KR101293695B1 - 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LED 광원으로부터 수십 내지 수백 가닥의 광섬유를 통하여 특정 파장의 빛을 투사한 다음, 각각의 광섬유 끝단부에 설치된 센싱팁으로부터 발산되는 형광을 CCD카메라로 촬영하여 용존산소 또는 pH와 같은 수질기준을 측정토록 한 광섬유다발 광센서장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용존산소 측정용 DO센서와 pH측정용 pH센서로부터 연장되는 각각의 광섬유 끝단부를 커넥터에 의하여 한 가닥씩 연결시킴에 따라, 용존산소 측정용 광섬유와 pH측정용 광섬유가 하나씩 짝을 이루도록 하며, 이로 인하여 수질측정이 요구되는 수중으로 광섬유의 센싱팁을 1회 투입시키는 것만으로도 용존산소와 pH를 동시에 측정할 수 있도록 함은 물론이고, 서로 짝을 이루는 광섬유의 센싱팁이 동일 측정위치에 정확하게 배치되도록 하는 한편, 서로 짝을 이루는 각각의 센싱팁에서 발현되는 형광 또한 DO센서 및 pH센서 내부의 동일 위치에서 해당 CCD카메라로 측정되도록 함에 따라, 측정값의 정확도와 신뢰도를 크게 향상시키고, 측정된 데이터의 용이하고 체계적인 분석이 가능토록 한 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치에 관한 것이다.

Description

용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치{Multi-fiber optical sensor for simultaneous measurement of DO and pH}

본 발명은 LED 광원으로부터 수십 내지 수백 가닥의 광섬유를 통하여 특정 파장의 빛을 투사한 다음, 각각의 광섬유 끝단부에 설치된 센싱팁으로부터 발산되는 형광을 CCD카메라로 촬영하여 용존산소 또는 pH와 같은 수질기준을 측정토록 한 광섬유다발 광센서장치로서, 용존산소 측정용 DO센서와 pH측정용 pH센서로부터 연장되는 각각의 광섬유 끝단부를 커넥터에 의하여 한 가닥씩 연결시킴에 따라, 용존산소 측정용 광섬유와 pH측정용 광섬유가 하나씩 짝을 이루도록 하며, 이로 인하여 다수 지점의 수질측정이 요구되는 수중으로 광섬유의 센싱팁을 1회 투입시키는 것만으로도 용존산소(DO)와 수소이온농도(pH)를 동시에 측정할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 연안해역이나 하천 또는 호소(湖沼) 등지의 수질을 나타내는 지표로서 용존산소(DO)나 수소이온농도(pH)를 대표적인 예로 들 수 있으며, 통상 용존산소를 측정하는 방식은 클락셀(Clark cell: 갈바닉 또는 폴라로그래픽 셀)에 의한 격막법이 주로 사용되고, pH를 측정하는 방식은 전기화학센서로서의 전극봉을 수중에 침지시키는 방식이 주로 사용되며, 용존산소의 측정에도 전극봉이 자주 이용된다.

상기와 같은 격막법은 측정값의 정밀도와 재현성이 우수하다는 장점이 있는 반면에, 격막의 세정문제, 멤브레인과 전해액의 주기적인 교체문제, 멤브레인의 오염문제, 교정의 주기적인 수행과 같이 유지관리의 측면에서 많은 단점이 있었고, 전극봉을 이용하는 방식은 전극봉이 물과 접촉하면서 해조류나 이끼 등의 이물질이 쉽게 부착되고, 전극봉의 부식이 자주 발생하여 정확한 측정이 어려운 단점이 있었으며, 개략 6개월마다 전극봉을 교체시켜야 함에 따른 번거러움과 비용부담 또한 야기되는 단점이 있었다.

상기와 같이 기존의 격막법이나 전극봉 방식이 가지는 단점을 해소할 수 있도록 한 것으로서, 특정 파장의 빛을 형광물질에 투사(投射)시킬 경우, 형광물질로부터 발생되는 형광이 산소분자 또는 수소이온과 접촉하여 특정한 영역대의 형광파장을 발생시키는 점을 이용한 측정방법이 강구되었으며, 이러한 형광의 원리를 이용하여 용존산소나 pH를 측정할 경우 기존의 격막법이나 전극봉 방식이 가지는 단점을 일거에 해소할 수 있다.

다시 말해서, 형광(Fluorescence)이란 들뜬 상태(높은 에너지 상태)의 물질이 바닥 상태(낮은 에너지 상태)로 되돌아갈 때, 전자 전이에 의하여 방출되는 빛 또는 그와 같은 발광 현상을 말하는 것인 바, 형광물질에 빛과 같은 자극이 가해지면 형광물질은 바닥 상태에서 들뜬 상태가 되고, 들뜬 상태는 불안정하여 외부로부터 에너지가 가해지지 않으면 흡수한 파장과 같은 파장의 빛을 방출하여 바닥 상태로 돌아가려고 하는 데, 산소분자나 수소이온이 형광의 양을 감소시킨다고 한다면, 형광이 감소되는 양만큼을 측정함으로서 산소분자 또는 수소이온의 양, 즉 수중의 용존산소와 pH를 측정할 수 있다는 것이다.

