KR101755223B1 - 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4전극pH센서를 이용하여 수질의 pH특성을 측정시 센서의 상태 및 이상 여부를 자가진단하여 교정을 위한 교정(버퍼,표준)용액의 비사용과 관리자의 조작 없이 스스로 자동교정이 가능하고 피드백연산으로 정확한 측정치를 표시하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 4전극pH센서를 이용하여 수질의 특성을 검출 및 전송하는 검출부, 상기 검출부의 측정신호를 변환하는 변환부, 상기 변환부의 신호를 전달받아 연산제어하는 프로세서, 상기 프로세서에서 연산된 측정값을 표시 및 기록하는 표시부, 상기 프로세서를 통한 설정 조작을 위한 조작부, 전원을 제어하는 전원부 및 전기적 절연을 위한 절연부, 상기 프로세서와 연결되어 연산 신호를 외부로 송출하기 위한 인터페이스로 구성하여; 국산화 제품 개발을 통해 해외기술 의존도를 낮추고 세계 최초의 기술 상용화를 통해서 상품과 기술의 수출로 국가경쟁력을 높일 수 효과가 있다.

Description

자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템{pH measurement system with automatic calibration function}
본 발명은 수질분석기에 관한 것으로, 특히 두 개의 측정부를 갖는 센서를 이용하여 수질의 특성을 측정시 구축한 데이터의 비교판단과 비교연산 피드백을 이용하여 센서의 Offset, Slop, Drift 등 교정에 있어 정확한 측정값을 산출하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템에 관한 것이다.
일반적인 수소이온농도(pH) 분석기는 전극을 측정 전, 혹은 주기적으로 세척이나 겔 층 회복 후 보통“2점버퍼 교정”하게 된다. 전극 운용을 시작해 기준전극(Reference)이 평형을 이루도록 충분한 시간이 지나는 공정 표준화를 거쳐야 한다. 그 뒤로는 가급적 며칠에 걸쳐 분산해 있는 셋(Set) 또는 그 이상의 샘플이 동일한 상대 오프셋(Offset)을 보일 때만 공정 표준화를 수행하는데 이는 교정 보정을 따라가는 일반적인 문제를 피하기 위함이다. 샘플을 확인해서 오차가 오르내리면 틀림없이 혼합이나 측정에서 오는 노이즈라고 볼 수 있다. 노이즈를 쫓는 자체가 일을 만들어 하는 꼴이지만 문제는 없는 오차가 더 생긴다는데 있다.
그리고, 측정을 위한 수소이온농도(pH)는 반드시(실험실 측정시간이 아님) 공정 채취시간과 연동해야하며 또한 샘플은 공정의 같은 부분에 있어야 한다. 수소이온농도(pH) 측정전극과 실험실 측정의 온도가 같거나 수소이온농도(pH) 측정전극처럼 공정과 동일한 온도로 보정해야 한다. 또한 공정 내 수소이온농도(pH) 측정전극이 위치한 동일 지점에서 샘플을 채취하고, 실험실 측정도 해당 위치와 동일 온도로 맞추어 진행하는데 중요한 것은 버퍼 교정을 하면 기준전극(Reference)의 이온평형이 흐트러진다. 따라서 일단 전극이 운용에 들어가면 버퍼 교정보다는 장기 오프셋에 기초해 신중하게 공정 표준화를 하는 편이 좋다. 그렇지 않으면 세척이나 복원문제로 전극을 꺼내야 할 수 있다.
이렇게, 상기와 같은 일반적인 교정 방법은 모든 사람들이 쉽게 생각하고 있으나 사실 매우 어려운 작업일 수 있으며 언급했듯이 버퍼 교정은 기준전극의 이온 평형을 흐트러지게 하는데 이것은 특히 수소이온농도(pH) 입장에서 보면 특히 발전소 계통수와 같은 까다로운 조건에서는 특히 심한 현상을 나타낸다.
특히, 발전소에서 수소이온농도(pH)의 관리하는 방법을 일 예로 설명하면 다음과 같다.
1. 급복수 및 보일러수 수질관리 - 목적 : 설비재질 부식 최소화 - 방법 : 암모니아수, 인산염등을 주입하여 적정 pH 유지
2 보일러 습식보존처리 - 방법 : 정지시 부식이 최소화될 수있도록 약품주입방법으로 고 pH 유지
3. 탈황설비 흡수탑 최적 pH 상태 유지 - 목적 : pH가 석회석 주입량 결정의 기준이며 적정범위를 벗어날경우 경질스케일 생성 - 방법 : 적정 pH 유지하기위해 석회석 주입량 조절
4. 수처리/폐수처리 설비 Clarifier 최적 응집반응 상태 유지 - 방법 : 약품주입펌프를 이용한 염산, 가성소다 주입 적정 pH 유지
5. 환경 수질 규제치 준수를 위한 방류수 pH 관리 - 목적 : 환경법규 준수 - 방법 : 방류수가 규제치 미만 이나 초과시 최종방류수조에 염산, 가성소다 약품주입 등의 방법이 있다.
