KR100959788B1 - 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유를 통해 측정을 위한 발광신호의 발신 및 수광신호의 수신이 가능하여 구조가 간단해지며 발신과 수신의 거리에 제약받지 않고 수신능력이 우수하고 노이즈를 제거하여 측정의 정확성이 증대되도록 하는 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발광, 수광 광섬유가 삽입되는 광섬유가이드가 결합되는 셀블록과, 발광램프와 수광램프가 후방으로 삽입 결합되는 램프가이드의 전방으로 발광, 수광 광섬유가 삽입 설치되어 셀블록에 결합되는 램프부와, 셀블록의 전면으로 노출되어 렌즈의 표면을 세정하는 세정부와, 상기 측정에 필요한 주파수를 발진하는 오실로스코프, 주파수 신호를 증폭하는 증폭기, 조사광량을 조절하기 위한 발진부, 전류제한 및 제어하는 발진조절부, 산란된 무광 레이져 광의 수광시 유입되는 외란광을 제거하기 위한 필터, 교류전기신호를 직류전기신호로 변환하는 교류/직류 컨버터, 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부를 통해 측정값을 표시하는 컨트롤러로 전송하는 피씨비부로 구성되며, 부유물질 농도를 측정하는 방법은 발진 및 증폭단계, 전류변환 및 제어단계, 광 조사단계, 광 수신단계, 신호증폭단계, 필터링단계, 교류/직류변환단계, 측정값표시단계의 순서로 구성되는 것을 특징으로 한다.

부유물질, 측정시료, 적외선광, 사파이어, 렌즈, 셀블록, 필터

Description

부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법{Structural of an optical fiber method sensor measurement way using a laser fan for measurement material a wealth}

본 발명은 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법에 관한 것으로, 특히 광섬유를 통해 측정을 위한 발광신호의 발신 및 수광신호의 수신이 가능하여 구조가 간단해지며 발신과 수신의 거리에 제약받지 않고 수신능력이 우수하고 노이즈를 제거하여 측정의 정확성이 증대되도록 하는 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로, 부유물질(浮游物質, suspended solids)이란, 입자 지름이 2mm 이하로 물에 용해되지 않는 물질로 오염된 물의 수질을 표시하는 지표를 말하며 대표적으로 현탁고형물(懸濁固形物)이라고도 한다.

아울러, 도시폐수공장 폐수 중에는 유기질 및 무기질의 고형물이 현탁상태로 포함되어 있는 현탁 상태로 하천, 호소, 해역 등의 자연수역에 방류되면 물의 탁도를 높이고 외관을 더럽히며, 생물이 분해 가능한 유기물질인 용존산소를 감소시키 는 등 자연수질을 오염시킨다.

그리고, 부유물질을 크게 두 가지로 분류하면 첫째로, MLSS(Mixed Liquid Supended Solids)는 활성오니 부유물질 또는 폭기조 혼합액의 부유물질을 약칭하는 폭기조내의 미생물을 말하며, 활성오니량의 지표로 이용되는 하,폐수처리시설의 중요한 인자이다.

아울러, MLSS는 활성오니법의 폭기조내의 미생물량 또는 생물학적 활성을 갖는 오니량을 표시하는 지표이다. 단위는 ppm 또는 mg/ℓ로 표시한다. 혼합액의 부유물질인 무기성 부유물 또는 생물활성이 없는 유기성 부유물이 계량되는 MLSS는 엄밀히 폭기조내 생명체의 양을 표시하는 것은 아니다. 그러나 측정이 간단하고 생명체량의 개략치를 알게되어 활성오니법의 오니관리상 필요한 지표이다. 더욱이 폭기조내의 생물 존재량을 정확히 나타내는 지표로서 MLVSS(Miguor Volatile Suspended Solids)가 사용되는 경우도 있다.

또한, MLSS는 활성 오니 처리 공정에서 폭기조중의 부유물질농도로서, 주로 활성 오니(폭기조중에서 생긴 활성오니와 침전지로부터의 반송 오니의 혼합 오니)로 표준 활성 오니법의 경우 MLSS는 1,500∼2,000ppm으로 운전되고 있다.

둘째로, SS(Suspended Solids)는 입경 2mm이하의 것으로 물에 용해되지 않고 수중에 현탁되어 있는 유기물 및 유기물을 함유하는 고형물질을 말하며, 시료를 공극이 0.1%인 여과지를 사용하여 여과시킬 때 여과되지 않는 부유물질을 지칭하는 것이다. 즉, Suspended Solids 또는 현탁물질이라고 하며 지표로 ㎎/ℓ로 표시한다.

