KR20100138936A

KR20100138936A - 피펫 시스템과 점도측정 방법

Info

Publication number: KR20100138936A
Application number: KR1020107020844A
Authority: KR
Inventors: 프레데릭 밀레
Original assignee: 질송 에스.아.에스.
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2010-12-31
Also published as: CN101971004A; CN101971004B; BRPI0907531A2; KR101613325B1; EP2245440A1; US7904258B2; CA2715759A1; FR2927999B1; FR2927999A1; CA2715759C; TW200942799A; JP2011512538A; JP5714332B2; US20090216465A1; WO2009104065A1

Abstract

본원은 유체의 점도를 결정하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 흡입실, 관, 피스톤, 작동기, 센서, 및 프로세서를 포함한다. 상기 관은 흡입실과 연통하고 그리고 일정한 직경의 횡단면을 가진 원통형 부분을 구비한 채널을 포함한다. 상기 피스톤은 흡입실에 장착된다. 상기 작동기는 타임 윈도우 중에 일정한 속도로 흡입실 내의 피스톤을 작동하여 원통형 부분 내의 유체를 조정하도록 구성된다. 상기 센서는 타임 윈도우 중에 다수의 횟수로 압력을 측정하여 다수의 압력 측정 량을 한정하도록 구성된다. 상기 프로세서는 한정된 다수의 압력 측정 량을 수용하여, 수용된 다수의 압력 측정 량과 관련된 기울기를 결정하고 그리고 결정된 기울기를 기초한 유체의 점도를 결정하도록 구성된다.

Description

피펫 시스템과 점도측정 방법{PIPETTE SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING VISCOSITY}

이 출원은 그 기술내용이 본원에 전체적으로 기재된 2008년 2월 21일자 제출한 프랑스 특허출원 08 51120호를 파리조약에 따른 우선권으로 청구한다.

본원은 유체의 점도를 결정하기 위한 피펫 시스템과 점도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

피펫을 사용하여 일정 량의 액체를 피펫 내로 흡인한다. 다음, 상기 액체는 하나 이상의 분배 량으로 분배될 것이다. 피스톤 구동기구는 피스톤을 동작시켜서 특정 량으로 액체의 흡인 및 분배를 제어한다. 피스톤의 동작은 피스톤 구동기구에 의해 발휘된 추력(thrust)에 의해 제어된다. 상기 피펫은 사용자가 수동적으로 액체의 흡인 또는 분배 속도와 양을 제어하는 매뉴얼 모드로 작동되거나 또는 모터가 액체의 흡인 및/또는 분배를 제어하는 모터 모드로 작동된다. 입력 인터페이스를 사용하여 속도, 용량, 흡인 수, 분배 수, 등을 포함하는 다양한 매개변수를 선택한다. 다-채널 피펫 시스템은 다수의 피스톤을 가진 다-채널 피펫을 포함한다. 피펫은 부가로 액체의 흡인과 분배를 하는 사이에 작동자의 손에서 유지되거나 또는 자동화된 시스템의 일부로 포함될 수 있다.

실례가 되는 실시예에서는 유체의 점도를 결정하기 위한 시스템을 제공한다. 상기 시스템은 제한적이지 않은 기재로서 흡입실, 관, 피스톤, 작동기, 센서, 및 프로세서를 포함한다. 상기 관은 흡입실과 연통하고 그리고 횡단면으로 일정한 직경을 가진 원통형 부분을 구비한 채널을 포함한다. 상기 피스톤은 흡입실에 장착된다. 상기 작동기는 타임 윈도우 사이에 일정한 속도로 흡입실 내의 피스톤을 작동하여 원통형 부분 내의 유체를 조정하도록 구성된다. 상기 센서는 타임 윈도우 사이에 다수의 횟수로 압력을 측정하여 다수의 압력 측정 량을 한정하도록 구성된다. 상기 프로세서는 한정된 다수의 압력 측정 량을 수용하여, 수용된 다수의 압력 측정 량과 관련된 기울기를 결정하고 그리고 결정된 기울기에 기초한 유체의 점도를 결정하도록 구성된다.

다른 실례가 되는 실시예에서는 유체의 점도를 결정하기 위한 방법이 제공된다. 흡입실에 장착된 피스톤이 제1타임 윈도우 사이에 제1일정한 속도로 제1방향으로 작동되어서 관의 채널의 원통형 부분 내의 유체를 흡인한다. 상기 채널은 흡입실과 연통하게 되어 있다 상기 원통형 부분은 횡단면으로 일정한 직경을 갖는다. 압력은 제1타임 윈도우 사이에 다수의 제1횟수로 측정되어 다수의 제1압력 측정 량을 한정한다. 한정된 다수의 제1압력 측정 량과 관련된 제1기울기가 결정된다. 피스톤은 제1방향과 반대하는 제2방향으로 작동되어서 관으로부터 흡인된 유체를 분배한다. 상기 피스톤은 제2타임 윈도우 사이에 제2일정한 속도로 제1방향으로 작동되어서 관의 채널의 원통형 부분 내의 유체를 흡인한다. 상기 압력은 제2타임 윈도우 사이에 다수의 제2횟수로 측정되어 다수의 제2압력 측정 량을 한정한다. 한정된 다수의 제2압력 측정 량과 관련된 제2기울기가 결정된다. 유체의 점도는 결정된 제1기울기와 결정된 제2기울기에 기초하여 결정된다.

본 발명의 상기 사실과 더불어 그 밖의 특징 및 이점들을 첨부 도면을 참고로 이하에 기술되는 상세한 설명을 통해 당분야의 기술인은 충분히 이해할 수 있을 것이다.

