KR101484521B1 - 광 발광식 용존산소센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각 구성품을 상호 해체 및 교체할 수 있어 관리비용이 절감되며 수질에 함유된 용존 산소량을 광을 이용하여 산소의 소모 현상이 없이 반응광과 기준광을 통해 정확히 측정할 수 있는 광 발광식 용존산소센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출력부와 구동부가 내부에 설치된 센서몸체, 제1,2발광소자및 수광소자가 내부에 설치되고 수질내의 산소와 반응하여 발광 세기와 시간적으로 반응하는 검출부를 갖는 활성광학부, 보호단과 분리형 온도센서로 구성하는 용존산소센서(100A), 내부에는 출력부와 구동부, 제1,2발광소자 및 수광소자가 외부로 노출되게 설치되는 활성광학부가 형성되는 센서몸체, 활성광학부를 커버하며 수질내의 산소와 반응하여 발광 세기와 시간적으로 반응하는 검출부를 형성하는 측정케이스, 보호단과 분리형 온도센서로 구성하는 용존산소센서(100B)로 구성하여; 측정케이스나 검출부, 온도센서를 별도로 분리 교체할 수 있어 관리가 용이하며, 각 소자가 보호되어 있어 보관 관리가 요구치 않고 보호단에 의해 검출부나 온도센서의 파손을 예방하는 효과가 있다.

Description

광 발광식 용존산소센서{Luminescent-Based Dissolved Oxygen Sensor}
본 발명은 용존산소센서에 관한 것으로, 특히 수질에 함유된 용존 산소량을 광을 이용하여 산소의 소모 현상이 없이 반응광과 기준광을 통해 정확히 측정할 수 있으며, 각 구성품을 상호 해체할 수 있도록 개선한 광 발광식 용존산소센서에 관한 것이다.
용존산소란 물속에 용존하는 산소량이다. 일반적으로 공기 속의 산소에 의해 공급되고, 그 용해량은 온도나 기압에 좌우되며, 대기압하에서의 20℃의 순수의 DO는 약 9ppm이고, 온도가 저하됨에 따라 상승하여 4℃에서 약 13ppm이 된다. 생물의 호흡이나 용해 물질의 산화 등에 소모되기 때문에 더러워진 물일수록 DO는 감소한다. 반면에 조류(藻類) 등이 번식하면 광합성 작용으로 DO가 증가하여 과포화를 나타내는 경우도 있다. 하수처리에 있어서의 활성 오니법에서는 미생물의 활동을 조장하기 때문에 폭기를 하여 DO를 공급하지만, 보일러수에서는 부식을 방지하기 위해서 DO를 제거한다.
이러한, 용존산소의 농도는 물의 온도와 기압 및 불순물의 농도에 따라 달라지는데, 자연에 존재하는 대부분의 물은 고요한 상태를 유지할 수 있지만, 환경조건에 따라서 바람 등의 영향으로 수면이 고요하지 않고 난류상태(turbulence)가 생길 경우에 대기 중의 산소는 물 속으로 녹아 들어간다. 이렇게 대기 중의 산소가 물 속에 녹아 들어가는 것을 전달이라고 하며, 그 율을 전달률이라고 한다.
그리고, 수중 어패류에 대한 용존산소의 최소 생존농도는 5ppm 이상이며 DO가 2ppm이하가 되면 악취가 발생하기 시작한다. 하천수에서의 용존산소와 자정작용의 관계는 자정작용의 진행에 대하여 재포기, 탈산소(산소의 소비)에서 발생하는 산소량의 수지라는 점에서 산소평형이 유지되는가가 문제이다. 재포기가 탈산소보다 우세하면 산소평형이 보전되어 자정작용이 진행되지만, 반대의 경우 평형이 깨어져서 물이 부패상태로 된다. 용존산소(DO)의 부족곡선식(oxygen sag curve)은 하천에 BOD물질이 유입되고 재포기가 일어나 물의 이동에 따라 용존산소 부족량의 단면도이며 숟가락모양(spoon-shaped)을 이룬다. 이 곡선을 용존산소 부족곡선이라 하며, 산소부족량(oxygen deficit)이란 주어진 수온에서 포화산소량과 실제 용존산소량과의 차이를 말한다. 여름철에 천천히 흐르는 하천은 수온이 높고 포기율이 낮아 용존산소가 낮은 반면 온도는 높아서 미생물 번식이 커 용존산소 소모량이 많아 유기물을 함유하는데 폐수가 혼입하면 용존산소농도가 떨어져서 혐기성 상태가 될 가능성이 크다.
이러한, 산소의 용해도는 기압이 높을수록, 수온이 낮을수록, 용해 염분농도가 낮을수록 커지나, 20℃ 순수한 물 1L에 최대 9.092mg 밖에 녹지 않을 정도로 물에 잘 녹지 않는다. 표.1은 1기압 하에서 순수한 물속에 포화될 수 있는 포화용존 산소량을 나타낸 것이다.
아울러, 용존 산소량은 유기물질과 같은 산소 소비체가 수중에 존재한다면 낮은 값을 나타내게 된다. 한편, 물이 깨끗하면 할수록, 급류하천 등과 같이 공기와의 접촉기회가 많을수록, 그리고 조류(algae)나 수생식물의 산소 동화작용이 현저할수록 용존 산소량은 높은 값을 나타내게 된다.
