KR20230139298A

KR20230139298A - 유체의 점도 측정 장치

Info

Publication number: KR20230139298A
Application number: KR1020220158111A
Authority: KR
Inventors: 박인규; 서보경; 조석주; 이병주
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-11-23
Publication date: 2023-10-05

Abstract

본 발명은 상대적으로 작은 크기로 휴대가 가능하고, 높은 정확도로 유체의 점도를 측정할 수 있는 유체의 점도 측정 장치에 관한 것으로, 인가신호와 기준신호를 발생시켜 출력하는 신호 발생기, 적어도 일부가 점도를 측정하고자 하는 유체에 담기고, 상기 신호 발생기로부터 상기 인가 신호를 수신해 진동하는 튜닝포크를 포함하고, 상기 유체에 의해 변형된 신호를 측정해 출력하는 튜닝포크부, 상기 튜닝포크부로부터 신호를 수신해 증폭시켜, 입력신호를 출력하는 입력 증폭부, 상기 입력신호와 상기 기준신호를 수신해, 상기 튜닝포크부에서 유체의 점도에 따른 신호를 추출해 출력하는 위상 감도감지부, 상기 위상 감도감지부에서 출력된 신호를 수신해 증폭시켜 출력하는 출력 증폭부를 포함하는 특징으로 한다.

Description

유체의 점도 측정 장치{Apparatus for measuring fluid viscosity}

본 발명은 유체의 점도 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 실시간으로 유체의 점도를 정확하게 측정할 수 있는 휴대용 유체의 점도 측정 장치에 관한 것이다.

오일의 점도(Viscosity)를 측정하여 오일의 상태를 빠르고 효과적으로 진단하는 것은 오일이 사용되는 장비의 고장을 방지하고, 수명을 연장하는데 필요하다. 또한, 오일의 점도를 측정하여 오일의 상태를 진단하여 오일 교환 주기 감소 및 유지비용 또한 절감할 수 있는 효과가 있다.

현재까지 오일 점도를 측정 및 분석하는 방법은 다양하게 연구되었다. 그러나 종래 오일의 점도를 측정하는 방법은 그 장치가 매우 크고 복잡한 구조로 되어 있다는 한계를 가지며, 산업현장에서 높은 정확도를 가지되, 상대적으로 작은 크기로 실시간 오일의 점도를 측정할 수 있는 장치는 개발되지 않은 실정이다.

기존의 오일 점도 측정 장치의 종류에 대해서 몇몇은, 세관형 점도계(Capillary tube viscometer), 회전식 점도계(Rotary viscometer), 낙하 피스톤 점도계(Falling piston viscometer), 음향 점도계(Acoustic viscometer), 진동 점도계(Vibrational viscometer)가 있다.

세관형 점도계는 모세관에 일정량의 유체가 흐르는 시간을 측정하여 유체의 점도를 측정하고, 회전식 점도계는 유체에 회전하는 봉(Spindle)을 담그고, 봉이 회전할 때 필요한 토크 및 전력을 측정하여 점도를 측정한다. 낙하 피스톤 점도계는 피스톤이 측정 두 지점을 지나는데 소요한 시간을 측정하여 유체의 점도를 측정한다. 이러한 세관형 점도계, 회전식 점도계, 낙하 피스톤 점도계 등은 실험실 규모의 장치가 필요하고, 그 크기 뿐 아니라 구조 또한 복잡하기 때문에, 실제 작업현장에서 활용하기 어려운 문제점이 있다.

이러한 점도계들의 문제점을 극복하여 산업현장에서 실시간 유체의 점도를 빠르게 측정하기 위해서 음향 점도계, 자기탄성체 점도계, 진동 점도계 등이 개발되었다. 음향 전도계는 음향파를 유체에 전달하고 반사파를 측정하고, 입사한 음향파와 반사파의 위상차를 측정하며, 위상차로부터 진단파의 속도와 점도를 계산한다. 단, 이러한 방식은 전단파의 속도와 점도가 유체 내의 입자 또는 기포에 영향을 받아 정확한 유체의 점도 측정이 어렵다는 문제점을 가진다.

