KR100853925B1 - 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염도센서를 식품이나 용액을 저장하는 용기에 직접 내장함과 아울러 염도측정시 측정시간이 경과함에 따라 검출전극(probe)에의 이온축적으로 인해 염분이온의 전도도가 저하되어 측정 염분농도의 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 측정방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자 또는 염도측정모드인 제 2출력단자로 스위칭되어 외부로부터 입력되는 교류 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 하는 제 1스위칭수단과, 상기 제 1스위칭수단의 제 1출력단자와 접지단자 사이에 연결되어 입력 교류펄스에 대한 저항체의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 외부 제어부로 제공하게 되는 기준저항체와, 상기 제 1스위칭수단의 제 2출력단자와 접지단자 사이에 이격 설치되어 염분의 농도에 따라 전극 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하여 상기 제어부로 제공하게 되는 제 1 및 제 2전극, 및 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 연결되고 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 2스위칭수단을 포함한다.

Description

이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING SALINITY USING ION CONDUCTIVITY AND METHOD THEREFOR}

도 1은 본 발명에 의한 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 의한 염도센서가 용기에 내장된 상태를 나타낸 개략적인 단면도이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 의한 염분농도 측정 과정을 나타낸 플로우챠트이다.

도 4는 본 발명에 의한 메모리 내의 룩업테이블의 구조를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 염도센서부 SW1: 제 1스위칭수단

11: 전극 11-1,11-2: 제 1전극 및 제 2전극

Rref: 기준저항체 SW2: 제 2스위칭수단

20: 펄스발생기 SW3: 제 3스위칭수단

30: 검출신호처리부 31: 증폭/정류회로부

35: A/D컨버터 40: 키입력부

50: 제어부 55: 메모리

60: 표시부

본 발명은 염도측정 장치에 관한 것으로, 특히 염도측정시 측정시간이 경과함에 따라 검출전극(probe)에의 이온축적으로 인해 나트륨이온과 염소이온의 전도도가 저하되어 측정 염분농도의 오차 발생을 방지함과 아울러 염도센서를 식품이나 용액을 저장하는 용기에 직접 내장하여 염도측정을 용이하게 한 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 음식이나 용액의 염분농도(염도)를 측정하는 방식으로는 아래와 같이 크게 세가지가 있다.

첫 번째로 굴절률 방식을 사용하는 염도센서의 경우 레이저 모듈에서 발생된 빛이 시료를 통과하면서 굴절된 레이저광을 광전센서에서 수광하여 전압신호를 발생 전압과 온도를 이용하여 염도를 계산하는데, 시료의 염분농도가 변화하면 굴절률이 변화하므로 굴절률을 측정하여 시료의 염도를 측정하게 된다. 하지만 굴절률이 온도에 매우 민감하게 변하므로 일정한 온도에서 측정을 하거나 온도변화에 따른 굴절률의 보상이 필요하다는 단점과 광학계를 사용하기에 고가격이라는 단점이 있다. 또한 여러 물질이 섞여 있는 음식물의 경우 굴절률을 통해 염도를 분석하는 것을 거의 불가능한 것으로 알려져 있다.

다른 분석 방법으로 시료에서 염분 중 염소이온(Cl^-)의 농도를 측정하는 방식이 있는데, 이는 염소의 양을 염화은으로 적정하여 염소의 양을 측정한 후 이를 다른 원소와의 비유로 환산하여 전체 염분을 측정하고, 이때 1%의 표준 용액으로 염소의 농도를 측정한 뒤, 원하는 시료의 염분을 측정한다. 이 방식의 경우 분석을 위한 기준 전극이 필요하고, 이또한 시료에 음식물에 섞이면 측정이 불가능하기에 음식물용 염도분석용으로는 부적합한 것이다.

마지막으로 본 발명에서 적용하고자 하는 전기전도도에 의한 염분 분석은 염분의 양에 따라 전기전도도가 다르게 나타나는 원리를 이용하여, 즉 시료를 통해 흐르는 전류는 저항에 반비례하고 전기전도도에 비례하는 것을 이용하여, 측정된 전기전도도를 염분의 농도로 환산하는 방식이다.