이러한, 종래의 수소이온농도(pH) 측정 시스템은 여러 단점을 갖는다.
1. 기준 전극에 충진된 내부전해질의 오염, 염소이온 농도의 의존성 등은 전극의 버퍼링을 가져올 수 있다.
2. 염소 이온 때문에 농도는 일정하게 유지될 수 없으며, 그 해결 수단을 제공하기 위한 실질적인 필요성은 때때로 내부전해액을 새롭게 보충하여야 하는데 이러한 보충은 겔 형태든 액체든 교체용 형태의 기준 전극을 사용하는 것이 바람직하다.
3. 모든 전극은 밀폐형 구조여야 하는데 실제로 정공을 통해 오염물의 역류로 인한 기준전극의 오염으로 기준전위의 변화는 센서를 자주 교정해야 하거나 교체하는 상태에 이르기까지 된다.
4. 모든 침전물은 일부 기준 전극에 코팅이 되어 접지 루프 전류 경로의 저항을 생성하는데 이것은 옴의 법칙에 따라 측정전극과 기준전극 양단에 전압 강하가 생긴다.
즉, 흔한 문제로 공정이온이 기준전극 내로 들어오는 경우인데 마찬가지로, 이동성이 좋은 이온이 과전하를 형성하며 모여들고 평형에 도달하면 빠른 이온의 이동을 늦추게 된다.
결정적으로 버퍼로 교정을 하면 기준전극의 이온 밸런스가 흐트러진다는 것이며 매번 사용되는 버퍼의 비용 등 유지 비용이 상당하다는 것이다.
특히, 현재의 발전소 수소이온농도(pH) 분석은 상기와 같은 현실로 실제로 공정분석에서 용액 수소이온농도(pH) 변동으로 발생하는 드리프트는 실제로 분간이 어렵고 불필요한 유지보수가 많아 인력낭비 대책과 비용절감이 절실히 필요하다.
그리고, 정확한 pH 측정관리가 어려워 빈번한 검교정 및 기기점검이 시행되어왔고 이를 게을리 할 경우 보일러튜브 수명단축, 튜브손상, 탈황설비 효율저하 및 경질 스케일 생성 등으로 정비비용 증가를 야기하는 문제점이 있었다.
아울러, 발전소에 적용된 pH meter는 운전원이 주기적으로 Buffer용액을 이용하여 교정하고 있으며, 교정 불가 시 pH 센서를 교체 해야하지만 즉시 교체가 어려운 문제점이 있었다.
추가로, 발전소 수소이온농도(pH) 분석의 현실은 초순수용 내부용액 제조 시 pH전극 동작에 대한 분석데이터 미흡하며, buffer 교정 시 reference의 ionic-balance 대비 분석데이터 미흡하고, 전극내 Salt crust가 형성될 때 sand core부위의 막힘 현상 제거기술 부족하며, 분석기기의 분해능과 정밀도 향상을 위한 부품 소자의 모색 및 회로설계 필요하고, Fuzzy Control Algorithm 설계기술 미흡하며, 가장 중요한 센서를 외국제품에 의존하다 보니 현장 조건에 맞는 센서 구현에 한계가 있고 상황에 따른 대처 능력이 어려운 문제점이 있었다.
그리고, 기존의 수소이온농도(pH) 시스템에 사용하는 수소이온농도센서는 도 1에 도시된 바와 같이, 수소이온농도를 측정하기 위한 종래 기술에 따른 복합전극은 하부에 유리격막이 형성되는 외부유리몸체의 내부에서 내부유리몸체의 하부 끝단이 외부유리몸체의 내주면에 일체로 연결되어 외측공간과 유리격막에 연통되는 내측공간을 분할되게 생성하는 유리몸체를 형성하고, 상기 유리몸체의 외부와 외측공간을 연통시키도록 유리몸체의 외부유리몸체에 다공핀을 관통 설치하며, 상기 다공핀을 통해 외측공간에 담겨져 측정시 미세하게 배출되는 젤(gal) 또는 용액상태의 내부보충액(3Mol~3.5Mol의 Kcl 포화용액)에 침적되는 Ag/Agcl 기준정션(Ag/Agcl reference junction)으로 이루어지는 기준전극을 형성하고, 상기 유리격막의 내부와 내측공간에 담겨지는 내부전해액(0.1Mol~0.5Mol의 HCl)에 Ag/Agcl와이어(19a)가 침적되어 이루어지는 측정전극으로 구성되는 것을 일 예로 들 수 있다.