도1은 본 발명의 한 실례가 되는 실시예에 따른 점도계의 측면도 이다.
도2는 본 발명의 제1실례의 실시예에 따른 도1의 점도계의 피펫의 저부 부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 한 실례의 실시예에 따른 피펫 동작을 하는 중에 시간의 함수로서 함수ΔP(t)를 그래프로 나타낸 도면이다.
도4는 본 발명의 제2실례의 실시예에 따른 도1의 점도계의 피펫의 저부 부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도5는 본 발명의 제3실례의 실시예에 따른 도1의 점도계의 피펫의 저부 부분의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도6은 본 발명의 한 실례의 실시예에 따른 도5의 점도계의 피펫의 저부 부분을 사용하는 피펫 동작을 하는 중에 시간의 함수로서 함수ΔP(t)를 그래프로 나타낸 도면이다.
도7은 본 발명의 제4실례의 실시예에 따른 도1의 점도계의 피펫의 저부 부분의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도8은 본 발명의 한 실례의 실시예에 따른 도7의 점도계의 피펫의 저부 부분을 사용하는 피펫 작동을 하는 중에 시간의 함수로서 함수ΔP(t)를 그래프로 나타낸 도면이다.
도9는 본 발명의 제2실례의 실시예에 따른 도1의 점도계의 관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도10은 본 발명의 한 실례의 실시예에 따른 뉴턴 액체의 점도를 결정하도록 도1의 점도계를 사용하는 다른 위상과 관련한 일련의 그래프를 나타낸 도면이다.
도11은 본 발명의 한 실례의 실시예에 따른 다른 전단율의 비-뉴턴 액체의 점도를 결정하도록 도1의 점도계를 사용하는 다른 위상과 관련한 일련의 그래프를 나타낸 도면이다.

도1은 실례가 되는 실시예에 따른 점도계(1)의 측면도이다. 점도계(1)는 액체의 점도를 결정하도록 구성된다. 점도계(1)는 피펫(2)과 상기 피펫(2)에 장착된 관(10)을 포함한다. 본원에 사용된 "장착"용어는 연결, 합체, 접속, 관련, 삽입, 걸림, 유지, 접착, 부착, 고정, 결합, 붙임, 접합, 고착, 볼트 결합, 나사 결합, 리벳 결합, 납땜, 용접, 압력 끼움, 성형, 및 그 밖의 유사한 장착 용어를 포함하는 것이다. 관(10)은 예를 들어 압력 끼워맞춤(press fit)을 사용하여 피펫(2)에 제거가능하게 장착된다. 피펫(2)은 모터 구동 단일 채널 또는 다-채널 피펫을 포함한다. 피펫(2)은 또한 손에서 유지되는(handheld) 전자적 제어식 피펫(electronically controlled pipette)이다. 따라서, 피펫(2)은 포터블한 소형 크기의 것이다. 임의적인 종래의 피펫을 개조하여 점도계(1)를 형성한다.

피펫(2)은 상부 파트(4)와 상기 상부 파트(4)에 장착되는 저부 파트(6)를 포함한다. 저부 파트(6)는 예를 들어 나사진 너트 장치를 사용하여 상부 파트(4)에 제거가능하게 장착된다. 저부 파트(6)는 관(10)을 보유하기 위한 단부(end)-피스(8)를 포함한다. 예를 들어, 관(10)은 제거가능한 방식으로 단부-피스(8)에 활주하여 들어간다. 상부 파트(4)는 사용자에 의해 유지되는 손잡이를 형성한 몸체를 포함한다.

상부 파트(4)는 디스플레이(12), 입력 기구(14), 프로세서(16), 컴퓨터 판독 매체(18), 작동기(19), 및 전원장치(20)를 포함한다. 디스플레이(12)는 피펫(2)의 사용자에게 정보를 제공한다. 입력 기구(14)는 피펫(2)에 정보를 입력하기 위한 메카니즘을 제공한다. 입력 기구(14)는 제한적이지 않은 기재로서 키보드, 펜과 터치 스크린, 마우스, 트랙 볼, 터치 스크린, 키패드, 썸휠(thumb wheel), 버튼, 등을 포함하는 각종 입력 기술을 이용한 1개 이상의 입력 메카니즘을 포함하여 사용자가 피펫(2)에 정보를 입력할 수 있게 하거나 또는 디스플레이(12)에 제공된 아이템으로부터 선택할 수 있게 한다.

컴퓨터 판독 매체(18)는 정보가 프로세서(16)에 의해 억세스 될 수 있도록 정보를 전자적으로 홀딩하는 장소(electronic holding place)이거나 저장하는 기구이다. 피펫(2)은 동일한 또는 상이한 메모리 기술을 사용하는 1개 이상의 컴퓨터 판독 매체를 갖는다. 메모리 기술은 제한적이지 않은 기재로서 임의적인 타입의 RAM(random access memory), 임의적인 타입의 ROM(read only memory), 임의적인 타입의 플래시 메모리, 등을 포함한다. 또한, 피펫(2)은 콤팩트 디스크 또는 디지털 비디오 디스크 같은 컴퓨터 판독 매체의 로딩을 지원하는 1개 이상의 구동부(drive)를 갖는다. 또한, 피펫(2)은 1개 이상의 컴퓨터 판독 매체를 포함한 외부 장치와의 연통을 가능하게 하는 1개 이상의 통신 인터페이스를 갖는다.

