KR20070081842A

KR20070081842A - 형광빛 측정에 의한 오일 산화도 실시간 모니터링방법 및장치

Info

Publication number: KR20070081842A
Application number: KR1020060014055A
Authority: KR
Inventors: 공호성; 윤의성; 한흥구; 마르코바 루바; 세멘뇨크 미하일; 마카렌코 블라디미르
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-20
Anticipated expiration: 2026-02-14
Also published as: US7391035B2; KR100789724B1; US20070187617A1

Abstract

본 발명은 오일 산화 측정대상 기계에 탑재가능하고, 오일의 산화에 따른 형광빛 방출 비율의 변화를 측정하여 오일 산화도를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링방법은 자외선을 오일에 비추는 단계; 오일로부터 방출되는 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도를 측정하는 단계; 측정된 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도 중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값과 짧은 파장 영역에서 측정된 값을 결정하는 단계; 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율로서 형광빛 방출 비율을 산출하는 단계; 그리고 오일의 사용시간 경과에 따른 형광빛 방출 비율의 변화를 모니터링하는 단계를 포함한다.

오일, 산화도, 자외선 발광수단, 형광빛, 컬러 센서

Description

형광빛 측정에 의한 오일 산화도 실시간 모니터링방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MONITORING OIL OXIDATION IN REAL TIME BY MEASURING FLUORESCENCE}

도 1a는 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치가 오일 순환 라인에 장착된 상태를 보인 개략도.

도 1b는 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치가 오일 탱크에 장착된 상태를 보인 개략도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치를 보인 단면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치를 보인 단면도.

도 4a는 도 2의 모니터링장치에서 자외선 발광수단과 컬러 감지수단의 구경각과 광학 윈도우의 두께 사이의 관계를 보인 도면.

도 4b는 도 3의 모니터링장치에서 자외선 발광수단과 컬러 감지수단의 구경각과 광학 윈도우의 두께 사이의 관계를 보인 도면.

도 5는 유압작동유의 신유와 사용유 샘플의 형광빛 방출 스펙트럼을 보인 그래프.

도 6은 신유와 사용유 샘플에 대한 컬러 센서의 상대 분광감도와 상대 분광 형광 방출을 보인 그래프.

도 7은 신유와 사용유 샘플에 대한 녹색과 청색 파장영역에서의 형광빛의 상대 유효 분광 강도를 보인 그래프.

도 8은 신유와 사용유 샘플에 대한 컬러 센서의 상대 출력값을 보인 그래프.

도 9는 유압작동유의 산화과정에서 나타나는 형광빛 방출 비율(FER)의 변화를 보인 그래프.

도 10은 신유와 사용유 샘플의 이론적인 FER데이터와 실제 산출된 FER데이터를 비교하고, FER데이터와 전산가 사이의 상관관계를 보인 그래프.

도 11a 내지 도 11c는 광유의 신유와 사용유 샘플에 대해 실제 산출된 FER데이터와 전산가 사이의 상관관계를 보인 그래프.

도 11d는 합성유의 신유와 사용유 샘플에 대해 실제 산출된 FER데이터와 전산가 사이의 상관관계를 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,30: 하우징

12,32: 자외선 다이오드

14,34: 컬러 센서

16,36: 광학 윈도우

33: 제1 광섬유

35: 제2 광섬유

본 발명은 오일 산화도 실시간 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오일 산화 측정대상 기계에 탑재가능하고, 오일의 산화에 따른 형광빛 방출 비율의 변화를 측정하여 오일 산화도를 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

작동유체의 화학적, 물리적 분석은 작동유체의 상태뿐만 아니라, 그 작동유체가 사용되고 있는 기계장치의 마모상태에 대한 정보를 제공한다. 작동유체에 대한 분석은 윤활조건과 마모 메커니즘 등을 결정하는데 폭넓게 이용된다. 작동유체에 대한 분석은 많은 산업분야에서 공통적으로 채택되어져 왔고, 최근 실시간 분석방법을 개발하기 위한 많은 노력이 행해지고 있다. 실시간 작동유체 분석은 기계가동 중단시간을 최소로 할 수 있으며, 윤활유가 성능을 발휘할 수 있는 마지막 시점까지 사용될 수 있도록 함으로써, 비용절감과 생산성 향상을 가져온다.

통상적으로 오일이 열화됨에 따라, 산화방지 첨가제가 우선 소모된 후, 기유(base oil)가 산화된다. 가장 많이 사용되는 산화방지 첨가제 중 하나인 페놀계 방지제(phenolic inhibitor)는 산화를 야기하는 자유 라디컬(free radical)을 중성화시키는 작용을 하는 반면, 또 다른 산화방지 첨가제인 방향족 아민(aromatic amines)은 자유 라디컬을 트랩(trap)시키는 작용을 한다. 디알킬디티오인산아연(zinc dialkyldithiophosphate, ZDDP)와 같은 몇몇 내마모성 첨가제는 산화방지의 기능을 겸하는 것도 있다. 이러한 내마모성 첨가제는 산화 및 다른 화학반응의 부산물로서 형성된 과산화물을 분해한다. 시간이 경과할수록 산화방지 첨가제는 기유를 더 이상 효과적으로 보호할 수 없을 때까지 소모된다.