이러한, 종래 기술에 따른 복합전극은 측정시 내부보충액이 다공핀을 통해 측정수로 배출되고, 내부전해액은 격막을 통해 cl- 이온이 배출되면서 기준전극의 Ag/Agcl기준정션과 측정전극의 Ag/Agcl와이어가 설치되는 유리격막이 수소이온의 농도에 따라서만 전위값이 변화하는 성질을 갖아 기준전극과 측정전극 사이의 전위차로부터 용액의 수소이온농도(pH)값을 측정하는 것이다.
그러나, 종래의 수소이온농도전극의 압력은 이론적으로 무한대이지만 압력이 발생함으로써 수소이온농도전극의 다공핀을 통한 오염물의 유입이 발생되는데 이때, 기준전극이 오염이 오염되고 오염현상이 지속될 경우 다공핀의 다공질이 막히는 문제가 있었다.
이와 더불어, 종래 기술에 따른 수소이온농도전극은 다공핀이 오염물질에 의해 막히면 내부액이 배출되지 못해 수중상태에서 측정전극과 기준전극 사이에 전위차를 발생시키기 위한 염다리가 형성되지 못하여 측정 불가능하거나 정확한 측정이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
그리고, 종래 기술에 따른 수소이온농도전극의 다공핀은 센서몸체와 일체로 형성된 다공질로 이루어져 오염물질로 인한 막힘 현상이 발생할 경우 별도로 교체나 수리를 할 수 없어 전극의 내구연한이 존재하더라도 사용할 수 없는 문제점이 있었다.
아울러, 종래 기술에 따른 수소이온농도전극에 형성되는 측정전극의 Ag/AgCl은 도선과 연결되고 온도센서는 측정팁과 도선이 연결되는데 이러한 연결지점은 노이즈가 발생되어 측정값의 정밀도에 영향을 발생시키며, 과전류 발생시 단락되는 문제점이 있었다.
이로써, 본 출원인은 수소이온농도전극의 내부액을 고체형태로 이용함으로써, 측정시 오염물질이나 측정수가 다공핀을 통해 유입되더라도 기준전극의 변질을 방지하며, 두 개의 측정부를 이용하여 오염으로 인한 다공핀의 내부액 배출기능이 상실되더라도 별도의 기준전극이 수질과 직접 접촉하여 전위차를 발생시키는 방식으로 측정의 지속성을 유지하며 오차율을 보상하여 정밀한 측정값을 산출할 수 있도록 개선된 수질측정센서를 대한민국 출원번호 제10-2015-0141314호를 2015.10.08에 출원하여 대한민국 특허등록 제10-1618042호로 2016.04.28에 등록하였습니다.
이러한, 본 출원인의 특허등록 제10-1618042호의 수질측정센서는 제1,2측정부에 의한 각각의 통합측정값은 아래의 일 예시 연산식에 의해 산출할 수 있다.
즉, 상기 통합측정값 = (G1+R1)-(G2+R2)의 일 예시 식에 기인하는데 일 예로 설명을 위하여 측정조건을 일반적인 수질을 대신하여 수소이온농도 값이 pH=4.01인 표준용액에 수질측정센서를 넣고 측정할 경우 미터기(300)에서는 정상적인 측정값으로 대략 178mV로 표시되는데, 정상적인 측정상태와 다공핀(30)이 오염되거나 다공질이 막혀 내부액이 정상적으로 배출되지 못하는 비정상적인 측정상태를 설명하면 다음과 같다.
1. 정상적인 측정상태 : 제1측정부를 통한 측정값 (G1+R1)=178mV이 측정되고, 제2측정부를 통한 측정값 (G2+R2)=0mV이 측정되었다면 통합 측정값은 (178)-(0)의 관계식으로 178mV가 표시된다.
2. 비정상적인 측정상태 : 제1측정부를 통한 측정값 (G1+R1)=140mV이 측정되고, 제2측정부를 통한 측정값 (G2+R2)=-38mV이 측정되었다면 통합 측정값은 (140)-(-38)의 관계식으로 178mV가 보상하여 표시된다.
상기와 같은, 본 출원인의 특허등록 제10-1618042호의 수질측정센서를 이용하여 수질을 특성을 측정하며 지능형 자가진단으로 센서에서 출력되는 기준전위을 비교 측정하여 전극의 노화와 실제 공정수의 변화와 이에 따른 기준전위를 실시간으로 감지하여 자동으로 정기적인 교정을 실시하며 분석가능하며, 자동으로 제로(Zero) 및 스팬(Slope) 교정으로 시행되어 교정시 반드시 사용되는 소모품인 교정용액이 필요 없도록 하며, 센서의 이상 유무 판단 및 교정주기를 스스로 진단하고 판단하여 현장 운전자에게 알려주도록 개선된 수질측정용 분석기가 절실히 요구되는 실정이다.
