KR101466384B1 - 탁도센서 - Google Patents

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KR101466384B1 KR20130073702A KR20130073702A KR101466384B1 KR 101466384 B1 KR101466384 B1 KR 101466384B1 KR 20130073702 A KR20130073702 A KR 20130073702A KR 20130073702 A KR20130073702 A KR 20130073702A KR 101466384 B1 KR101466384 B1 KR 101466384B1
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정윤석
류광춘
김준형
박인철
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글로벌광통신 (주)
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Abstract

본 발명은 탁도센서에 관한 것으로서, 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 상호 나란하게 저면에 상호 이격되게 형성된 하우징과, 하우징에 내장되며 발광창을 통해 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 출사하는 발광부와, 하우징에 내장되며 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 수광부와, 수광부에서 출력되는 신호를 처리하여 시료수의 탁도 정보를 산출하는 제어유니트를 구비하고, 발광부는 발광창을 향하는 방향으로 광을 출사하는 광원과, 광원에서 출사된 광을 발광창을 통해 발광창과 나란한 면에 대해 하우징 외부로 예각으로 굴절시키는 제1프리즘을 구비하고, 수광부는 수광창과 대향되는 위치에 설치되어 상기 입사된 광을 수신하는 광검출기와, 수광창 외부에서 수광창과 나란한 면에 대해 하우징 외부에서 예각으로 입사되는 광을 광검출기의 수광면 방향으로 굴절시키는 제2프리즘을 구비한다. 이러한 탁도센서에 의하면, 하우징 내부에 장착된 프리즘을 통해 탁도측정 적합한 방향으로 광을 굴절시켜 출사할 수 있고, 경사지게 외부로부터 입사되는 광을 광검출기의 수광면 쪽으로 굴절시킬 수 있어 하우징 외부를 평평한 구조로 제작할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

탁도센서{Turbidity measuring apparatus}
본 발명은 탁도 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광이 입출력되는 면을 평평한 구조로 하면서도 시료수의 탁도를 측정할 수 있는 탁도 센서에 관한 것이다.
오늘날 심각한 환경오염으로 인해 수질이나 대기 오염원에 대한 측정과 제거에 대한 연구가 필수불가결하며, 또한 활발히 진행되고 있다.
그 중 인간과 모든 생명체의 근원이 되는 물의 오염정도의 측정과 개선이 무엇보다 중요한데, 수질 오염을 판단하기 위해서는 수질환경의 생물학적 특성, 부유물 내의 미량원소와 같은 화학적 특성 그리고 물의 색깔, 냄새, 탁도 등의 물리적 특성이 고찰되어야 한다.
이 중, 특히 탁도는 물의 흐린 정도를 정량적으로 나타낸 지표로서 수중에 부유하는 입자들의 빛에 의한 산란과 흡수로 표현된다. 이러한 탁도는 여러 가지 부유물질에 의해 발생하며 수질 내 부유하는 입자의 크기는 콜로이드 분산에서 굵은 분산질까지 다양하다. 여기에는 나노수준의 초미립자도 포함된다.
탁도는 호수와 같이 비교적 정체된 상태에 있는 물에서는 대부분 콜로이드 분산 등과 같은 극히 미세한 분산질에 의해 발생되며, 하천수와 같이 흐르는 상태의 물에서는 대부분 굵은 분산질에 의해 생겨난다.
침전물 또는 부유물질을 이루는 미립자는 수원지나 호수와 같은 환경에 영향을 주는 주요 오염원으로써, 이러한 미립자는 수도 공급관 내부로 흘러들어 파이프 내부를 침식시키거나 퇴적되는 등의 문제를 유발한다. 또한 금속 파이프로 이루어진 수도관 표면 부식에 의해 금속 미립자가 생성되어 파이프 내부의 부식과 동시에 침식을 유발하여 파이프의 손상을 유발시키기도 한다. 그리고 파이프 안의 미립자는 파이프 내부 표면에 스케일을 형성하여 파이프 내부의 유체의 흐름을 방해하고, 또한 탁도를 유발하는 64 ㎛ 이하의 미립자는 직접적으로 생물학적 활성(biological activity)에 손상을 입히거나 유해한 화학제의 전달수단이 되기도 한다.
