KR920003535B1 - 유체상태의 계측방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

유체상태의 계측방법
제1도는 유체와 감지소자의 온도차(△θW)와 유체의 동적점성도(動的粘性度) ( )와 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제2도는 유체와 감지소자의 온도차(△θW)와 유체의 흐름의 빠르기(μ)와 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제3도는 감지소자로서 장축(長軸)방향이 서로 직교하는 3개의 금속선을 사용하였을 경우의 유체의 방향 분포도.
제4도는 유체속에 열전도율이 다른 물질이 있을 경우의 유체와 감지소자의 온도차(△θW)와 금속편의 량과 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제5도는 기체, 액체 및 기체와 액체의 공존하고 있을때의 온도차(△θW)와 기체 또는 액체의 온도와 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제6도는 시정수(時定數)가 작은 △θ Wi의 경시적 변동에 있어서의 온도차(△θ W)와 감지소자와 시관과의 관계를 나타낸 도면.
제7도는 온도차와 유체의 온도와 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제8도는 감지소자의 설명도.
제9도는 치이즈카아드(cheese card)제조에 있어서의 유체의 온도(θ
Figure kpo00001
), 감지소자의 온도(θW)온도차(△θ W)와 시간과의 관계를 나타낸 도면.
제10도는 계측장치 시스템을 나타낸 설명도.
제11도는 금속편분사유와 마사용유(未使用油)의 θw/ θ
Figure kpo00002
(1+
Figure kpo00003
w θw)와
Figure kpo00004
와의 관계를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 스테인레스막대 2 : 테플론(teflon)
3 : 백금선 4 : 테플론
5 : 탱크 6 : 전류원
7 : 전압측정장치 8 : 제어장치
본 발명은 유동하는 유체(기체, 액체, 고체 혹은 이것들의 2종류 이상에 의하여 구성되는 모든유체, 경시적으로 서로 변화가 생기는 유체)의 흐름의 상태를 인라인으로 총합적으로 (점성, 흐름의 속도, 흐름의 방향분포, 조성, 구조등의 변화) 계측할 수 있는 유체상태의 계측방법에 관한 것이다.
점도나 유속등의 직접계측은, 유체에 관한 여러가지 공업분야에서 공정관리상 매우 중요하며, 특히 공정의 자동화에 있어서는 불가결의 전제조건이다. 그러나, 유체의 상태중에서 가장 중요한 특성치의 하나인 점성에 관하여는 일정용량의 액체가 짧은 관속을 유하함에 필요한 시간의 길이나, 세관속을 일정한 속도로 통과할 때에 관측하게 되는 세관의 유입구와 유출구와의 압력차를 계측하여 점도변화를 상대적으로 검출하는 방법등이 일부 실용화되어 있을 뿐이어서 유체어 관한 일반의 공정관리에 널리 응용보급함에 이르지 못하였다.
왜냐하면 유체속에 함유되는 먼지등의 고형물에 의한 세관의 폐쇄나, 고점성액체의 틱소트로피(thixotropy)에 관계하는 거동때문에 이러한 방법을 적용할 수 있는 유체가 먼지등을 함유하지 않는 점도가 낮은 액체만으로 한정되어 있었기 때문이다.
그런데 실제의 공정에서는 상술한 바와 같은 맑은 지점도액체는 오히려 예외적인 액체이며, 고점도의 슬러리, 교반등에 의하여 점도가 급격히 저하하는 인쇄잉크나 식품겔류, 혹은 소량의 기포를 함유하는 액체기포의 크기가 경시적으로 변화하는 포말, 기체속에 물방울이 부유하는 계통, 액체속에 기름방울등의 콜로이드나, 금속편등의 미소한 고형분을 분산하는 계통등등, 실로 여러가지 종류, 여러가지 모양의 유체가 존재한다. 그때문에 실제의 공정중에서 공정관리등을 목적으로 하여 유체의 점도, 그렇지 않으면 점도에 관한 총합적 유통 특성치를 공업적으로 직접 계측하는 것은 종래 사실상 곤란하였다.
이와 같은 현상에 대하여 최근 점도계측의 새로운 방법으로서 종래의 역학적 방법과는 원리적으로 다른 계측방법을 제안하였다.