상기와 같이 형광의 원리를 이용하여 수질을 측정하는 광센서장치는, 광원이 되는 LED(발광다이오드)와, 상기 LED로부터 발산되는 빛의 파장을 제어하는 광원필터와, 상기 광원필터를 거쳐 투사된 빛과 반응하여 특정 파장의 형광을 발산하는 형광물질과, 상기 형광물질로부터 발산된 형광의 파장을 제어하는 형광필터와, 상기 형광필터를 거쳐 투사된 빛을 감지하여 용존산소 또는 pH를 측정토록 한 측정기구를 포함하여서 이루어지며, 상기 측정기구는 통상 CCD카메라나 DSLR카메라와 같은 디지털 카메라가 사용된다.

이와 더불어, 비교적 깊은 수심층에서의 용존산소 또는 pH의 측정이 요구되거나 용존산소 또는 pH를 측정코자 하는 위치가 여러 군데로 분산된 경우에는, 수십 내지 수백 가닥의 광섬유를 이용하는 광섬유다발 광센서장치가 적용되고 있는 바, 이러한 광섬유다발 광센서장치는 LED 광원으로부터 각각의 광섬유를 통하여 특정 파장의 빛을 투사한 다음, 각각의 광섬유 끝단부에 설치된 센싱팁으로부터 발산되는 형광을 상용 DSLR카메라로 측정토록 한 것이다.

상기와 같은 광섬유다발 광센서장치는, LED와 CCD카메라 및 필터기구가 센서케이싱의 내부에 설치되고, 상기 센서케이싱의 전방면에 수십 내지 수백 가닥의 광섬유를 연결시키되, CCD카메라의 렌즈부가 광섬유 다발의 연결부, 즉 광섬유 매트릭스(Matrix)와 정면으로 마주보도록 배치되는 것이 일반적이며, 이와 같은 세팅상태에서 그 길이가 비교적 길게 되는 각각의 광섬유를 요구하는 수심이나 측정위치로 분산시켜 해당 위치에서의 용존산소 또는 pH를 측정하게 된다.

그러나, 기존의 광섬유다발 광센서장치는 하나의 장치를 이용하여 용존산소 또는 pH와 같은 하나의 특정한 값만을 측정할 수 있기 때문에, 용존산소와 pH를 모두 측정코자 할 경우에는 수십 내지 수백 가닥으로 이루어지는 광섬유를 측정위치로 분배시켜 용존산소와 pH를 측정하는 작업을 각각 개별적으로 수행하여야 함으로서 측정작업에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.

특히, 각각의 광섬유를 여러 위치로 분배시켜 용존산소와 pH를 측정할 경우, 측정결과의 정확도와 신뢰도를 보장하고 수질연구 등에 필요한 데이터의 분석을 보다 더 용이하게 수행할 수 있도록, DO측정용 광센서의 센싱팁과 pH측정용 광센서의 센싱팁이 가급적 동일한 위치에 배치되도록 하는 것이 유리하지만, 수십 내지 수백 가닥의 광섬유를 DO측정과 pH측정시마다 동일한 위치로 분배시킨다는 것은 사실상 불가능하게 된다.

이와 더불어, 광섬유다발 광센서장치의 경우, CCD카메라의 렌즈부와 마주보는 광섬유 매트릭스 부분으로부터 발생되는 형광을 하나의 전체적인 색체로 측정할 필요성도 있고, 매트릭스 부분을 몇 개소로 나누어 해당 부분의 색체를 구별하여 측정할 필요성도 있으며, 매트릭스를 이루는 광섬유마다의 형광을 개별적으로 측정할 필요성도 있다.

다시 말해서, 광섬유 다발 전체나 일부를 특정한 영역으로 한 데 모아서 투입시키는 경우와, 광섬유를 한 두 가닥씩 여러 영역으로 분산 투입시키는 경우에 맞추어 CCD카메라에 의한 형광의 측정위치를 적절하게 조정시킬 필요가 있으나, 기존의 광섬유다발 광센서장치는 CCD카메라를 고정시켜 놓은 상태에서 형광을 측정토록 함으로서, 광섬유의 배치상태에 맞추어 용존산소와 pH를 보다 정확하고 합리적으로 측정하기 어려운 문제점이 있었다.

동일한 관점에서, 수십 내지 수백 가닥의 광섬유 전체를 용존산소나 pH의 측정에 사용하는 경우와, 이중 일부의 광섬유만을 용존산소나 pH의 측정용으로 사용하는 경우 등에 맞추어, LED 광원을 광섬유 영역 전체 또는 일부를 통하여 선택적으로 투사시킬 필요가 있지만, 기존의 광섬유다발 광센서장치는 LED 또한 고정식으로 설치됨에 따라, 광원의 적절한 배분을 통한 용존산소와 pH의 정확하고 합리적인 측정 역시 어렵게 되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 10-0845425호 (공고일자: 2008년 07월 10일) 대한민국 공개특허 10-2010-0137944호(공개일자: 2010년 12월 31일)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용존산소 측정용 DO센서와 pH측정용 pH센서로부터 연장되는 각각의 광섬유 끝단부를 커넥터에 의하여 한 가닥씩 연결시킴에 따라, 용존산소 측정용 광섬유와 pH측정용 광섬유가 하나씩 짝을 이루도록 하며, 이로 인하여 수질측정이 요구되는 수중으로 광섬유의 센싱팁을 1회 투입시키는 것만으로도 용존산소와 pH를 동시에 측정할 수 있도록 하는 것을 제 1의 기술적 과제로 한다.