프로세서(16)는 당 기술분야의 기술자에게 알려진 바와 같은 명령(instructions)을 수행한다. 상기 명령은 특정 목적의 컴퓨터, 논리 회로, 또는 하드웨어 회로에 의해 실행된다. 따라서, 프로세서(16)는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들 방법들의 조합으로 이행된다. 상기 표현 "수행(execution)"은 명령에 의해 요청된 작동 적용물을 운영(running)하거나 작동을 실행하는 공정(process)을 말한다. 상기 명령은 1개 이상의 프로그래밍 언어, 스크립팅 언어, 어셈블리 언어, 등을 사용하여 기록된다. 프로세서(16)가 명령을 수행하는 것은, 상기 명령에 의해 요청된 작동을 실행한다는 의미이다. 프로세서(16)는 디스플레이(12)와, 입력 기구(14)와, 컴퓨터 판독 매체(18)와, 그리고 임의적인 통신 인터페이스와 결합하여, 작동하여서, 정보를 받고, 보내고, 그리고 처리한다. 프로세서(16)는 영구 메모리 장치로부터 점도계 응용(viscometer application)과 같은 한 세트의 명령을 검색하고 그리고 일반적으로 임의적인 RAM의 형태인 순간 메모리 장치에 수행가능한 형태의 명령을 복사한다. 피펫(2)은 동일하거나 서로 다른 처리 기술을 사용하는 다수의 프로세서를 포함한다.

상기 점도계 응용은 액체의 점도를 결정하는 것과 관련한 작동을 실행한다. 부차적으로 기술된 일부 또는 모든 작동 및 인터페이스가 점도계 응용에서 실시된다. 상기 작동은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 또는 이들 방법들의 임의적인 조합물을 사용하여 이행된다. 상기 점도계 응용은 1개 이상의 프로그래밍 언어, 어셈블리 언어, 스크립팅 언어, 등을 사용하여 기록된다.

작동기(19)는 프로세서(16)의 제어와 점도계 응용 하에서 제어 막대(rod)의 동작을 제어하도록 구성된 모터이다. 한 실례의 실시예에서, 작동기(19)는 당 기술분야의 기술자에게 공지된 바와 같이 다양한 전자기계적 장치를 사용하여 이행된다. 전원장치(20)는 배터리를 포함하여 피펫(2)의 여러 부품에 전력을 공급한다.

저부 파트(6)는 단부-피스(8)의 구멍(24)과 연통하는 흡입실(22)을 포함한다. 구멍(24)은 피펫(2)의 종축(26)과 대체로 평행하거나 일치하게 신장된다. 구멍(24)은 단부-피스(8)에 장착되었을 때에 흡입실(22)쪽으로 개방된 제1단부와 외부 환경 또는 관(10)쪽으로 개방된 제2단부를 갖는다. 피스톤(30)은 종축(26)과 평행하게 활주방향(32)으로 흡입실(22) 내에서 활주하게 장착된다. 공지된 방식에서는 활주방향(32)으로의 피스톤(30)의 이동이 예를 들어 작동기(19)를 사용하여 제어되어, 액체를 분배 및 흡인한다.

실례의 실시예에서, 관(10)은 유리 또는 플라스틱으로 형성되고, 각각의 사용 후에 폐기된다. 관(10)은 그를 통하여 액체가 흡인 및 배분되는 채널(36)을 포함한다. 실례의 실시예에서, 채널(36)은 적어도 일 부분이 피펫(2)에 장착되었을 때 종축(26)과 대체로 직교하는 원통형 부분과 같은 일정한 횡단면을 갖는 부분을 포함한다. 도1에 도시된 예에서는 채널(36)이 전체 길이에 걸쳐 원통형이어서, 이러한 단면을 필요로 하지 않더라도 일정한 횡단면의 단일 부분을 형성한다. 예를 들어, 채널(36)은 원추형으로 원통형 부분과 연통하는 저부 단부를 포함한다. 다른 예에서, 채널(36)은 다른 직경을 갖고 그리고 다른 직경들 사이가 점진적으로 변하거나 또는 다른 직경들 사이가 급격하게 바뀌는 원추형 섹션과 연결된 다수의 원통형 부분을 포함한다.

점도계(1)는 부가로 측정수단을 포함한다. 예를 들어, 도1을 참고로 하여 설명하면, 점도계(1)는 흡입실(22) 내측에 장착되어 피펫(2)의 데드 체적(dead volume)에 있는 상대압력 센서(38)를 포함한다. 상대압력 센서(38)는 피펫(2)의 외부에 존재하는 대기압(P₀)에 대한 흡입실(22) 내부의 압력(P) 값에 관한 데이터를 제공하게 구성된다. 따라서, 상대압력 센서(38)는 ΔP(t)=P₀-P(t) 와 같은 시간의 함수로서의 압력을 모니터하게 구성된다. 점도계(1)는 부가로 예를 들어 단부-피스(8)의 외부에 장착된 절대압력 센서(40)를 포함하여 대기압(P₀)을 측정한다. 다른 실시예에서, 점도계(1)는 P(t)를 측정하고 그리고 다수의 압력 측정 량의 함수로서 ΔP(t)를 계산하는데 사용되는 상대압력 센서(38)를 포함하지 않는다. 절대압력 센서(40)는 흡입실(22)이 외부 공기와 연통상태에 있을 때 대기압(P₀)을 측정한다. 사용 시에, 상대압력 센서(38)는 피펫(2) 상의 다른 장소 또는 근방에 장착된다.

