KR20200116637A - 3축 가속도센서를 이용한 회전 점도계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체 상태이거나 반고체 상태인 물질의 점도를 측정하기 위한 회전 점도계에 관한 것이다. 상기 회전 점도계는, 수용 공간을 갖는 케이스; 상기 케이스 내부에 위치되어 회전 구동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전축과 연결되어 회전하는 제2 축; 상기 제2 축과 연결되어 피측정 시료에 잠긴 상태로 회전하는 회전봉; 상기 모터를 지지하는 제1 지지판; 상기 제2 축을 지지하는 베이스 플레이트; 상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트의 수평을 검출하는 디지털 수평계; 상기 케이스 외부에 위치되는 디스플레이; 상기 디지털 수평계와 상기 디스플레이를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 디지털 수평계에 의한 신호가 상기 디스플레이에 표시된다.
이러한 구성에 따르면, 디지털 수평계가 기구의 외장이 아닌 베이스 플레이트에 부착됨으로써, 점도계의 수평·수직을 더욱 정밀하게 측정할 수 있고, 회전 점도계의 디자인 자유도를 향상시킬 수 있다.

Description

3축 가속도센서를 이용한 회전 점도계 {Rotational viscometer using 3-axis acceleration sensor}
본 발명은 액체 상태이거나 반고체 상태인 물질의 점도를 측정하기 위한 회전 점도계에 관한 것이다.
우리가 마시는 음료부터 시작하여 제약, 식품, 화장품, 페인트, 실리콘 등의 혼합 액체가 많이 제조되어 판매되고 있다. 이와 같이, 액체를 사용하는 사업은 매우 광범위하고, 4차 산업으로 산업이 확장되면서 액체의 사용량은 더욱 증가되고 있다.
액체를 제조하는 산업에서 가장 중요한 것이 품질관리이고, 품질관리 과정 중의 하나로 액체의 물리적 특성을 확인하기 위해 점도를 측정하고 있다.
국내 점도계 중 회전 점도계가 가장 많이 사용되고 있다. 회전 점도계는 운동중인 유체가 원통 혹은 원판에 미치는 저항력을 측정하여 유체의 점도를 측정하는 기기이다.
현재, 점도계는 전적으로 수입제품을 사용하고 있고, 미국의 브룩필드(Brookfield)사의 제품이 가장 많이 사용되고 있다. 그 외 유럽과 일본 제품이 국내에 유통되고 있다.
회전 점도계는 모터 회전축, 스프링과 연결된 토크 측정 축, 스핀들 축으로 이루어져 있다. 모터부터 점도를 측정하는 스핀들까지 일직선으로 위치되는 회전축에 영향을 받는다. 3개의 축의 수직이 맞지 않으면 마찰 저항이 커지고, 축의 수직이 많이 틀어진 경우에는 축이 회전을 할 수 없게 된다.
점도 측정을 위해서는 스핀들과 점도 측정을 위한 시료 사이의 전단응력에 의한 토크만을 측정해야 하는데, 마찰 저항이 커지면 측정 정확도에 문제가 발생한다. 현장에서는 점도계를 설치할 때 수평계를 사용하여 수평을 맞추면서 모터 회전축과 스프링 토크 측정 축을 수직으로 설치하게 된다.
도 1은 종래의 회전 점도계의 케이스를 도시하는 도면이다.
종래의 회전 점도계에서, 케이스(1) 외부에 공기방울 수평계(10)가 부착되고, 이러한 공기방울 수평계(10)를 이용하여 점도계 내부에 설치되는 플레이트의 수평을 맞추면서 플레이트에 연결되는 모터 회전축과 스프링 토크 측정 축을 수직으로 맞추게 된다.
그러나, 케이스(1) 외부에 설치되는 수평계(10)의 수평을 기준으로 하여 케이스(1) 내부에 설치되는 축의 수직을 맞추는 것이 되므로, 수평계(10)가 설치된 부분과 실제 수평으로 되어야 하는 부분이 일치하지 않는다는 문제점이 있다.
따라서, 케이스(1) 외부에 설치되는 수평계(10)가 수평을 가리킨다 하더라도 실제 축이 설치되는 플레이트는 수평이 아닌 경우가 종종 발생된다. 이 경우, 플레이트와 연결되는 축의 수직이 정확하게 맞춰지지 않아 점도 측정 과정에서 오차가 발생될 수 있다.
