KR20100069180A

KR20100069180A - 액체가 모세관을 통과하는 시간 측정장치 및 통과시간 측정방법 및 그 측정값을 이용한 점도계산방법

Info

Publication number: KR20100069180A
Application number: KR1020080127792A
Authority: KR
Inventors: 김덕종; 박상진; 허필우
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-24
Also published as: KR100988005B1

Abstract

본 발명은 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치 및 통과시간 측정방법 및 그 측정값을 이용한 점도계산방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 모세관 현상을 액체 이송에 이용하되 중력방향으로 세워진 모세관을 사용하고 상기 모세관의 두 지점에서 액체의 통과시간을 측정하도록 함으로써 모세관압을 별도로 측정하는 번거로움 없이 모세관을 통과하는 시간만으로 간단하게 점도를 측정할 수 있게 한 것이다. 특히, 상기 모세관에는 전극을 설치하여 서로 액체의 통과시 통전되는 전압의 변동에 의해 통과시간을 측정하되, 한 지점에 다수의 전극을 설치하여 각 전극 사이의 통전유무를 간단하게 확인하여 설치간격을 통과하는 액체의 통과시간을 측정하여 점도계산이 가능하도록 한 액체가 모세관을 통과하는 시간 측정장치 및 측정방법 및 그 측정값을 이용한 점도계산방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 시간측정값을 이용한 점도계산방법은,

중력방향으로 세워진 모세관 입구에 유체관의 액체를 접촉시켜 모세관현상에 의해 액체가 모세관에 빨려들어가게 하고, 상기 모세관의 상하층 두 지점에 측정부를 설치하여 빨려들어간 액체가 모세관의 각 측정부를 통과하는 시간측정값을 이용한 점도계산방법에 있어서, 하기 수학식5에 의해 계산되어진다.

수학식 5

v : 동점도, h ₁ , h ₂ : 액체가 측정부에 도달한 모세관 높이

D _h : 모세관의 직경 t : 시간, g : 중력가속도

점도, 모세관, 전극, 통과시간, 전압변동

Description

액체가 모세관을 통과하는 시간 측정장치 및 통과시간 측정방법 및 그 측정값을 이용한 점도계산방법{System and Method for Capillary Tube Transit Time Measurement of Liquid and Viscosity Calculating Method using Measurement Information Thereof}

액체 내에는 액체가 흐를 때 유동에 저항하는 성질을 가지고 있는데, 이러한 성질을 점성(viscosity)이라고 한다. 즉, 액체가 흐르고 있을 때, 액체 내의 각 층 사이 또는 액체와 고체사이에서 분자간의 잡아당기는 힘에 의해 서로 운동을 막으려고 하는 힘이 작용하는 데 이러한 성질이 점성이다. 이러한 점성의 크기를 점성계수 또는 점도라고 한다. 보통 액체의 점도는 온도와 압력에 따라 다른데, 액체의 경우에는 온도가 높아지면 점도는 감소하고 압력이 증가하면 점도는 증가한다.

점도계(viscometer)는 상기 액체의 점도를 측정하는 기기이며, 현재 많이 사용되는 종류는 모세관 점도계, 회전식 점도계, 낙구식 점도계 등이 있다. 이러한 점도계의 측정원리 및 기능을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

회전식 점도계는 운동중인 액체가 원통 혹은 원판에 미치는 저항력을 측정하여 액체의 점도를 측정하는 기기이다. 회전식 점도계는 중간 전단률 영역의 점도를 측정하는 데 적합하나, 영전단율 점도를 측정하는 데는 부적합하다.

낙구식 점도계는 액체 중에서 낙하하는 구의 종말속도(terminal velocity)를 측정하여 점도를 측정하는 기기로서, 전단률이 낮은 영역의 점도 측정에 적합하다.

모세관 점도계는 정상유동상태인 액체의 질량유량과 압력강하량을 측정하여 포이셀(POISEUILLE) 법칙을 이용하여 점도를 측정하는 기기이다. 상기 모세관 점도계는 액체가 시간에 따라 변화하지 않고 일정한 상태를 유지하는 정상상태에서 측정이 이루어지는 장치이나, 다양한 전단률에 걸친 점도를 측정하는 다변화 환경에 서는 오차발생의 우려가 있으므로, 측정환경을 최대한 일정하게 유지해야된다.

