KR20130001551A - 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치 - Google Patents

유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치는, 밀도 및 점도 측정 대상물인 유체에 단부가 부분적으로 접촉되는 외팔보 타입의 센서 빔; 센서 빔을 방향으로 진동시키는 진동력을 발생시키는 진동 발생부; 및 진동 발생부에 의한 센서 빔의 진동을 측정하는 진동 측정부;를 포함하며, 센서 빔과 상기 간의 구조-유동적인 상호 작용력을 측정함으로써 유체의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있다. 이러한 구성에 의해서, 센서 빔의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있고, 또한 유체에 담겨지는 센서 빔이 진동 발생부에 착탈 가능한 구조를 가짐으로써 유지 보수 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있고 이로 인해 접착성이 강한 유체의 밀도 및 점도 측정에도 적용할 수 있다.

Description

유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치{Apparatus to simultaneously measure density and viscosity of liquid}
유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치가 개시된다. 보다 상세하게는, 센서 빔의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치가 개시된다.
최근에, 친환경, 고효율을 위한 복합체 형태의 유체 사용이 증가하고 있는데, 일반적으로 이러한 유체를 사용하는 장치의 경우 유체의 물성 변화에 민감하게 반응하는 경우가 대부분이다.
따라서 유체의 생산 과정 또는 사용 과정에서 실시간으로 유체의 유변물성 측정을 통해 유변물성 변화 유무를 확인하는 것이 필수적이다. 또한 복합체 형태의 유체의 경우, 하나의 유변물성 측정이 아닌 동시에 여러 유변물성 측정을 통한 불량 여부를 확인하는 것이 필요하다.
이에, 현재 많은 유체의 유변물성 측정 기술들의 연구가 진행 중이며, 이미 상용화되어 현장에서 사용되고 있는 기술들도 있다. 예를 들면, 유체의 유변물성 중 밀도와 점도를 동시에 측정하기 위한 기술이 상용화되어 사용되고 있다.
그런데, 유체의 밀도와 점도를 동시에 측정하는 측정 기술의 경우, 센서의 특성으로 인해 수용성 유체의 측정이 거의 불가능하다는 단점이 있다.
부연 설명하면, 유체의 점도와 밀도를 동시에 측정하는 측정 기술은 대부분 고유주파수의 변화를 이용하기 때문에 적은 측정 회수 및 몇 개의 고유주파수의 관측으로 물성 측정을 할 수 있다. 그러나 주파수에 따라 달라지는 유체의 물성 측정이 불가능하고, 주변 환경에 의해 고유주파수가 변하는 경우 물성 측정이 곤란한 경우가 발생될 수 있으며, 특히 구조물의 노드점에서의 측정이 어렵다는 한계가 있다.
여기서, 유체의 밀도와 점도를 동시 측정하기 위해서 점도계가 사용될 수 있는데, 이러한 점도계를 이용하여 유체의 점도와 밀도를 동시 측정할 수는 있지만 전기적 특성을 이용하기 때문에 수용성 용액의 물성 측정이 불가능하다.
또한, 대부분의 측정 장비의 경우, 유체에 접촉하는 부분의 교체가 용이하지 않아 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체의 점도 및 밀도 측정이 어렵다는 문제점도 있다.
따라서, 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있으면서도 센서 부분의 교체가 용이한 새로운 구조의 측정 장치의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 센서 빔의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 유체에 담겨지는 센서 빔이 진동 발생부에 착탈 가능한 구조를 가짐으로써 유지 보수 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있고 이로 인해 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체의 밀도 및 점도 측정에도 적용할 수 있는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 목적은, 유체의 밀도 및 점도 특성을 실시간으로 확인할 수 있는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치는, 밀도 및 점도 측정 대상물인 유체에 단부가 부분적으로 접촉되는 외팔보 타입의 센서 빔; 상기 센서 빔을 방향으로 진동시키는 진동력을 발생시키는 진동 발생부; 및 상기 진동 발생부에 의한 상기 센서 빔의 진동을 측정하는 진동 측정부;를 포함하며, 상기 센서 빔과 상기 유체 간의 구조-유동적인 상호 작용력을 측정함으로써 상기 유체의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있으며, 이러한 구성에 의해서, 센서 빔의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있고, 또한, 유체에 담겨지는 센서 빔이 진동 발생부에 착탈 가능한 구조를 가짐으로써 유지 보수 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있고 이로 인해 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체의 밀도 및 점도 측정에도 적용할 수 있다.