그리고 콜로이드나 분산질에 의해 수질이 오염되었을 때는 물의 투명도가 변화하여 오염정도를 쉽게 알 수 있지만, 나노 수준의 초미립자가 수질 내에 분산되어 있을 경우 물의 오염정도를 판단하기가 쉽지 않다.
이러한 초미립자에는 여러 가지 금속성분, 유기물질, 바이러스, 조류 및 곰팡이 등이 포함되어 있으며, 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH) 등의 발암성 물질이 포함되어 있다. 특히 초미립자의 경우 중금속 등의 금속원소로 이루어져 있기 때문에 측정방법 및 모니터링 기술 개발이 시급하다.
그리고 유기물이 수질 내로 유입되어 미생물의 개체수가 증가하여 생물학적 오염을 일으키는데, 이러한 경우 특히 음용수 관리에서는 미생물의 모니터링 역시 매우 중요한 측정 변수이다. 따라서 수질을 평가하기 위한 탁도 측정 시 수중의 부유물질 중 초미립자나 미생물까지도 정확하게 검출될 수 있어야 한다.
이러한 탁도를 측정하기 위한 탁도측정장치가 국내 등록특허 제10-0977067호에 개시되어 있다.
상기 탁도 측정장치는 입사광과 출사광이 하우징 외부에서 90°로 직교하도록 하우징 저면이 오목한 원뿔형상으로 형성된 구조로 되어 있어, 제작이 어렵고, 이물질의 제거를 위한 구조도 복잡해지는 단점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 시료수에 광을 출사하고 수광하는 저면을 평평하게 하면서도 탁도측정이 가능한 탁도 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탁도센서는 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 상호 나란하게 저면에 상호 이격되게 형성된 하우징과; 상기 하우징에 내장되며 상기 발광창을 통해 상기 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 출사하는 발광부와; 상기 하우징에 내장되며 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 수광부와; 상기 수광부에서 출력되는 신호를 처리하여 상기 시료수의 탁도 정보를 산출하는 제어유니트;를 구비하고, 상기 발광부는 상기 발광창을 향하는 방향으로 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사된 광을 상기 발광창을 통해 상기 발광창과 나란한 면에 대해 상기 하우징 외부로 예각으로 굴절시키는 제1프리즘;을 구비하고, 상기 수광부는 상기 수광창과 대향되는 위치에 설치되어 상기 입사된 광을 수신하는 광검출기와; 상기 수광창 외부에서 상기 수광창과 나란한 면에 대해 상기 하우징 외부에서 예각으로 입사되는 광을 상기 광검출기의 수광면 방향으로 굴절시키는 제2프리즘;을 구비한다.
상기 제1프리즘은 직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제1 및 제2 면 중 제1면은 상기 발광창과 나란하게 배치되고, 상기 제2면은 상기 제1면 중 상기 수광창과 가까운 방향에서 상기 발광창과 직교하는 방향을 따라 연장되게 배치되며, 상기 제1 면과 상기 제2면을 상호 연결하며 경사진 제3면은 상기 광원과 대향되게 배치되어 있고, 상기 제2프리즘은 직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제4 및 제5 면 중 제4면은 상기 수광창과 나란하게 배치되고, 상기 제5면은 상기 제4면 중 상기 발광창과 가까운 방향에서 상기 수광창과 직교하는 방향을 따라 연장되게 배치되며, 상기 제4면과 상기 제5면을 상호 연결하며 경사진 제6면은 상기 광검출기와 대향되게 배치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 발광창과 상기 수광창을 회전에 의해 세척할 수 있게 상기 하우징 외부에 장착된 세척브러쉬와; 상기 세척브러쉬를 상기 제어 유니트의 제어에 의해 구동하는 모터;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 상기 제1 프리즘은 상기 광원으로부터 상기 발광창에 직교하는 방향으로 입사되는 광을 상기 하우징의 중앙 방향으로 45도 굴절시키도록 되어 있고, 상기 제2프리즘은 상기 하우징의 외부 중앙에서 45도 각도로 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 상기 수광창에 대해 수직상으로 굴절시키도록 되어 있으며, 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 발광다이오드가 적용된다.