자기탄성체 점도계는 유도코일(inductive coil)을 이용한다. 비정질의 메탈릭 글라스 리본을 사용하며, 리본에 교류 자기장을 걸었을 때, 길이 방향으로 발생하는 진동을 측정하여 점도를 측정한다. 리본에서 발생하는 진동은 주어진 교류 자기장의 주파수가 리본의 고유진동수 부근에서 가장 크게 발생하며, 이 진동을 전압 형태의 전기적 신호로 측정한다. 자기탄성체 리본 주변에 점성 유체가 있을 경우, 유체의 점도에 의해 자기탄성체 리본의 고유진동수가 달라지며, 천이된 고유진동수를 측정하여 점도를 계산한다. 자기탄성체 점도계는 인-라인 측정에 사용할 수 있으며 넓은 범위의 점도를 가진 오일 측정에 적용 가능하다는 장점을 가지고 있지만, 배경이 되는 이론적 모델이 매우 복잡하여 점도를 계산하는 과정이 복잡하며 실제 이론적 모델과 실험적 결과 간의 오차가 크게 발생하여 센서로서의 실적용을 위해서는 자기탄성체 리본 소자의 진동수 변화를 실험적 캘리브레이션을 통해 직접 계산해야 한다는 단점을 가진다.

진동 점도계는 진동하는 막대를 사용하여 점도를 측정하는 방법이다. 보다 구체적으로, 유체 및 오일의 진동에 대한 저항력을 포크 형태의 센서가 측정하여 점도를 측정하는데, 진동의 감쇠로 인한 진폭 및 대역폭의 변화를 측정하여 점도를 계산한다. 진동 점도계는 측정 중에 움직이는 부품이 없고, 높은 감도를 가지며, 외부 입자로 인한 영향이 적어 앞서 언급한 다른 방식의 점도계보다 현장에서 사용되는 오일의 실시간 점도 측정에 유리하다. 하지만 정확한 진동의 감쇠를 측정하는데 필요한 부품의 크기가 상대적으로 크고, 센서의 밀봉이 필요하여 센서의 교체가 어렵다는 단점을 가진다.

진동 점도계 중 튜닝포크를 이용하여 측정하는 방법은 상대적으로 작은(약 8mm³의 부피를 가짐) 튜닝포크를 이용하여 주파수 스캔(Sweep), 천이(Decay time과 주파수 측정) 및 공진(Beat frequency)을 측정하는 방법이 있다. 이중 천이를 사용하여 점도를 측정하는 방법이 보고되어, 비교적 낮은 점도를 가지는 깨끗한 미네랄 오일에 대해서 적용되는 방법이 소개되었으나, 큰 장치를 사용하여 현장성이 낮으며, 높은 점도의 오염된 유체를 측정하는 방안은 보고되지 않았다.(M. Gonzalez et. al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement(2018)), M. Gonzalez,IEEE Sensors Applications Symposium(SAS), (2017)) 또한, 해당 문헌에는 가진을 위해 가해지는 전압에 대한 정보가 없다.

(M. Gonzalez et. al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement(2018)), M. Gonzalez,IEEE Sensors Applications Symposium(SAS), (2017))

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명에 의한 유체의 점도 측정 장치의 목적은, 상대적으로 작은 크기로 휴대가 가능하고, 높은 정확도로 유체의 점도를 측정할 수 있는 유체의 점도 측정 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 유체의 점도 측정 장치는, 인가신호와 기준신호를 발생시켜 출력하는 신호 발생기, 적어도 일부가 점도를 측정하고자 하는 유체에 담기고, 상기 신호 발생기로부터 상기 인가 신호를 수신해 진동하는 튜닝포크를 포함하고, 상기 유체에 의해 변형된 신호를 측정해 출력하는 튜닝포크부, 상기 튜닝포크부로부터 신호를 수신해 증폭시켜, 입력신호를 출력하는 입력 증폭부, 상기 입력신호와 상기 기준신호를 수신해, 상기 튜닝포크부에서 유체의 점도에 따른 신호를 추출해 출력하는 위상 감도감지부, 상기 위상 감도감지부에서 출력된 신호를 수신해 증폭시켜 출력하는 출력 증폭부를 포함하는 특징으로 한다.

