른 변형을 가할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (9)

1. 오일 내 철분 마모량을 측정하기 위한 측정 장치에 있어서,

   제1 유도 코일이 감겨져 있고 측정할 대상 오일의 샘플을 수납하는 제1 원통형 용기와,

   상기 제1 유도 코일에 기설정된 주파수의 교류 전압이 인가될 때 상기 제1 원통형 용기에 발생되는 전자기파에 의해 상기 제1 유도 코일에 유도되는 인덕턴스 값을 측정하고 상기 측정된 인덕턴스 값과 기설정된 기준 인덕턴스 값의 차이를 인덕턴스 변화량으로서 제공하는 측정 수단과,

   상기 인덕턴스 변화량을 사용하여 상기 대상 오일 내 철분 마모량을 분석하는 수단

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 측정 수단은

   상기 제1 유도 코일 주위의 환경 변화에 따른 인덕턴스 변화량을 제외한 상기 철분 마모량에 대응되는 인덕턴스 변화량만을 나타내는 출력 전압을 발생하는 브릿지 회로와,

   상기 브릿지 회로의 출력 전압을 증폭하는 증폭기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 측정 수단은

   제2 유도 코일이 감겨져 있고 측정할 대상 오일의 신유를 수납하는 제2 원통형 용기를 더 포함하고,

   상기 브릿지 회로는

   상기 제1 유도 코일과, 상기 제2 유도 코일과, 제1 저항과, 제2 저항을 포함하되, 상기 제1 유도 코일은 상기 제1 저항과 상기 제2 유도 코일은 상기 제2 저항과 각각 대향되게 배치되며, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 저항 사이 및 상기 제2 유도 코일과 상기 제1 저항 사이에 상기 교류 전압이 인가될 때, 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일 사이 및 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이에서 상기 인덕턴스 변화량을 나타내는 출력 전압이 제공되며, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항은 상기 제1 원통형 용기에 상기 대상 오일의 신유를 수납할 때 상기 출력 전압이 영이 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 원통형 용기는 상기 제2 원통형 용기와 직각으로 배치되어 상기 교류 전압이 상기 브릿지 회로에 인가될 때 상기 제1 및 제2 원통형 용기에 발생되는 전자기파의 방향이 직각을 이루게 되어 서로 상대편 전자기파에 영향을 주지 않도록 구현되는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 측정 수단은 상기 교류 전압을 발생하여 상기 브릿지회로에 인가하고 상기 증폭된 출력 전압을 상기 분석 수단에서 사용하기 위하여 직류 전압으로 변환하는 유니버설 엘브이디티 시그널 컨디셔너(universal linear-variable differential transfomer(LVDT) signal conditioner)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1 원통형 용기에 오일을 공급하기 위한 전자변 밸브(solenoid valve) 수단과,

   상기 대상 오일을 순환시키는 오일 펌프 수단을

   더 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 장치.
7. 오일 내 철분 마모량을 측정하기 위한 측정 시스템에 있어서,

   제1 유도 코일이 감겨져 있고 측정할 대상 오일의 샘플을 수납하는 제1 원통형 용기와,

   제2 유도 코일이 감겨져 있고 상기 측정할 대상 오일의 신유가 담겨져 있는 제2 원통형 용기와,

   제1 저항과,

   제2 저항과,

   상기 시스템의 운전, 상기 대상 오일 공급 및 순환을 제어하기 위한 시스템 제어 수단과,

   오일 내 철분 마모량을 측정하기 위해 상기 시스템 제어 수단을 기동시키고 상기 대상 오일의 인덕턴스 변화량에 대한 표시, 저장, 연산을 수행하여 오일 내 철분 마모량을 분석 및 표시하는 컴퓨터를 포함하되,

   상기 제1 유도 코일은 상기 제1 저항과 상기 제2 유도 코일은 상기 제2 저항과 각각 대향하여 배치되어 브릿지 회로를 형성하고,

   상기 브릿지 회로의 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 저항 사이 및 상기 제2 유도 코일과 상기 제1 저항 사이에 기설정된 주파수의 교류 전압이 인가될 때, 상기 제1 원통형 용기에 발생되는 전자기파에 의해 상기 제1 유도 코일에 유도되는 상기 대상 오일의 인덕턴스 값과 상기 제2 원통형 용기에 발생되는 전자기파에 의해 상기 제2 유도 코일에 유도되는 상기 대상 오일의 신유의 인덕턴스 값의 차이인 상기 철분 마모량에 대응되는 인덕턴스 변화량을 나타내는 상기 브릿지 회로의 출력 전압은 상기 제1 유도 코일과 상기 제2 유도 코일 사이 및 상기 제1 저항과 상기 제2 저항 사이에서 제공되며, 상기 제1 저항 및 상기 제2 저항은 상기 제1 원통형 용기에 상기 대상 오일의 신유를 수납할 때 상기 브릿지 회로의 출력 전압이 영이 되도록 설정되는

   것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 원통형 용기는 상기 제2 원통형 용기와 직각으로 배치되어 상기 교류 전압이 상기 브릿지 회로에 인가될 때 상기 제1 및 제2 원통형 용기에 발생되는 전자기파의 방향이 직각을 이루게 되어 서로 상대편 전자기파에영향을 주지 않도록 구현되는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 브릿지 회로의 출력 전압을 증폭시키는 증폭기와,

   상기 교류 전압을 발생하여 상기 브릿지 회로에 인가하고 상기 증폭된 출력 전압을 상기 컴퓨터에서 사용하기 위하여 직류 전압으로 변환하는 유니버설 엘브이디티 컨디셔너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 내 철분 마모량 측정 시스템.