또한, 점도계의 제작 당시에는 케이스(1) 외부에 설치되는 수평계(10)를 기초로 해서 케이스(1) 내부의 플레이트와 축의 수평·수직이 맞았다 하더라도, 점도계를 사용하면서 플레이트와 축의 수평·수직이 어긋날 수 있어 오차가 발생된다.
또한, 종래의 점도계에서는 공기방울 수평계(10)가 반드시 케이스(1) 외부에 형성되어야 하므로, 점도계의 디자인을 자유롭게 변화시키는데 한계가 있어 디자인 선택의 자유도가 낮아지는 문제가 있었다.
또한, 점도계를 이용하여 점도를 측정하는 동안 미세 진동이 발생되지만, 종래의 점도계에는 이러한 진동의 정도를 측정하는 장치가 구비되지 않아, 진동에 의한 오차 발생의 가능성이 존재하고 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1009471호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 회전 점도계에서 수평계를 케이스 내부로 이동하여 수평을 정밀하게 측정할 수 있고, 회전 점도계를 이용하여 점도를 측정하는 동안에 발생되는 진동을 측정할 수 있는 장치를 구비하는 회전 점도계를 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 회전 점도계는, 수용 공간을 갖는 케이스; 상기 케이스 내부에 위치되어 회전 구동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전축과 연결되어 회전하는 제2 축; 상기 제2 축과 연결되어 피측정 시료에 잠긴 상태로 회전하는 회전봉; 상기 모터를 지지하는 제1 지지판; 상기 제2 축을 지지하는 베이스 플레이트; 상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트의 수평을 검출하는 디지털 수평계; 상기 케이스 외부에 위치되는 디스플레이; 상기 디지털 수평계와 상기 디스플레이를 제어하는 제어부; 를 포함하고, 상기 디지털 수평계에 의한 신호가 상기 디스플레이에 표시된다.
또한, 상기 디지털 수평계는 상기 베이스 플레이트에 설치된다.
또한, 상기 디지털 수평계는 3축 가속도센서를 포함하고, 상기 회전 점도계를 이용하여 피측정 시료의 점도를 측정하는 중에 상기 3축 가속도센서에 의해 진동을 측정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 3축 가속도센서에 의해 측정되는 진동이 소정값을 초과하는 경우 이에 대한 정보를 상기 디스플레이에 표시한다.
본 발명에 따르면, 디지털 수평계가 기구의 외장이 아닌 베이스 플레이트에 부착됨으로써, 점도계의 수평·수직을 더욱 정밀하게 측정할 수 있고, 3축 가속도센서를 이용하여 점도를 측정하는 동안 축이 회전할 때 진동을 감지하여 점도 측정시의 오차를 줄일 수 있는 회전 점도계를 제공할 수 있다.
또한, 수평계를 케이스 내부에 부착하기 때문에 점도계의 디자인 자유도를 높일 수 있는 회전 점도계를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 회전 점도계의 케이스를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 회전 점도계를 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 2의 회전 점도계를 이용하여 액체의 점도를 측정하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회전 점도계의 주요 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 회전 점도계를 도시하는 사시도이다. 도 3은 도 2의 회전 점도계를 이용하여 액체의 점도를 측정하는 상태를 도시하는 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회전 점도계의 주요 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명의 회전 점도계는 수평계를 케이스 내부의 플레이트로 이동하여 수평을 정밀하게 측정할 수 있고, 회전 점도계를 이용하여 점도를 측정하는 동안에 발생되는 진동도 측정할 수 있도록 한다.
상기 회전 점도계(100)는 케이스(103), 디스플레이(104), 모터(110), 제1 축(120), 제1 지지판(121), 제1 원판(130), 제2 원판(140), 제2 축(150), 스프링(160), 베이스 플레이트(170), 디지털 수평계(175), 회전봉(180)을 포함한다.
케이스(103)는 수용 공간을 갖는다. 케이스(103)는 지지대(102)에 의해 지지되고, 지지대(102)는 받침대(101)에 의해 지지된다. 받침대(101) 위에는 피측정 시료가 수용되는 용기(20)가 놓이게 된다.
디스플레이(104)는 케이스(103) 외부에 위치되어 필요한 정보를 표시한다.
모터(110)는 케이스(103) 내부에 위치되어 회전 구동력을 발생시킨다. 모터(110)는 모터지지판(111)에 안착되어 지지될 수 있다.
제1 축(120)은 모터(110)의 회전축과 연결되어 회전한다.
제1 지지판(121)은 수평으로 위치되고 제1 축(120)과 모터(110)를 지지한다.
