KR101029775B1 - 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명과 관련된 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀은, 온도변화에 따른 보정을 위하여 시료용액 및 바탕용액의 온도를 실시간으로 각각 감지할 수 있도록, 상기 시료용액이 담겨지는 시료용액 거품제거용기와 상기 바탕용액이 담겨지는 바탕용액 거품제거용기에 각각 설치되는 제1온도센서 및 제2온도센서; 상기 시료용액 거품제거용기에 연결되는 시료용액 흐름셀과, 상기 바탕용액 거품제거용기에 연결되는 바탕용액 흐름셀; 광원측에서 나온 입사광이 상기 시료용액 흐름셀 또는 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하여 수광측으로 진행될 수 있게 배치되는 한 쌍의 광학거울; 상기 입사광이 상기 시료용액 흐름셀을 통과하는 제1광로와 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하는 제2광로를 따를 수 있도록 상기 한 쌍의 광학거울의 위치를 이동시키는 모터; 바탕신호의 보정을 위하여 상기 입사광을 선택적으로 차단 또는 차단해제시킬 수 있게 배치되는 셔터; 및 네트워크를 통하여 상기 제1온도센서 및 제2온도센서에서 측정된 온도를 외부 PC로 실시간으로 전송하며, 상기 외부 PC의 제어에 의해 상기 모터 및 셔터를 구동시키는 마이크로콘트롤러를 포함한다.
인-라인 분광분석, 이중광 시료 셀, 공정분석
Description
본 발명은 화학공정에서 실시간으로 변화되는 화합물의 농도를 인-라인 상에서 분광학적인 방법으로 측정하는 과정에서 측정오차를 최소화 시킬 수 있도록 고안된 지능형 시료 셀에 관한 것이다.
반도체 공정과 같이 장시간 쉬지 않고 가동되는 화학공정에서는 시간에 따라 혹은 공정조건에 따라 화합물의 농도가 변화되게 되며, 생산제품의 품질을 우수하게 유지하기 위해서는 실시간으로 변화되는 화합물의 농도를 측정하여 공정을 정밀하게 제어하여야 한다. 흔히 하루 24시간 쉬지 않고 가동되는 공정에서는 시료의 채취를 위하여 가동을 멈출 수 없으므로 원격 인-라인 셀을 이용하여 화합물의 농도를 실시간으로 측정한다. 시료가 액체상태이며, 자외선, 가시광선, 혹은 적외선을 흡수할 경우에는 분광분석기를 사용하여 실시간으로 변화되는 화합물의 농도를 측정한다. 이러한 화학공정에서는 분광분석기는 화학공장의 악취, 연기등 열악한 환경과 별도의 보호된 공간에 설치되어 운용되며, 광파이버를 사용하여 원격에 설치된 시료 셀로부터 흡광도를 측정한다. 시료용액중에 존재하는 어떤 성분이 빛을 흡수할 경우 흡광도는 Beer-Lambert 법칙에 의하여 다음과 같이 시료의 농도에 일차함수적 변화를 나타낸다.
흡광도 A = ebC
상기 식에서 e 는 빛의 흡수정도를 나타내는 흡광계수이며, 빛의 파장, 시료의 종류에 따라 일정한 값을 가진다. b 는 빛이 통과하는 길이이며, C 는 시료의 몰농도를 나타낸다. 시료용액중에 존재하는 다른 성분들도 주어진 파장에서 소량이나마 빛을 흡수할 수 있으며, 이러한 바탕용액에 의한 빛의 흡수는 성분시료에 의한 빛흡수에 더하여 나타나게 되며, 흔히 바탕용액의 흡광도를 별도로 측정하여 시료의 흡광도에서 바탕용액의 흡광도를 빼주어 신호를 보정한다. 바탕용액이 시간에 따라 변화되지 않고 초기와 같이 항상 일정할 경우에는 초기에 바탕용액의 흡광도를 측정한 다음 새로운 시료의 흡광도를 측정시마다 계속하여 초기 바탕용액의 흡광도를 빼주어 보정하여 주면 문제가 없다. 그러나, 실제 화학공정에서는 시료의 반응조건 혹은 공정조건이 변하게 되면 바탕용액의 흡광도도 변하게 되며, 이러한 경우에는 변화된 바탕용액의 흡광도를 다시 측정하여 측정시료의 흡광도를 보정 하여 주어야 한다.
