KR20030008223A - Vacuum viscometer - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A vacuum viscometer is provided to measure pressure and flow rate by using a single pressure sensor, while shortening measurement time. CONSTITUTION: A vacuum viscometer comprises a flow restrictor(21) made of a glass or a plastic material; a sample storage container connected to an end of the flow restrictor, and which stores a liquid sample; a fluid collector(23) connected to the other end of the flow restrictor, and which receives and stores the liquid sample flowing from the flow restrictor, wherein the fluid collector is designed to maintain the flow restrictor at the level higher than the level of the liquid sample; a differential pressure gauge connected to the fluid collector; a vacuum chamber mechanism(40) for generating a pressure lower than the atmospheric pressure; a valve(25) for opening/shutting off the vacuum chamber mechanism, fluid collector and a pressure sensor; a processor(51) connected to the pressure gauge, and which calculates flow rate and viscosity of the fluid in accordance with plural shear rates; and an output device(54) for displaying the result of calculation of the processor.

Description

진공 점도계 {Vacuum viscometer}Vacuum Viscometer {Vacuum viscometer}

본 발명은 모세관 및 슬릿 형태의 점도 측정에 관한 발명으로서 기존의 모세관 점도계와는 달리 시간에 따라 감소하는 구동 압력에 대해 매 순간 압력을 측정하여 준평형 상태에서의 점도를 측정하는 방식에 관한 것이다.The present invention relates to the measurement of viscosity in capillary and slit forms, and, unlike the conventional capillary viscometer, relates to a method of measuring viscosity at a quasi-equilibrium state by measuring the pressure every moment for a driving pressure which decreases with time.

모세관 점도계는 압력구동 유동형태의 점도계에 속하며 손쉽게 제작 가능하여 가장 널리 사용되고 있는데, 이는 모세관 점도계가 지닌 특성, 즉 단순성, 정확성, 실제 유동과의 유사성, 자유표면 부재 등의 고유한 장점을 갖고있기 때문이다.Capillary viscometers belong to the pressure-driven flow viscometer and can be easily manufactured because they have the unique advantages of capillary viscometers: simplicity, accuracy, similarity to real flow, and free surface members. to be.

그러나, 오늘날 대부분의 모세관 점도계는 한번 실험에 하나의 전단률에 대한 한 개의 점도값만을 측정할 수 있기 때문에, 비뉴턴 유체(non-Newtonian fluid)와 같이 전단률에 따라 점도가 변하는 유체의 경우, 여러 전단률에서의 점도 측정이 필수적이다. 따라서 관심 있는 전단률 영역에서의 점도를 측정하기 위해서는 구동압력을 변화시킨다든지 또는 모세관 크기를 변화시켜 반복적인 실험을 수행해야 한다. 이러한 실험 수행에는 상당한 시간과 노력이 소요되고 또한 많은 양의 시료가 요구된다. 그러므로 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도 측정을 한번의 실험을 통해 측정이 가능한 새로운 개념의 모세관 점도계 개발이 요구되어왔다.However, since most capillary viscometers today can measure only one viscosity value for one shear rate in an experiment, for fluids whose viscosity varies with shear rate, such as non-Newtonian fluids, Viscosity measurements at various shear rates are essential. Therefore, in order to measure the viscosity in the region of shear rate of interest, repeated experiments should be performed by varying the driving pressure or by changing the capillary size. Performing these experiments takes considerable time and effort and also requires a large amount of samples. Therefore, a new concept of capillary viscometer has been required to measure the viscosity of the shear rate range of the region of interest through one experiment.

이를 위해 개발된 점도계로서 미국 특허(6,402,703) Dual riser/single capillary viscometer는 한번의 측정을 통해 관심영역의 전단률 범위에 대한 점도 측정이 가능한 연속측정형 모세관 점도계 형태이다. 이는 U-튜브 형태에서 고저차(height difference)를 이용해 상부에 부착된 저장탱크에서 유체가 연결관(transfer tube)를 통해 흘러 수평으로 놓여진 모세관에 유입되고 이후 다시 수직으로 세워진 상승관(rising tube)로 유입된다. 이 때, 유체가 상승관에 유입되기 시작하면 저장탱크와의 고저차가 점차로 줄어들면서 구동압력이 감소하며 이에 따라 유체의 속도가 감소되고 따라서 전단률이 감소된다. 오랜 시간이 경과하면 저장탱크와 상승관의 수두차가 없어지게 되고 이후에는 더 이상의 유체 흐름이 없게 된다. 이와 같은 방식의 점도계는 한번의 실험을 통하여 관심영역의 전단률에 대한 점도를 다량 측정할 수 있다. 그러나, 상기와 같이 개발된 점도계는 구동력이 중력에 의한 수두차에 의존하기 때문에 고점도 유체에는 적합치 못하며, CCD Sensor를 사용하기 때문에 투명한 유체의 점도 측정은 불가능하다.As a viscometer developed for this purpose, the US patent (6,402,703) Dual riser / single capillary viscometer is a continuous measurement capillary viscometer type that can measure the viscosity of the shear rate range of the region of interest through a single measurement. In the U-tube form, the fluid flows through the transfer tube into a horizontally placed capillary tube, using a height difference, and then into a rising tube that is then erected vertically. Inflow. At this time, when the fluid starts to flow into the riser, the height difference with the storage tank is gradually reduced, the driving pressure is reduced, thereby reducing the speed of the fluid and thus the shear rate. After a long time, the head tank of the storage tank and the riser disappears and there is no more fluid flow thereafter. This type of viscometer can measure a large amount of the viscosity of the shear rate of the region of interest through a single experiment. However, the viscometer developed as described above is not suitable for high-viscosity fluids because the driving force depends on the head difference due to gravity, and since the CCD sensor is used, it is impossible to measure the viscosity of the transparent fluid.