상기 진동 측정부는 가속도계(accelerometer) 및 레이저 진동 측정계(laser vibrometer)를 포함하며, 상기 레이저 진동 측정계에 의해 측정된 상기 유체의 밀도 및 점도는 FET 분석기에 의해 분석될 수 있다.
상기 센서 빔과 상기 유체 간의 상호 작용력은, stokes formula인,
Figure pat00001
가 적용(여기서, R은 항력계수, ρ는 밀도, η는 점도, ω는 주파수임)되며, 이 식을 통해 유체의 밀도 및 점도의 측정이 가능하다.
상기 센서 빔의 강성 해석과 상기 유체의 물성 해석을 위해 Newton-Raphson Method가 적용될 수 있다.
상기 유체에 접촉되는 상기 센서 빔의 단부에는 측정 센서가 장착되어 상기 센서 빔과 상기 유체 간의 상호 작용 시 상기 유체의 밀도 및 점도를 실시간으로 측정하며, 상기 센서 빔은 상기 진동 발생부에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치의 측정 방법은, 상기 센서 빔과 상기 유체 간의 상호 작용력이 있을 때와 없을 때의 상기 센서 빔의 두 지점(x=0, x=x1, 여기서 x=0인 지점은 상기 센서 빔이 상기 진동 발생부와 결합되는 시작 지점이고, x=x1인 지점은 상기 센서 빔의 시작 지점으로부터 x1만큼 떨어진 센서 빔의 지점임)에서의 가속도 및 속도를 측정한 후 실험적 전달함수를 계산하고, 상기 상호 작용력이 없을 때의 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하여 실험에 필요한 상기 센서 빔의 파수를 계산하고, 계산된 상기 센서 빔의 파수 및 상기 상호 작용력이 있을 때의 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하여 상기 유체의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 센서 빔의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체를 포함한 유체의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체에 담겨지는 센서 빔이 진동 발생부에 착탈 가능한 구조를 가짐으로써 유지 보수 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있고 이로 인해 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체의 밀도 및 점도 측정에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 유체의 밀도 및 점도 특성을 실시간으로 확인할 수 있어 인쇄용 잉크의 점도 측정에만 머무르지 않고, 다양한 다른 분야, 예를 들면 콘크리트 제조 과정에서의 밀도 및 점도 검출, 밀가루 반죽 과정에서의 밀도 및 점도 검출 등에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 구조-유동적인 상호 작용에 의해 유체의 밀도 및 점도를 측정함으로써 종래와 같이 온도 또는 전기적 특성의 영향을 배제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 측정장치를 이용해, 물, 아세톤, 글리세린, 50cp의 표준액을 측정하여 얻어진 센서 빔의 전달함수이다.
도 3은 도 1의 측정 장치에 의해 측정된 유체의 밀도에 대하여 측정 알고리즘을 이용하여 검증하는 것을 표현한 그래프이다.
도 4는 도 1의 측정 장치에 의해 측정된 유체의 점도에 대하여 측정 알고리즘을 이용하여 검증하는 것을 표현한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치(100)는, 밀도 및 점도 측정 대상물의 유체(101)에 단부가 부분적으로 접촉되는 외팔보 타입의 센서 빔(110)과, 센서 빔(110)이 결합되며 센서 빔(110)에 가로 방향(화살표 A 방향)으로 진동력을 제공하는 진동 발생부(120)와, 진동 발생부(120)의 작동에 의한 센서 빔(110)의 진동을 측정하는 진동 측정부(130)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서 센서 빔(110)과 유체 간의 구조-유동에 따른 상호 작용력(ft)을 측정한 후 이를 해석함으로써 유체(101)의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있다.
먼저, 본 실시예의 센서 빔(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 진동 발생부(120)에 장착되어 진동 발생부(120)로부터 진동력이 제공될 때 좌우 방향(A)으로 진동한다. 즉, 센서 빔(110)은 일단(상단)이 진동 발생부(120)에 결합되고 타단(하단)은 유체(101)에 접촉되도록 외팔보 타입으로 마련됨으로써 진동 발생부(120)에 의한 센서 빔(110)의 좌우 진동 시 유체(101)와 상호 작용이 이루어져 상호 작용력(ft)을 측정할 수 있도록 한다.
