Development of Experimental Device for Analysis of Hydraulic Oil Characteristics with Dielectric Constant Sensors

유전상수 센서를 이용한 유압 작동유의 분석을 위한 실험장비 개발

Abstract

An experimental device was developed for analysis of hydraulic oil characteristics with dielectric constant sensors. Online analysis is the most effective method of the three methods used for analyzing lubricant oils. This is because it can monitor the machine condition effectively using oil sensors in real time without requiring excellent analysis skill and eliminates human errors. Determining the oil quality usually requires complex laboratory equipment for measuring factors such as density, viscosity, base number, acid number, water content, additive, and wear debris. However, the electric constant is another indicator of oil quality that can be measured on-site. The electric constant is the ratio of the capacitance of a capacitor using that material as a dielectric, compared with a similar capacitor that has a vacuum as its dielectric. The electric constant affects the factors such as the base oil, additive, temperature, electric field frequency, water content, and contaminants. In this study, the tendency of the electric constant is investigated with a variation of temperature, water content, and dust weight. The experimental device can control working temperature and mix the contaminants with oil. A machine condition monitoring program developed to analyze hydraulic oil is described. This program provides graph and digital values with variation of time. Moreover, it includes an alarm system for when the oil condition is bad.

Nomenclature

C’:Capacitance of the material (F) (물질의 전기용량)

C₀:Capacitance of vacuum (F) (진공의 전기용량)

E:Electric field (V/m) (전기장)

E₁ :Electrical conductivity (nS/m) (전기전도도)

H:Relative humidity (%) (상대습도)

L : Avogadro number (6.02 × 10²³ molecules of oil/mole)(아보가드로 수)

M:Molecular weight of oil (g) (오일의 분자량)

T₁ :Absolute temperature (K) (절대온도)

T:Celsius temperature (℃) (섭씨온도)

α:Polarizability of oil (C·m²/V) (오일의 편극성)

ε :Permittivity (F/m) (유전율)

ε_m:Permittivity of the material (F/m) (물질의 유전율)

ε₀ : Permittivity of vacuum (F/m) (진공의 유전율)

ε_r : Relative permittivity (−) (비유전율)

κ : Dielectric constant(−) (유전상수)

μ : Kinematic viscosity(cP) (절대점도)

μ₁ : Dipole moment(C·m) (쌍극자 모멘트)

ρ : Density of oil(g/cm³ ) (오일의 밀도)

1. 서론

윤활유는 다양한 기계시스템에서 여러 가지 기능들을 수행한다. 상대운동을 하는 윤활면에서 마찰, 마모의 감소시키는 기능뿐만 아니라 냉각 기능, 유압으로 힘과 운동을 전달하는 기능, 부식 및 녹을 방지하는 기능, 밀봉 기능 및 오염을 제어하는 기능이 있다. 윤활유의 분석을 통한 상태감시는 윤활유의 상태뿐만 아니라 기계상태에 대한 정보를 가지고 있으므로 기계의 보전전략의 방법으로 사용되고 있다. 윤활유를 분석하는 방법은 크게 3가지 방법으로 구분된다. 오일 샘플링(oil sampling)을 통해 윤활유를 분석하는 방법을 오프라인(off-line) 방법이라 하고 주된 흐름이 발생하는 곳에 직접적으로 분석을 하는 방법을 인라인(in-line) 방법이라고 한다. 이 방법 외에 주된 흐름이나 작동에 영향을 주지 않고 우회로 등을 활용하거나 대표성이 있는 곳에서 분석을 하는 방법으로 온라인(on-line) 방법이 있다. 오프라인 방법으로 윤활유를 분석할 경우 가장 큰 단점은 실시간으로 분석이 가능하지 않다는 것이다. 이를 보완하는 방법이 윤활유 센서를 기반으로 하는 온라인 방법이다[1]. 윤활유 센서들을 이용하여 점도, 상대습도, 마모입자의 양, 오염도 등급을 측정할 뿐만 아니라 유전상수, 전기전도도, 임피던스 등도 측정을 하고 있다. 점차적으로 윤활유 센서들도 하나의 센서로 여러 가지 물성값을 측정하는 통합형 센서들이 많이 개발되고 있는 추세이며[2-3] 또한 하나의 물성값을 통해 윤활유의 특성을 파악하려는 연구들이 진행되고 있다. 그 대표적인 물성값 중에 하나가 유전상수 (dielectric constant)이다. 사용유(used oil)의 유전상수는 신유(new oil)의 값과 비교하여 윤활유의 오염에 대한 정보를 제공한다. 물, 마모입자, 부동액, 연료의 혼입 외에도 첨가제의 고갈, 산화 같은 화학적인 변화에 대한 정보를 제공함으로써 온라인 분석방법으로 많이 활용되고 있다. 국내에서는 고속철과 자동차에서 윤활유의 상태진단을 위해 유전상수를 측정하였다. 자동차의 경우는 가솔린엔진과 디젤엔진으로 나누어 각각의 오염원을 신유에 최대 0.5%까지 증가시킬 경우, 유전상수가 어떻게 변화하는지에 대해 살펴보았다. 디젤엔진 오일과 가솔린엔진 오일에서 연료의 혼입에 의한 유전상수는 거의 변화하지 않았으나 냉각수나 물의 혼입에 의한 유전상수의 변화는 상대적으로 크게 나타났다. 그리고 디젤엔진의 경우는 수트(soot)에 의한 유전상수의 변화가 상대적으로 크게 나타났다[4-6]. 유전상수 측정이 가능한 딥스틱게이 지타입(dipstick gauge type)의 센서를 개발하여 자동차의 엔진오일의 품질을 모니터링하는 시스템에 대한 연구도 진행되었다[7]. 고속철의 감속기유에 대한 상태진단의 방법으로 유전상수가 활용하였다. 이때 온도의 변화, 수분과 철분 마모분의 변화에 의한 유전상수의 변화를 살펴보았다[8-10]. 그 외에도 일본의 Hitachi에서는 Fig. 1과 같이 유전상수센서를 이용하여 상태진단하는 시스템을 개발하여 건설장비에 적용하였다 [11].