또한, 신 등은 미국 특허(6,412,336) “Single riser/single capillary blood viscometer using mass detection or column height detection”의 정밀 저울을 이용한 점도계를 발표하였다. 이는 위의 특허(US 6,402,703)에서 CCD 센서 대신에 정밀 저울로 바꾼 형태이다. 그러나, 상기와 같이 개발된 점도계는 여전히 구동력이 중력에 의한 수두차에 의존하기 때문에 고점도 유체에는 적합치 못하며 많은 양(5ml 이상)의 샘플량을 필요로 하는 단점이 있다.In addition, Shin et al. Published a viscometer using a precision balance of US patent (6,412,336) "Single riser / single capillary blood viscometer using mass detection or column height detection." This is the form in the above patent (US 6,402,703) replaced by a precision balance instead of a CCD sensor. However, the viscometer developed as described above still has a disadvantage in that it is not suitable for high viscosity fluids and requires a large amount of sample amount (more than 5 ml) because the driving force depends on the head difference caused by gravity.

한편, 미국 특허 (5,257,529) “Method and device for measurement of viscosity of liquids”는 진공을 이용하여 샘플 시험관에 유체를 모세관을 통하여 저장관으로 이송시키면서 저장 탱크에 가해진 진공압력이 서서히 해제되는 것을 압력센서로 측정하여 이를 점도로 환산하는 점도계를 발표하였다. 그러나, 상기와 같이 개발된 점도계는 저장관 및 샘플 시험관의 수두가 시험과정에 계속 변화하기 때문에 이에 대한 또 다른 보정이 필요하다. 또한, 특정 비뉴턴 유체 모델을 정해야 점도를 계산할 수 있는 방식이어서 일바적인 점도를 계산하기 곤란하다. 또한, 많은 양(10ml 이상)의 샘플량을 필요로 하는 단점이 존재한다.On the other hand, US patent (5,257,529) “Method and device for measurement of viscosity of liquids” uses a pressure sensor to slowly release the vacuum pressure applied to the storage tank while transferring the fluid to the reservoir via a capillary tube using a vacuum. The viscometer which measured and converted it to the viscosity was published. However, the viscometer developed as described above requires another correction for the head of the reservoir tube and the sample test tube as it changes continuously during the test. In addition, a specific non-Newtonian fluid model is required to calculate the viscosity, making it difficult to calculate the general viscosity. There is also a disadvantage of requiring a large amount of sample (10 ml or more).

본 발명은 위의 사정을 배경으로서 이루어진 것으로, 미소 샘플량에 대한 빠른 비뉴턴성 유체의 점도 측정에 적용할 수 있는 점도계로서 한번의 측정을 통해 관심영역의 전단률 범위에 대한 연속 점도 측정이 가능하면서 동시에 물과 같이 낮은 점도를 갖는 유체에서부터 페인트와 같은 고점도 유체에 이르기까지 모든 액체에 대해서 빠른 시간 내에 편리한 작동 메커니즘에 의해 점도 측정이 가능하며 또한 혈액 또는 액정(liquid crystal)과 같이 극소량의 샘플을 이용해 짧은 시간 내에 측정해야 하는 액체에 대해서 점도를 측정할 수 있는 점도계 및 측정 방법을 발명하는 기술적 과제를 대상으로 한다.The present invention has been made on the basis of the above circumstances, and is a viscometer that can be applied to the measurement of the viscosity of a fast non-Newtonian fluid with respect to a small sample amount, and it is possible to measure the continuous viscosity of the shear rate range of the region of interest through one measurement. At the same time, viscosity can be measured by a convenient operating mechanism for all liquids, from low viscosity fluids such as water to high viscosity fluids such as paint, in a short period of time, and in very small amounts of samples such as blood or liquid crystals. It aims at the technical subject which invents the viscometer and the measuring method which can measure a viscosity with respect to the liquid which should be measured in a short time using.