이와 같은 전기전도도에 의한 염도측정 방식은 종래의 경우 연속적인 염도 측정시, 시간이 지남에 따라 염도센서 내의 측정 전극에 직류전원 성분이 일부 공급됨으로써 이온(Na⁺, Cl^-)이 전극에 축적되게 되고, 이로 인해 시간이 지남에 따라 전기전도도가 하락하게 된다.

따라서, 동일한 염도의 시료를 측정하더라도 전극에 축적된 이온(Na⁺, Cl^-)으로 인해 전기전도도가 저하됨으로써, 측정시 매번 염도가 다르게 나타나게 되며, 실제 염도보다 낮은 염도가 측정되어 측정데이터의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 염도센서는 식품이나 용액의 염도를 측정하기 전에 가변저항을 이용하여 저항값을 세팅해야 하는 등의 번거로운 절차가 반드시 필요하여 일반 사용자가 직접 이와 같은 염도센서를 이용하여 염도를 측정하기에는 상당히 어려웠으며, 또한 염도센서가 식품이나 용액을 저장하는 용기에 내장된 것이 아니라 용기와는 별도의 제품으로 제작되므로 사용자가 용기에 저장된 식품이나 용액의 염도를 측정하기에는 상당히 번거로운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 염도측정시 전극(probe)에 축적되는 이온을 주기적으로 방전(release) 시킴에 따라 연속적인 염도 측정시 염분농도의 측정오차가 발생하는 것을 방지할 수 있는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 측정방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 염도센서를 식품이나 용액을 저장하는 용기에 직접 내장하여 제작하고, 염도 측정시 별도의 장비 세팅이 없이도 염도 측정이 가능함에 따라 일반 사용자도 손쉽게 사용할 수 있는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치 및 그 측정방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자 또는 염도측정모드인 제 2출력단자로 스위칭되어 외부로부터 입력되는 교류 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 하는 제 1스위칭수단; 상기 제 1스위칭수단의 제 1출력단자와 접지단자 사이에 연결되어 입력 교류펄스에 대한 저항체의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 외부 제어부로 제공하게 되는 기준저항체; 상기 제 1스위칭수단의 제 2출력단자와 접지단자 사이에 이격 설치되어 염분의 농도에 따라 전극 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하여 상기 제어부로 제공하게 되는 제 1 및 제 2전극; 및 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 연결되고 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 2스위칭수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제 1스위칭수단, 기준저항체, 제 1전극, 제 2전극 및 제 2스위칭수단은 용기에 내장되는 내장형이며, 상기 제 1 및 제 2전극은 용기의 바닥면에 고정 설치되되 전극의 일측이 용기 내측으로 노출된 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 수단은, 소정의 제어신호에 따라 교류 펄스를 생성하여 출력하는 펄스발생기; 용기의 바닥면에 일정간격 이격되어 설치되어 염분의 농도에 따라 전극 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하는 제 1 및 제 2전극; 소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자 또는 염도측정모드인 제 2출력단자로 스위칭되어 상기 펄스발생기로부터 출력된 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 하는 제 1스위칭수단; 상기 제 1스위칭수단의 제 1출력단자와 접지단자 사이에 연결되어 입력 교류펄스에 대한 저항체의 양단에 걸리는 전압을 하기의 제어부로 제공하게 되는 기준저항체; 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 연결되고 하기의 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락시켜 전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 2스위칭수단; 상기 제 1 및 제 2전극을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교 류신호를 제공받아 증폭하여 정류한 후 디지털신호로 변환하는 검출신호처리부; 및 소정의 측정개시명령에 따라 상기 제 1 및 제 2스위칭수단의 동작을 제어하되 상기 검출신호처리부를 통해 획득한 제 1 및 제 2전극의 측정 저항값에 상기 기준저항체의 기준저항값을 감산하여 최종 저항값을 획득한 후 최종 저항값에 미리 매칭된 염분농도를 메모리로부터 추출하여 염도를 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부의 제어신호에 따라 제 1스위치로 인가되는 전원을 차단하여 제 1전극 및 제 2전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 3스위칭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 검출신호처리부는 상기 제 1 및 제 2전극을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교류신호와 상기 기준저항체를 통해 획득한 전압을 각각 제공받아 증폭하여 정류하는 증폭/정류회로부; 및 상기 증폭/정류회로부로부터 출력된 신호를 제공받아 디지털신호로 변환한 후 제어부로 출력하는 A/D컨버터;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 방법은, 염도측정 명령에 따라 제어부는 교류펄스가 기준저항체로 인가되도록 제어하고, 상기 기준저항체의 양단에 걸리는 기준저항값을 측정하는 제 1단계; 상기 기준저항값을 측정한 후 제어부는 교류펄스가 제 1 및 제 2전극으로 인가되도록 제어하고, 상기 제 1 및 제 2전극 사이의 염분이 포함된 용액의 전기전도도를 이용하여 전극저항값을 측정하는 제 2단계; 상기 전극저항값을 측정한 후 제어부는 상기 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 전극에 축적된 잔존이온을 방전(release)시키도록 제어하는 제 3단계; 및 제어부는 상기 제 2단계와 제 3단계를 n회 동안 반복 제어하되, n-1번째 측정한 전극저항값과 n번째 측정한 전극저항값이 동일한 저항값을 가지면 n번째 측정한 전극저항값을 최종 전극저항값으로 결정하는 제 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 4단계에서 제어부는 제 1 및 제 2전극으로 공급되는 전원을 일시 차단시켜 전극에 축적된 잔존 이온을 2차로 방전(release)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 제 4단계를 수행한 후, 제어부는 상기 제 4단계에서 측정한 최종 전극저항값과 상기 제 1단계에서 측정한 기준저항값의 차이를 계산하는 단계; 및 상기에서 계산된 차이 저항값에 해당하는 염분농도를 메모리의 룩업테이블로부터 추출하는 단계; 및 상기 추출된 염분농도를 백분율로 하여 표시부에 디스플레이시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 n번째 측정한 전극저항값은 2회의 전극저항값을 평균한 평균 저항값인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의한 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치를 도시한 도면으로서, 염분농도 측정 시스템은 염도센서부(10), 펄스발생기(20), 검출신호처리부(30) 및 제어부(50)를 포함하여 이루어져 있다.

