KR101115694B1 - 유리 ｐＨ 센서를 이용한 ｐＨ 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로, 저항을 통한 외부 전원을 부가하여 유리 pH 센서의 시정수를 감소시켜 응답속도를 향상시키고, 유리 pH 센서의 특성을 산출하여 고장 여부를 진단할 수 있는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템을 제공한다. 이를 위한 본 발명은 유리 pH 센서를 이용하여 용액의 pH를 측정하는 시스템에 있어서, 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값보다 10배이상 작은 저항값을 갖는 저항을 통하여 상기 유리 pH 센서로 전압을 인가하는 전원공급 수단과; 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 검출하는 검출 수단과; 상기 검출된 출력 전압을 기초로 상기 용액의 pH 값을 산출하는 산출 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 유리 pH 센서의 동특성에 따른 시정수를 감소시켜 응답속도를 향상시키고, 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값 및 전원을 산출하여 유리 pH 센서의 고장여부를 진단할 수 있는 효과가 있다.
유리 pH센서, 유리 전극, 센서진단, 내부 저항, 시정수

Description

유리 ｐＨ 센서를 이용한 ｐＨ 측정 시스템{pH measurement system using a glass pH sensor}
본 발명은 유리 pH 센서를 이용한 용액의 pH 측정시스템에 관한 것으로, 특히, 저항을 통해 외부 전원을 부가하여 유리 pH 센서의 시정수를 감소시켜 응답속도를 향상시키고, 유리 pH 센서의 특성을 산출하여 고장 여부를 진단할 수 있는 유리 pH 센서를 이용한 용액의 pH 측정시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것으로, 특히 피드백 회로를 이용하여, 용액의 pH 측정시간을 단축할 수 있는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템에 관한 것이다.
일반적으로 용액의 수소이온농도(pH)의 측정은 화학적 처리, 생물학적 처리, 물리적 처리에서 매우 중요한 의미가 있다.
pH 측정용 센서로서 반도체 센서 및 광학 센서가 개발되고 있으며, 산화물 유리의 pH 응답에 관한 연구가 개시된 이래 유리 pH 센서에 관한 많은 이론적인 연 구 및 그의 응용이 수행되어 왔다. 이 유리 pH 센서는 기계 및 화학적으로 안정하기 때문에 실용적으로 매우 중요하며 다양한 범위의 용매에 사용될 수 있다.
이러한 유리 pH 센서는 비교적 빠르고, 온라인 측정에 효과적으로 적용되지만, 검증 탱크(identification tank), 종단 판단(end-point estimation) 및 자동 적정기(auto-titrator)와 같은 일부 응용분야에서는 보다 빠른 응답특성이 요구되고 있다.
이 유리 pH 센서의 동특성 응답(dynamic response)은 대략적으로 유사 평형(quasi-equilibrium)에 대한 빠른 응답과 유리 멤브레인(glass membrane)을 통한 이온의 침투에 기인하는 느린 드리프트(drift)로 구성된다.
유사 평형에 대한 응답을 도 1에 도시된 매우 높은 내부 저항과 커패시턴스를 갖는 등가 회로로 설명할 수 있다. 여기서, 도 1은 일반적인 유리 pH 센서의 기호(a) 및 이의 등가 회로(b)를 보여준다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 전형적인 유리 pH 센서(10)는 하나의 몸체에 용액의 pH에 민감한 얇은 유리 전구와 기준 전극(reference electrode)으로 구성된다. 이러한 pH-민감(ph-sensitive) 유리 멤브레인은 108Ω 정도의 내부 저항값 및 102㎊의 정전용량을 갖는다.
내부 등가 정전용량이 전극 및 용액의 전기적인 이중층에 기인하고 유리 pH 센서(10) 몸체 전체에 걸쳐 분포되어 있기 때문에, 도 1(b)의 등가 회로로 간략화할 수 있고 이는 저주파수 동작에 대하여 효과적이다.
여기서, 내부 등가 커패시터(16)의 정전용량은 비교적 일정하지만, 내부 등가 저항(12)의 저항값은 온도에 매우 민감하여 상당히 변동한다.
이상적인 유리 pH 센서(10)의 출력 전압은 25℃에서 각 pH 단위 변화당 59.16㎷로 변화된다.
