KR20200035652A - System and method for measuring viscosity of fluid - Google Patents

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KR20200035652A KR1020180115009A KR20180115009A KR20200035652A KR 20200035652 A KR20200035652 A KR 20200035652A KR 1020180115009 A KR1020180115009 A KR 1020180115009A KR 20180115009 A KR20180115009 A KR 20180115009A KR 20200035652 A KR20200035652 A KR 20200035652A
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Abstract

The present invention relates to a device for measuring viscosity of fluid by using vibration of an electric condenser of a flexible electrode and a method thereof. To this end, the device for measuring viscosity of the present invention comprises: a pair of flexible films (111, 112) which are arranged to be spaced from each other; a spacer (120) which is provided between the flexible films (111, 112) to fixate the edge of each of the pair of flexible films (111, 112); a pair of flexible electrode units (131, 132) which are provided on the surface of each of the flexible films; a power unit (140) providing alternating current power to the flexible electrode units (131, 132); and a detector (150) which can detect a resonance frequency in a state of having the flexible electrode units (131, 132) by the alternating current power applied by the power unit (140).

Description

유체의 점도 측정 장치 및 방법{System and method for measuring viscosity of fluid}System and method for measuring viscosity of fluids

본 발명은 유연전극의 축전기 진동을 이용하여 유체의 점도를 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring the viscosity of a fluid using capacitor vibration of a flexible electrode.

액체를 시료 혹은 원료 물질로 사용하는 연구 및 생산활동 분야에서는 액체의 물성에 대한 자료를 계속 측정 및 관리하여야 하며, 이렇게 관리 대상이 되는 물체의 물성 중에서 가장 많이 측정되는 기계적인 양으로는 밀도, 점도 및 압축률 등이 있다. 이런 응용 사례 중에서 특정한 하나의 예로는 혈액의 점도 변화 측정을 들 수 있다.In the field of research and production activities where liquid is used as a sample or raw material, data on the physical properties of a liquid must be continuously measured and managed, and the most measured mechanical quantity among the properties of the object to be managed is density, viscosity And compression ratio. One specific example of this application is the measurement of changes in the viscosity of blood.

혈액, 특히 전혈(whole blood)의 점도는 혈관 내에서 흐르는 혈액의 흐름에 대한 저항 특성을 알아 볼 수 있는 지표로 불 수 있으며, 이에 직접 관여하는 요소들로는 혈액 내에 존재하는 여러 가지 생화학적 원소들 중에서도 특히 혈장 혈구비(hematocrit), 혈장 단백질의 농도의 종류 등이 주목되는데, 이 중에서도 혈장혈구비의 기여도가 혈장단백질 영향보다 크다. 일반적으로 혈장의 점도는 순수한 물의 1.5배 정도이다. 즉 정해진 단면적의 혈관을 같은 유량속력 (㎥/sec)으로 통과하자면 혈장은 물 보다 1.5배의 압력을 필요로 한다.The viscosity of blood, especially whole blood, can be used as an index to understand the resistance to blood flow in blood vessels. Among the factors directly involved in this, among the various biochemical elements present in the blood In particular, the plasma hematocrit (hematocrit), the type of plasma protein concentration, etc. are noted, among which, the contribution of the plasma hematocrit is greater than that of the plasma protein. In general, the viscosity of plasma is about 1.5 times that of pure water. In other words, if blood vessels of a predetermined cross-sectional area are passed at the same flow velocity (㎥ / sec), plasma needs 1.5 times the pressure of water.

혈액과 관련하여 주목하게 되는 중요 지표 중에서 혈액응고시간(clotting time)이 있다. 혈관이 손상되어 혈액이 누출 될 경우, 인체는 일련의 생화학 반응을 통하여 손상부위를 막는 처치를 진행시킨다. 궁극적으로는 손상부위를 1차적으로 혈소판이 차단하고, 추가적으로 적혈구와 백혈구들이 엉기며 이들을 피브린(fibrin)이 서로 고박시키면서 응고과정을 마무리한다. 이 응고 과정에는 응고측진(procoagulant) 반응과 응고 저항(anticoagulant) 반응이 적시에 적절하게 개입하면서 그 전개과정을 조절한다. 유전적 요인이나 기타 원인으로 이들 균형이 무너지면 과다 출혈 또는 혈전증(thrombotic disease)이 유발될 수 있다.Among the important indicators to be noted in relation to blood is the clotting time. When blood vessels are damaged and blood leaks, the human body proceeds through a series of biochemical reactions to prevent damage. Ultimately, the platelets are blocked primarily in the injured area, and additionally, red blood cells and white blood cells are entangled, and the fibrin binds them together, ending the clotting process. In this coagulation process, a coagulation reaction (procoagulant) and an anticoagulant reaction are appropriately intervened in a timely manner to regulate the development process. Disruption of these balances by genetic factors or other causes can lead to excessive bleeding or thrombotic disease.