또한, 상기 위상 감도감지부와 상기 출력 증폭부 사이에 연결되어, 상기 위상 감도감지부에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거해 상기 출력 증폭부 측으로 출력하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호 발생기는, 아날로그 신호를 발생시키는 신호 발생부, 상기 신호 발생부의 출력을 입력받아 상기 인가신호로 변조하여, 상기 튜닝포크부로 출력하는 제1전압 추종부, 상기 제1전압 추종부와 병렬로 연결되되, 상기 신호 발생부의 출력을 입력받아 상기 기준신호로 변조하여 상기 위상 감도감지부로 출력하는 제2전압 추종부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호 발생기는, 사각파인 아날로그 신호를 발생시키는 신호 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 신호 발생기는, 기 인가신호와 상기 기준신호를 소정 주파수 범위에서 소정 주파수 간격으로 변화시키면서 발생시키되, 변화된 주파수마다 소정 시간을 유지해, 계단식으로 신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜닝포크부에 전원을 인가하는 제1전원부를 더 포함하고, 상기 신호 발생기는, 상기 제1전원부가 상기 튜닝포크부에 전압을 인가한 후, 기설정된 안정화 시간 이후 상기 인가신호와 상기 기준신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.

또한, 상기 튜닝포크부는, 상기 변화된 주파수마다 측정된 신호의 평균을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜닝포크부는, 주파수가 변화하고 소정 시간이 경과한 후부터 측정된 신호의 평균을 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜닝포크부가 수용되는 튜닝포크 모듈, 상기 튜닝포크 모듈이 수용되는 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입력 증폭부는, 게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 입력 게인 회로, 상기 입력 게인 회로에서 설정된 게인값에 따라 상기 튜닝포크부로부터 수신한 신호를 증폭시키는 입력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 출력 증폭부는, 게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 출력 게인 회로, 상기 출력 게인 회로에서 설정된 게인값에 따라 상기 위상 감도감지부에서 수신한 신호를 증폭시키는 출력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치에 의하면, 상대적으로 작은 크기로 휴대가 가능하고, 높은 정확도로 유체의 점도를 측정할 수 있는 유체의 점도 측정 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치의 신호 발생기의 세부 블록도이다.
도 3은 Normal pulse voltammetry와 Stair case voltammetry를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 튜닝포크부(200)에서 출력되는 값들에 이동평균이 적용되기 전과 후를 도시한 것이다.
도 5는 신호 발생부에서 주파수를 계단식으로 변화시키는 그래프를 도시한 것이다.
도 6은 튜닝포크가 수용되는 튜닝포크 모듈(210)과 케이스(220)의 일부분이 절단된 상태를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시예들에 의한 유체의 점도 측정 장치에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치는, 신호 발생기(100), 튜닝포크부(200), 입력 증폭부(300), 위상 감도감지부(400), 출력 증폭부(600)를 포함한다.

신호 발생기(100)는 흔히 함수 발생기(Function generator)라고 부르는 장치와 기능적으로 동일하며, 인가신호와 기준신호를 발생시켜 출력한다. 신호 발생기(100)에서 출력되는 인가신호는 후술할 튜닝포크부(200)로 출력되고, 신호 발생기(100)에서 출력되는 기준신호는 후술할 위상 감도감지부(400)로 출력된다. 신호 발생기(100)는 SMA 케이블을 통해 위상 감도감지부(400)와 연결될 수 있다.

