KR101590531B1 - pH 측정 장치 - Google Patents

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최연규
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Abstract

본 발명은 용액의 수소이온 농도를 측정하는 장치에 있어서, 전류 및 전압 값을 일정하게 유지하는 기준 센서, 변화된 전류 및 전압 값을 측정하는 검출 센서, 기준 센서와 검출 센서의 기준이 되는 기준전위 전극 및 온도 검출 센서로 이루어진 측정부; 검출 센서에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 ISFET 구동부, 기준 센서에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 REFET 구동부, 측정부의 검출 센서로부터 검출된 전압 값을 증폭하고 디지털 신호로 변환하는 신호 처리부, 상기 양 구동부에는 전기적 신호를 인가하고, 신호 처리부로부터 입력되는 디지털 신호를 연산 및 제어하는 메인 프로세서, 연산된 결과를 외부에 실시간으로 나타내는 디스플레이, 메인 프로세서가 전기적 신호를 인가하고 연산 및 설정, 제어하도록 명령을 입력하는 컨트롤 키패드를 포함하여 이루어지는 신호처리 시스템(200)를 포함하여 이루어진다.
따라서 시료의 이온 변화 및 온도 변화에 정확하게 대응하는 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치를 구현할 수 있다.

Description

pH 측정 장치{pH measuring device}
본 발명은 FET(Field Effect Transistor)형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 용액(시료)의 수소 이온 농도를 측정하는 기술로서, 측정부에 기준 센서(REFET; Reference Field Effect Transistor), 검출 센서(ISFET; Ion Sensitive Field Effect Transistor) 및 이에 기준이 되는 기준전위 전극(Reference Electrode)을 함께 장착하여 정확하고 신뢰도가 높은 pH 농도 측정 장치를 구현하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 감지소자를 이용하여 수소이온의 농도를 측정하는 기술을 바탕으로 하고 있다. 일반적으로 잘 알려진 전계효과트랜지스터(Field Effect Transistor : FET)를 기반으로 하는 화학센서인 이온선택성 전계효과트랜지스터(Ion Selective Field Effect Transistor; ISFET)형 감지소자와 기준 전계효과트랜지스터(Reference Field Effect Transistor; REFET)형 감지소자를 바탕으로 pH 센서가 만들어지므로 FET의 특징인 높은 입력 임피던스를 가지고 있으며 반도체 제조 기술의 발달로 소형 경량화가 가능하고, 자동화 기계와 품질검사 장비의 등장으로 대량 생산 및 상황과 조건에 따른 정밀한 규격의 적용이 가능하고 높은 신뢰성을 확보할 수 있는 감지센서를 만들 수 있다.
ISFET 센서는 시료와 환경에 맞춘 정밀하면서 정교한 감지센서의 제작이 가능하면서, 시료 측정면적이 극히 작아서 측정하고자 하는 부위에 직접 삽입 가능하며, 동시에 다종측정이나 많은 수량의 시료의 측정이 가능하고 제작의 방법에 따라서 높은 감도와 빠른 반응을 기대할 수 있고, 모든 전기화학적 센서들의 정확한 측정을 방해하는 기억효과가 작아, 좀 더 빠르고 정교한 센서의 구현이 가능하다.
ISFET 센서는 여러 가지 시료를 동시에 측정을 필요로 하는 곳이나, 식, 음료 제조시설과 같이 센서의 측정을 방해하는 물질이 많이 함유된 시료를 처리하는 곳이나, 고온, 고압으로 운영되는 장치들이 즐비한 발전소나, 기타 화학 플랜트 등에 대부분 적용되고 있다. 하지만 국내에서 연구소 수준의 개발과 보고서는 일부 있으나 실제 현장에 적용될 만큼의 성능과 품질을 가지고 있는 제품은 전무한 실정이며, 기술의 발달과 사용자들의 요구사항이 다양해지고 세밀해 지면서 생산관리, 사후품질관리 필요성의 증대로 인한 제품의 적용은 빠르게 확대되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0014531호(2003.02.19.) 대한민국 등록특허공보 제10-2009-0075005호(2009.11.24.)