화학공정에서 모든 화학반응은 온도의 함수이며, 온도가 변하면 화학평형이 바뀌므로 화합물의 농도도 변하게 되어 흡광도도 변하게 된다. 또한, 흡광도를 측정하는 분광기를 구성하고 있는 광 센서등 여러 전자부품들도 온도의 함수로서 온도변화에 따라 신호크기가 달라 지게 된다. 즉, 빛이 전혀 없어도 온도변화에 따라 일정크기의 신호가 나오게 되며, 이러한 신호를 암전류라 부른다. 시료와 주변 온 도 변화에 따라 변화되는 시료농도와 암전류 변화는 측정된 시료의 흡광도 신호에 오차를 주게 되며, 정밀한 분석이 필요할 경우에는 반드시 온도에 따른 흡광도 보정을 해주어야만 한다.
또한, 인-라인 분석에서 자주 발생하는 오차는 시료의 거품발생에 의한 오차이다. 복잡한 여러 단계를 거쳐서 시료가 흘러가게 되면 중간에 거품이 자주 발생하게 된다. 휘발성 성분이 존재할 경우에 기화에 의하여 거품이 발생하게 되며, 이렇게 발생된 기체가 흐름 셀 (flow cell)에 들어갈 경우에 빛의 흡수에 영향을 주게 되어 오차가 발생한다. 따라서, 이러한 기체발생과 거품은 시료 흐름 셀에 들어오기 전에 제거되어야 오차를 줄일 수 있다.
반도체 공정과 같이 장시간 쉬지 않고 연속적으로 가동되는 화학공정에서 실시간으로 성분 화합물의 농도를 정밀하게 측정하여 공정을 제어하는 기술은 생산제품의 품질관리에 필수적이다. 분광분석법을 이용하여 실시간 인-라인 공정분석을 하는 과정에서 흔히 발생하기 쉬운 오차는 바탕용액에 의한 바탕신호, 온도변화에 의한 측정기기의 암전류, 그리고 흐르는 유체에서 발생하기 쉬운 거품 등이 가장 큰 오차를 가져온다. 본 발명에서는 이러한 세 가지 주요 오차를 효과적으로 제거할 수 있는 원격 이중광 시료 셀을 특별히 제작하여, 바탕신호를 보정하고, 거품을 제거할 수 있으며, 또한 온도를 측정하여 보정 함으로서, 인-라인 공정분석에 사용 하는 과정에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하는 데 본 발명의 목적이 있다.