특히, 발전소 내 화학관리 항목 중 pH분석에 있어서는 불필요한 현장 점검 및 소모품 유지관리와 이상 유뮤 판단 및 즉각적인 조치를 전자동으로 하여 신뢰성 있고 효율적인 관리가 이루어질 수 있어야 하며, 자가진단을 통해 시스템의 고장 및 문제 발생 시 신속한 해결방법을 자동으로 해결하는 신호처리 시스템 등 핵심기술을 보유하여 진보된 발전 운영기술 향상시켜, 기술개발의 국산화 제품 개발을 통해 해외기술 의존도를 낮추고 세계 최초의 기술 상용화를 통해서 상품과 기술의 수출이 절실히 요구되는 실정이다.
1. 등록번호 제10-0629609호 (고온 ｐＨ 센서 전극 및 이를 이용한 ｐＨ 측정시스템) 2. 공고번호 실용신안 제1984-0001154호 (산소이온 통과세라믹 막 외장 함유 수소이온 센서) 3. 등록번호 제10-0631276호 (고체 전해질 층을 갖는 수소이온 센서 전극 및 이를이용한 ｐＨ 측정시스템)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 지능형 자가진단으로 4전극pH센서에서 출력되는 기준전위을 비교 측정하여 전극의 노화와 실제 공정수의 변화와 이에 따른 기준전위를 실시간으로 감지하여 자동으로 정기적인 교정을 실시하며 분석가능한 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템을 제공하는데 목적이 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 자동으로 제로(Zero) 및 스팬(Slope) 교정으로 시행되어 교정시 반드시 사용되는 소모품인 교정용액이 필요 없도록 하는 데 있다.
더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 4전극pH센서의 이상 유무 판단 및 교정주기를 스스로 진단하고 판단하여 현장 운전자에게 알려주도록 하는 데 있다.
아울러, 본 발명의 다른 목적은 이상 작동 판단 시 표시부의 화면 전체가 색상이 반전되고 깜빡여서 사용자에게 시각적으로 전달하도록 하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 교정용액을 이용하지 않아 불필요한 유지비용의 절감, 조기 경보를 통해 수급 문제 해결이 완만해지고 설비 운영의 안정성 확보와 시스템 점검의 정확성이 향상되도록 하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 4전극pH센서 자체에서 영점(zero-point) 이동의 확인을 알 수 있는 방법이 필요한데 이를 위해서 복합전극 내에 또 다른 측정 전극을 두어 내부 기준전극의 변화를 항상 감지하여 변화 정도를 연산하여 수치화해 표시할 수 있도록 하는 데 있다.
더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 4전극pH센서에서 측정되는 신호가 노이즈인지 정상 신호인지를 파악할 수 있으며 다공막이 시료수로부터(황화물 혹은 산화철 등) 오염 여부를 자가로 측정할 수 있도록 하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발전소의 계통수 등과 같은 각종 수질의 pH를 측정하는 4전극pH센서가 연결되어 제1측정부의 측정값과 제2측정부의 측정값을 전달받아 제1측정부의 기준값의 이상 여부 판단을 제2측정부를 이용하여 제1측정부의 제1기준전극의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 감시하며, 4전극pH센서의 측정값을 반복적으로 피드백 연산을 통한 실제의 측정값을 판단하여 4전극pH센서의 제로교정이나 스팬교정시 사용하는 버퍼용 교정용액을 이용하지 않고 자동연산 보상하여 나타내도록 분석기를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템을 제공한다.
이상에서와 같이 본 발명은 지능형 자가진단으로 4전극pH센서에서 출력되는 기준전위을 비교 측정하여 전극의 노화와 실제 공정수의 변화와 이에 따른 기준전위를 실시간으로 감지하여 자동으로 정기적인 교정을 실시하며 분석가능 하여 사용자나 별도의 유지관리가 불필요하여 유지보수 시간단축 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 자동으로 제로(Zero) 및 스팬(Slope) 교정으로 시행되어 교정시 반드시 사용되는 소모품인 교정용액이 필요 없어 관리자의 교정숙련도가 요구되지 않고 교정과정이 정밀도의 향상 및 간단해지고 비용을 절감하는 효과가 있다.
더불어, 4전극pH센서의 이상 유무 판단 및 교정주기를 스스로 진단하고 판단하여 현장 운전자에게 알려주어 초기대응력 및 교체시간을 확보할 수 있어 운용이 연속적으로 가능한 효과가 있다.
아울러, 이상 작동 판단 시 표시부의 화면 전체가 색상이 반전되고 깜빡여서 사용자에게 시각적으로 전달하여 관리자가 원거리에서 쉽게 식별할 수 있는 효과가 있다.