이 응고 과정에 소요되는 시간을 응고시간이라 하는데, 일반적인 검사 방법에는 자연적인 응고시간을 재는 것 보다는 잘 정의된 용량의 혈장 시료에 일정량의 응고 유발 물질(Activator)을 첨가한 뒤 피브린(fibrin)이 형성되기까지의 시간을 측정하여 이를 응고시간이라 한다. 혈액 응고와 관련된 2종 약물의 효과를 진단하기 위하여 aPTT(activated Partial Thromboplastic Time), PT(Prothrombin Time) 등을 측정하고 있으며, 단위는 초(sec)이다. 근래에는 측정 결과를 국제 규격화 비(International Normalized Ratio, INR)로 표기하고 있으며, 정상인의 경우 이 값은 2∼3 범위에 있다. INR을 측정하는 과정에서의 핵심은 응고가 시작되면서 피브린이 생기는 시점을 확정하는 기술에 있다. Quick 등이 1935년에 제안한 PT 측정방법이 아직까지도 대부분의 측정기기에 사용되는 기본 원리이다. 이 방법에서는 혈장에 트롬보플라스틴(Thromboplastin)을 혼합한 뒤 칼슘이온을 첨가하고 37℃에서 응고가 관측되는 시점을 측정한다. 이후로 이를 변형한 여러 가지 검사법이 개발되어 있다.The time required for this coagulation process is called coagulation time. In the general test method, fibrin is added after adding a certain amount of coagulation inducer (activator) to a well-defined plasma sample rather than measuring the natural coagulation time. The time until formation is measured and this is called the coagulation time. In order to diagnose the effects of two drugs related to blood coagulation, activated Partial Thromboplastic Time (aPTT) and Prothrombin Time (PT) are measured, and the unit is seconds. In recent years, the measurement result is expressed as an International Normalized Ratio (INR), and in the case of a normal person, this value is in the range of 2-3. The key in the process of measuring INR is the technique of determining when fibrin occurs as coagulation begins. The PT measurement method proposed by Quick et al. In 1935 is still the basic principle used in most measurement equipment. In this method, after mixing thromboplastin in plasma, calcium ions are added and the time point at which clotting is observed at 37 ° C is measured. Since then, various inspection methods have been developed.

등록특허공보 제10-1476924호(2014.12.26. 공고)Registered Patent Publication No. 10-1476924 (2014.12.26. Announcement)

본 발명은 유체를 사이로 배치되는 한 쌍의 유연전극으로 구성된 축전기의 가진(excitation)을 통하여 유체의 점도를 측정할 수 있는 점도 측정 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.The present invention is to provide a viscosity measuring device and method capable of measuring the viscosity of a fluid through the excitation of a capacitor composed of a pair of flexible electrodes disposed between the fluid.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체의 점도 측정장치는, 서로 이격되게 배치되어 절연성을 갖는 한 쌍의 유연막과; 상기 유연막 사이에 구비되어 한 쌍의 유연막 각각의 테두리를 고정하게 되는 스페이서와; 상기 유연막 각각의 표면에 도전성을 갖고 구비되는 한 쌍의 유연 전극부와; 상기 유연 전극부에 교류 전원을 공급하게 되는 전원부와; 상기 전원부에서 인가된 교류 전원에 의해 상기 유연 전극부의 가진 상태에서의 공명 주파수를 검출하기 위한 검출기를 포함한다.An apparatus for measuring the viscosity of a fluid according to the present invention for achieving the above object is disposed spaced apart from each other and has a pair of flexible membranes having insulating properties; A spacer provided between the flexible membranes to fix the edges of each pair of flexible membranes; A pair of flexible electrode parts having conductivity on each surface of the flexible film; A power supply unit for supplying AC power to the flexible electrode unit; It includes a detector for detecting the resonance frequency in the excitation state of the flexible electrode unit by the AC power applied from the power supply unit.

바람직하게는, 상기 검출기는 상기 유연 전극부 사이의 임피던스를 검출하기 위한 임피던스 검출기이며, 상기 스페이서는 상기 유연막에 의해 상하 개구부가 밀폐되는 원통형의 시료 수용홀이 형성되며, 보다 바람직하게는, 상기 스페이서는 상기 시료 수용홀과 관통 형성되는 적어도 하나 이상의 포트가 형성된다.Preferably, the detector is an impedance detector for detecting impedance between the flexible electrode parts, and the spacer is formed with a cylindrical sample receiving hole in which upper and lower openings are closed by the flexible membrane, and more preferably, the spacer The at least one port formed through the sample receiving hole is formed.

다음으로 본 발명에 따른 유체의 점도 측정방법은, 이격 배치되어 진동 가능한 한 쌍의 막판 구조의 유연 전극부를 포함하는 센서 모듈 내에 유체가 저장되고 상기 유연 전극부에 교류 전원을 인가하여 유체의 가진에 의한 공명 진동수를 검출하며, 상기 센서 모듈의 고유 진동수와 상기 공명 진동수로부터 감쇠계수를 산출하고 상기 감쇠계수로부터 유체의 점도를 산출한다.Next, in the method for measuring the viscosity of a fluid according to the present invention, fluid is stored in a sensor module including a pair of flexible electrode parts having a pair of membrane plates that can be vibrated at a distance, and applying AC power to the flexible electrode to excite the fluid. It detects the resonance frequency by, and calculates the damping coefficient from the natural frequency of the sensor module and the resonance frequency, and calculates the viscosity of the fluid from the damping coefficient.

바람직하게는, 상기 공명 진동수는 상기 유연 전극부 사이의 임피던스 변화를 통해 결정된다.Preferably, the resonance frequency is determined through a change in impedance between the flexible electrode parts.