본 발명의 또 하나의 기술적 과제는 구조가 간단하며 작동이 매우 쉽고 생산 단가가 저렴하여 일회용으로 사용될 수 있는 점도 측정계 및 관련 측정 방법을 발명하는 것을 기술적 과제로 한다.Another technical problem of the present invention is to invent a viscosity measuring system and a related measuring method which can be used for single use because of its simple structure, very easy operation and low production cost.

이러한 본 발명의 기술적 과제는 다음과 같은 기술적 구성에 의하여 액체의 점도를 측정하는 방법을 제공함으로써 해결될 수 있다.The technical problem of the present invention can be solved by providing a method for measuring the viscosity of the liquid by the following technical configuration.

도 1은 본 발명에 따른 점도계의 구성을 개략적으로 나타내는 모식도1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of a viscometer according to the present invention

도 2는 시간에 따른 압력변화를 나타내는 그래프2 is a graph showing a change in pressure over time

도 3은 본 발명에 따른 점도계의 개략도3 is a schematic diagram of a viscometer according to the invention

도 4는 제3도에 도시된 점도정치의 측면도4 is a side view of the viscosity politics shown in FIG.

도 5는 제1도에 도시된 진공생성장치의 개략도5 is a schematic view of the vacuum generating device shown in FIG.

도 6은 제1도에 도시된 일회용 부품들의 분해 개략도6 is an exploded schematic view of the disposable parts shown in FIG.

도 7는 제1도에 도시된 일회용 샘플저장용기의 개략도7 is a schematic view of the disposable sample reservoir shown in FIG.

본 발명은 가변 구동압(variable driving pressure)과 연계된 진공압 점도계(vacuum viscometer)에 관한 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 하나의 액체 샘플(15)이 주입되어 저장되는 샘플 저장실(10), 저장실과 한 쪽 끝이 연결되어 액체 샘플이 유입되어 큰 유동저항을 발생시키며 통과하는 유동 저항관(21), 유동 저항관의 다른 한 쪽 끝과 연결되어 유동 저항관을 통해 빠져 나오는 샘플 액체를 저장하는 폐 샘플저장실(23), 연결관(24) 및 밸브 장치(25)를 통해 폐샘플 저장실(23)에 대기압보다 낮은 진공 압력을 제공하는 진공발생장치(40), 한 쪽 끝이 진공발생장치(40)에 연결되어 있으며 압력 변화를 시간에 따라 연속적으로 측정하는 압력계(27), 압력계에서 측정한 값을 자료 저장, 계산하는 프로세서(51), 그 계산 결과를 화면에 나타내는 장치(52), 자료를 저장하는 장치(53) 및 자료를 출력하는 출력장치(54) 등으로 구성되는 것에 그 특징이 있다.The present invention relates to a vacuum viscometer in conjunction with a variable driving pressure. In order to achieve this purpose, a sample storage chamber 10 into which one liquid sample 15 is injected and stored is connected, and one end of the liquid storage chamber 21 is connected to one end of the storage chamber so that a liquid sample flows in to generate a large flow resistance. ), The waste sample reservoir 23 is connected to the other end of the flow resistance tube and stores the sample liquid exiting through the flow resistance tube, through the connection tube 24 and the valve device 25. Vacuum generator 40, which provides a vacuum pressure lower than atmospheric pressure, and one end is connected to the vacuum generator 40, and a pressure gauge 27 continuously measuring pressure change with time, and a pressure gauge It is composed of a processor 51 for storing and calculating values, a device 52 for displaying the calculation result, a device 53 for storing data, and an output device 54 for outputting data. have.

이와 같은 본 발명의 진공 모세관 점도계의 개략적인 구성도를 도 1에 나타내었다. 도 2는 본 발명에 따라 측정된 시간-압력의 그래프이다. 이는 진공생성장치와 연결된 폐샘플 저장실의 압력과 대기압의 압력차를 시간에 따라 측정한 것으로, 초기의 높은 압력으로부터 점차 압력이 강하되면서 측정이 완료되는 시점에서 폐샘플 저장실의 압력은 대기압과 평형을 이루게 된다.A schematic configuration diagram of the vacuum capillary viscometer of the present invention is shown in FIG. 1. 2 is a graph of time-pressure measured according to the present invention. This is a time-based measurement of the difference between the pressure of the waste sample reservoir and the atmospheric pressure connected to the vacuum generator, and the pressure in the waste sample reservoir is at equilibrium with the atmospheric pressure at the point of completion of the measurement. Is achieved.