그리고, 상기 염도센서부(10)는 제 1스위칭수단(SW1), 기준저항체(Rref), 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2), 제 2스위칭수단(SW2)을 포함하여 이루어져 있다.

상기 제 1스위칭수단(SW1)은 소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자(T1) 또는 염도측정모드인 제 2출력단자(T2)로 스위칭되어 외부로부터 입력되는 교류 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 한다.

상기 기준저항체(Rref)는 상기 제 1스위칭수단(SW1)의 제 1출력단자(T1)와 접지단자 사이에 연결되어 저항체의 양단에 걸리는 입력 펄스에 대한 전압을 외부 제어부(50)로 제공하도록 구성되어 있다.

상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)은 상기 제 1스위칭수단(SW1)의 제 2출력단자(T2)와 접지단자 사이에 이격 설치되어 염분의 농도에 따라 전극(11) 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하여 상기 제어부(50)로 제공하게 된다. 상기 전극(11)의 재료로는 Cu 또는 Ti를 사용할 수 있으며, Cu나 Ti 매트릭스에 Pt, Au, Pd, IrO₂를 코팅한 재료를 사용할 수 있다.

상기 제 2스위칭수단(SW2)은 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2) 사이에 연결되고 상기 제어부(50)의 제어신호에 따라 스위칭되어 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2)의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 제 1전극(11-1) 또는 제 2전극(11-2)에 축적된 이온을 방전(release)시키게 된다.

여기서, 상기 염도센서부(10)의 제 1스위칭수단(SW1), 기준저항체(Rref), 제 1전극(11-1), 제 2전극(11-2) 및 제 2스위칭수단(SW2)은 도 2의 단면도와 같이 용 기(100)의 바닥면에 내장되는 내장형으로 설치되며, 바닥면의 저면에 몰딩을 통해 용기와 일체화될 수 있다.

아울러, 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)은 용기의 바닥면에 고정 설치되되 전극의 일측이 용기 내측으로 노출되어 용기에 저장된 식품이나 용액의 전기전도도를 검출할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 염도센서부(10)를 소형화하여 용기에 내장 설치함에 따라 용기에 저장된 식품이나 용액을 사용자가 원하는 시간에 쉽고 편리하게 염도를 측정할 수 있는 환경을 제공하게 되는 것이다.