본 발명에 따른 유체의 점도 측정 장치 및 방법은, 진동 가능한 한 쌍의 막판 구조의 유연 전극부를 포함하는 센서 모듈 내에 유체가 저장되고, 강제 감쇠 조화진동자 모델을 이용하여 유체의 가진에 의해 결정된 공명 진동수와 센서 모듈의 고유 진동수로부터 감쇠계수를 산출하고 이 감쇠계수를 이용하여 유체의 점도 산출이 가능하여 소형의 유체 점도 측정 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.In the fluid viscosity measuring apparatus and method according to the present invention, a fluid is stored in a sensor module including a pair of vibrating membrane-type flexible electrodes, and a resonance frequency determined by excitation of the fluid using a forced damping harmonic model And the damping coefficient from the natural frequency of the sensor module, and the viscosity of the fluid can be calculated using the damping coefficient, thereby providing a compact fluid viscosity measuring device.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유체의 점도 측정장치의 단면 구성도,
도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서의 진동 메커니즘을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서에서 정전 용량의 수식에서 사용된 유연막의 변위 결정 변수(shape factor; α)의 유연막 변위와 반지름 사이의 관계를 보여주는 그래프,
도 4는 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서에서 유연막의 변위 결정 변수(α)에 의해 계산된 정전 용량(C)을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서에서, 감쇠계수(γ)의 변화에 따른 공명 주파수의 변화를 보여주는 그래프,
도 6은 시그모이드 모델의 시간에 따른 감쇠계수을 보여주는 그래프,
도 7은 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서에서 점도의 증가에 따라서 공명 진동수와 임피던스의 시간에 대한 이동을 보여주는 그래프.1 is a cross-sectional configuration of a fluid viscosity measuring device according to an embodiment of the present invention,
Figure 2 (a) to (e) is a view showing a vibration mechanism of a flexible capacitive sensor composed of a pair of flexible membranes that constitute the main part of the present invention,
Figure 3 shows the relationship between the flexible membrane displacement and the radius of the displacement factor (shape factor; α) of the flexible membrane used in the formula of the capacitance in the flexible capacitive type sensor consisting of a pair of flexible membrane that is the main component of the present invention. graph,
Figure 4 is a graph showing the capacitance (C) calculated by the displacement determination variable (α) of the flexible membrane in the sensor of the flexible capacitance type consisting of a pair of flexible membrane that is the main configuration of the present invention,
5 is a graph showing a change in the resonance frequency according to the change in the attenuation coefficient (γ) in a flexible capacitive sensor composed of a pair of flexible membranes, which are the main components of the present invention,
6 is a graph showing the damping coefficient over time of the sigmoid model,
7 is a graph showing the movement of resonance frequency and impedance over time in accordance with an increase in viscosity in a flexible capacitive sensor composed of a pair of flexible membranes, which is a main component of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are exemplified for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms. In addition, it should not be construed as being limited to the embodiments described herein, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.Meanwhile, in the present invention, terms such as first and / or second may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The above terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component may be referred to as the second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" or "connected" to another component, it should be understood that other components may be directly connected or connected to the other component, but may be present in the middle. something to do. On the other hand, when a component is referred to as being “directly connected” to or “directly in contact with” another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Other expressions for describing the relationship between the components, such as "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. The term "comprises" or "haves" in this specification is intended to indicate that a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof is implemented, one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition possibilities of steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유체의 점도 측정장치의 단면 구성도이다.1 is a cross-sectional configuration diagram of a fluid viscosity measuring device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 실시예의 유체 점도 측정장치는, 서로 이격되게 배치되는 한 쌍의 유연막(111)(112)과, 유연막(111)(112) 사이에 구비되는 스페이서(120)와, 각 유연막(111)(111)의 표면에 구비되는 도전성을 갖는 한 쌍의 유연 전극부(131)(132)와, 유연 전극부(131)(132)에 전원을 공급하게 되는 전원부(140)와, 유연 전극부(131)(132)의 가진 상태에서의 공명 주파수를 검출하기 위한 검출기(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the fluid viscosity measuring apparatus of the present embodiment includes a pair of flexible membranes 111 and 112 disposed spaced apart from each other, and a spacer 120 provided between the flexible membranes 111 and 112, respectively. A pair of flexible electrode parts 131 and 132 having conductivity provided on the surfaces of the flexible films 111 and 111, and a power supply part 140 that supplies power to the flexible electrode parts 131 and 132, And a detector 150 for detecting the resonance frequency in the excited state of the flexible electrode units 131 and 132.

본 실시예에서 스페이서(120)는 수직 관통된 원통 형상의 시료 수용홀(121)이 형성되며, 이 시료 수용홀(121)을 덮도록 스페이서(120)의 상면과 하면에는 제1유연막(111)과 제2유연막(112)이 구비된다. 측정 대상인 액상 시료(1)는 한 쌍의 유연막(111)(112)에 의해 봉인된 시료 수용홀(121) 내에 수용되어 측정이 이루어진다. In this embodiment, the spacer 120 is formed with a vertically cylindrical sample receiving hole 121, and the first flexible film 111 is formed on the upper and lower surfaces of the spacer 120 to cover the sample receiving hole 121. And a second flexible film 112. The liquid sample 1 to be measured is accommodated in a sample receiving hole 121 sealed by a pair of flexible membranes 111 and 112 to be measured.