한편, 도 3은 제1도에 도시된 점도 장치의 실시예에 따른 점도계 구성도이다. 이를 참조하여 구체적으로 본 발명의 진공 점도계의 작동 원리 및 점도 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.On the other hand, Figure 3 is a configuration diagram of a viscometer according to an embodiment of the viscosity device shown in FIG. Referring to this specifically described the operating principle and the viscosity measuring method of the vacuum viscometer of the present invention.

먼저, 샘플 액체(15)를 샘플 저장실(10)에 주입한다. 이 때, 샘플 저장실에 주입된 일부 액체는 모세관 효과(capillary effect)로 인하여 샘플 저장실에 연결된 유동 저항관(21)에 유입되기도 한다. 다음, 진공생성장치(40)가 작동하여 진공을 형성하고 이때, 연결관을 통해 압력 센서(27)에 진공압력의 형성이 측정된다. 한다. 이때, 밸브 장치(25)에 의하여 폐샘플 저장실(23)에 개방되면, 샘플저장실의 대기압과 폐샘플 저장실의 진공압력과의 차이에 의하여 구동력이 발생하여 샘플 액체를 샘플 저장실로부터 유동저항관을 통해 폐샘플 저장실(23)로 밀어낸다. 이 때, 폐샘플 저장실은 밀폐된 용기이기 때문에 점차로 유동저항관을 거쳐 나온 샘플 액체가 유입될수록 내부 진공이 해제되면서 마지막에는 폐샘플 저장실의 압력이 대기압과 유동저항관(21)의 수두(water head)를 합한 힘과 평형을 이루게 된다. 이 때, 유체의 유동은 멈추게 된다. 이 과정 동안 압력 센서로부터 측정된 각 시간에 따른 압력 값은 프로세서(51)에 저장되고 이를 점도로 계산하여 화면과 같은 출력장치(52)에 값을 표시하게 된다.First, the sample liquid 15 is injected into the sample reservoir 10. At this time, some of the liquid injected into the sample reservoir may flow into the flow resistance tube 21 connected to the sample reservoir due to a capillary effect. Next, the vacuum generating device 40 is operated to form a vacuum, at which time the formation of the vacuum pressure on the pressure sensor 27 is measured through the connecting pipe. do. At this time, when the valve device 25 is opened to the waste sample storage chamber 23, the driving force is generated by the difference between the atmospheric pressure of the sample storage chamber and the vacuum pressure of the waste sample storage chamber, and the sample liquid is transferred from the sample storage chamber to the flow resistance tube. Push out into the waste sample reservoir (23). At this time, since the waste sample storage chamber is a sealed container, the internal vacuum is released as the sample liquid gradually flows through the flow resistance tube, and finally, the pressure of the waste sample storage chamber is at atmospheric pressure and the water head of the flow resistance tube 21. ) And the equilibrium with the combined force. At this time, the flow of the fluid is stopped. During this process, the pressure value of each time measured from the pressure sensor is stored in the processor 51 and calculated as a viscosity to display the value on the output device 52 such as a screen.

측정된 압력은 샘플 저장실 또는 폐샘플 저장실과 최소한 하나 이상의 압력이거나 또는 샘플 저장실과 폐샘플 저장실의 차압을 측정하여 얻어진 값을 통해 공기에 대한 이상기체 상태방정식을 이용하여 체적(volume)을 계산하고 이를 통해 시간에 따른 체적 변화율이 임의 순간의 유량(flow rate)으로 환산할 수 있다. 따라서, 구동력에 해당하는 압력 차(pressure difference)와 그에 따른 유량(flow rate)을 이용하여 이미 공지된 계산식을 이용하여 전단률 및 점도를 계산할 수 있다.The measured pressure is at least one pressure of the sample storage chamber or the waste sample storage chamber or the volume obtained by measuring the differential pressure between the sample storage chamber and the waste sample storage chamber, and calculates the volume using the ideal gas state equation for air. Through this, the rate of volume change over time can be converted into a flow rate at any moment. Therefore, the shear rate and the viscosity may be calculated using a known equation using the pressure difference corresponding to the driving force and the flow rate accordingly.

제 4도에 도시된 바와 같이 폐샘플저장실(10) 및 유동저항관(21)은 본체(30)에 간단하게 원-터치 방식으로 삽입되어 고정되는 방식을 채택하며 고정된 후에는 기밀(sealing)을 유지하게된다. 또한, 조립 및 탈착이 쉽도록 본체의 바닥면으로부터 일정한 거리를 두도록 설계하였다.As shown in FIG. 4, the waste sample storage chamber 10 and the flow resistance tube 21 adopt a simple one-touch method to be fixed to the main body 30 and are sealed after sealing. Will keep. In addition, it was designed to be a certain distance from the bottom surface of the main body for easy assembly and detachment.