Fig. 1. TE sensor in construction equipment [11].

본 논문에서는 건설장비에 사용하는 유압작동유의 유전상수를 측정하기 위한 실험장치를 개발하여 몇가지 조건에서 유전상수 센서로부터 얻어진 결과 값을 살펴보았다. 이 정리된 결과는 앞으로 유전상수센서를 이용한 상태진단 연구에 도움이 될 것이다.

2. 본론

건설장비에 사용하는 유압작동유를 대상으로 윤활유의 유전상수를 측정할 수 있는 센서를 설치하여 다양한 조건의 변화에 대한 윤활유 상태를 확인하였다.

2-1. 유전상수

주로 윤활유의 상태를 파악하기 위해서는 샘플링을 통해 실험실에서 점도, 염기가, 산가, 수분의 함량, 마모입자와 첨가제의 양, 인화점, 유동점 등을 측정함으로써 가능하였다. 그러나 윤활유 센서의 발달로 실시간으로 윤활유의 상태를 파악하는 것이 가능하고 여러 측정물성값에서 많은 연구가 진행되고 있는 것 중에 하나가 유전상수이다. 유전상수는 비유전율(relative permittivity)이 라는 용어로도 사용되며 물과 마모 입자 같은 오염물의 존재에 대한 정보뿐만 아니라 산화나 첨가제의 고갈(depletion) 같은 윤활유의 화학적 변화에 대한 정보도 제공한다. 유전상수(κ, kappa)는 식 (1)과같이유전율(permittivity)의 비 또는 전기용량(capacitance)의 비로 나타낸다. 여기서 유전율은 전기장을 전달하는 물질의 정도를 나타내며 전기용량은 축전기 등이 전하를 저장할 수 능력을 나타낸다. 즉 유전상수는 진공상태일때의 전기용량 또는 유전율에 대한 어떤 물질에서의 전기용량 또는 유전율의 비를 나타낸다.

\(\kappa=\varepsilon_{\mathrm{r}}=\varepsilon_{\mathrm{m}} / \varepsilon_{0}=C^{\prime} / C_{0}\)      (1)

유전상수는 크게 2가지 편극성(polarizability)과 쌍극자 모멘트(dipole moment)의 합으로 나타난다. 편극성은 전기장을 가진 분자 내에 전자들의 상호 작용이고 쌍극자 모멘트는 분자 내에 양과 음전하의 중력 중심을 측정하여 평가한다. 만약 두 중심이 일치하지 않으면 분자는 전기적으로 비대칭적으로 되고 극성이 되면서 영구적으로 쌍극자가 된다. 식(2)는 쌍극자 모멘트와 전기장 및 편극성의 관계를 나타내는 식이다.

\(\mu_{1}=\alpha E\)\(\mu_{1}=\alpha E\)     (2)

 \((\varepsilon-1) /(\varepsilon+2)=\left(\alpha+\mu_{1}^{2} /\left(3 k T_{1}\right)\right)(L \rho /(3 M))\)       (3)

식(3)은 유전율에 관한 드베이어(Debye) 공식이다. 여기에서 Lρ/(3M) 부분은 분자 하나의 부피를 나타내고 kT1는 열에너지의 양을 나타낸다. 이런 유전율에 관한 식들은 유전상수에 대한 실험 결과 값을 물리적으로 이해하는데 도움을 준다. 유전상수에 영향을 주는 인자로는 온도, 밀도, 파라핀과 나프텐의 양, 첨가제, 전기장의 주파수 등이다[12-13].

