KR100380618B1 - 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기에 관한 것으로서, 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기는 수용액에 담겨진 전극부에서 발생된 신호를 증폭부에서 증폭시켜 프로세서가 처리 가능하게 한 후 마이컴부에 내장된 프로세서가 플래쉬 메모리에 저장된 프로그램을 이용하여 변환부에서 연산처리하고 사용자가 원하는 단위로 변화시킨 다음, 디스플레이부를 통해 표시하는 기기이다.

이에 따라, 종래의 pH미터 증폭부에 그대로 연결하여 이온농도를 용이하게 측정할 뿐만 아니라 변환부를 통해 원하는 단위의 이온농도로 사용자가 계산하여 디스플레이부를 통해 표시할 수 있고, 또한 pH전극 이외의 다양한 이온선택성 전극을 사용하여 각각의 이온농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 종류의 수용액에 대응하여 이온농도를 측정할 수 있도록 다양한 종류의 수용액에 해당하는 프로그램을 용이하게 업그레이드 할 수 있다.

Description

수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기{pH-Meter interface type ion meter}

본 발명은 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기에 관한 것으로서, 특히 이온농도 측정시 수소이온농도 계측기(이하 pH미터)에서 측정된 전위를 수작업으로 계산하여 이온농도를 측정하지 않고서도 pH미터에 연결하여 사용하면 사용자가 원하는 단위의 이온 농도로 표시가 가능한 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기에 관한 것이다.

pH미터는 pH전극을 사용하여 각종 수용액에 포함된 수소 이온의 농도를 측정하는 기기로서 모든 화학, 식품, 의료, 환경, 공정 및 품질관리 실험실에 필수적으로 갖추어야 할 장비이다. 이러한 연유로 pH미터 시장은 매년 급속하게 확대되어 왔고, 국내에서도 1~2개 회사가 자체적으로 이를 개발하여 시장에 출시한 바 있다.

이온미터는 이온선택성 전극을 사용하여 수용액에 포함된 특정이온의 농도를 측정하는 장비로서, 그 구조 및 작동원리는 pH미터와 동일하다.

pH미터와 이온미터의 차이는 10¹³Ω정도의 고임피던스 전위차계(High Impedence Input Voltmeter)에서 읽어들인 전극의 신호를 처리하는 방법이다. 즉, 수소이온지수나 이온농도 모두 고임피던스 전위차계의 신호를 그대로 읽어 수동적으로 계산하면 얻을 수 있는 결과이나 pH미터 또는 이온미터는 모든 실험자가 손쉽게 사용할 수 있도록 프로그램 회로가 첨가된다.

도 1에서는 종래의 pH미터의 구성을 블럭도로 나타내고 있다.

도면에서 알 수 있듯이 pH미터는 pH전극(2)을 통해 감지된 전위차를 증폭부(4)에서 받아서 마이컴부(6)에서 프로세서를 이용하여 롬(ROM)(8)에 저장된 프로그램으로 연산 후 그 결과를 디스플레이부(10)에서 표시한다.

마이컴부(6)는 전원공급부(12)에서 공급된 전원으로 동작되며, 조작부(14)에서 배치된 선택버튼을 통해 사용자가 원하는 작업을 수행하게 된다.

마이컴부(6)에 연결된 외부 컴퓨터(16)는 디스플레이부(10)에 표시된 수치 및 결과를 프리젠테이션 형태로 디스플레이하기 위해 연결되는 것이다.

그러나, 대부분의 단순 pH미터에는 이온측정에 대한 부분이 빠져 있어서 수동적인 계산을 할 뿐만 아니라, 사용자가 원하는 단위로 이온농도를 산출해야 할 경우에는 다시 한번 계산을 통해 원하는 단위로 작업을 해야하는 불편함이 있다.

그리고, 대부분의 실험실에서는 이온선택성 전극을 구비하고 있어도 이를 제대로 활용하지 못하고 있거나 고가의 이온미터를 별도로 구입하여 사용하는 경우가 많다.

또한, 이온미터에 이온선택성 전극을 연결하여 사용한다하더라도 롬에 이미 입력된 수용액에 대한 정보 이외에는 이온농도의 측정이 어려울 뿐만 아니라, 다양한 이온농도에 대한 정보를 원할 때마다 롬을 교체하여 농도를 측정해야 하는 불편함이 있다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 종래의 pH미터에 간단히 연결하는 것으로도 용이하게 이온농도를 측정할 뿐만 아니라 사용자가 원하는 단위의 이온농도로 표시할 수 있는 pH미터 인퍼페이스형 이온 계측기를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, pH미터에 pH전극 이외의 다양한 이온선택성 전극을 사용하여서 이온농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 여러종류의 수용액에 대응하여 이온농도를 측정할 수 있도록 각각의 수용액에 해당하는 프로그램을 용이하게 업그레이드 할 수 있는 pH미터 인터페이스형 이온 계측기를 제공함에 다른 목적이 있다.

