KR101754651B1 - 수질측정용센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리격막방식의 센서와 ISFET방식의 센서를 동시에 구비하여 측정 대상용액에 따라 선택적 측정 및 동시 측정이 가능하며 센서를 교체할 수 있는 수질측정용센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서몸체의 하부로 유리격막 방식으로 측정하는 제1센서부, 반도체 소자를 이용한 방식으로 측정하는 제2센서부, 측정값의 기준을 나타내는 기준전극로 구성하여; 유리격막식이나 ISFET 방식에 따른 센서의 장단점을 상호 보완하여 측정용액에 따라 센서를 교체하지 않고 측정값을 보상하여 정확한 측정값을 산출할 수 있으며 유지 관리비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

수질측정용센서{Water quality measurement sensor}
본 발명은 수질측정용센서에 관한 것으로, 특히 유리격막방식의 센서와 ISFET방식의 센서를 동시에 구비하여 측정 대상용액에 따라 선택적 측정 및 동시 측정이 가능하며 각 센서를 교체할 수 있는 수질측정용센서에 관한 것이다.
일반적으로, 국가 산업기술의 발달로 환경 및 청정 산업에 대한 관심이 증대되고 있으며 수요는 폭발적으로 증가하고 있다. 제조 산업의 경우 각종 세정 용액 및 공업 용수에 존재하는 수소이온농도를 지속적으로 관찰하여 제품의 품질 및 환경 오염물질의 배출 정도를 관리하고 있어 관련분야에 대한 사용 용도는 더욱 넓어지고 있다.
이러한, 수소이온농도 측정은 전기화학식 측정이 보편적인데, 수소이온농도를 측정하고자 하는 대상용액에 센서를 침적시켜 대상용액 내의 수소이온(H+)의 활동도에 따른 기준전극과 측정전극 간의 전위차를 이용하는 방식의 유리격막센서를 보편적으로 이용한다.
그러나, 이러한 센서는 불산(HF)에 매우 민감하고 보관이 까다로우며 비교적 고가에 판매되고 있다. 또한 센서는 측정시 주기적으로 표준용액을 이용하여 교정해야 하는 단점을 있다. 또한 끓는 물과 같은 전기 전도도가 낮은 매질에서 측정하거나 부유물이 많아 센서의 손상이 우려되는 경우에는 측정이 불가능한 문제점이 있다.
특히, 바이오 산업에서는 다양한 화학 물질을 다루는데 그 양이 매우 적고 고가이므로 수소이온농도를 측정함에 있어 손실이 매우 크다. 현재 개발되어 있는 수소이온농도 관리 시스템은 측정에 이용되는 시료의 양이 10mL 이상으로 매우 많으며 측정된 시료는 다시 회수가 불가능하여 환경오염 물질의 배출이 우려되는 문제점이 있다.
상기와 같은, 문제점을 해결하기 위하여 전극을 소형화한 제품도 있으나 안정성이 떨어지는 편이고 깨질 우려가 있어 식품산업이나 제약공정 등 일부 특수한 현장에서 측정용으로 쓸 수 없어 새로운 접근이 필요했는데 그것이 바로 ISFET형 수소이온농도센서인 것이다.
그러나, 상기 ISFET형 수소이온농도센서는 측정용액에 접촉하는 센서몸체가 대부분 합성수지재로 제작되어 내화학성이 저하되며, 고가의 가격으로 인하여 현장에서 사용하기가 어려운 문제점이 있었다.
이로 인하여, 전기화학식 유리격막을 이용하는 수소이온농도센서와 ISFET 수소이온농도센서를 동시에 구비하여 측정 대상용액에 따라 선택적으로 측정을 시행하거나 적합한 조건에서는 동시에 측정하여 측정값을 비교연산하여 확인할 수 있도록 하는 개선된 수질측정용센서가 절실히 요구되는 실정이다.
1. 등록번호20-0367729(마이크로 칩을 이용한 수소이온농도 센서) 2. 특1988-0000787호 (이온 선택성 FET 센서) 3. 일본 특개2014-16231호 (PH계) 4. 미국 등록번호 제4,505,799호(ISFET SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURE)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 유리격막식이나 ISFET 방식을 적용하여 다양한 측정용액의 특성에 따라 선택적 또는 겸용방식으로 측정할 수 있는 수질측정용센서를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 측정용액의 특성에 영향을 받지 않는 유리격막식이나 ISFET 방식의 센서를 중 최적의 센서를 이용하여 측정을 선택적으로 시행할 수 있도록 하는 데 있다.
더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 서로 다른 측정방식에 따른 측정값을 각각 출력하거나, 비교 연산하여 보상된 측정값으로 출력하도록 하는 데 있다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 측정에 이용할 센서부만을 개방시켜 측정에 이용하고 비 측정용 센서부는 커버를 이용하여 폐쇄할 수 있도록 하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 측정에 관여하는 센서부의 작동상태를 램프를 통해 쉽게 파악할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 각종 물이나 용액 같은 측정용액의 특성을 측정하는 수질측정센서에 있어서, 각종 물이나 용액 같은 측정용액의 특성을 측정하는 수질측정센서에 있어서, 측정용액에 접촉하는 센서몸체는 하부 끝단에 제1,2센서부가 체결되는 제1,2설치부를 형성하되, 상기 제1설치부의 내면에는 제1센서부가 접점되는 제1접점단자부를 형성하고, 천장 부분에는 암나선을 일부분 형성하고 제1천장면 중앙에는 제1접점단자를 형성하며, 상기 제2설치부는 제2센서부가 접점되는 제2접점단자부를 형성하며, 천장 부분에는 암나선을 일부분 형성하고 제2천장면의 중앙에는 제2접점단자를 형성하고, 상기 제2천장면과 단턱진 하부면에는 제3접점단자를 형성하고, 상기 센서몸체의 하단으로 유리격막 방식으로 측정용액의 수소이온농도를 측정하는 제1센서부를 형성하고, 상기 센서몸체의 하단 일 측에는 반도체 소자를 이용한 방식으로 측정용액의 수소이온농도 및 다양한 선택성이온을 측정하는 제2센서부를 형성하며, 상기 센서몸체의 하단 일 측에는 제1,2센서부의 측정시 측정값의 기준을 나타내는 기준전극부를 형성하고, 상기 센서몸체의 하단 일 측에는 측정용액의 온도를 측정하는 온도센서를 형성하여; 측정용액의 측정시 제1센서부와 제2센서부를 통한 두 가지 측정값으로 각각 출력하거나 두 가지 측정값을 비교연산하여 하나의 측정값으로 보상 출력하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.를 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명은 것으로 유리격막식이나 ISFET 방식을 적용하여 다양한 측정용액의 특성에 따라 선택적 또는 겸용방식으로 측정에 이용할 수 있어 센서의 수명 및 측정 정밀도를 향상시키며 유지관리비용이 절감되는 효과가 있다.