즉, 젖의 응고공정에 있어서, 젖속에 금속으로된 가는 선을 준비하여 넣고 이 금속세선에 전류를 단속적으로 또는 연속적으로 통전하면서 금속세선의 온도를 경시적으로 측정함에 따라 젖의 응고상태를 판정하는 방법, 즉 통전가열된 금속선의 온도상승으로부터 젖의 응고를 검출하는 방법은 일본국 특허공개 소화 59-217162호로서 제안되어 있으며 또 액체물질 그렇지 않으면 반고체상 물질속에 금속세선을 준비하여 넣은 다음 이 금속세선에 각 물질의 온도와 금속세선의 온도와의 차가 일정치를 유지하도록 연속적 또는 단속적으로 전류를 통하여 그때의 전류값을 측정하고 이 전류측정치에 따라서 상술한 금속세선의 표면에 있어서의 열전도율을 산출하므로서 액체물질 또는 반고체상물질의 물성변화를 측정하는 방법(일본국 특개소 60-152943호), 즉 금속선의 통전소요량으로부터 유체의 물성치를 산출하는 방법이다.
그러나, 이상과 같은 종래의 방법은 어느 것이나 정지 또는 실질적으로 정지한 액체로서 또한 그 조성 및 상(phase)이 변화하지 않는 특정한 유체의 점도계측에 관한 것이며, 전술한 각종 유체로된 일반의 공정관리에 널리 응용하는 것은 곤란하다.
나아가서 실제의 공정관리에 응용하기 위하여는 많은 경우 점성이라고 하는 특정한 물성치만을 정확히 계측하느니 보다는 오히려 물성치 그 자체가 아니드라도, 즉 학술적 의의는 다소 적다지만 점성이나 유속, 속도분포, 조성변화, 상변화등의 유체의 상태변화전체를 총합적으로 반영하는 량의 편이보다 적당한데, 종래의 방법에서는 이 측정이 곤란하였다.
따라서 본 발명의 기술적과제는 유체의 상태전체를 공정관리에 응용한다고 하는 관점에서 관망할때, 더욱 양호하게 반영하였으며, 또한 인라인으로 연속 계측할 수 있는 유체의 상태의 총학적 또한 직접적인 계측방법을 제고함을 목적으로 하고 있다.
이 기술적과제를 해결하는 본 발명의 기술적수단은 정지 또는 유동하며, 또한 조성상 및 온도가 경시적으로 일정 또는 변동하는 유체와 열적인 접촉을 지녔고 또한 가열하거나 그렇지 않으면 냉각에 의하여 그 유체와 실질적으로 다른 온도를 지닌 단일 또는 장축방향의 상이한 여러개의 감지소자의 온도, 유체의 온도 및 감지소자와 유체와의 온도차를 단속적으로 그렇지 않으면 연속적으로 계측 및 비교하여 유체의 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 것을 제1의 방법으로 한다.
또 제1의 방법과 마찬가지로 감지소자의 온도, 유체의 온도 및 감지소자와 유체와의 온도차를 단속적 또는 연속적으로 계측함과 동시에 감지소자의 온도 및 유체의 온도의 계측을 우선하고, 그렇지 않으면 계측중에 그 유체의 열전도를, 체적팽찰률, 감지소자의 주된 구성요소가 임의의 형상으로된 금속세선의 경우의 이 금속세선의 0℃에 있어서의 전기저항 및 전기저항의 온도계수 및 통전가열전류중의 하나 이상을 계측한 다음, 이것들의 계측치 및 감지소자와 유체의 온도를 사용하여 실험식에 기초한 특성치를 산출하여 유체의 상태를 총합적으로 판단하는 것을 제2방법으로 한다.
이 기술적수단에 의하면 정지하거나 유동하고 온도가 경시적으로 일정 또는 변동하는 유체의 흐름의 총합적인상태, 즉 점성, 흐름의 크기나 방향, 상, 고형물이나 기체의 함유량등의 경시적변화가 이 유체와 실질적으로 상이한 온도로 가열 또는 냉각된 감지소자를 열적으로 접촉시키면서 이 유체의 온도 감지소자의 온도 및 이것들 온도의 차를 계측, 비교함에 따라서, 그렇지 않으면 이것들의 계측과 동시에 유체의 열전도를, 체적팽창률 등을 보완계측함에 따라서 유체의 상태를 총합적으로 판정할 수 있었다.