순수한 물속에 포화될 수 있는 포화 용존산소량(기압 760mmHg)
수온(℃) 포화용존산소량(mg/L)
0
5
10
15
20
25
30
35
40		 14.621
12.770
11.288
10.084
9.092
8.263
7.559
6.950
6.412
이러한, 용존산소의 중요성은 액체 폐기물에서 용존산소는 그 생물학적 변화가 호기성 미생물에 의해 일어나는지, 또는 혐기성 미생물에 의해 일어나는지를 판단하는 인자가 된다. 전자는 자유산소를 사용하여 유기물질과 무기물질을 무해한 최종 생성물로 산화하는 반면, 후자는 황산염과 같은 특정한 무기염의 환원을 통해 이러한 변화를 일으키는 것으로 최종 생성물이 때로 매우 해로운 것일 수도 있다. 이 두 형태의 미생물은 자연에 보편적으로 존재하고 있으므로 호기성 미생물에 유리한 상태(호기성 조건)를 유지하는 것은 대단히 중요하며, 그렇지 않을 경우에는 혐기성 미생물이 자라게 되어 좋지 못한 상태(nuisance condition)로 바뀌어 진다. 그러므로 용존산소의 측정은 오염물질이 유입되는 자연수와 가정하수, 산업폐수를 정화하는 호기성 처리공정을 호기성 상태로 유지하는데 있어서 매우 중요한 일이다.
그리고, 용존산소의 측정값은 이밖에도 여러 가지 목적에 쓰이며, 환경공학에서 매우 중요한 단일 시험 항목 중의 하나이다. 하천 오염의 제어에서 요구하는 대부분은 어족과 기타의 수중생물의 성장과 생식에 유리한 조건을 유지시켜 주어야 하는 것이다. 즉, 수중생물들이 항상 건강한 상태를 유지할 수 있는 충분한 농도로 용존산소가 존재하도록 해 주어야 한다.
아울러, 용존산소의 측정은 BOD측정의 바탕이 된다. 그러므로 가정하수와 산업폐수의 오염세기를 평가하는데 이용되는 가장 중요한 측정항목이다. 생물학적 산화반응의 속도도 여러 시간 간격에 걸쳐 시스템내의 잔류용존산소를 측정하여 잴 수 있다. 호기성 처리공정은 모두 용존산소에 의존하므로, 용존산소의 검출시험은 적절한 양의 공기를 공급하여 정확히 호기성 상태가 유지되도록 폭기속도를 조절하고 과도한 공기공급을 방지하는데 반드시 필요하다.
더불어, 산소는 철 및 강철제품, 특히 배수관망과 증기 보일러에서 부식을 일으키는 중요한 인자이다. 물리적, 화학적 방법으로 보일러 급수의 산소를 제거하는 것은 화력발전소에서 흔히 하는 일이다. 이때도 용존산소의 검출시험 결과를 이용하여 제어한다.
이러한, 용존산소 측정 방법은 용존산소 측정기술을 크게 두 갈래로 나눌 수 있다. 하나는 광 기반 측정법으로 통상 발광식이라 하고, 다른 하나는 클라크 전기화학식이나 멤브레인 전극식이다. 그 밑으로도 약간의 하위분류가 있는데 예를 들면 광학센서에도 두 종류가 있는데, 둘 모두 발광(산소의 영향을 받음)을 측정하지만 하나는 발광의 지속시간을 보는 반면 다른 방식은 발광의 세기를 감지하고 클라크 전기화학센서는 폴라로그래픽과 갈바닉식이 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 용존산소측정센서의 전기화학센서나 폴라로그래픽센서 중 전기화학센서는 측정 중에 산소를 소모하기 때문에 샘플운동을 통해 산소를 공급해주지 않으면 출력이 비정상적으로 낮아지는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 폴라로그래픽센서는 분극에 최소 5~15분 가량을 소요한 뒤 측정을 할 수 있는 문제가 있었다.
아울러, 종래의 전기화학센서는 교정주기가 짧은 문제점이 있으며, 종래의 전기화학센서는 멤브레인에 황화수소를 위시한 일부 간섭기체가 침투해 전극 및 출력에 영향을 미쳐 측정시 간섭이 나타나는 문제점 있었다.
더불어, 종래의 전기화학센서 멤브레인은 사용전 세척준비가 필요하며, 때때로 몇 주 단위 수시로 교체해야 하는 번거로운 문제점이 있었다.
이로 인하여, 유량의존도가 없어 산소를 소모하지 않으며 측정 준비시간이 적으며, 특정기체에 측정 영향을 받지 않고 온도를 정확히 측정하여 온도보상값을 측정값에 적용할 수 있으며, 각 구성품을 별도로 교체할 수 있어 관리가 편리하며 관리 비용을 절감시킬 수 있도록 개선된 광 발광식 용존산소센서가 절실히 요구되는 실정이다.
1. 공개번호 제10-2009-0092916호 (조류를 이용한 형광측정장치 및 그 방법) 2. 등록번호 제10-0622074호 (광학센서를 이용한 수질측정 방법 및 장치)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 측정케이스나 검출부, 온도센서를 별도로 분리 교체할 수 있어 관리가 용이한 광 발광식 용존산소센서를 제공하는데 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 측정시 산소를 소모하지 않아 측정조건에 영향을 주지 않으며, 자극광과 반응광, 기준광을 통해 용존 산소량을 정확히 파악할 수 있도록 하는 데 있다.
더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 측정을 위한 준비시간이 요구되지 않아 준비와 함께 즉시 측정가능하며, 혹독한 측정환경이나 황화수소에 영향을 받지 않도록 하는 데 있다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 각 소자는 측정케이스에 의해 커버되어 별도 관리가 요구치 않으며, 보호단이 있어 검출부나 온도센서의 파손을 예방할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 용존산소센서에 있어서, 내부에는 출력부와 구동부가 신호를 전달하도록 연결 설치된 센서몸체를 형성하되, 상기 센서몸체에는 온도센서의 체결과 접점을 위해 두 개의 제1,2온도단자가 각각 바닥면과 측면에 형성된 센서단자홈을 형성하고, 상기 센서몸체의 끝단면 일측으로 체결 대상 기능과 접점 대상 기능을 갖는 단자접점부에 체결/해체되는 측정케이스의 내부에는 제1,2발광소자 및 수광소자가 설치되며, 상기 측정케이스의 측정 끝단에는 용존 산소량에 따라 발광강도가 변화되는 검출부를 형성한 활성광학부를 형성하며, 상기 센서몸체의 끝단면 타측에는 보호단과 끝단이 노출되거나 돌출되는 분리형 온도센서를 형성하되, 상기 온도센서는 비철금속 재질의 소자몸체의 내부공간 중앙에 온도소자가 위치되게 충진재를 채워 고정하고, 상기 온도소자의 제1도선은 제1온도단자에 접점되게 끝단으로 노출되고, 제2도선은 제2온도단자에 접점되게 측면으로 노출되게 형성하여, 상기 제1발광소자의 자극광을 조사하여 검출부를 여기 상태로 변화시켜 수질에 포함된 산소량에 의해 발광강도 및 시간에 따라 변화되는 검출부의 발광 반사광을 레퍼런스 기능을 하는 제2발광소자의 조사 반사광과 함께 수광소자로 입사되는 입사광량을 측정하여 용존산소량을 산출하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서를 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명은 측정케이스나 검출부, 온도센서를 별도로 분리 교체할 수 있어 관리가 용이하며, 각 소자가 보호되어 있어 보관 관리가 요구치 않고 보호단에 의해 검출부나 온도센서의 파손을 예방하는 효과가 있다.