따라서, 상기 모세관점도계는 별도로 압력원을 설치하여 일정한 압력하에서의 점도측정이 이루어지도록 하고 있다.

예컨대 미국등록특허 US 7,131,318 호는 온도제어가 가능하고 유량을 전기적으로 측정할 수 있도록 하였으나, 일정한 압력을 제공하기위한 압력원이 필요하고, 액체의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 열블록을 설치 하는등 장치의 구성이 비교적 복잡하여 휴대용으로 적용하기에는 적합하지 않는 방법이다.

또한, 미국특허등록 US 7,188,515 호는 모세관 현상을 액체 이송에 이용하도록 하여 별도의 압력원 없이 작동할 수 있게 하여 휴대용 장비에 적용이 적합하나, 모세관압 측정을 위한 구조가 항상 같이 있어야할 뿐만 아니라 이 방법의 작동을 위해서는 가스가 비교적 잘 투과하는 PDMS같은 재질은 사용할 수 없게 되어 있어 실제 적용에 제약이 따르는 단점이 있다.

따라서, 상기 장치의 휴대가 가능하도록 액체의 점도를 간편하게 측정할 수 새로운 방식에 대한 연구가 필요하다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치는,

중력방향으로 세워진 모세관 입구에 유체관의 액체를 접촉시켜 모세관현상으로 빨려들어간 액체가 모세관의 측정지점을 통과할 때 액체 이동 시간을 측정하는 시간측정장치에 있어서, 상기 모세관의 하부와 상부에 각각 복수의 전극이 설치되는 제1측정부 및 제2측정부와; 상기 제1 및 제2 측정부와 연결되어 두 지점 각각의 전극간의 전압 변곡시점과 변곡시점간의 시간을 측정하는 제어장치;를 포함하여 구성된다.

또한, 액체가 모세관을 통과하는 시간측정방법은,

유체관의 액체와 입구가 접촉된 모세관과, 상기 모세관의 상하 두 지점에 전극이 설치된 제1 및 2측정부와, 상기 각 측정부의 전압량 변동을 실시간으로 측정하는 제어장치를 이용하여 액체가 모세관을 통과하는 시간을 측정하는 방법에 있어서, 중력방향으로 세워진 모세관의 입구를 유체관 내의 액체와 접촉시켜 모세관현상으로 액체를 모세관에 유입시키는 액체유입단계와; 상기 모세관의 제1 및 2측정부에 전원을 공급하여 전압을 측정하는 초기전압측정단계와; 모세관의 모세관현상으로 유입되어 상승하는 액체가 복수의 전극을 갖는 제1측정부에 접촉될 때 각 전극의 순차적인 접촉에 의한 전압변곡시점을 측정하여 각 구간의 액체 이동속도를 측정하는 제1측정부 시간측정단계와; 상기 액체가 복수의 전극을 갖는 제2측정부에 접촉될 때 각 전극의 순차적인 접촉에 의한 전압변곡시점을 측정하여 각 구간의 액체 이동시간을 측정하는 제2측정부 시간측정단계;를 포함하여 이루어진다.

또한, 시간측정값을 이용한 점도계산방법은,

중력방향으로 세워진 모세관 입구에 유체관의 액체를 접촉시켜 모세관현상에 의해 액체가 모세관에 빨려들어가게 하고, 상기 모세관의 상하층 두 지점에 측정부를 설치하여 빨려들어간 액체가 모세관의 각 측정부를 통과하는 시간측정값을 이용 한 점도계산방법에 있어서, 하기 수학식5에 의해 계산되어진다.

수학식 5

D _h : 모세관의 직경 t : 시간, g : 중력가속도

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치 및 통과시간측정방법 및 그 측정값을 이용한 점도계산방법은,

모세관 현상을 액체 이송에 이용하되 중력방향으로 세워진 모세관을 사용하고 상기 모세관의 두 지점에서 액체의 통과시간을 측정하도록 함으로써 모세관압을 별도로 측정하는 번거로움 없이 모세관을 통과하는 시간만으로 간단하게 점도를 측정할 수 있게 한 것이다. 특히, 상기 모세관에는 전극을 설치하여 서로 액체의 통과시 통전되는 전압의 변동에 의해 통과시간을 측정하되, 한 지점에 다수의 전극을 설치하여 각 전극 사이의 통전유무를 간단하게 확인하여 설치간격을 통과하는 액체의 통과시간을 측정하여 점도계산이 가능하도록 하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 액체점도를 모세관의 측정위치를 통과하는 액체통과시간을 통해 간단하게 계산되어 질 수 있도록 하였다.