이러한, MLSS와 SS의 차이점은 간단히 살펴보면 MLSS는 폭기조내의 미생물량 또는 생물학적 활성을 갖는 오니량을 표시하는 지표로 사용되고, 오니관리상 필요한 지표인, 반면 SS는 현탁물질의 지표로 사용되는 것이다.

그리고, 종래의 부유물질 측정법은 현장 온라인형태의 방식으로 시료를 여과시켜서 고형물을 포집하고 건조시킨 후, 그 전후의 무게차에 의해서 고형물의 농도를 구하고 mg/ℓ 또는 ppm으로 나타내는 기초적인 방법으로 측정되고 있다.

이러한, 측정 장비는 발광램프와 수광센서의 앞에 적외선 광이 투광되는 별도의 렌즈가 각각 설치되어 측정장비의 구조가 복잡해지고 부피가 증대되는 문제점이 있었다.

아울러, 종래의 측정 장비는 발광램프와 수광센서가 별도의 렌즈를 사용함에 따라 설치거리가 증대됨으로써 측정공간이 확대되는 이점은 있으나 발광과 수광 거리가 멀어져 측정효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 측정 장비는 부유물질에 산란된 적외선 광이 수광될 때 외부의 광이 유입되어 측정값에 오차를 발생시키는 문제점이 있었다.

이로 인하여, 발광램프와 수광램프의 발광광이나 수광광이 통과되는 렌즈를 사용하지 않고 가격이 저렴하며 사용이 간단한 다른 대체 수단을 이용하도록 하여 구조 및 체적이 간단해지며 외부광이 유입되더라도 측정값에 변화가 없어 정확한 측정이 이루어지도록 하는 개선된 부유물질 측정용 센서가 절실히 요구되는 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 발광램프와 수광램프가 광섬유를 이용하여 무광 레이져 광을 조사, 수신하도록 하여 렌즈의 특성에 따른 오차값이 감소되며 구조가 간단해 지도록 하는 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조 및 측정방법를 제공하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 광섬유를 사용함으로써 발광램프와 수광램프의 설치거리에 영향을 받지 않으며 외부의 광이 광섬유로 침투하지 못하는 특성으로 측정에 따른 오차가 최소화하며 끝단을 연마하여 재사용할 수 있도록 하는 데 있다.

더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 부유물질에 부딪혀 수신되는 과정에서 유입되는 외부광 등을 필터로 제거하여 측정의 정확도를 향상하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발광램프에서 발광되는 적외선 파장이 측정시료속의 부유물질에 부딪혀 수신되는 광을 수광램프로 수신받아 측정시료 1ℓ당 함유된 부유물질(MLSS,SS)을 ㎎으로 측정하도록, 한 쌍의 광섬유홀에 발광,수광 광섬유의 일끝단을 삽입 결합하는 광섬유가이드를 가이드홀을 통해 전면이 셀블록의 끝단면과 평탄하도록 결합 설치하고, 주파수를 무광 레이져 광으로 변화하여 측정시료에 조사하는 발광램프와 측정시료에 함유된 부유물질에 부딪혀 산란되는 발광램프의 광을 감지하여 전기적신호로 변환하는 수광램프를 수평으로 이격시켜 각각 램프가이드의 후방으로 삽입 끼움하고, 상기 램프가이드의 전면으로 발광,수광 광섬유의 타 끝단을 삽입 끼움하여 셀블록에 결합 설치하는 램프부를 형성하며, 상기 셀블록의 후방에 설치되는 정역모터의 축을 셀블록의 전방으로 돌출시켜 발광,수광 광섬유의 표면에 침착되는 이물질을 제거하는 세정와이퍼를 체결하여 세정부를 형성하고, 측정에 필요한 광신호로 변환가능한 주파수를 발진하는 오실로스코프의 신호 전압을 증폭하는 증폭기를 형성하고, 상기 증폭기에서 증폭된 전압신호를 조사광량을 조절하기 위한 전류신호로 변환하는 발진부와 조사광량을 일정하게 유지하기 위해 전류제한 및 제어하는 발진조절부를 통한 전류신호가 발광램프를 거쳐 무광 레이져 광으로 변환하여 발광 광섬유를 통해 측정시료에 조사되며, 상기 발광램프에서 조사된 무광 레이져 광이 부유물질에 부딪혀 수광 광섬유, 수광램프의 순으로 수신되는 전기적 신호를 증폭하는 임피던스를 형성하며, 상기 수광 광섬유, 수광램프의 순으로 산란 무광 레이져 광의 수광시 외란광이나 전기적 외란으로 인한 노이즈를 제거하는 필터를 형성하고, 산란 무광 레이져 광의 교류전기신호를 디지털 변환이 가능하도록 직류신호로 변환하는 교류/직류 컨버터를 거친 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부를 거친 신호를 디지털방식으로 측정값을 표시하는 컨트롤러로 전달하는 피씨비부를 구성하는 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서에 있어서, 상기 광섬유가이드에 형성되는 한 쌍의 광섬유홀은 평행하게 관통 형성하며, 상기 광섬유홀에 발광,수광 광섬유의 평행하게 삽입하여 발광각도와 수광각도가 각각 24°를 이루도록 구성하는 것을 특징으로 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조를 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명은 발광램프와 수광램프가 광섬유를 이용하여 무광 레이져 광을 조사, 수신하도록 하여 렌즈의 특성에 따른 오차값이 감소되며 구조가 간단해 지도록 하는 효과가 있다.