산화는 오일 열화의 주요 과정으로서, 금속에 의해 촉진되어지고 열에 의해 가속화되어지는 자유 라디컬 반응에 의해 야기된다. 오일의 산화는 점도와 산성도를 증가시키고, 검(gum), 바니쉬(varnish), 슬러지(sludge) 등과 같은 열화물의 형성을 야기한다.

윤활유 자체의 비용이 막대한 것도 문제이지만, 침식, 바니싱(varnishing), 윤활성 상실, 항유화성(demulsibility) 악화 및 필터 막힘 등이 기계장치에 잠재적이고 추가적인 손상을 입히는 원인들이므로, 윤활유의 상태를 분석하는 것은 기계장치의 수명을 연장시키는데 필수적으로 요구되는 것이다.

전통적으로 유활유의 산화를 측정하는 방법에는 전산가(TAN) 측정방법, 전알칼리가(TBN) 측정방법, 퓨리에 변환 적외선 분광(FTIR) 분석방법 등과 같은 실험실적 측정방법이 있다.

미국 표준규격(ASTM) D664에 따르면, 전산가 측정방법은 샘플링된 오일 내의 산(酸)을 중화시키기 위한 수산화칼륨(KOH) 시약을 채용한다. 중화점에 도달하기 위해 요구되는 알칼리 시약의 양은 오일 내의 산의 농도와 관계한다. 이것은 오일이 산화될 때 유기산화물이 오일 내에서 생성되어 축적됨으로써 전산가가 커지는 현상에 근거한 것이다. 즉, 샘플 오일의 전산가는 오일의 열화도를 나타내는 척도로서, 오일을 교체할 시기를 결정하는데 통상 사용된다.

퓨리에 변환 적외선 분광 분석방법은 오일 내에 존재하는 여러 유기물질 또는 금속유기물질의 농도를 효과적으로 측정하는데 사용된다. 오일이 산화될 때, 하이드로카본 오일 분자들은 가용성 산화 부산물과 불용성 산화 부산물로 재혼합되어진다. 퓨리에 변환 적외선 분광 분석방법은 1800~1670㎝^-1의 파수(wave number)에서 이들 부산물의 축적량을 측정한다. 그러나, 상기와 같은 기술들은 장비의 복잡성과 고비용으로 인해 오일의 산화도를 실시간으로 측정하는데 적용할 수 없는 문제점이 있다.

실시간으로 오일의 상태를 테스트하기 위한 많은 방법과 장치들이 개발되어져 왔는데, 그것들 중 하나가 윤활유의 유전상수 변화를 측정하여 오일의 상태를 모니터링하는 것이다. 이는 교류 임피던스의 변화, LC 공진회로에 접속되었을 때의 주파수 변화 또는 유전 손실 탄젠트(dielectric loss tangent) 변화를 측정함으로써 이루어진다. 미국특허 제6,459,995호에는 오일의 유전율에 근거하여 오일의 상태를 측정하기 위한 방법과 장치가 개시되어 있다. 이에 개시된 장치는 오일에 노출되는 축전식 센서와, 오일의 탄젠트 손실에 따라 그 크기가 달라지는 출력신호를 제공하는 LC 또는 수정 진동자를 포함하는 진동 회로로 이루어진다. 즉, 진동자의 출력은 유전매질(오일)의 손실변화에 따라 변하는데, 유전매질의 손실변화는 오일의 산성도 변화와 극성 산화 생성물(polar oxidation product)에 의해 주로 결정된다. 이러한 진동자 출력의 크기 변화에 의해 오일 상태를 진단할 수 있다. 그러나, 유전상수 측정에 근거한 오일상태 진단방법은 오일열화의 주원인이 연료 혹은 냉각 수의 혼입때문인지, 오일의 산화에 의한 것인지, 또는 입자오염에 의한 것인지를 판별할 수 없다는 단점이 있다.

미국특허번호 제5,789,665호에는 전기저항 측정을 통한 윤활유의 열화 실시간 진단방법 및 장치가 개시되어 있다. 이에 개시된 윤활유 열화 진단장치는 두 개의 투과성 전도표면 사이에서 중합체 비드 매트릭스층(polymeric bead matrix layer)이 채용된 센서를 포함하여 중합체 매트릭스의 전기특성을 측정한다. 비드 매트릭스는 오일의 용해특성을 측정하기 위한 전도성 매질로서 작용하는 이온 그룹을 포함한다. 또한, 상기 윤활유 열화 진단장치는 소량(수 밀리그램)의 이온화 수지 비드(ion-charged resin bead)를 수용하는 전도성 메쉬(mesh)를 지지하는 하우징을 포함한다. 이러한 장치 전체가 오일 내에 잠김으로써 오일이 하우징 내로 유입된다. 이러한 장치를 이용하여 샘플 오일의 상대적인 용해특성 변화와 비드의 상대적인 전기특성 변화의 상호 연관성을 파악함으로써 윤활유의 열화진단이 이루어진다. 다시 말해서, 오일이 무극성 상태(nonpolar condition)에서 산화 오염된 극성 상태(polar condition)로 변화됨에 따라 이온 그룹과 이온화 수지 비드 그룹 사이의 상호작용도 변하게 된다. 그러나, 이러한 열화 진단방법은 신뢰성이 낮고, 오일을 교환할 때마다 기존에 사용되었던 중합체 비드를 교체해야 하는 단점이 있다.