2-2. 윤활유 및 유전상수 센서

윤활유는 건설장비의 유압작동유로 사용되는 H사의 VG46 신유를 사용하였고 그 물성값은 Table 1과 같다.

Table 1. Properties of oil

실험에서 유전상수를 측정하기 위해 TE사의 FPS 2800와 Hydac의 HLB 1400의 통합형 윤활유 센서를 사용하였다. TE의 FPS 2800은 Hitachi의 건설장비에 상태 진단 센서로 이미 적용되어 있고 유전상수 외에도 윤활유의 온도, 밀도, 절대 점도가 측정가능하다. 그리고 Hydac의 HLB 1400은 유전상수 외에 윤활유의 온도, 상대습도, 전기전도도가 측정가능하다. 두 가지 윤활유 센서에 대한 정보는 Table 2와 같다. Table 2의 측정오차 (errors)에서T, ρ, μ, κ, H, E1는 윤활유의 온도, 밀도, 절대점도, 유전상수, 상대습도, 전기전도도를 의미한다.

Table 2. Specification of oil sensors

2-3. 실험 장치

실험장치는 Fig. 2와 같이 여러 개의 윤활유 센서를 설치하여 윤활유의 상태를 확인할 수 있다. Fig. 2에서 inlet 이라는 부분은 주요 변수가 되는 수분이나 이물질을 주입하는 곳이고 outlet은 윤활유를 배출하는 곳이다. 실험은 heater를 이용하여 윤활유의 온도를 상온에서 100℃까지 조절이 가능하고 기어식 펌프를 이용하여 압력은 대기압에서 최대 10 bar까지 조절이 가능하다. 그리고 여러 가지 윤활유 센서의 설치가 가능하도록 윤활유 삽입구를 제작하였다. 이 실험 장치는 최대 6개의 윤활유 센서가 설치가능 하도록 설계하였다. 그러나 이 실험에서는 유전상수 측정이 가능한 2개의 통합형 센서만 설치 하여 실험을 진행하였다.

Fig. 2. Schematic of experimental device.

2가지의 윤활유 센서의 통신 방식이 달라 그에 맞게 전원 공급장치와 신호처리 장치를 설계하여 Fig. 2의 왼쪽 부분과 같이 모듈화를 하였다. 이때 신호와 전원 공급의 흐름은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Power and signal circuits.

2-4. 상태진단 프로그램

2가지의 윤활유 센서로부터 오는 신호를 JAVA 를 이용하여 상태진단을 할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 Fig. 4와 같이 각 센서별로 윤활유에서 측정되는 유전상수 같은 물성값에 대한 기준값을 설정하고 통신 포트(port)를 설정한 뒤 실행시킬 수 있다. 실행이 되면 Fig. 5와 같이 그래프로 측정된 물성값의 변화를 보여주고 실시간으로 데이터를 디지털 값으로도 보여준다. 그 뿐 아니라 설정한 기준 값에 따라 윤활유의 현재 상태를 정상(normal), 주의(caution), 위험(danger)의 3단계 중 하나로 표시한다. 오일의 상태는 교통신호등과 같이 보여주는 것뿐만 아니라 주의나 위험 단계에서는 경고음으로도 알려준다. 그 외에도 설정된 기준 값을 초과한 부분에 대해서는 별도의 공간에 데이터를 따로 저장하여 분석이 용이하게 하였다.

Fig. 4. Setting screen of condition monitoring program

Fig. 5. Monitoring screen of oil sensors. (a) TE sensor (b) Hydac sensor

3. 실험결과 및 고찰

유압작동유의 온도, 수분함량, 먼지(dust) 양 변화에 의한 유전상수 변화를 살펴보았다. 그리고 통합형 센서로 측정되는 절대점도 및 상대습도도 함께 살펴보았다. 실험에 사용된 먼지는 PTI 사의 ISO 12103-1 Arizona Test Dust이고 Table 3과 같은 성분으로 이루어져 있다. Table 3에서와 같이 실험에 사용한 먼지는 흙 먼지의 주 성분인 SiO₂와 Al₂O₃로 이루어져 있다. 건설장비에 사용 되는 유압작동유는 흙 먼지와 수분에 노출된 환경에서 주로 작업을 하기 때문에 여러 변수 중에서 온도, 수분과 먼지의 영향을 먼저 살펴보았다.

Table 3. Components of dust

같은 항목에 대해서도 두 센서사이에 5% 미만의 결과 값 차이를 보였으나 결과의 경향성이 같아 센서별 차이는 표시하지 않았다. 그 차이는 측정 메커니즘의 차이라고 생각되나 측정 원리에 대한 파악이 어려워 충분한 설명이 부족하다. 본 연구에서는 유전상수 및 절대점도는 TE 센서의 측정 값을 활용하였고 상대습도는 Hydac 센서의 측정 값을 활용하였다.