또한, 교정용액을 이용하지 않아 불필요한 유지비용의 절감 및 조기 경보를 통해 수급 문제 해결이 완만해지고 설비 운영의 안정성 확보와 시스템 점검의 정확성이 향상되며 현장 문제나 장애를 사전에 확인하고 예방할 수 있어 실시간 대응이 가능한 효과가 있다.
그리고, 4전극pH센서 자체에서 영점(zero-point) 이동의 확인이 가능하도록 복합전극 내에 또 다른 측정 전극을 두어 내부 기준전극의 변화를 항상 감지하여 변화 정도를 연산하고 수치화해 표시할 수 있어 신뢰성이 증대되며 센서의 상태를 실시간으로 모니터링하며 대응할 수 있는 효과가 있다.
더불어, 4전극pH센서에서 측정되는 신호가 노이즈인지 정상 신호인지를 파악할 수 있으며 다공막이 시료수로부터(황화물 혹은 산화철 등) 오염 여부를 자가로 측정 및 알림하여 사용자에 관리가 편리하며 센서의 교체주기를 미연에 판단할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 국산화 제품 개발을 통해 해외기술 의존도를 낮추고 세계 최초의 기술 상용화를 통해서 상품과 기술의 수출로 국가경쟁력을 높일 수 효과가 있다.
또한, 자가진단을 통해 시스템의 고장 및 문제 발생 시 신속히 자동으로 해결하는 진단, 판단, 처리, 교정, 신호처리 시스템 등 핵심기술을 보유가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템을 나타낸 분해사시도,
도 2는 본 발명에 따른 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템을 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)의 분해사시도,
도 4는 본 발명에 따른 제2 pH센서(100B)를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)의 결합사시도,
도 6은 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)에 온도센서를 적용한 일 측면도,
도 7은 액상, 겔(Gel), 고체형 내부액 중 고체형 타입의 내부액 제조순서도,
도 8에도 도면 a는 제1기준정션으로 도 1의 A부분 확대도, 도면 b는 다른 실시 예에 따른 제1기준정션 부분 확대도,
도 9는 제1,2측정전극의 제1,2 Ag/AgCl와이어와 도선의 연결부분 확대도,
도 10은 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)에 연결되는 신호선(95)의 다양한실시 예시도,
도 11은 센서몸체를 합성수지재로 적용한 상태에서 도면 a는 제1유리전극이 원형 상태를 도시한 단면도, 도면 a는 제1유리전극이 평면형 상태를 도시한 단면도,
도 12는 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)의 센서몸체에 결합되는 센서캡의 다양한 실시 예시도,
도 13은 센서몸체를 통과하는 제2기준정션의 접촉단을 표시한 것으로, 도면 a는 도선형태, 도면 b는 넓은 판 형태, 도면 c는 띠 형태, 도면 d는 핀 형태, 도면 e는 한 개 이상으로 형성하며, 끝단이 다수 개로 분할된 형태를 도시한 실시 예시도,
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 제1 pH센서(100A)를 침적형, 유통형, 삽입형, 샘플링 방식으로 측정하는 실시도,
도 16은 본 발명에 따른 자동교정분석기를 나타낸 사시도,
도 17 및 도 18은 자동교정분석기의 다양한 케이스에 표시부를 FND로 적용한 사시도,
도 19는 자동교정분석기의 케이스에 표시부를 LCD로 적용한 사시도,
도 20은 본 발명에 따른 자동교정분석기의 일 예의 단자도를 개략도,
도 21 및 도 22는 본 발명에 따른 자동교정분석기의 개략적 구성도 및 상세 구성도,
도 23은 프로세서의 상세 구성도,
도 24는 피드백제어부를 나타낸 구성도,
도 25 내지 도 28은 자동교정분석기를 판넬에 설치하면서 4전극pH센서와 연결하는 설치과정도,
도 29 및 도 30은 퍼지제어부에 의해 이루어는 퍼지 비례제어 연산 및 자동 평형응답에 대한 그래프이다.