이러한 유리 pH 센서(10)를 이용한 측정 시스템은 1012Ω이상의 입력 저항과 매우 낮은 입력 바이어스 전류를 갖는 연산 증폭기에 의해 유리 pH 센서(10)의 출력전압을 측정한다.
도 2는 종래의 유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템의 개략적 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 연산증폭기(20)를 이용하여 유리 pH 센서(10)의 출력전압을 검출함으로써, 용액의 pH를 산출할 수 있다.
이러한 유리 pH 센서(10)의 동특성 응답은 유리 멤브레인의 등가 저항(12)을 통한 내부 등가 커패시터(16)의 충전시간에 기인하며 이는 시정수(time constant)에 해당된다. 이때 동특성은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112009058416760-pat00001
여기서, R 및 C는 유리 pH 센서(10)의 내부 등가 저항(12)의 저항값 및 내부 등가 커패시터(16)의 정전용량이다.
그러나, 이러한 종래의 측정 시스템은 정상 상태(steady state) pH 값에 도달하는 시간이 5초 이상 소요되며, 이러한 소요시간은 일부 응용분야에서는 매우 커서 실용상 문제점이 있다.
이러한 측정 시스템에서, 내부 등가 커패시터(16)의 정전용량(C)은 증폭된 센서 출력을 작은 값의 커패시터를 통한 정의 피드백(positive feedback)에 의해 감소될 수 있다. 이때의 동특성은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112009058416760-pat00002
여기서, α는 가변저항을 통하여 조정될 수 있는 정의 피드백의 양이다.
이 경우, 수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 유리 pH 센서(10)의 시정수는 피드백 커패시터(C1)에 기인하여 감소된다.
그러나, 이 측정 시스템은 내부 등가 커패시터(16)의 정전용량(C)의 변동에 기인하여 C-αC1이 음수가 되면 불안정하게 될 수 있다. 또한, C-αC1을 매우 작게 하는 것은 실용적이지 않다. 따라서 유리 pH 센서(10)의 내부 저항값(R)이 상당히 변하는 조건하에서 유리 pH 센서(10)의 시정수를 안정적으로 유지하는 것은 매우 곤란하다.
또한, 이러한 측정 시스템은 정의 피드백을 기초로 하기 때문에 피드백의 진폭이 매우 커지면 불안정하게 될 뿐만 아니라, 피드백의 크기, 안정성의 보증 및 정해진 시정수를 찾아내는 것이 곤란한 문제점이 있다.
한편, 유리 pH 센서(10)의 불량을 진단하기 위해서 사각파 전압 또는 전류를 유리 pH 센서(10)에 인가하는 방법이 제안되어있다.
일련의 작은 전류 펄스(10㎁ 이하)가 유리 pH 센서(10)에 부가되면, 유리 pH 센서(10)의 내부 등가 저항값(R)과 등가 전압(E) 모두를 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 내부 저항값(R)은 유리 pH 센서(10)의 고장여부를 진단하는데 사용된다.
그러나, 이러한 측정 방법은 내부 등가 저항(12) 및 등가 커패시터(16)에 의한 유리 pH 센서(10)의 시정수를 감소시킬 수 없어 유리 pH 센서(10)의 응답을 빠르게 하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 이러한 종래의 측정 시스템은 정상 상태(steady state) pH 값에 도달하는 시간이 5초 이상 소요되는데, 이러한 소요시간은 일부 응용분야에서는 실용상 적용될 수 없을 정도로 지나치게 커서 실용상 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 측정 시스템의 시정수를 감소시키고, 유리 pH 센서의 등가회로에 대응하는 내부 저항값 및 전원값을 산출할 수 있는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 용액의 pH 측정 시, 그 측정시간을 단축할 수 있는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유리 pH 센서를 이용하여 용액의 pH를 측정하는 시스템에 있어서, 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값보다 10배이상 작은 저항값을 갖는 저항을 통하여 상기 유리 pH 센서로 전압을 인가하는 전원공급 수단과; 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 검출하는 검출 수단과; 상기 검출된 출력 전압을 기초로 상기 용액의 pH 값을 산출하는 산출 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 검출 수단은 연산 증폭기와 피드백 커패시터를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 유리 pH 센서의 시정수는 R1(C-αC1)/(1+β) 이고, 여기서, R1은 상기 저항의 저항값, C1은 상기 피드백 커패시터의 정전용량, R,C는 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값 및 정전용량, α는 상기 연산증폭기의 이득, β는 R1/R일 수 있다.