그리고, 측정용액의 특성에 영향을 받지 않는 유리격막식이나 ISFET 방식의 센서를 중 최적의 센서를 이용하여 별도의 교체 없이 측정을 선택적으로 시행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
더불어, 서로 다른 측정방식에 따른 측정값을 각각 출력하거나, 비교 연산하여 보상된 측정값으로 출력하도록 하는 효과가 있다.
아울러, 측정에 이용할 센서부만을 개방시켜 측정에 이용하고 비 측정용 센서부는 커버를 이용하여 폐쇄할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 측정에 관여하는 센서부의 작동상태를 램프를 통해 쉽게 파악할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수질측정용센서를 나타낸 저면 투영 분해사시도,
도 2는 본 발명에 따른 수질측정용센서를 나타낸 저면 투영 결합사시도,
도 3은 본 발명에 따른 수질측정용센서의 제1센서부와 기준전극부를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 수질측정용센서의 제2센서부와 기준전극부를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 수질측정용센서의 제1센서부와 제2측정전극, 기준전극부, 제2기준정션을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 제1,2측정부를 접점방식으로 결합한 수질측정용센서를 나타낸 저면 투영 분해사시도,
도 7은 접점방식으로 센서몸체에 결합되는 제1,2측정부의 사시도,
도 8은 제2센서부의 ISFET의 개념 단면도,
도 9는 접점방식으로 센서몸체에 결합되는 수질측정용센서의 제1센서부와 기준전극부를 나타낸 단면도,
도 10은 접점방식으로 센서몸체에 결합되는 수질측정용센서의 제2센서부와 기준전극부를 나타낸 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 수질측정용센서에 연결되는 다양한 신호선을 나사낸 예시도,
도 12는 고체형 내부액을 제조하는 과정도,
도 13은 본 발명에 따른 수질측정용센서에 작동스위치 및 램프가 설치된 일 예 사시도,
도 14는 본 발명에 따른 수질측정용센서에 연산제어부 및 작동감지회로가 설치된 일 예 단면도,
도 15는 본 발명에 따른 수질측정용센서를 미터기와 연결하여 측정하는 예시도이다.
이에 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명의 수질측정용센서는 각종 물이나 용액 같은 측정용액의 특성을 측정하는 수질측정센서에 관한 것으로, 센서몸체(10)의 하부로 유리격막 방식으로 측정하는 제1센서부(20), 반도체 소자를 이용한 방식으로 측정하는 제2센서부(30), 측정용액의 온도를 체크하는 온도센서(50)으로 수질측정용센서(100)를 구성한다.
이러한, 상기 수질측정용센서(100)의 센서몸체(10)는 하부 끝단에 제1,2센서부(20)(30)가 관통 체결되는 제1,2설치부(11)(12)를 형성하거나, 상기 센서몸체(10)는 하부 끝단에 제1,2센서부(20)(30)가 체결되는 제1,2설치부(11)(12)를 형성하며, 상기 제1설치부(11)의 내면에는 제1센서부(20)가 접점되는 제1접점단자부(13)를 형성하며, 상기 제2설치부(12)에는 제2센서부(30)가 접점되는 제2접점단자부(14)를 구성한다.
즉, 상기 센서몸체(10)는 제1,2센서부(20)(30)의 설치 방식에 따라 관통 결합하여 신호선(19)과 연결하는 방식이나 단자접점 방식으로 구분할 수 있는데, 상기 센서몸체(10)의 전방으로 나선체결되는 몸체홀더(10b)를 포함하여 형성하며, 상기 몸체홀더(10b)에는 관통되거나 홈 형태의 제1,2설치부(11)(12)의 형성 및 보호단(17), 온도센서(50)이 결합되기 위한 나선홈을 각각 형성한다.
상기 제1설치부(11)는 천장 부분에 암나선을 일부분 형성하고 제1천장면(11a) 중앙에는 제1접점단자(11b)를 형성하며, 상기 제2설치부(12)는 천장 부분에 암나선을 일부분 형성하고 제2천장면(12a)의 중앙에는 제2접점단자(15)를 형성하며, 상기 제2천장면(12a)과 단턱진 하부면에는 제3접점단자(16)를 구성한다.
아울러, 상기 수질측정용센서(100)는 측정용액에 접촉하는 센서몸체(10)의 하단으로 유리격막 방식으로 측정용액의 수소이온농도를 측정하는 제1센서부(20)를 형성한다.
상기 제1센서부(20)는 제1유리몸체(21a)의 내부에 제1 Ag/AgCl와이어(21b) 및 내부전해액(HCl:A)이 각각 삽입 및 충진되며 하부에 제1유리전극(21c)을 형성하여 제1측정전극(21)을 형성하며, 상기 제1 Ag/AgCl와이어(21b)에 연결되는 제1센서단자(21d)를 구성한다.
자세하게는, 상기 제1유리몸체(21a)의 상부에 결합되는 센서캡(21e)의 상부면인 제1단(21f)의 외면에는 센서몸체(10)의 제1설치부(11)와 나선 체결을 위한 수나선을 형성하는데, 상기 제1단(21f)의 상부면에는 제1접점단자부(13)의 제1접점단자(11b)와 접촉되는 제1센서단자(21d)를 노출시켜 구성한다.