제 5도에 도시된 바와 같이 폐샘플저장실은(10)은 유동저항관의 한 쪽 끝이 폐샘플저장실의 덮개(12)에 천공된 구멍(14)에 단단히 삽입되어 고정 지지될 수 있도록 설계한다. 또한, 덮개(12)의 다른 부위에는 대기압에 노출시키기 위해서 또 하나의 구멍(13)이 천공되어 있다. 이러한 덮개(12)는 바닥면이 넓은 용기(11)에 단단히 조립된다. 혈액과 같은 샘플 액체는 주사기와 같은 기구를 사용하여 구멍(13)을 통해 주입된다.As shown in FIG. 5, the waste sample storage chamber 10 is designed such that one end of the flow resistance tube is firmly inserted into and fixed to the hole 14 drilled in the cover 12 of the waste sample storage chamber. . In addition, another hole 13 is drilled in another portion of the lid 12 to expose it to atmospheric pressure. This cover 12 is firmly assembled to the container 11 having a wide bottom surface. Sample liquid, such as blood, is injected through the aperture 13 using a device such as a syringe.

제 6도에 도시된 바와 같이, 유동저항관(21)과 폐샘플저장실(23)의 연결부에 기밀을 유지하기 위하여 실리콘 튜브(22)를 유동저항관(21)에 끼우고 이를 폐샘플저장실에 삽입한다.As shown in FIG. 6, in order to maintain the airtightness at the connection between the flow resistance tube 21 and the waste sample storage chamber 23, the silicon tube 22 is inserted into the flow resistance tube 21 and the waste tube is stored in the waste sample storage chamber. Insert it.

제 5도와 6도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치 구성 중 샘플 액체가 직접적으로 접촉하는 부분은 샘플 저장실(10), 유동 저항관(21), 폐샘플 저장실(23) 등은 유리 및 플라스틱 사출과 기계 가공 공정에 의하여 일체형 또는 조립형이면서 일회용품으로 제작이 가능하다. 즉, 플라스틱 소재를 모재(substrate)로하여 마이크로 인젝션(micro-injection) 공법을 이용하여 제 5도 및 6도에 도시된 바와 같은 구조물을 쉽게 가공할 수 있다. 이러한 플라스틱 모재물은 일회용으로 사용하기에 매우 경제적으로 적합하여 혈액과 같이 병원체의 오염 등이 우려되는 경우 측정 후 폐기할 수 있어 매우 편리하다.As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the portion of the apparatus configuration of the present invention in which the sample liquid is in direct contact includes the sample reservoir 10, the flow resistance tube 21, the waste sample reservoir 23, and the like. It can be manufactured as a single-piece or disposable product by injection and machining process. That is, it is possible to easily process the structure as shown in Figs. 5 and 6 by using a micro-injection method using a plastic material as a substrate (substrate). Such plastic base material is very economically suitable for single use, so it is very convenient to dispose after measurement if there is concern about contamination of pathogens such as blood.

도 7은 제 1도에 도시된 진공생성장치의 한 실시예에 따른 개략도이다. 직선운동(LM) 가이드와 같은 장치(43)에 스텝 모터(42)등을 연결하여 프로세서(51)로부터 제어를 받으며 일정량만큼 후진을 하면 피스톤-실린더 장치 또는 주사기 (41)에 진공이 형성되거나 진공이 해제된다. 이렇게 형성된 압력이 연결관(26)을 통해 폐샘플 저장실(23) 및 압력센서(27)에 진공 압력이 전달된다.7 is a schematic view according to one embodiment of the vacuum generating device shown in FIG. When the step motor 42 or the like is connected to a device 43 such as a linear motion (LM) guide and is controlled by the processor 51 and backed by a certain amount, a vacuum is formed in the piston-cylinder device or the syringe 41, or Is released. The pressure thus formed is transferred to the waste sample storage chamber 23 and the pressure sensor 27 through the connecting pipe 26.