바람직하게는 상기 전원공급 수단이 사각파를 공급하고, 상기 산출 수단이 상기 사각파의 서로 다른 두 전압에 대한 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 기초로 상기 β을 산출할 수 있다.
바람직하게는 상기 사각파는 펄스 폭이 상기 시정수보다 큰 것일 수 있다.
바람직하게는 상기 유리 pH 센서의 출력 전압은 정상상태 전압인 것일 수 있다.
바람직하게는 상기 산출 수단은 상기 사각파의 서로 다른 두 전압에 대한 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 기초로 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 전압을 산출할 수 있다.
바람직하게는 상기 산출 수단은 상기 β을 기초로 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값을 산출하여 상기 유리 pH 센서의 고장여부를 진단할 수 있다.
바람직하게는 하나의 등가전원이 직렬연결된 적어도 두 개의 등가저항들과 직렬연결되고, 제1등가커패시터는 제1등가저항과 병렬연결되며, 제2등가커패시터는 제2등가저항과 직렬연결되는 등가회로로 나타내는 유리 pH센서를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 유리 pH센서와 상기 산출수단 사이에 피드백회로부가 더 구비되고, 상기 검출수단으로부터 상기 유리 pH센서의 출력전압을 인가받아 가변저항을 통해 상기 출력전압을 조절하여 귀환전압을 생성한 후, 상기 귀환전압을 상기 유리 pH센서로 재인가할 수 있다.
특히, 임베디드(Embedded) CPU 시스템으로 구성되는 피드백회로를 포함할 수 있다.
바람직하게는
GGLASS(s) = (b1s+1)/(a2s2+a1s+1)
인 동특성 식을 포함할 수 있다.
특히, 상기 검출수단의 출력전압 Y(s)과 상기 검출수단으로 재입력 되는 귀환전압U(s) 간의 전이함수는
U(s) = (k2s+k1)Y(s)/τFs+1
이고, 이 때 t F 는 상기 유리 pH센서의 시정수이고, k 1와 k 2 는 가변저항값에 따라 변동하는 변수를 포함할 수 있다.
특히, 상기 임베디드 CPU 시스템이
zk = e-h/τFzk-1 + (1-e-h/τF)yk
uk = (k2/τF)yk + (k1 - (k2/τF)zk
상기의 식을 연산하고, 그 연산결과를 기초로 하여 귀환전압을 조정하며, 이 때 h는 샘플링 시간을 나타내며, 아래첨자 k는 샘플링 횟수를 나타내는 것을 포함 할 수 있다.
본 발명에 따른 유리 pH 센서를 이용한 용액의 pH 측정 시스템은 저항을 통한 외부 전원 및 피드백 커패시터를 부가하여 유리 pH 센서의 동특성에 따른 시정수를 감소시킴으로써, 응답속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외부 전원으로서 사각파를 공급하고 서로 다른 값에 대한 유리 pH 센서의 정상상태 출력 전압을 측정하여 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값 및 전원을 산출함으로써, 유리 pH 센서의 고장여부를 진단할 수 있는 효과가 있다.
이와 더불어, 유리 pH센서의 출력전압을 검출하는 검출부에 상기 검출된 출력전압이 피드백회로를 통해 귀환되어 재입력됨에 따라 유리 pH 센서의 측정 응답시간을 줄일 수 있고, 그에 따라 빠르게 pH 값을 측정할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 유리 pH 센서를 이용한 용액의 pH 측정시스템은 상기 피드백회로가 임베디드 CPU 시스템을 통해 구현됨에 따라, pH 측정시스템의 고장여부를 진단할 수 있어 그 후속조치가 원활히 되도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 유리 pH 센서의 내부 등가 정전용량의 변동 효과를 감소시키기 위 하여 커패시터를 통한 정의 피드백을 부가하고, 내부 등가 저항값의 변동 효과를 감소시키기 위해 저항을 통해 인가되는 외부 전압이 부가된다. 이러한 외부 전압은 유리 pH 센서의 내부 등가 커패시터를 충전하는데 사용되어 시정수를 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템의 개략적 구성도이다.