튜닝포크부(200)는 튜닝포크를 포함한다. 튜닝포크는 적어도 일부가 점도를 측정하고자 하는 유체에 담기고, 신호발생기로부터 인가신호를 수신해 진동한다. 튜닝포크부(200)는 튜닝포크가 진동하여 유체로 전달된 신호, 즉 유체의 점도에 의해 변형된 신호를 측정할 수 있는 일종의 진동센서를 더 포함할 수 있고, 진동센서에서 센싱된 신호를 출력한다.

본 발명에서 튜닝포크부(200)는 유체의 점도를 측정하기 위해 튜닝포크가 담긴 유체의 공진주파수를 계측한다. 본 발명에서 튜닝포크는 일반적인 진동자에 비해 Q인자(Q-factor, quality factor)가 매우 높은 특징을 가진다. Q인자는 유체의 공진주파수를 f₀, 주파수 변화량을

라고 할 때, Q인자는 공진주파수 f₀를주파수 변화량

로 나눈 것으로 정의된다. Q인자가 큰 튜닝포크는 공진주파수로부터 주파수가 변화할 경우, 변화된 진동수가 작아도 공진형상이 매우 감소한다. 따라서 본 발명에서 튜닝포크는 측정하는 유체의 공진주파수 부근에서만 크게 진동하여, 측정된 공진주파수 데이터의 신뢰성과 정확성을 높인다. 일예로, 본 발명에서 튜닝포크는 대기상에서 10,000 이상의 Q인자를 가지며, 32,768Hz 부근의 고유 진동수를 가질 수 있다. 튜닝포크는 두 개의 전극을 가지며, 점퍼선을 통해 다른 회로와 원활한 연결이 가능하다.

입력 증폭부(300)는 튜닝포크부(200)에서 출력된 신호를 수신해 증폭시켜, 입력신호를 출력한다.

위상 감도감지부(400)는 입력신호와 기준신호를 수신해, 입력신호에 포함된 유체의 점도에 따른 신호만을 추출해 출력한다. 위상 감도감지부(400)는 Lock in amplifier라는 장치로, 작은 크기의 전압 신호의 추출 또는 노이즈가 포함된 신호의 추출에 사용된다. 보다 구체적으로, 위상 감도감지부(400)는 좁은 대역폭을 가진 미세한 신호 값을 주변 환경의 노이즈로부터 분리시켜 출력한다. 본 발명에서 위상 감도감지부(400)는 입력신호와 기준신호를 수신해, 두 개의 위상을 비교하여 그 유사성을 직류 전압의 크기로 변환하여 출력한다. 이때, 입력신호와 기준신호는 위상 감도감지부(400)를 구성하는 전자소자의 동작 범위보다 크다. 이를 위해, 위상 감도감지부(400)는 수신된 입력신호와 기준신호의 합과 차에 해당하는 신호를 출력하는 주파수 믹스를 포함할 수 있다.

출력 증폭부(600)는 위상 감도감지부(400)에서 출력된 신호를 수신해 증폭시켜 출력한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치는, 저역 통과 필터(500)를 더 포함한다.

저역 통과 필터(500)는 위상 감도감지부(400)와 출력 증폭부(600) 사이에 연결되어, 위상 감도감지부(400)에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거해, 출력 증폭부(600)측으로 출력한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치의 신호 발생기의 세부 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 신호 발생기(100)는, 신호 발생부(110), 제1전압 추종부(120) 및 제2전압 추종부(130)를 포함한다.

신호 발생부(110)는 직접 디지털 합성(Direct Digital Synthesis, DDS) 회로로 구현될 수 있다. 직접 디지털 합성 회로는 디지털 방식을 이용해 아날로그 파형을 생성하는데, 주파수나 위상을 거의 즉각적으로 변경할 수 있으므로, 주파수 편이 방식이나, 확산 스펙트럼과 같은 디지털 변조 기술의 주요 소스로 사용하기 용이하다.