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상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명과 관련된 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀은, 온도변화에 따른 보정을 위하여 시료용액 및 바탕용액의 온도를 실시간으로 각각 감지할 수 있도록, 상기 시료용액이 담겨지는 시료용액 거품제거용기와 상기 바탕용액이 담겨지는 바탕용액 거품제거용기에 각각 설치되는 제1온도센서 및 제2온도센서; 상기 시료용액 거품제거용기에 연결되는 시료용액 흐름셀; 상기 바탕용액 거품제거용기에 연결되는 바탕용액 흐름셀; 광원측에서 나온 입사광이 상기 시료용액 흐름셀 또는 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하여 수광측으로 진행될 수 있게 배치되는 한 쌍의 광학거울; 상기 입사광이 상기 시료용액 흐름셀을 통과하는 제1광로와 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하는 제2광로를 따를 수 있도록 상기 한 쌍의 광학거울의 위치를 이동시키는 모터; 바탕신호의 보정을 위하여 상기 입사광을 선택적으로 차단 또는 차단해제시킬 수 있게 배치되는 셔터; 및 네트워크를 통하여 상기 제1온도센서 및 제2온도센서에서 측정된 온도를 외부 PC로 실시간으로 전송하며, 상기 외부 PC의 제어에 의해 상기 모터 및 셔터를 구동시키는 마이크로컨트롤러를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 모터에는 스크류가 구비되고, 상기 한 쌍의 광학거울은 상기 스크류의 회전에 의하여 전진 또는 후진되는 연결바에 연결될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 모터에는 스크류가 구비되고, 상기 한 쌍의 광학거울은 상기 스크류의 회전에 의하여 전진 또는 후진되는 연결바에 연결될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 시료용액 거품제거용기 및 상기 바탕용액 거품제거용기는, 상기 시료용액 및 상기 바탕용액이 유입될 수 있게 상부에 각각 입수구가 형성되고, 거품이 제거된 용액이 배출될 수 있게 하단부에 출수구가 배치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 외부 PC와 RS-485 통신으로 명령을 받아 상기 셔터, 상기 제1 및 제2온도센서 및, 상기 모터를 제어할 수 있게 형성될 수 있다.
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본 발명에 의하여 개발된 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중광 시료셀을 사용하면 장기간 쉬지 않고 계속적으로 가동되는 화학공정에서 흔히 발생하기 쉬운 바탕용액 변화에 의한 오차, 온도변화에 의한 오차, 그리고 전기적인 환경변화와 장시간 가동에 의한 열발생에 따른 측정기기의 암전류 변화, 그리고 광원의 세기변 화등에 의한 오차를 매우 효과적으로 보정할 수 있으므로 언제나 정확한 시료의 분석이 가능하여 생산제품의 품질을 향상 시킬 수 있다. 본 발명에서 바탕용액의 보정은 한쌍의 이동식 광학거울을 사용하여 이중광 통로를 만들어 줌으로서 순차적으로 시료용액과 바탕용액의 흡광도를 측정하여 시료용액의 흡광도를 보정하였다. 또한, 시료용액의 온도변화에 의한 오차는 온도센서를 이용하여 실시간으로 온도를 측정하여 보정하였으며, 공정중에 흔히 발생되는 거품에 의한 오차는 거품제거 장치를 부착시켜 제거하였다. 광원세기의 변화와 암전류의 변화에 의한 바탕신호 변화는 주기적으로 셔터를 작동하여 보정하였다.
이하, 본 발명과 관련된 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중광 시료셀을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
인-라인 원격 분광분석에 의한 화학공정의 실시간 정밀한 제어를 위하여 본 발명에서는 도 1에 제시한 바와 같은 특별한 시료 셀을 구성하였다. 시료용액과 바탕용액은 각각 유입구(1, 2)를 통하여 시료용액 거품제거용기(S) 와 바탕용액 거품제거용기(R)에 유입되며, 발생된 거품은 거품 제거 용기 내에서 용액 상층에 모이게 되고, 상층 배출구(13, 14)를 통하여 외부로 배출된다. 거품이 제거된 순수한 용액은 거품 제거 용기내의 하층부에 연결된 배출구 3과 4을 통하여 각각 특별히 제작된 시료 셀(C)을 통과하게 된다. 시료 셀에 연결된 시료와 바탕용액은 필요시 밸브 7과 8을 조작하여 흐름을 제어할 수 있도록 하였다. 시료 셀(C)을 통과한 시료용액과 바탕용액은 출구에 연결된 배관(11, 12)를 통하여 거품 제거용기에서 거품배출구(13, 14)를 통하여 나오는 여분의 용액과 각각 합쳐진 다음 배관(15, 16)을 통하여 다시 원래의 공정용기로 돌아가게 된다. 또한, 시료용액과 바탕용액의 온도변화를 측정하기 위하여 거품제거 용기내에 제1온도센서(5)와 제2온도센서(6)를 각각 설치하였다.