본 발명은 기준 센서(REFET), 검출 센서(ISFET) 및 온도검출 센서와 기준 전위 전극(Reference Electrode)의 위치가 근접 배치됨으로서 시료의 농도 변화 및 온도 변화에 대응하는 속도가 빠르고 농도 측정이 정확한 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 하나의 기준 전위 전극이 기준 센서와 검출 센서를 동시에 제어함으로서, 센서마다 기준 전위 전극이 각각 형성되는 일반적인 방식과 비교하여 데이터의 신뢰도가 높은 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 기준 전위 전극이 불순물과 빈번한 접촉으로 인해 측정 성능이 저하되는 문제점과 이온 활동을 저해하는 오염물질로부터 완벽하게 보호되어 측정 장치의 수명을 연장하는 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치는, 용액에 직접 접촉하는 측정부; 상기 측정부와 연결되며, 측정부로부터 인가되는 신호를 연산하고, 설정 제어하며, 송신하는 신호처리 시스템;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 다른 특징은, 측정부의 기준 센서는, 센서부분에 절연막이 형성되어 있어, 절연막 외부의 시료에 영향을 받지 않으며 인가되는 전류 및 전압 값이 일정하게 유지한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 검출 센서는, 시료에 직접 접촉하여 수소이온 농도에 따라 변화된 전류 및 전압 값을 측정한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 기준전위 전극은, 시료의 다양한 이온 구성에 대해 기준을 설정한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 온도 검출 센서는, 실시간 시료의 온도를 검출하여 기준 센서 및 검출 센서에 온도 값을 보정한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부는, 원주형의 검출봉으로 이루어진다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 검출봉의 윗부분은, 작업자가 파지하여 측정을 할 수 있도록 손잡이부를 형성하고, 아래 부분은 원 둘레를 단차지게 형성하여 시료에 직접 접촉되는 시료 접촉부와, 상기 시료 접촉부의 아래 부분에 다시 원 둘레를 단차지게 형성된 센서 장착부가 있다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 검출봉은, 기준 센서(REFET)와 검출 센서(ISFET)를 함께 장착하는 모델은 상기 센서 장착부에 기준 센서 및 검출 센서를 서로 배향하여 장착한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 기준 전위 전극 및 온도 검출 센서는, 검출봉의 최 하단 면에 표면보다 내측으로 홈부를 형성하여 장착한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 기준 전위 전극 및 온도 검출 센서는, 이물질의 접촉을 막고, 충격으로부터 보호하기 위해 다공성 막이 씌워진다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 검출봉은, 내산성, 내부식성이 강한 플라스틱 수지나 스테인레스와 같은 재질로 형성된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 측정부의 검출봉의 다공성 막은, PVC나 실리콘 등과 같이 성형이 자유롭고 내구성을 지니면서 이온 교환이 자유로운 재질의 수지로 형성된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템은, 측정부와 연결되며, 측정부로부터 인가된 신호를 연산하고, 설정 제어, 송신한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템은, ISFET 구동부, REFET 구동부, 신호 처리부, 메인 프로세서, 디스플레이 및 컨트롤 키패드를 포함한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 ISFET 구동부는, 측정부의 검출 센서에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기 및 정전공급기로 구성된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 REFET 구동부는, 측정부의 기준 센서에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기 및 정전공급기로 구성된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 신호 처리부는, 측정부의 검출 센서로부터 검출된 전류 및 전압 값에서, 측정에 필요한 전압 