[논문]초고주파 구형도파로를 이용한 엔진 오일의 유전율 측정

김기훈; 김영주

doi:10.9725/kstle.2011.27.3.156

초고주파 구형도파로를 이용한 엔진 오일의 유전율 측정
Microwave Rectangular Waveguide Measurement of the Engine Oil Dielectric Constant 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.3, 2011년, pp.156 - 161

김기훈 (홍익대학교 전자 전기 공학과) , 김영주 (홍익대학교 전자 전기 공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The rectangular waveguide technique can be used to measure the complex permittivity of dielectric material of various thickness and cross section. This paper presents the analysis system of engine oil permittivity at which deterioration of engine oil is measured at the X-band(8-12.5 GHz). The middle of the rectangular waveguide has engine oil case and is connected with VNA(Vector Network Analyzer) for the measurement of the transmission$(S_{21})$ and reflection$(S_11)$ and then the permittivity is extracted. The deterioration of engine oil is proved by the comparison with both the extracted data and reference data. As the additional research, This paper suggest that an accurate permittivity is considered by not only the wave guide length but the air gap between oil case and the waveguide.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 구형도파로에서 T/R 방법을 이용하여 oil의 열화에 따른 유전율 산출법을 제시 하였다. 이 논문에서의 핵심은 구형도파로에서 T/R 방법을 이용한 수식전개, 구형도파로의 길이, 그리고 구형도파로와 oil case 사이의 air gap을 고려하여 그에 따른 유전율을 산출한 것이다.

제안 방법

VNA(Vector Network Analyzer)을 이용하여 획득한 투과계수(S21)와 반사계수(S11)의 값을 이용하여 복소 상대유전율 εr과 손실계수인 tandelta를 구하였다.
엔진오일 주입 시 case 내부에서 발생 할 수 있는 기포는 모두 제거하였고 주입구는 기포가 없는 상태에서 아크릴 본드로 막았다. 각각의 오일은 동일한 실온(25℃) 조건에서 측정 되었으며 VNA의 측정 주파수 범위는 calibration주파수와 동일한 9.3 GHz부터 9.7 GHz로 설정하였다. 측정된 S-parameter는 다음과 같다.
구형도파로에서 air-oil에 입사하는 unit amplitude wave의 multiple reflection을 이용하여 측정된 Sparameter와 permittivity의 연관된 수식을 고려한다.
엔진오일의 열화 정도에 따른 유전율을 측정하는 방법에는 open-ended rectangular waveguide technique[4], coaxial guide technique[5], resonant cavity technique[6], 등 여러 가지 방법이 있지만 본 실험에서는 open-ended rectangular waveguide 를 이용한 reflection / transmission technique[7]을 사용하였다. 열화된 상태에 따라 sample case를 A, B, C, D로 나누었고, 구형도파로 중앙에 엔진오일이 담긴 sample case를 장착하였다.(Fig.
본 연구에서는 구형도파로에서 T/R 방법을 이용하여 oil의 열화에 따른 유전율 산출법을 제시 하였다. 이 논문에서의 핵심은 구형도파로에서 T/R 방법을 이용한 수식전개, 구형도파로의 길이, 그리고 구형도파로와 oil case 사이의 air gap을 고려하여 그에 따른 유전율을 산출한 것이다.
측정된 S11, S21 값을 앞절의 수식에 대입하여 유전율(permittivity)을 추출하였고, 유전율의 loss 성분을 파악하기 위하여 tanδ 값을 추출하였다.
하지만 본 실험에서 사용한 엔진오일 case두께가 매우 얇기 때문에 엔진오일 case가 차지하는 Region을 무시하고 진행하였다. 따라서 Fig.

대상 데이터

구형도파로의 견고한 결합을 위하여 별도의 고정 장치를 마련하였다. 엔진 오일 case의 재질은 1.0 mm 두께의 아크릴이다. 구형도 파로는 U-300Q waveguide와 U-300N waveguide to coaxial adaptor 2쌍으로 구성되며 조립이 가능하므로 oil case를 구형도파로 내부에 삽입하기가 용이하다.
측정한 엔진오일의 상태는 가솔린 엔진으로, 사용하기 전의 깨끗한 엔진오일(oil A)과 약 1년 정도 사용 하여 교환시기가 된 폐오일(oil D), 그리고 이 두 가지 엔진오일을 각각 3:1, 1:1 만큼 혼합하여 제작한 오염도 25%(oil B), 50%(oil C), 이렇게 4가지 상태의 엔진오일을 준비하였다. 엔진오일 주입 시 case 내부에서 발생 할 수 있는 기포는 모두 제거하였고 주입구는 기포가 없는 상태에서 아크릴 본드로 막았다.