상술한 목적들을 달성하기 위해 본 발명의 이온 계측기는, 프로세서에 의해 신호를 처리하며 인터페이스 회로가 내장되는 마이컴부; 상기 마이컴부로 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 마이컴부와 연결되고, 계산 및 측정에 대한 선택버튼이 배열되어 기기 조작을 위한 조작 상황이 입력되는 조작부; 상기 마이컴부와 연결되어 상기 프로세서에 의해 처리된 계산 및 측정된 결과를 보여주는 디스플레이부; pH전극 또는 다수의 이온선택성 전극 중 적어도 어느 하나가 사용되며 고임피던스 전위차계 신호를 감지하는 전극부; 상기 전극부와 마이컴부에 연결되어 상기 프로세서가 처리할 수 있는 신호 입력을 증폭시키는 증폭부; 상기 마이컴부와 연결되는 플래쉬 메모리; 상기 플래쉬 메모리와 상기 마이컴부에 연결되어 상기 전극부에서 입력된 신호를 사용자가 원하는 단위의 이온 농도로 변환시키는 변환부; 및 상기 마이컴부에 선택적으로 연결할 수 있는 외부 컴퓨터로 이루어진다.

도 1은 종래의 피에이치 미터의 구성을 도시한 블럭도,

도 2는 본 발명에 따른 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기의 구성을 도시한 블럭도,

도 3은 본 발명에 따른 수소이온농도 계측기 인터페이스형 이온 계측기를 이용한 일 실시예의 그래프.

<< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >>

100..마이컴부 110..전원 공급부

120..조작부 130..디스플레이부

140..전극부 150..증폭부

160..플래쉬 메모리 170..변환부

180..외부 컴퓨터

이하 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 이온 계측기의 구성을 도시한 블럭도이다.

pH미터 인터페이스형 이온 계측기는 수용액에 담겨진 전극부에서 발생된 신호를 증폭부에서 증폭시켜 프로세서가 처리 가능하게 한 후 마이컴부에 내장된 프로세서가 플래쉬 메모리에 저장된 프로그램을 이용하여 변환부에서 연산처리하고 사용자가 원하는 단위로 변화시킨 다음, 디스플레이부를 통해 표시하는 기기이다.

좀 더 상세히 각 부에 대해 설명하면, 마이컴부(100)는 프로세서가 내장되어 pH미터 인터페이스형 이온 계측기로 입출력되는 모든 신호를 처리하며 종래의 pH미터와 호환 가능하도록 인터페이스 회로가 내장된다.

이러한 마이컴부(100)에는 전원을 공급하는 전원공급부(110)가 연결되며, 전원공급원으로는 AC/DC 전원 모두를 사용할 수 있다.

조작부(120)는 마이컴부(100)와 연결되는 것으로 사용자는 조작부(120)를 이용하여 실질적으로 마이컴부(100)를 제어하게 된다. 즉, pH미터 인터페이스형 이온 계측기의 패널에 계산 및 측정에 대한 선택버튼이 배열되어 사용자가 원하는 작업을 수행할 수 있다.

디스플레이부(130)는 상술한 마이컴부(100)에 연결되며 프로세서에 의해 측정 및 계산된 수소이온지수 및 이온농도를 표시하게 된다. 통상적으로 디스플레이부(130)는 액정을 이용한 표시장치를 사용한다.

한편, 전극부(140)는 종래의 pH전극 또는 이온선택성 전극을 의미하는 것으로 고임피던스 입력 전위차계를 통해 신호를 감지하게 되는 데, 둘 중에 어느 전극을 사용하여도 무방하며, 단지 두 경우 모두 기준전극은 필수적으로 사용된다. 두전극의 사용상 차이점은 계측기 내부의 연산과정에만 존재할 뿐 기준전극과 수소이온 전극 또는 기준전극과 이온 선택성 전극 사이의 전위차를 측정함에는 차이가 없다.

이 전극부(140)에서 감지는 신호는 증폭부(150)로 입력되어 프로세서에서 처리될 수 있을 정도의 신호로 증폭이 이루어진 후 마이컴부(100)로 전달된다.

전달된 증폭신호가 마이컴부(100)에서 프로세서로 처리되기 앞서, 연산을 위한 프로그램이 마이컴부(100)와 연결되는 플래쉬 메모리(160)에 저장되게 되는 바, 이때 프로그램은 측정을 위한 시료들에 대응되는 프로그램이며 후술하는 외부 컴퓨터를 통해 용이하게 저장/삭제가 가능하다. 이는 본 발명이 목적하는 바에 부합되는 구성으로서 종래와 같이 사용자가 원하는 작업을 수행할 때마다 롬을 통채로 교체해야 하는 불편함을 해소하게 된 것이다.

앞서 설명한 전극부(140)에서 입력된 신호는 플래쉬 메모리(160)와 마이컴부(100)에 연결된 변환부(170)에서 사용자가 원하는 단위의 이온 농도로 변환된다.

이를 일 실시예를 통해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 이온선택성 전극을 이용한 결과치이며 이러한 과정은 pH미터도 별반 다르지 않음을 밝히는 바이다.

이온선택성 전극은 기준전극과 작동전극 사이에서 발생되는 전위차를 이용하여 수용액중의 이온종을 정량하는 장비로서, 물질의 두 경계면에서 화학포텐셜이 같아진다는 가정하에서 다음과 같은 식을 얻어낼 수 있다.