그리고, 측정시 산소를 소모하지 않아 교반이나 샘플운동이 불필요하며, 자극광과 반응광, 기준광을 통해 용존 산소량을 정확히 파악하여 측정정확도를 향상시키는 효과가 있다.
더불어, 측정을 위한 준비시간이 요구되지 않아 준비와 함께 즉시 측정가능하며, 혹독한 측정환경이나 황화수소에 영향을 받지 않아 측정값의 변화나 오류가 발생하지 않으며 교정드리프트가 매우 적고 교정시기가 길어 관리가 편리한 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 용존산소센서(100A)를 나타낸 사시도 및 저면사시도,
도 3는 본 발명에 따른 용존산소센서(100A)를 나타낸 단면도,
도 4는 도 3의 A부분 확대 단면도,
도 5 및 도 6은 용존산소센서(100A)의 나선체결 및 끼움체결 방식의 활성광학부의 분해사시도,
도 7은 본 발명에 따른 용존산소센서(100B)를 나타낸 저면사시도,
도 8는 본 발명에 따른 용존산소센서(100B)를 나타낸 단면도,
도 9 및 도 10은 용존산소센서(100B)의 나선체결 및 끼움체결 방식의 활성광학부의 분해사시도,
도 11에서 도면 a는 센서몸체와 온도센서의 나선체결방식 분해사시도, 도면 b는 센서몸체와 온도센서의 끼움체결방식 분해사시도,
도 12에서 도면 a는 센서몸체와 온도센서의 분해사시도, 도면 b는 온도센서가 센서몸체에서 노출된 상태를 나타낸 개념도, 도면 b는 온도센서가 센서몸체에서 돌출된 상태를 나타낸 개념도,
도 13는 도 3의 B부분 확대 단면도,
도 14는 본 발명에 따른 용존산소센서(100A)(100B)를 침적형 방식으로 측정하는 측정예시도이다.
이에 상기한 바와같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3 및 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광 발광식 용존산소센서는 출력부(11)와 구동부(12)가 내부에 설치된 센서몸체(10), 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 내부에 설치되고 수질내의 산소와 반응하여 발광 세기와 시간적으로 반응하는 검출부(25)를 갖는 활성광학부(20), 보호단(30)과 분리형 온도센서(40)로 구성하는 용존산소센서(100A), 내부에는 출력부(11)와 구동부(12), 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 외부로 노출되게 설치되는 활성광학부(20)가 형성되는 센서몸체(10), 활성광학부(20)를 커버하며 수질내의 산소와 반응하여 발광 세기와 시간적으로 반응하는 검출부(25)를 형성하는 측정케이스(21), 보호단(30)과 분리형 온도센서(40)로 구성하는 용존산소센서(100B)로 구성한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 용존산소센서(100A)의 센서몸체(10) 내부에는 출력부(11)와 구동부(12)가 신호를 전달하도록 연결 설치하여 형성한다.
여기서, 상기 출력부(11)나 구동부(12)에는 E : Earth의 약자로 접지(Ground)로도 사용되며 전기회로나 전기기기의 일부를 대지와 도선으로 연결하여 기기의 전위를 대지의 전위와 같은 '0' 값으로 유지하는 도선을 연결할 수 있으며, S : Shield의 약자로 신호에 나쁜 영향을 미치는 전파나 자기 등을 막아주는 것을 실드라하며 차폐의 기능을 가지도록 연결할 수도 있다.
이러한, 상기 센서몸체(10)의 상하 끝단에는 침적형 측정시 별도의 센서홀더나 브라켓과 나선 체결을 위하거나 삽입형이나 유통형 방식으로 측정할 경우 배관이나 샘플링홀더에 나선 체결을 위한 나선단이 형성된다.
그리고, 상기 활성광학부(20)는 센서몸체(10)의 끝단면 일측으로 체결 대상 기능과 접점 대상 기능을 갖는 단자접점부(13)에 체결/해체되는 측정케이스(21)의 내부에는 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 설치하며, 상기 측정케이스(21)의 측정 끝단에는 용존 산소량에 따라 발광강도가 변화되는 검출부(25)를 형성한다.
이때, 상기 제1발광소자(22)는 청색 발광다이오드로 검출부(25)를 여기시키기 위한 청색 빛인 자극광을 조사하도록 구성하며, 제2발광소자(23)는 적색 발광다이오드로 구성하여 광학 및 전기 신호 통로에 내부 레퍼런스로 기능을 하도록 구성하고, 수광소자는 실리콘 수광소자로 구성한다.
여기서, 상기 단자접점부(13)는 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 이루어지는 체결단(14)이 주변으로 형성된 홈 형태의 체결공간(15)을 형성한다.
이러한, 상기 체결단(14)은 나선체결을 위해서 외면에 제1수나선단(14a)을 형성하거나, 센서몸체(10)의 길이 방향을 향해 경사를 갖는 니은자 형태의 제1체결홈(14b)을 형성하는 것이 바람직할 것이다.