한편, 펄스발생기(20)는 소정의 제어신호에 따라 교류 펄스를 생성하여 염도센서부(10)로 공급하도록 구성되어 있다.

상기 검출신호처리부(30)는 상기 기준저항체(Rref) 또는 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교류신호를 각각 제공받아 증폭하여 정류한 후 디지털신호로 변환하도록 이루어져 있는 데, 구체적으로는 증폭/정류회로부(31)와 A/D컨버터(35)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 증폭/정류회로부(31)는 상기 기준저항체(Rref)를 통해 획득한 전압 또는 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교류신호를 각각 제공받아 증폭하여 정류한 후 출력하도록 구성되어 있고, A/D컨버터(35)는 상기 증폭/정류회로부(31)로부터 출력된 신호를 제공받아 디지털신호로 변환한 후 제어부(50)로 출력하도록 구성되어 있다.

또한, 제어부(50)는 소정의 측정개시명령에 따라 상기 제 1 및 제 2스위칭수 단(SW1, SW2)의 동작을 제어하되, 검출신호처리부(30)를 통해 획득한 상기 기준저항체(Rref)와 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)의 검출데이터를 이용하여 저항값을 계산하고, 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 저항값에 상기 기준저항체(Rref)의 기준저항값을 감산하여 최종 저항값을 획득한 후 최종 저항값에 미리 매칭된 염분농도를 메모리(55)로부터 추출하여 염도를 결정한 후 표시부(60)에 디스플레이하도록 제어하게 된다.

그리고, 상기 펄스발생기(20)의 전원입력단에 제 3스위칭수단(SW3)이 설치되어 있는 데, 제 3스위칭수단(SW3)은 제어부(50)의 제어신호에 따라 작동되어 펄스발생기(20)로 공급되는 전원을 차단하게 된다. 이는 상기 제 2스위칭수단(SW2)을 통해 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 단락에도 불구하고 전극(11)에 잔존할 수 있는 나머지 이온들을 완전히 방전(release)시켜 염도측정의 신뢰성을 높이기 위함이다.

도면에서는 상기 제 3스위칭수단(SW3)을 펄스발생기(20)로 입력되는 전원측에 설치하였지만, 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)으로 공급되는 전원을 차단할 수 있는 위치이면 어디든지 무방하다.

미설명한 도면부호 40은 사용자로부터 염도측정 명령을 입력받아 제어부(50)로 출력하는 측정버튼과 같은 키입력부이며, 도면부호 60은 제어부(50)의 제어에 따라 측정된 염분농도를 백분율로 디스플레이하는 7-segment, LCD 등과 같은 표시부이다.

아울러, 통상 전기전도도의 경우 용액의 온도 1℃당 2%정도의 전도도가 변하 는 데, 이를 감안하여 온도센서를 설치하여 용액의 염도 검출시에 온도를 보상하여 염도를 환산하는 것이 바람직하나, 본 발명의 요지가 아니므로 상세 설명은 생략하도록 한다.

이와 같이 구성된 염도측정 시스템의 제반 동작과정을 도 3a 및 도 3b의 플로우챠트를 참조하여 살펴보면 아래와 같다.

먼저, 제어부(50)는 키입력부(40)를 통해 사용자의 염도측정 요청 명령이 입력되었는지를 판단한다(S1).

상기 키입력부(40)로부터 염도측정 명령이 입력될 경우 제어부(50)는 제 3스위칭수단(SW3)으로 제어신호를 출력하여 턴온시켜 펄스발생기(20)를 동작시킴과 아울러 제 1스위칭수단(SW1)을 기준저항측정모드인 제 1출력단자(T1)로 스위칭시킨다(S2, S3). 이에 따라 펄스발생기(20)에서 생성된 대략 4kHz의 교류 펄스는 제 1스위칭수단(SW1)으로 출력되게 된다.