이와 더불어, 서로 짝을 이루는 광섬유의 센싱팁이 동일 측정위치에 정확하게 배치되도록 하는 한편, 서로 짝을 이루는 각각의 센싱팁에서 발현되는 형광 또한 DO센서 및 pH센서 내부의 동일 위치에서 해당 CCD카메라로 측정되도록 함에 따라, 측정값의 정확도와 신뢰도를 크게 향상시키고, 측정된 데이터의 용이하고 체계적인 분석이 가능토록 하는 것을 제 2의 기술적 과제로 한다.

다른 한편으로, LED와 CCD카메라를 광원필터 및 형광필터와 함께 설치한 LED유닛과 카메라유닛을 이송대에 설치하는 한편, 각각의 이송대가 센서케이싱의 내부에서 가이드레일을 따라 전,후 방향으로 이동되도록 하고, LED는 해당 이송대에서 각도조정이 가능하도록 설치함으로서, 광섬유의 배치상태에 맞추어 LED와 CCD카메라의 위치를 최적화시킬 수 있도록 하며, 이로 인하여 용존산소와 pH의 측정작업을 보다 정확하고 합리적으로 수행토록 하는 것을 제 3의 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 발명은, 광원이 되는 LED와, 상기 LED로부터 발산되는 빛의 파장을 제어하는 광원필터와, 상기 광원필터를 거쳐 투사된 빛의 통로를 제공하는 수십 내지 수백 가닥의 광섬유와, 상기 각각의 광섬유 끝단에 설치되는 한편 광원필터를 거쳐 투사된 빛과 반응하여 특정 파장의 형광을 발산하는 센싱팁과, 상기 센싱팁으로부터 발산된 형광의 파장을 제어하는 형광필터와, 상기 형광필터를 거쳐 투사된 빛을 감지하여 용존산소 또는 pH를 측정토록 한 CCD카메라를 포함하여서 이루어지는 수질측정용 광센서장치에 있어서, 상기 광센서장치는, 용존산소의 측정을 위한 LED와 광원필터 및 CCD카메라와 형광필터가 센서케이싱에 내장된 DO센서와, pH의 측정을 위한 LED와 광원필터 및 CCD카메라와 형광필터가 센서케이싱에 내장된 pH센서를 포함하여서 이루어지며, 상기 DO센서용 센서케이싱과 pH센서용 센서케이싱의 전방면에는 전방캡이 착탈 가능하게 조립 설치되고, 상기 각각의 전방캡에는 DO센서용 광섬유와 pH센서용 광섬유가 동일한 개수와 배치를 가지도록 하는 광섬유의 연결포트가 제공되며, 상기 각각의 연결포트를 기준으로 하여 동일한 위치로부터 연장되는 DO센서용 광섬유와 pH센서용 광섬유는 센싱팁과 인접한 광섬유의 끝단부에 설치되는 커넥터에 의하여 한 가닥씩 서로 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

이와 더불어, 본 발명은 상기 DO센서와 pH센서의 센서케이싱 내부에는 CCD카메라의 위치를 전,후 방향에 걸쳐 조정하기 위한 가이드레일이 설치되고, 상기 가이드레일의 선단부와 후단부에는 센서케이싱의 내부에서 가이드레일을 지지하는 레일브라켓이 연결 설치되며, 상기 가이드레일에는 CCD카메라가 장착되는 카메라이송대가 설치되고, 상기 카메라이송대에는 가이드레일측으로 체결되어 CCD카메라의 위치를 고정하는 스토퍼볼트가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 CCD카메라의 렌즈부에는 렌즈케이스가 조립 설치되고, 상기 렌즈케이스의 선단부에 형광필터가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 DO센서와 pH센서의 센서케이싱 내부에는 LED의 위치를 전,후 방향으로 조정하기 위한 가이드레일이 레일브라켓상에 추가로 설치되고, 상기 가이드레일에는 LED가 힌지식으로 각운동 가능하게 장착되는 LED이송대가 설치되며, 상기 LED이송대에는 가이드레일측으로 체결되어 LED의 위치를 고정하는 스토퍼볼트가 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 LED는 LED케이스의 내부에 삽입 설치되며, 상기 LED케이스가 LED이송대에 힌지식으로 각운동 가능하게 연결 설치되는 한편, 상기 LED케이스의 선단부에 광원필터가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 용존산소 측정용 광섬유와 pH측정용 광섬유가 하나씩 짝을 이루도록 하여, 수질측정이 요구되는 수중으로 광섬유의 센싱팁을 1회 투입시키는 것만으로도 용존산소와 pH를 동시에 측정할 수 있는 효과를 제공함은 물론이고, 서로 짝을 이루는 광섬유의 센싱팁이 동일 측정위치에 정확하게 배치되도록 한 상태에서, 각각의 센싱팁에서 발현되는 형광 또한 DO센서 및 pH센서 내부의 동일 위치에서 해당 CCD카메라로 측정토록 함에 따라, 측정값의 정확도와 신뢰도를 크게 향상시키고, 측정된 데이터의 용이하고 체계적인 분석이 가능토록 하는 효과가 있으며, LED와 CCD카메라의 위치조정 및 LED의 각도조정을 통하여 광원과 측정장치의 위치를 광섬유의 배치상태에 맞추어 최적화시킴으로서, 용존산소와 pH의 측정작업을 보다 정확하고 합리적으로 수행할 수 있는 등의 매우 유용한 효과를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 광센서장치의 외관사시도.
도 2는 광섬유 끝단부의 연결구조 및 센싱팁의 구조를 나타내는 요부 발췌 분해사시도.
도 3은 본 발명의 광센서장치를 이루는 메인바디의 분해사시도.
도 4는 도 3의 결합된 상태의 측단면도.
도 5는 도 4의 A-A선 단면도.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광섬유다발 광센서장치(10)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 용존산소 측정용 DO센서(1)와 pH측정용 pH센서(2)로부터 연장되는 각각의 광섬유(11) 끝단부를 커넥터(13)에 의하여 한 가닥씩 연결시킴에 따라, 용존산소 측정용 광섬유(11)와 pH측정용 광섬유(11)가 하나씩 짝을 이루도록 한 것이며, 상기 커넥터(13)는 각각의 광섬유(11) 끝단부에 제공된 센싱팁(Sensing tip)(12)과 인접한 위치에 설치된다.