이에 상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템은 발전소의 계통수 등과 같은 각종 수질의 pH를 측정하는 4전극pH센서(100)가 연결되어 제1측정부(40)의 측정값과 제2측정부(70)의 측정값을 전달받아 제1측정부(40)의 기준값의 이상 여부를 제2측정부(70)에서 4전극pH센서(100)의 제로교정이나 스팬교정시 사용하는 버퍼용 교정용액을 이용하지 않고 자동연산 보상하여 나타내도록 자동교정분석기(200)로 측정시스템(300)을 구성한다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 4전극pH센서(100)에 대하여 살펴보면 발전소의 계통수, 사물인터넷, 폐수, 초 순수 설비라인이나 양식장, 양어장 등 각종 수질 내에서 측정전극과 기준전극의 사이에 내부액이 배출되면 두 전극 사이에 발생하는 전위차로 수질의 특성을 측정하는 pH센서에 관한 것으로, 수질의 특성을 측정하기 위하여 서로 분리된 제1측정전극(10)과 제1기준전극(20)이 다공핀(30)을 통해 배출하는 내부액(31)에 의해 수중에서 전위차가 발생으로 측정되는 제1측정부(40)를 형성하고, 상기 제1기준전극(20)과 이격되며 내부액(31)에 침적되는 제2측정전극(50)과 제2기준전극(60) 중 제2기준전극(60)을 수질에 접촉하여 측정이 이루어지는 제2측정부(70)로 제1,2 pH센서(100A)(100B)로 구성된다.
이때, 상기 제1,2pH센서(100A)(100B)는 수질의 여러 특성을 측정하는 센서 중 수질의 수소이온농도(pH)를 측정하는 pH센서를 일 예로 들어 설명하기로 한다.
이러한, 상기 제1 pH센서(100A)의 제1측정부(40)는 제1 Ag/AgCl와이어(11) 및 내부전해액(HCl:81)이 각각 내부로 삽입 충진되며 하부에 제1유리전극(12)을 형성하여 제1측정전극(10)을 형성한다.
상기 내부전해액(81)이 충진되는 공간과 분리된 공간에 제1기준정션(21) 및 내부액(31)이 각각 삽입 및 충진되어 제1기준전극(20)이 형성되는 센서몸체(80)의 하부에는 내부액(31)이 미세하게 배출되는 다공핀(30)을 형성한다.
그리고, 상기 제2측정부(70)는 센서몸체(80)의 내부로 제2 Ag/AgCl와이어(51) 및 내부전해액(HCl:81)이 각각 내부로 삽입 충진되며 하부에 제2유리전극(52)이 형성되는 제2측정전극(50)을 형성한다.
상기 제1기준정션(21)이 침적된 내부액(31)에 침적되게 삽입하는 제2기준정션(61)의 끝단이 센서몸체(80)를 통과해 외부로 노출되는 제2기준전극(60)으로 구성하는 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2 pH센서(100B)의 제1측정부(40)는 제1 Ag/AgCl와이어(11) 및 내부전해액(HCl:81)이 각각 내부로 삽입 충진되며 하부에 제1유리전극(12)으로 제1측정전극(10)을 형성한다.
상기 제1유리전극(12)을 하부로 노출되게 설치하며 내부로 내부액(31)을 충진하는 센서몸체(80)를 형성한다.
상기 센서몸체(80)와 별도로 내부에 충진되는 내부액(31)에 제1기준정션(21)을 침적시켜 제1기준전극(20)을 형성하고, 하부에는 내부액(31)이 미세하게 배출되는 다공핀(30)을 형성된 기준센서몸체(26)를 형성한다.
즉, 상기 기준센서몸체(26)에 형성되는 제1기준전극(20)은 제1측정전극(10)과 동일한 몸체에 형성되지 않고 독립적인 반쪽전극 형태로 구성된다.
한편, 상기 제2측정부(70)는 센서몸체(80)의 내부로 제2 Ag/AgCl와이어(51) 및 내부전해액(HCl:81)이 각각 내부로 삽입 충진되며 하부에 형성되는 제2유리전극(52)으로 제2측정전극(50)을 형성하고, 상기 내부액(31)에 침적되게 삽입하는 제2기준정션(61)의 끝단이 센서몸체(80)를 통과해 외부로 노출되는 제2기준전극(60)으로 구성하는 것이다.
도 5 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2 pH센서(100A)(100B)의 공통적인 특징을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 센서몸체(80)나 기준센서몸체(26)의 내부에는 온도센서(90)를 삽입시켜 구성할 수 있는데, 상기 온도센서(90)는 온도센서팁(91)과 온도도선(92)이 연결되는 연결 지점이 과전류 시 단락되지 않도록 온도단락방지팁(93)을 온도도선(92)의 직경보다 크게 형성하고, 상기 온도단락방지팁(93)의 주변은 수지계열의 온도절연체(94)를 동시 또는 각각 감싸 노이즈를 차폐하도록 구성한다.
이때, 상기 온도센서(90)는 2선식, 3선식, 4선식 방식 중 하나로 구성할 수 있다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 내부액(31)은 액상 타입, 겔(Gel) 타입, 고체형 타입 중 어느 하나로 구성할 수도 있다.
즉, 상기 내부액(31)은 겔(Gel) 타입 또는 겔(Gel) 타입의 Kcl 포화용액으로 이루어진 액상형태로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 내부액(31)은 1ℓ의 증류수를 준비하고, 상기 증류수에 3.3Mol(246g)의 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 구성할 수도 있다.