그리고, 상기 체결공간(15)의 바닥면에는 구동부(12)와 연결되는 제1~3고정단자홈(16)(17)(18)이 각각 한 쌍씩 이격시켜 구성한다.
아울러, 상기 체결공간(15)의 바닥면에는 제1~3고정단자홈(16)(17)(18)에 간섭하지 않는 위치에 밀폐링(15a)을 결합하여 구성함이 바람직할 것이다.
한편, 상기 활성광학부(20)는 측정케이스(21)의 내부에서 이격되게 설치된 연질재 제1~3브라켓(21a)(21b)(21c)에 각각 고정되는 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)의 각 도선에 연결되는 제1~3소자단자(22a)(23a)(24a)가 각각 한 쌍으로 일 끝단을 통해 노출시켜 형성한다.
이때, 상기 측정케이스(21)는 체결단(14)과 체결을 위해 원통형상으로 구성함이 바람직하며, 측정수에 접촉하는 방향인 측정 끝단에 검출부(25)가 형성되며, 상기 제1~3브라켓(21a)(21b)(21c)은 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)를 끼움 고정하기 위한 구성으로, 빛을 반사나 흡수하지 않는 연질 재질과 색상으로 구성되어, 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)를 고정/분리할 수 있도록 구성한다.
그리고, 상기 제1~3소자단자(22a)(23a)(24a)는 제1~3고정단자홈(16)(17)(18)에 끼워져 전기적으로 연결하도록 구성하는 것이다.
아울러, 상기 측정케이스(21)의 외측으로 단자접점부(13)와 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 체결되는 커플러(26)를 구성하여 체결단(14)의 제1수나선단(14a)과 나선체결을 위해 커플러(26)의 내면에는 제1암나선단(26a)을 형성하거나, 체결단(14)의 제1체결홈(14b) 끼움체결을 위해 커플러(26)의 내면에는 제1체결돌기(26b)를 구성함이 바람직할 것이다.
이러한, 상기 측정케이스(21)과 커플러(26)의 연결구조를 살펴보면, 상기 측정케이스(21a)의 외면에는 걸림턱(21f)이 형성되고, 상기 커플러(26)의 일 끝단에는 걸림턱(21f)을 강제 끼움 방식으로 통과하여 걸림되어 자유회전되는 걸림단(26c)이 형성된다.
즉, 상기 측정케이스(21)의 제1~3소자단자(22a)(23a)(24a)를 제1~3고정단자홈(16)(17)(18)에 삽입시킨 상태에서 커플러(26)를 체결단(14)에 나선, 끼움 방식으로 체결하면 체결력에 의해 측정케이스(21)는 회전되지 않는 상태에서 센서몸체(10)의 체결공간(15)으로 삽입 밀착 고정되는 것이다.
이때, 상기 측정케이스(21)가 체결단(14)에 체결되면 검출부(25)가 위치된 반대편 커플러(26)의 끝단은 밀폐링(15a)과 접촉하여 측정수의 침입을 방지하게 구성한 것이다.
그리고, 상기 검출부(25)는 측정케이스(21)의 끝단에 제1,2발광소자(22)(23)의 광이 조사되고 산소에 반응하는 염료가 도포된 염료층(25a)을 중앙이 외측으로 융기되도록 설치 구성한다.
이러한, 상기 염료층(25a)이 형성된 측정케이스(21)의 끝단으로 측정수의 용존 산소가 침투 확산되어 염료와 반응하도록 염료층(25a)과 접촉하는 격막 형태의 확산층(25b)을 중앙이 외측으로 융기되게 설치하는 검출캡(25c)을 형성한다.
여기서, 상기 염료층(25a)은 센서몸체(10)의 내부를 향하는 측면에는 금, 은, 백금 중 하나의 귀금속류 코팅층(25a')을 형성하여 외부 광원을 차단해 광 퇴색을 방지하며, 제1발광소자(22)의 자극 광원에 의해 여기되도록 구성하며, 확산층(25b)은 용존 산소의 침투와 확산을 하기 위해 카본 블랙 폴리스티렌 층을 코팅하여 구성한다.
아울러, 상기 측정케이스(21)와 검출캡(25c)는 일체 구조나 체결/분리될 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 용존산소센서(100B)는 활성광학부(20)를 센서몸체(10)에 설치한 구성으로, 측정케이스(21)만을 체결/분리할 수 있는 구성으로, 센서몸체(10)는 내부에 출력부(11)에 구동부(12)가 연결되고, 구동부(12)에 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 신호를 전달하도록 연결 설치하여 활성광학부(20)를 형성하여 구성한다.
이러한, 상기 센서몸체(10)의 끝단에는 활성광학부(20)를 커버하도록 측정케이스(21)가 체결되며, 상기 측정케이스(21)의 측정 끝단에는 용존 산소량에 따라 발광강도가 변화되는 검출부(25)를 형성한다.
여기서, 상기 센서몸체(10)에는 측정케이스(21)가 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 체결/분리되고, 내부 공간에 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 위치되는 체결단(14)을 일체로 구성한다.
이때, 상기 체결단(14)은 나선체결을 위해서 외면에 제2수나선단(14c)을 형성하거나, 센서몸체(10)의 길이 방향을 따라 경사를 갖는 제2체결홈(14d)을 형성하는 것이 바람직할 것이다.
그리고, 상기 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)는 체결단(14)의 내부에 위치하면서 고정을 위해 에폭시(14e)를 발광 및 수광에 영향을 받지 않도록 충진하여 고정한다.
아울러, 상기 측정케이스(21)의 내면에는 체결단(14)의 제2수나선단(14c)과 나선체결을 위해 제2암나선단(21d)을 형성하거나, 체결단(14)의 제2체결홈(14d)에 끼움체결을 위해 측정케이스(21)의 내면에는 제2체결돌기(21e)를 구성함이 바람직할 것이다.