상기 각각의 광섬유(11)는 그 직경이 약 1mm 정도가 되는 유연한 소재, 예를 들어 합성수지 또는 고무 재질의 가느다란 튜브가 되고, 상기 센싱팁(12)은 광섬유(11)를 이용하는 측정분야에 널리 적용되는 바와 같이, 형광물질이 코팅된 센싱포일(Sensing foil)(12a)과, 외부로의 형광발산을 억제하는 반투명의 실리콘막(12b)과, 상기 센싱포일(12a) 및 실리콘막(12b)을 광섬유(11)의 끝단부에 장착시키기 위한 스테인레스 스틸 재질의 핏팅슬리브(Fitting sleeve)(12c)를 포함하여서 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 서로 짝을 이루는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)를 한 가닥씩 서로 연결시킬 수 있도록 "∞"형의 단면을 가지는 커넥터(13)를 별도로 사용할 수도 있고, 서로 짝을 이루는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)의 끝단부에 제공된 센싱팁(12)의 핏팅슬리브(12c)를 커넥터(13)와 같은 형상으로 연결시켜 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

통상 용존산소의 측정에 사용되는 형광물질은 산소검출용 형광염료로서 루테늄(Ruthenium)이나 백금 옥타에틸 포피린(Platinum Octaethly Porphyrin: PtOEP) 등이 되고, pH측정용 형광물질은 수소이온 검출용 형광염료로서 8-히드록시-1,3,6-피렌트리술폰산(8-hydroxy- 1,3,6-pyrenetrisulfonic acid: HPTS)을 대표적인 예로 들 수 있다.

상기와 같은 형광염료를 미세한 분말 형태로 하여, 바인더(Binder: 폴리스티렌이나 폴리우레탄 하이드로겔) 및 휘발성 용제(클로로포름이나 에탄올 등)와 혼합시킨 다음, 이를 폴리에스테르(Polyester) 재질로 이루어지는 얇은 투명막에 코팅하여 용제 성분을 휘발시키는 방식으로 센싱포일(12a)을 제작하게 되며, 경우에 따라 상기 형광염료에 쿠마린(Coumarin)과 같은 보조염료(Donor dye)를 1:1의 비율로 혼합시켜 사용하기도 한다.

위에서 언급되어진 용존산소 측정용 형광염료와 pH측정용 형광염료 및 이를 이용한 센싱포일(12a)의 제작방법 등은 광센서 분야에서 널리 사용되는 공지의 기술일 뿐만 아니라, 위에서 언급되어진 형광염료 이외에도 다양한 종류의 형광염료가 센싱포일(12a)에 적용될 수 있음은 물론이고, 센싱포일(12a)의 전방면에 설치되는 실리콘막(12b)의 적용 여부 또한 선택사항에 해당하는 것임을 밝혀두는 바이다.

그리고, 상기 DO센서(1)와 pH센서(2)의 메인바디를 제공하는 센서케이싱(3)의 내부에는 도 3 내지 도 5에 걸쳐 도시된 바와 같이, 광원이 되는 LED(6a)와, 상기 LED(6a)로부터 발산되는 빛의 파장을 제어하는 광원필터(6b)와, 광섬유(11)의 센싱팁(12)으로부터 발산된 형광의 파장을 제어하는 형광필터(7c)와, 상기 형광필터(7c)를 거쳐 투사된 빛을 감지하여 용존산소 또는 pH를 측정하는 CCD카메라(7a)가 설치된다.