상기 제 1스위칭수단(SW1)으로 인가된 교류 펄스는 제 1스위칭수단(SW1)의 제 1출력단자(T1)를 경유해 기준저항체(Rref)로 공급되고, 기준저항체(Rref)를 경유한 교류 펄스는 캐패시터(C1)를 통해 접지단자로 흘러 루프를 형성하게 된다.

여기서, 증폭/정류회로부(31)는 기준저항체(Rref)의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 증폭한 후 정류하고, 정류된 직류는 A/D컨버터(35)를 통해 디지털신호로 변환되어 제어부(50)로 공급되게 된다.

이어, 제어부(50)는 A/D컨버터(35)로부터 공급된 데이터를 이용하여 기준저항체(Rref)의 저항값을 계산한 후 계산된 기준저항값을 메모리(55)에 저장하게 된 다(S4). 여기서 기준저항체(Rref)의 고유 저항값을 제어부(50)에 미리 저장할 수도 있으나, 상기 기준저항체(Rref)의 고유 저항값은 온도 등의 주위환경에 따라 변화하기 때문에 현재의 주어진 환경에서의 기준저항체(Rref)의 정확한 저항값을 체크하고자 이와 같이 기준저항체(Rref)의 저항값을 측정하는 것이다.

이와 같이 기준저항체(Rref)의 저항값이 측정되었으면 제어부(50)는 제 1스위칭수단(SW1)으로 제어신호를 출력하여 스위치를 염도측정모드인 제 2출력단자(T2)로 전환시키게 된다(S5).

이에 따라 제 1스위칭수단(SW1)으로 공급된 교류 펄스는 제 1스위칭수단(SW1)의 제 2출력단자(T2)를 경유해 제 1전극(11-1)으로 인가되고, 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2) 사이의 염분이온의 전기전도도에 따라 제 2전극(11-2)으로 출력된 교류 펄스는 저항(R1)과 캐패시터(C1)를 통해 접지단자로 흐르게 된다.

여기서, 증폭/정류회로부(31)는 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이에서 발생되는 전기전도도에 따른 교류신호를 검출하여 증폭한 후 정류하게 되고, 정류된 직류는 A/D컨버터(35)를 통해 디지털신호로 변환되어 제어부(50)로 공급되게 된다.

상기 제어부(50)는 A/D컨버터(35)로부터 공급된 데이터를 이용하여 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)에 걸리는 저항값을 계산한 후 계산된 저항값을 메모리(55)에 저장하게 된다(S6).

하지만, 상기에서 펄스발생기(20)에서 생성되는 펄스는 듀티비율이 50:50인 구형파인 것이 바람직하지만, 실제로는 구형파의 듀티비가 정확하게 50%가 되지 않는다. 이에 따라 염도 측정시 일부 직류성분이 전극(11)으로 인가되게 되고, 전 극(11)에 직류성분이 인가됨에 따라 제 1전극(11-1) 또는/및 제 2전극(11-2)에 분극된 염분이온(Na⁺, Cl^-)이 모두 방전되지 못하여 축적되게 된다. 상기 전극(11)에 이온이 축적되면 전기전도도가 떨어져 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 저항값이 커지게 되고, 연속적인 염도 측정시 염도가 실제보다 낮게 측정되는 오류가 발생되는 것이다.

이에 따라 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 저항값을 측정한 후 제어부(50)는 제 2스위칭수단(SW2)으로 제어신호를 출력하여 스위치를 턴온시킴에 따라 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2) 사이를 전기적으로 단락(short)시키게 된다. 이에 따라 제 1전극(11-1) 또는 제 2전극(11-2)에 축적된 이온은 방전(release)되게 된다(S7).

이와 같은 과정(S5∼S7)을 통해 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 염도를 측정함과 아울러 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2)에 축적된 이온을 방전시키게 된다. 하지만, 이와 같은 과정을 염도 측정시의 1사이클로 보았을 때 측정시 데이터의 오류를 방지하기 위하여 수 회 내지 수십 회의 사이클을 수행하여 측정하게 되며, 측정된 1차 및 2차 측정치 간의 변화가 없을 경우 유효한 염도측정값으로 결정하게 된다.