유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템(100)은 저항(112)을 통하여 전압을 인가하는 전원공급 수단(110)과, 측정대상 용액에 침지되는 유리 pH 센서(120)와, 유리 pH 센서(120)의 출력전압을 검출하는 검출 수단(130~136)과, 검출된 유리 pH 센서(120)의 출력전압을 기초로 측정대상 용액의 pH 값을 산출하는 산출 수단(140)을 포함한다.
전원공급 수단(110)은 일정한 전압(Ea)을 제공하는 전원공급부이고, 저항(112)을 통하여 유리 pH 센서(120)에 전압(Ea)을 인가한다.
부가되는 저항(112)은 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항(122)의 저항값(R)보다 작은 저항값을 가지며, 바람직하게는 저항값(R) 보다 10배이상 작은 저항값을 갖는다.
유리 pH 센서(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전기적으로 내부 등가 저항(122)과 내부 등가 전원(124)과 내부 등가 커패시터(126)를 포함한다.
검출 수단(130~136)은 적분기로서, 높은 입력 저항과 낮은 바이어스 입력 전류를 갖는 연산증폭기(130)와, 연산증폭기(130)의 출력을 피드백하는 피드백 커패 시터(132) 및 피드백 저항(133)과, 연산증폭기(130)의 이득을 조정하는 가변 저항(134), 제 1 이득 저항(135) 및 제 2 이득 저항(136)을 포함한다.
산출 수단(140)은 유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템(100)의 제어부(140)로서 임베디드(embedded) CPU로 구성될 수 있으며, 검출 수단(130~136)의 출력전압을 기초로 측정 대상 용액의 pH값을 산출한다.
응답속도 향상
이러한 유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템(100)의 동특성은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112009058416760-pat00003
여기서, R1은 저항(112)의 저항값, C1은 피드백 커패시터(132)의 정전용량, R, C는 유리 pH 센서(120)의 등가 내부 저항(122)의 저항값 및 등가 내부 커패시터(124)의 정전용량, α는 연산증폭기(130)의 이득이다.
수학식 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 유리 pH 센서를 이용한 측정 시스템(100)은 피드백 커패시터(132)를 통한 정의 피드백에 의해 유리 pH 센서(120)의 내부 정전용량(C)의 효과를 감소시키고, 저항(112)에 의해 유리 pH 센서(120)의 내부 저항값의 효과를 감소시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 시정수에 영향을 미치는 전체 정전용량은 C-αC1이며, α를 조정하면, 그 값은 대략 유리 pH 센서(120)의 내부 정전용량(C)의 절반 정도로 할 수 있다. 따라서, 유리 pH 센서(120)의 내부 커패시터(C)가 민감하지 않기 때문에, 정의 피드백에 따른 불안정성의 문제가 없다.
또한, 저항(112)의 저항값이 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항값(R) 보다 작기 때문에, 시정수는 유리 pH 센서(120)의 등가 저항(122)의 변화에 대하여 그 영향이 감소된다.
특히, 저항(112)이 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항값(R)보다 매우 작으면, 시정수는 대략 R1C가 되어 시정수가 감소되므로 응답특성이 빨라진다.
내부 등가 저항값 및 내부 등가 전압 산출
한편, 유리 pH 센서(120)의 고장여부를 진단하기 위해서는 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항값(R) 및 내부 등가 전압(E)을 산출해야 하는데, 이는 매우 곤란하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 정상 상태에서 유리 pH 센서(120)의 출력전압(Eb)은 R/(R+R1)×Ea + R1/(R+R1)×E이며 이는 내부 등가 저항값(R)에 의존된다. 특히, 내부 등가 저항값(R)은 사전에 알 수 없고, 특히 온도의 변화에 대하여 시변동(time varying)이기 때문에, 고정전압(Ea)에 대하여 정상상태에서 유리 pH 센서(120)의 출력전압(Eb)을 단순히 측정하는 것으로는 내부 등가 전원(E)을 산출할 수 없다.
본 발명은 이 문제를 해결하기 위하여 서로 다른 외부 전압(Ea)에 대한 2회 이상의 시도에 의해 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항값(R)과 내부 등가 전압(E)을 동시에 찾는 방법을 제안한다.