본 발명에 따른 탁도센서에 의하면, 하우징 내부에 장착된 프리즘을 통해 탁도측정에 적합한 방향으로 광을 굴절시켜 출사할 수 있고, 경사지게 외부로부터 입사되는 광을 광검출기의 수광면 쪽으로 굴절시킬 수 있어 하우징 외부를 평평한 구조로 제작할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따는 탁도센서를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 탁도센서의 제어계통을 나타내 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탁도 센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따는 탁도센서를 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 탁도센서의 제어계통을 나타내 보인 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 탁도 센서(100)는 하우징(110)과, 하우징(110)에 내장되어 광을 발산하는 발광부(130)와, 광을 검출하는 수광부(150) 및 수광부에서 출력되는 신호를 처리하는 제어유니트(170)를 구비한다.
하우징(110)은 전체적으로 원통 형상을 가지며, 탁도 측정을 위해 하부가 시료수에 잠기거나 시료수와 접촉하게 된다.
하우징(110)은 광이 투과되는 발광창(115) 및 수광창(117)이 상호 나란하게 저면(114)에 상호 이격되게 형성되어 있다.
발광창(115) 및 수광창(117)은 유리나 투명아크릴로 형성된다.
하우징(110)은 내부 공간을 갖는 원통형 형태로 형성된 몸체부분(111)과, 몸체부분(111)의 하단에서 몸체부분(111)보다 외경이 작게 형성되어 몸체부분(111)과 나사결합에 의해 착탈되며 저면에 발광창(115)과 수광창(117)이 형성된 착탈캡(113)으로 되어 있다.
발광부(130)는 하우징(110)에 내장되며 발광창(115)을 통해 하우징(110)의 외부에 위치하는 시료수로 광을 출사할 수 있도록 되어 있다.
발광부(130)는 발광창(115)을 향하는 방향으로 광을 출사하는 광원(LD)(131)과, 광원(131)에서 출사된 광을 발광창(115)을 통해 발광창(115)과 나란한 면에 대해 하우징(110) 외부로 예각으로 굴절시키는 제1프리즘(133)을 구비한다.
여기서 광원(131)의 광축은 발광창(115)과 직교하는 수직방향을 향하도록 배치되어 있다.
광원(131)은 890nm 대역의 근적외선에서 470nm 대역의 가시광선 영역의 광을 출사하는 레이저 다이오드 또는 발광다이오드가 적용되는 것이 바람직하다.
광원(131)의 파장은 측정 대상 시료수의 특성에 따라 적용하는 파장을 적절하게 적용하면된다.
또한, 제1프리즘(133)은 직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제1 및 제2면(133a)(133b) 중 제1면(133a)은 발광창(115)과 나란하게 배치되고, 제2면(133b)은 제1면(133a) 중 수광창(117)과 가까운 방향에서 발광창(115)과 직교하는 방향을 따라 수직상으로 연장되게 배치되며, 제1 면(133a)과 제2면(133b)을 상호 연결하며 경사진 제3면(133c)은 광원(131)과 대향되게 배치되어 있다.
여기서 제1프리즘(133)은 발광창(115)에 대해 수직상으로 광원(131)으로부터 입사되는 광을 굴절시켜 발광창(115)을 통해 45°로 하우징(110)의 중앙부분을 향해 광로를 변경시킬 수 있는 굴절율을 갖는 것을 적용한다.
제1프리즘(133)은 석영재질로 형성된 것을 적용한다.
이러한 발광부(130)는 광원(131)에서 발광창(115)을 향해 수직상으로 출사되는 광이 제1프리즘을 통해 굴절되어 발광창(115)과 나란한 면에 대해 하우징(110)의 중앙부분을 향하면서 45°굴절되게 광을 출사시킬 수 있다.