상대압력 센서(38)와 절대압력 센서(40)는 피펫(2)의 전원장치(20)에 의해 전력을 얻는다. 상대압력 센서(38)와 절대압력 센서(40)는 부가로 측정된 데이터를 피펫(2)의 프로세서(16)에 의한 억세스를 위해 컴퓨터 판독 매체(18)에 보내도록 연결된다. 다른 실시예에서, 측정수단은 피펫(2) 외부의 컴퓨터 및/또는 전원장치에 연결된다. 추가하여, 상대압력 센서(38)와 절대압력 센서(40)는 상부 파트(4)에 합체되고 그리고 적절한 도관을 사용하여 저부 파트(6)에 연결된다.

점도계(1)는 뉴턴 또는 비-뉴턴 유체의 점도를 결정하는데 사용될 수 있다. 도2를 참고로 설명하면, 피펫(2)은 관(10)의 채널(36)의 저부 단부(37)가 리셉터클(41) 내에 포함된 액체(39)의 표면 밑으로 수 밀리미터인 지점에 위치하게 배치된다. 피펫 작업은 피펫(2)을 사용하여 개시되며, 화살표(42)로 나타낸 바와 같이 흡입실(22) 내의 피스톤(30)을 상승하여 액체 흡인이 일어나게 한다. 이러한 동작을 하는 중에, 피스톤(30)은 액체(39)가 일정한 속도로 관(10)의 채널(36)의 원통형 부분에도 유입되도록 일정한 속도로 제어된다.

동시에, 상대압력 센서(38)는 함수 ΔP(t)=P₀-P(t)의 값을 측정하여, 피펫(2)의 프로세서(16)에 의한 억세스를 위해 컴퓨터 판독 매체(18)로 측정 량을 보낸다. 예를 들면, 상대압력 센서(38)는 관(10)의 채널(36)의 원통형 부분 내의 액체를 흡인하는 중에 다수의 시간적 순간(time instants)에 함수ΔP(t)의 상대압력 값을 측정한다. 상기 측정은 피스톤(30)의 상향행정 동안에 상당히 많은 횟수로 실행되어 점도의 정확도를 향상시킨다.

피스톤(30)의 일정한 속도와 관(10)의 채널(36)의 원통형 부분의 원통 성질로 인하여, 함수ΔP(t)는 디렉터(director) 계수(λ)의 선형 시간 함수이고, 상기 함수ΔP(t)의 도함수와 그에 따른 ΔP(t)의 기울기에 대응한다. 예를 들어, 도3에 참고로 도시한 바와 같이, λ 는 λ=(Δ P ₂ -Δ P ₁ )/(t ₂ - t ₁ )로 계산될 수 있다. 시간의 다른 모멘트에서 상대압력 센서(38)로부터 수신된 다수의 상대압력 값을 사용하여, 프로세서(16)를 당 기술분야의 기술자에게 알려진 방법으로 디렉터 계수(λ)의 값을 결정하게 구성한다. 예를 들어, 프로세서(16)는 디렉터 계수(λ) 또는 디렉터 계수(-λ)의 값의 계산과 관련된 작동을 실행하도록 구성된 점도계 응용을 수행한다.

디렉터 계수(λ)의 결정된 값을 식(1)에 사용하여 극히 정밀한 액체(39)의 점도(η)를 결정한다.

(1)

여기서

는 피스톤(30)에 의해 배제(sweep)된 체적이며 종축(26)에 대한 피스톤(30)의 횡단면이 곱해진 피스톤(30)의 속도의 곱한 값 이고, d 는 관(10)의 채널(36)의 원통형 부분의 직경이고, ρ 는 액체(39)의 밀도이고, g 는 중력가속도이고, V₀ 는 측정 시간 t=0 에서의 피펫(2)의 데드 체적이고, P₀ 는 대기압 이다.

점도계(1)를 액체(39)의 성질에 적합하게 할 수 있다. 예를 들어, 관(10)은 다른 직경을 가진 다수의 관으로부터 선택되고, 그리고/또는 피스톤(30)은 다른 직경을 가진 다수의 피스톤으로부터 선택되고, 그리고/또는 작동기(19)는 다른 위상 동안에 일정한 다른 속도로 작동하도록 피스톤(30)의 속도를 제어하는데 사용되고; 그리고/또는 피펫(2)의 데드 체적은 조정된다. 채널(36)의 직경을 증가시켜서 고 점도의 액체를 테스트 할 수 있고 그리고 그 반대로 할 수도 있다. 피펫(2)의 다수의 교환가능한 저부 파트를 사용하여 다른 피스톤 직경을 선택한다. 피스톤(30)의 직경 증가는 액체(39)의 전단율(shear rate) 증가를 야기하는 피스톤(30)에 의해 배제되는 용량을 증가시켜서, 저 점도 측정에 억세스를 제공한다. 또한, 대형 직경의 피스톤은 일반적으로 이들의 충전을 보장하여 점성 액체의 보다 효과적인 퍼징(purging)을 실시하도록 대형 통로 직경을 가진 관과 관련하게 된다. 다르게는 피스톤 직경의 선택을 다-단계 피스톤을 사용하여 제공할 수 있다. 피스톤(30)의 속도를 증가시키어, 액체(39)의 전단율이 증가되고, 따라서 점도 진폭(the amplitude of the viscous)은 저 점성을 가진 액체를 측정할 수 있게 한다. 낮은 피스톤 속도는 바람직하게 관(10) 내의 액체(39)의 흐름이 층류를 유지하게 하고 그리고 측정 량이 난류로부터 초래하는 수압력 강하(hydraulic pressure drops)를 포함하지 않게 한다.