보다 상세하게는 전원공급 수단(110)은 상기 시정수보다 큰 펄스 폭을 갖는 사각파를 유리 pH 센서(120)로 인가하고, 산출 수단(140)이 사각파의 서로 다른 두 전압에 대한 유리 pH 센서(120)의 출력 전압을 기초로 유리 pH 센서(120)의 내부 등가 저항값(R)과 내부 등가 전압(E)을 동시에 산출한다.
이 때, 유리 pH 센서(120)의 출력전압(Eb)의 정상상태를 보장하기 위해 시정수에 비하여 충분한 주기를 갖는 사각파가 인가된다.
이와 같이, 유리 pH 센서(120)의 출력전압은 정상상태의 전압이며, 하기의 수학식 4와 같다.
Figure 112009058416760-pat00004
여기서, Ea1 및 Ea2는 사각파의 전압 레벨이고, Eb1 및 Eb2는 그에 대응하는 정상상태의 유리 pH 센서(120)의 출력전압이고, β는 R1/R 이다.
수학식 4를 내부 등가 전압(E)에 대하여 정리하면 하기의 수학식 5와 같다.
Figure 112009058416760-pat00005
또한, 수학식 4를 β에 대하여 정리하면 하기의 수학식 6과 같다.
Figure 112009058416760-pat00006
이와 같은 β 값을 기초로 유리 pH 센서(120)의 등가 내부 저항값(R)을 산출하여 유리 pH 센서(120)의 고장여부를 진단할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 유리 pH 센서의 빠른 응답을 제공하여 화학, 생물, 환경 산업 등에서 다양하게 사용될 수 있는 기초 소재로서 사용될 수 있다.
유리 pH센서의 내부 등가회로
도 4는 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 유리 pH센서를 이용한 pH측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유리 pH센서(220)의 내부 등가회로는 하나의 등가전원(E, 224)과 적어도 두 개의 등가저항(Ra 222, Rb 223) 및 등가커패시터(Ca 226, Cb 227)를 포함하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 등가전원(E, 224)에 직렬로 두 개의 등가저항(Ra 222, Rb 223)이 연속하여 배치하고, 첫 번째 등가저항(Ra, 222)과 병렬로 첫 번째 등가커패시터(Ca, 226)가 배치된다. 상기 두 번째 등가커패시터(Cb, 227)는 첫 번재 등가저항(Ra, 222)과 직렬로 연결된 두 번째 등가저항(Rb, 223)의 끝단과 연결되고, 상기 등가전원(E, 224)과 병렬로 배치된다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 전원전압이 저항을 통해 유리 pH센서로 공급되는 경우, 직류특성이 낮아져 발생하는 pH 측정시간이 길어질 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 전원공급수단에서 발생된 전원전압이 저항을 통하지 않고 유리 pH센서로 공급됨에 따라, 직류특성을 높여 pH측정시간을 단축시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 pH센서를 이용한 pH 측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 유리 pH 센서를 이용한 용액의 pH 측정시스템(300)은 유리 pH센서(320)로 전원전압을 인가하는 전원공급수단(310)와 상기 유리 pH센서(320)의 출력전압을 검출하는 검출수단(330, 332, 336) 및 검출된 유리 pH센서(320)의 출력전압을 기초로 하여 용액의 pH를 산출하는 산출수단(340)를 포 함하되, 상기 검출수단(330, 332, 336)는 상기 유리 pH센서(320)로부터 출력되는 출력전압이 피드백회로부(350)를 통해 귀환되어 상기 검출수단(330, 332, 336)으로 재입력된다.
피드백 회로
상기 피드백회로부(350)는 적어도 두 개의 AD컨버터(351, 354)와 복수 개의 저항(352, 353, 355, 357, 359A, 359B) 및 커패시터(356, 358)를 포함하며, 상기 유리 pH 센서(320)와 상기 산출수단(340) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
이러한 본 발명에 따른 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템의 동특성 식은 아래의 수학식 7과 같다.
[수학식 7]
GGLASS(s) = (b1s+1)/(a2s2+a1s+1)
도 5에 도시된 pH측정시스템에서 검출부의 출력함수 Y(s)와 상기 검출부의 귀환함수 U(s) 간의 전이함수는 아래의 수학식 5와 같다.