그리고, 광섬유를 사용함으로써 발광램프와 수광램프의 설치거리에 영향을 받지 않으며 외부의 광이 광섬유로 침투하지 못하는 특성으로 측정에 따른 오차가 최소화하며 끝단을 연마하여 재사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

더불어, 부유물질에 부딪혀 수신되는 과정에서 유입되는 외부광 등을 필터로 제거하여 측정의 정확도를 향상하는 효과가 있다.

이에 상기한 바와같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

이에 상기한 바와같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 부유물질 측정용 렌즈방식센서의 구조는발광램프에서 발광되는 적외선 파장이 측정시료속의 부유물질에 부딪혀 수신되는 광을 수광램프로 수신받아 측정시료 1ℓ당 함유된 부유물질(MLSS,SS)을 ㎎으로 측정하는 부유물질 측정용 센서에 관한 것으로, 발광, 수광 광섬유(16)(17)가 삽입되는 광섬유가이드(11)가 결합되는 셀블록(10)과, 발광램프(21)와 수광램프(22)가 후방으로 삽입 결합되는 램프가이드(23)(24)의 전방으로 발광, 수광 광섬유(16)(17)가 삽입 설치되어 셀블록(10)에 결합되는 램프부(20)와, 셀블록(10)의 전면으로 노 출되어 발광, 수광 광섬유(16)(17)의 표면을 세정하는 세정부(30)와, 상기 측정에 필요한 주파수를 발진하는 오실로스코프(41), 주파수 신호를 증폭하는 증폭기(42), 조사광량을 조절하기 위한 발진부(43), 전류제한 및 제어하는 발진조절부(44), 산란된 무광 레이져 광의 수광시 유입되는 외란광을 제거하기 위한 필터(46), 교류전기신호를 직류전기신호로 변환하는 교류/직류 컨버터(47), 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부(48)를 통해 측정값을 표시하는 컨트롤러(50)로 전송하는 피씨비부(40)로 부유물질 측정센서(100)가 구성된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 광섬유홀(11a)에 발광,수광 광섬유(16)(17)의 일끝단을 삽입 결합하는 광섬유가이드(11)를 가이드홀(12)을 통해 전면이 셀블록(10)의 끝단면과 평탄하도록 결합 설치한다.

여기서, 상기 광섬유가이드(11)는 가이드홀(12)을 통과하여 셀블록(10)의 전면과 일치되도록 노출되는 것으로 끝단이 흠집이 발생될 경우 샌드페이퍼 같은 연마재로 끝단을 갈아서 재사용할 수 있도록 구성한 것이다.

이때, 상기 광섬유가이드(11)와 가이드홀(12)이 접촉하는 접촉면에는 측정시료의 유입이 방지되도록 고무링 등을 이용하여 실링 처리를 하는 것이 바람직할 것이다.

더불어, 상기 광섬유가이드(11)에 형성되는 한 쌍의 광섬유홀(11a)은 평행하게 관통 형성하여, 상기 광섬유홀(11a)에 발광,수광 광섬유(16)(17)의 평행하게 삽입하여 발광각도와 수광각도가 각각 24°를 이루도록 구성한다.

즉, 상기 발광,수광 광섬유(16)(17)의 발광각도와 수광각도가 상쇄하는 부분 에 존재하는 부유물질에 발광 광섬유(16)에서 발광되는 무광 레이져 광이 부딪혀 산란 된 후 수광 광섬유(17)로 수광되는 것이다.