이때, 상기 측정케이스(21)가 체결단(14)에 체결되면 검출부(25)가 위치된 반대편 측정케이스(21)의 끝단은 체결단(14)과 센서몸체(10)와 연결되는 부분에 설치되는 밀폐링(15a)과 접촉하여 측정수의 침입을 방지하게 구성한 것이다.
그리고, 상기 검출부(25)는 체결단(14)의 개방 끝단에 제1,2발광소자(22)(23)의 광이 조사되고 산소에 반응하는 염료가 도포된 염료층(25a)을 중앙이 외측으로 융기되도록 설치 구성한다.
아울러, 상기 체결단(14)과 체결되는 측정케이스(21)의 끝단에는 측정수의 용존 산소가 침투 확산되어 염료와 반응하도록 염료층(25a)과 접촉하는 격막 형태의 확산층(25b)을 중앙이 외측으로 융기되게 설치 형성한다.
여기서, 상기 염료층(25a)은 센서몸체(10)의 내부를 향하는 측면에는 금, 은, 백금 중 하나의 귀금속류 코팅층(25a')을 형성하여 외부 광원을 차단해 광 퇴색을 방지하며, 제1발광소자(22)의 자극 광원에 의해 여기되도록 구성하며, 확산층(25b)은 용존 산소의 침투와 확산을 하기 위해 카본 블랙 폴리스티렌 층을 코팅하여 구성한다.
이러한, 상기 체결단(14)와 측정케이스(21)는 일체 구조나 체결/분리될 수 있도록 구성할 수도 있을 것이다.
공통적으로, 도 4 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 용존산소센서(100A)(100B)는 제1발광소자(22)의 자극광을 조사하여 검출부(25)를 여기(excitation, 勵起 : 원자핵, 원자, 분자 등으로 이루어진 계(系)의 에너지가 어떤 불연속적인 양만큼 증가하는 현상으로 본 발명에서는 산소와 반응하여 발과하는 염료에 에너지를 증가시키는 작용) 상태로 변화시켜 수질에 포함된 산소량에 의해 발광강도 및 시간에 따라 변화되는 검출부(25)의 발광 반사광을 레퍼런스 기능을 하는 제2발광소자(23)의 기준 반사광과 함께 수광소자(24)로 입사되는 입사광량을 측정하여 용존산소량을 산출하도록 구성하는 것이다.
그리고, 상기 검출부(25)는 염료층(25a)은 체결단(14)나 측정케이스(21)에 각각 형성될 수 있으며, 확산층(25b)은 측정케이스(21)나 검출캡(25c)에 각각 별도로 형성하여 체결단(14)에 측정케이스(21)를 결합하거나, 측정케이스(21)에 검출캡(25c)을 체결할 경우 염료층(25a)과 확산층(25b)은 긴밀하게 밀착되어 확상층(25b)을 통해 확산되는 산소가 염료층(25a)으로 옮겨 갈수 있도록 구성한 것이며, 확산층(25b)이 구조적으로 염료층(25a)의 보호기능을 수행하여 외부에 의해 확산층(25b)의 파손이 발생하면 간단히 교체할 수 있도록 구성한 것이다.
그리고, 상기 센서몸체(10)의 끝단면 타측에는 보호단(30)과 분리형 온도센서(40)를 형성한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 보호단(30)은 측정케이스(21)의 본체 및 검출부(25)와 온도센서(40)가 측정시 부피가 큰 이물질과 직접적으로 부딪히거나 측정장소의 바닥면에 직접 접촉하여 파손되는 것을 방지하기 위한 구성으로, 센서몸체(10)에 일체로 구성하거나 나선체결 방식이나 끼움 방식의 분리되는 형태로 구성할 수도 있을 것이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 온도센서(40)의 설치를 위해 센서몸체(10)에는 온도센서(40)의 체결과 접점을 위해 두 개의 제1,2온도단자(19a)(19b)가 각각 바닥면과 측면에 형성된 센서단자홈(19)을 형성한다.
그리고, 상기 온도센서(40)는 비철금속 재질의 소자몸체(41)의 내부공간 중앙에 온도소자(42)가 위치되게 충진재(43)를 채워 고정하여 움직임을 방지하여 합선이나 단락을 예방하도록 구성한다.
이러한, 상기 온도소자(42)의 제1도선(42a)은 제1온도단자(19a)에 접점되게 끝단으로 노출되고, 제2도선(42b)은 제2온도단자(19b)에 접점되게 측면으로 노출되게 구성한다.
더불어, 상기 온도센서(40)는 센서몸체(10)에서 노출 또는 돌출 형태로 결합할 수 있으며, 용존산소의 측정시 온도에 따라 측정값에 영향을 많이 받기 때문에 측정수의 온도를 정확히 측정하여 측정 온도에 따른 산출값을 정확히 비교 산출해야함으로 반드시 측정수와 직접 접촉하도록 외부로 노출되도록 구성한다.
그리고, 상기 온도센서(40)는 본 발명에서 제1,2도선(42a)(42b)의 T, T 2선식 구성을 설명하고 있으나 정확한 온도 측정 및 보상을 위해 T1, T1, T2 방식의 3선식이나 T1, T1, T2, T2 방식의 4선식으로 구성할 수 있으며, 제1도선(42a)은 제1온도단자(19a)에 접점되게 끝단으로 노출되도록 구성하고, 나머지 도선은 제2도선(42b)과 이격된 상태로 세로 배치로 구성할 수 있을 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 용존산소센서(100A)(100B)의 측정과정과 방식은 동일하며, 측정을 위해서는 용존산소센서(100A)(100B)를 측정수에 침적시킨 후 제1,2발광소자(22)(23)를 작동시키거나 측정수에 침적 전에 전원 인가로 작동시켜 측정준비를 할 수 있다.
그리고, 상기 용존산소센서(100A)(100B)는 용존산소량을 수치값으로 나타내는 미터기(200)에 연결하여 일례로 침적형 방식을 이용하여 측정준비를 완료한다.