이러한 융통성을 지원하도록, 저부 파트(6)는 다른 관 크기 및/또는 형상을 지원하도록 그리고/또는 다른 직경의 피스톤을 구비하여 제거가능하고 교체가능하게 되어있다. 선택적으로, 도4의 실례의 실시예를 참고로 하여 설명하면, 피스톤(30)은 본원의 출원인에게 양도되고 그 전체적인 기술내용을 참고 문헌으로 본원에 기재한 미국 특허출원 11/619,882호에 기재된 바와 같은 다-단계 피스톤을 포함한다. 도4의 실시예에서, 피스톤(30)은 1개 이상의 전자-밸브(46)에 의해 함께 연결된 흡입실과 각각 부합하는 다른 직경의 섹션을 다수 개 포함한다. 최저 흡입실(22)은 단부-피스(8)와 연통한다. 사용자는 상기 전자-밸브(46)를 제어하여 필요한 피스톤 직경을 선택할 수 있다.

정확한 λ값과, 그에 따른 유체 점도를 얻기 위해서는 소량의 데드 체적을 갖는 것이 바람직하다. 상기 데드 체적은 관(10)의 채널(36)의 용량과, 상대압력 센서(38)와 흡입실(22) 사이의 유체 연통수단의 용량과, 단부-피스(8)의 구멍(24)의 용량, 및 피스톤(30)을 둘러싼 밀봉 링(35)으로 신장한 흡입실(22)의 용량의 합으로 한정된다. 한 실례의 실시예에서, 데드 체적이 낮을수록 흡입실(22) 내의 진공은 더 크게되고, 따라서 함수ΔP(t)의 기울기를 더 급하게 하여서 보다 용이한 결정을 할 수 있기 때문에, 소량의 데드 체적을 사용하여 점도를 결정하는데 정확도를 향상시키었다. 사용자에 의해 변경될 수 있는 상술한 매개변수 중에서, 관(10)의 채널(36)의 직경과 마찬가지로 피스톤(30)의 직경도 데드 체적에 직접적인 영향을 받는다.

그렇지만, 소량의 데드 체적은 상대압력 센서(38)를 받아들일 수 없는 흡입실(22) 내에 높은 압력을 초래할 수 있다. 이러한 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위해서 도5에 도시한 제1변경 실시예가 사용된다. 도5의 실례가 되는 실시예에서, 상대압력 센서(38)는 제1센서(38a)와 제2센서(38b)로 대체된다. 제1센서(38a)와 제2센서(38b)는 각각이 다른 압력 범위에 걸쳐 ΔP(t)의 값을 결정할 수 있도록 다른 감지 범위(different sensitivity ranges)를 갖는다. 상기 다른 압력 범위는 겹칠 수 있다. 더 높은 감지 범위의 제1센서(38a)에 의해 측정된 압력이 사전-결정된 임계치에 도달하여 제1센서(38a)의 포화 압력에 가깝게 있을 때, 압력 측정을 자동적으로 최저 감지 범위를 가진 제2센서(38b)가 실행하도록 제1센서(38a)와 제2센서(38b)가 함께 연결된다. 예를 들어, 전자-밸브(50)는 먼저, 도관(52)을 통해서 흡입실(22)과 연통하고, 다음, 선택적으로 각각의 제1센서(38a)와 제2센서(38b)와 연통하는데 사용된다. 따라서, 상기 압력이 상술한 임계치를 넘지 않는 한에서는 제2센서(38b)보다 높은 감지 범위를 가진 제1센서(38a)가 작동 상태에 있고, 그리고 피펫(2)의 프로세서(16)에 의한 억세스를 위해 컴퓨터 판독 매체(18)로 ΔP(t)의 측정 값을 보낸다. 사전-결정된 임계치에 도달한 압력을 측정하는 임의적인 순간(t')에서, 전자-밸브(50)는 제1센서(38a)보다 낮은 감지 범위를 가진 제2센서(38b)를 작동하도록 자동적으로 절환된다.

도6을 참고로 하여 도시한 바와 같이, ΔP(t) 값의 그래프는 측정 중에 절환을 하는 경우에도 기울기(λ)를 가진 직선 형태를 유지한다. 따라서, 상기 기울기(λ)를 결정하기 위한 값은 절환 순간(t')의 전 및/또는 후에 취하게 된다.

선택적으로, 만일 흡입실(22) 내에서 과도한 압력이 발생한 경우에는, 측정하는 중에 매우 정확한 측정치를 얻도록 소량의 데드 체적을 제공하고, 그리고 그 성능을 보유하여 그것을 증가시킬 수 있다. 이러한 목적으로, 도7에 도시한 제2변경 실시예는 상대압력 센서(38)가 서로 다른 직경의 제1도관(56a)과 제2도관(56b)에 의해 흡입실(22)에 연결된다. 예를 들어, 도7의 실례의 실시예에 도시한 바와 같이, 제1도관(56a)은 제2도관(56b)보다 작은 직경을 갖는다. 전자-밸브(58)는 상대압력 센서(38)에 연결되고 그리고 흡입실(22)과 연통하는 제1도관(56a)과 제2도관(56b)에 번갈아 연결된다. 불이행(default)으로, 상대압력 센서(38)와 흡입실(22) 사이의 연통은 소량의 데드 체적을 초래하게 소 직경의 도관을 갖고 매우 정확한 측정치를 제공하는 제1도관(56a)을 사용하여 실행된다. 만일 흡입실(22) 내에서 과도한 압력이 발생하였으면, 전자-밸브(58)가 자동적으로 절환되어 대 직경을 가진 제2도관(56b)을 사용하도록 상대압력 센서(38)와 흡입실(22) 사이의 연통을 변경한다. 이러한 순간(t")에서는, 도8의 그래프로 설명되는 바와 같이, 흡입실(22)에서의 압력 강하와 그에 따른 다른 기울기(λ)를 초래한다. 시간적 순간(t") 후에 구해진 기울기(λ)는 값(λ)을 결정하기 위해 피펫(2)의 프로세서(16)에 의해 선택된다. 여기서 다시, 상기 연통은 상대압력 센서(38)의 포화 압력에 대한 측정된 압력의 대비로 실행될 수 있다.