다른 실시 예로써, 상기 광섬유가이드(11)의 한 쌍의 광섬유홀(11a)을 중앙을 기준으로 외측으로 각각 12.5°기울어져 상호 23°를 이루도록 형성하여, 상기 발광,수광 광섬유(16)(17)가 상호 23°의 기울기로 설치되도록 구성할 수도 있다.

그리고, 상기 셀블록(10)의 후방으로는 내부에 공간이 형성되는 통 형상의 셀몸체(13)가 체결되어, 상기 셀블록(10)의 후방으로 결합되는 램프부(20), 세정부(30), 피씨비부(50)가 내입되면서 감싸고 외란광이나 온도에 의해 영향을 받지 않도록 구성한다.

아울러, 상기 셀몸체(13)의 후방으로는 고정홀더(14)에 결합 또는 체결되는 고정봉(15)이 결합되며, 상기 고정봉(15)의 내부로는 컨트롤러(50)와 피씨비부(40)를 연결하는 통신선 및 전원선(도면번호 미도시)이 관통된다.

아울러, 상기 고정봉(15)의 상부에는 컨트롤러(5)에 무선방식 또는 유선방식으로 전기적신호를 송신하며, 원통형상의 하부케이스(61)가 나선 체결로 결합되며, 내부에는 송신기능을 갖는 전원선이 연결되는 피씨비기판(62)이 삽입고정되고, 하부에는 피씨비기판(62)에 연결된 안테나(63)가 노출되며, 상기 하부케이스(61)의 상부로 나선 체결로 결합되는 상부케이스(64)로 송신부(60)가 구성된다.

즉, 상기 발광램프홀(23a)에는 발광램프(21)가 삽입 체결되고, 수광램프홀(23b)에는 수광램프(22)가 삽입 체결된다.

상기 램프부(20)는 주파수를 무광 레이져 광으로 변화하여 측정시료에 조사 하는 발광램프(21)와 측정시료에 함유된 부유물질에 부딪혀 산란되는 발광램프(21)의 광을 감지하여 전기적신호로 변환하는 수광램프(22)를 수평으로 이격시켜 각각 램프가이드(23)(24)의 후방으로 삽입 끼움한다.

그리고, 상기 램프가이드(23)(24)의 전면으로 발광,수광 광섬유(16)(17)의 타 끝단을 삽입 끼움하여 셀블록(10)에 결합 설치한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 세정부(30)는 셀블록(10)의 후방에 설치되는 정역모터(31)의 축(32)을 셀블록(10)의 전방으로 돌출시켜 발광,수광 광섬유(16)(17)의 표면에 침착되는 이물질을 제거하는 세정와이퍼(33)를 체결하여 형성한다.

여기서, 상기 정역모터(31)는 컨트롤러(50)를 통해 작동을 시키게 되며, 작동시 좌/우 방향 회전력을 세정와이퍼(33)로 전달하여 세정와이퍼(33)가 회전되면서 발광,수광 광섬유(16)(17)의 표면에 침착된 이물질을 닦아내는 것이다.

도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 피씨비부(40)는 컨트롤러(40)에서 측정에 필요한 작동 신호를 송출하면 신호를 전달받아 작동하는 것으로, 측정에 필요한 광신호로 변환가능한 주파수를 발진하는 오실로스코프(41)의 신호 전압을 증폭하는 증폭기(42)를 형성한다.

그리고, 상기 증폭기(42)에서 증폭된 전압신호를 조사광량을 조절하기 위한 전류신호로 변환하는 발진부(Current Output:43)와 조사광량을 일정하게 유지하기 위해 전류제한 및 제어하는 발진조절부(Current Limits:44)를 통한 전류신호가 발광램프(21)를 거쳐 무광 레이져 광으로 변환하여 발광 광섬유(16)를 통해 측정시료 에 조사된다.

한편, 상기 발광램프(21)에서 조사된 무광 레이져 광이 부유물질에 부딪혀 수광 광섬유(17), 수광램프(22)의 순으로 수신되는 전기적 신호를 증폭하는 임피던스(45)를 형성한다.

더불어, 상기 수광 광섬유(17), 수광램프(22)의 순으로 산란 무광 레이져 광의 수광시 외란광이나 전기적 외란으로 인한 노이즈를 제거하는 필터(BPF:Band Pass Filter:46)를 형성한다.