유연막(flexible membrane)은 절연성의 탄성을 갖는 판상 구조를 가지며, 각 유연막(111)(112)은 면 접합되는 유연 전극부(131)(132)가 구비된다. 유연 전극부(131)(132)는 유연막(111)(112)에 도포되는 은 도료(sliver paint)에 의해 제공될 수 있으나, 소재 또는 도포 방법은 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 유연 전극부(131)(132)는 유연막(111)(112)의 탄성 거동을 방해하지 않도록 박막 형태로 제공된다. 이러한 유연막(111)(112)은 스페이서(120)의 원통 형상의 시료 수용홀(121)을 덮게 되어 외력에 의해 진동 가능한 원형(circular)의 진동막으로 기능한다.The flexible membrane has a plate-like structure having insulating elasticity, and each flexible membrane 111 and 112 is provided with flexible electrode portions 131 and 132 that are surface-bonded. The flexible electrode parts 131 and 132 may be provided by a silver paint applied to the flexible films 111 and 112, but the material or application method is not particularly limited. Preferably, the flexible electrode parts 131 and 132 are provided in a thin film form so as not to interfere with the elastic behavior of the flexible films 111 and 112. The flexible membrane 111 and 112 cover the cylindrical sample receiving hole 121 of the spacer 120 and function as a circular vibrating membrane vibrating by external force.

스페이서(120)는 시료 수용홀(121)과 관통되는 포트(122)를 더 포함할 수 있으며, 이 포트(122)를 통해 시료 수용홀(121)에 시료의 주입이 이루어질 수 있다. 한편, 포트의 숫자는 복 수개일 수 있으며, 이때 특정 포트는 시료의 주입을 위해 사용되고 나머지는 시료의 주입 과정에서 시료 수용홀의 공기가 배출되는 배기홀로 사용되어 시료 수용홀 내에 시료의 주입 과정에서 내부가 압축되는 것을 방지하여 시료의 원활한 주입이 이루어질 수 있다. 또한 시료의 주입 후에 각 포트는 별도의 마개 또는 실런트(sealant) 등에 의해 밀봉되어 측정 과정에서 시료 수용홀(121)의 시료가 바깥으로 유출되지 않도록 한다.The spacer 120 may further include a sample accommodating hole 121 and a port 122 through which the sample may be injected into the sample accommodating hole 121 through the port 122. On the other hand, the number of ports may be plural, wherein a specific port is used for the injection of the sample and the rest is used as an exhaust hole through which the air in the sample receiving hole is discharged during the sample injection process, so that the sample is inserted into the sample receiving hole and internal Prevents compression, so that a smooth injection of the sample can be achieved. In addition, after injection of the sample, each port is sealed with a separate stopper or sealant to prevent the sample from the sample receiving hole 121 from leaking out during the measurement process.

한 쌍의 유연막(111)(112)에 도포된 한 쌍의 유연 전극부(131)(132)는 축전기를 구성하게 되며, 이때 시료 수용홀(121)에 충전된 액상 시료(1)는 두 유연 전극부(131)(132) 사이의 유전물질이 된다.The pair of flexible electrode parts 131 and 132 applied to the pair of flexible membranes 111 and 112 constitute a capacitor, wherein the liquid sample 1 filled in the sample receiving hole 121 is two flexible It becomes a dielectric material between the electrode parts 131 and 132.

이와 같이 각각 유연 전극부(131)(132)가 구비된 한 쌍의 유연막(111)(112)과, 유연막을 지지하게 되는 스페이서(120)는 샘플 유체가 저장되어 점도를 측정하기 위한 센서 모듈을 구성한다. 이러한 센서 모듈은 강제 감쇠 조화진동자 모델링을 이용하여 유체의 감쇠계수를 결정할 수 있으며, 이 감쇠계수로부터 유체의 점도 산출이 가능하다.As described above, a pair of flexible membranes 111 and 112, each of which is provided with flexible electrode portions 131 and 132, and a spacer 120 that supports the flexible membrane, store a sample fluid and provide a sensor module for measuring viscosity. Make up. The sensor module can determine the damping coefficient of the fluid using the forced damping harmonic modeling, and it is possible to calculate the viscosity of the fluid from the damping coefficient.

전원부(140)는 유연 전극부(131)(132)에 교류 신호를 인가하여 두 전극이 주기적인 쿨롱 힘이 작용하게 되며, 바람직하게는, 일정 대역의 주파수를 가변하여 신호를 발생시킬 수 있는 가변 주파수 발진기에 의해 제공된다.The power supply unit 140 applies an AC signal to the flexible electrode units 131 and 132 so that the two electrodes periodically act on the coulomb force, and preferably, a variable capable of generating a signal by varying a frequency of a certain band. It is provided by a frequency oscillator.

검출기(150)는 각 유연막(111)(112)과 일체로 구성된 두 유연 전극부(131)(132)의 형상의 변화에 따른 변위를 검출하여 공명 주파수를 검출하기 위한 것이며, 바람직하게는, 축전용량을 임피던스로 검출할 수 있는 임피던스 검출기에 의해 제공된다. 이와 같이 가진 상태의 유연 전극부(131)(132)의 임피던스 변화를 실시간으로 모니터링하여 공진 주파수를 검출하여 유체의 점도 측정이 이루어질 수 있다. 한편, 이러한 검출기(150)는 임피던스만을 측정할 수 있는 단일 검출수단만을 한정하는 것은 아니며, 검출 신호를 연산 처리하여 측정된 점도를 산출할 수 있는 연산처리소자 또는 주지의 메모리 소자 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 이와 같이 구성된 측정장치에 의해 유체의 점도측정 과정을 설명한다.The detector 150 is for detecting a displacement according to a change in shape of the two flexible electrode parts 131 and 132 integrally formed with each flexible film 111 and 112, and preferably detects a resonance frequency. It is provided by an impedance detector capable of detecting the capacity as an impedance. The viscosity of the fluid can be measured by monitoring the impedance change of the flexible electrode units 131 and 132 in this state in real time to detect the resonance frequency. Meanwhile, the detector 150 is not limited to a single detection means capable of measuring only impedance, and may include a computational processing element or a well-known memory element capable of calculating a measured viscosity by computing a detection signal. have. Hereinafter, a process for measuring the viscosity of a fluid by a measuring device configured as described above will be described.