통상 용존산소의 측정에는 청색광 LED(Blue LED)가 주로 사용되고, pH의 측정에는 자외선 LED(UV LED)가 주로 사용되는 바, 상기 청색광 LED로는 피크파장(λ-peak)이 445nm이고, 사용전력이 340mW이며, 사용전류가 700mA인 고휘도 LED를 대표적인 예로 들 수 있고, 상기 자외선 LED로서는 피크파장(λ-peak)이 405nm이며, 사용전력이 460mW이고, 사용전류가 700mA인 고휘도 LED를 대표적인 예로 들 수 있다.

상기와 같이 DO센서(1)에 있어, 루테늄이나 백금 옥타에틸 포피린(PtOEP) 등의 형광염료를 청색광 LED(6a)와 함께 사용할 경우, 해당 센싱포일(12a)로부터 붉은색(주황색~적색) 계열의 형광이 발현되므로, DO센서(1)용 광원필터(6b)는 청색광 이하, 즉 470nm 이하의 파장만을 통과시키는 숏패스필터(Short-pass filter)로 한 상태에서, DO센서(1)용 형광필터(7c)는 530nm 이상의 파장만을 통과시키는 롱패스필터(Long-pass filter)로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 pH센서(2)에 있어, 8-히드록시-1,3,6-피렌트리술폰산(HPTS)을 형광염료로 하고, 이에 자외선 LED(6a)를 사용할 경우, 해당 센싱포일(12a)로부터 녹색 계열의 형광이 발현되므로, pH센서(1)용 광원필터(6b)는 자외선 영역대인 405nm 파장만을 통과시키는 밴드패스필터(Band-pass filter)로 한 상태에서, pH센서(2)용 형광필터(7c)는 455nm 이상의 파장만을 통과시키는 롱패스필터로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 DO센서(1)와 pH센서(2)에 각각 적용되는 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 형광필터(7c) 또한 광센서 분야에서는 이미 알려진 공지기술에 해당하며, 앞에서 언급되어진 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 형광필터(7c)의 종류는 본 발명에 적용될 수 있는 하나의 대표적인 일례에 불과하며, 이외에도 용존산소와 pH의 측정이 가능한 다른 종류의 광원이나 필터기구가 적용될 수 있음은 물론이다.

한편, LED(6a)와 광원필터(6b) 및 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)가 센서기구로서 내장된 DO센서(1) 및 pH센서(2)의 센서케이싱(3) 전방면에는 전방캡(4)이 착탈 가능하게 조립 설치되는 바, 각각의 전방캡(4)에는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)가 동일한 개수와 배치를 가지도록 하는 광섬유(11)의 연결포트(8)가 제공되며, 상기 연결포트(8)에는 각각의 광섬유(11)를 한 가닥씩 연결시키기 위한 연결구멍(8a)이 관통 형성된다.

도면상 상기 전방캡(4)이 센서케이싱(3)의 선단부에 끼움식으로 조립 설치되는 한편, 전방캡(4)의 끼움 부위에 수분의 유입을 차단하는 밀폐링(4a)이 설치된 것으로 도시되어 있으나, 상기 전방캡(4)이 센서케이싱(3)의 선단부에 나사체결식으로 조립되도록 할 수도 있으며, 센서케이싱(3)의 후방커버(5)에는 LED(6a)와 CCD카메라(7a)용 케이블(17)이 관통되는 케이블포트(18)가 제공된다.

상기 각각의 케이블(17)은 LED(6a)와 CCD카메라(7a)로 전원을 공급하는 기능과 더불어, CCD카메라(7a)에서 촬영된 영상, 즉 각각의 광섬유(11)로부터 발현되는 형광의 색체 테이터를 외부의 컴퓨터 단말기나 휴대용 제어패널로 전송하여 용존산소와 pH를 측정토록 하게 되며, CCD카메라(7a) 대신에 DSLR카메라와 같은 다른 종류의 디지털 카메라가 사용될 수도 있고, 케이블(17)이 관통되는 케이블포트(18)의 내부에도 수밀처리용 팩킹 등을 삽입시키는 것이 바람직하다.

도 5를 기준으로 하면, DO센서(1) 및 pH센서(2)의 연결포트(8)에는 가로 방향으로 형성된 10개의 연결구멍(8a)과 세로 방향으로 형성된 10개의 연결구멍(8a)에 의하여 총 100개의 연결구멍(8a)이 일정한 간격을 두고 정사각 형태로 배치됨으로서, 용존산소와 pH의 측정을 위한 100개의 광섬유다발(9)이 연결포트(8)에 집적된 상태로 광섬유(11)의 매트릭스를 이루도록 하였다.

그러나, 연결포트(8)에 형성되는 연결구멍(8a) 및 이를 기초로 한 광섬유(11)의 연결개수와 배치상태는 임의대로 조정이 가능함을 밝혀두는 바이며, 본 발명에 있어 가장 중요한 기술적 사항은 상기 각각의 연결포트(8)를 기준으로 하여 동일한 위치로부터 연장되는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)를 커넥터(13)에 의하여 한 가닥씩 서로 짝을 이루도록 연결시키는 것이다.