다시 말해서, 초기 염도 측정시에는 교류 펄스에 의한 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 간의 이온전도가 활발하지 않아 전극(11) 간의 저항이 상당히 높게 나타나게 되며, 이와 같은 높은 저항값은 염분농도에 의한 저항값이 아니라 외적인 요 인에 의한 것이므로, 이온전도가 활성화될 때까지 교류펄스를 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)으로 지속적으로 인가하면서 반복 측정을 수행하는 것이다. 이와 같이 반복적인 측정을 통해 획득된 1차 및 2차 전극측정치 간의 변화가 없을 경우 염분농도에 의한 측정치로 간주하여 유효한 염도측정값으로 결정하게 된다.

한편, 제어부(50)는 1사이클의 염도 측정이 완료되면, 제 2스위칭수단(SW2)으로 제어신호를 출력하여 턴오프시킨 후 제 1스위칭수단(SW1)의 제 2출력단자(T2)를 통해 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)으로 교류 펄스를 인가하게 된다.

이에 따라 증폭/정류회로부(31)는 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이에서 발생하는 전기전도도에 따른 교류신호를 검출하여 증폭한 후 직류로 정류하게 되고, 정류된 직류는 A/D컨버터(35)를 통해 디지털신호로 변환되어 제어부(50)로 공급되게 된다.

상기 제어부(50)는 A/D컨버터(35)로부터 공급된 데이터를 이용하여 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)에 걸리는 저항값을 계산한 후 계산된 저항값을 메모리(55)에 저장하게 된다.

한편, 상기 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 저항값을 측정한 후 제어부(50)는 제 2스위칭수단(SW2)으로 제어신호를 출력하여 스위치를 턴온시킴에 따라 제 1전극(11-1)과 제 2전극(11-2) 사이를 전기적으로 단락(short)시키게 된다. 이에 따라 제 1전극(11-1) 또는 제 2전극(11-2)에 축적된 이온은 방전(release)되게 된다.

여기에서 플로우챠트에는 도시하지 않았지만, 제 1 또는 제 2전극(11-2)에 축적된 이온이 많을 경우 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)의 전기적인 단락으로는 이온을 완벽하게 방전시킬 수 없는 데, 이 경우에는 제어부(50)의 제어에 따라 제 3스위칭수단(SW3)의 스위치를 턴오프시켜 펄스발생기(20)로 공급되는 전원을 차단하게 된다. 이에 따라 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)으로 인가되는 전원이 일시적으로 완전히 차단되어 전극(11)에 잔존된 이온이 완전히 방전되게 된다.

상기 전원을 차단하는 과정은 염도 측정시의 1사이클마다 즉, 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 간에 전기적인 단락을 수행한 후 바로 전원을 차단하는 과정을 수행할 수 있으며, 수회의 염도측정 사이클마다 한번씩 수행할 수도 있다. 이와 같은 전극(11)에 축적된 이온을 방전시키는 전원차단 기능과 상술한 단락 기능은 필요에 따라 그 실행 주기를 변경하는 것이 가능하다.

제어부(50)는 상기와 같이 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 사이의 염도측정 과정을 반복하여 복수의 측정치(n개)를 얻은 후 제 n측정치와 제 n-1측정치를 상호 비교하여 동일 여부를 판단하게 되며(S8), 상기 측정치가 동일할 경우 제 n측정치를 전극측정값으로 확정하게 된다(S9). 여기에서 측정값의 정확성을 높이기 위하여 전/후 측정치의 평균값을 비교하여 측정값을 결정할 수도 있는 데, 예를 들어 제 n-2측정치와 제 n-1측정치의 평균값과, 제 n-1측정치와 제 n측정치의 평균값을 상호 비교하여 평균값이 동일할 경우 제 n측정치를 전극 측정값으로 결정하는 것이다.

상기에서 측정값이 결정되면, 제어부(50)는 측정값에 대한 전극저항값과 상기에서 측정한 기준저항체(Rref)에 대한 기준저항값을 상호 비교하여 그 차이값을 계산하게 되고(S10), 계산된 차이 저항값에 해당하는 염분농도를 메모리(55)에 수록된 도 4와 같은 룩업테이블을 이용하여 추출하게 되며(S11), 추출한 염분농도가 표시부(60)에 디스플레이되도록 제어하게 된다(S12). 이와 같이 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2) 간의 전극저항값과 기준저항체(Rref)의 기준저항값의 차이 저항값을 최종적으로 사용하는 이유는 주변요인에 따라 각 소자의 고유 저항값은 변하더라도 복수의 저항값(기준저항값과 전극저항값) 간의 변화량은 일정하여 그 차이값이 항상 동일하므로 주변요인에 관계없이 신뢰성있는 측정값을 얻을 수 있기 때문이다.