신호 발생부(110)는 정현파가 아닌 사각파를 발생시킬 수 있다. 본 발명과 같이 소형화된 내장형 시스템을 통해 신호를 생성하는 경우, DAC(Digital Analogue Converter)의 비트 수로 입력 전압을 나눠야 하는데, 일반적인 정현파 신호를 인가하면 전압의 크기가 비트 수만큼 감소한다. 만약 신호 발생부(110)에 포함된 DAC의 비트가 10비트일 경우, 아래 수식과 같이 신호 발생부(110)의 출력은 감소하게 된다.

이러한 문제점을 극복하기 위해, 본 실시예에서 신호 발생부(110)는 소형화된 시스템에서 안정적으로 입력 진폭의 소실 없이 신호를 인가하기 위해 사각파를 인가한다.

제1전압 추종부(120)와 제2전압 추종부(130)는 서로 동일한 회로로, 서로 병렬로 연결되며, 신호 발생부(110)의 출력을 입력받는다. 제1전압 추종부(120)와 제2전압 추종부(130)는 명칭 그대로 voltage follower이며, 신호 발생부(110)의 출력을 입력받아 변조(증폭)시켜 출력한다.

제1전압 추종부(120)와 제2전압 추종부(130)가 서로 병렬로 연결되어 신호 발생부(110)와 연결되는 이유는, 신호 발생부(110)에서 생성되는 신호를 안정적으로 증폭하되, 동일 진폭으로 증폭하고, 동일위상으로 출력시키기 위한 것이다. 제1전압 추종부(120)는 후술할 튜닝포크부(200)측으로 인가신호를 출력하고, 제2전압 추종부(130)는 위상 감도감지부(400)측으로 기준신호를 출력한다.

일예로, 신호 발생기(100)는, 상술한 신호 발생기(110), 제1전압 추종부(120) 및 제2전압 추종부(130)를 포함하고, 신호 발생기(110)에서 정현파 대신 사각파를 출력하여, 상대적으로 낮은 전압인 2.2V를 이용해 높은 점도를 가지는 유체(예를 들어 오일)의 점도를 측정할 수 있다. 이러한 신호 발생기(100)의 구성을 통해, 종래 상대적으로 큰 부피를 가지는 종래 탁상형 계측기와 달리, 본 발명에 의한 유체 점도 측정 장치는 소형화가 가능하다.

본 발명에서 점도 측정의 측정 표준편차를 감소하기 위해, 아래와 같은 기술요소를 적용한다.

신호 발생기(100)는, 인가신호와 기준신호를 소정 주파수 범위에서 소정 주파수 간격으로 변화시키면서 발생시키되, 변화된 주파수마다 소정 시간을 유지해, 계단식으로 신호를 발생시킨다. 일반적으로 주파수 펄스를 인가하는 방법은, 주파수 펄스를 인가하는 시간인 듀티 조정에 따라, Stair case voltammetry와 Normal pulse voltammetry로 구분된다.

도 3은 Normal pulse voltammetry와 Stair case voltammetry를 개략적으로 도시한 것이다.

도 3의 좌측에 도시된 Normal pulse voltammetry의 경우, 주파수 펄스를 소정시간동안 인가한 후, 전압을 유지하지 않아, 일종의 막대그래프 형태를 가진다. Normal pulse voltammetry는 전압의 인가/비인가 과정에서 측정시간이 오래 걸리고, 측정하는 유체의 점도 편차가 크게 나타나 적합하지 않았다. 따라서 본 발명의 신호 발생기는 소정 주파수 범위에서 소정 주파수 간격으로 변화시키면서 발생시키되, 주파수를 변경시키는 과정에서 전압을 유지하여 계단식으로 신호를 발생시킨다.