데이터처리

값을 앞절의 수식에 대입하여 유전율(permittivity)을 추출하였고, 유전율의 loss 성분을 파악하기 위하여 tanδ 값을 추출하였다. 이러한 과정은 수치 해석 프로그램인 MATLAB을 이용하였다.(Fig.

이론/모형

NRW(Nicolson-Ross-Weir) algorithm을 이용하여[8,9] 측정된 S11과 S21을 Γ12 에 대한 항으로 확장한다.
엔진 오일의 전기적인 특성인 유전율과 전기 전도도의 변화와 밀접한 관계가 밝혀지면서 최근에는 엔진 오일의 전기적 특성을 측정하여 엔진오일의 상태를 감지하는 연구를 진행중이다[3]. 엔진오일의 열화 정도에 따른 유전율을 측정하는 방법에는 open-ended rectangular waveguide technique[4], coaxial guide technique[5], resonant cavity technique[6], 등 여러 가지 방법이 있지만 본 실험에서는 open-ended rectangular waveguide 를 이용한 reflection / transmission technique[7]을 사용하였다. 열화된 상태에 따라 sample case를 A, B, C, D로 나누었고, 구형도파로 중앙에 엔진오일이 담긴 sample case를 장착하였다.

성능/효과

엔진오일이 산화되면 케톤, 알데히드, 알코올 등과 같은 유용성의 산소화합물이 먼저 생성되고 다음으로 이것이 유기산으로 바뀌며, 최후에는 오일에 용해되지 않는 수지상의 물질을 생성하기 된다[1]. 실험에 의하면, 엔진 오일이 열화 될수록 유전율과 전기 전도도가 증가함이 밝혀졌다[2].
이를 요약한 것이 Table 3이다. 측정된 엔진오일에 따른 유전율은 유전상수 측정기를 사용 하여 측정한[11]의 데이터와 비교했을 때 일치함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진오일의 내구성을 나타내는 수명이나 사용한계는 무엇에 따라 정해지는가?	엔진오일의 내구성을 나타내는 수명이나 사용한계는 산화 및 이물질의 유입에 따라 정해지게 된다. 이는 양질의 엔진오일이라 할지라도 사용 중에 변질되어 그 성질이 저하되는 열화현상이 나타나기 때문이다.
	엔진오일의 열화 중 가장 큰 원인은 무엇인가?	이는 양질의 엔진오일이라 할지라도 사용 중에 변질되어 그 성질이 저하되는 열화현상이 나타나기 때문이다. 엔진오일의 열화 중 가장 큰 원인은 공기 중의 산소에 의한 산화작용이며, 산화속도는 온도, 촉매, 공기와 접촉하는 엔진오일의 종류 및 첨가물의 종류에 따라 달라진다. 엔진오일이 산화되면 케톤, 알데히드, 알코올 등과 같은 유용성의 산소화합물이 먼저 생성되고 다음으로 이것이 유기산으로 바뀌며, 최후에는 오일에 용해되지 않는 수지상의 물질을 생성하기 된다[1].
	엔진오일의 내구성을 나타내는 수명이나 사용한계가 산화 및 이물질의 유입에 따라 정해지는 이유는 무엇인가?	엔진오일의 내구성을 나타내는 수명이나 사용한계는 산화 및 이물질의 유입에 따라 정해지게 된다. 이는 양질의 엔진오일이라 할지라도 사용 중에 변질되어 그 성질이 저하되는 열화현상이 나타나기 때문이다. 엔진오일의 열화 중 가장 큰 원인은 공기 중의 산소에 의한 산화작용이며, 산화속도는 온도, 촉매, 공기와 접촉하는 엔진오일의 종류 및 첨가물의 종류에 따라 달라진다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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. Simon S. Wang and Yingjie Lin, "A New Technique for Detecting Antifrreze in Engine Oil During Early Stage of Leakage", Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 96, Issues 1-2, 15, 2003.
Bois, K.J., Benally, A.D., and Zoughi, R., "Microwave Near-field Reflection Propertyanalysis of Concrete for Material Content Determination", IEEE Trans. Instr. and Meas., Vol. 49, pp. 49-55, 2000.

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W. B. Weir, "Automatic Measurement of Complex Dielectric Constantand Permeability at Microwave Frequencies", Proceedings of the IEEE, vol. 62, no. I, pp. 33-36, 1974.

상세보기
Clifton Carthelle Courtney, "Time-Domain Measurement of the Electromagnetic Properties of Materials", IEEE Trans. MTT, Vol. 46, 1998.
전상명, "엔진오일의 화학적 및 물리적 변화에 의한 퇴화정도와 유전상수 변화에 관한 상호관계 연구", Journal of the KSTLE, Vol. 22, 2006.

저자의 다른 논문 :

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DOI : 10.9725/kstle.2011.27.3.156 [무료]
한국트라이볼로지학회 : 저널
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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