상기 룩업테이블은 제 1 및 제 2전극(11-1, 11-2)의 전극저항값에 기준저항값을 감산한 차이저항값 별로 염분농도를 미리 저장하여 둔 것으로, 예컨데 전극저항값이 100Ω이고, 기준저항값이 10Ω이라면 그 차이저항값은 90Ω이 된다. 따라서, 룩업테이블의 90Ω과 매칭된 0.9%가 측정한 염분농도가 되는 것이다.

이와 같은 룩업테이블의 데이터는 식염수(염도 0.9%)와 같이 염도를 미리 알고 있는 용액을 이용하여 실험한 결과 얻어진 값들이며, 이러한 실험결과 얻어진 데이터를 룩업테이블로 구성한 것이다.

만일, 이와 같은 염도센서부(10)를 김치냉장고에 사용되는 용기의 바닥면에 내장할 경우 용기에 담긴 김치의 염도를 손쉽고 정확하게 측정하는 것이 가능하고, 측정한 염분농도에 따라 김치의 저장온도를 자동으로 제어하는 것이 가능하게 된다. 도 4의 룩업테이블에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 염분농도가 0.9%일 경우 제어부(50)는 김치온도가 0.8℃가 되도록 냉장온도를 제어하게 되고, 염분농도가 1.0%일 경우 김치온도가 0.5℃가 되도록 냉장온도를 제어하게 되는 것이다. 이러할 경우 김치의 염도마다 최적의 온도 제어가 가능하여 김치의 발효와 보존기간을 지금보다 훨씬 더 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 염도측정시 전극(probe)에 축적되는 이온을 임의로 방전(release)시킴에 따라 염분농도의 측정오차가 발생하는 것을 방지하여 제품의 신뢰성을 높일 수 있는 이점이 있다.

또한, 염도 측정시 사용자가 장비를 세팅하는 과정이 전혀 없어 일반 사용자도 용이하게 염도를 측정할 수 있는 이점이 있다.

뿐만 아니라, 염도센서를 식품이나 용액을 저장하는 용기에 직접 내장하여 제작함에 따라 용기에 저장된 식품의 염도를 언제든지 쉽게 측정할 수 있고, 만약 김치와 같은 식품용기에 적용하였을 경우 식품의 염도에 따라 저장온도를 최적으로 그리고 자동으로 제어하는 것이 가능해 일반 사용자에게 식품의 발효 및 저장 기능에 큰 만족을 줄 수 있는 이점이 있다.

Claims (11)

1. 소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자 또는 염도측정모드인 제 2출력단자로 스위칭되어 외부로부터 입력되는 교류 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 하는 제 1스위칭수단;

   상기 제 1스위칭수단의 제 1출력단자와 접지단자 사이에 연결되어 입력 교류펄스에 대한 저항체의 양단에 걸리는 전압을 검출하여 외부 제어부로 제공하게 되는 기준저항체;

   상기 제 1스위칭수단의 제 2출력단자와 접지단자 사이에 이격 설치되어 염분의 농도에 따라 전극 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하여 상기 제어부로 제공하게 되는 제 1 및 제 2전극; 및

   상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 연결되고 상기 제어부의 제어신호에 따라 스위칭되어 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 2스위칭수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1스위칭수단, 기준저항체, 제 1전극, 제 2전극 및 제 2스위칭수단은 용기에 내장되는 내장형인 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2전극은 용기의 바닥면에 고정 설치되되 전극의 일측이 용기 내측으로 노출된 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 기준저항체와 제 1 및 제 2전극은 상호 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
5. 소정의 제어신호에 따라 교류 펄스를 생성하여 출력하는 펄스발생기;

   용기의 바닥면에 일정간격 이격되어 설치되어 염분의 농도에 따라 전극 사이에서 가변되는 전기전도도를 검출하는 제 1 및 제 2전극;