신호 발생부(110)에서 인가신호를 출력하여 튜닝포크가 진동하면, 튜닝포크부(200)는 유체에 의해 변형된 신호를 측정해 출력한다. 앞서 설명했듯, 신호 발생부(110)는 계단식으로 인가신호를 발생시키고, 튜닝포크부(200)는 특정 주파수에서 유체에 의해 변형된 신호를 측정한다. 동일한 주파수에서 유체에 의해 변형된 신호를 측정하는 과정을 1회 스캔이라고 했을 때, 1회 스캔에서 측정되는 값은 다수개로, 일정 범위에서 측정포인트가 있을 수 있다. 이렇듯 1회 스캔에서 측정되는 값이 다수개일 경우, 데이터 처리과정에 있어서 많은 양의 연산이 필요할 수 있으므로, 이를 간소화하는 과정이 필요하다. 이러한 기술적 배경에, 튜닝포크부(200)는 1회 스캔에서 측정된 값들의 평균을 출력할 수 있으며, 이를 이동평균이라고 할 수 있다.

도 4는 튜닝포크부(200)에서 출력되는 값들에 이동평균이 적용되기 전과 후를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 실시예에서는, 1회 스캔의 각 주파수 포인트에서 10us 단위로 200회 평균을 적용한 것이다.

도 5는 신호 발생부에서 주파수를 계단식으로 변화시키는 그래프를 도시한 것이다.

튜닝포크에 전원이 인가되어, 튜닝포크가 담긴 유체에 전류가 인가되면, 튜닝포크의 전도성 전극 주변으로 전기 이중층이 형성된다. 튜닝포크부(200)에서 신호의 측정은, 전기 이중층이 형성되어 전압/전류가 포화하고 난 후가 안정적이다. 따라서 본 발명의 튜닝포크부(200)는 초기에 전원이 인가되거나, 주파수가 변화한 후(주파수를 변화시키기 위해 전압을 변경한 후), 소정 시간인 안정화시간이 경과한 후부터, 주파수를 변화하기 전까지의 신호를 측정하며, 특히 앞서 설명했던 이동평균 또한, 안정화시간이 경과한 후부터 주파수를 변화하기 전까지의 신호에 대해서 평균을 구할 수 있다. 도 5를 기준으로 이러한 안정화시간은, ts이다.

도 6은 튜닝포크가 수용되는 튜닝포크 모듈(210)과 케이스(220)의 일부분이 절단된 상태를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 튜닝포크부(200)는, 튜닝포크가 수용되는 튜닝포크 모듈(210)과 튜닝포크 모듈(210)이 결합되는 케이스(220)를 포함할 수 있다.

튜닝포크는 대부분 쿼츠 크리스탈 등의 파손이 쉬운 물질로 제조된다. 따라서 튜닝포크는 자동 중 파손되지 않으면서도 튜닝포크의 적어도 일부분이 유체에 용이하게 접촉해야하는 구조가 필요하다. 케이스(220)와 튜닝포크 모듈(210)은 이러한 목적을 위해 구비된다.

케이스(220)는 내부공간을 가지며, 일자형으로 배치된 구성을 가지며, 일정 정도 이상의 강도를 가지는 재질로 형성된다. 케이스(220)는 상측이 개방되고, 하면에 홀이 관통 형성된 구조로, 케이스(220)의 개방된 상측에는 튜닝포크 모듈(210)이 결합된다. 케이스(220)와 튜닝포크 모듈(210)간의 결합은 나사결합방식, 억지끼움방식, 커넥터 방식 등 다양한 방식으로 결합될 수 있다. 튜닝포크 모듈(210)은 튜닝포크와 튜닝포크와 접촉한 유체에 의해 변형된 신호를 측정하기 위한 센서와 같은 장치를 포함할 수 있다. 튜닝포크 모듈(210)과 케이스(220)의 결합면에는 오-링과 같은 씰링수단이 위치하여, 유체의 누출을 방지할 수 있다. 작업자는 튜닝포크를 교체하고자할 때, 케이스(220)의 상부에 결합된 튜닝포크 모듈(210)을 교환하여, 보다 용이하게 튜닝포크를 교체할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 입력 증폭부(300)는, 게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 입력 게인 회로(320) 및 입력 게인 회로(320)에서 설정된 게인값에 따라 튜닝포크부(200)로부터 수신한 신호를 증폭시키는 입력 증폭기(310)를 포함한다.