도 2의 (a) 내지 (e)는 본 발명의 요부 구성인 한 쌍의 유연막으로 구성된 유연성 정전용량 타입의 센서의 진동 메커니즘을 보여주는 도면으로서, (c)는 유연 전극부(131)(132)에 전원이 인가되지 않은 상태의 유연막(111)(112)을 보여주고 있으며, (a)(b)(d)(e)는 전원이 인가된 상태의 유연막을 보여주고 있다.2 (a) to 2 (e) are views showing a vibration mechanism of a flexible capacitive sensor composed of a pair of flexible membranes, which are the main components of the present invention, and (c) is a flexible electrode unit 131, 132 The flexible film 111 and 112 in a state in which power is not applied is shown, and (a) (b) (d) (e) shows a flexible film in a state in which power is applied.

이러한 원형(circular)의 유연막의 변위(휨, deflection), w(r)은 Wygant에 의해 제안된 모델[참고문헌 1]에 의해 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.The displacement (deflection) and w (r) of the circular flexible membrane can be expressed as the following [Equation 1] by the model proposed by Wygant [Ref. 1].

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 1]에서 a는 유연막의 반경이며, r은 중심으로부터의 거리이며, wpk는 유연막 재질의 물성을 반영한 상수이다. Wygant의 모델에서 하부 유연막은 고정 전극이나, 본 모델에서는 제1유연 전극부(131)와 제2유연 전극부(132)는 모두가 동일 물성의 유연 전극으로 가정하며, 구조적 차이가 있더라도 유연막의 변위는 [수학식 1]에서 크게 벗어나지 않는다고 가정하였다.In [Equation 1], a is the radius of the flexible membrane, r is the distance from the center, and w pk is a constant reflecting the physical properties of the flexible membrane material. In the model of Wygant, the lower flexible membrane is a fixed electrode, but in this model, the first flexible electrode unit 131 and the second flexible electrode unit 132 are all assumed to be flexible electrodes of the same physical properties, and even if there are structural differences, displacement of the flexible membrane Is assumed not to deviate significantly from [Equation 1].

한편, 이러한 원형의 유연 전극으로 이루어진 축전기의 정전용량(C)은 다음의 [수학식 2]와 같다.On the other hand, the capacitance (C) of the capacitor made of such a circular flexible electrode is as shown in [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

[수학식 2]에서 α는 유연막의 변위를 결정하는 변수(shape factor)이며, 도 3에서는 유연막의 변위(displacement)와 반지름(radial distance)에 대해 α의 기능을 나타내었다. 예를 들어, α가 0이면 유연막이 변위가 없는 상황이며, α가 1인 경우에 유연막은 최대로 변이가 이루어져 제1유연막과 제2유연막은 서로 맞닿는 상황이 된다.In [Equation 2], α is a variable that determines displacement of the flexible membrane, and FIG. 3 shows the function of α with respect to displacement and radial distance of the flexible membrane. For example, when α is 0, there is no displacement of the flexible film, and when α is 1, the flexible film is shifted to the maximum, and the first flexible film and the second flexible film are in contact with each other.

실제 구현 가능한 축전기의 물리적 수치들은 직경(2×a)이 10-2 m이고 두께(c)가 10-4 m로 하며, 유연 전극 자체의 두께 및 유전상수(ε)는 무시하였으며, 시료 수용홀에 혈액을 채운다고 할 경우에 그 상대 유전상수를 5260으로 설정하였을 때, α에 따른 정전 용량(C)은 [수학식 2]를 이용하여 도 4의 그래프를 얻을 수 있다. 한편, 유연막의 두께를 0.5×10-4 m로 가정한다면 두 유연 전극부 사이의 간격이 증가하므로 도 5에서 정전 용량(C)의 그래프는 아래로 이동하는 것을 예상할 수 있다.The physical values of the capacitor that can be actually implemented are 10 -2 m in diameter (2 x a) and 10 -4 m in thickness (c), and the thickness and dielectric constant (ε) of the flexible electrode itself are ignored, and the sample receiving hole If the relative dielectric constant is set to 5260 in the case where blood is filled with, the graph of FIG. 4 can be obtained by using [Equation 2] for the capacitance C according to α. On the other hand, if the thickness of the flexible film is assumed to be 0.5 × 10 -4 m, the gap between the two flexible electrode parts increases, so that the graph of the capacitance C in FIG. 5 can be expected to move downward.

한편, 이러한 두 유연 전극부 사이에 교류 신호가 인가되면, 신호 1 주기당 유연 전극부는 2회 진동이 이루어지는 것을 예상할 수 있으며, 이러한 유연 전극부의 진동 특성은 유체의 점도의 변화와 관련된다.On the other hand, when an AC signal is applied between these two flexible electrode parts, it can be expected that the flexible electrode part vibrates twice per signal, and the vibration characteristics of the flexible electrode part are related to changes in the viscosity of the fluid.