상기 액체통과시간은 도 1을 참조한 바와같은 시간측정장치에 의해 이루어진다.

도시된 바와같이 중력방향으로 세워진 모세관(20) 입구에 유체관(60)의 액체를 접촉시켜 모세관현상으로 빨려들어간 액체가 모세관의 측정지점을 통과할 때 액체 이동 시간을 측정하는 시간측정장치(10)에 있어서, 상기 모세관의 하부와 상부에 각각 복수의 전극이 설치되는 제1측정부(30) 및 제2측정부(40)와; 상기 제1 및 제2 측정부와 연결되어 두 지점 각각의 전극간의 전압 변곡시점과 변곡시점간의 시간을 측정하는 제어장치(50);를 포함하여 구성된다.

상기 모세관(20)에 설치된 제1 및 2측정부(30,40)는 둘 또는 그 이상의 박형 전극이 장착되어 각 전극간격을 통과하는 액체의 시간을 측정하게 한다.

예컨대, 도 2a를 참조한 바와같이 상기 제1 및 2측정부(30,40)는 각각 3개의 전극을 장착하여 액체가 전극통과시 전압의 변곡시점을 측정하도록 할 수 있다.

도시된 바와같이 3개의 전극은 상층(33), 중간층(32), 하층 전극(31)으로 구 성되고 각 전극의 간격을 동일하게 설정하되 측정하고자 하는 기준높이에 중간층전극(32)이 위치하도록 하고 이의 상하층에 일정간격으로 상층전극(33) 및 하층전극(31)이 장착되도록 하여 하층전극과 중간층전극 구간의 통전시점과 중간층전극과 상층전극 구간에서 통전시점을 측정하여 각 측정부에서의 시간측정값으로 설정하도록 할 수 있다. 이 때 시간측정은 측정되는 전압의 변곡시점에 의해 이루어지는데 이러한 변곡은 각 전극 사이의 공기가 채워져 단전되었다가 액체가 채워지면서 통정되면서 이루어진다. 따라서 상기 전극사이의 상하 두 공간의 각각의 통전시점의 감지에 의해 중간층전극(32)과 상층전극(33) 사이를 통과하는 액체의 통과시간을 구할 수 있다. 이 때 상기 중간층전극은 음극으로 하고, 상층전극과 하층전극은 양극으로 설정하여 중간층전극과 하층전극 및 중간층전극과 상층전극의 통전시점을 측정하도록 할 수 있다.

다른 예로는 도 2b를 참조한 바와같이 상기 각 측정부(30,40)에는 두개의 전극(31,33)을 층을 달리하여 설치하고 이에 전원을 공급하여 전압을 측정하면, 모세관(20)을 따라 상승하는 액체가 하층전극(31)과 접촉될 시 전압이 미세하게 변곡된다.

이러한 전압의 변곡은 공기와 전기 전도도가 다른 액체가 상승하여 하층전극(31)과 상층전극(33)을 순차적으로 통과하면서 이루어진다. 이러한 변곡시점의 발생시간을 체크하게 되면 상층전극과 하층전극의 간격을 통과하는 시간이 측정됨으로 이를 각 측정부(30,40)에서의 시간측정값으로 설정한다.

상기 제어장치(50)는 각 측정부에 설치된 전극에 전원을 공급하여 각 전극사 이의 전압 변동을 체크하고, 변동된 시점간의 시간을 측정할 수 있는 장치이다. 상기 제어장치는 개인휴대컴퓨터를 포함하여 이루어지게 함으로써 신속한 연산 및 측정값에 따른 결과를 즉시 표시할 수 있도록 할 수 있다.