상기와 같은 전기적 방법의 대안으로서, 오일 상태를 모니터링하기 위한 몇몇 광학 기술들이 제안되어 왔으며, 그 중에서 형광분석을 이용한 방법이 있다. 형광분석기술을 오일상태 진단방법에 적용함에 있어 가장 큰 문제점은 오일이 사용됨에 따라 오일의 색상이 어두워지기 때문에 오일의 높은 밀도가 형광빛 방출 신호 측정에 좋지 않은 영향을 끼치는 것이다.

이러한 문제를 피할 수 있는 기술이 채택된 오일 상태 진단방법의 일례가 미국특허번호 제6,633,043호에 개시되어 있다. 이에 개시된 진단방법은 신유와 열화유의 시분해 형광 스펙트럼의 형상이 다른 방식으로 변화하는 현상을 이용한 오일 특성 및 유지문 감식(oil fingerprinting)을 위한 시분해(time-resolved), 레이저 유도 형광 분광법에 관한 것으로, 오일 샘플을 자외선 레이저 펄스에 노출시키는 단계; 시분해 스펙트럼을 형성하기 위한 레이저 펄스의 일시 응답내에서 특정 협소 타임 게이트(specific narrow time gate)에서의 오일 샘플로부터 방사된 빛의 파장의 스펙트럼에 대한 형광 강도를 측정하는 단계; 특정 방출 파장에서의 시분해 스펙트럼을 노멀라이징(normalizing)하는 단계; 시분해 스펙트럼을 파장과 시간 함수의 곡선으로 나타내는 플로팅단계; 상기 플로팅단계에서 나타난 곡선과 이미 알려져 있는 정도로 열화가 진행된 기준 오일에서 나타나는 기준곡선을 비교하는 단계; 그리고 상기 플로팅단계에서의 곡선과 기준곡선과의 유사성에 근거하여 샘플 오일의 상태를 결정하는 단계로 이루어진다. 이를 위한 측정 시스템은 수정 큐베트(quartz cuvette)에 저장된 오일 샘플을 향해 레이저를 조사하기 위한 펄스형태의 UV레이저를 포함한다. 오일 샘플로부터 방출된 형광 신호는 분광을 위한 모노크로메이터(monochromator)의 입구측 슬릿(slit)으로 전달된 후, 모노크로메이터의 출구측 슬릿에 설치된 포토 멀티플라이어(photo multiplier)에 의해 검출된다. 검출된 형광 신호는 게이티드 적분기(gated integrator)와 결합된 신호 프로세서에 보내지고, 컴퓨터에 의해 특정 타임 게이트와 타임 게이트 폭에 따라 형광 신호가 샘 플링되고 디지타이징(digitizing)되어진다. 그러나, 이러한 오일 상태 진단 장치는 실제 기계장치에 탑재하기에 복잡한 구성을 가지고, 고가의 장비를 필요로 하는 문제점이 있다.

오일의 높은 광학 밀도를 고려하여 오일의 산화를 측정할 수 있는 형광분석 기술이 미국특허공개번호 제20050088646호에 개시되어 있다. 오일이 산화하는 동안의 오일 형광빛 변화는 오일의 종류, 예를 들면 베이스 스톡(base stock)과 첨가제 등에 따라 좌우된다. 대부분 오일 형광은 산화에 따라 증가하는데, 오일 형광의 증가가 오일 흡수에 의해 상쇄되어 센서의 출력 신호 변화가 거의 0이 될 수 있다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 두 개의 경로 길이를 가지는 형광 검출기가 구비되어 입사되는 광학 파워에 해당하는 두 개의 출력 신호를 제공하고, 이러한 두 개의 출력 신호에 근거하여 두 개의 파라미터 - 테스트 오일의 형광 방출과 광학 밀도 - 가 동시에 측정되도록 구성된다. 그러나, 이러한 오일 산화 진단방법은 오일의 형광 방출과 광학 밀도를 별도로 측정하기 위해 두 개의 경로 길이를 사용하는 것이 필요하며, 이는 진단장치를 복잡하게 하는 문제점이 있다.