여기서, 센서 빔(110)의 단부에는 유체(101)에 접촉되어 직접적으로 유체(101)의 밀도 및 점도를 감지하는 측정 센서(미도시)가 장착될 수 있다. 측정 센서는 유체(101)에 잠기는 깊이 측정에 리니어 게이지(미도시)를 사용할 수 있으며 이로 인해 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
이러한 센서 빔(110)은 진동 발생부(120)에 착탈 가능하게 결합될 수 있으며, 이로 인해 유지 보수 또는 교체 작업을 용이하게 수행할 수 있다. 따라서 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체(101)의 경우에도 밀도 및 점도를 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 본 실시예의 진동 발생부(120)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 센서 빔(110)의 일단이 장착되는 장착몸체(121)와, 장착몸체(121)를 좌우 방향(화살표 A 방향)으로 진동시키는 구동몸체(125)를 포함할 수 있다. 구동몸체(125)는, 장착몸체(121)의 정확한 좌우 진동을 실행할 수 있는 쉐이커(shaker)로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구동몸체(125)의 구동에 의해 장착몸체(121)가 좌우로 진동하면 동일하게 센서 빔(110) 역시 좌우 진동할 수 있으며, 이때 유체(101)에 접촉된 센서 빔(110)의 타단과 유체(101) 간의 구조-유동적인 상호 작용이 발생되어 상호 작용력(ft)을 측정할 수 있다.
여기서, 센서 빔(110)과 유체(101) 간의 상호 작용력(ft)은 공지된 stokes formula를 통해 측정될 수 있다. 식은 다음과 같다.
Figure pat00002
여기서, R은 항력계수, ρ는 밀도, η는 점도, ω는 주파수이다.
이러한 식에 의해서, 유체(101)의 밀도 및 점도의 측정을 실시간을 할 수 있으며, 또한 주파수에 따라 변화되는 유체(101)의 유변물성, 즉 밀도와 점도의 측정이 가능하다.
한편, 본 실시예의 진동 측정부(130)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가속도계(131, accelerometer) 및 레이저 진동 측정계(135, laser vibrometer)를 포함하며, 레이저 진동 측정계(135)에 의해 의해 측정된 유체(101)의 밀도 및 점도는 FET 분석기(140)에 의해 분석될 수 있다.
이러한 진동 측정부(130)는 센서 빔(110)의 두 지점, 즉 x=0인 지점과 x=x1인 지점(도 1 참조)에서의 가속도 및 속도를 측정할 수 있으며, 이로 인해 다음의 측정 알고리즘을 실시간으로 구현할 수 있다.
본 실시예의 측정 장치(100)에 의한 측정 방법, 즉 측정 알고리즘은, 센서 빔(110)과 유체(101) 간의 상호 작용력(ft)이 있을 때와 없을 때의 상기 센서 빔(110)의 두 지점(x=0, x=x1)에서의 가속도 및 속도를 측정한 후 실험적 전달함수를 먼저 계산한다. 이어서, 상호 작용력(ft)이 없을 때의 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하여 실험에 필요한 센서 빔(110)의 파수를 계산하고, 계산된 센서 빔(110)의 파수 및 상호 작용력이 있을 때의 실험적 전달함수와 이론적 전달함수를 이용하여 유체(101)의 밀도 및 점도를 동시 측정할 수 있다.
도 2는 도 1의 측정장치를 이용해, 물, 아세톤, 글리세린, 50cp의 표준액을 측정하여 얻어진 센서 빔의 전달함수이다.
이를 참조하면, 센서 빔(110)의 전달함수에서 나타난 변화 경향을 공지된 Newton-Raphson Method를 이용하여 센서 빔(110)과 유체(101) 간의 상호 작용력(ft)을 해석할 수 있으며, 전술한 stokes formula를 이용해 정확한 유체(101) 밀도와 점도를 해석할 수 있다.
즉, 도 2의 센서 빔의 전달함수를 표현한 그래프로부터 유체(101)의 밀도 변화만을 나타낸 그래프 및 유체(101)의 점도 변화만을 나타낸 그래프를 도출할 수 있는 것이다.
한편, 도 3은 도 1의 측정 장치에 의해 측정된 유체(101)의 밀도에 대하여 측정 알고리즘을 이용하여 검증하는 것을 표현한 그래프이다.
도 3의 그래프를 통해 본 실시예의 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치(100)를 이용하여 측정한 유체(101)의 밀도와, 상용화된 장치(미도시)를 이용하여 측정한 유체의 밀도를 비교할 수 있다.
여기서, 본 실시예의 측정 장치(100)를 이용하여 측정된 유체(101)의 밀도는 각 주파수 별로 측정된 유체(101) 밀도의 평균값이고, 상용화된 장치를 통해 측정된 유체의 밀도는 비커와 저울을 이용하여 부피와 무게 측정을 하여 구한 유체의 밀도이다.