제1 원판(130)은 수평으로 위치되고, 제1 축(120)과 연결되어 제1 축(120)이 회전함에 따라 함께 회전된다. 제1 원판(130)에는 수직으로 연장되는 제1 연결부(135)가 연결된다. 제1 연결부(135)는 제1 축(120)과 제2 축(150)을 연결하는 역할을 한다.
제2 축(150)은 제1 축(120)과 이격되어 위치한다.
제2 원판(140)은 수평으로 위치되고, 제2 축(150)과 연결되어 제2 축(150)이 회전함에 따라 함께 회전된다. 제2 원판(140)은 외주부에 홈이 형성될 수 있다.
스프링(160)은 제2 원판(140)의 하부에 인접하여 위치되고 제2 축(150)과 동심으로 제2 축(150)에 연결된다. 스프링(160)에는 제2 축(150)과 연결되는 제2 연결부(155)가 연결되고, 제2 연결부(155)는 제1 연결부(135)와 연결된다.
제1 연결부(135)는 제2 원판(140)에 형성되는 홈을 통해 연장되어 제2 연결부(155)와 연결된다. 그에 따라, 제1 축(120)의 회전에 따른 제1 원판(130)의 회전은 제2 원판(140)으로 전달되어 제2 축(150)이 회전할 수 있다.
베이스 플레이트(170)는 제2 축(150)을 지지한다. 베이스 플레이트(170)는 회전 점도계에서 대체로 가운데에 위치한다.
회전봉(180)은 제2 축(150)과 이격되어 위치되고, 하단부는 케이스(103) 외부로 돌출된다. 회전봉(180)은 회전봉 연결부(185)에 의해 제2 축(150)과 연결되어 제2 축(150)의 회전에 따라 회전한다. 회전봉(180)은 피측정 시료에 잠긴 상태로 회전한다.
디지털 수평계(175)는 제1 지지판(121) 또는 베이스 플레이트(170)에 설치되어 제1 지지판(121) 또는 베이스 플레이트(170)의 수평을 검출한다. 본 실시예에서, 디지털 수평계(175)은 회전 점도계의 가운데에 위치하는 베이스 플레이트(170)에 설치된다.
디지털 수평계(175)는 3축 가속도센서에 의해 수평을 측정한다. 3축 가속도센서는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)를 측정할 수 있도록 구성된다. 롤은 x축, 피치는 y축, 요는 z축의 회전을 의미하고, 3축 가속도센서로부터 회전축의 회전과 기울기를 계산하는 방법은 기술분야에 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
디지털 수평계(175)에 의한 신호(또는 측정값)는 디스플레이(104)에 표시된다.
제어부는 디지털 수평계(175)와 디지털 수평계(175)를 제어한다.
회전 점도계(100)에 의해 점도를 측정하기 위해, 모터(110)가 회전하면 모터(110)의 회전력은 차례로 제1 축(120), 제2 축(150), 회전봉(180)으로 전달된다. 제1 축(120), 제2 축(150), 회전봉(180)은 제1 연결부(135), 제2 연결부(155), 회전봉 연결부(185)에 의해 서로 연결되어 있다.
회전봉(180)은 회전하는 동안 점도를 갖는 피측정 시료로부터 저항을 받게 되고, 이러한 저항은 제2 축(150)과 연결된 스프링(160)에 비틀림 토크를 형성한다. 이러한 비틀림 토크는 회전봉(180)의 회전방향과 반대 방향으로 작용하므로, 스프링(160)은 회전봉(180)의 회전방향과 반대 방향으로 탄성 변형된다.
그에 따라, 제1 축(120)과 제2 축(150) 사이에는 상대 회전이 발생되고, 제1 축(120)에 연결된 제1 원판(130)과 제2 축(150)에 연결된 제2 원판(140) 사이에는 상대 회전에 의한 각도차가 발생힌다. 제1 원판(130)의 회전은 제1 센서(131)에 의해 감지되고, 제2 원판(140)의 회전은 제2 센서(141)에 의해 감지된다. 이러한 상대 회전의 각도차는 액체의 점도가 높을수록 커지고, 액체의 점도가 낮을수록 작아지게 되고, 상대 회전의 각도차로부터 피측정 시료의 점도를 측정할 수 있다.
본 실시예의 회전 점도계(100)는 모터(110)로부터 회전력을 전달받는 1축, 스프링(160)에 의한 비틀림 토크가 발생되는 2축, 피측정 시료에 담겨지는 회전봉(180)이 위치되는 3축으로 구성되고, 피측정 시료의 점도를 정밀하게 측정하기 위해서는 1축, 2축, 3축의 수직이 정밀하게 유지되어야 한다. 1축, 2축, 3축의 수직이 정밀하게 유지되지 않으면 정확한 점도 측정이 어려워지고 점도 측정 중에 많은 진동이 발생된다.