이상에서 설명한 바대로, 종래의 오일 산화 측정 장치 및 방법들은 오일이 사용되고 있는 차량 등과 같은 실제 기계장치에 탑재하는데 있어 많은 한계를 가지고 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 구조가 단순하고 저비용으로 생산이 가능하여 오일 산화 측정대상 기계에 일일이 탑재가 가능하게 됨으로써 실시간으로 오일의 산화도를 모니터링할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링방법은 자외선을 오일에 비추는 단계; 오일로부터 방출되는 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도를 측정하는 단계; 측정된 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도 중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값과 짧은 파장 영역에서 측정된 값을 결정하는 단계; 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율로서 형광빛 방출 비율을 산출하는 단계; 그리고 오일의 사용시간 경과에 따른 형광빛 방출 비율의 변화를 모니터링하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 모니터링방법은 오일의 사용시간 경과에 따라 변화되는 형광빛 방출 비율이 기설정된 임계값에 도달했는지를 판단하는 단계와, 형광빛 방출 비율이 임계값에 도달했으면 오일의 교환시기를 알려주는 단계를 더 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치는 오일을 수용하는 부재의 일측벽에 장착되는 하우징; 하우징에 설치되고, 오일과 접촉하는 경계면을 가지며, 광이 투과되는 광학 윈도우; 광학 윈도우를 통해 오일 내로 자외선을 조사하기 위한 발광수단; 오일로부터 방출되어 광학 윈도우를 통과한 적색, 녹색, 청색 파장 영역의 형광빛을 각각 검출하여 형광빛 방출 강도를 측정하기 위한 감지수단; 그리고 감지수단에 의해 측정된 적색, 녹색, 청색 파장 영역에서의 형광빛 방출 강도 중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값과 짧은 파장 영역에서 측정된 값을 결정하고, 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율을 산출하고, 그 비율의 변화를 모니터링하기 위한 제어부로 이루어진다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 발광수단은 자외선 다이오드이고, 감지수단은 컬러 센서이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 발광수단은 자외선 다이오드와, 자외선 다이오드로부터 방사된 자외선을 광학 윈도우로 전달하기 위한 제1 광섬유를 포함하고, 감지수단은 컬러 센서와, 오일로부터 방출되어 광학 윈도우를 통과한 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛을 컬러 센서로 전달하기 위한 적어도 하나의 제2 광섬유를 포함한다.

바람직하게는, 모니터링장치는 제어부에 연결된 디스플레이수단을 더 포함하고, 제어부는 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율이 기설정된 임계값에 도달했는지를 판단하고, 그 비율이 임계값에 도달했으면 디스플레이수단을 통해 오일의 교환시기를 알려주도록 구성된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치(1)는 그 내부로 오일이 유동하는 오일 순환 라인(2)과 오일이 저장되어 있는 오일 탱크(4)의 일측벽에 장착될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치를 보인 단면도이다.

도시된 바와 같이, 하우징(10)의 내부에는 자외선 발광수단(12)과 컬러 감지수단(14)이 구비된다. 자외선 발광수단(12)으로부터 방사된 자외선은 광학 윈도우(16)를 통해 오일 순환 라인 또는 오일 탱크 내부의 오일 내로 입사되어 오일 형광을 유발시킨다. 오일로부터 방출된 형광빛은 광학 윈도우(16)를 통해 컬러 감지수단(14)에 전달된다. 바람직하게는, 자외선 발광수단(12)으로 최대 파장(λ_max)이 375~400㎚인 저가의 일반적인 자외선 다이오드, 예를 들면, Bivar社의 "LED3-UV-395-30"제품 등이 사용될 수 있고, 컬러 감지수단(14)으로는 Texas advanced optoelectronic solutions社의 "TCS230"제품 등과 같은 컬러 센서가 사용될 수 있다. 컬러 센서(14)는 적색, 녹색 및 청색의 세가지 스펙트럼 범위에서 세가지 출력을 발생시킨다. 이에 의해, 측정대상 오일의 형광방출 스펙트럼에 대응하는 컬러 센서(14)의 세가지 출력을 얻을 수 있다. 이러한 자외선 다이오드(12), 컬러 센서(14) 및 광학 윈도우(16)는 하우징(10)내에 고정된 부시(20, bush)에 장착된다. 자외선 다이오드(12)의 발광을 안정화시키기 위해 포토다이오드(18)가 피드백 회로에 채용되며, 포토다이오드(18), 자외선 다이오드(12) 및 컬러 센서(14)는 인쇄회로기판(22)과 케이블(24)을 통해 제어부(C)에 연결된다. 제어부(C)에는 디스플레이 수단(D)이 연결되어 제어부(C)가 오일의 산화정도가 기준을 초과했다고 판단한 경우 디스플레이 수단(D)을 통해 오일의 교환시기를 외부에 알린다.

오일 순환라인 또는 오일 탱크의 일측벽에 장착가능하도록 하우징(10)의 벽 체 외부에 나사산(11) 등을 형성시킬 수 있다. 또한, 오일 순환 라인 또는 오일 탱크 벽체와 하우징(10) 벽체와의 사이로 오일이 누설되는 것을 방지하기 위해 하우징(10)의 외주면에 오링(26, O-ring)이 설치된다.

오일과 접촉하는 광학 윈도우(16)의 경계면(16a)에는 오일 내의 오염물질이 경계면(16a)에 고착되는 것을 방지하기 위한 소유성(oleophobic) 물질이 코팅되어 있다. 바람직하게는, 소유성 물질로 하이드로플루오르에테르(hydrofluoroether) 용매 중의 플루오르실란(fluorosilane) 중합체가 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 오일 산화도 실시간 모니터링장치를 보인 단면도이다. 본 실시예에서는 자외선 발광수단이 자외선 다이오드(32)와 이로부터 측정대상 오일을 향해 연장구비되는 제1 광섬유(33)를 포함하여 이루어지고, 컬러 감지수단은 컬러 센서(34)와 이로부터 측정대상 오일을 향해 연장구비되는 제2 광섬유(35)를 포함하여 이루어진다. 자외선 다이오드(32)로는 Bivar사(社)의 "LED3-UV-395-30"제품 등이 사용될 수 있고, 컬러 센서(34)로는 MAZeT사의 "MCS3AT" 또는 "MCS3BT" 등의 3요소 컬러 센서 제품 등이 사용될 수 있다.