상기 제1센서부(20)의 제1유리전극(21c)은 반구 형태, 구 형태, 평평한 형태 중 하나로 형성하여 측정용액의 특성에 따라 적당한 형태로 구성하는 것이다.
그리고, 상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 반도체 소자를 이용한 방식으로 측정용액의 수소이온농도 및 다양한 선택성 이온을 측정하는 제2센서부(30)를 형성한다.
상기 제2센서부(30)는 측정할 측정용액의 특성에 알맞은 액체이온교환(폴리머 멤브레인)형태로 구성할 수도 있다.
상기 제2센서부(30)는 센서몸체(10)의 제2설치부(12)에 결합되는 제2센서몸체(31)를 형성한다.
상기 제2센서몸체(31)의 일 측면에는 측정할 측정용액이 유입되게 개방된 홈 형태의 채널(32)을 형성한다.
상기 채널(32)의 바닥에는 이온 교환을 위한 이온감지막(33)을 형성하는데, 이온감지막(33)은 SiO2나 산화알루미늄(Al2O3), 질화규소(Si3N4) 또는 탄타륨(Ta2O5) 중 하나로 구성할 수 있다.
상기 제2센서몸체(31)의 내부로 소스소자(34)와 드레인소자(35)를 형성한다.
상기 기준전극부(40)와 소스소자(34), 드레인소자(35)를 연결하여 기준전극부(40)에 가해지는 전압 크기에 따라 이온감지막(33)의 전하 분포가 변화하면 소스소자(34)와 드레인소자(35)간의 전류량이 변하는 전위차을 이용하여 측정되도록 구성한다.
상기 제2센서부(30)의 제2센서몸체(31)는 상부 끝단 부분을 기준으로 크기가 순차적으로 커지는 제2,3단(31a)(31b) 중 제3단(31b)의 외면에는 센서몸체(10)의 제2설치부(12)와 나선 체결을 위한 수나선을 형성한다.
상기 제2,3단(31a)(31b)의 각 상부면에는 제2접점단자부(14)의 제2,3접점단자(15)(16)와 소스소자(34)와 연결된 제2센서단자(36), 드레인소자(35)와 연결된 제3센서단자(37)를 각각 구성한다.
상기 제2센서부(30)는 수소이온, 안티몬, 산화환원전위차, 은 황화물, 브롬 이온, 칼슘 이온, 염소 이온 전극, 시안 이온, 암모늄 이온, 구리 이온, 불소 이온, 요오드 이온, 칼륨 이온, 소듐(나트륨) 이온, 초산 이온, 납 이온, 불소 붕산기 이온을 측정하도록 구성한다.
상기 제2센서부(30)는 Acetic acid(CH3COOH) / Aluminum cHAoride(AlCl3) / Ammonia/Ammonium Hydroxide NH3/NH4OH / Ammonium bifluoride NH4F HF / Ammonium cHAoride NH4Cl / Ammonium fluoride NH4F / Ammonium iodide NH4I / Ammonium nitrate NH4NO3/ Ammonium sulfate (NH4)2SO4 / Ammonium thiocyanate NH4SCN / Barium cHAoride BaCl2 / Barium hydroxide Ba(OH)2 / Barium nitrate Ba(NO3)2 / Cadmium bromide CdBr2 / Cadmium cHAoride CdCl2/ Cadmium iodide Cdl2 / Cadmium nitrate Cd(NO3)2 / Cadmium sulfate CdSO4 / Calcium cHAoride CaCl2 / Calcium nitrate Ca(NO3)2 / Cesium cHAoride CsCl / Chromic acid CrO3 / Citric acid (COOH)CH2C(OH) / (COOH)H2O / Cobaltous CHAoride COCl2 / Cupric cHAoride CuCl2 / Cupric nitrate Cu(NO3)2 / Cupric sulfate CuSO4 / (Ethylenediamine) Tetraacetic acid disodium salt, EDTA sodium Na2C10H14O8N2 2H2O / Ferric cHAoride FeCl3 / Ferrous sulfate FeSO4 / Formic acid HCOOH / Hydrobromic acid HBr / HydrocHAoric acid HCl / Hydrofluoric acid HF / Hydroiodic acid HI / Iodic acid HAO3 / Lactic acid CH3CHOH COOH / Lanthanum nitrate La(NO3)3 / Lead (plumbous) nitrate Pb(NO3)2 / Lithium cHAoride LiCl / Lithium hydroxide LiOH / Lithium iodide LiI / Lithium sulfate Li2SO4 / Magnesium cHAoride MgCl2 / Magnesium nitrate Mg(NO3)2 / Magnesium sulfate MgSO4 / Manganous cHAoride MnCl2 / Manganous sulfate MnSO4 / Nickel sulfate NiSO4 / Nitric acid HNO3 / Oxalic acid HO2CCO2H / pHospHoric acid H3PO4 / Potassium acetate KCH3CO2 / Potassium bicarbonate / Potassium bromide KBr / Potassium carbonate K2CO3 / Potassium cHAoride KCl / Potassium chromate K2CrO4 / Potassium cyanide KCN / Potassium dichromate K2Cr2O7 / Potassium ferricyanide K3Fe(CN)6 / Potassium ferrocyanide K4Fe(CN)6 / Potassium fluoride KF / Potassium hydroxide KOH / Potassium iodide Kl / Potassium nitrate KNO3 / Potassium oxalate K2C2O4 / Potassium permanganate KMnO4 / Potassium pHospHate (monobasic) KH2PO4 / Potassium pHospHate (dibasic) K2HPO4 / Potassium sulfate K2SO4 / Potassium sulfide K2S / Potassium thiocyanate KSCN / Procaine hydrocHAoride C6H4[COOCH2CH2N (C2H5)2] (NH2)HCI-1,4 / Silver fluoride AgF / Silver nitrate AgNO3 / Sodium acetate NaCH3CO2 / Sodium bicarbonate NaHCO3 / Sodium bromide NaBr / Sodium carbonate Na2CO3 / Sodium cHAoride NaCl / Sodium citrate Na3C6H5O7 / Sodium diatrizoate (Hypaque) Na(CH3CONH)2C6l3CO2 / Sodium dichromate Na2Cr2O7 / Sodium ferrocyanide Na4Fe(CN)6 / Sodium hydroxide NaOH / Sodium molybdate Na2MoO4 / Sodium nitrate NaNO3 / Sodium pHospHate (monobasic) NaH2PO4 / Sodium pHospHate (dibasic) Na2HPO4 / Sodium pHospHate (tribasic) Na3PO4 / Sodium sulfate Na2SO4 / Sodium sulfide Na2S / Sodium tartrate NaOOC(CHOH)2COONa / Sodium thiocyanate NaSCN / Sodium thiosulfate Na2S2O3 / Sodium tungstate Na2WO4 / Strontium cHAoride SrCl2 / Strontium nitrate Sr(NO3)2 / Sulfuric acid H2SO4 / Tartaric acid HO2C(CHOH)2CO2H / Tetracaine hydrocHAoride Cl5H24N2O2 HCI / TricHAoracetic acid CCl3COOH / Zinc cHAoride ZnCl2 / Zinc Sulfate의 선택성이온을 중 1 종이나 다종으로 수돗물 기준 항목을 측정하도록 구성할 수도 있다.