값을 증폭하는 증폭기(Amplifier)와 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter)로 구성된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 메인 프로세서는, ISFET 구동부, REFET 구동부 및 신호 처리부와 직접 연결되고, 상기 양 구동부에 전기적 신호를 인가하며, 신호 처리부로부터 입력되는 디지털 신호를 연산 및 제어한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 디스플레이는, 메인 프로세서에 연결되어 연산된 결과를 외부에 실시간으로 나타낸다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 컨트롤 키패드는, 메인 프로세서와 연결되며, 메인 프로세서가 전기적 신호를 인가하고 연산 및 설정, 제어하도록 명령을 입력한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템은, 아날로그 신호 및 디지털 신호를 외부로 출력하는 데이터통신부와, 메인 프로세서에 전원을 공급하는 전원공급부(Power Supply)를 포함하고, 상기 메인 프로세서와 각각 연결되는 데이터 통신부, 전원 공급부, 상기 양 구동부, 신호 처리부 사이에는 절연장치(Isolator)가 설치된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 데이터통신부는, 4 ~ 20 mA의 아날로그 신호를 출력하는 아날로그 신호 출력 단자 및 디지털 신호를 외부로 출력하는 디지털 신호 통신 단자가 설치된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 전원공급부(Power Supply)는, 전원공급단자로 인입되는 AC 110V ~ 220V의 전원이 정전압변환장치를 통해 메인 프로세서에 인가된다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템의 절연장치(Isolator)는, 외부와 전기적으로 연결된 위험한 전압이나 별도의 왜곡된 신호의 유입 가능성이 있는 신호 처리부의 아날로그 디지털 변환기와 메인 프로세서를 직접적인 연결형태가 아닌 분리된 라인 연결 형태로 제공하여 측정부를 신호처리 시스템으로부터 분리시킨다. 이는 측정부와 신호처리 시스템이 접지 루프로 형성되는 것을 방지하여 측정부의 모든 노이즈를 제거하여 측정 장치의 오동작이나 측정오류의 발생 등을 차단하는 역할을 한다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 신호처리 시스템은, 상기 측정부의 검출 센서에서 검출된 전류 및 전압 값과, 기준 센서의 기준 전압 값을 상기 신호 처리부에 전달하기 전에 필요한 전압 값을 1차적으로 증폭하는 신호 전 처리부를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 또 다른 특징은, 필요에 따라서 본 발명의 신호처리 시스템의 메인 프로세서로부터 REFET 구동부에 인가하는 전기적 신호를 멈추게 하도록 설계되어진다.
이상에서와 같은 본 발명의 측정부의 검출봉은, 검출 센서만 적용함으로 온도의 영향을 절대적으로 받게 되는 것이 일반적인 기술이므로, 출력 신호가 실제 이온에 의한 신호가 아니고 온도 값에 따라 출력 신호가 변화할 수 있다.
이를 극복하기 위한 본 발명은, 검출센서(ISFET)와 동일한 규격의 소자이나 센서 부분에 이온과 전혀 반응하지 않는 절연 막을 입힌 소자를 제작하고 이를 기준 센서(REFET)이라고 한다. 상기 양 센서를 측정하고자 하는 용액에 동시에 담구어 ISFET에서 나온 출력 값에서 REFET에서 나온 출력 값을 빼면 실제 이온의 농도에 따른 출력 값에 가까운 측정치를 얻을 수 있도록 구성된다. 따라서 측정치에 온도 값을 보정하여 농도를 측정하는 일반적인 기술에 비해 온도에 의한 왜곡된 신호의 변화를 정확하게 걸러낼 수 있어 측정의 정확도를 향상 시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 측정부의 검출봉의 하단에 센서 장착부가 설치되고, 센서 장착부의 전면과 배면에 각각 기준 센서와 검출 센서가 장착되고, 검출봉의 최 하단 면에 표면보다 내측으로 홈부가 형성되어 기준 전위 전극 및 온도검출센서가 장착된다. 따라서 상기 각 센서 및 전극의 위치가 근접 배치됨으로서 시료의 이온 변화 및 온도 변화에 대응하는 속도가 빨라짐으로서 농도 측정의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은, 측정부의 검출봉의 최 하단 면에는 표면보다 내측으로 홈부를 형성하여 기준 전위 전극을 하나만 설치한다. 따라서 하나의 기준 전위 전극이 기준 센서와 검출 센서를 동시에 제어함으로서, 센서마다 기준 전위 전극이 각각 형성되는 일반적인 방식과 비교하여 데이터의 신뢰도를 현저하게 높일 수 있다.