상기 고체형의 내부액(31)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 3.3Mol(246g)의 Kcl 포화용액을 혼합한다.
다음으로, 상기 증류수와 염화칼륨의 혼합액에 38~41g 범위의 글리세린을 혼합하여 완성한다.
이렇게, 완성된 고체형의 내부액(31)은 공기 중에서 8~12초 범위로 노출시키면 다공질 고체 상태로 굳어진다.
즉, 상기 고체형 내부액(31)은 공기 중에서 노출되면 고체 상태로 굳어지며 내부에는 수 많은 공극(다공)이 형성된다.
먼저, 상기 고체형 내부액(31)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(31)내에 공극(다공)이 형성되는 이유는 글리세린에 의해 고체로 변환되지 못한 Kcl결정을 함유한 굳어진 Kcl용액으로 내부액(31)이 침투하면 고체로 굳어지지 못한 Kcl결정이 녹으면서 공극이 형성되고, 이렇게 형성되는 공극은 일정 수만큼의 다공을 이루어지면서 다공체를 형성하게 되는 것이다.
이러한, 상기 고체형의 내부액(31)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.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 제1기준정션(21)은 도선(W)의 하부에 은/염화은(23)을 형성하여 유리관(24)의 내부에 삽입한다.
상기 유리관(24)의 하부에는 오염물질의 유입을 차단하는 수지(22)를 채움한 상부에 은/염화은(23)이 위치되도록 하며, 상기 유리관(24)은 도선(W)과 은/염화은(23)이 연결되는 부분에 위치되는 유리관(24)을 벤츄리관(25) 형태로 형성하여 오염물질의 유입되는 삼투압현상이 발생하지 않도록 구성한다.
즉, 상기 유리관(24)을 중앙측은 직경이 작고 양측은 직경이 넓은 형태의 벤츄리관(25) 형태로 제작함으로써 대기압이 벤츄리관(25)의 감소된 부분으로 집중되어 이물질이 유리관(24)의 하부 끝단을 통해 유입하더라도 삼투압 현상으로 상승하는 하는 것을 억제하도록 구성한 것이다.
다른 실시 예로써, 상기 유리관(24)은 원통 형태로 구성할 수도 있다.
더불어, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제1,2측정전극(10)(50)의 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51)는 도선(W)과 Ag/AgCl이 연결되는 연결 지점을 과전류 시 단락되지 않도록 제1,2단락방지팁(11a)(51a)을 형성하고, 상기 제1,2단락방지팁(11a)(51a)의 주변은 수지계열의 제1,2전극절연체(11b)(51b)를 동시 또는 각각 감싸 노이즈를 차폐하도록 구성할 수도 있다.
그리고, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 센서몸체(80)는 유리형태의 상부에 설치를 위한 나선(82)이 형성되나 형성되지 않은 센서캡(83)을 결합하거나, 상기 센서몸체(80)는 합성수지재로 상하부 끝단에 나선(82)을 구성하며, 상기 센서몸체(80)의 상부로 노출되는 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51), 제1,2기준정션(21)(61), 온도센서(90)의 온도도선(92)과 신호선(95)을 연결한다.
여기서, 상기 신호선(95)은 측정값을 표시하는 미터기(지시계 또는 콘트롤러)와 제1,2 pH센서(100A)(100B)를 상호 연결하는 것으로, 제1,2 pH센서(100A)(100B)과 일체의 연결형태, BNC커넥터 방식, 핀(Pin) 커넥터방식 등으로 연결될 수 있으며, 미터기와 연결되는 끝단은 U형태나 I형태의 터미널단자(201), BNC커넥터 방식(202) 또는 터미널방식과 BNC커넥터 방식의 혼합형방식(203)으로 구성할 수 있다.
이때, 상기 상기 자동교정분석기(200)의 단자부(240)에 연결되는 4전극pH센서(100)의 신호선(95) 단자대(96)는 G1단자, G2단자, R1단자, R2단자, E단자, T1단자, T1단자, T2단자, T2단자, S단자 중 G1단자, G2단자, R1단자, R2단자를 제외한 E단자, T1단자, T1단자, T2단자, T2단자, S단자는 하나 이상으로 선택하여 구성할 수도 있는데 G1단자는 제1측정전극단자, G2단자는 제2측정전극단자, R1단자는 제1기준전극단자, R2단자는 제2기준전극단자, E단자는 어스단자; T1단자, T1단자, T2단자, T2단자는 온도센서단자, S단자는 쉴드단자를 나타내는 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 센서몸체(80)가 유리로 형성된 경우에는 상부에 다양한 형태의 센서캡(83)을 설치하고, 상기 센서몸체(80)가 합성수지재로 형성될 경우에는 유리재질의 센서몸체(80)보다 강도가 우수하며 설치여건이 협소하지 않는 장소에 적합하도록 구성한 것이다.