한편, 상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 제1,2센서부(20)(30)의 측정시 측정값의 기준을 나타내는 기준전극부(40)를 형성한다.
이러한, 상기 기준전극부(40)는 크게 두 가지 형태로 형성할 수 있는데 살펴보면 다음과 같다.
1. 상기 기준전극부(40)는 센서몸체(10)의 내부공간(10a)에 제1기준정션(41) 및 내부액(B)이 각각 삽입 및 충진되며 하부에는 내부액(B)을 배출하는 다공막(42)이 하부로 설치된 다공막캡(43)을 형성한다.
상기 다공막캡(43)은 센서몸체(10)에서 탈부착 되도록 하여 교체할 수 있도록 구성하는 것이다.
이때, 상기 기준전극부(40)는 반쪽전극 형태로 구성된 것이다.
2. 상기 기준전극부(40)는 센서몸체(10)의 내부공간(10a)에 제1기준정션(41) 및 내부액(B)이 각각 삽입 및 충진되며 하부에는 내부액(B)을 배출하는 다공막캡(43)을 형성한다.
상기 내부액(B)에는 제2유리몸체(44a)의 내부에 제2Ag/AgCl와이어(44b) 및 내부전해액(HCl:A)이 각각 삽입 및 충진되며 하부에 제2유리전극(44c)을 형성하여 제2측정전극(44)을 형성한다.
상기 내부액(B)에는 제2기준정션(45)을 삽입하여 센서몸체(10)의 하부 끝단 일측으로 노출되도록 구성한다.
한편, 상기 제1,2측정전극(21)(44)의 각 측정값을 이용한 통합 측정값 산출 연산식은 "통합 측정값 = (G1+R1)-(G2+R2)"의 식으로(여기서, G1 : 제1측정전극, R1 : 제1기준정션, G2 : 제2측정전극, R2 : 제2기준정션이며, (G1+R1)는 제1측정전극의 측정값, (G2+R2)는 제2측정전극의 측정값을 나타냄)나타낼 수 있다.
공통적으로, 상기 다공막캡(43)은 센서몸체(10)의 하부 끝단에 형성되는 체결단(18)에 나선체결되는 캡몸체(42a)의 상하 끝단이 개방된 형태로써, 내부액(B)이 측정시 배출되는 다공질의 다공막(42)이 캡몸체(42a)의 하부 끝단을 폐쇄하도록 구성한다.
상기 다공막캡(43)은 다공막(42)의 과도한 오염이나 물성이 변화될 경우나 내부액(B)의 배출 능력을 조절할 경우 간단히 교체할 수 있도록 형성한다.
한편, 상기 내부액(B)은 액체 형태이거나, 겔(Gel) 타입의 액상형태로 형성할 수도 있으며, 상기 내부액(B)은 1ℓ의 증류수를 준비하고, 상기 증류수에 3.3Mol의 Kcl 포화용액을 혼합한 다음, 상기 증류수와 염화칼륨의 혼합액에 38~41g 범위의 글리세린을 혼합하여 공기 중에서 8~12초 범위로 노출시키면 다공질 고체 상태로 굳어지는 고체형 형태로 구성하는 것이다.
상기 고체형의 내부액(B)을 제조하는 방식을 살펴보면 우선 1ℓ의 증류수를 준비한다.
이때, 상기 증류수의 전도도는 0.056~0.1/cm 범위에 포함되는 것을 사용하는데, 이유로는 고순도의 용액을 제조하기 위한 것으로 전도도가 높을수록 순도는 떨어져서 정확한 측정 성능을 보장할 수 없기 때문에 측정 성능 효율이 보장되는 범위로 한정하는 것이다.
이후, 상기 증류수에 3.3Mol의 Kcl 포화용액을 혼합한다.
다음으로, 상기 증류수와 염화칼륨의 혼합액에 38~41g 범위의 글리세린을 혼합하여 완성한다.
이렇게, 완성된 고체형의 내부액(B)은 공기 중에서 8~12초 범위로 노출시키면 다공질 고체 상태로 굳어진다.
즉, 상기 고체형 내부액(B)은 공기 중에서 노출되면 고체 상태로 굳어지며 내부에는 수 많은 공극(다공)이 형성된다.
먼저, 상기 고체형 내부액(B)이 고체 상태로 굳어지는 이유는 Kcl용액에 글리세린이 침투되면서 글리세린의 완충효과로 인해 Kcl 결정을 급속하게 굳어지게 된다.