제 3도에 도시된 점도 장치의 실시예에 따른 점도계의 개략도를 참조하여 샘플 액체의 유동을 설명하면, 샘플이 샘플 저장실(10)에 주입된 후, 앞서 설명한 바와 같이 모세관효과로 인하여 유동저항관에 인위적인 힘을 가하지 않아도 일정 수두까지 유입된다. 이후에, 진공생성장치에 형성된 진공이 폐샘플저장실에 개방되어 연결되면 유동저항관을 통하여 샘플 액체가 폐샘플 저장실로 유입되고 따라서 밀폐된 폐샘플 저장실내 존재하는 공기는 점차로 압축되어 진공압이 해제되게 된다. 마지막 시점에서는 폐샘플 저장실의 진공압력과 샘플저장실의 대기압의 압력차가 유동저항관의 수두와 힘 평형을 이루면서 유동이 멈추게 되면 실험이 종료된다.Referring to the flow diagram of the sample liquid with reference to the schematic diagram of the viscometer according to the embodiment of the viscosity device shown in FIG. 3, after the sample is injected into the sample reservoir 10, the flow resistance tube due to the capillary effect as described above It does not need to be artificially applied to the head to reach a certain head. Thereafter, when the vacuum formed in the vacuum generator is connected to the waste sample storage chamber openly, the sample liquid flows into the waste sample storage chamber through the flow resistance tube, so that the air present in the closed waste sample storage chamber is gradually compressed to release the vacuum pressure. Will be. At the last point, the experiment ends when the flow stops while the pressure difference between the vacuum pressure of the waste sample storage chamber and the atmospheric pressure of the sample storage chamber is balanced with the head of the flow resistance tube.

이 때, 샘플저장용기의 수면 높이는 시험 종료시까지 거의 변동을 하지 않도록 하기 위하여 밑면적이 넓은 용기를 사용하는 것을 특징으로 한다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 유동저항관의 한 쪽 단이 폐샘플 저장실의 바닥면으로부터 일정거리 이상 더 높이 유지되어 폐샘플이 폐샘플 저장실에 채워져도 수두변화가 없도록 한다. 즉 시험 종료시까지 수두차는 유동저항관(21)의 길이만으로 계산할 수 있도록 한다. 즉, 수두(water head)는 gL이 된다. 이때, 는 샘플액체의 밀도, g는 중력가속도, L은 유동저항관의 길이이다.At this time, the surface height of the sample storage container is characterized by using a container with a large bottom surface so as to hardly fluctuate until the end of the test. In addition, as shown in Figure 3, one end of the flow resistance tube is maintained higher than a predetermined distance from the bottom surface of the waste sample storage chamber so that even if the waste sample is filled in the waste sample storage chamber there is no head change. That is, the head difference until the end of the test can be calculated only by the length of the flow resistance tube (21). That is, the water head is gL. Where is the density of the sample liquid, g is the acceleration of gravity, and L is the length of the flow resistance tube.

본 발명에서 측정된 압력을 점도로 계산하는 원리를 제 2도에 도시된 시간-압력 그래프를 이용하여 설명하면 다음과 같다. 측정된 압력이 샘플저장실의 대기압과 폐샘플저장실의 진공압력의 차 (P)일 경우는 도 2에 도시된 바와 같이 시간에 따라 감소하며 압력 값이 폐샘플 저장실의 최종 압력을 지나며 평형을 이루게 된다.Referring to the principle of calculating the pressure measured in the present invention as a viscosity using the time-pressure graph shown in FIG. If the measured pressure is the difference (P) between the atmospheric pressure of the sample storage chamber and the vacuum pressure of the waste sample storage chamber (P), the pressure value decreases with time as shown in FIG. 2 and the pressure value is equilibrated past the final pressure of the waste sample storage chamber. .

이와 같은 방법으로 측정 압력차를 이용하여 폐샘플 저장실 공기의 압력과 초기의 폐샘플 저장실의 체적에 대하여 이상기체 상태방정식을 적용하면 각각의 시간에 해당하는 내부 체적(V)을 계산할 수 있다.In this way, if the ideal gas state equation is applied to the pressure of the waste sample storage chamber air and the volume of the initial waste sample storage chamber using the measured pressure difference, the internal volume (V) corresponding to each time can be calculated.

PwiVwi= Pw(t) Vw(t)P wi V wi = P w (t) V w (t)

샘플 액체가 유동 저항관을 통하여 폐샘플 저장실로 이송되면서 밀폐된 폐샘플 저장실의 압력, P w (t)는 시간에 따라 점차 증가하면서 내부의 공기 체적, V w (t)는 감소하게 된다. 이 때, P w (t)는 압력 센서에 의하여 측정되거나 환산되는 값이므로 결국, 위 식을 이용하여 매 순간의 폐샘플 저장실의 공기 체적,Vw(t)을 계산할 수 있다. 위에서 구한 폐샘플 저장실의 공기의 내부체적의 감소는 샘플 액체의 유입 체적증가 와 동일하다.As the sample liquid is transferred to the waste sample storage chamber through the flow resistance tube, the pressure of the closed waste sample storage chamber, P w (t) gradually increases with time, and the internal air volume, V w (t) decreases. At this time, since P w (t) is a value measured or converted by the pressure sensor, the air volume, V w (t) of the waste sample storage chamber at each moment can be calculated using the above equation. The decrease in the internal volume of air in the waste sample reservoir obtained above is equivalent to the increase in inflow volume of the sample liquid.