이러한, 상기 용존산소센서(100A)(100B)는 비 전극방식으로 분극에 따르는 준비시간이 없기 때문에 샘플링 용도로 사용 시 매우 적합한 특징이 있으며, 전원만 넣으면 즉각적으로 교정 및 측정가능상태가 되어 측정 준비시간이 짧은 특징이 있다.
이후, 상기 용존산소센서(100A)(100B)를 이용하여 측정수의 용존산소량을 측정하는 원리는 다음과 같다.
먼저, 상기 검출부(25)의 염료층(25a)에 제1발광소자(22)의 자극광인 청색광을 조사하면 염료층(25a)이 붉은 색으로 발광하며 여기되는 동시에 제2발광소자(23)에서도 기준광의 적색광을 지속적으로 조사한다.
그리고, 상기 검출부(25)가 측정수에 용해된 산소 분자가 확산층(25b)을 통해 접촉되어진 염료층(25a)으로 지속적으로 확산하면 제1발광소자(21)의 자극광의 에너지를 흡수하는 동시에 염료가 산소에 반응하여 발광함으로써 발광의 지속시간 및 강도에 영향을 끼쳐 발광 강도의 변화, 변화된 발광 강도의 지속 시간이 변화된다.
이러한, 상기 검출부(25)의 발광 강도의 변화, 변화된 발광 강도의 지속 시간은 산소가 없다면 신호 지속시간 및 광도는 최대이고, 산소가 있다면 신호 지속시간 및 광도가 감소한다. 따라서 발광 지속시간과 강도는 산소량에 반비례하므로 센서 외부 산소압과 검출부(25)의 염료층(25a) 발광 지속시간 및 광도 사이의 관계는 일반적으로 슈테른-발머 방정식으로 정량화할 수 있다.
상기, 슈테른-발머(Stern-Volmer)상관 관계는 아래의 식으로 표현된다.
[반응식 1]
Io/I = 1 + kqt0 * O2
(여기서,IO=온전한 상태의 발광 지속시간 또는 강도, I = 소광 분자(O2)가 있을 때의 발광 지속시간 또는 강도, Kq=소광도계수, t0=피소광제(염료) 발광 지속시간을 나타낸다.)
이때, 상기 온도센서(40)는 측정수의 온도를 지속적으로 정밀하게 측정하여 측정시의 온도 데이터를 지속적으로 측정하게 된다.
즉, 상기 검출부(25)의 염료층(25a) 소광은 온도에 크게 의존함으로써, 온도를 정밀하게 측정하고(측정 온도에 대한 반복성) 측정 사이클 동안 측정케이스(21)의 온도를 면밀히 주시해야 한다.
추가적으로, 상기 용존산소센서(100A)(100B)는 교정 시 활성광학부(20), 온도센서(40), 측정 대상인 물이 반드시 열 평형을 이루도록 한다. 가령 활성광학부(20)를 100% 포화로 교정하기 위해 수분 포화 공기를 사용하는 경우 활성광학부(20)과 온도센서(40) 둘 다 완전히 물 밖에 나와있어야 하며 수분 포화 공기와 열 평형상태에 있어야 한다. 그리고, 상기 활성광학부(20)를 100% 포화로 교정하기 위해 공기 포화 물을 사용하는 경우 활성광학부(20), 온도센서(40) 모두 완전히 물에 잠겨있어야 하며 공기 포화 물과 열 평형상태에 있어야 한다.
아울러, 상기 활성광학부(20)를 실외에서 교정하는 경우 작업을 마칠 때까지 일광을 차단하여 교정 컵이 가열하지 않게끔 한다. 교정 컵의 온도 안정성을 확보할 수 있다면 다른 방법도 사용 가능할 것이다.
다음으로, 상기 수광소자(24)에 검출부(25)의 염료층(25a)의 발광 빛, 염료층(25a)에 의해 반사된 제2발광소자(23)의 기준광이 함께 입사되는 원리로 활성광학부(20)가 용존산소를 측정하게 된다.
이러한, 상기 활성광학부(20)의 용존 산소 측정원리는 측정수에 용존된 산소가 염료층(25a)의 염료에 발광의 세기 및 지속시간에 영향을 주면 수광소자(24)에서 발광을 감지해 출력 값을 제2발광소자(23)의 기준광인 레퍼런스에 비교하며, 제1발광소자(22)의 자극광원으로 여기 광선을 발생하되 가장 정확하고 정밀한 정보를 얻을 수 있도록 변조 과정을 거친다.
아울러, 상기 제1발광소자(22)의 여기 광이 검출부(25)의 끝까지 이동하여 산소 투과성 염료층(25a)의 염료, 기질이나 박막을 타격하면, 염료층(25a) 분자가 여기 광을 흡수하여 들뜬(여기) 상태에 이르게 된다.
이때, 상기 수광소자(24)로 입사되는 빛은 염료층(25a)의 염료층에 반사되어 수광소자(24)로 돌아오는 제2발광소자(23)의 적색 기준광까지 포함해야 측정 정확도와 안정성을 증진할 수 있는데, 상기 수광소자(24)는 반사광을 측정, 해당 출력 값을 기존의 발광 지속시간 측정값에 대한 레퍼런스로 사용하며, 제1발광소자(22)의 청색 자극광을 조사해 에너지 준위를 높이면 염료층(25a)에서 발광이 일어나고, 수광소자(24)가 발광 지속시간을 제2발광소자(23)의 적색 기준광의 레퍼런스 값에 대비해 용존산소 농도를 안정적으로 산출하는 것이다.
즉, 상기 활성광학부(20)에서는 제1발광소자(22)의 청색 자극광 특정 주파수에서 사인파 변조하며, 동 주파수는 염료층(25a)의 발광 수명 및 분석 대상 최대/최소 수명과 관련이 있다.