1축, 2축, 3축의 수직은 회전 점도계(100)의 수평, 특히 베이스 플레이트(170)의 수평을 전제로 한다.
종래에 외부 케이스에 위치되던 공기방울 수평계는 본 발명에서 디지털 수평계(175)로 바뀌어 케이스(103) 내부에 수평으로 설치되는 플레이트에 위치되고, 케이스(103) 외부에는 디스플레이(104)가 위치되어, 디지털 수평계(175)의 측정값을 외부에서 볼 수 있도록 구성된다.
그에 따라, 1축, 2축, 3축의 수직이 정확하게 맞춰진 상태에서 점도를 측정할 수 있어 점도 측정의 정확도가 향상된다.
또한, 디지털 수평계(175)는 케이스(103) 내부에 위치되므로, 수평계가 케이스 외부에 형성되어야 하는 종래의 점도계와 비교할 때 점도계의 디자인을 자유롭게 변화시킬 수 있어 디자인 선택의 자유도가 향상될 수 있다.
점도를 측정할 때는 베이스 플레이트(170)에 장착된 디지털 수평계(175)를 이용하여 1축, 2축, 3축의 수직을 정밀하게 맞추고 난 후에 피측정 시료의 점도를 측정한다.
본 실시예에서 3축 가속도센서로 구성되는 디지털 수평계(175)는 점도를 측정하기 전에는 베어링에 의해 지지되는 1축, 2축, 3축의 수직을 정밀하게 맞추기 위해 사용되고, 점도 측정 중에는 회전 점도계(100)에서 발생하는 진동을 감지하는데 사용된다.
회전 점도계(100)가 회전함에 따라 발생되는 미세진동 또한 점도 측정에서 오차를 발생시키는 요소 중 하나이다. 회전 점도계(100)는 회전축을 구동하는 모터와 축을 지지하는 베어링 등의 회전 기계요소들로 구성된다. 이들 회전 기계요소들의 진동은 점도계의 측정 불확도에 영향을 미치는 주요 인자가 된다.
회전축의 회전주기(또는 주파수)에 대응되는 회전축의 불균형 질량(unbalance mass), 회전축 지지 베어링의 고조파 성분(harmonic components)들을 회전 점도계의 운전상태를 나타내는 지표로 선정하고, 이러한 운전상태 지표들을 측정하기 위해 3축 가속도센서를 이용할 수 있다.
점도 측정을 위해 회전축이 회전하는 동적인 상태에서는 3축 가속도센서의 측정신호는 회전축의 불균형 질량뿐 아니라 회전축 지지 베어링과 관련된 고조파 회전진동 성분들의 측정에 각각 이용된다. 액체의 점도 측정은 회전 속도가 일정한 정상적인 상태에서 측정을 수행하기 때문에 초당 측정 회전속도를 frev 라 하면, 3축 가속도센서의 출력신호 취득속도(sampling rate) fsample 은 다음과 같이 축 회전속도의 정수 MS 배를 선정한다.
Figure pat00001
식 1
정수 MS 배의 출력신호 취득속도 선정은 다음과 같이 회전축의 1, 3, 5차 고조파 가속도 성분의 cosine과 sine 성분 Cn과 Sn 계산을 간단하게 할 수 있다.
Figure pat00002
식 2
위 식에서 기호 ax,y,z는 3축 가속도센서의 출력신호를 나타낸다. 이들 두 cosine과 sine 성분 Cn과 Sn 계산으로부터 회전축의 1, 3, 5차 고조파 성분을 각각 계산한다.
Figure pat00003
식 3
1차 고조파 성분(n=1)은 회전축의 불균형 질량에 대응되는 진동가속도 성분 H1을 나타낸다. 그리고, 다음 식과 같이 1, 3, 5차 성분들의 제곱 합은 회전축의 운동 상태를 나타내는 회전축 진동지표 RVI(rotor vibration indicator)를 나타낸다.
Figure pat00004
식 4
회전축 지지 베어링 등의 회전운동에 관련된 진동성분은 대략 0.4×frev, 0.2×Nball×frev(Nball = 볼 베어링 개수), 0.6×Nball×frev 등의 고조파 성분들이 복합적으로 발생한다. 베어링 관련 고조파 진동은 최저 주파수 0.4×frev 부터 최대 주파수 2×Nball×frev 까지 대역을 포함하는 대역통과 필터(bandpass filter)를 이용하여 선정 주파수 구간의 전체 진동레벨을 베어링 진동지표 BVI(bearing vibration indicator)로 사용한다. 실시간 베어링 진동지표 환산을 하기 위해 유한 응답함수(finite impulse response, FIR)형 디지털 대역통과 필터를 설계 사용하였다.