자외선 다이오드(32)로부터 방사된 자외선은 제1 광섬유(33)와 광학 윈도우(36)를 통해 측정대상 오일로 전달된다. 자외선 다이오드(32)로부터 방사된 자외선을 제1 광섬유(33)의 단부에 집중시키기 위해 자외선 다이오드(32)와 제1 광섬유(33)의 단부 사이에 볼렌즈(37)가 구비된다. 제 1광섬유(33)와 제 2광섬유(35)는 하우징(30)내에 삽입 설치되는 홀더(40)에 의해 지지되고, 자외선 다이오드(32), 컬러 센서(34), 볼렌즈(37)는 홀더(40)의 상단에 결합되는 부시(41)에 장착되며, 광학 윈도우(36)는 너트(42)에 의해 하우징(30)에 고정된다. 오일로부터 방출되어 광학 윈도우(36)를 통과한 형광빛은 제2 광섬유(35)를 통해 컬러 센서(34)로 입사된다. 자외선 다이오드(32)의 발광을 안정화시키기 위해 포토다이오드(38)가 피드백 회로에 채용되며, 포토다이오드(38), 자외선 다이오드(32) 및 컬러 센서(34)는 인쇄회로기판(도시되지 않음)과 케이블(44)을 통해 제어부(C, 도 2참조)에 연결된다. 하우징(30)의 외주면 적정 위치에는 오일의 누설을 막기 위한 오링(46)이 설치된다. 하우징(30)의 상측에는 자외선 다이오드(32), 포토다이오드(38), 컬러 센서(34) 등의 구성요소들을 보호하기 위한 커버(48)가 결합된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 오일 산화도 모니터링장치는 자외선 발광수단과 컬러 감지수단의 광섬유 구비여부, 오일 순환라인 또는 오일 탱크와의 일체화 여부 등의 여러 변수들에 따라 다양하게 설계되어질 수 있다.

도 4a는 도 2의 모니터링장치에서 자외선 발광수단과 컬러 감지수단의 구경각과 광학 윈도우의 두께 사이의 관계를 보인 도면이다. 소정의 굴절률(n_W)을 가지는 광학 유리로 제조되는 광학 윈도우(16)의 최적 두께(h)는 자외선 발광수단(12)의 중심과 컬러 감지수단(14)의 중심 사이의 거리(L), 자외선 발광수단(12)의 구경각(

, aperture angle)과 발광폭(t_UV), 컬러 감지수단(14)의 구경각(

)과 수광폭(t_CS)에 의해 좌우된다. 이 파라미터들은 컬러 감지수단(14)이 오일로부터 방출되는 형광빛을 가능한 한 많이 수광하여 모니터링장치의 민감도를 더 높일 수 있도록 결정되어져야 한다. 컬러 감지수단(14)이 오일로부터 방출되는 형광빛을 가능한 많이 수광하도록 하기 위해서는 컬러 감지수단(14)의 구경이 자외선 발광수단(12)의 구경보다 커야 하고, 자외선 발광수단(12)의 조사범위의 최외곽선(r´, extreme ray)과 컬러 감지수단(14)의 감지범위의 최외곽선(r＂)이 광학 윈도우(16)의 경계면(16a)에서 교차(A지점)되는 것이 바람직하다. 이러한 조건하에서 광학 윈도우(16)의 두께(h)는 다음의 수학식 (1)에 의해 산출되어질 수 있다.

,

여기서, θ_UV는 수직축(V)과 자외선 발광수단(12)의 광학축(O_UV) 사이의 각도이고, θ_CS는 수직축(V)과 컬러 감지수단(14)의 광학축(O_CS) 사이의 각도이고, n_air는 공기의 굴절율이다.

도 4b는 도 3의 모니터링장치에서 자외선 발광수단측 광섬유와 컬러 감지수단측 광섬유의 구경각과 광학 윈도우의 두께 사이의 관계를 보인 도면으로서, 수직축(V)과 자외선 발광수단측 제1 광섬유(33)의 광학축(O_UV) 사이의 각도(θ_UV)와 수직축(V)과 컬러 감지수단측 제2 광섬유(35)의 광학축(O_CS) 사이의 각도(θ_CS)가 모두 0인 특정한 경우를 보인 것이다. 이에 더하여, 제1 광섬유(33)의 중심과 제2 광섬유 (35)의 중심 사이의 거리(L), 제1 광섬유(33)의 발광폭(t_UV), 제2 광섬유(35)의 수광폭(t_CS)이 같다(L=t_UV=t_CS)면 상기 수학식 (1)은 다음의 수학식 (2)로 변환된다.

예를 들어, 자외선 발광수단측 제1 광섬유(33)와 컬러 감지수단측 제2 광섬유(35)가 모두 1㎜의 직경을 가지고, 제1 광섬유(33)의 구경각(

)이 15°이고, 제2 광섬유(35)의 구경각(

)이 30°라면, 굴절률 1.5를 가지는 광학 유리로 제조된 광학 윈도우(36)의 두께(h)는 상기 수학식 (2)에 따라 대략 6㎜가 된다.