본 발명은, 기준 전위 전극을 보호하기 위하여 PVC나 실리콘 등과 같이 성형이 자유롭고 내구성을 지니면서 이온교환이 자유로운 재질의 다공성 막을 씌운다. 따라서 불순물과 빈번한 접촉으로 인해 성능이 저하되는 문제점과 이온 활동을 저해하는 오염물질로부터 완벽하게 보호함으로서 수명을 연장할 수 있으며, 또한 봉의 최하 단에 위치하여 외부의 충격에 취약한 점을 보완함으로서 측정의 안정성과 신뢰도를 획기적으로 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부에 검출 센서(ISFET)만 단독으로 장착된 일반적인 모델의 측면도 및 정면도이다.
도 3은 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부에 기준 센서(REFET)와 검출 센서(ISFET)를 함께 장착한 모델의 측면도 및 정면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정 계통도이다.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 검출 센서(ISFET)만 단독으로 장착된 일반적인 모델의 측면도 및 정면도이며, 도 3은 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부에 기준 센서(REFET; Reference Field Effect Transistor)와 검출 센서(ISFET; Ion Selective Field Effect Transistor)를 함께 장착한 모델의 측면도 및 정면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정 계통도이다.
도 1에서 보는 바와 같이 이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치는, 측정부(100)와 신호처리 시스템(200)으로 이루어진다.
본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)는, 용액 즉 시료(101)에 직접 접촉한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 기준 센서(110)는, 센서부분에 절연막이 형성되어 있어 인가된 전류 및 전압 값이 절연막 외부의 시료에 의해 영향을 받지 않으며 일정하게 유지한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 검출 센서(120)는, 시료(101)에 직접 접촉하여 pH 농도에 따라 변화된 전류 및 전압 값을 측정한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 기준전위 전극(130)은, 시료의 다양한 이온 구성에 대해 기준을 설정한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 온도 검출 센서(102)는, 실시간 시료의 온도를 검출하여 기준 센서(110)와 검출 센서(120)에 온도 값을 보정한다.
도 2 및 도 3으로부터 알 수 있듯이, 이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)는, 원주형의 검출봉(104)으로 이루어진다.
이러한 본 발명의 검출봉(104)의 윗부분은 손잡이부(104a)로서, 작업자가 파지하여 측정을 할 수 있으며, 손잡이부(104a)의 아래 부분은 원 둘레를 단차지게 형성하여 시료에 직접 접촉되는 시료 접촉부(104b)와, 상기 시료 접촉부(104b)의 아래 부분에 다시 원 둘레를 단차지게 형성된 센서 장착부(104c)가 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 일반적으로 반도체 소자를 포함한 전기화학적 센서를 이용하는 측정 장치는 검출 센서(ISFET)만 단독으로 장착하여 이루어지지만, 본 발명의 검출봉(104)은, 기준 센서(REFET; 110)와 검출 센서(ISFET; 120)가 함께 장착되는 모델은, 상기 센서 장착부(104c)에 기준 센서(110) 및 검출 센서(120)를 서로 배향되게 장착한다(도 3 참조).
이러한 본 발명의 검출봉(104)은, 기준 센서(REFET; 110)와 검출 센서(ISFET; 120)가 함께 장착되어 있지만, 필요에 따라 검출 센서(120)만 단독으로 동작할 수 있도록 선택할 수 있다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 기준 전위 전극(130) 및 온도 검출 센서(102)는, 검출봉(104)의 최 하단 면에 표면보다 내측에 홈부를 형성하여 장착된다.
또한, 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 측정부(100)의 기준 전위 전극(130) 및 온도 검출 센서(102)는, 이물질의 접촉을 막고, 충격으로부터 보호하기 위해 다공성 막(103)이 씌워진다.
또한 이러한 측정부(100)의 검출봉(104)은, 내산성, 내부식성이 강한 플라스틱 수지나 스테인레스와 같은 재질로 형성된다.