Vw,air= Vliq V w, air = V liq

한편, 시간에 따른 샘플 액체의 체적변화를 시간에 대해 1차 미분하면 단위시간당 모세관을 통과하는 시험유체의 체적 유량(volume flow rate, Q)이 된다.On the other hand, the first derivative of the volume change of the sample liquid over time is the volume flow rate (Q) of the test fluid passing through the capillary tube per unit time.

Q = [Vliq /t ]Q = [V liq / t]

이때, 유동저항관의 양단에 걸린 구동 압력과 유량을 이용하여 주어진 유동 저항관을 모세관으로 가정하고 그 직경과 길이를 각각 D와 L이라 하면, 이에 상응하는 전단률 및 유체의 점도를 계산하는 식은 다음과 같다.In this case, assuming that a given flow resistance tube is a capillary tube using the driving pressure and the flow rate applied to both ends of the flow resistance tube, and the diameter and the length are D and L, respectively, the formula for calculating the corresponding shear rate and the viscosity of the fluid is As follows.

= [8Q/(D3)] [ 3 + {d(ln Q)/ d(ln )} ]= [8Q / (D 3 )] [3 + {d (ln Q) / d (ln)}]

여기서 = [P(t) D /(4L)].Where = [P (t) D / (4L)].

= [(D4)/(128 L)] [P(t) /Q(t)]t= [(D 4 ) / (128 L)] [P (t) / Q (t)] t

한편, 항복 응력이 있는 액체인 경우, 제 7도에 도시된 시간-압력의 그래프와 같이 최종 시간에서의 차압(P)이 수두(water head)보다 큰 값을 갖게된다. 이 경우수두는 본 발명의 장치에서 미리 정해진 수두값(gL)에 의하여 계산된다. 따라서, 최종 차압과 수두의 차이를 뺀 값(P- gL)으로부터 항복응력을 아래의 식으로부터 구하여 진다.On the other hand, in the case of a liquid having a yield stress, the differential pressure P at the final time is larger than the water head as shown in the time-pressure graph shown in FIG. In this case, the head is calculated by the predetermined head value gL in the apparatus of the present invention. Therefore, yield stress is obtained from the following equation from the difference between the final differential pressure and the head (P-gL).

y= [(P- gL) D /(4L)] y = [(P- gL) D / (4L)]

이러한 항복응력 유체에 대해서는 Herschel-Bulkley모델 또는 Casson 모델 등을 이용하여 점도를 제시할 수도 있다.For such yield stress fluid, the viscosity may be presented using Herschel-Bulkley model or Casson model.

위에서의 점도 계산식은 유동저항관(21)이 원형 관에 대해서만 유도되었으나, 직사각 채널 또는 슬릿(slit)과 같은 관에 대해서도 전단률, 점도 및 항복을 계산하는 공학식들은 이미 공지되었으며 이를 사용하여 같은 원리에 의하여 계산할 수 있다.Viscosity equations are derived above for flow resistance tubes 21 only for round tubes, but the formulas for calculating shear rate, viscosity, and yield are also known and used for tubes such as rectangular channels or slits. Can be calculated by principle.

한편,액체의 점도는 온도에 따라 크게 달라지는 특성을 지니고 있기 때문에 측정 온도를 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 구성에서도 모재(substrate)의 온도를 가열하거나 냉각시킬 수 있는 water-jacket이 연결된 열교환기에 모재를 삽입하거나 또는 직접 열전소자(thermo-electric component)를 모재에 부착하거나 할로겐램프 등으로 미리 정한 온도(predetermined temperature)로 예열할 수 있는 것을 구성할 수 있다.On the other hand, since the viscosity of the liquid has a characteristic that varies greatly with temperature, it is necessary to control the measurement temperature. Therefore, even in the configuration of the present invention, the base material is inserted into a heat exchanger connected to a water-jacket capable of heating or cooling the temperature of the substrate, or directly attaches a thermo-electric component to the base material, or a halogen lamp. It can be configured that can be preheated to a predetermined temperature (predetermined temperature).