[수학식 8]
U(s) = (k2s+k1)Y(s)/τFs+1
여기서, 상기 k2는 상기 수학식 3에서 a2를 감소시키는 파라미터이며, 또한 유리 pH 센서(320)와 도 5에서 캐패시터 C1을 통한 피드백 시스템간의 연결이 쌍방향이기 때문에 a1에도 영향을 미친다. 따라서, k1과 k2의 선택은 수 차례의 반복수행이 요구된다.
도 5에 도시된 피드백회로부(350)에서, 피드백과 k1 및 k2는 가변저항(425, 426)을 통해 조절되고, 필터 시정수 τF는 고정된다. 여기서, A1용으로 연산증폭기 INA116이 사용된다. 또한 아날로그 회로를 포함하여 실험 시, k1과 k2용 가변저항(425, 426)은 변동응답이 보여지기 전에 값이 조절된다.
이와 더불어, 상기 피드백회로부(350)는 임베디드 CPU 시스템(Embedded CPU System)으로 구현할 수 있다.
따라서, 상기 임베디드 CPU 시스템(400A)은 상기 수학식 8의 계산을 아래의 수학식 9을 통해 연산하여, 귀환전압을 조정할 수 있다.
[수학식 9]
zk = e-h/τFzk-1 + (1-e-h/τF)yk
uk = (k2/τF)yk + (k1 - (k2/τF)zk
여기서, h는 샘플링 시간이고, 아래첨자 k는 k번째 샘플링을 나타낸다. 상기
수학식 6은 크기가 작고, 가격이 저렴한 임베디드 CPU를 통해 연산될 수 있다. 여 기서 C8051F350이 임베디드 CPU로 사용된다.
도 6은 본 발명의 pH 측정시스템을 이용하여 용액의 pH를 측정한 시간과 종래기술의 pH측정시스템을 이용하여 용액의 pH를 측정한 시간을 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 피드백회로를 사용하지 않는 1번 그래프는 용액의 pH를 측정하는 시간이 약 4초 정도가 소요되는 것을 알 수 있다.
이에 반하여, 피드백회로를 사용하여 가변저항을 통해 검출부로 입력되는 귀환전압 U(s)을 조절하는 4번 그래프는 pH 측정시간이 약 1초가 소요되는 것을 알 수 있다.
결과적으로 본 발명을 사용함에 따라, pH 측정시간이 제안된 피드백회로가 없는 것과 비교하여 약 1/3으로 줄어든다.
pH 측정시스템의 진단
이러한 유리 pH 센서의 특성은 자주 변동하기 때문에, 측정 시스템의 동특성은 주기적으로 확인해야 하고, 상기 측정시스템 또한 재조정되어야 한다. 이를 위해, u(t)의 작은 단계변화가 추가될 수 있다.
예를 들어, 일련의 작은 전류 펄스(10㎁ 이하)가 유리 pH 센서에 인가되면, 유리 pH 센서의 내부 등가 저항값과 등가 전압 모두를 측정할 수 있다. 이와 같이 측정된 내부저항은 상기 유리 pH센서의 진단용으로 사용된다.
특히, 임베디드 CPU 시스템의 응답시간을 나타낸 그래프인 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 임베디드 CPU 시스템의 응답시간이 약 1초정도가 소요되고, 이를 기 준으로 하여 측정응답시간이 주어진 응답시간보다 훨씬 길어질 때, 제안된 측정시스템은 재조정된다.
만약 재조정된 시스템이 주어진 응답시간을 만족시키지 못하는 경우에는 유리 pH 센서가 교체되는 것이 바람직하다. 이러한 진단 과정은 임베디드 CPU 시스템을 통해서 수행될 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 피드백회로를 통해 유리 pH 센서의 측정 응답시간을 줄임으로써, 빠르게 pH 값을 측정할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 피드백회로가 임베디드 CPU 시스템을 통해 구현됨에 따라, pH 측정시스템의 고장여부를 진단하여 그 후속조치가 원활히 되도록 할 수 있다.
이상 본 발명에 의한 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템에 대하여 설명하였다. 이러한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 일반적인 유리 pH센서의 기호(a) 및 이의 등가회로(b)이다.