입력 게인 회로(320)는 튜닝포크부(200)에서 출력된 신호의 증폭 정도, 즉 게인(gain) 값을 조절할 수 있다. 입력 게인 회로(320)는 병렬로 연결되는 다수개의 저항들과 저항에 직렬로 연결되는 스위치들로 구성되어, 스위치의 ON/OFF에 따라 신호의 증폭 정도를 결정할 수 있다.

입력 증폭기(310)는 입력 게인 회로(320)에서 결정된 게인값에 따라 튜닝포크부(200)로부터 수신한 신호를 증폭시켜 입력신호를 생성하여 위상 감도감지부(400)측으로 출력한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 출력 증폭부(600)는, 게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 출력 게인 회로(620) 및 출력 게인 회로(620)에서 설정된 게인값에 따라 위상 감도감지부(400)에서 출력된 신호를 수신해 증폭시키는 출력 증폭기(610)를 포함한다.

출력 게인 회로(620)는 앞서 설명한 입력 게인 회로(320)와 마찬가지로 병렬로 연결된 다수개의 저항들과 저항에 직렬로 연결되는 스위치들로 구성되어, 스위치의 ON/OFF에 따라 신호의 증폭 정도를 결정할 수 있다.

출력 증폭기(610)는 출력 게인 회로(620)에서 결정된 게인값에 따라 위상 감도감지부(400)에서 출력된 신호를 증폭시켜 출력한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 구성을 가져, 최종적으로 출력 증폭부(600)에서 출력되는 신호는, 측정대상인 유체의 점도에 따른 피크 주파수이다. 출력 증폭부(600)에서 출력되는 값인 피크 주파수는 유체의 점도값은 아니기 때문에, 피크 주파수를 점도로 변환하는 과정이 별도로 필요하다. 종래 이러한 피크 주파수를 점도로 변환하는 방법 및 과정은 종래에 다양한 문헌에 개시되어 있으며, 크기 다른 장비에서 기설정된 변환식에 본 발명의 출력 증폭부(600)에서 출력된 피크 주파수를 적용하여 점도를 환산하는 방식을 사용하거나, 출력 증폭부(600)에서 출력된 피크 주파수와 Q factor를 사용하는 방식을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 종래의 방식을 이용하여 출력 증폭부(600)에서 출력되는 피크 주파수를 점도로 변환하거나, 피크 주파수와 Q factor를 모두를 이용하여 유체의 점도로 변환하는 변환부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 피크 주파수와 Q factor를 이용하여 유체의 점도로 변환하는 종래의 방식에 대해서는, "Reduced order models for resonant viscosity and mass density sensors", M. Heinisch, T. Voglhuber-Brunnmaier, E.K. Reichel, I. Dufour, B. Jakoby, Sensors and Actuaotrs A 220(2014) 76-84와 같은 종래문헌에 개시되어 있으므로, 별도의 설명은 생략한다.

본 발명의 신호 발생기(100), 튜닝포크부(200), 입력 증폭부(300), 위상 감도감지부(400) 및 출력 증폭부(600)를 이용한 신호처리의 과정을 Demodulation이라 칭하며, 이를 통해 튜닝포크의 미세한 저 진폭의 신호를 검출 가능하다. 출력 증폭부(600)의 출력단은 현장에 사용되는 소형 전자기기의 디스플레이와 연결되며, 소형 전자기기에는 공지된 기술인 점도 환산식이 적용되어 있고, 소형 전자기기는 본 발명의 출력 증폭부(600)에서 출력되는 피크 주파수를 입력받아 유체의 점도로 환산하여 출력하여, 사용자는 이를 통해 즉각적으로 유체의 점도를 측정할 수 있다.