상기한 바와같이 구성되는 시간측정장치를 이용한 액체가 모세관을 통과하는 시간측정방법은 도 3을 참조한 바와같이 액체유입단계(S1)와, 초기전압측정단계(S2)와, 제1측정부 시간측정단계(S3)와, 제2측정부 시간측정단계(S4)를 포함하여 이루어진다.

상기 액체유입단계(S1)는 중력방향으로 세워진 모세관의 입구를 점도측정대상의 액체에 접촉시켜 모세관현상에 의해 액체가 모세관으로 유입되어 모세관에서의 액체수위가 상승되도록 하는 단계이다.

상기 초기전압측정단계(S2)는 상기 액체가 상승하기 이전에 모세관에 설치된 제1 및 제2측정부에 전원을 가하여 각 측정부에 설치된 전극간의 전압상태를 측정하는 단계이다.

다음으로 상기 제1측정부 시간측정단계(S3)는 모세관(20)의 모세관현상에 의해 상승하는 액체가 복수의 전극을 갖는 제1측정부(30)에 접촉될 때 각 전극의 순차적인 접촉에 의한 통전에 의한 전압변곡시점을 측정하여 각 구간의 액체 이동속도를 측정하는 단계이다.

예컨대 상기 제1측정부(30)의 전극을 3개로 구성하여 상중하로 층을 달리하여 장착될 수 있다. 이 경우에는 액체가 모세관의 하층전극(31) 통과하여 중간층전 극과 접촉됐을 때의 하층전극과 중간층전극의 통전에 의한 하층전압변동시점과, 액체가 중간층전극(32)을 통과하여 상층전극에 접촉됐을 때 중간층전극과 상측전극의 통전에 의한 상층전압변동시점을 측정하여 상기 중간층전극과 상층전극 사이 거리를 이동한 시간인 두 전압변동시점의 시간차를 제1측정부(30)에서 측정된 시간측정값으로 할 수 있다.

상기 제2측정부 시간측정단계(S4)도 상술한 바와같은 제1측정부 시간측정단계와 동일한 과정을 통해 각 전극간의 통과 시간을 측정하여 시간측정값을 수취하는 단계이다.

다른예로는 상기 측정부(30,40)를 구성하는 전극을 상하층의 2개로 구성된 경우이다. 이 경우에는 각 전극에 공기중에 노출될 때와 액체에 노출될 때의 미세한 전압차를 측정하여 그 전압변동시점시점의 시간을 측정하여 제1측정부(30)에서 측정된 시간측정값으로 하는 것이다.

상기한 바와같이 제1측정부 및 제2측정부에서 수취한 시간측정값을 이용하여 액체의 점도를 계산하기 위한 식은 하기 모세관압을 계산하는 수학식1로부터 구해진다.

Δp _c : 모세관압, μ : 액체 점도, h : 액체가 도달한 모세관 높이

D _h : 모세관의 직경, t : 시간, ρ : 액체 밀도

g : 중력가속도

상기 수학식1에서 도 1에 도시된 모세관의 제1측정부와 제2측정부에서 액체가 통과할 때의 액체 움직임을 측정하면 다름 수학식2와 수학식3을 얻을 수 있다.

제1측정부까지의 모세관 높이가 h₁이고, 제2측정부까지의 모세관 높이가 h₂이다.

또한, 제1측정부 및 제2측정부에 설치된 전극 간격이 Δh₁ 및 Δh₂이고, 상기 전극간격을 통과하는 시간이 Δt₁ 및 Δt₂ 이다.

상기 수학식2와 3에서 모세관압을 제거하기 위해 수학식2에서 수학식3을 빼면 수학식4의 관계식을 얻는다.

상기 수학식4에서 동점도인 ν = μ / ρ 로 항정리를 하면 하기 수학식5와 같은 계산식을 얻게 된다.

상기 수학식5에서는 Δt₁ 및 Δt₂를 제외한 나머지 변수들을 알고 있으므로, 상술된 시간측정장치 및 측정방법에 의해 Δt₁ 및 Δt₂를 측정함으로써 유체관 내의 액체 동점도를 측정할 수 있다. 따라서, 별도로 모세관압의 측정없이 간단하게 점도의 측정이 가능하게 한다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치의 설치상태를 도시한 개략도.