그리고, 산란 무광 레이져 광의 교류전기신호를 디지털 변환이 가능하도록 직류신호로 변환하는 교류/직류 컨버터(47)를 거친 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부(48)를 거친 신호를 디지털방식으로 측정값을 표시하는 컨트롤러(50)로 전달하도록 구성한다.

아울러, 컨트롤러(50)는 전체의 형상이 대략 사각형상으로 전면에는 전자적으로 화면을 표시하는 디스플레이 표시부가 형성되고, 디스플레이 표시부의 일측에는 각종 세팅(Setting) 및 교정을 수행할 때 사용되는 상하좌우 방향 버튼, 전원을 온,오프시키는 전원버튼, 센서부의 렌즈를 교정하기 위한 버튼, 온도 및 농도값을 설정하는 파라메타버튼, 측정값을 그래프로 표시하도록 하는 트랜드버튼 등으로 구성되어 시료의 탁도, 수소이온농도, 용존산소량, 활성오니(MLSS), 현탁고형물(SS), 전기전도도, 잔류염소량 등의 측정항목을 표시할 수 있도록 구성된 것이다.

또한, 컨트롤러(50)는 하부에 유선방식을 사용하기 위한 전선케이블이 삽입되는 홀이 형성되고, 무선방식을 사용하기 위해서 내부에는 수신기능이 구성된 피 시비기판이 설치되며, 외부에는 주파수를 수신하는 수신안테나로 구성된다.

그리고, 컨트롤러(50)는 후방에 설치를 위한 브래킷을 연결하고, 지면에 고정되는 고정플레이트에 브래킷을 걸어서 사용하는 걸이방식으로 고정설치하여 사용되도록 구성된 것이다.

더불어, 상기 컨트롤러(60)에는 측정데이터를 메모리카드로 저장할 수 있도록 메모리카드 삽입홈(51)이 형성되어 구성한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 부유물질 측정용 렌즈방식센서를 이용하여 부유물질 농도를 측정하는 방법 및 작동, 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 부유물질 측정센서(100)는 발광, 수광 광섬유(16)(17)와 램프부(20), 세정부(30)가 결합된 셀블록(10)의 후방으로 긴밀하게 셀몸체(13)를 결합한 후, 상기 셀몸체(13)의 상부로 고정봉(15)을 결합한다.

이후, 상기 고정봉(15)을 측정시료, 고정홀더(14)에 결합하여 설치하고 피씨비부(40)와 컨트롤러(50)를 유선 또는 무선으로 작동신호 및 측정신호를 전달받을 수 있도록 연결하여 설치를 완료한다.

이렇게, 측정을 위한 결합이 완료되면 부유물질 측정센서(100)의 고정봉(15)을 정수조나 현장 외부에 설치된 고정홀더(14)에 설치하는 동시에 셀블록(10)은 시료에 담궈지도록 침전시켜 측정하게 되며, 측정을 위한 설치 및 이동이 자유롭고, 위치나 장소의 제약을 적게 받으며 측정가능하다.

다음으로, 상기 컨트롤러(50)에서 전원 인가작동 신호, 부유물질 중 MLSS나 SS를 측정할 선택스위치를 선택하여 측정작동신호, 교정신호, 세정부(30)의 작동을 위한 작동신호를 피씨비부(40)로 전달하여 작동을 수행하게 된다.

상기 부유물질 측정센서(100)를 이용하여 부유물질 농도를 측정하는 방법은 발진 및 증폭단계(S1), 전류변환 및 제어단계(S2), 광 조사단계(S3), 광 수신단계(S4), 신호증폭단계(S5), 필터링단계(S6), 교류/직류변환단계(S7), 측정값표시단계(S8)의 순서로 이루어진다.

상기 발진 및 증폭단계(S1)는 측정에 필요한 광신호로 변환가능한 주파수를 발진하는 오실로스코프(41)의 신호 전압을 증폭기(42)를 통해 증폭하는 단계이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 이때, 상기 발진되는 주파수는 약 1KHz이며 오차(DUTY)50%, 1Vp-p, 10mA로 발진되며, 발진된 주파수는 발광램프(21)로 전달하기 위한 전압의 크기로 증폭하여 (A)지점의 그래프를 갖게되는 단계인 것이다.

상기 전류변환 및 제어단계(S2)는 발진 및 증폭단계(S1)를 거친 후, 증폭기(42)에서 증폭된 전압신호를 발진부(43)를 통해 조사광량을 조절하기 위한 전류신호로 변환하는 동시에 발진조절부(44)를 통해 조사광량을 일정하게 유지하기 위해 전류제한 및 제어하는 단계이다.