또한 이러한 측정부(100)의 검출봉(104)의 다공성 막(103)은, PVC나 실리콘 등과 같이 성형이 자유롭고 내구성을 지니면서 이온교환이 자유로운 재질의 수지로 형성된다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)은, 측정부(100)와 연결되며, 측정부(100)로부터 인가된 신호를 연산하고 설정 제어하며 송신한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)은, ISFET 구동부(220), REFET 구동부(220'), 신호 처리부(230), 메인 프로세서(210), 디스플레이(240) 및 컨트롤 키패드(250)를 포함한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 ISFET 구동부(220)는, 측정부(100)의 검출 센서(120)에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기(221) 및 정전공급기(222)로 구성된다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 REFET 구동부(220')는, 측정부(100)의 기준 센서(110)에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기(221') 및 정전공급기(222')로 구성된다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 신호 처리부(230)는, 측정부(100)의 검출 센서(120)로부터 검출된 전류 및 전압 값에서 측정에 필요한 전압 값을 증폭하는 증폭기(Amplifier; 231)와 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter; 232)로 구성된다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 메인 프로세서(210)는, ISFET 구동부(220), REFET 구동부(220') 및 신호 처리부(230)와 직접 연결되고, 상기 양 구동부(220, 220')에 전기적 신호를 인가하며, 신호 처리부(230)로부터 입력되는 디지털 신호를 연산 및 제어한다.
또한, 이러한 본 발명의 신호처리 시스템(200)은, 필요에 따라 검출 센서(120)만으로 측정할 경우, 메인 프로세서(210)로부터 REFET 구동부(220')에 인가하는 전기적 신호를 멈추도록 설계되어진다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 디스플레이(240)는, 메인 프로세서(210)에 연결되어 연산된 결과를 외부에 실시간으로 나타낸다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)의 컨트롤 키패드(250)는, 메인 프로세서(210)와 연결되며, 메인 프로세서가 전기적 신호를 인가하고 연산 및 설정, 제어하도록 명령을 입력한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)은, 아날로그 신호 및 디지털 신호를 외부로 출력하는 데이터통신부(260)와, 메인 프로세서(210)에 전원을 공급하는 전원공급부(Power Supply; 280)를 포함하고, 상기 메인 프로세서(210)와 각각 연결되는 데이터 통신부(260), 전원 공급부(280), 상기 양 구동부(220, 220'), 신호 처리부(230) 사이에는 절연장치(Isolator; 270)가 설치된다.
또한 이러한 본 발명의 신호처리 시스템(200)의 데이터통신부(260)는, 4 ~ 20mA의 아날로그 신호를 출력하는 아날로그 신호 출력 단자(261, 262) 및 디지털 신호(RS-232C, RS-485)를 외부로 출력하는 디지털 신호 통신 단자(263, 264)가 설치된다.
또한 이러한 본 발명의 신호처리 시스템(200)의 전원공급부(Power Supply; 280)는, 전원공급단자(281, 282)로 인입되는 AC 110V ~ 220V의 전원이 정전압변환장치(미도시)를 통해 메인 프로세서(210)에 인가된다.
이러한 본 발명의 절연장치(Isolator; 270)는, 외부와 전기적으로 연결된 위험한 전압이나 별도의 왜곡된 신호의 유입 가능성이 있는 검출 신호를 신호 처리부(230)의 아날로그 디지털 변환기(232)와 메인 프로세서(210)를 직접적인 연결형태가 아닌 분리된 라인 연결형태로 제공하여 측정부(100)를 신호처리 시스템(200)으로부터 분리시킨다. 이는 측정부(100)와 신호처리 시스템(200)이 접지 루프로 형성되는 것을 방지하여 측정부(100)의 모든 노이즈를 제거하여 장치의 오동작이나 측정오류의 발생 등을 차단하는 역할을 한다.
이러한 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치의 신호처리 시스템(200)은, 상기 측정부(100)의 검출 센서(120)에서 검출된 전압 값과, 기준 센서(110)의 기준 전압 값을 상기 신호 처리부(230)에 전달하기 전에 1차적으로 증폭하는 신호 전 처리부(230', 230")를 더 포함하여 이루어진다.
이와 같은 본 발명의 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치는 다음과 같은 장점이 있다.