도 3과 도 4b에는 제1 광섬유(33)와 제2 광섬유(35)가 각각 한개씩 구비되어 서로 나란하게 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 제1 광섬유(33)는 하나가 구비되고, 제2 광섬유(35)는 제1 광섬유(33)의 주위를 둘러싸도록 다수개가 구비되어 배열될 수도 있다. 이러한 경우, 제2 광섬유(35)의 전체 수광면적이 상대적으로 커지므로 광학 윈도우(36)를 통과하는 더욱 많은 양의 형광빛을 컬러 센서(34)로 전달할 수 있어 보다 높은 광출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

이하에서는, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 오일 산화도 모니터링방법을 설명하기로 한다.

도 5는 유압작동유의 신유와 사용유 샘플의 형광빛 방출 스펙트럼을 보인 그래프이다. 사용유 샘플은 실제 작동중인 기계로부터 순차적으로 추출된 것으로, 사 용유 샘플 B(Sample B)가 사용유 샘플 A(Sample A)보다 더 산화된 상태의 것이다. 스펙트럼은 형광분석기에 의해 여기 파장 (excitation wavelength) 300㎚로 측정된 것이다. 도 5에 명백히 나타나 있는 바와 같이, 오일이 신유(fresh oil)상태에서 사용유 샘플 A상태를 거쳐 샘플 B상태로 더욱 산화될수록 430~470㎚의 청색 파장 영역에서의 형광빛 방출 강도에 대한 470~550㎚의 녹색 파장 영역에서의 형광빛 방출 강도의 비율이 증가된다. 즉, 형광빛 방출 스펙트럼은 오일의 사용시간 경과에 따른 산화로 인해 짧은 파장 영역에서 긴 파장 영역으로 이동함을 알 수 있다. 따라서, 이러한 형광빛 방출 스펙트럼의 이동 현상은 오일의 산화정도를 평가하는데 사용될 수 있으며, 이 때 오일의 광흡수를 고려할 필요는 없다.

상기와 같은 형광빛 방출 스펙트럼의 이동은 다음의 수학식 (3)으로 나타낸 바와 같이, 짧은 파장 영역에서의 형광빛 강도 I_△λshort에 대한 긴 파장 영역에서의 형광빛 강도 I_△λlong의 비율(이하, 형광빛 방출 비율(FER)로 정의함)로 표현될 수 있다.

짧은 파장 영역과 긴 파장 영역에서의 형광빛 강도를 측정하기 위해, 컬러 센서는 적색, 녹색 및 청색의 세가지 파장 영역에서의 빛의 강도를 검출할 수 있는 포토리시버(photoreceiver) 등이 사용될 수 있다.

도 6은 신유와 사용유 샘플 A, B에 대한 적색, 녹색, 청색 파장 영역에서의 컬러 센서의 상대 분광 감도(S_λ/S_λmax, relative spectral sensitivity)와 상대 분광 형광 방출 강도(I_λ/I_λmax)를 보인 그래프이다. 도 6에서 S^*R(λ), S^*G(λ), S^*B(λ)는 각각 적색, 녹색, 청색 파장 영역의 경우를 의미하는 것이고, I^* _f(λ), I^* _A(λ), I^* _B(λ)는 각각 신유, 사용유 샘플 A, 사용유 샘플 B의 경우를 의미하는 것이다.

도 7은 녹색과 청색의 파장 영역에서의 신유에 대한 상대 유효 분광 형광 강도(Relative effective spectral fluorescence intensity, I^*G _eff,f(λ), I^*B _eff,f(λ)), 사용유 샘플 A에 대한 상대 유효 분광 형광 강도(I^*G _eff,A(λ), I^*B _eff,A(λ)), 사용유 샘플 B에 대한 상대 유효 분광 형광 강도(I^*G _eff,B(λ), I^*B _eff,B(λ))를 보인 그래프이다. 도 7에서 적색의 파장 영역에서의 신유와 사용유 샘플 A, B에 대한 상대 유효 분광 형광 강도(I^*R _eff,f(λ), I^*R _eff,A(λ), I^*R _eff,B(λ))의 그래프를 도시하지 않은 것은 그 값들이 거의 0에 가깝기 때문이다.

컬러 센서에 의해 전기신호로 변환되는 유효 분광 형광 강도는 다음의 수학식 (4)에서 나타낸 바와 같이, 컬러 센서의 분광 형광 강도 I(λ)와 상대 분광 감 도 S(λ)의 곱으로 산출된다.

상기 수학식 (4)에 근거하여, 적색, 녹색, 청색의 파장 영역에서의 신유에 대한 상대 유효 분광 형광 강도는 다음과 같이 계산되어진다.

또한, 상기 수학식 (4)에 근거하여, 적색, 녹색, 청색의 파장 영역에서의 사용유 샘플 A에 대한 상대 유효 분광 형광 강도는 다음과 같이 계산되어진다.

또한, 상기 수학식 (4)에 근거하여, 적색, 녹색, 청색의 파장 영역에서의 사용유 샘플 B에 대한 상대 유효 분광 형광 강도는 다음과 같이 계산되어진다.

컬러 센서의 출력 전류는 유효 형광 강도에 비례하고, 다음의 수학식 (14)에 의해 산출될 수 있다.