즉, 상기 발진부(43)는 발광램프(21)에 조사광량을 조절하기 위하여 전류의 형태로 전달하는 것이며, 상기 발진조절부(44)는 조사광량의 크기를 일정하게 유지하기 위하여 전류를 1V당 10mA로 제한하면서 제어하는 단계인 것이다.

상기 광 조사단계(S3)는 전류변환 및 제어단계(S2)를 거친 후, 전류신호가 발광램프(21)를 거쳐 무광 레이져 광으로 변환하여 발광 광섬유(16)를 통과해 측정시료에 조사하는 단계이다.

이때, 상기 발광램프(21)는 무광 레이져 광을 파장 860 ~ 890nm의 범위로 조사하며, 조사각도는 ±12°로 조사하는 단계인 것이다.

상기 광 수신단계(S4)는 광 조사단계(S3)를 거친 후, 발광 광섬유(16)에서 조사된 무광 레이져 광이 부유물질에 부딪혀 45°로 산란되는 무광 레이져 광이 수광 광섬유(17)를 통해 수광램프(22)에 수신되는 단계이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수광램프(22)는 측정시료에 함유된 부유물질에 부딪혀 산란되어 미세해진 발광램프(21)의 무광 레이져 광을 수광하여 전기적인 신호로 변환하는 단계로, 측정된 산란광, 햇빛이나 조명빛에 의한 외부광, 전기적인 노이즈가 합성된 신호형태로 (B)지점과 (C)지점에서 그래프에서 처럼 나타나며 이때의 F1은 산란광을 나타내며 F2는 외란광을 나타낸다.

상기 신호증폭단계(S5)는 광 수신단계(S4)를 거친 후, 수광램프(22)로 수신된 무광 레이져 광의 전기적 신호를 임피던스(45)를 통해 증폭하는 단계이다.

즉, 상기 발광램프(21)에 의해 광신호가 변환된 전기적 신호를 약 10~100배로 신호의 크기를 증폭하며, 아주 높은 발광램프(21)의 출력 인피던스(Zin)를 일반적인 인피던스로 처리하여 필터(46)로 전달하는 단계인 것이다.

상기 필터링단계(S6)는 신호증폭단계(S5)를 거친 후, 수광램프(22)로 산란 무광 레이져 광의 수광시 외란광이나 전기적 외란으로 인한 노이즈를 필터(46)를 통해 제거하는 단계이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 필터링단계(S6)에서 1KHz±10Hz 범위의 신호만을 통과시키고 나머지는 소멸되도록 하여 (D)지점의 그래프가 발생되도록 구성하는 것이다.

더불어, 상기 필터링단계(S6)는 설치 장소가 대부분 태양광이 내리쪼이는 외부에 설치되어 운영되는 형태로 태양광 및 기타 광에 의하여 오차가 빈번히 발생한다. 이러한 외부광에 의한 오차 발생을 차단하기 위하여 교류성 신호를 사용하므로 측정오차를 90% 이상 제거할 수 있어 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 내부의 신호처리 회로나 설치 장소에 따라 전기적인 노이즈가 혼입되었을 때 직류를 사용하면 효과적인 노이즈 필터링이 어려워질 수 있으나 1KHz±10Hz 범위의 신호를 사용하면 100% 가까이 전기적인 노이즈를 필터링 할 수 있는 장점이 있는 것이다.

상기 교류/직류변환단계(S7)는 필터링단계(S6)를 거친 후, 노이즈가 제거된 교류전기신호를 교류/직류 컨버터(47)를 통해 디지털 변환이 가능하도록 직류신호로 변환하는 단계이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 교류/직류변환단계(S7)는 부유 물질의 농도만큼 변환된 전기신호(교류)를 디지털 변환가능하도록 직류신호로 변환하는 단계로써, 다음과 같은 식을 이용하여 직류(Vdc) = 교류(Vp-p) * 2.83 으로 변환하는 단계로 필터링단계(S6)를 거친 교류신호만 (E)지점 그래프와 같이 직류로 변환하는 것이다.

상기 측정값표시단계(S8)는 교류/직류변환단계(S7)를 거친 후, 직류신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부(48)를 거친 신호를 컨트롤러(50)로 전달하여 디지털방식으로 측정값을 표시하는 단계이다.