요약하면, 회전 점도계(100)의 점도 측정 중에 3축 가속도센서의 출력신호는 3종의 진동지표 즉, (1) 불균형 질량 진동 가속도 성분 H1, (2) 회전축 진동지표 RVI, (3) 베어링 진동지표 BVI의 환산에 사용되며, 이들 세 가지 지표의 환산 방법은 위에서 설명하였다.
이들 지표를 이용한 회전 점도계(100)의 회전진동 상태점검 및 예지보수 (predictive maintenance)를 수행하는 예시적인 방법은 다음과 같다.
우선 개별기기의 기준 진동 수준(reference vibration level)은 모두 일정하지 않기 때문에 설치 후 초기 측정 빈도수 100~200회 또는 1 ~ 3달 동안 측정된 진동 지표의 평균값과 표준편차를 기준 값으로 선정한다.
선정된 기준 값의 2배를 초과하는 시기를 2단계, 즉 경계 단계(warning stage) 진입으로 판단하고, 마지막으로 4배를 초과하는 3단계를 경보 단계(alarming stage)로 구분할 수 있다.
경계 수준인 2단계부터 정기 점검과 관리가 필요한 단계로 사용자에게 정보를 제공하며, 경보 수준인 3단계에서는 조속히 긴급 점검과 수리 등의 서비스 메시지를 사용자에게 송출하게 된다.
상술한 바와 같이 3축 가속도센서를 이용하는 디지털 수평계(175)는 점도계의 회전축이 회전하는 상태에서 미세진동을 감지하여 시스템 운전에 이상이 있는지를 판단하고 회전축의 불균형뿐만 아니라, 회전축 지지 베어링과 관련된 고조파 회전 진동 성분들의 측정에 이용된다.
제어부는 3축 가속도센서에 의해 측정되는 진동이 소정값을 초과하는 경우, 예를 들어 2단계 또는 3단계인 경우 이에 대한 정보를 디스플레이(104)에 표시한다.
이와 같이, 디지털 수평계(175)를 통해 회전 점도계(100)의 미세진동이 감지되면, 시스템 운전을 진단하여 미리 회전 점도계(100)의 진동에 의한 오차를 줄일 수 있고, 그에 따른 유지보수나 부품 교체를 알려줄 수 있다는 이점이 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
1 : 케이스
10 : 공기방울 수평계
100 : 회전 점도계
101 : 받침대
102 : 지지대
103 : 케이스
104 : 디스플레이
110 : 모터
111 : 모터 지지판
120 : 제1 축
121 : 제1 지지판
130 : 제1 원판
131 : 제1 센서
135 : 제1 연결부
140 : 제2 원판
141 : 제2 센서
150 : 제2 축
155 : 제2 연결부
160 : 스프링
170 : 베이스 플레이트
175 : 디지털 수평계
180 : 회전봉
185 : 회전봉 연결부

Claims (4)

  1. 회전 점도계에 있어서,
    수용 공간을 갖는 케이스;
    상기 케이스 내부에 위치되어 회전 구동력을 발생시키는 모터;
    상기 모터의 회전축과 연결되어 회전하는 제2 축;
    상기 제2 축과 연결되어 피측정 시료에 잠긴 상태로 회전하는 회전봉;
    상기 모터를 지지하는 제1 지지판;
    상기 제2 축을 지지하는 베이스 플레이트;
    상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 제1 지지판 또는 상기 베이스 플레이트의 수평을 검출하는 디지털 수평계;
    상기 케이스 외부에 위치되는 디스플레이;
    상기 디지털 수평계와 상기 디스플레이를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 디지털 수평계에 의한 신호가 상기 디스플레이에 표시되는 회전 점도계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 수평계는 상기 베이스 플레이트에 설치되는 회전 점도계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 수평계는 3축 가속도센서를 포함하고,
    상기 회전 점도계를 이용하여 피측정 시료의 점도를 측정하는 중에 상기 3축 가속도센서에 의해 진동을 측정할 수 있는 회전 점도계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 3축 가속도센서에 의해 측정되는 진동이 소정값을 초과하는 경우 이에 대한 정보를 상기 디스플레이에 표시하는 회전 점도계.
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