그러나, 상기 글리세린은 38~41g 범위로 투입되어 Kcl용액에 함유된 Kcl결정 전체를 고체형으로 변환하지 못한 상태로 Kcl용액을 고체형태로 굳어지게 한다.
한편, 상기 고체형의 내부액(B)내에 공극(다공)이 형성되는 이유는 글리세린에 의해 고체로 변환되지 못한 Kcl결정을 함유한 굳어진 Kcl용액으로 내부액(B)이 침투하면 고체로 굳어지지 못한 Kcl결정이 녹으면서 공극이 형성되고, 이렇게 형성되는 공극은 일정 수만큼의 다공을 이루어지면서 다공체를 형성하게 되는 것이다.
이러한, 상기 고체형의 내부액(B)은 산화환원전위차전극(ORP:Oxidation Reduction Potential), 용존산소센서(Dissolved Oxygen), 잔류염소센서(Residual Chlorine), 염화물측정전극(Chloride), 브로민화물측정전극(Bromide), 암모늄측정전극(Ammonium), 질산염측정전극(Nitrate), 플리오린화물측정전극(Fluoride), 사이안화물측정전극(cyanide), 은(은화합물)측정전극(silver), 납(납화합물)측정전극(lead), 칼륨측정전극(potassium), 칼슘측정전극(calcium), 안티몬측정전극(Antimony), 구리측정전극(copper), 황측정전극(sulfur)과 같은 이온전극과 전기화학전극 중 하나의 복합전극 또는 반쪽전극에 적용할 수 있다.
여기서, 상기 내부액(B) 중 액체나 겔 타입은 측정시 측정용액의 압력이 클 경우에는 역삼투압 작용으로 다공막(42)을 통해 불순물이나 황화물 같은 측정간섭이온 등이 침투 가능성이 있거나 오염도가 적은 측정용액을 측정하는데 적용함이 바람직하며, 고체형 내부액은 다공막(42)을 통해 불순물이나 황화물 같은 측정간섭이온 등이 침투 불가능하여 오염도나 간섭이온의 존재가 다량인 측정용액의 측정에 적용함이 바람직할 것이다.
그리고, 상기 제1기준정션(41)은 와이어(46a)의 하부에 은/염화은(46b)을 연결하여 유리관(46)의 내부에 삽입하고, 상기 유리관(46)의 하부에는 오염물질의 유입을 차단하는 수지(46c)를 채움한 상부에 은/염화은(46b)이 위치되도록 하며, 상기 유리관(46)은 와이어(46a)과 은/염화은(46b)과 연결되는 부분에 위치되는 유리관(46)을 벤츄리부(46d)를 형성하여 오염물질의 유입되는 삼투압현상이 발생하지 않도록 구성한다.
아울러, 상기 와이어(46a)나 제2기준정션(45)은 백금, 금, 은 중 하나로 형성하여 부식이나 화학적 반응, 물성변화가 발생하지 않으며 염분수에서도 측정가능 하도록 구성하는 것이다.
상기 제1,2센서부(20)(30)는 센서몸체(10)에서 나선 방식으로 결합 해체시켜 분리 및 교환할 수 있으며, 상기 센서몸체(10)의 하부 끝단에는 제1,2센서부(20)(30)를 보호하기 위한 보호단(17)을 돌출시켜 구성한다.
상기 제1,2센서부(20)(30)는 각각 커버(60)를 형성하여 측정작동을 요구하지 않는 제1센서부(20)나 제2센서부(30)에 결합하여 측정용액이 접촉하지 못하며, 제1유리전극(21c)의 건조현상 및 보호기능과 를 제1,2센서부(20)(30) 중 선택적으로 측정을 차단하기 위하여 커버(60)를 구성하는 것이다.
이때, 상기 커버(60)는 내산 내알카리 등에 물성 변화가 발생하지 않으며 고온에 잘 견디는 합성수지 재질로 구성함이 바람직 할 것이다.
한편, 상기 센서몸체(10)의 내부에는 제1센서부(20)의 측정값과 제2센서부(30)의 측정값을 연산하여 출력하는 연산제어부(80)를 형성하는데, 제1,2센서부(20)(30)에서 측정되는 기전력이나 아날로그신호를 변환하고 측정치를 보상하며 변환된 측정 신호를 별도의 미터기로 전달하도록 구성한다.
상기 연산제어부(80)에 의해 변환된 측정 신호를 미터기로 전달하기 위해서는 신호선(19)이 출력단자에 연결되는데 제1접점단자(11b)에 연결되는 제1신호선(19a), 기준전극부(40)의 제1기준정션(41)에 연결되는 제2신호선(19b), 온도센서(50)에 연결되는 제3,4신호선(19c)(19d), 제2센서부(30)의 제2,3접점단자(15)(16)에 각각 연결되는 제5,6신호선(19e)(19f)으로 구성된다.
이때, 상기 제1센서부(20)와 제2센서부(30)의 신호선(19)은 사용상 편의를 위해서 분류하여 구성할 수도 있을 것이다.
아울러, 상기 제1센서부(20)는 측정용액의 측정온도 범위가 넓으며 값이 저렴한 장점이 있으나 제1유리전극(21c)의 건조방지를 위한 보관과 파손에 대한 취급이 어렵고 주기적인 교정이 필요한 단점이 있으나 값이 저렴한 반면, 상기 제2센서부(30)는 제1센서부(20)보다 파손의 위험성이 적고 건조 영향이 없으며 보관기간이 길고 낮은 온도나 고온(-10~110)에 안정적이며 소량의 샘플에도 반응성 및 안정성이 우수하고, 재질이 변화하지 않고 교정이 불필요하며 물의 비율이 낮은 용액에서 수소이온농도를 측정하는데 적합한 장점이 있으나 고가인 단점이 있다.
한편, 상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 측정용액의 온도를 측정하는 온도센서(50)를 형성한다.