   소정의 제어신호에 따라 기준저항측정모드인 제 1출력단자 또는 염도측정모드인 제 2출력단자로 스위칭되어 상기 펄스발생기로부터 출력된 펄스가 선택된 출력단자로 인가되도록 하는 제 1스위칭수단;

   상기 제 1스위칭수단의 제 1출력단자와 접지단자 사이에 연결되어 입력 교류펄스에 대한 저항체의 양단에 걸리는 전압을 하기의 제어부로 제공하게 되는 기준저항체;

   상기 제 1전극과 제 2전극 사이에 연결되고 하기의 제어부의 제어신호에 따 라 스위칭되어 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락시켜 전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 2스위칭수단;

   상기 제 1 및 제 2전극을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교류신호를 제공받아 증폭하여 정류한 후 디지털신호로 변환하는 검출신호처리부; 및

   소정의 측정개시명령에 따라 상기 제 1 및 제 2스위칭수단의 동작을 제어하되 상기 검출신호처리부를 통해 획득한 제 1 및 제 2전극의 측정 저항값에 상기 기준저항체의 기준저항값을 감산하여 최종 저항값을 획득한 후 최종 저항값에 미리 매칭된 염분농도를 메모리로부터 추출하여 염도를 결정하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 제어부의 제어신호에 따라 제 1스위치로 인가되는 전원을 차단하여 제 1전극 및 제 2전극에 축적된 이온을 방전(release)시키게 되는 제 3스위칭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,

   상기 검출신호처리부는, 상기 제 1 및 제 2전극을 통해 검출한 전기전도도에 따른 교류신호와 상기 기준저항체를 통해 획득한 전압을 각각 제공받아 증폭하여 정류하는 증폭/정류회로부; 및 상기 증폭/정류회로부로부터 출력된 신호를 제공받아 디지털신호로 변환한 후 제어부로 출력하는 A/D컨버터;를 포함하여 이루어진 것 을 특징으로 하는 이온 전도도를 이용한 염분농도 측정 장치.
8. 염도측정 명령에 따라 제어부는 교류펄스가 기준저항체로 인가되도록 제어하고, 상기 기준저항체의 양단에 걸리는 기준저항값을 측정하는 제 1단계;

   상기 기준저항값을 측정한 후 제어부는 교류펄스가 제 1 및 제 2전극으로 인가되도록 제어하고, 상기 제 1 및 제 2전극 사이의 염분이 포함된 용액의 전기전도도를 이용하여 전극저항값을 측정하는 제 2단계;

   상기 전극저항값을 측정한 후 제어부는 상기 제 1전극과 제 2전극의 양단을 전기적으로 단락(short)시켜 전극에 축적된 잔존이온을 방전(release)시키도록 제어하는 제 3단계; 및

   상기 제 2단계와 제 3단계를 n(n은 측정 횟수임)회 동안 반복 제어하되, n-1번째 측정한 전극저항값과 n번째 측정한 전극저항값을 상호 비교하여 동일한 저항값을 가지면 n번째 측정한 전극저항값을 최종 전극저항값으로 결정하는 제 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염도센서를 이용한 염분농도 측정 방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 제 4단계에서 제어부는 제 1 및 제 2전극으로 공급되는 전원을 일시 차단시켜 전극에 축적된 잔존 이온을 2차로 방전(release)시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염도센서를 이용한 염분농도 측정 방법.
10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,

    상기 제 4단계를 수행한 후, 제어부는 상기 제 4단계에서 측정한 최종 전극저항값과 상기 제 1단계에서 측정한 기준저항값의 차이를 계산하여 차이 저항값을 획득하는 단계; 및 상기에서 획득된 차이 저항값에 해당하는 염분농도를 메모리의 룩업테이블로부터 추출하는 단계; 및 상기 추출된 염분농도를 백분율로 하여 표시부에 디스플레이시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 염도센서를 이용한 염분농도 측정 방법.
11. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,

    상기 n-1번째 및 n번째 측정한 각 전극저항값은 2회의 전극저항값을 평균한 평균 저항값인 것을 특징으로 하는 염도센서를 이용한 염분농도 측정 방법.

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