수광부(150)는 하우징(110)에 내장되며 수광창(117)을 통해 입사되는 산란광을 검출한다.
수광부(150)는 광검출기(151) 및 제2프리즘(153)을 구비한다.
광검출기(151)는 수광창과 대향되는 수광면이 수광창과 나란하게 배치되어 있다.
광검출기(151)는 수광면을 통해 입사되는 광을 수신하고, 수신된 광에 대응되는 전기적 신호를 제어유니트에 출력한다.
제2프리즘(153)은 수광창(117) 외부에서 수광창(117)과 나란한 면에 대해 하우징(110) 외부에서 예각으로 입사되는 광을 광검출기(151)의 수광면에 직교하는 방향으로 굴절시키도록 되어 있다.
제2프리즘(153)은 직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제4 및 제5 면 (153a)(153b)중 제4면(153a)은 수광창(117)과 나란하게 배치되고, 제5면(153b)은 제4면(153a) 중 발광창(115)과 가까운 방향에서 수광창(117)과 직교하는 방향을 따라 수직상으로 연장되게 배치되며, 제4면(153a)과 제5면(153b)을 상호 연결하며 경사진 제6면(153c)은 광검출기(151)와 대향되게 배치되어 있다.
여기서 제2프리즘(153)은 하우징(110) 중앙부분에서 수광창(117)을 향해 45° 각도로 입사되는 광을 굴절시켜 광검출기(151)의 수광면에 수직한 방향으로 광로를 변경시킬 수 있는 굴절율을 갖는 것을 적용한다.
제2프리즘(153)은 석영재질로 형성된 것을 적용한다.
이러한 수광부(150)는 발광창(115)을 통해 외부로 45°로 출사된 광에 반응하는 시료수의 미립자 및 미생물의 반응에 의해 수광창(117)에 대해 45°로 입사되는 광이 제2프리즘(153)을 통해 굴절되어 광검출(151)에 수직하게 입사시킬 수 있다.
제어유니트(170)는 수광부(150)의 광검출기(151)에서 출력되는 신호를 처리하여 시료수의 탁도 정보를 산출한다.
제어유니트(170)는 하우징(110) 내부에 마련된 회로기판(171)에 실장되어 있다.
제어유니트(170)는 광원 구동부(137), 전류-전압 변환기(I/V)(161), 제1증폭기(163), 필터(165), 제2증폭기(167), A/D변환기(168), 제어부(175) 및 인터페이스부(177)를 구비한다.
광원 구동부(137)는 제어부(177)에 제어되어 광원(131)을 구동한다.
전류-전압 변환기(I/V)(161)는 광검출기(151)에서 출력되는 전류 신호를 전압신호로 변환한다.
제1증폭기(163)는 전류-전압 변환기(I/V)(161)에서 출력되는 전압신호를 설정된 이득만큼 증폭시킨다.
필터(165)는 제1증폭기에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거한다.
제2증폭기(167)는 필터를 통해 출력되는 신호를 설정된 이득으로 증폭시켜 출력한다.
A/D변환기(168)는 제2증폭기(167)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하여 제어부(175)에 출력한다.
도시된 예와 다르게 전류-전압 변환기(I/V)(161)에서 출력되는 신호를 바로 디지털 신호로 변환하여 제어부(175)에 출력하도록 구축되거나, 하나의 증폭기만 적용할 수 있음은 물론이다.
제어부(175)는 A/D변환기(168)에서 출력되는 신호로부터 탁도를 산출한다.
제어부(175)는 A/D변환기(168)에서 출력되는 신호에 대응되는 탁도값이 미리 실험에 의해 구해져 기록된 룩업테이블(미도시)이 내장되게 구축될 수 있다.
이 경우, 제어부(175)는 A/D변환기(168)에서 출력되는 신호에 대응되는 탁도값을 룩업테이블을 통해 산출하면 된다.