구체적으로는, 도 2에 예시된 것과 같이, 서로 마주 하는 두 유연 전극부(131)(132)는 인가된 교류 신호에 의해 서로 인력을 작용하게 되고, 두 유연 전극부(131)(132)의 전하가 0으로 진행되면서 유연막의 탄성에 의해 평행상태로 복귀된다(도 2의 (c) 참고). Specifically, as illustrated in FIG. 2, the two flexible electrode parts 131 and 132 facing each other act on an attractive force by the applied AC signal, and the two flexible electrode parts 131 and 132 As the charge proceeds to 0, it is returned to the parallel state by the elasticity of the flexible film (see FIG. 2 (c)).

이와 같이 유연 전극부(131)(132)를 구동하는 외부의 주기적인 구동력(F0)과, 유체의 점성에 의한 저항력과, 유연막(111)(112)에 의한 탄성 복원력이 작용하는 계(system)는 강제 조화진동자(driven damped harmonic oscillator)로 표현될 수 있으며, 이러한 일정 진동수(ω)의 외력(F0)이 작용하는 계는 다음의 [수학식 3]의 운동방정식을 따른다.As described above, a system in which an external periodic driving force F0 driving the flexible electrode parts 131 and 132, a resistance force due to the viscosity of the fluid, and an elastic restoring force caused by the flexible membranes 111 and 112 act (system). Can be expressed as a driven damped harmonic oscillator, and the system in which the external force (F 0 ) of a constant frequency (ω) acts follows the equation of motion in [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

[수학식 3]의 일반해는 다음의 [수학식 4]의 형태로 하여 [수학식 5]의 진폭(A)과 위상각(φ)을 구할 수 있다.The general solution of [Equation 3] is in the form of [Equation 4] below, and the amplitude (A) and phase angle ([phi]) of [Equation 5] can be obtained.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

[수학식 5]에서

Figure pat00006
이며, ω0는 탄성계수(k)와 질량(m)에 의해 결정되는 고유 진동수이며, γ는 감쇠계수이다.In [Equation 5]
Figure pat00006
, Ω 0 is the natural frequency determined by the elasticity coefficient (k) and mass (m), and γ is the damping coefficient.

[수학식 5]에서 관심의 대상이 되는 물리량은 최대 진폭(공명 진동수)에 해당하는 진동수(ωr)이며, 이는 [수학식 6]의 미분으로부터 다음의 [수학식 7]과 같이 유도된다.In [Equation 5], the physical quantity of interest is the frequency (ω r ) corresponding to the maximum amplitude (resonance frequency), which is derived from the differential of [Equation 6] as [Equation 7] below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

공명 진동수(ωr)에 해당하는 진폭은 다음의 [수학식 7]과 같이 구해진다.The amplitude corresponding to the resonance frequency (ω r ) is obtained as shown in [Equation 7] below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00008
Figure pat00008

유체 시료의 점도(위 수학식에서는 감쇠계수를 나타내는 γ)를 측정하기 위해서는 한 쌍의 유연 전극부(131)(132)에 교류 신호를 인가하고 신호의 주기에 대한 진폭의 측정하고 [수학식 5]를 이용하여 얻을 수 있다. 한편, [수학식 5]에서 고유 진동수(ω0)는 유체의 점도 측정 전에 시료 수용홀(121) 내에 유체 시료가 없는 상태에서 측정하여 구할 수 있다. 이후 시료 수용홀(121) 내에 측정 대상의 유체 시료를 주입한 후에 새로운 공명 진동수(ωr)를 측정하고 [수학식 6]을 이용하여 점도와 관련된 상수(γ)를 산출할 수 있다. 한편, 감쇠계수(γ)와 점도(μ)는 선형적으로 비례하며, 따라서 산출된 감쇠계수(γ)로부터 점도(μ)을 구할 수 있다[참고문헌 2].In order to measure the viscosity of the fluid sample (γ representing the attenuation coefficient in the above equation), an AC signal is applied to the pair of flexible electrode parts 131 and 132, and the amplitude of the signal period is measured and then [Equation 5] ]. On the other hand, in [Equation 5], the natural frequency (ω 0 ) can be obtained by measuring a fluid sample in the sample receiving hole 121 before measuring the viscosity of the fluid. Thereafter, after injecting the fluid sample to be measured into the sample receiving hole 121, a new resonance frequency (ω r ) may be measured and a constant (γ) related to viscosity may be calculated using [Equation 6]. On the other hand, the damping coefficient (γ) and the viscosity (μ) are linearly proportional, and therefore the viscosity (μ) can be obtained from the calculated damping coefficient (γ) [Ref. 2].

도 5는 감쇠계수(γ)의 변화에 따른 공명 주파수의 변화를 보여주는 그래프이다.5 is a graph showing a change in resonance frequency according to a change in the attenuation coefficient (γ).