기타 다른 방법을 사용하여 도4 등, 에 도시한 바와 같은 다-단계 피스톤을 사용하여 피스톤의 변화와 같이 측정 중에 데드 체적을 변경할 수 있다.

식(1)에 나타낸 바와 같이, 점도 값은 초기에 컴퓨터 판독 매체(18)에 저장되고 그리고/또는 사용자에 의해 유입되는 액체(39)의 밀도(ρ)에 따른다. 도9를 참고로 하여 설명하면, 만일 ρ 가 미지수(unknown)라면, 채널(36) 관(10)은 원통형 및 수평한 부분(36')을 포함하도록 구성될 것이다. 수평한 부분(36')은 피스톤(30)의 활주방향(32)에 대해 대체로 직교하여 있다. 이러한 구조를 사용하면, 액체(39)가 일정한 섹션의 수평한 부분(36')을 통과할 때에, 압력 ΔP(t)이 유체의 점성으로부터만 초래되고, 그리고 예를 들어 관(10)의 수직한 저부 파트의 액체의 상승 중에서와 같이, 유체의 밀도에 따른 정수압(hydrostatic pressure)을 더 이상 감지하지 않는다. 따라서, 신호 ΔP(t)는 점성 성분 만을 고려한다. 그 결과로서, 식(1)을 사용하여 액체 점도를 결정하도록 ρ의 값은 제로로 설정된다.

다른 예로서는, 채널(36)이 높이(h)의 액체 칼럼을 갖고, 피스톤(30)이 정지상태이고, 그리고 압력 변화(ΔP)가 안정적으로 되었을 때, 피펫 동작의 말미에서 흡입실(22) 내의 정수압을 측정하여 다음의 식(2)를 사용하여 액체(39)의 밀도(ρ)를 결정할 수 있다.

p = ΔP/ gh (2)

뉴턴 유체용으로, 다른 옵션은 분리 실험조건에서 2개 테스트를 실행하고, 2개 테스트의 각각을 위한 λ값을 연역하고, 그리고 각각을 식(1)으로부터 유도된 2개 방정식의 시스템을 해결하는(solve) 능력에 따르며, 여기서 결정되는 2개의 미지수 매개변수는 η 와 ρ 이다. 상기 해결은 액체(39)의 뉴턴 특성이 점도가 실험조건과 상관없이 동일한 것으로 보고 2개의 식을 동등하게 하여 구하였다. 이와 관련하여, 상기 실험조건은 채널(36)의 원통형 부분의 직경, 및/또는 피스톤(30)의 속도, 및/또는 피스톤(30)의 직경을 변경하여, 그리고/또는 데드 체적의 임의적인 다른 변경을 하여서, 2개의 테스트 사이에서 변경될 수 있다.

도10을 참고로, λ값을 연역하고 그리고 2개의 미지수 매개변수 η 와 ρ 용의 방정식(1)으로부터 유도된 2개 방정식의 시스템을 해결하는 분리 실험을 수행하기 위해 실례의 실시예가 도시되었다. 채널(36) 내의 액체(39)를 유지하는 2개의 연속한 각각의 흡입행정 동안에 ΔP(t)의 값의 측정은, 모두 채널(36) 내의 액체(39)를 유지하지만 예를 들어 제2상향행정 중에는 피스톤(30)의 속도를 감소시켜, 액체(39)의 흡입에 적합하게 설계된 제1상향행정, 하향행정, 그리고 제2상향행정을 사용하여 실행된다. 도10의 실례의 실시예에서, 제1타임 윈도우에 걸친 제1위상(60)은, 방정식(1)으로 점도(η)에 자신이 연계된 값(λ₁)을 초래하는, 상승 직선Δ₁P(t)을 발생시키는 정해진 피스톤 속도(V₁)로 이행된 피스톤(30)의 제1상향행정과 관련된다. 제2타임 윈도우에 걸친 제2위상(62)에서는 피스톤(30)의 하향행정이 채널(36)에 위치한 액체(39)의 분배를 초래한다. 실례의 실시예에서, 제2위상(62) 동안에는 측정이 취해지지 않는다. 제3타임 윈도우에 걸친 제3위상(64)에서는, 액체(39)가 채널(36) 내에 소량으로 유지되어 남아있으면서, 피스톤(30)의 제2상향행정이 방정식(1)에 의해 점도(η)에 자신이 연계된 값(λ₂)을 초래하는, 직선Δ₂P(t)을 발생하는 속도(V₁)와 관련하여 예를 들어 반으로 감소된 속도(V₂)로 실행된다. 2개의 방정식을 동등하게 하여 점도(η)와 밀도(ρ)의 결정을 유도한다.

도10에 도시한 프로세스는 임의적인 수로 실행된다. 따라서, 대기압(P₀)이 결정되지 않았을 때, 예를 들어 만일 절대압력 센서(40)가 사용되지 않았으면, 제1 및 제2상향행정의 것과는 다른 조건에서의 피스톤(30)의 제3상향행정을 사용하여 방정식(1)으로부터 유도된 3개 방정식의 시스템을 해결할 수 있고, 이때, 결정되는 3개의 미지수 매개변수는 η, ρ, P₀ 이다.