× log[이온종]

E는 전위(실제실험에서 발생되어지는 전위값)이고, E0는 상수(실제실험에서는 바탕전위와 같은 값)이며, [이온종]은 측정하는 이온종의 농도이다.

상술한 식으로부터 [이온종]의 농도가 10배씩 증가할 때마다 전극은 이론적으로는 1가 이온일 경우 약 59.16mV의 기울기 변화를 나타낸다는 것을 알 수 있고, 따라서 도 3에 도시된 그래프와 같이 x축을 log[이온종]하고 y축을 전위값으로 하면 기울기가 약 59.16mV가 되는 직선이 나오게 된다.

이러한 원리를 이용하여 농도를 알고 있는 용액을 이용하여 검정곡선을 그린 다음 미지의 시료에서 나타내는 임의의 전위차를 이용 내삽하여 미지시료의 농도를 알아내는 것이다.

즉, 농도를 이미 알고 있는 두가지 용액을 이용하여 a농도일 때 c mV, b농도일 때 d mV의 값이 나왔다면 (a,c), (b,d)의 두점을 지나는 직선을 구한다.

이고,

여기서,는 검정곡선의 이론적인 기울기로서, 이론적으로 59.12mV/dec.이며 실제 실험에서는 이보다 약간 작을 수 있다.

예를 들어 수학식 2가 y=59.16x + y절편 이라 하면, 여기에 다시 (a,c),(b,d)의 값을 대입하여 y절편을 구할 수 있다. 실제 측정과정에서는 a와 b값은 정해져 있으며, c,d,e값은 실험을 통해서 얻어내는 값이다.

구한 y절편이 120이라면 수학식 2는 다음과 같은 수학식 3로 변환된다.

y=59.12x + 120,

수학식 3에 미지시료에서 얻어낸 e mV 값을 대입하면 f값이 나오며, 여기서 구한 f값은 log농도의 값이기 때문에 10^f를 취하면 미지시료의 농도를 얻을 수 있다.

한편, 몰농도를 ppm단위로 바꾸는 수학식 3는 Cl^-일 경우에 35.453×B(몰의 농도)×1000이다.

이와 같이 변환부(170)에서는 사용자가 원하는 단위로 변환될 수 있게끔 작업이 이루어진다.

마지막으로 마이컴부(100)에 선택적으로 외부 컴퓨터(180)가 선택적으로 연결될 수 있는데, 이 외부 컴퓨터(180)는 플래쉬 메모리(160)에 프로그램을 입력하거나 마이컴부(100)의 프로세서를 외부에서 제어할 수도 있다.

그 결과, 수용액의 종류에 대응되는 다양한 종류의 이온농도를 계산할 수 있는 식을 입력시킨다거나, 불필요한 데이터는 삭제할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 실시예는 종래의 문제점을 실질적으로 해소하고 있다.

즉, 종래의 pH미터 증폭부에 그대로 연결하여 이온농도를 용이하게 측정할 뿐만 아니라 변환부를 통해 사용자가 원하는 단위의 이온농도로 계산하여 디스플레이부를 통해 표시할 수 있다.

또한, pH전극 이외의 이온선택성 전극을 사용하여서 이온농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 종류의 수용액에 대응하여 이온농도를 측정할 수 있도록 다양한 종류의 수용액에 해당하는 프로그램을 용이하게 업그레이드 할 수 있다.

Claims (1)

1. 프로세서에 의해 신호를 처리하는 마이컴부와, 상기 마이컴부로 전원을 공급하는 전원공급부와, 상기 마이컴부와 연결되고 계산 및 측정에 대한 선택버튼이 배열되어 기기 조작을 위한 조작 상황이 입력되는 조작부와, 상기 마이컴부와 연결되어 상기 프로세서에 의해 처리된 계산 및 측정된 결과를 보여주는 디스플레이부와, 상기 마이컴부에 연결되어 상기 프로세서가 처리할 수 있는 신호 입력을 증폭시키는 증폭부와, 상기 마이컴부에 선택적으로 연결할 수 있는 외부 컴퓨터로 구성된 계측기에 있어서,

   pH전극 또는 다수의 이온선택성 전극 중 적어도 어느 하나가 사용되며 고임피던스 전위차계 신호를 감지하는 전극부;

   상기 마이컴부와 연결되어 상기 외부컴퓨터로부터 저장 및 삭제가 가능한 플래쉬 메모리; 및

   상기 플래쉬 메모리와 상기 마이컴부에 연결되어 상기 전극부에서 입력된 신호를 사용자가 원하는 단위의 이온 농도로 변환시키는 변환부를 포함하여 이루어지며, 상기 마이컴부는 인터페이스 회로가 내장되어,

   작업에 필요한 프로그램이 상기 외부 컴퓨터에 의해 상기 플래쉬 메모리로 입력된 후 계산 및 측정시 상기 변환부는 상기 프로그램을 이용하여 사용자가 원하는 단위로 이온 농도를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 이온 계측기.