먼저, 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 측정부(100)의 검출봉(104)은 기준 센서(110)와 검출 센서(120)가 모두 장착되는 시스템을 가지고 있다.
따라서 검출센서(120) 만을 적용하는 일반적인 구조에 비해 농도 측정의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다.
즉, 일반적으로 반도체 소자를 포함한 전기화학적 센서는 온도에 영향을 받는다. 따라서 출력 신호가 실제 이온에 의한 신호가 아니고 온도에 따라 출력 신호가 변화할 수 있다. 이를 극복하기 위해서 검출센서(ISFET; 120)와 동일한 규격의 소자이나 센서 부분에 이온과 전혀 반응하지 않는 절연 막을 입힌 소자를 제작하고 이를 기준 센서(REFET; 110)라고 한다. 상기 양 센서를 측정하고자 하는 용액에 동시에 담구어 ISFET에서 나온 출력 값에서 REFET에서 나온 출력 값을 빼면 실제 이온의 농도에 따른 출력 값에 가까운 측정치를 얻을 수 있다.
이때 측정되는 외부 온도 값은 온도에 의해 변화되는 시료의 특성과 같은 것들만 고려하여 적용하면 된다. 이렇게 되면 온도에 의한 왜곡된 신호의 변화를 정확하게 걸러낼 수 있다.
또한, 본 발명은, 측정부(100)의 검출봉(104)의 하단에 센서 장착부(104c)가 설치되고, 상기 센서 장착부(104c)의 전면과 배면에 각각 기준 센서(110)와 검출 센서(120)가 장착되고, 검출봉(104)의 최 하단 면에 표면보다 내측으로 홈부를 형성하여 기준 전위 전극(130) 및 온도검출센서(102)가 장착된다.
따라서 상기 각 센서(110, 120, 102) 및 전극(130)의 위치가 근접 배치됨으로서 시료의 이온 변화 및 온도 변화에 대응하는 속도가 빨라짐으로서 농도 측정의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다.
그리고 본 발명의 측정부(100)의 검출봉(104)은, 최 하단 면에 표면보다 내측으로 홈부를 형성하고, 기준 전위 전극(130)을 하나만 설치한다.
따라서 본 발명의 하나의 기준 전위 전극(130)은, 기준 센서(110)와 검출 센서(120)를 동시에 제어함으로서, 센서마다 기준 전위 전극을 각각 형성하는 일반적인 측정 장치와 비교하여 데이터의 신뢰도를 현저하게 높일 수 있다.
그리고 본 발명은 기준 전위 전극(130)의 외부 면에 PVC나 실리콘 등과 같이 성형이 자유롭고 내구성을 지니면서 이온교환이 자유로운 재질의 수지로 된 다공성 막(103)을 씌운다.
따라서 기준 전위 전극(130)이 불순물과 빈번한 접촉하여 성능이 저하되는 문제점과 이온 활동을 저해하는 오염물질로부터 완벽하게 보호함으로서, 상기 전극의 수명을 연장할 수 있으며, 또한 봉의 최하 단에 위치함으로서 외부의 충격에 취약한 점을 보완함으로서 측정의 안정성과 신뢰도를 획기적으로 향상 시킬 수 있다.