일반적으로, 뉴턴 액체용으로, 엄밀하게는 1개보다 많은 별개의 실험조건의 수(N)에 적합한 λ값을, 점도에 더하여, 미지수인 수 N'=N-1 매개변수의 각각의 값을 결정하는데 사용할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 점도와 N-1의 결정이 그 밖의 미지수 매개변수를, 각각이 적용된 특별한 실험조건과 관련한 데이터에 의해 완성되는 방정식(1)을 사용하여 확정된 N 미지수를 가진 N 방정식의 시스템을 재해결하여 실행할 수 있다.

연속적인 상향행정 위상 중에 측정을 수행하는 능력의 결과로, 비-뉴턴 액체의 레오그램(rheogram), 즉 전단 값을 결정할 수 있다. 도11을 참고로 하여, 실례의 방법이 대응 피스톤 속도를 적용하여 피스톤(30)의 각각의 새로운 상향행정에서 전단율이 변경되는 것을 나타내었다. 관련한 전단율용으로, 방정식(1)에 의해 점도(η₁)에 자신이 연계된 값(λ₁)을 유도하는, 상승 직선Δ₁P(t)을 발생하는 주어진 피스톤 속도(V₁)로 실행한 피스톤(30)의 제1상향행정은 제1위상(70)과 관련된다. 제2위상(72)에서는 피스톤(30)의 제1하향행정이 채널(36)에 위치한 액체(39)의 분배를 초래한다. 실례의 실시예에서, 제2위상(72) 동안에 측정은 취해지지 않는다. 제3위상(74)에서는, 액체(39)가 채널(36) 내에서 소량으로 존재를 유지하면서, 관련한 새로운 전단율용으로, 방정식(1)으로 점도(η₂)에 자신이 연계된 값(λ₂)을 유도하는, 직선Δ₂P(t)을 발생하는 속도(V₁)와 관련하여 예를 들어 두배로 된 속도(V₂)로 피스톤(30)의 제2상향행정이 실행된다. 제4위상(76)에서는, 피스톤(30)의 제2하향행정이 채널(36) 내에 위치한 액체(39)의 분배동작을 초래한다. 실례의 실시예에서, 제4위상(76) 동안에는 측정이 취해지지 않는다. 제5위상(78)에서는, 액체(39)가 채널(36) 내에서 소량으로 존재를 유지하면서, 관련한 새로운 전단율용으로 방정식(1)에 의해 점도(η₃)에 자신이 연계된 값(λ₃)을 유도하는, 직선Δ₃P(t)을 발생하는 속도(V₂)와 관련하여 예를 들어 두배로 된 속도(V₃)로 피스톤(30)의 제3상향행정이 실행된다. 상기 방법을 관(10)의 채널(36) 내에서 액체(39)를 유지하여 필요에 따른 다수 횟수로 이러한 방식으로 연속적으로 할 수 있다.

다른 선택적인 실시예에 따라서, 액체(39)의 유속은 피스톤(30)의 정해진 흡입행정 동안에 변경될 수 있고, 그 동안에 함수ΔP(t) 또는 함수P(t)의 기울기의 여러 가지 측정 량이 다른 전단율을 위한 점도를 결정하도록 구해진다. 액체(39)의 속도, 및 그에 따른 액체(39)의 전단율은 액체(39)가 관(10) 내부에 배열된 다른 직경의 채널(36)의 원통형 스테이지 부분을 연속적으로 통과하는 배열로 자동적으로 변경될 수 있다. 양쪽 비-뉴턴 액체와 뉴턴 액체의 점도는 이러한 방법을 사용하여 결정될 수 있다.

비-뉴턴 액체의 점도는 채널(36)의 원통형 부분 내의 액체(39)의 유속을 변경하여 다른 전단율용으로 계산될 수 있다. 여러 위상이 각 위상 후에 관(10)을 채우고 그리고 완전히 비우는 동작으로 교대로 실행되며, 각 위상은 자신이 정해진 전단율에 대응하는 액체에 정해진 유속을 적용한다. 액체의 속도를 변경하는 매개변수는 피스톤(30)의 속도, 및/또는 관(10)의 직경, 및/또는 피스톤(30)의 직경을 포함한다.

본원에 사용된 "실례의" 표현은 예, 예증, 또는 실례로서의 역할을 한다는 의미로 사용된 것이다. "실례"로서 본원에서 기재된 임의적인 면 또는 설계는 다른 면 또는 설계를 능가하는 바람직하거나 이점이 있는 것으로 구성되는데 필수적이지는 않은 것이다. 또한, 이러한 기재를 목적으로 하고 다르게 특정되지 않았으면, "한 개" 또는 "하나"의 표현은 "한 개 이상"의 의미를 나타낸다.

본 발명의 실례가 되는 실시예의 상술한 기술은 설명 및 기재를 목적으로 하고 기술되어진 것이다. 따라서, 상술한 실시예의 기술은 본 발명을 한정하는 것이아니고, 상술한 실시예를 변경 또는 개조하여서 다른 실시예로 본 발명을 실행하여 이룰 수도 있다. 본 발명은 당업자가 첨부 청구범위의 정신을 이탈하지 않는 범위내에서 본 발명을 개조 또는 변경하여 이루어질 수 있는 것을 포함하는 것이다.