도 8은 신유와 사용유 샘플 A, B에 대한 컬러 센서의 상대 출력값(Relative color sensor output)을 보인 그래프이다. 도시된 바와 같이, 적색 파장 영역에서 신유와 사용유 샘플 A, B에서 측정된 광의 세기는 거의 0으로서 그 변화를 알아내기가 어렵지만, 청색 및 녹색 파장 영역에서 측정된 광의 세기는 오일이 산화됨에 따라 감소함을 명백히 알 수 있다. 그러나, 도 8의 결과로부터 주목할 것은 신유, 사용유 샘플 A, 사용유 샘플 B에서 각각 측정된 전체 광 세기의 합계 중에서 청색 광과 녹색 광이 차지하는 비율이 상대적으로 달라진다는 것이다. 상세히 설명하면, 전체 광 세기의 합계 중에서 청색 광이 차지하는 비율은 신유의 경우 대략 70%, 사용유 샘플 A의 경우 대략 50%, 사용유 샘플 B의 경우 대략 40%로서, 오일의 산화가 진행됨에 따라 전체 광 세기의 합계 중에서 청색 광이 차지하는 비율은 감소한다. 반면, 전체 광 세기의 합계 중에서 녹색 광이 차지하는 비율은 신유의 경우 대략 30%, 사용유 샘플 A의 경우 대략 45%, 사용유 샘플 B의 경우 대략 60%로서, 오일의 산화가 진행됨에 따라 전체 광 세기의 합계 중에서 녹색 광이 차지하는 비율은 증가한다.

이러한 현상은 청색 파장 영역의 컬러 센서 출력(J_B, J_B=J_△λshort)에 대한 녹색 파장 영역의 컬러 센서 출력(J_G, J_G=J_△λlong)의 비율, 또는 상대적으로 짧은 파장 영역에서의 본 발명의 모니터링장치의 전압 출력값 U_△λshort에 대한 긴 파장 영역에서의 전압 출력값 U_△λlong의 비율로 정의되는 FER 파라미터에 의해 다음의 수학식 (15)와 같이 표현될 수 있다.

상기에서는 적색 파장 영역에서의 오일 형광 강도가 미약하여 녹색 파장 영 역을 긴 파장 영역으로 채택하고, 청색 파장 영역을 짧은 파장 영역으로 채택하여 FER값을 산출하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 즉, 적색, 녹색, 청색 파장 영역 중에서 상대적으로 긴 파장 영역과 짧은 파장 영역을 선택적으로 채택(예를 들면, 적색 파장 영역을 긴 파장 영역으로 채택하고 녹색 파장 영역을 짧은 파장 영역으로 채택)하여 FER값을 산출해 낼 수 있음은 물론이다. 유압작동유의 산화과정에서 나타나는 형광빛 방출 비율(FER)의 변화는 도 9에 도시한 바와 같다.

정리하면, 본 발명에 따른 모니터링장치를 이용하여 특정의 기계장치에 사용되는 오일의 산화도를 실시간으로 모니터링하기 위한 방법은 자외선 발광수단으로부터 자외선을 측정대상 오일에 비추는 단계; 적색, 녹색, 청색 파장 영역에서의 컬러 감지수단의 출력값 J_R, J_G, J_B을 이용하여 각 파장 영역에서의 형광빛 방출 강도를 측정하는 단계; 제어부에서 상기 출력값 J_R, J_G, J_B중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값 J_△λlong과 짧은 파장 영역에서 측정된 값 J_△λshort을 결정하는 단계; 상기 수학식 (15)에 의해 형광빛 방출 비율(FER)을 산출하는 단계; 그리고 기계장치의 작동 과정에서 FER값의 변화를 모니터링하는 단계로 이루어진다.

형광빛 방출 비율(FER)을 산출하고 그 변화를 모니터링하는 과정에서, 제어부(C, 도 2참조)는 FER값이 기설정된 임계값(critical magnitude, 도 9참조)에 도달했는지를 판단한다. 만일, FER값이 기설정된 임계값보다 작으면, 오일 상태가 양호한 것으로 판단하고, FER값이 기설정된 임계값보다 크면, 오일 상태가 불량인 것 으로 판단하여 디스플레이 수단(D, 도 2참조)을 통해 오일의 불량 상태를 디지털 수치의 표시 또는 경고등 표시 등의 방법을 이용하여 오일의 교환시기를 알려준다.

도 10은 유압작동유의 신유와 사용유 샘플 A, B의 이론적인 FER데이터(곡선 2)와 실제 측정된 FER데이터(곡선 1)를 비교하고, FER과 전산가(TAN, 곡선 3)의 상관관계를 보인 그래프이다.

도 11a 내지 도 11c는 광유(Mineral oil, Teresso사의 "T-100"제품, "Rando 32"제품, "DTE-24"제품)의 신유와 사용유에 대해 본 발명의 장치를 이용하여 실제 측정된 FER데이터와 전산가(TAN) 사이의 상관관계를 보인 그래프이고, 도 11d는 합성유(Synthetic oil, Teresso사의 "HF-130"제품)의 신유와 사용유에 대해 본 발명의 장치를 이용하여 실제 측정된 FER데이터와 전산가(TAN) 사이의 상관관계를 보인 그래프이다.