여기서, 본 실시예의 측정 장치(100)를 통해 측정된 값과 상용화된 저울을 통해 측정된 값의 관계를 나타낸 그래프의 기울기가 일정할수록 정확도가 높은 것인데, 도 3을 통해 실험 대상인 물, 아세톤, 글리세린, 50cp의 표준액의 밀도가 본 실시예의 측정 장치(100)를 통해 구할 때와 상용화된 장치를 통해 구할 때 상호 대응됨을 알 수 있다.
다시 말해, 본 실시예의 유체(101) 밀도 및 점도 동시 측정 장치(100)를 통해 밀도 측정을 정확하게 수행할 수 있음을 검증할 수 있다.
한편, 도 4는 도 1의 측정 장치에 의해 측정된 유체의 점도에 대하여 측정 알고리즘을 이용하여 검증하는 것을 표현한 도면이다.
여기서, 본 실시예의 측정 장치(100)를 이용하여 측정된 유체(101)의 점도는 각 주파수 별로 측정된 유체(101) 점도의 평균값이고, 상용화된 장치를 통해 측정된 유체의 점도는 점도계(미도시)를 이용하여 구한 유체의 점도이다.
밀도 검증의 결과와 마찬가지로, 본 실시예의 측정 장치(100)를 통해 측정된 유체(101)의 점도 값과 상용화된 점도계를 통해 구한 유체의 점도 값의 관계를 나타낸 그래프의 기울기가 일정할수록 정확도가 높은 것인데, 도 4의 그래프를 통해 실험 대상인 물, 아세톤, 글리세린, 50cp의 표준액의 상호 값이 대응됨을 확인할 수 있으며, 따라서 본 실시예의 측정 장치(100)를 통해 점도 측정이 정확하게 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 센서 빔(110)의 외팔보 구조 진동 특성을 이용하여 수용성 유체(101)를 포함한 유체(101)의 밀도 및 점도를 동시에 수행할 수 있고, 또한 유체(101)에 담겨지는 센서 빔(110)이 진동 발생부(120)에 착탈 가능한 구조를 가짐으로써 유지 보수 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있고 이로 인해 접착성이 강한 페인트나 에폭시 등과 같은 유체(101)의 밀도 및 점도 측정에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 유체(101)의 밀도 및 점도 특성을 전술한 실시간 측정 알고리즘에 의해 실시간으로 확인할 수 있어 예를 들면 인쇄용 잉크의 점도 측정에만 머무르지 않고, 다양한 다른 분야, 예를 들면 콘크리트 제조 과정에서의 밀도 및 점도 검출, 밀가루 반죽 과정에서의 밀도 및 점도 검출 등에 적용될 수 있는 장점도 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치
101 : 유체 110 : 센서 빔
120 : 진동 발생부 130 : 진동 측정부
131 : 가속도계 135 : 레이저 진동 측정계
140 : FET 분석기

Claims (5)

  1. 밀도 및 점도 측정 대상물인 유체에 단부가 부분적으로 접촉되는 외팔보 타입의 센서 빔;
    상기 센서 빔을 방향으로 진동시키는 진동력을 발생시키는 진동 발생부; 및
    상기 진동 발생부에 의한 상기 센서 빔의 진동을 측정하는 진동 측정부;
    를 포함하며,
    상기 센서 빔과 상기 유체 간의 구조-유동적인 상호 작용력을 측정함으로써 상기 유체의 밀도 및 점도를 동시 측정하는, 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 측정부는 가속도계(accelerometer) 및 레이저 진동 측정계(laser vibrometer)를 포함하며,
    상기 레이저 진동 측정계에 의해 측정된 상기 유체의 밀도 및 점도는 FET 분석기에 의해 분석되는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 빔과 상기 유체 간의 상호 작용력은, stokes formula인,
    Figure pat00003
    가 적용(여기서, R은 항력계수, ρ는 밀도, η는 점도, ω는 주파수임)되며, 이 식을 통해 유체의 밀도 및 점도의 측정이 가능한 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서 빔의 강성 해석과 상기 유체의 물성 해석을 위해 Newton-Raphson Method가 적용되는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체에 접촉되는 상기 센서 빔의 단부에는 측정 센서가 장착되어 상기 센서 빔과 상기 유체 간의 상호 작용 시 상기 유체의 밀도 및 점도를 실시간으로 측정하며, 상기 센서 빔은 상기 진동 발생부에 착탈 가능하게 결합되는 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치.
KR1020110062386A 2011-06-27 2011-06-27 유체의 밀도 및 점도 동시 측정 장치 KR101282452B1 (ko)

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