본 발명에 의한 이중광 원격 시료 셀은 도 2에 도시한 바와 같이 시료와 바탕용액이 각각 시료용액 흐름 셀(S)와 바탕용액 흐름 셀(R)을 통과하도록 하였으며, 광원으로부터 광파이버(17)를 통하여 들어온 입사광은 렌즈(19)에 의하여 집광된 다음 셔터(29)를 지나 이동식 광학거울(21, 23)에 의하여 진로가 90도 직각으로 바뀌게 되어 시료용액 흐름 셀(S) 혹은 바탕용액 흐름 셀(R)을 각각 통과하게 된다. 시료와 바탕용액을 통과한 빛은 다시 광학거울(22, 24)에 의하여 진로가 90도 바뀐 다음 필터(31)를 지나 렌즈(20)에 의하여 다시 집광된 다음 출구 광파이버(18) 을 통하여 외부 분광분석기에 연결된다.
광학필터(31)와 셔터(29)는 연결된 솔레노이드(28, 30)에 의하여 각각 작동되며, 연결바(26)에 의하여 서로 연결된 두 개의 광학거울(23, 24)는 외부에 설치된 스텝모터(27)와 스크류(25)에 의하여 위치가 상하로 움직일 수 있어 시료와 바탕용액을 교대로 측정할 수 있도록 하였다. 거울(23)이 모터(27)와 연결바(26), 그리고 스크류(25)에 의하여 21로 표시된 위치로 이동하면 광파이버(17)를 통하여 들어온 입사광은 거울(21)에 의하여 반사되어 바탕용액 흐름 셀(R)을 통과하게 되며, 다시 23으로 표시된 위치로 이동하면 시료용액 흐름 셀(S)을 통과하게 되어 시료용액과 바탕용액의 흡광도를 각각 측정할 수 있도록 하였다.
시료용액중에 존재하는 어떤 성분이 빛을 흡수할 경우 흡광도(A)는 Beer-Lambert 법칙에 의하여 다음과 같이 시료의 농도에 대하여 일차함수적 변화를 나타낸다.
[수학식 1]
흡광도(A) = ebC
상기 식에서 e 는 빛의 흡수정도를 나타내는 흡광계수이며, 빛의 파장, 시료의 종류에 따라 일정한 값을 가진다. b 는 빛이 통과하는 길이이며, C 는 시료의 몰농도를 나타낸다. 시료용액 중에 존재하는 다른 성분들도 주어진 파장에서 소량이나마 빛을 흡수할 수 있으며, 이러한 바탕용액에 의한 빛의 흡수는 성분시료에 의한 빛흡수에 더하여 나타나게 되며, 바탕용액의 흡광도를 별도로 측정하여 시료의 흡광도에서 바탕용액의 흡광도를 빼주어 신호를 보정한다.
화학공정에서 온도가 변하면 화학평형이 바뀌므로 화합물의 농도도 변하게 되어 흡광도도 변하게 된다. 또한, 흡광도를 측정하는 분광기를 구성하고 있는 광 센서등 여러 전자부품들도 온도의 함수로서 온도변화에 따라 신호크기가 달라진다. 이와 같이, 빛이 전혀 없어도 온도변화에 따라 일정크기로 나오는 신호인 암전류의 변화를 온도 센서(5, 6)를 통하여 실시간으로 측정된 온도에 따라 보정을 해준다.
시료용액으로부터 측정된 신호는 다음과 같이 바탕용액과 바탕신호의 합으로 표현할 수 있다.