도 10 내지 도 11d로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 오일의 산화도를 모니터링하기 위해 산출하는 FER값이 오일의 산화도 측정을 위해 현재 가장 많이 활용되고 있는 전산가(TAN) 측정값 결과와 상당히 높은 상관 관계를 가짐을 실제 오일 제품에 대한 적용례를 통해 확인할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 형광빛 측정에 의한 오 일 산화도 실시간 모니터링방법 및 장치는 오일이 산화됨에 따라 증가되는 형광빛의 강도를 컬러 센서를 이용하여 적색, 녹색, 청색의 파장 영역에서 검출하고, 검출된 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도 중에서 상대적으로 짧은 파장 영역에서의 빛의 강도에 대한 긴 파장 영역에서의 빛의 강도의 비율을 산출하여 그 비율의 변화를 모니터링함으로써 오일의 산화도를 간단하게 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 상대적으로 구입이 용이하고 비용이 저렴한 컬러 센서를 사용하기 때문에 높은 생산성을 가지므로 측정대상 기계에 일일이 탑재가 가능하여 실시간으로 오일의 산화도를 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

오일의 산화도를 모니터링하기 위한 방법에 있어서,

(a) 자외선을 오일에 비추는 단계;

(b) 상기 오일로부터 방출되는 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도를 측정하는 단계;

(c) 측정된 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛 강도 중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값과 짧은 파장 영역에서 측정된 값을 결정하는 단계;

(d) 상기 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 상기 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율로서 형광빛 방출 비율을 산출하는 단계; 그리고

(e) 오일의 사용시간 경과에 따른 상기 형광빛 방출 비율의 변화를 모니터링하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링방법.
제1항에 있어서, 상기 모니터링방법은,

(f) 오일의 사용시간 경과에 따라 변화되는 상기 형광빛 방출 비율이 기설정된 임계값에 도달했는지를 판단하는 단계; 그리고

(g) 상기 형광빛 방출 비율이 상기 임계값에 도달했으면 오일의 교환시기를 알려주는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링방법.
오일의 산화도를 모니터링하기 위한 장치에 있어서,

오일을 수용하는 부재의 일측벽에 장착되는 하우징;

상기 하우징에 설치되고, 오일과 접촉하는 경계면을 가지며, 광이 투과되는 광학 윈도우;

상기 광학 윈도우를 통해 오일 내로 자외선을 조사하기 위한 발광수단;

오일로부터 방출되어 상기 광학 윈도우를 통과한 적색, 녹색, 청색 파장 영역의 형광빛을 각각 검출하여 형광빛 방출 강도를 측정하기 위한 감지수단; 그리고

상기 감지수단에 의해 측정된 적색, 녹색, 청색 파장 영역에서의 상기 형광빛 방출 강도 중에서 상대적으로 긴 파장 영역에서 측정된 값과 짧은 파장 영역에서 측정된 값을 결정하고, 상기 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 상기 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율을 산출하고, 상기 비율의 변화를 모니터링하기 위한 제어부

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 발광수단은 자외선 다이오드인 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 감지수단은 컬러 센서인 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 발광수단은 자외선 다이오드와, 상기 자외선 다이오드로부터 방사된 자외선을 상기 광학 윈도우로 전달하기 위한 제1 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제6항에 있어서, 상기 자외선 다이오드와 상기 제1 광섬유 사이에는 상기 자외선 다이오드로부터 방사된 자외선을 상기 제1 광섬유의 단부에 집중시키기 위한 볼렌즈가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 감지수단은 컬러 센서와, 오일로부터 방출되어 상기 광학 윈도우를 통과한 적색, 녹색, 청색의 파장 영역의 형광빛을 상기 컬러 센서로 전달하기 위한 적어도 하나의 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 광학 윈도우의 경계면에는 오일내의 오염물질이 상기 경계면에 고착되는 것을 방지하기 위한 소유성 물질이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제9항에 있어서, 상기 소유성 물질은 하이드로플루오르에테르 용매 중의 플루오르실란 중합체인 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.
제3항에 있어서, 상기 광학 윈도우의 두께는 다음의 수학식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.

,

여기서, h는 광학 윈도우의 두께, L은 발광수단의 중심과 컬러 감지수단의 중심 사이의 거리, θ_UV는 수직축과 발광수단의 광학축 사이의 각도, θ_CS는 수직축과 컬러 감지수단의 광학축 사이의 각도,
는 발광수단의 구경각,
는 컬러 감지수단의 구경각, t_UV는 발광수단의 발광폭, t_CS는 컬러 감지수단의 수광폭, n_W는 광학 윈도우의 굴절률, n_air는 공기의 굴절율이다.
제3항에 있어서, 상기 모니터링장치는 상기 제어부에 연결된 디스플레이수단을 더 포함하고,

상기 제어부는 상기 짧은 파장 영역에서의 측정값에 대한 상기 긴 파장 영역에서의 측정값의 비율이 기설정된 임계값에 도달했는지를 판단하고, 상기 비율이 상기 임계값에 도달했으면 상기 디스플레이수단을 통해 오일의 교환시기를 알려주 도록 구성된 것을 특징으로 하는 오일 산화도 실시간 모니터링장치.