인터페이스부(177)는 제어부(175)에 의해 산출된 탁도값을 외부 기기로 전송하는데 이용할 수 있도록 제어부(175)와 외부기기와의 인터페이스를 담당한다.
한편, 하우징(110)의 저면 중앙에는 발광창(115)과 수광창(117)을 회전에 의해 세척할 수 있게 세척브러쉬(181)가 장착되어 있다.
모터(185)는 제어부(175)에 제어되어 세척브러쉬(181)를 회전 구동할 수 있도록 되어 있다.
이러한 탁도센서는 발광부(130)의 광원(131)에서 출사되어 제1프리즘(133)을 통해 굴절되어 45도 각도로 하우징(110)외부로 출사된 광은 하우징(110)의 저면 외부에 위치하는 시료수에 입사되고, 시료수에 입사된 광의 일부는 시료수 중에 함유된 부유물질에 의해 산란된다. 이 중 입사광에 대해 90°각도로 산란된 광은 수광창(117)으로 입사된 후 제2프리즘(153)에 의해 굴절되어 광검출기(151)를 통해 입사됨으로써 탁도를 측정할 수 있다.
110: 하우징 130: 발광부
131: 광원 133: 제1프리즘
150: 수광부 151: 광검출기
153: 제2프리즘

Claims (3)

  1. 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 상호 나란하게 저면에 상호 이격되게 형성된 하우징과;
    상기 하우징에 내장되며 상기 발광창을 통해 상기 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 출사하는 발광부와;
    상기 하우징에 내장되며 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 수광부와;
    상기 수광부에서 출력되는 신호를 처리하여 상기 시료수의 탁도 정보를 산출하는 제어유니트;를 구비하고,
    상기 발광부는
    상기 발광창을 향하는 방향으로 광을 출사하는 광원과;
    상기 광원에서 출사된 광을 상기 발광창을 통해 상기 발광창과 나란한 면에 대해 상기 하우징 외부로 예각으로 굴절시키는 제1프리즘;을 구비하고,
    상기 수광부는
    상기 수광창과 대향되는 위치에 설치되어 상기 입사된 광을 수신하는 광검출기와;
    상기 수광창 외부에서 상기 수광창과 나란한 면에 대해 상기 하우징 외부에서 예각으로 입사되는 광을 상기 광검출기의 수광면 방향으로 굴절시키는 제2프리즘;을 구비하고,
    상기 제1프리즘은
    직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제1 및 제2 면 중 제1면은 상기 발광창과 나란하게 배치되고, 상기 제2면은 상기 제1면 중 상기 수광창과 가까운 방향에서 상기 발광창과 직교하는 방향을 따라 연장되게 배치되며, 상기 제1 면과 상기 제2면을 상호 연결하며 경사진 제3면은 상기 광원과 대향되게 배치되어 있고,
    상기 제2프리즘은
    직각 삼각형상으로 형성되되 직각을 이루는 제4 및 제5 면 중 제4면은 상기 수광창과 나란하게 배치되고, 상기 제5면은 상기 제4면 중 상기 발광창과 가까운 방향에서 상기 수광창과 직교하는 방향을 따라 연장되게 배치되며, 상기 제4면과 상기 제5면을 상호 연결하며 경사진 제6면은 상기 광검출기와 대향되게 배치되어 있고,
    상기 제1 프리즘은 상기 광원으로부터 상기 발광창에 직교하는 방향으로 입사되는 광을 상기 하우징의 중앙 방향으로 45도 굴절시키도록 되어 있고,
    상기 제2프리즘은 상기 하우징의 외부 중앙에서 45도 각도로 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 상기 수광창에 대해 수직상으로 굴절시키도록 되어 있으며,
    상기 광원은 레이저 다이오드가 적용되고,
    상기 하우징은 내부 공간을 갖는 원통형 형태로 형성된 몸체부분과, 상기 몸체부분의 하단에서 상기 몸체부분보다 외경이 작게 형성되어 상기 몸체부분과 나사결합에 의해 착탈되며 저면에 상기 발광창과 상기 수광창이 형성된 착탈캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 탁도센서.

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