상기와 같은 방식을 적용하게 되면, 수질측정이 요구되는 수중으로 광섬유(11)의 센싱팁(12)을 1회 투입시키는 것만으로도 용존산소와 pH를 동시에 측정할 수 있음은 물론이고, 서로 짝을 이루는 광섬유(11)의 센싱팁(12)이 동일 측정위치에 정확히 배치되도록 한 상태에서, 각각의 센싱팁(12)으로부터 해당 광섬유(11)를 거쳐 발산되는 형광 또한 각 연결포트(8)가 제공하는 매트릭스의 동일 위치에서 발현되도록 할 수 있다.

이로 인하여, 수십 내지 수백 가닥의 광섬유(11)를 요구하는 위치로 분산시켜 용존산소와 pH를 측정하는 작업을 개별적으로 수행하였던 종래의 경우와 비교하여 용존산소와 pH의 측정작업을 동시 다발적으로 보다 신속하고 용이하게 수행할 수 있음은 물론이고, 필요시 용존산소나 pH중 어느 하나의 값을 선택적으로 측정하는 것도 가능하게 되므로, 수질측정작업에 보다 더 적합한 광섬유다발 광센서장치(10)를 제공할 수 있다.

뿐만 아니라, DO측정용 센싱팁(12)과 pH측정용 센싱팁(12)이 한 가닥씩 짝을 이루어 동일 위치마다 배치되므로, 용존산소의 측정위치와 pH의 측정위치가 서로 어긋나지 않게 되어 측정값의 정확도와 신뢰도를 향상시킬 수 있음은 물론이고, 서로 짝을 이루는 각각의 센싱팁(12)으로부터 연결포트(8)를 거쳐 발현되는 형광 또한 DO센서(1) 및 pH센서(2) 내부의 동일 위치에서 해당 CCD카메라(7a)로 측정할 수 있으므로, 용존산소와 pH의 측정값을 즉시 비교 대비하여 해당 측정값의 상관관계를 보다 손쉽고 용이하게 분석할 수 있음에 따라 한층 더 체계적인 수질데이터의 확보가 가능하게 되는 것이다.

본 발명의 또 다른 요부에 해당하는 구성요소로서는, 용존산소와 pH의 측정을 위한 광섬유(11)의 배치상태(분산상태)에 맞추어 상기 LED(6a)와 CCD카메라(7a)의 위치를 적절하게 조정시킬 수 있도록 한 것이며, 이를 위해서는 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)를 하나의 단위로 구성하는 것이 선행되어야 한다.

도면상 상기 LED(6a)를 LED케이스(6c)의 내부에 삽입 설치하는 한편, 상기 LED케이스(6c)의 선단부에 광원필터(6b)를 설치하여 LED(6a)와 광원필터(6b)가 일체화 된 LED유닛(6)을 이루도록 하였으며, 상기 CCD카메라(7a) 역시 전방측 렌즈부(7b)에 소정의 길이를 가지는 렌즈케이스(7d)를 조립 설치하고, 이 렌즈케이스(7d)의 선단부에 형광필터(7c)를 설치하여 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)가 일체화 된 카메라유닛(7)을 이루도록 하였다.

상기와 같이 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)를 LED유닛(6)과 카메라유닛(7)으로 구성한 상태에서, 상기 LED유닛(6)과 카메라유닛(7)을 LED이송대(15)와 카메라이송대(16)상에 각각 설치하되, 상기 LED이송대(15)와 카메라이송대(16)가 센서케이싱(3)의 내부에 삽입된 가이드레일(14)을 따라 전,후 방향으로 이동되도록 하는 한편, 상기 LED유닛(6)은 LED이송대(15)에 힌지식으로 각운동이 가능하도록 설치하였다.

상기 가이드레일(14)은 LED이송대(15)의 이동을 위한 한 쌍의 레일과, 카메라이송대(16)의 이동을 위한 한 쌍의 레일을 포함하여 총 4개의 레일로 구성되고, 각각의 가이드레일(14)이 링(Ring) 형태의 레일브라켓(14a)에 의하여 일정한 간격을 두고 평행하게 배치되도록 이루어지며, 상기 레일브라켓(14a)은 가이드레일(14)의 선단측과 후단측에 각각 1개씩 연결 설치되어 있다.

상기 레일브라켓(14a) 중에서 가이드레일(14)의 선단측에 위치하는 레일브라켓(14a)은 센서케이싱(3)의 전방캡(4)과 조립 설치함으로서, 센서케이싱(3)으로부터 전방캡(4)을 분리시킬 경우 각각의 가이드레일(14)이 LED유닛(6) 및 카메라유닛(7)과 함께 센서케이싱(3)으로부터 빠져 나오도록 하는 것이 센서기구의 위치조정이나 수리 또는 교체작업의 측면에서 유리하며, 가이드레일(14)의 후단측에 위치하는 레일브라켓(14a)은 전방캡(4)을 센서케이싱(3)에 조립시킬 경우 센서케이싱(3)의 후방커버(5)와 밀착 지지되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 더불어, LED이송대(15)와 카메라이송대(16)의 일측 또는 양측 단부에는 가이드레일(14)측으로 체결되어 해당 이송대(15)(16)의 위치를 견고하게 고정시킬 수 있도록 스토퍼볼트(Stopper bolt)(15a)(16a)와 같은 위치고정수단을 설치하는 것이 바람직하고, 센서케이싱(3)의 몸통 부분은 LED유닛(6)과 카메라유닛(7)의 위치와 작동상태 등을 외부에서 육안으로 확인할 수 있도록 투명 아크릴 소재 등을 사용하는 것이 바람직하다.