다음에, 본 발명의 방법에 대하여 상세히 설명한다. 정지 또는 유동하는 유체속에 저항온도계등의 종래의 온도측정센서를 고정하여 이 유체의 온도(θ
Figure kpo00005
)를 계측하고 동시에 같은 유체속에 침지고정하는 등의 방법에 의하여 유체의 온도보다 실질적으로 높게 가열, 또는 냉각된 경계면을 지닌 단일 또한 장축방향의 상이한 여러개의 감지소자(예를들면 발열체를 매립(imbedding)한 세라믹막대), 백금선의 패턴을 열처리한 세라믹판, 백금선의 코일을 내열수지에 매립하여 그 주위를 스테인리스로 씌운것, 그렇지 않으면 펠티에 효과를 이용한 흡열 소자로 구성한 막대모양 또는 판상의 것을 이, 유체와 열적으로 접촉시키면서, 이 감지소자의 온도(θwi,i=1~nin은 감지소자의 수)를 계측하고 나아가서 이 유체와 전술한 감지소자의 온도차를 절대치((△θwi=1 wi-θ
Figure kpo00006
1, i=1~n)를 산출하여, 이것들 각 온도 θ
Figure kpo00007
, θwi, θwi를 경시적으로 계측, 비교하는 등에 의하여 유체의 상태를 총합적으로 판정한다. 여기에서, △θwi는 특히 유용한 특성치이다. 즉, △θ wi는 유체의 동적점성도(γ)와 정의 상관관계를 제1도에 나타내었으며, 한편 유체의 흐름의 빠르기(μ)와 부의 상관관계를 제2도에 나타내었다. 또, 장축방향이 서로 직교하는 3개의 예컨데 금속선을 사용하였을 경우(n=3) 흐름의 빠르기 뿐 아니라, 그 방향 분포(μx,μy,μz)의 크기도 제3도와 같이 검출할 수 있다.
제3도에서, a는 흐름이 없다. b는 x방향 흐름이 있다. c는 xy방향 흐름이었다. d는 z방향 흐름이 있음을 각기 나타내고 있다. 그리고, 유체속에 열전도율의 다른 물질 예컨데 금속코로이드나 미소기포가 분산하면 유체전체로서의 겉보기의 점성변화는 작아도 △θwi값은 제4도에 나타낸 바와 같이 상대적으로 큰 변화를 나타내고 있다.
또, △θwi값은 동적 점성도(r=η/p : η=점성률, p=일도)를 반영하고 있기 때문에, 유체가 기체이면 큰 값을 나타내고, 액체이면, p가 상대적으로 크기 때문에
Figure kpo00008
θwi값은 상대적으로 작은 값으로 되어, 기체와 액체가 공존하고 있는 계에서는 제5도에 나타낸 바와 같이 양자의 중간의 값을 나타낸다.
제5도중에서 a는 액체, b는 기체, c는 액체, d는 기체+액체의 경우를 나타내었다. 나아가서 시정수의 작은
Figure kpo00009
θwi의 경시적변동은 일반공정의 유체에서 극히 보통 관찰할 수 있는 난류에 가까운 작은 흐름의 발생을 나타내고 있다. 제6도에 있어서의
Figure kpo00010
θ w대 시간곡선의 파선은 흩어진 유체의 발생을 나타내고 있다.
만약 유체온도(θ
Figure kpo00011
)가 임의하고, 또한 난류를 나타내는
Figure kpo00012
θwi값의 변동도 관측할 수 있는 상태에서
Figure kpo00013
θwi값이 상승하면 점성률(η)값의 증가, 예컨데 액체의 겔화하는 제7도의 시간대
Figure kpo00014
θw곡선으로 판독할 수 있다. 도면중의 a는 겔화 개시점을 나타내고 있다. 또, 고형물이 섞어들어가는 것, 비등점이 낮은 성분의 증발, 기포의 발생, 성장, 액체의 결정화등 유체의 조성 및 상이 경시적으로 변화하는 계에서는 전술한 유체와 발열체의 온도(θ
Figure kpo00015
, θw) 및 이와 같은 값의차(1θw-θ
Figure kpo00016
1)이외에 유체의 열전도를(
Figure kpo00017
), 체적팽찰률(β), 발열체가 금속세선을 주로한 구성요소로하는 경우에 있어서는 이 금소세선의 0℃에 있어서의 전기저항(Ro) 및 전기저항의 온도계수(
Figure kpo00018
w), 나아가서 금속선의 가열전류도 변화하는 계에 있어서는 이전류값(i)을 계측하여 이상의 체계측값 θ
Figure kpo00019
, θw, 1θw=θ
Figure kpo00020
1,
Figure kpo00021
,β, Ro, w,i의 하나이상으로 정의하는 특성치, 예컨데 1θw-θ
Figure kpo00022
1/(1+
Figure kpo00023
wθw)등을 사용하여 유체의 온도의 영향을 고려한 다음에 유체의 총합적 특성치를 구할 수 있다.