공명 진동수(ωr)의 측정은 시료 수용홀(121)에 측정대상의 시료 샘플이 주입된 상태에서 전원부에서 인가되는 교류 신호의 주파수를 연속적으로 변화(sweeping)하고 그에 따른 진동 진폭이 최대가 되는 것을 검출하여 공명 진동수를 측정할 수 있다. 한편, 진동의 진폭은 직접 기계적으로 측정하기가 용이하지 않으나, 유연 전극막의 변형에 의해 발생되는 상대적 변위의 크기는 축전기의 정전 용량 또는 축전기 전후의 임피던스를 측정하여 쉽게 구할 수 있다. 즉, 공명 시점에서 각 유연 전극부의 진동 진폭이 최대가 되어 두 유연 전극부 사이의 간격이 최소가 되며, 이때 정전 용량은 최대가 되어 임피던스(1/ωC)은 최소값으로 측정된다. 따라서 유연 전극부 사이의 임피던스를 검출하여 공명 진동수(ωr)를 결정할 수 있다.The measurement of the resonance frequency (ω r ) continuously changes the frequency of the AC signal applied from the power supply unit while the sample sample to be measured is injected into the sample receiving hole 121 and the vibration amplitude is maximized accordingly. It can detect and measure the resonance frequency. On the other hand, it is not easy to measure the amplitude of vibration directly and mechanically, but the magnitude of the relative displacement caused by the deformation of the flexible electrode film can be easily obtained by measuring the capacitance of the capacitor or the impedance before and after the capacitor. That is, at the resonance point, the vibration amplitude of each flexible electrode portion becomes maximum, so that the distance between the two flexible electrode portions becomes minimum, and at this time, the electrostatic capacity becomes maximum, and the impedance (1 / ωC) is measured as the minimum value. Therefore, it is possible to determine the resonance frequency ω r by detecting the impedance between the flexible electrode parts.

한편, 점도는 역학 점도(dynamic viscosity)와 동점도(kinetic viscosity)로 구분될 수 있으며, 역학 점도는 유동상태에서 그 물질의 운동 방향에 거슬러 저항하는 "끈끈함 정도"를 절대값으로 나타내며, 동점도는 유체의 유동성이 얼마나 좋은가를 나타낸다. 본 발명의 유체의 물성으로 검출되는 점도는 한 쌍의 유연 전극부 사이에서 유연 전극부의 변형에 의해 유체 시료를 유동시키는 특성을 검출하게 되므로 동점도 개념에 가깝다할 수 있다.On the other hand, the viscosity can be divided into dynamic viscosity and dynamic viscosity, and the dynamic viscosity represents the absolute degree of "stickiness" that resists the direction of movement of the substance in a fluid state, and the dynamic viscosity is a fluid. It shows how good the fluidity is. The viscosity detected by the physical properties of the fluid of the present invention may be close to the concept of kinematic viscosity since the characteristic of flowing a fluid sample by deformation of the flexible electrode part between the pair of flexible electrode parts is detected.

한편, 역학점도는 (동점도)×(액체 밀도)와 비례하는 관계식을 가지며, 따라서 별도의 역학점도를 검출함으로써 유체 시료의 밀도를 구할 수 있다. 예를 들어, 이와 같이 산출된 혈액의 밀도(ρ)는 다음의 [수학식 8]의 관계식[참고문헌 3]을 이용하여 혈장내 혈구비(Hemotocrit; Hct)를 구할 수 있다. On the other hand, the dynamic viscosity has a relational formula proportional to (dynamic viscosity) x (liquid density), and thus the density of a fluid sample can be obtained by detecting a separate dynamic viscosity. For example, the density (ρ) of blood calculated as described above may be obtained by using a relational expression [Ref. 3] of [Equation 8] to obtain a blood plasma ratio (Hemotocrit; Hct).

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00009
Figure pat00009

다음으로, 감쇠계수(γ)가 시간에 따라서 변화하는 경우를 고려하여 보면, 도 5에서 감쇠계수에 따라서 공명 진동수(ωr)가 고유 진동수(ω0)로부터 벗어나 그 감쇠계수에 대응하는 새로운 고유 진동수로 이동하는 것을 알 수 있다. 만약 γ=γ(t)의 관계가 있고, γ(t)가 시간에 따라서 증가하는 특성을 갖는다고 할 경우에 공명 진동수도 시간에 따라서 감소하는 거동을 나타낼 것으로 예상할 수 있다. 도 5에서 감쇠계수가 50에서 100으로 증가하는 과정에서 각각에 대응하는 공명 진동수가 줄어드는 방향으로 이동하는 경향을 나타내며, 이를 [수학식 6]을 이용하여 구체적인 수치로 하여 감쇠 계수별 공명 진동수를 산출하여 다음의 [표 1]을 얻을 수 있다.Next, considering the case where the attenuation coefficient γ changes with time, the resonance frequency (ω r ) deviates from the natural frequency (ω 0 ) according to the attenuation coefficient in FIG. 5 and corresponds to the new intrinsic characteristic corresponding to the attenuation coefficient. It can be seen that the frequency moves. If γ = γ (t) has a relationship and γ (t) has a characteristic that increases with time, it can be expected that the resonance frequency will also show a decreasing behavior with time. In FIG. 5, in the process of increasing the attenuation coefficient from 50 to 100, the resonance frequency corresponding to each of them represents a tendency to move in a decreasing direction, and using this as a specific value using Equation 6 to calculate the resonance frequency for each attenuation coefficient Then, the following [Table 1] can be obtained.