100 : 측정부
101 : 용액(시료)
102 : 온도 검출 센서
103 : 다공성 막
104 : 검출봉
104a : 손잡이부
104b : 시료 접촉부
104c : 센서 장착부
110 : 기준 센서(REFET; Reference Field Effect Transistor)
120 : 검출 센서(ISFET; Ion Sensitive Field Effect Transistor)
130 : 기준전위 전극(Reference Electrode)
200 : 신호처리 시스템
210 : 메인 프로세서(Main Processor)
220 : ISFET 구동부
220' : REFET 구동부
221, 221' : 피드백 제어기(Feedback Control)
222, 222' : 정전공급기(Constant Voltage & Current Supply)
230 : 신호 처리부
230', 230" : 신호 전 처리부
231 : 증폭기(Amplifier)
232 : 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter)
240 : 디스플레이
250 : 컨트롤 키패드
260 : 테이터 송신부
261, 262 : 아날로그 출력단자
263, 264 : 디지털 출력단자
270 : 절연장치(Isolator)
280 : 전원공급부(Power Supply)
281, 282 : 전원공급단자

Claims (6)

  1. 용액의 수소이온농도(pH)를 측정하는 장치에 있어서, 상기 용액에 직접 접촉하는 측정부(100);
    상기 측정부(100)와 연결되며, 측정부(100)로부터 인가되는 신호를 연산하고, 설정 제어하며, 송신하는 신호처리 시스템(200);를 포함하여 이루어지며,
    상기 측정부(100)는, 인가되는 전류 및 전압 값을 일정하게 유지하도록 센서부분에 절연막이 형성되는 기준 센서(110)와, 용액에 직접 접촉하여 pH 농도에 따라 변화된 전류 및 전압 값을 측정하는 검출 센서(120)와, 상기 기준 센서(110) 및 검출 센서(120)의 기준이 되는 하나의 기준전위 전극(130)과 온도 검출 센서(102)를 포함하여 이루어지며,
    상기 신호처리 시스템(200)은, 상기 측정부(100)의 검출 센서(120)에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기(221) 및 정전공급기(222)로 구성되는 ISFET 구동부(220)와, 상기 측정부(100)의 기준 센서(110)에 일정한 전류 및 전압을 인가하는 피드백제어기(221') 및 정전공급기(222')로 구성되는 REFET 구동부(220')와, 상기 측정부(100)의 검출 센서(120)로부터 검출된 전압 값을 증폭하는 증폭기(231)와 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기(232)로 구성되는 신호 처리부(230)와, 상기 양 구동부(220, 220') 및 신호 처리부(230)와 직접 연결되고, 양 구동부(220, 220')에는 전기적 신호를 인가하고, 신호 처리부(230)로부터 입력되는 디지털 신호를 연산 및 제어하는 메인 프로세서(210)와, 상기 메인 프로세서(210)에 연결되어 연산된 결과를 외부에 실시간으로 나타내는 디스플레이(240) 및 상기 메인 프로세서(210)와 연결되며, 메인 프로세서가 전기적 신호를 인가하고 연산 및 설정, 제어하도록 명령을 입력하는 컨트롤 키패드(250)와, 아날로그 신호 및 디지털 신호를 외부로 출력하는 데이터통신부(260)와, 메인 프로세서(210)에 전원을 공급하는 전원공급부(280)를 포함하여 이루어지고,
    상기 메인 프로세서(210)와 각각 연결되는 데이터 통신부(260)와, 전원 공급부(280)와, 상기 양 구동부(220, 220') 및 신호 처리부(230) 사이에는 절연장치(270)가 설치되는 것을 특징으로 하는 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 측정부(100)는, 윗부분은 작업자가 파지하여 측정을 할 수 있도록 형성한 손잡이부(104a)와, 상기 손잡이부(104a)의 하단은 원 둘레를 단차지게 형성하여 시료에 직접 접촉되는 시료 접촉부(104b)와, 상기 시료 접촉부(104b)의 아래 부분에 다시 원 둘레를 단차지게 형성하여 기준 센서(110) 및 검출 센서(120)를 서로 배향하여 장착하는 센서 장착부(104c)로 이루어진 원주형의 검출봉(104)으로서,
    상기 검출봉(104)의 최 하단 면에는 표면보다 내측으로 홈부를 형성하고, 기준 전위 전극(130) 및 온도 검출 센서(102)를 장착하고, 상기 기준 전위 전극(130) 및 온도 검출 센서(102)의 외부 면에 다공성 막(103)을 씌우는 것을 특징으로 하는 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 신호처리 시스템(200)은, 상기 측정부(100)의 검출 센서(120)에서 검출된 전압 값과, 기준 센서(110)의 기준 전압 값을 상기 신호 처리부(230)에 전달하기 전에 1차적으로 증폭하는 신호 전 처리부(230', 230")를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 FET형 pH 센서를 이용한 pH 측정 장치.












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