더우기, 열전도률의 계측방법은 여러가지 형태의 것이 있으나, 유체의 열전도율의 측정은 비정상세선가열법을 사용하여 측정하는 것이 바람직하다.
비정상가열법이라함은 유체온도의 계측법과 같은 것으로 금속선 1개를 유체속 에 고정하여 전류를 흐르게 하지만 통상의 유체의 온도측정은 전류를 방류하고 있음에 대하여 열전도률은 전류를 흐르게 한 직후의 1초, 2초에 있어서의 금속선의 온도변화를 보고 측정하는 방법이다. 또 유동하는 유체에서, 유체의 전부 그렇지 않으면 일부를 연속적으로 또는 단속적으로 정지시키는 경우가 있다. 예컨데 점도의 변화를 알고싶은 경우에 있어서, 점도의 변화를 상회하여 흐름의 변화가 크면 흐름의 변화와 점도의 변화와를 나누어서 검출할 수 없으므로 흐름의 영향을 멈추게 하지 않으면 아니된다.
그와 같이 함에 따라 점도의 미소한 변화를 알 수 있다. 그리고, 공정중에 있어서는 완전히 흐름을 멈추게 할 수 없으므로 바이패스를 통하여 흐름을 일시적으로 멈추어서 측정하게 된다.
다음에 실험예에 따라서 보다 구체적으로 설명한다.
[실험예 1]
15㎥용적의 치이즈카이드제조 탱크에 사용하는 감지소자는 제8도에서 볼 수 있는 바와 같이 전기적 절연체인 테플론(2)으로 피복한 스테인레스막대(1)의 주위에 금속세선으로 합금선(3)을 감고, 다시 백금선을 감은 스테인레스(1)를 테플론(4)으로 피복한 것을 사용하였다. 그리고 감지소자의 0℃에 있어서의 저항 약3Ω, 길이 5㎝ 가열전류, 0.4A로하여 양단의 전위차(V)를 계측하여, 그 온도( W)를 관계식 W=(R/Ro-1)/
Figure kpo00024
w를 사용하여, 또 같은 탱크내의 유체(공기, 수증기, 젖, 응고류, 유청(whey)온수, 세정액)의 온도(θ
Figure kpo00025
)를 백금온도 측정저항체를 사용하여 각기 제10도에 나타낸 계측장치계롤 연속 계측하였다. 제10도에서 (5)는 탱크, (6)은 전류원, (7)은 전압측정장치, (8)은 제어장치를 뜻한다.
여기에서, R=전기저항,
Figure kpo00026
w=전기저항의 온도계수를 나타내고 있다. 우선, 탱크내의 비엇을 경우, 유체온도(θ
Figure kpo00027
)는 실온에 가깝고 상대적으로 낮은 값을 나타내고 있으나, △θw는 공기의 동적점성도(γ)값을 반영하여 제9a도와 같이 큰값을 나타내었으나 살균하기 위하여 탱크내에 열탕을 산포하면 제9도와 같이 감지소자의 온도(θ
Figure kpo00028
)는 열탕의 온도때문에 상승하지만 열탕과 감지소자의 온도차(△θw)는 열탕의 동적점성도(γ)값을 반영하여 급격하게 작아지며, 또 산포함에 따른 난류상태를 나타낸다.