[표 1][Table 1]

Figure pat00010
Figure pat00010

감쇠계수의 시간에 대한 변화는 실측으로 측정할 수 있으나, 많은 생화학적 물질들과 같이 감쇠계수는 시그모이드(sigmoid) 형태를 나타낼 것으로 가정하여 살펴보면[참고문헌 3], 점도는 무한대로 증가할 수는 없으므로 임의로 설정한 감쇠계수들의 시간 변화를 도 6과 같이 설정하기로 한다. 초기에 50으로 가정한 감쇠계수가 10시간 단위(통상 sec) 이후에 100으로 증가하며, 이 과정은 시그모이드 형태를 따른다고 본 것이다. 시간 함수가 결정된 후에 이를 이용하여 일정 시간 간격에 대한 공명 주파수의 이동을 구한 결과가 도 7에 나와 있다. 즉 시간이 경과하면서 공명 주파수도 시그모이트 형태로 감소하는 것을 확인할 수 있다.Although the change over time of the damping coefficient can be measured in practice, assuming that the damping coefficient, like many biochemical materials, exhibits a sigmoid form, [ref. 3], the viscosity will increase indefinitely. Since the number of attenuation coefficients arbitrarily set is set as shown in FIG. 6. It is assumed that the damping coefficient, which was initially assumed to be 50, increases to 100 after 10 hour units (normally sec), and this process follows a sigmoid shape. After the time function is determined, the result of finding the shift of the resonance frequency with respect to a predetermined time interval is shown in FIG. 7. That is, it can be seen that as time passes, the resonance frequency also decreases in the form of sigmoid.

액상 시료를 생화학 처리하여 경화가 빠르게 진행되도록 하였을 경우(대부분 30초 전후)에, 반응이 진행되면서 감쇠계수가 시그모이드 식으로 증가하고, 그에 따라서 고유 진동수가 연속적으로 감소하는 거동이 나타나며, 경화 시작점(혈액의 경우 응고시간)의 설정은 실제 기존 기법들과의 비교 검증을 통하여 결정될 수 있다.When the liquid sample is subjected to biochemical treatment so that the curing proceeds rapidly (mostly around 30 seconds), the reaction progresses and the damping coefficient increases in a sigmoid manner, and accordingly, the natural frequency continuously decreases, and the curing occurs. The setting of the starting point (coagulation time in the case of blood) can be determined through comparative verification with actual existing techniques.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications and changes are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have the knowledge of.

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111, 112 : 유연막 120 : 스페이서
131, 132 : 유연 전극부 140 : 전원부
150 : 검출기111, 112: flexible film 120: spacer
131, 132: flexible electrode unit 140: power supply unit
150: detector

Claims (6)

서로 이격되게 배치되어 절연성을 갖는 한 쌍의 유연막과;
상기 유연막 사이에 구비되어 한 쌍의 유연막 각각의 테두리를 고정하게 되는 스페이서와;
상기 유연막 각각의 표면에 도전성을 갖고 구비되는 한 쌍의 유연 전극부와;
상기 유연 전극부에 교류 전원을 공급하게 되는 전원부와;
상기 전원부에서 인가된 교류 전원에 의해 상기 유연 전극부의 가진 상태에서의 공명 주파수를 검출하기 위한 검출기를 포함하는 유체의 점도 측정장치.A pair of flexible membranes spaced apart from each other and having insulating properties;
A spacer provided between the flexible membranes to fix the edges of each pair of flexible membranes;
A pair of flexible electrode parts having conductivity on each surface of the flexible film;
A power supply unit for supplying AC power to the flexible electrode unit;
A fluid viscosity measuring device including a detector for detecting a resonance frequency in the excitation state of the flexible electrode unit by an AC power applied from the power unit. 제1항에 있어서, 상기 검출기는 상기 유연 전극부 사이의 임피던스를 검출하기 위한 임피던스 검출기인 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.The fluid viscosity measuring apparatus of claim 1, wherein the detector is an impedance detector for detecting impedance between the flexible electrode parts. 제1항에 있어서, 상기 스페이서는 상기 유연막에 의해 상하 개구부가 밀폐되는 원통형의 시료 수용홀이 형성됨을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.The fluid viscosity measuring device of claim 1, wherein the spacer has a cylindrical sample receiving hole in which the upper and lower openings are closed by the flexible membrane. 제3항에 있어서, 상기 스페이서는 상기 시료 수용홀과 관통 형성되는 적어도 하나 이상의 포트가 형성됨을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.[4] The fluid viscosity measuring apparatus of claim 3, wherein the spacer has at least one port formed through the sample receiving hole. 이격 배치되어 진동 가능한 한 쌍의 막판 구조의 유연 전극부를 포함하는 센서 모듈 내에 유체가 저장되고 상기 유연 전극부에 교류 전원을 인가하여 유체의 가진에 의한 공명 진동수를 검출하며, 상기 센서 모듈의 고유 진동수와 상기 공명 진동수로부터 감쇠계수를 산출하고 상기 감쇠계수로부터 유체의 점도를 산출하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정방법.The fluid is stored in a sensor module including a pair of flexible electrode parts having a pair of membrane plates arranged to be spaced apart and vibrating, and an AC power is applied to the flexible electrode part to detect the resonance frequency due to excitation of the fluid, and the natural frequency of the sensor module And calculating a damping coefficient from the resonance frequency and calculating the viscosity of the fluid from the damping coefficient. 제5항에 있어서, 상기 공명 진동수는 상기 유연 전극부 사이의 임피던스 변화를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정장치.The apparatus for measuring the viscosity of a fluid according to claim 5, wherein the resonance frequency is determined through a change in impedance between the flexible electrode parts.
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