[수학식 2]
시료용액의 흡광도= 순수시료에 의한 흡광도+바탕용액의 흡광도+바탕신호
오랜 시간 동안 계속하여 분광기를 사용시 발생된 열에 의하여 분광분석기의 암전류가 증가하게 되며, 이에 따라 바탕신호가 증가할 수 있으며, 사용되는 전기적인 환경변화에 따라서도 바탕신호가 변하게 된다. 이러한 시간에 따라 변하는 바탕신호 (drift)는 주기적으로 셔터(29)를 이용하여 측정하여 시료의 흡광도를 보정할 수 있다. 즉, 셔터를 이용하여 광원을 차단하고 신호를 측정하면 순수한 기기의 암전류가 측정된다. 따라서, 본 발명에서는 광학거울(23, 24)을 사용하여 바탕용액에 대한 흡광도를 보정하고, 셔터(29)를 사용하여 주기적으로 바탕신호를 보정하여 줄 수 있으므로 효과적으로 오차를 줄일 수 있다. 또한 온도센서(5, 6)에 의하여 실시간으로 온도를 측정할 수 있으므로 온도변화에 따른 시료의 흡광도 변화를 보정할 수 있어 장기간 쉬지 않고 가동되는 화학공정에서 발생하기 쉬운 오차를 매우 정밀하게 보정할 수 있다.
본 발명에 의하여 특별히 제작된 이중광 시료 셀을 효과적으로 작동시키기 위해서 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이 마이크로컨트롤러를 시료 셀에 내장시켜 시료와 바탕용액의 온도보정을 위한 온도측정 TC1, TC2, 밸브 V1, V2 작동에 의한 흐름제어, 솔레노이드 작동에 의한 광학필터 FL 작동과 암전류 변화를 측정하여 바탕신호 변화 (drift)를 보정하기 위한 셔터 ST 의 구동, 그리고 시료용액과 바탕용액의 흡광도를 교대로 측정하기 위한 스텝모터의 구동을 자동화시켰다. 내장된 마이크로컨트롤러는 외부에 연결된 호스트 PC 로부터 RS-485 의하여 작동명령을 받아 그에 따라 시료 셀을 작동시키며, 측정된 온도를 호스트 PC로 전송한다.
RS-485 통신은 열악하고 잡음이 심한 작업현장에서 효과적으로 여러 장소에 원격으로 설치되어 운용되는 시료 셀을 간단하게 네트워크로 연결하여 하나의 호스트 PC에 의하여 작동이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의하여 개발된 지능형 인-라인 분광분석용 지능형 시료 셀은 마이크로 컨트롤러를 내장하여 작동시키므로 매우 정밀하게 제어가 가능하다. 외부에 설치된 호스트 PC 와 RS-485 통신에 의하여 네트워크를 형성하므로 여러 개의 시료셀을 하나의 컴퓨터로 동시에 제어가 가능하므로 반도체 공장과 같은 대규모 화학공정에 매우 효과적으로 이용이 가능하다. 장시간 연속적으로 가동되어야 하는 공정에서는 바탕용액의 변화, 온도변화, 전기적인 환경변화에 의한 광원세기의 변화, 장시간 가동에 의한 측정기기의 암전류 증가등에 의한 바탕신호의 변화는 불가피하게 발생하게 되며, 본 발명에 의한 지능형 시료 셀은 실시간으로 여러 오차요인들을 보정할 수 있으므로 장시간 하루도 쉬지 않고 계속적으로 가동되어야 하는 공정분석과 제어에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
인-라인 원격 분광분석에 의한 화학공정의 실시간 정밀한 제어를 위하여 본 발명에서는 도 1에 제시한 바와 같은 특별한 시료 셀을 구성하였다. 시료용액과 바탕용액은 각각 유입구(1, 2)를 통하여 시료용액 거품제거용기(S) 와 바탕용액 거품제거용기(R)에 유입되며, 발생된 거품은 거품 제거 용기 내에서 용액 상층에 모이게 되고, 상층 배출구(13, 14)를 통하여 외부로 배출된다. 거품이 제거된 순수한 용액은 거품 제거 용기내의 하층부에 연결된 배출구 3과 4을 통하여 각각 특별히 제작된 시료 셀(C)을 통과하게 된다. 시료 셀에 연결된 시료와 바탕용액은 필요시 밸브 7과 8을 조작하여 흐름을 제어할 수 있도록 하였다. 시료 셀(C)을 통과한 시료용액과 바탕용액은 출구에 연결된 배관(11, 12)를 통하여 거품 제거용기에서 거품배출구(13, 14)를 통하여 나오는 여분의 용액과 각각 합쳐진 다음 배관(15, 16)을 통하여 다시 원래의 공정용기로 돌아가게 된다. 또한, 시료용액과 바탕용액의 온도변화를 측정하기 위하여 거품제거 용기내에 제1온도센서(5)와 제2온도센서(6)를 각각 설치하였다.