상기 온도센서(50)는 온도센서팁(51)과 온도도선(52)이 연결되는 연결 지점을 과전류 시 단락되지 않도록 온도단락방지팁(53)을 형성하고, 상기 온도단락방지팁(53)의 주변은 수지계열의 온도절연체(54)로 감싸도록 형성하며, 상기 온도센서(50)는 센서몸체(10)의 몸체홀더(10b) 하부 끝단 일 측에 결합되는 온도센서캡(55)의 내부로 삽입되도록 구성할 수 있다.
상기 온도센서(50)는 2선식, 3선식, 4선식 중 하나로 구성하는 것으로, 2선식은 T와 T로 이루어지는 형태이며, 3선식은 두 개의 T1과 하나의 T2로 이루어지는 형태이고, 4선식 두 개의 T1과 두 개의 T2로 이루어지는 형태로서 도선의 개수가 많을수록 온도 측정이 정밀해지도록 구성한다.
상기 온도센서(50)는 온도센서팁(51)과 온도도선(52)이 연결되는 연결 지점이 과전류 시 단락되지 않도록 온도단락방지팁(53)을 온도도선(52)의 직경보다 크게 형성하고, 상기 온도단락방지팁(53)의 주변은 수지계열의 온도절연체(54)를 동시 또는 각각 감싸 노이즈를 차폐하도록 구성한다.
또한, 상기 센서몸체(10)의 일 측에는 제1,2센서부(20)(30) 중 측정에 이용할 제1센서부(20)나 제2센서부(30) 중 하나를 선택하거나, 제1,2센서부(20)(30)의 모두 이용하도록 선택할 수 있는 작동스위치(70)를 구성한다.
상기 작동스위치(70)를 이용하여 제1,2센서부(20)(30)의 작동을 제어하기 위해서는 전원을 차단하는 방식이나 측정값이 출력되지 못하도록 제어하는 방식으로 슬라이딩형태 또는 로터리형태로 구현할 수 있을 것이다.
아울러, 상기 센서몸체(10)의 내부에는 제1,2센서부(20)(30)의 측정신호를 감지하는 작동감지회로(81)를 형성한다.
상기 작동감지회로(81)와 연결되어 제1,2센서부(20)(30)의 작동 상태를 표시하는 램프(90)를 센서몸체(10)의 일측에 형성한다.
상기 램프(90)는 제1센서부(20)의 작동상태를 표시하는 제1램프(91); 제2센서부(30)의 작동상태를 표시하는 제2램프(92); 제1,2센서부(20)(30)가 동시에 작동할 때 표시하는 제3램프(93), 측정시 제1,2센서부(20)(30)가 모두 작동하지 않을 때 표시하는 제4램프(94)로 구성한다.
즉, 상기 램프(90)는 작동감지회로(81)에서 전달되는 신호에 따라 관리자에게 육안으로 쉽게 작동 상태를 알림하는 구성인 것이다.
이러한, 상기 수질측정용센서(100)는 측정용액의 측정시 제1센서부(20)와 제2센서부(30)를 통한 두 가지 측정값으로 각각 출력하거나 두 가지 측정값을 비교연산하여 하나의 측정값으로 보상 출력하도록 구성한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 수질측정용센서(100)의 조립과정은 이러한, 상기 수질측정용센서(100)의 센서몸체(10)의 제1,2설치부(11)(12)에 제1,2센서부(20)(30)를 관통 설치하거나, 센서몸체(10)의 제1설치부(11)에 제1센서부(20)의 센서캡(21e)을 나선체결하여 제1단(21f)의 상부면에 형성된 제1접점단자(11b)와 제1Ag/Agcl와이어(46a)와 연결된 제1센서단자(21d)를 접점시킨다.
그리고, 상기 센서몸체(10)의 제2설치부(12)에 제2센서부(30)의 제2센서몸체(31)를 나선체결하여 제2,3단(31a)(31b)에 형성된 제2,3센서단자(36)(37)와 접점시키는데, 상기 제2,3센서단자(36)(37)는 각각 소스소자(34), 드레인소자(35)와 연결된 것이다.
아울러, 상기 센서몸체(10)의 일 측 내부공간(10a)으로 제1기준정션(41)을 삽입한 후 내부액(B)을 충진하거나, 상기 센서몸체(10)의 일 측 내부공간(10a)으로 제1기준정션(41)과 제2측정전극(44)을 각각 삽입하고, 제2기준정션(45)을 센서몸체(10)의 하부 일측으로 노출하도록 설치한 한 후 내부액(B)을 충진하여 두 가지 형태의 기준전극부(40)를 각각 형성한다.
다음으로, 상기 센서몸체(10)을 내부를 통과시켜 온도센서(50)가 하부로 노출되도록 설치하고 보호단(17)을 센서몸체(10)의 하부 끝단에 설치한다.
이후, 상기 제1접점단자(11b)에는 제1신호선(19a), 제1기준정션(41)에는 제2신호선(19b), 온도센서(50)에는 제3,4신호선(19c)(19d), 제2,3접점단자(15)(16)에는 각각 제5,6신호선(19e)(19f)을 연결하거나; 상기 제1접점단자(11b)에는 제1신호선(19a), 온도센서(50)에는 제3,4신호선(19c)(19d), 제2,3접점단자(15)(16)에는 각각 제5,6신호선(19e)(19f)을 연결하여 조립을 완료한다.
이때, 상기 센서몸체(10)에는 사용상 필요에 따라 작동스위치(70)는 슬라이딩방식이나 로터리형태로 설치할 수 있으며, 연산제어부(80) 및 작동감지회로(81), 작동스위치(70)와 램프(90)는 PCB 기판에 연결하여 PCB 기판을 센서몸체(10)의 내부 일측에 고정 설치할 수도 있을 것이다.
이렇게, 조립이 완료된 수질측정용센서(100)를 이용하여 측정용액의 특성을 측정하는 방식은 제1,2센서부(20)(30)를 이용하여 동시 측정방식이나 제1센서부(20)나 제2센서부(30)를 이용하여 단독 측정방식으로 측정가능한데, 기준전극부(40)는 공통적으로 측정에 관여하게 된다.