도 2는 종래의 유리 pH센서를 이용한 pH측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 첫 번째 실시 예에 따른 유리 pH센서를 이용한 측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 4는 본 발명의 두 번째 실시 예에 따른 유리 pH센서를 이용한 측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 세 번째 실시 예에 따른 유리 pH센서를 이용한 측정시스템의 개략적 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 pH센서를 이용한 pH 측정시스템을 통해 pH 측정시간을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 pH 측정시스템의 응답시간을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 전원공급수단 112 : 저항
120 : 유리 pH 센서 122 : 등가 저항
124 : 등가 전원 126 : 등가 커패시터
130 : 연산증폭기 132 : 피드백 커패시터
133 : 피드백 저항 134 : 가변 저항
135 : 제 1 이득 저항 136 : 제 2 이득 저항
140 : 산출수단

Claims (14)

  1. 유리 pH 센서를 이용하여 용액의 pH를 측정하는 pH 측정시스템에 있어서,
    상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값보다 10배이상 작은 저항값을 갖는 저항을 통하여 상기 유리 pH 센서로 전압을 인가하는 전원공급 수단과;
    상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 검출하는 검출 수단과;
    상기 검출된 출력 전압을 기초로 상기 용액의 pH 값을 산출하는 산출 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 수단은 연산 증폭기와 피드백 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유리 pH 센서의 시정수는 R1(C-αC1)/(1+β) 이고, 여기서, R1은 상기 저항의 저항값, C1은 상기 피드백 커패시터의 정전용량, R,C는 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값 및 정전용량, α는 상기 연산증폭기의 이득, β는 R1/R 인 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전원공급 수단이 사각파를 공급하고, 상기 산출 수단이 상기 사각파의 서로 다른 두 전압에 대한 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 기초로 상기 β을 산출하는 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 사각파는 펄스 폭이 상기 시정수보다 큰 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유리 pH 센서의 출력 전압은 정상상태 전압인 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 산출 수단은 상기 사각파의 서로 다른 두 전압에 대한 상기 유리 pH 센서의 출력 전압을 기초로 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 산출 수단은 상기 β을 기초로 상기 유리 pH 센서의 등가 내부 저항값을 산출하여 상기 유리 pH 센서의 고장여부를 진단하는 것을 특징으로 하는 유리 pH 센서를 이용한 pH 측정시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유리 pH센서는
    하나의 등가전원이 직렬연결된 적어도 두 개의 등가저항들과 직렬연결되고, 제1등가커패시터는 제1등가저항과 병렬연결되며, 제2등가커패시터는 제2등가저항과 직렬연결되는 등가회로로 나타내는 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유리 pH센서와 상기 산출수단 사이에 피드백회로부가 더 구비되고, 상기 피드백회로부는 상기 검출수단으로부터 상기 유리 pH센서의 출력전압을 인가받아 가변저항을 통해 상기 출력전압을 조절하여 귀환전압을 생성한 후, 상기 귀환전압을 상기 유리 pH센서로 재인가하는 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 피드백 회로부는 임베디드(Embedded) CPU 시스템으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 유리 pH 센서의 동특성 식은
    GGLASS(s) = (b1s+1)/(a2s2+a1s+1)
    이고, 여기서 a2와 a1 및 b1는 유리 pH 센서의 동특성을 결정짓는 상수인 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 검출수단의 출력전압 Y(s)과 상기 검출수단으로 재입력 되는 귀환전압U(s) 간의 전이함수는
    U(s) = (k2s+k1)Y(s)/τFs+1
    이고, 이 때 t F 는 상기 유리 pH센서의 시정수이고, k 1와 k 2 는 가변저항값에 따라 변동하는 변수인 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 임베디드 CPU 시스템은 아래의 식을 연산하고, 그 연산결과를 기초로 하여 귀환전압을 조정하며,
    zk = e-h/τFzk-1 + (1-e-h/τF)yk
    uk = (k2/τF)yk + (k1 - (k2/τF)zk
    이 때, h는 샘플링 시간을 나타내며, 아래첨자 k는 샘플링 횟수를 나타내는 것을 특징으로 하는 유리 pH센서를 이용한 pH 측정시스템.
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