도면상 상기 카메라유닛(7)은 렌즈부(7b)와 형광필터(7c)가 포함된 렌즈케이스(7d)가 연결포트(8)와 정면으로 마주보는 위치에 배치되도록, 하부측 가이드레일(14)에 설치된 카메라이송대(16)의 상부면에 장착되어 있으며, 상기 LED유닛(6)은 카메라유닛(7)의 상부에 해당하는 위치에서 상부측 가이드레일(14)에 설치된 LED이송대(15)에 매달리는 식으로 설치되어 있다.

상기와 같이 카메라유닛(7)의 렌즈케이스(7d)가 연결포트(8)에 제공된 광섬유(11) 매트릭스와 정면으로 마주보도록 설치되는 것은 광센서장치에 있어 필수적인 사항이라 볼 수 있으며, 이러한 전제조건을 만족하는 상태에서 LED유닛(6)의 위치는 카메라유닛(7)의 하부 또는 좌,우 측면부 어느 위치가 되더라도 무방하고, LED(6a)와 광원필터(6b)가 포함된 LED유닛(6)은 LED케이스(6c)의 힌지결합부(15b)를 중심으로 상,하 방향의 각운동이 가능토록 하는 동시에, 상기 힌지결합부(15b)가 LED이송대(15)를 기초로 좌,우 방향으로도 회전할 수 있도록 설치하는 것이 보다 더 바람직하다.

상기와 같이 센서케이싱(3)의 내부에 설치되는 LED(6a)와 CCD카메라(7a)의 위치조정이 가능토록 하면, 광섬유(11) 다발 전체나 일부를 특정한 영역으로 한 데 모아서 투입시키는 경우와, 광섬유(11)를 한 두 가닥씩 여러 영역으로 분산 투입시키는 경우 등에 맞추어 LED(6a)와 CCD카메라(7a)의 위치를 최적화시킬 수 있으며, 이로 인하여 용존산소와 pH의 측정작업을 보다 정확하고 합리적으로 수행할 수 있게 된다.

다시 말해서, 광섬유(11) 다발 전체를 특정한 영역으로 한 데 모아서 투입시킨 경우에는, 카메라유닛(7)과 연결포트(8) 사이의 거리를 최대한 멀게 하여 광섬유(11) 매트릭스로부터 발현되는 형광을 하나의 전체적인 색체로 측정하고, 광섬유(11)를 한 두 가닥씩 여러 영역으로 분산 투입시키는 경우에는, 카메라유닛(7)과 연결포트(8) 사이의 거리를 최대한 가깝게 하여 매트릭스를 이루는 광섬유(11)마다의 형광을 개별적으로 측정토록 하는 등, 광섬유(11)의 분산상태에 맞추어 CCD카메라(7a)에 의한 형광의 측정위치를 최적화시킬 수 있다는 것이다.

동일한 관점에서, 수십 내지 수백 가닥의 광섬유(11) 전체를 용존산소와 pH의 측정에 사용하는 경우나, 이중 일부의 광섬유(11)만을 용존산소와 pH의 측정에 사용하는 경우 등에 맞추어, LED(6a) 광원을 광섬유(11)의 전체 영역 또는 일부 광섬유(11) 영역을 통하여 선택적으로 투사시킬 수 있게 됨으로서, 광원의 적절한 배분을 통한 용존산소와 pH의 정확하고 합리적인 측정에 기여할 수 있다는 것이다.

추가적인 사항으로서, 본 발명에 따른 광섬유다발 광센서장치(10)에 있어, LED(6a)와 CCD카메라(7a)의 작동에 필요한 전원공급용 배터리와 CCD카메라(7a)로부터 발생한 신호를 이용하여 용존산소나 pH의 값을 측정하는 측정부품 등을 DO센서(1) 및 pH센서(2)의 센서케이싱(3) 내부에 설치하는 것도 가능하며, 이 경우 상기 후방커버(5)는 전방캡(4)과 같이 센서케이싱(3)의 몸통과 착탈 가능하게 조립식으로 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 LED(6a) 및 CCD카메라(7a)와 연결되는 각각의 케이블(17)은 LED유닛(6)과 카메라유닛(7)의 이동거리를 감안하여 충분한 여유길이를 두고 센서케이싱(3)의 내부에 설치하는 것이 바람직하고, 광섬유다발(9)의 연결을 위한 연결포트(8) 역시 마찬가지로 전방캡(4)과 별도의 부품으로 제작한 다음, 전방캡(4)에 조립식으로 설치하는 것이 광섬유(11)의 교체작업 등을 용이하게 수행하는 측면에서 유리하다.