본 발명에 의한 이중광 원격 시료 셀은 도 2에 도시한 바와 같이 시료와 바탕용액이 각각 시료용액 흐름 셀(S)와 바탕용액 흐름 셀(R)을 통과하도록 하였으며, 광원으로부터 광파이버(17)를 통하여 들어온 입사광은 렌즈(19)에 의하여 집광된 다음 셔터(29)를 지나 이동식 광학거울(21, 23)에 의하여 진로가 90도 직각으로 바뀌게 되어 시료용액 흐름 셀(S) 혹은 바탕용액 흐름 셀(R)을 각각 통과하게 된다. 시료와 바탕용액을 통과한 빛은 다시 광학거울(22, 24)에 의하여 진로가 90도 바뀐 다음 필터(31)를 지나 렌즈(20)에 의하여 다시 집광된 다음 출구 광파이버(18) 을 통하여 외부 분광분석기에 연결된다.
광학필터(31)와 셔터(29)는 연결된 솔레노이드(28, 30)에 의하여 각각 작동되며, 연결바(26)에 의하여 서로 연결된 두 개의 광학거울(23, 24)는 외부에 설치된 스텝모터(27)와 스크류(25)에 의하여 위치가 상하로 움직일 수 있어 시료와 바탕용액을 교대로 측정할 수 있도록 하였다. 거울(23)이 모터(27)와 연결바(26), 그리고 스크류(25)에 의하여 21로 표시된 위치로 이동하면 광파이버(17)를 통하여 들어온 입사광은 거울(21)에 의하여 반사되어 바탕용액 흐름 셀(R)을 통과하게 되며, 다시 23으로 표시된 위치로 이동하면 시료용액 흐름 셀(S)을 통과하게 되어 시료용액과 바탕용액의 흡광도를 각각 측정할 수 있도록 하였다.
시료용액중에 존재하는 어떤 성분이 빛을 흡수할 경우 흡광도(A)는 Beer-Lambert 법칙에 의하여 다음과 같이 시료의 농도에 대하여 일차함수적 변화를 나타낸다.
[수학식 1]
흡광도(A) = ebC
상기 식에서 e 는 빛의 흡수정도를 나타내는 흡광계수이며, 빛의 파장, 시료의 종류에 따라 일정한 값을 가진다. b 는 빛이 통과하는 길이이며, C 는 시료의 몰농도를 나타낸다. 시료용액 중에 존재하는 다른 성분들도 주어진 파장에서 소량이나마 빛을 흡수할 수 있으며, 이러한 바탕용액에 의한 빛의 흡수는 성분시료에 의한 빛흡수에 더하여 나타나게 되며, 바탕용액의 흡광도를 별도로 측정하여 시료의 흡광도에서 바탕용액의 흡광도를 빼주어 신호를 보정한다.
화학공정에서 온도가 변하면 화학평형이 바뀌므로 화합물의 농도도 변하게 되어 흡광도도 변하게 된다. 또한, 흡광도를 측정하는 분광기를 구성하고 있는 광 센서등 여러 전자부품들도 온도의 함수로서 온도변화에 따라 신호크기가 달라진다. 이와 같이, 빛이 전혀 없어도 온도변화에 따라 일정크기로 나오는 신호인 암전류의 변화를 온도 센서(5, 6)를 통하여 실시간으로 측정된 온도에 따라 보정을 해준다.