도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 모세관의 측정부를 확대 도시한 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 액체가 모세관을 통과하는 시간측정방법의 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 시간측정장치

20 : 모세관

30 : 제1측정부

31 : 하층전극 32 : 중간층전극 33 : 상층전극

40 : 제2측정부

50 : 제어장치

60 : 유체관

S1 : 액체유입단계 S2 : 초기전압 측정단계

S3 : 제1측정부 시간측정단계 S4 : 제2측정부 시간측정단계

Claims

중력방향으로 세워진 모세관 입구에 유체관의 액체를 접촉시켜 모세관현상으로 빨려들어간 액체가 모세관의 측정지점을 통과할 때 액체 이동 시간을 측정하는 시간측정장치에 있어서,

상기 모세관(20)의 하부와 상부에 각각 복수의 전극이 설치되는 제1측정부(30) 및 제2측정부(40)와;

상기 제1 및 제2 측정부와 연결되어 두 지점 각각의 전극간의 전압 변곡시점과 변곡시점간의 시간을 측정하는 제어장치(50);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치.
제1항에 있어서,

상기 제1측정부(30) 및 제2측정부(40) 각각에 설치되는 전극은 상층, 중간층, 하층의 3개로 구성하고, 상기 3개의 전극(31,32,33)은 층간 간격을 일정하게 하여 각 측정부마다 2개의 층간 액체이동시간이 측정되도록 한 것을 특징으로 하는 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치.
제2항에 있어서,

상기 중간층전극(32)은 음극을 갖도록 하고, 상층전극(33)과 하층전극(31)은 양극으로 하여 하층과 중간층의 통전과, 중간층과 상층전극의 통전 시점을 측정하 도록 한 것을 특징으로 하는 액체가 모세관을 통과하는 시간측정장치.
유체관의 액체와 입구가 접촉된 모세관과, 상기 모세관의 상하 두 지점에 전극이 설치된 제1 및 제2측정부와, 상기 각 측정부의 전압량 변동을 실시간으로 측정하는 제어장치를 이용하여 액체가 모세관을 통과하는 시간을 측정하는 방법에 있어서,

중력방향으로 세워진 모세관의 입구를 유체관 내의 액체와 접촉시켜 모세관현상으로 액체를 모세관에 유입시키는 액체유입단계(S1)와;

상기 모세관의 제1 및 제2측정부에 전원을 공급하여 전압을 측정하는 초기전압측정단계(S2)와;

모세관의 모세관현상으로 유입되어 상승하는 액체가 복수의 전극을 갖는 제1측정부에 접촉될 때 각 전극의 순차적인 접촉에 의한 전압변곡시점을 측정하여 각 구간의 액체 이동속도를 측정하는 제1측정부 시간측정단계(S3)와;

상기 액체가 복수의 전극을 갖는 제2측정부에 접촉될 때 각 전극의 순차적인 접촉에 의한 전압변곡시점을 측정하여 각 구간의 액체 이동시간을 측정하는 제2측정부 시간측정단계(S4);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 액체가 모세관을 통과하는 시간측정방법.
제4항에 있어서,

상기 제1측정부와 제2측정부의 전극은 각각 3개로 구성하되, 각 전극은 상중 하로 층을 달리하도록하고,

액체가 하층전극을 통과하여 중간층전극에 접촉될 때의 하층전압변동시점과, 중간층전극을 통과하여 상층전극에 접촉될 때의 상층전압변동시점을 각각 측정하고,

상기 두 전압변동시점의 시간차를 제1 또는 제2 측정부에서의 시간측정값으로 하는 것을 특징으로 하는 액체가 모세관을 통과하는 시간측정방법.
중력방향으로 세워진 모세관 입구에 유체관의 액체를 접촉시켜 모세관현상에 의해 액체가 모세관에 빨려들어가게 하고, 상기 모세관의 상하층 두 지점에 측정부를 설치하여 빨려들어간 액체가 모세관의 각 측정부를 통과하는 시간측정값을 이용한 점도계산방법에 있어서,

하기 수학식5에 의해 계산되어지는 액체가 모세관의 두 측정부를 통과하는 시간측정값을 이용한 점도계산방법.

[수학식5]

v : 동점도

h ₁ , h ₂ : 액체가 측정부에 도달한 모세관 높이

D _h : 모세관의 직경

t : 시간

g : 중력가속도