본 발명에서는 수질측정용센서(100)를 이용한 측정방식을 제1,2센서부(20)(30)를 동시 측정방식으로 예로 들어 설명하기로 한다.
먼저, 상기 수질측정용센서(100)를 측정에 이용하기 위해서는 제1~6신호선(19a)(19b)(19c)(19d)(19e)(19f)을 측정값을 수치적으로 나타내는 별도의 미터기(200)에 알맞게 연결한 후 제1,2센서부(20)(30)를 측정용액에 침적시켜 측정하는 침적형 방식으로 수소이온농도의 측정 일예를 설명한다.
이후, 상기 수질측정용센서(100)의 제1,2센서부(20)(30)를 측정용액에 침적시킨 상태에서 미터기(200)를 통해 제1,2센서부(20)(30)에 전원을 공급하면 제1센서부(20)에서는 측정용액의 H+의 활동도에 따라 제1측정전극(21)과 기준전극부(40)의 기전력의 변화를 통해 수소이온농도를 측정한다.
더불어, 상기 제2센서부(30)에서는 이온감지막(33)에는 H+이온이 축적되어, 소스소자(34)와 드레인소자(35) 사이에 채널이 형성되어 소스영역과 드레인영역 사이에 전류가 흐르는데, 상기 이온감지막(33)은 측정용액 속에 존재하는 이온들과 전기화학적 평형을 이룰 수 있는 OH-기를 포함하여 이온감지막(33)은 측정용액과 접촉하게 되면 pH에 따라서 산화막 표면의 전하분포를 바꾸게 되고, 소스소자(34)와 드레인소자(35)사이의 전류를 바뀌게 되어, 소스소자(34)와 드레인소자(35)의 전류를 직접적으로 측정하여 pH를 측정할 수 있고, 소스소자(34)와 드레인소자(35)의 사이의 전류를 일정하게 만드는 회로를 만들어 표면 전위를 측정한다.
즉, 상기 이온감지막(33)은 측정용액과 연결되고, 기준전극부(40)와 측정용액이 이온을 교환하는데, 측정용액의 pH가 높을수록 이온감지막(33)에 쌓이는 H+이온이 증가하여, 소스소자(34)와 드레인소자(35) 사이에 흐르는 전류의 변화를 측정하여 측정용액의 pH농도를 산출하는 것이다.
이렇게, 상기 제1,2측정부(20)(30)를 통해 측정되는 측정값은 미터기(200)로 전달되어 각각 표시될 수도 있으며, 두 측정값을 보상하여 통합적으로 표시할 수도 있다.
이러한, 상기 수질측정용센서(100)는 유리격막식 센서인 제1센서부(20)와 ISFET방식의 센서인 제2센서부(30)를 하나의 센서몸체(10)에 각각 형성시켜 측정용액의 특성을 서로 다른 방식으로 각각 또는 동시에 측정할 수 있어 측정값에 대한 신뢰도가 증대되는 특징이 있다.
아울러, 상기 수질측정용센서(100)는 유리격막 방식과 ISFET방식을 이용한 각기 다른 방식으로 측정시 각 측정 방식에 따른 측정오차를 보상하여 측정값을 산출할 수 있어 측정값이 정확한 특징이 있다.
또한, 상기 수질측정용센서(100)는 제1,2측정부(20)(30)를 센서몸체(10)에 나선 체결방식으로 결합/해체할 수 있어 측정부의 이상시 교체 편리하며 제1,2,3접점단자(11b)(15)(16)와 각각 접점되는 제1,2,3센서단자(21d)(36)(37)가 서로 이격되어 있어 접점으로 인한 선간 간섭이 발생하지 않는 특징이 있다.
그리고, 상기 수질측정용센서(100)는 기준전극부(40)를 제1,2측정부(20)(30)에서 측정시 공통으로 사용하며 기준값에 대한 편차가 발생하지 않으며, 내부액(B)을 다양한 형태로 형성하여 측정용액 특성에 따라 적용성을 확대시키고, 다공막(42)의 오염이 발생할 경우 다공막캡(43)을 간단히 교체할 수 있는 특징이 있다.
한편, 상기 수질측정용센서(100)는 제1기준정션(41)을 벤츄리관 형태의 유리관(46) 내부에 설치함으로써 다공막(42)을 통해 이물질이 유입되더라도 역삼투 현상을 방지하여 은/염화은(46b)이 오염되지 않도록 하는 특징이 있다.
더불어, 상기 수질측정용센서(100)는 제1기준정션(41)의 물성변화로 인하여 기준값이 변화되거나 Salt Crust가 발생하여 다공막(42)의 막힘 현상으로 측정이 이루어지지 않을 경우 측정용액과 직접 접촉하는 제2기준정션(45)을 이용하여 기준값 설정이 가능하여 측정에 영향을 주지 않는 특징이 있다.
그리고, 상기 수질측정용센서(100)는 제1,2측정부(20)(30)에 각각 끼움되는 커버(60)를 형성하여 제1,2측정부(20)(30) 중 하나만 선택적으로 측정에 이용할 경우 측정에서 배제할 측정부에 결합하여 측정을 차단하거나 비 측정시 보호를 할 수 있는 특징이 있다.
또한, 상기 수질측정용센서(100)는 작동스위치(70)를 이용하여 측정에 사용할 제1,2측정부(20)(30) 중 하나를 선택할 수 있으며, 별도의 미터기(200)를 이용하지 않고 연산제어부(80)를 이용해 제1,2측정부(20)(30)의 측정값을 연산 보상하여 출력할 수 있는 특징이 있다.