이러한, 상기 전압/전류변환부(48)를 거친 신호는 전압형태로 측정 신호를 전송하면 전송선 및 설치 환경에 따라 전기적 외란에 노출되어 오류 발생의 주요 원인이 되지만, 전류의 형태에서는 장거리 및 주변환경에 영향을 최소화하여 측정된 부유물질의 신호를 전달하므로 정밀한 계측이 가능하도록 하는 단계인 것이다

도 6에 도시된 바와 같이, 전압/전류변환부(48)를 거친 신호의 전송 예를 들어 설명하면 전압 2V일 경우 신호 전송중 3V의 노이즈가 유입되었을 때에는 3V로 신호 변형되지만, 전류의 경우 2mA신호 전송 중 3V의 노이즈가 유입되었을 때에도 전류의 크기에는 변형이 없다. 즉 전송라인의 최종단에 저항(Resistor) 값에 의하여 전류가 전압으로 변환되므로 전송중의 노이즈는 유입되지 않게 되는 (F)지점의 그래프를 발생되는 것이다.

이러한, 최종단의 전류을 전압으로 변환식은 최종단 신호전압=전송선로의 전류 × 검출저항로 산출할 수 있다.

이로써, 상기 발신램프(21) 및 수광램프(22)를 한 개의 렌즈(11)를 사용함으로써 설치 체적이 감소되며 측정공간과 거리가 근접되어 산란되는 무광 레이져 광의 수신률이 향상되어 정확한측정이 가능하도록 하는 이점이 있다.

아울러, 상기 렌즈를 대신하여 발광, 수광 광섬유(16)(17)를 사용함으로써 렌즈의 교체시 비용보다 관리비용이 저렴하며, 광섬유의 특성상 외부의 광이 침투 하지 못하게 되어 발광과 수광시신호의 감쇄나 굴절률이 발생되지 않게 되어 측정시 오차의 발생을 최소화 할수 있는 장점이 있는 것이다.

더불어, 상기 발광, 수광 광섬유(16)(17)를 상용함에 따라 발광, 수광램프(21)(22)의 설치위치의 제약을 받지 않으며, 설치 거리가 증가되더라도 측정의 정확도가 유지 되도록 하는 이점이 있다.

그리고, 상기 부유물질 측정센서(100)를 이용하여 측정할 수 있는 방법으로는 측정할 시료에 침적시키는 방법을 이용하는 침적형방식, T형상의 배관을 따라 흐르는 시료를 측정하는 유통형방식, Y형상의 배관을 따라 흐르는 시료를 측정하는 삽입형방식으로 크게 세 가지로 분류할 수 있다.

더불어, 유통형방식과 삽입형방식은 침적형과는 달리 셀블록(10)을 측정할 시료에 침적시키지 않는 방식으로, 단지 셀블록(10)의 발광, 수광 광섬유(16)(17)를 지나쳐가는 시료의 부유물질을 측정하게 되는 것이다.

여기서, 유통형방식은 시료가 흐르는 배관에 직각으로 설치가 되며, 삽입형방식은 시료가 배관을 따라 흐르는 침적 설치되는 것으로 즉, 셀블록(10)이 시료가 흐르는 방향으로 30°정도 기울여져 설치되어 시료가 흐르는 저항과 적은 마찰을 받으며 측정 가능하게 하는 것이다.

이러한, 침적형, 유통형, 삽입형 방식을 이용하여 시료에 함유된 부유물질을 측정하는 방식은 활성오니 및 미생물(MLSS)을 단독으로 측정하는 방식과 현탁고형물(SS)을 측정하는 방식, MLSS와 SS를 동시에 측정할 수 있는 방식이 있다.

먼저, 활성오니 및 미생물(MLSS)을 측정하는 방식과 현탁고형물(SS)을 측정 하는 방식은 컨트롤러(50)에서 측정기능을 선택하게 되며 발광램프(21)에서 880nm 또는 규정된 적외선 파장이 발광되며, 적외선 파장은 부유물질에 충돌 산란되는 적외선 파장이 수광 광섬유(17)에 수신된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 부유물질 측정용 렌즈방식센서의 구조의 분해사시도,

도 2는 도 1의 결합사시도,

도 3은 도 2의 결합된 상태에서의 종방향 단면도,

도 4는 피씨비부의 개략적인 구성도,

도 5는 다른 실시 예에 따른 광섬유가이드를 나타낸 단면도,

도 6은 도 4의 (A)지점부터 (F)지점에서 발생되는 신호의 형태를 나타낸 그래프,

도 7은 부유물질 측정센서를 이용한 측정방법을 나타낸 순서도,

도 8은 측정 상태를 개략적으로 나타낸 측정상태도,

도 9는 부유물질 측정센서의 사용상태도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 셀블록 11 : 광섬유가이드