이렇게, 상기 수광소자(24)로 입사된 입사광을 측정하는 파라미터는 제1발광소자(22)의 청색 자극광 여기 신호와 제2발광소자(23)의 적색 기준광 사이의 위상 지연(근본적으로는 시차)인데 위상 지연은 염료층(25a)의 부근 용존산소(보통은 분석 대상 물에 들어있는 산소)량과 역관계에 있다. 상기의 위상 변조 기법으로 발광의 산소 의존성 소광 수명을 측정하게 되는 것이다.
이러한, 상기 염료층(25a)의 분자는 빛을 방출함으로써 여기 에너지를 내놓는데, 빛 에너지를 흡수한 다음 방출하기까지의 시간이 발광 지속시간이며 발광 지속시간은 정확하게 아는 양이며 여러 요소에 영향을 받는데, 영향의 정도는 예측이 가능하고, 상기 요소 가운데 하나가 매체 내 산소량이되는 것이다.
이렇게, 상기 수광소자(24)로 입사된 입사광의 전기 신호가 구동부(12)로 들어가면, 구동부(12)에서 방출 광 신호를 처리해 용존산소량에 대응하는 값으로 정확하게 바꿔주고, 신호 처리에는 이전 교정 및 온도센서(40)에 의한 자동 온도보상 정보가 포함되어 산출되어 출력부(11)를 거쳐 센서몸체(10)에 형성되는 케이블(10a)로 연결되는 미터기(200)에서 이수치상으로 mg/L의 단위로 나타내게 되는 것이다.
이러한, 상기 용존산소센서(100A)(100B)는 종래의 용존산소측정센서의 전기화학센서나 폴라로그래픽센서와 비교해보면 다음과 같은 개선된 특징이 있다.
1. 유량의존 : 유량의존이란 센서 출력이 멤브레인 전반의 흐름이나 유속에 의존하는 이 현상을 말하는데, 종래의 전기화학센서는 측정 중에 산소를 소모하기 때문에 샘플운동을 통해 산소를 공급해주지 않으면 출력이 비정상적으로 낮아지는 문제점이 있으나, 본 발명의 용존산소센서(100A)(100B)는 산소 소모 없이 용존산소를 측정하므로 유량의존이 나타나지 않고 교반도 필요치 않는데 특히 측정환경이 낮은 유속이거나 이를테면 현장에서 교반 및 운동이 어려운 조건에서 측정가능한 특징이 있다.
2. 측정을 위한 준비시간 : 종래의 폴라로그래픽센서는 분극에 5~15분 가량을 소요한 뒤 측정을 할 수 있는 문제가 있으나, 본 발명의 용존산소센서(100A)(100B)는 비 전극방식으로 분극에 따르는 준비시간이 없기 때문에 샘플링 용도로 사용 시 매우 적합한 특징이 있으며, 전원만 넣으면 즉각적으로 교정 및 측정가능한 특징이 있다.
3. 교정주기 : 본 발명의 용존산소센서(100A)(100B)는 전기화학센서 대비 교정드리프트가 매우 적은 편이어서 교정주기를 길게 잡을 수 있는 특징이 있다.
4. 측정간섭 : 종래의 전기화학센서는 멤브레인에 황화수소를 위시한 일부 간섭기체가 침투해 전극 및 출력에 영향을 미쳐 측정시 간섭이 나타나는 문제점 있는 반면, 본 발명의 용존산소센서(100A)(100B)는 아무런 영향을 받지 않으므로 폐수, 하저(河底), 습지대 등 황화수소환경에서 사용가능한 특징이 있다.
이때, 상기 간섭 기체는 100% 일산화탄소 1% 미만, 100% 이산화탄소 1% 가량, 100% 수소 1% 미만, 100% 염소 O2반응의 2/3, 100% 헬륨 없음, 100% 아산화질소 O2반응의 1/3, 100% 에틸렌 없음, 100% 일산화질소 O2반응의 1/3 등을 예로 들 수 있다.
5. 유지보수요건 : 종래의 전기화학센서 멤브레인은 사용전 세척준비가 필요하며, 몇 주 단위 수시로 교체해야 하는 번거로운 문제점이 있는 반면, 본 발명의 용존산소센서(100A)(100B)의 활성광학부(20)는 최하 연 1회 교환으로 충분하고, 세척이 요구되지 않으며, 제1,2발광소자(22)(23)나 수광소자(24), 검출부(25)만을 별도로 교체할 수 있어 유지비용이 절감되는 특징이 있다.
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.