아울러, 상기 수질측정용센서(100)는 가격이 저렴하고 측정할 용액량이 풍부한 곳에 적당한 제1센서부(20)와 센서의 재질이 변화하지 않고 교정이 불필요하며 물의 비율이 낮은 용액에서 수소이온농도를 측정하는데 적합하나 고비용인 제2센서부(30)를 이용하여 유리격막식과 ISFET방식의 장단점을 상호 보완할 수 있는 특징이 있는 것이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10 : 센서몸체 10a : 내부공간
10b : 몸체홀더 11 : 제1설치부
11a : 천장면 11b : 제1접점단자
12 : 제2설치부 13 : 제1접점단자부
14 : 제2접점단자부 15 : 제2접점단자
16 : 제3접점단자 17 : 보호단
18 : 체결단 19 : 신호선
19a~19f : 제1~제6신호선
20 : 제1센서부 21 : 제1측정전극
21a : 제1유리몸체 21b : 제1 Ag/AgCl와이어
21c : 제1유리전극 21d : 제1센서단자
21e : 센서캡 21f : 제1단
30 : 제2센서부 31 : 제2센서몸체
31a : 제2단 31b : 제3단
32 : 채널 33 : 이온감지막
34 : 소스소자 35 : 드레인소자
36 : 제2센서단자 37 : 제3센서단자
40 : 기준전극부
41 : 제1기준정션 42 : 다공막
42a : 캡몸체 43 : 다공막캡
44 : 제2측정전극 44a : 제2유리몸체
44b : 제2Ag/AgCl와이어 44c : 제2유리전극
45 : 제2기준정션 46 : 유리관
46a : 와이어 46b : 은/염화은
46c : 수지 46d : 벤츄리부
50 : 온도센서 51 : 온도센서팁
52 : 온도도선 53 : 온도단락방지팁
54 : 온도절연체 55 : 온도센서캡
60 : 커버 70 : 작동스위치
80 : 연산제어부 81 : 작동감지회로
90 : 램프 91 : 제1램프
92 : 제2램프 93 : 제3램프
94 : 제4램프 100 : 수질측정센서
200 : 미터기 A : 내부전해액
B : 내부액

Claims (22)

  1. 각종 물이나 용액 같은 측정용액의 특성을 측정하는 수질측정센서에 있어서,
    측정용액에 접촉하는 센서몸체(10)는 하부 끝단에 제1,2센서부(20)(30)가 체결되는 제1,2설치부(11)(12)를 형성하되, 상기 제1설치부(11)의 내면에는 제1센서부(20)가 접점되는 제1접점단자부(13)를 형성하고, 천장 부분에는 암나선을 일부분 형성하고 제1천장면(11a) 중앙에는 제1접점단자(11b)를 형성하며,
    상기 제2설치부(12)는 제2센서부(30)가 접점되는 제2접점단자부(14)를 형성하며, 천장 부분에는 암나선을 일부분 형성하고 제2천장면(12a)의 중앙에는 제2접점단자(15)를 형성하고, 상기 제2천장면(12a)과 단턱진 하부면에는 제3접점단자(16)를 형성하고,
    상기 센서몸체(10)의 하단으로 유리격막 방식으로 측정용액의 수소이온농도를 측정하는 제1센서부(20)를 형성하고,
    상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 반도체 소자를 이용한 방식으로 측정용액의 수소이온농도 및 다양한 선택성이온을 측정하는 제2센서부(30)를 형성하며,
    상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 제1,2센서부(20)(30)의 측정시 측정값의 기준을 나타내는 기준전극부(40)를 형성하고,
    상기 센서몸체(10)의 하단 일 측에는 측정용액의 온도를 측정하는 온도센서(50)를 형성하여;
    측정용액의 측정시 제1센서부(20)와 제2센서부(30)를 통한 두 가지 측정값으로 각각 출력하거나 두 가지 측정값을 비교연산하여 하나의 측정값으로 보상 출력하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 제 1항에 있어서, 상기 제1센서부(20)를 형성하는 제1유리몸체(21a)의 상부에 결합되는 센서캡(21e)의 상부면인 제1단(21f)의 외면에는 센서몸체(10)의 제1설치부(11)와 나선 체결을 위한 수나선을 형성하고,
    상기 제1단(21f)의 상부면에는 제1접점단자부(13)의 제1접점단자(11b)와 접촉되는 제1센서단자(21d)를 노출시켜 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.
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  9. 제 1항에 있어서, 상기 제2센서부(30)의 제2센서몸체(31)는 상부 끝단 부분을 기준으로 크기가 순차적으로 커지는 제2,3단(31a)(31b) 중 제3단(31b)의 외면에는 센서몸체(10)의 제2설치부(12)와 나선 체결을 위한 수나선을 형성하고,
    상기 제2,3단(31a)(31b)의 각 상부면에는 제2접점단자부(14)의 제2,3접점단자(15)(16)와 각각 소스소자(34)와 연결된 제2센서단자(36), 드레인소자(35)와 연결된 제3센서단자(37)를 각각 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.
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  21. 제 1항에 있어서, 상기 센서몸체(10)의 일 측에는 제1,2센서부(20)(30) 중 측정에 이용할 제1센서부(20)나 제2센서부(30) 중 하나를 선택하거나, 제1,2센서부(20)(30)의 모두 이용하도록 선택할 수 있는 작동스위치(70)를 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 센서몸체(10)의 내부에는 제1센서부(20)의 측정값과 제2센서부(30)의 측정값을 연산하여 출력하는 연산제어부(80)를 형성하며,
    상기 연산제어부(80)에는 제1,2센서부(20)(30)의 측정신호를 감지하는 작동감지회로(81)를 형성하고,
    상기 작동감지회로(81)와 연결되어 제1,2센서부(20)(30)의 작동 상태를 표시하는 램프(90)를 센서몸체(10)의 일측에 형성하며,
    상기 램프(90)는 제1센서부(20)의 작동상태를 표시하는 제1램프(91); 제2센서부(30)의 작동상태를 표시하는 제2램프(92); 제1,2센서부(20)(30)가 동시에 작동할 때 표시하는 제3램프(93), 측정시 제1,2센서부(20)(30)가 모두 작동하지 않을 때 표시하는 제4램프(94)로 구성하는 것을 특징으로 하는 수질측정용센서.
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Natalia Abramova et al.,"Photocurable Polymers for Ion Selective Field Effect Transistors. 20 Years of Applications", SENSORS, 9, 2009.09, pp.7907-7110*

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