Claims

유체의 점도를 결정하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
흡입실;
상기 흡입실과 연통하며, 일정한 직경의 횡단면을 갖는 원통형 부분을 가진 채널을 구비한 관;
상기 흡입실에 장착된 피스톤;
상기 채널의 원통형 부분 내의 유체를 조정하도록 타임 윈도우 중에 일정한 속도로 흡입실 내에서 피스톤을 동작하게 구성된 작동기;
다수의 압력 측정 량을 한정하도록 타임 윈도우 중에 다수 횟수로 압력을 측정하게 구성된 센서; 및
한정된 다수의 압력 측정 량을 수용하고, 수용된 다수의 압력 측정 량과 관련된 기울기를 결정하고, 그리고 결정된 기울기에 기초하여 유체의 점도를 결정하게 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 원통형 부분은 피스톤의 동작방향과 대체로 직교하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 원통형 부분은 피스톤의 동작방향과 대체로 평행한 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 측정된 압력은 상대압력인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 측정된 압력은 절대압력이고 그리고 상기 기울기는 다수의 절대압력 측정 량으로부터 계산된 다수의 상대압력 측정 량을 사용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 점도는 다음의 식에 기초하여 계산되고;

여기서
는 피스톤에 의해 배제된 체적이고, d 는 원통형 부분의 직경이고, ρ 는 액체의 밀도이고, g 는 중력가속도이고, V ₀ 는 관과 흡입실의 데드 체적이고, P ₀ 는 대기압이고, 그리고 λ는 결정된 기울기인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 프로세서는 부가로 작동기의 속도를 제어하게 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 피스톤은 다-단계 피스톤인 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 센서는 상대압력을 측정하게 구성된 제1센서와 절대압력을 측정하게 구성된 제2센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제9항에 있어서, 상기 제1센서는 흡입실 내의 압력을 측정하도록 흡입실에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 흡입실과 채널 사이의 연통을 제공하는 구멍을 가진 단부-피스를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제11항에 있어서, 상기 관은 단부-피스에 제거가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 센서는 제1감지범위로 제1압력을 측정하게 구성된 제1센서와 제2감지범위로 제2압력을 측정하게 구성된 제2센서를 포함하고, 상기 제1감지범위는 상기 제2감지범위보다 낮은 것을 특징으로 하는 시스템.
제13항에 있어서, 흡입실, 제1센서, 및 제2센서 사이에 연결된 전자-밸브를 부가로 포함하고, 상기 전자-밸브는 측정된 압력, 제1감지범위, 및 제2감지범위를 기초하여 제1센서로부터 제2센서로 흡입실과의 연결을 자동적으로 절환하게 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 제1도관에 의해 그리고 제2도관에 의해 흡입실과 센서 사이에 연결된 전자-밸브를 부가로 포함하고, 상기 제1도관은 상기 제2도관과는 다른 직경을 갖고, 그리고 부가로 상기 전자-밸브는 측정된 압력을 기초하여 제1도관과 제2도관 사이를 절환하게 구성된 것을 특징으로 하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 흡입실, 상기 피스톤, 및 상기 작동기는 피펫에 장착되고 그리고 부가로 상기 센서는 피펫의 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제16항에 있어서, 상기 프로세서는 부가로 피펫에 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템.
제17항에 있어서, 상기 피펫은 손에서 유지되는 것을 특징으로 하는 시스템.
유체의 점도를 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
채널이 흡입실과 연통하며, 원통형 부분은 일정한 직경의 횡단면을 갖는,관의 채널의 원통형 부분 내의 유체를 흡인하도록 제1타임 윈도우 중에 제1일정 속도로 제1방향으로 흡입실 내에 장착된 피스톤을 작동하는 단계와;
다수의 제1압력 측정 량을 한정하도록 제1타임 윈도우 중에 다수의 제1횟수로 압력을 측정하는 단계와;
한정된 다수의 제1압력 측정 량과 관련된 제1기울기를 결정하는 단계와;
상기 관으로부터 흡인된 유체를 분배하도록 제1방향과 반대인 제2방향으로 상기 피스톤을 작동하는 단계와;
상기 관의 채널의 원통형 부분 내의 유체를 흡인하도록 제2타임 윈도우 중에 제2일정 속도로 제1방향으로 피스톤을 작동하는 단계와;
다수의 제2압력 측정 량을 한정하도록 제2타임 윈도우 중에 다수의 제2횟수로 압력을 측정하는 단계와;
한정된 다수의 제2압력 측정 량과 관련된 제2기울기를 결정하는 단계; 및
결정된 제1기울기와 결정된 제2기울기를 기초하여 유체의 점도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 제1일정 속도는 상기 제2일정 속도보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 점도는 다음의 식에 기초하여 계산되고;

여기서
는 피스톤에 의해 배제된 체적이고, d 는 원통형 부분의 직경이고, ρ는 액체의 밀도이고, g 는 중력가속도이고, V ₀ 는 관과 흡입실의 데드 체적이고, P ₀ 는 대기압이고, 그리고 λ는 결정된 제1기울기인 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 유체는 뉴턴 유체이고 그리고 피스톤에 의해 배제된 체적, 원통형 부분의 직경, 액체의 밀도, 중력가속도, 관과 흡입실의 데드 체적, 및 대기압으로 구성된 그룹으로부터 선택된 매개변수는 미지수이며 점도는 η는
를 그리고 미지수 매개변수는 결정된 제1기울기와 결정된 제2기울기를 사용하여 해결하여 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 점도는 결정된 제1기울기를 기초하여 결정된 제1점도와 결정된 제2기울기를 기초하여 결정된 제2점도를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제23항에 있어서, 상기 제1일정 속도는 상기 제2일정 속도보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.