12 : 가이드홀 13 : 셀몸체

14 : 고정홀더 15 : 고정봉

16 : 발광 광섬유 17 : 수광 광섬유

20 : 램프부 21 : 발광램프

22 : 수광램프 23,24 : 램프가이드

30 : 세정부 31 : 정역모터

32 : 축 33 : 세정와이퍼

40 : 피씨비부 41 : 오실로스코프

42 : 증폭기 43 : 발진부

44 : 발진조절부 45 : 임피던스

46 : 필터 47 : 교류/직류 컨버터

48 : 전압/전류변환부 50 : 컨트롤러

100 : 부유물질 측정센서

S1 : 발진 및 증폭단계 S2 : 전류변환 및 제어단계

S3 : 광 조사단계 S4 : 광 수신단계

S5 : 신호증폭단계 S6 : 필터링단계

S7 : 교류/직류변환단계 S8 : 측정값표시단계

Claims (6)

1. 발광램프에서 발광되는 적외선 파장이 측정시료속의 부유물질에 부딪혀 수신되는 광을 수광램프로 수신받아 측정시료 1ℓ당 함유된 부유물질(MLSS,SS)을 ㎎으로 측정하도록,

   한 쌍의 광섬유홀(11a)에 발광,수광 광섬유(16)(17)의 일끝단을 삽입 결합하는 광섬유가이드(11)를 가이드홀(12)을 통해 전면이 셀블록(10)의 끝단면과 평탄하도록 결합 설치하고,

   주파수를 무광 레이져 광으로 변화하여 측정시료에 조사하는 발광램프(21)와 측정시료에 함유된 부유물질에 부딪혀 산란되는 발광램프(21)의 광을 감지하여 전기적신호로 변환하는 수광램프(22)를 수평으로 이격시켜 각각 램프가이드(23)(24)의 후방으로 삽입 끼움하고, 상기 램프가이드(23)(24)의 전면으로 발광,수광 광섬유(16)(17)의 타 끝단을 삽입 끼움하여 셀블록(10)에 결합 설치하는 램프부(20)를 형성하며,

   상기 셀블록(10)의 후방에 설치되는 정역모터(31)의 축(32)을 셀블록(10)의 전방으로 돌출시켜 발광,수광 광섬유(16)(17)의 표면에 침착되는 이물질을 제거하는 세정와이퍼(33)를 체결하여 세정부(30)를 형성하고,

   측정에 필요한 광신호로 변환가능한 주파수를 발진하는 오실로스코프(41)의 신호 전압을 증폭하는 증폭기(42)를 형성하고, 상기 증폭기(42)에서 증폭된 전압신호를 조사광량을 조절하기 위한 전류신호로 변환하는 발진부(43)와 조사광량을 일정하게 유지하기 위해 전류제한 및 제어하는 발진조절부(44)를 통한 전류신호가 발광램프(21)를 거쳐 무광 레이져 광으로 변환하여 발광 광섬유(16)를 통해 측정시료에 조사되며, 상기 발광램프(21)에서 조사된 무광 레이져 광이 부유물질에 부딪혀 수광 광섬유(17), 수광램프(22)의 순으로 수신되는 전기적 신호를 증폭하는 임피던스(45)를 형성하며, 상기 수광 광섬유(17), 수광램프(22)의 순으로 산란 무광 레이져 광의 수광시 외란광이나 전기적 외란으로 인한 노이즈를 제거하는 필터(46)를 형성하고, 산란 무광 레이져 광의 교류전기신호를 디지털 변환이 가능하도록 직류신호로 변환하는 교류/직류 컨버터(47)를 거친 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압/전류변환부(48)를 거친 신호를 디지털방식으로 측정값을 표시하는 컨트롤러(50)로 전달하는 피씨비부(40)로 구성하는 부유물질 측정용 레이저광을 이용하는 광섬유방식센서에 있어서,

   상기 광섬유가이드(11)에 형성되는 한 쌍의 광섬유홀(11a)은 평행하게 관통 형성하며,

   상기 광섬유홀(11a)에 발광,수광 광섬유(16)(17)의 평행하게 삽입하여 발광각도와 수광각도가 각각 24°를 이루도록 구성하는 것을 특징으로 부유물질 측정용 레이저

   광을 이용하는 광섬유방식센서의 구조.
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