이상의 구성 및 작용에 의하면 본 발명은 압력 센서 하나로 압력 및 유량을 동시에 측정하는 효과를 거두며 미소 체적의 샘플 액체에 대해서 매우 빠른 짧은 시간동안 광범위한 전단률에 대한 점도를 일괄 측정하는 효과를 거두게 된다. 따라서, 샘플 액체가 비싼 경우, 매우 유리하며 또한 측정 시간에 따라 물성이 바뀌는 혈액과 같은 액체의 경우에도 매우 짧은 측정 시간의 특성 때문에 항응고제(anti-coagulant) 없이도 혈액 점도를 측정할 수 있다. 특히, 상기 발명된 장치에서 센서는 샘플 액체가 직접적으로 접촉이 되지않고, 샘플 액체가 접촉하는 부분은 모두 일회용 플라스틱 재료 등으로 제작이 가능하기 때문에 bio-액체 등의 적용에 매우 유리하다.According to the above configuration and operation, the present invention has the effect of simultaneously measuring the pressure and the flow rate with one pressure sensor, and has the effect of collectively measuring the viscosity for a wide range of shear rates for a very short time for a small volume of sample liquid. Therefore, in the case of expensive sample liquids, blood viscosity can be measured without anti-coagulant because of the very short measurement time even for liquids such as blood whose properties change with the measurement time. In particular, in the above-described apparatus, the sensor is not directly in contact with the sample liquid, and all of the contact portions of the sample liquid can be made of a disposable plastic material or the like, which is very advantageous for the application of bio-liquid and the like.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It is apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, such modifications or variations will have to belong to the claims of the present invention.

Claims (6)

시간에 따라 감소하는 압력을 측정하여 다수의 전단률(plural shear rates)에 대하여 비뉴턴성 유체 및 생명체의 순환 혈액의 점도를 측정하는 장치로서 상기 장치의 구성은 다음과 같다.A device for measuring the viscosity of a non-Newtonian fluid and circulating blood of a living body against a plurality of shear shear rates by measuring a pressure which decreases with time. The configuration of the device is as follows. 유리나 플라스틱의 유동저항관;Flow resistance tubes of glass or plastic; 상기의 유동저항관의 한쪽 끝단에 연결되어 액체 샘플이 주입되고 저장되며 수두가 측정시간동안 일정한 샘플 저장용기;A sample storage container connected to one end of the flow resistance tube, injecting and storing a liquid sample, and having a constant head during a measurement time; 상기 유동저항관의 다른 한쪽 끝단에 연결되어 유동저항관을 통해 흘러나오는 샘플 액체를 받아 저장하며 삽입된 유동저항관이 폐샘플액 수면보다 항상 위가 유지되도록 설계된 폐샘플 저장실;A waste sample storage chamber connected to the other end of the flow resistance tube to receive and store the sample liquid flowing through the flow resistance tube, wherein the inserted flow resistance tube is always kept above the surface of the waste sample liquid; 폐샘플 저장실과 연결되어 대기압과의 차압을 측정하는 차압계;A differential pressure gauge connected to the waste sample storage chamber and measuring a differential pressure from the atmospheric pressure; 대기압 보다 낮은 압력을 생성시키는 진공생성장치;A vacuum generator for generating a pressure below atmospheric pressure; 상기의 진공생성장치와 폐샘플 저장실 및 압력센서를 외부 제어장치에 의하여 개폐를 실행하는 밸브장치;A valve device for opening and closing the vacuum generating device, the waste sample storage chamber, and the pressure sensor by an external control device; 상기의 압력계와 연결되어 있으며 시간에 따른 압력 신호를 이용하여 주어진 기하학적 파라메터와 압력간의 관계로부터 시험유체의 유량 및 점도를 다수의 전단률에 따라 계산하는 프로세서;A processor connected to the pressure gauge and calculating a flow rate and a viscosity of the test fluid according to a plurality of shear rates from a relationship between a given geometric parameter and pressure using a pressure signal over time; 상기의 프로세서로부터 계산된 점도 및 결과를 나타내주는 출력장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공 점도계Vacuum viscometer, characterized in that it comprises an output device for showing the viscosity and the result calculated from the processor 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유동저항관이 원형인 것을 특징으로 하는 진공 점도계Vacuum viscometer, characterized in that the flow resistance tube is circular 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 유동저항관이 직사각 채널인 것을 특징으로 하는 진공 점도계Vacuum viscometer, characterized in that the flow resistance tube is a rectangular channel 제 2 항 내지 3항에 있어서,The method of claim 2, wherein 상기 유동저항관의 재질이 실리콘, 석영, 실리카, 유리, 레이저 가공 가능한 폴리머,사출성형 폴리머 및 세라믹 등의 후보 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 진공 점도계The material of the flow resistance tube is a vacuum viscometer, characterized in that selected from the group of candidates, such as silicon, quartz, silica, glass, laser processing polymer, injection molding polymer and ceramic 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 샘플 액체와 직접 접촉하는 부분을 일회용(disposable)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 점도계Vacuum viscometer, characterized in that the portion in direct contact with the sample liquid is configured disposable 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 점도계는 샘플액체를 받기 전에 미리 정한 온도(predetermined temperature)로 예열할 수 있는 히터(heater) 및 온도 센서가 부착되어 있는 것을 특징으로하는 진공 점도계.The viscometer is a vacuum viscometer, characterized in that attached to the heater (heater) and a temperature sensor that can be preheated to a predetermined temperature (predetermined temperature) before receiving the sample liquid.
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