시료용액으로부터 측정된 신호는 다음과 같이 바탕용액과 바탕신호의 합으로 표현할 수 있다.
[수학식 2]
시료용액의 흡광도= 순수시료에 의한 흡광도+바탕용액의 흡광도+바탕신호
오랜 시간 동안 계속하여 분광기를 사용시 발생된 열에 의하여 분광분석기의 암전류가 증가하게 되며, 이에 따라 바탕신호가 증가할 수 있으며, 사용되는 전기적인 환경변화에 따라서도 바탕신호가 변하게 된다. 이러한 시간에 따라 변하는 바탕신호 (drift)는 주기적으로 셔터(29)를 이용하여 측정하여 시료의 흡광도를 보정할 수 있다. 즉, 셔터를 이용하여 광원을 차단하고 신호를 측정하면 순수한 기기의 암전류가 측정된다. 따라서, 본 발명에서는 광학거울(23, 24)을 사용하여 바탕용액에 대한 흡광도를 보정하고, 셔터(29)를 사용하여 주기적으로 바탕신호를 보정하여 줄 수 있으므로 효과적으로 오차를 줄일 수 있다. 또한 온도센서(5, 6)에 의하여 실시간으로 온도를 측정할 수 있으므로 온도변화에 따른 시료의 흡광도 변화를 보정할 수 있어 장기간 쉬지 않고 가동되는 화학공정에서 발생하기 쉬운 오차를 매우 정밀하게 보정할 수 있다.
본 발명에 의하여 특별히 제작된 이중광 시료 셀을 효과적으로 작동시키기 위해서 본 발명에서는 도 3에 도시한 바와 같이 마이크로컨트롤러를 시료 셀에 내장시켜 시료와 바탕용액의 온도보정을 위한 온도측정 TC1, TC2, 밸브 V1, V2 작동에 의한 흐름제어, 솔레노이드 작동에 의한 광학필터 FL 작동과 암전류 변화를 측정하여 바탕신호 변화 (drift)를 보정하기 위한 셔터 ST 의 구동, 그리고 시료용액과 바탕용액의 흡광도를 교대로 측정하기 위한 스텝모터의 구동을 자동화시켰다. 내장된 마이크로컨트롤러는 외부에 연결된 호스트 PC 로부터 RS-485 의하여 작동명령을 받아 그에 따라 시료 셀을 작동시키며, 측정된 온도를 호스트 PC로 전송한다.
RS-485 통신은 열악하고 잡음이 심한 작업현장에서 효과적으로 여러 장소에 원격으로 설치되어 운용되는 시료 셀을 간단하게 네트워크로 연결하여 하나의 호스트 PC에 의하여 작동이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 의하여 개발된 지능형 인-라인 분광분석용 지능형 시료 셀은 마이크로 컨트롤러를 내장하여 작동시키므로 매우 정밀하게 제어가 가능하다. 외부에 설치된 호스트 PC 와 RS-485 통신에 의하여 네트워크를 형성하므로 여러 개의 시료셀을 하나의 컴퓨터로 동시에 제어가 가능하므로 반도체 공장과 같은 대규모 화학공정에 매우 효과적으로 이용이 가능하다. 장시간 연속적으로 가동되어야 하는 공정에서는 바탕용액의 변화, 온도변화, 전기적인 환경변화에 의한 광원세기의 변화, 장시간 가동에 의한 측정기기의 암전류 증가등에 의한 바탕신호의 변화는 불가피하게 발생하게 되며, 본 발명에 의한 지능형 시료 셀은 실시간으로 여러 오차요인들을 보정할 수 있으므로 장시간 하루도 쉬지 않고 계속적으로 가동되어야 하는 공정분석과 제어에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.