10 : 센서몸체 11 : 출력부
12 : 구동부 13 : 단자접점부
14 : 체결단 14a : 제1수나선단
14b : 제1체결홈 14c : 제2수나선단
14d : 제2체결홈 15 : 체결공간
15a : 밀폐링 16,17,18 : 제1~3고정단자홈
19 : 센서단자홈 19a : 제1온도단자
19b : 제2온도단자 20 : 활성광학부
21 : 측정케이스 21a,21b,21c : 제1~3브라켓
21d : 제2암나선단 21e : 제2체결돌기
22 : 제1발광소자 22a : 제1소자단자
23 : 제2발광소자 23a : 제2소자단자
24 : 수광소자 24a : 제3소자단자
25 : 검출부 25a : 염료층
25b : 확산층 25c : 검출캡
26 : 커플러 26a : 제1암나선단
26b : 제1체결돌기 30 : 보호단
40 : 온도센서 41 : 소자몸체
42 : 온도소자 42a : 제1도선
42b : 제2도선 43 : 충진재
100A,100B : 용존산소센서 200 : 미터기

Claims (9)

  1. 용존산소센서에 있어서,
    내부에는 출력부(11)와 구동부(12)가 신호를 전달하도록 연결 설치된 센서몸체(10)를 형성하되, 상기 센서몸체(10)에는 온도센서(40)의 체결과 접점을 위해 두 개의 제1,2온도단자(19a)(19b)가 각각 바닥면과 측면에 형성된 센서단자홈(19)을 형성하고,
    상기 센서몸체(10)의 끝단면 일측으로 체결 대상 기능과 접점 대상 기능을 갖는 단자접점부(13)에 체결/해체되는 측정케이스(21)의 내부에는 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 설치되며, 상기 측정케이스(21)의 측정 끝단에는 용존 산소량에 따라 발광강도가 변화되는 검출부(25)를 형성한 활성광학부(20)를 형성하며,
    상기 센서몸체(10)의 끝단면 타측에는 보호단(30)과 끝단이 노출되거나 돌출되는 분리형 온도센서(40)를 형성하되,
    상기 온도센서(40)는 비철금속 재질의 소자몸체(41)의 내부공간 중앙에 온도소자(42)가 위치되게 충진재(43)를 채워 고정하고, 상기 온도소자(42)의 제1도선(42a)은 제1온도단자(19a)에 접점되게 끝단으로 노출되고, 제2도선(42b)은 제2온도단자(19b)에 접점되게 측면으로 노출되게 형성하여,
    상기 제1발광소자(22)의 자극광을 조사하여 검출부(25)를 여기 상태로 변화시켜 수질에 포함된 산소량에 의해 발광강도 및 시간에 따라 변화되는 검출부(25)의 발광 반사광을 레퍼런스 기능을 하는 제2발광소자(23)의 조사 반사광과 함께 수광소자(24)로 입사되는 입사광량을 측정하여 용존산소량을 산출하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 단자접점부(13)는 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 이루어지는 체결단(14)이 주변으로 형성된 홈 형태의 체결공간(15)을 형성하고,
    상기 체결공간(15)의 바닥면에는 구동부(12)와 연결되는 제1~3고정단자홈(16)(17)(18)이 각각 한 쌍씩 이격시켜 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 활성광학부(20)는 측정케이스(21)의 내부에서 이격되게 설치된 연질재 제1~3브라켓(21a)(21b)(21c)에 각각 고정되는 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)의 각 도선에 연결되는 제1~3소자단자(22a)(23a)(24a)가 각각 한 쌍으로 일 끝단을 통해 노출시켜 형성하며,
    상기 측정케이스(21)의 외측으로 단자접점부(13)와 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 체결되는 커플러(26)를 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 검출부(25)는 측정케이스(21)의 끝단에 제1,2발광소자(22)(23)의 광이 조사되고 산소에 반응하는 염료가 도포된 염료층(25a)을 중앙이 외측으로 융기되도록 설치하며,
    상기 염료층(25a)는 센서몸체(10)의 내부를 향하는 측면으로 금, 은, 백금 중 하나로 귀금속류 코팅층(25a')을 형성하여 외부 광원을 차단해 광 퇴색을 방지하고,
    상기 염료층(25a)이 형성된 측정케이스(21)의 끝단으로 측정수의 용존 산소가 침투 확산되어 염료와 반응하도록 염료층(25a)과 접촉하는 격막 형태의 확산층(25b)을 중앙이 외측으로 융기되게 설치하는 검출캡(25c)을 형성하여,
    상기 측정케이스(21)와 검출캡(25c)는 일체 구조나 체결/분리될 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  5. 삭제
  6. 용존산소센서에 있어서,
    내부에는 출력부(11)에 구동부(12)가 연결되고, 구동부(12)에 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 신호를 전달하도록 연결 설치하여 활성광학부(20)를 외부로 노출 형성하는 센서몸체(10)를 형성하되, 상기 센서몸체(10)에는 온도센서(40)의 체결과 접점을 위해 두 개의 제1,2온도단자(19a)(19b)가 각각 바닥면과 측면에 형성된 센서단자홈(19)을 형성하고,
    상기 센서몸체(10)의 끝단에는 활성광학부(20)를 커버하도록 측정케이스(21)가 체결되며, 상기 측정케이스(21)의 측정 끝단에는 용존 산소량에 따라 발광강도가 변화되는 검출부(25)를 형성하며,
    상기 센서몸체(10)의 끝단면 타측에는 보호단(30)과 노출되거나 돌출되는 분리형 온도센서(40)를 형성하되,
    상기 온도센서(40)는 비철금속 재질의 소자몸체(41)의 내부공간 중앙에 온도소자(42)가 위치되게 충진재(43)으로 고정하고,
    상기 온도소자(42)의 제1도선(42a)은 제1온도단자(19a)에 접점되게 끝단으로 노출되고, 제2도선(42b)은 제2온도단자(19b)에 접점되게 측면으로 노출되게 형성하여,
    상기 제1발광소자(22)의 자극광을 조사하여 검출부(25)를 여기 상태로 변화시켜 수질에 포함된 산소량에 의해 발광강도 및 시간에 따라 변화되는 검출부(25)의 발광 반사광을 레퍼런스 기능을 하는 제2발광소자(23)의 조사 반사광과 함께 수광소자(24)로 입사되는 입사광량을 측정하여 용존산소량을 산출하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 센서몸체(10)에는 측정케이스(21)가 나선체결 방식이나 끼움체결 방식으로 체결/분리되고, 내부 공간에 제1,2발광소자(22)(23) 및 수광소자(24)가 위치되는 체결단(14)을 일체로 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 검출부(25)는 체결단(14)의 개방 끝단에 제1,2발광소자(22)(23)의 광이 조사되고 산소에 반응하는 염료가 도포된 염료층(25a)을 중앙이 외측으로 융기되도록 설치하며,
    상기 염료층(25a)는 센서몸체(10)의 내부를 향하는 측면으로 금, 은, 백금 중 하나의 귀금속류 코팅층(25a')을 형성하여 외부 광원을 차단해 광 퇴색을 방지하고,
    상기 체결단(14)과 체결되는 측정케이스(21)의 끝단에는 측정수의 용존 산소가 침투 확산되어 염료와 반응하도록 염료층(25a)과 접촉하는 격막 형태의 확산층(25b)을 중앙이 외측으로 융기되게 설치 형성하여,
    상기 체결단(14)와 측정케이스(21)는 일체 구조나 체결/분리될 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 광 발광식 용존산소센서.
  9. 삭제
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