마지막으로, 상기의 설명에서는 본 발명의 광섬유다발 광센서장치(10)가 용존산소와 pH의 동시 측정에 사용되는 것으로 하였으나, 이외에도 수질기준을 제시하는 다른 종류의 데이터, 예를 들어 이산화탄소나 질소 농도 등을 측정하는 용도로도 사용이 가능함은 물론이고, DO센서(1)와 pH센서(2)의 센서케이싱(3)을 미도시된 브라켓 등을 이용하여 서로 연결시켜 놓을 수도 있음을 밝혀두는 바이다.

1 : DO센서 2 : pH센서 3 : 센서케이싱
4 : 전방캡 4a : 밀폐링 5 : 후방커버
6 : LED유닛 6a : LED 6b : 광원필터
6c : LED케이스 7 : 카메라유닛 7a : CCD카메라
7b : 렌즈부 7c : 형광필터 7d : 렌즈케이스
8 : 연결포트 8a : 연결구멍 9 : 광섬유다발
10 : 광센서장치 11 : 광섬유 12 : 센싱팁
12a : 센싱포일 12b : 실리콘막 12c : 핏팅슬리브
13 : 커넥터 14 : 가이드레일 14a : 레일브라켓
15 : LED이송대 15a,16a : 스토퍼볼트 15b : 힌지결합부
16 : 카메라이송대 17 : 케이블 18 : 케이블포트

Claims (5)

1. 광원이 되는 LED(6a)와, 상기 LED(6a)로부터 발산되는 빛의 파장을 제어하는 광원필터(6b)와, 상기 광원필터(6b)를 거쳐 투사된 빛의 통로를 제공하는 수십 내지 수백 가닥의 광섬유(11)와, 상기 각각의 광섬유(11) 끝단에 설치되는 한편 광원필터(6b)를 거쳐 투사된 빛과 반응하여 특정 파장의 형광을 발산하는 센싱팁(12)과, 상기 센싱팁(12)으로부터 발산된 형광의 파장을 제어하는 형광필터(7c)와, 상기 형광필터(7c)를 거쳐 투사된 빛을 감지하여 용존산소 또는 pH를 측정토록 한 CCD카메라(7a)를 포함하여서 이루어지는 수질측정용 광센서장치에 있어서,
   상기 광센서장치는, 용존산소의 측정을 위한 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)가 센서케이싱(3)에 내장된 DO센서(1)와, pH의 측정을 위한 LED(6a)와 광원필터(6b) 및 CCD카메라(7a)와 형광필터(7c)가 센서케이싱(3)에 내장된 pH센서(2)를 포함하여서 이루어지며,
   상기 DO센서(1)용 센서케이싱(3)과 pH센서(2)용 센서케이싱(3)의 전방면에는 전방캡(4)이 착탈 가능하게 조립 설치되고, 상기 각각의 전방캡(4)에는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)가 동일한 개수와 배치를 가지도록 하는 광섬유(11)의 연결포트(8)가 제공되며,
   상기 각각의 연결포트(8)를 기준으로 하여 동일한 위치로부터 연장되는 DO센서(1)용 광섬유(11)와 pH센서(2)용 광섬유(11)는 센싱팁(12)과 인접한 광섬유(11)의 끝단부에 설치되는 커넥터(13)에 의하여 한 가닥씩 서로 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 DO센서(1)와 pH센서(2)의 센서케이싱(3) 내부에는 CCD카메라(7a)의 위치를 전,후 방향에 걸쳐 조정하기 위한 가이드레일(14)이 설치되고, 상기 가이드레일(14)의 선단부와 후단부에는 센서케이싱(3)의 내부에서 가이드레일(14)을 지지하는 레일브라켓(14a)이 연결 설치되며,
   상기 가이드레일(14)에는 CCD카메라(7a)가 장착되는 카메라이송대(16)가 설치되고, 상기 카메라이송대(16)에는 가이드레일(14)측으로 체결되어 CCD카메라(7a)의 위치를 고정하는 스토퍼볼트(16a)가 설치되는 것을 특징으로 하는 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 CCD카메라(7a)의 렌즈부(7b)에는 렌즈케이스(7d)가 조립 설치되고, 상기 렌즈케이스(7d)의 선단부에 형광필터(7c)가 설치되는 것을 특징으로 하는 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 DO센서(1)와 pH센서(2)의 센서케이싱(3) 내부에는 LED(6a)의 위치를 전,후 방향으로 조정하기 위한 가이드레일(14)이 레일브라켓(14a)상에 추가로 설치되며,
   상기 가이드레일(14)에는 LED(6a)가 힌지식으로 각운동 가능하게 장착되는 LED이송대(15)가 설치되고, 상기 LED이송대(15)에는 가이드레일(14)측으로 체결되어 LED(6a)의 위치를 고정하는 스토퍼볼트(15a)가 설치되는 것을 특징으로 하는 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 LED(6a)는 LED케이스(6c)의 내부에 삽입 설치되고, 상기 LED케이스(6c)가 LED이송대(15)에 힌지식으로 각운동 가능하게 연결 설치되는 한편, 상기 LED케이스(6c)의 선단부에 광원필터(6b)가 설치되는 것을 특징으로 하는 용존산소 및 수소이온농도 동시측정용 광섬유다발 광센서장치.

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