살균이 종료하여도 탱크안이 비게되면, 열탕의 온도(θ
Figure kpo00029
)는 강하하고 온도차(△θw)는 재차상승하여 젖공급 완료에 따른 θw의 제9d도에 나타낸 급격한 강하까지 그 상태가 제9c와 같이 이어진다. 제9d-f도까지의 응고공정에서는 d-e의 효소반응을 한 다음 응고에 따른 점성도(η)값의 상승(겔화, 여기에서 θ
Figure kpo00030
=일정), 응고류의 절단에 따른 흐름에 기인하는 온도차(△θw)의 강하가제9f도와 같이 관측되어 유청의 일부의 탱크밖으로의 배출에 따라, 탱크내의 액면이 내려가면 온도차(△θw)가 제9g도와 같이 급상승한다.
나아가서, 제9h도와 같이 온탕산포에 이어지는 격렬한 교반(제9i도)을 거쳐 탱크안은 비게되고(제9j도), 물을 압출(제9k도)한 다음, 다음의 응고공정으로 옮기고(제9도 l) 최후에 가열한 알칼이 및 산 세정액을 사용하는 세정처리(제9m도)를 거쳐 일련의 카아드제조 공정을 완료한다.
이상와 같이 본발명의 방법을 이용하면 탱크내에 있어서의 여러가지 유체의 상태변화가(θ
Figure kpo00031
), (θw), (△θw)값으로부터 총합적으로 계측할 수 있었다.
[실험예 2]
아직 사용하지 않은 광물유 및 100ppm의 금속편(직경약 1㎛)을 분산시킨 광물유의 속에 길이 100㎜, 직경 0.1㎜의 백금선(Ro=1.3186Ω)을 수직으로 고정하고, 시료로서의 기름을 45℃에서 약 1℃/hr의 빠르기로 냉각하면서, 이 백금선의 전류가 0.7A의 통전가공시의 온도(θw)를 계측하여 θw- θ
Figure kpo00032
/(1+
Figure kpo00033
wθw)대광물유의 온도 θ
Figure kpo00034
의 관계를 구하였던바 광물유의 온도(θ
Figure kpo00035
)의 강하에 따른 동적점성도(γ)값의 증가 혹은 금속편분산 및 비등점이 낮은 성분의 증발에 의한 유체의 점도에 관한 총합적 특성치의 변화가 제11도와 같이 명확하게 관측되었다.

Claims (4)

  1. 정지하고 있거나 유동하며, 또한 조성, 상(相) 및 온도가 경시적으로 일정 또는 변동하는 유체와 열적인 접촉을 지니고 또한 가열하거나 냉각에 의하여 이 유체와 실질적으로 상이한 온도를 지닌 단일 그렇지 않으면 장축방향의 상이한 여러개의 감지소자의 온도, 유체의 온도 및 감지소자와 유체소자와의 온도차를 단속적으로 또는 연속적으로 계측 및 비교하여 유체의 상태를 판정하는 것을 특징으로 하는 유체상태의 계측방법.
  2. 제1항에 있어서, 유동하는 유체에서 이 유체의 전부 그렇지 않으면 일부를 연속적 또는 단속적으로 정지시키는 유체상태의 계측방법.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서, 유체가 기체, 액체, 고체 그렇지 않으면 이것들 2종류 이상으로 구성하는 물질인 유체상태의 계측방법.
  4. 정지하거나 유동하며 또한 조성, 상 및 온도가 경시적으로 일정 또는 변동하는 유체와 열적인 접촉을 지니고 또한 가열하거나 냉각에 의하여 이 유체와 실질적으로 상이한 온도를 지닌 단일 그렇지 않으면 장축 방향의 상이한 여러개의 감지소자의 온도, 전술한 유체의 온도 및 감지소자와 유체와의 온도차를 단속적으로 또는 연속적으로 계측함과 동시에 감지소자의 온도 및 유체온도의 계측에 우선하거나 그렇지 않으면 계측중에 이 유체의 열전도를, 체적팽찰률, 감지소자의 주된 구성요건이 임의의 형상으로된 금속세선의 경우의 이금속세선의 0℃에서의 전기저항 및 전기저항의 온도계수 및 통전가열전류중의 하나 이상을 계측하고 이러한 계측치 및 감지소자와 유체의 온도를 사용하여 실험식에 기초하는 특성치를 산출하므로서 유체상태를 종합적으로 판단하는 유체상태의 계측방법.
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