3-1. 온도의 영향

유압작동유의 온도를 15℃에서 75℃까지 변화시키면 서 유전상수 및 다른 여러 물성값의 변화를 살펴보았다. 온도의 증가에 따라 유전상수는 Fig. 6과 같이 감소하였다. 식 (3)의 드베이어 공식에서도 보여주듯이 온도가 증가하면 오일의 밀도가 감소하여 유전율이 감소한다. 밀도가 작다는 것은 단위 부피당 오일 분자들의 수가 상대적으로 적다는 것으로 오일 분자들간의 전기장과 상호작용이 약하게 된다. 즉 밀도는 유전상수에 관련된 편극성에 영향을 준다. 참고로 윤활유보다 탄소의 수가 적은 연료의 경우에 밀도와 유전율과의 관계는 식 (4)와 같다. 여기서 밀도의 단위는 드베이어 공식에서의 단위와 다른 kg/m³ 이다[12].

Fig. 6. Linear regression between dielectric constant and temperature.

\(\varepsilon=0.001667 \rho+0.785\)       (4)

Fig. 6에서 유전상수와 온도와의 관계에 대해 선형 회귀 기법을 이용하여 분석하면 그 관계식은 식 (5)와 같다. 이때 표준편차는 0.0079이다.

\(\kappa=2.26-0.00137 T\)       (5)

온도의 변화에 의한 절대점도와 상대습도의 결과는 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다. 온도가 증가하면 절대점도와 상대습도가 작아지는 것은 물리적으로 타당하다. 그리고 Fig. 8에서 온도와 상대습도의 상관관계는 선형 회귀 기법을 이용하여 분석하였고 그 관계식은 식 (6)과 같다. 이때 표준편차는 2.47이다.

Fig. 7. Absolute viscosity with variation of temperature.

Fig. 8. Linear regression between relative humidity and temperature.

\(H=63.86-0.6254 T\)       (6)

3-2. 먼지의 영향

유압작동유의 온도를 50℃로 일정하게 유지하고 먼지를 100mg에서 300mg으로 증가시키면서 먼지의 양에 따른 유전상수의 변화를 살펴보았다. 먼지의 양을 증가하더라도 유전상수는 Fig. 9와 같이 변화가 아주 미미하다. 실험에서 사용한 먼지 양의 범위내에서는 유전상수의 변화가 거의 없지만 절대점도는 Fig. 10과 같이 11%로 상대적으로 크게 변화한다. SiO₂와 Al₂O₃로 이루어진 먼지는 윤활유의 전기용량에 영향을 크지 미치지 않으나 윤활유의 흐름에 방해되는 요소로 작용하기 때문에 절대점도는 증가하게 한다.

Fig. 9. Dielectric constant with variation of dust weight.

Fig. 10. Absolute viscosity with variation of dust weight.

3-3. 수분의 영향

유압작동유에 먼지를 300 mg 넣은 실험조건에서 50℃로 온도를 일정하게 유지하고 수분을 1 ml에서 5 ml까지 증가하면서 유전상수의 변화를 살펴보았다. 이 실험은 신유에서 수분을 추가하면서 실험을 수행하지 않고 먼지를 일정량 넣은 상태에서 수분이 유전상수에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig. 11과 같이 수분의 함량이 3 ml까지 증가하면 유전상수가 크게 변화하지 않지만 5 ml에서는 크게 증가하였다. 보다 정확한 분석을 위해서 신유를 대상으로 수분의 영향을 파악하는 연구가 추가적으로 필요하다. 수분은 극성물질로서 그 양이 증가하면 유전율에서 편극성의 영향이 활발하여 유전상수도 증가하는 것으로 판단된다.

Fig. 11. Dielectric constant with variation of water contents.

4. 결론

논문에서는 유압작동유를 대상으로 유전상수센서를 활용하여 분석을 할 수 있는 실험장비를 개발하였다. 이 장치는 온도 등 여러 작동 조건에서의 유전상수 변화를 측정가능하며 또한 진단 프로그램을 개발하여 분석 및 진단이 용이하게 하였다. 개발된 장치를 활용하여 온도, 수분 함량, 먼지의 양의 변화에 의한 유전상수의 경향을 살펴보았다.

1. 온도가 증가하면 오일의 밀도가 감소하여 유전상수는 감소한다.

2. 먼지의 양을 증가하더라도 유전상수의 변화는 아주 미미하다.

3. 수분의 함량이 3 ml까지 증가하면 유전상수가 크게 변화하지 않지만 5 ml에서는 크게 증가하였다.

본 연구는 유전상수센서를 활용하여 상태진단시스템을 개발하기 위한 기초단계의 실험이므로 앞으로 다양한 조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다.