도 1 은 거품제거기와 본 발명에 의한 시료 셀의 연결도
도 2 는 본 발명에 의한 이중광 셀 내부의 광학구성도
도 3 은 마이크로컨트롤러를 사용하여 지능형 시료 셀을 작동시키는 구성도
Claims (4)
- 온도변화에 따른 보정을 위하여 시료용액 및 바탕용액의 온도를 실시간으로 각각 감지할 수 있도록, 상기 시료용액이 담겨지는 시료용액 거품제거용기와 상기 바탕용액이 담겨지는 바탕용액 거품제거용기에 각각 설치되는 제1온도센서 및 제2온도센서;상기 시료용액 거품제거용기에 연결되는 시료용액 흐름셀;상기 바탕용액 거품제거용기에 연결되는 바탕용액 흐름셀;광원측에서 나온 입사광이 상기 시료용액 흐름셀 또는 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하여 수광측으로 진행될 수 있게 배치되는 한 쌍의 광학거울;상기 입사광이 상기 시료용액 흐름셀을 통과하는 제1광로와 상기 바탕용액 흐름셀을 통과하는 제2광로를 따를 수 있도록 상기 한 쌍의 광학거울의 위치를 이동시키는 모터;바탕신호의 보정을 위하여 상기 입사광을 선택적으로 차단 또는 차단해제시킬 수 있게 배치되는 셔터; 및네트워크를 통하여 상기 제1온도센서 및 제2온도센서에서 측정된 온도를 외부 PC로 실시간으로 전송하며, 상기 외부 PC의 제어에 의해 상기 모터 및 셔터를 구동시키는 마이크로컨트롤러를 포함하는, 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀.
- 제 1 항에 있어서,상기 모터에는 스크류가 구비되고,상기 한 쌍의 광학거울은 상기 스크류의 회전에 의하여 전진 또는 후진되는 연결바에 연결된, 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀.
- 제 1 항에 있어서,상기 시료용액 거품제거용기 및 상기 바탕용액 거품제거용기는, 상기 시료용액 및 상기 바탕용액이 유입될 수 있게 상부에 각각 입수구가 형성되고, 거품이 제거된 용액이 배출될 수 있게 하단부에 출수구가 배치된, 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀.
- 제 1 항에 있어서,상기 마이크로컨트롤러는 상기 외부 PC와 RS-485 통신으로 명령을 받아 상기 셔터, 상기 제1 및 제2온도센서 및, 상기 모터를 제어할 수 있게 형성된, 원격 인-라인 분광분석용 지능형 이중 광 시료 셀.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000214079A (ja) | 1999-01-22 | 2000-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光学特性測定系の制御方法 |
| KR20050017987A (ko) * | 2003-08-12 | 2005-02-23 | 한국표준과학연구원 | 유기금속화학증착 공정을 위한 전구체 변질 진단장치 및진단방법 |
| KR20080086257A (ko) * | 2007-03-22 | 2008-09-25 | 한국표준과학연구원 | 열악환경에 따른 전구체 상태 진단장치 및 진단방법 |
-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000214079A (ja) | 1999-01-22 | 2000-08-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 光学特性測定系の制御方法 |
| KR20050017987A (ko) * | 2003-08-12 | 2005-02-23 | 한국표준과학연구원 | 유기금속화학증착 공정을 위한 전구체 변질 진단장치 및진단방법 |
| KR20080086257A (ko) * | 2007-03-22 | 2008-09-25 | 한국표준과학연구원 | 열악환경에 따른 전구체 상태 진단장치 및 진단방법 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021154977A1 (en) * | 2020-01-28 | 2021-08-05 | Daylight Solutions, Inc. | Fluid analyzer with self-check, leak detection, and adjustable gain |
| WO2021216194A1 (en) * | 2020-04-23 | 2021-10-28 | Raytheon Company | Transmissometer and method for calibrating a transmissometer |
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