본 발명의 위상 감도감지부(400)는 상대적으로 작은 수동/능동소자로 작동하여, 배터리로도 구동 가능한 전압범위(5V 미만)를 사용한다. 이에 따라 본 발명에 의한 유체 점도 측정 장치는, 현장에서 측정 가능한 상대적으로 작은 크기를 가질 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 유체의 점도 측정 장치는, 가상 접지부(700)를 더 포함할 수 있다. 가상 접지부(700)(Virtual ground)는 본 발명에 포함되는 구성들 중, 연산 증폭기 및 기타 부품들의 접지로 활용된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 신호 발생기
110 : 신호 발생부
120 : 제1전압 추종부
130 : 제2전압 추종부
200 : 튜닝포크부
210 : 튜닝 포크 모듈
220 : 케이스
300 : 입력 증폭부
310 : 입력 증폭기
320 : 입력 게인 회로
400 : 위상 감도감지부
500 : 저역 통과 필터
600 : 출력 증폭부
610 : 출력 증폭기
620 : 출력 게인 회로
700 : 가상 접지부

Claims

인가신호와 기준신호를 발생시켜 출력하는 신호 발생기;
적어도 일부가 점도를 측정하고자 하는 유체에 담기고, 상기 신호 발생기로부터 상기 인가 신호를 수신해 진동하는 튜닝포크를 포함하고, 상기 유체에 의해 변형된 신호를 측정해 출력하는 튜닝포크부;
상기 튜닝포크부로부터 신호를 수신해 증폭시켜, 입력신호를 출력하는 입력 증폭부;
상기 입력신호와 상기 기준신호를 수신해, 상기 튜닝포크부에서 유체의 점도에 따른 신호를 추출해 출력하는 위상 감도감지부;
상기 위상 감도감지부에서 출력된 신호를 수신해 증폭시켜 출력하는 출력 증폭부;
를 포함하는 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 위상 감도감지부와 상기 출력 증폭부 사이에 연결되어, 상기 위상 감도감지부에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거해 상기 출력 증폭부 측으로 출력하는 저역 통과 필터;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 발생기는,
아날로그 신호를 발생시키는 신호 발생부;
상기 신호 발생부의 출력을 입력받아 상기 인가신호로 변조하여, 상기 튜닝포크부로 출력하는 제1전압 추종부;
상기 제1전압 추종부와 병렬로 연결되되, 상기 신호 발생부의 출력을 입력받아 상기 기준신호로 변조하여 상기 위상 감도감지부로 출력하는 제2전압 추종부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 발생기는,
사각파인 아날로그 신호를 발생시키는 신호 발생부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 신호 발생기는,
상기 인가신호와 상기 기준신호를 소정 주파수 범위에서 소정 주파수 간격으로 변화시키면서 발생시키되, 변화된 주파수마다 소정 시간을 유지해, 계단식으로 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 튜닝포크부는,
상기 변화된 주파수마다 측정된 신호의 평균을 출력하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제6항에 있어서,
상기 튜닝포크부는,
주파수가 변화하고 소정 시간이 경과한 후부터 측정된 신호의 평균을 출력하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 튜닝포크부가 수용되는 튜닝포크 모듈; 및
상기 튜닝포크 모듈이 수용되는 케이스;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 입력 증폭부는,
게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 입력 게인 회로;
상기 입력 게인 회로에서 설정된 게인값에 따라 상기 튜닝포크부로부터 수신한 신호를 증폭시키는 입력 증폭기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 출력 증폭부는,
게인을 조절하여 증폭하는 정도를 조절하는 출력 게인 회로;
상기 출력 게인 회로에서 설정된 게인값에 따라 상기 위상 감도감지부에서 수신한 신호를 증폭시키는 출력 증폭기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 점도 측정 장치.