아울러, 상기 합성수지재(80)로 제작되는 센서몸체(80)의 하부에는 제1유리전극(12)을 보호하기 위한 보호캡(80a)가 탈 부착방식으로 구성된다.
그리고, 상기 제1측정전극(10)의 제1유리전극(12)은 원형 형태(도면 a)이거나 평면형태(도면 b)로 구성하는데, 상기 제1유리전극(12)을 평면형태로 형성할 경우 측정하는 수질의 유속이 빠르거나 이물질이 많을 경우 빠른 유속이나 이물질에 접촉면적이 발생하지 않아 깨짐이나 이물질의 부착현상이 발생하지 않도록 구성한 것이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 센서캡(83)은 다양한 형태로 형성되는 것으로, 도면(a)는 나선(82)이 형성된 BNC커넥터 방식이거나, 도면(b)는 나선(82)이 형성된 핀(Pin) 커넥터방식이거나, 도면(c)는 나선(82)이 형성되거나 형성되지 않은 다양한 형태를 나타낸 것으로, 설치여건이나 제작요건에 따라 알맞은 것으로 채택한다.
아울러, 상기 다공핀(30)은 센서몸체(80)에 노출되게 매립되는 팁(Tip)형태이거나 링(Ring) 형태로 구성할 수 있다.
아울러, 상기 제2기준정션(61)은 백금, 금, 은 중 하나로 형성하여 부식이나 화학적 반응, 물성변화가 발생하지 않으며 염분수에서도 측정가능하도록 구성하는데, 본 발명에서 제2기준정션(61)은 백금으로 제조하여 부식이 일어나지 않고 표면에 이물질이 부착되더라도 간단히 세정이나 연마 작업을 통해 측정에 알맞은 상태로 최적화시킬 수 있는 것이다.
그리고, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 제2기준정션(61)은 센서몸체(80)의 외면으로 노출되어 수질과 접촉하는 접촉단(62)은 와이어 형상의 도선형태(도면 a), 넓은 판 형태(도면 b), 센서몸체(80)의 외면에 형성되는 띠 형태(도면 c), 센서몸체(80)의 외부로 돌출되는 핀 형태(도면 d) 중 하나로 구성하여 제작여건 및 측정여건, 측정감도에 따라 다양한 형태로 적용하도록 구성한 것이다.
아울러, 상기 제2기준정션(61)은 한 개 이상으로 형성하며, 끝단이 다수 개로 분할된 형태로 구성할 수 있는데, 일 예로 접촉단(62)이 넓은 판 형태(도면 e)로 구성한 것을 도면으로 도시하여 설명한다.
이러한, 상기 제2기준정션(61)은 제1,2 pH센서(100A)(100B)의 특성에 알맞은 형태로 형성하는 것으로 수질과 접촉하는 면적의 크기 및 개수가 증가함에 따라 측정감도가 향상되도록 구성한 것이다.
그리고, 상기 제1측정부(40)와 제2측정부(70)는 수질의 특성을 측정시 측정값을 동시 또는 단독으로 측정할 수 있도록 구성하여, 하나의 측정부가 측정 기능을 상실하더도 측정이 지속적으로 이루어지도록 구성한 것이다.
한편, 상기 제1,2측정부(40)(70)의 각 측정값을 이용한 통합 측정값 산출 연산식은 "통합 측정값 = (G1+R1)-(G2+R2)"의 식으로(여기서, G1 : 제1측정전극, R1 : 제1기준전극, G2 : 제2측정전극, R2 : 제2기준전극이며, (G1+R1)는 제1측정부의 측정값, (G2+R2)는 제2측정부의 측정값을 나타냄)나타낼 수 있다.
즉, 상기 제1,2 pH센서(100A)(100B)를 형성하는 제1측정부(40)는 내부액(31)에 의해 제1측정전극(10)과 제1기준전극(20)이 전위 발생으로 측정되고, 제2측정부(40)는 제2측정전극(50)과 수질과 접촉하는 제2기준전극(60)의 전위 발생으로 측정되며, 다공핀(30)을 통해 내부액(31)이 배출되지 못해 전위차가 발생하지 않을 경우 제1측정부(40)의 측정값과, 제2측정부(70)의 측정값을 함께 연산하여 통합 측정값으로 오차율을 보상하여 측정가능하도록 구성하는 것이다.
도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 4전극pH센서(100)는 수질을 측정하기 위하여 센서홀더와 결합되어 수질 속에 침적하여 측정하는 침적형 측정방식이나, T형상 등과 같은 다양한 형상의 배관을 따라 흐르는 수질을 측정하는 유통형 측정방식, Y형상 등과 같은 다양한 형상의 배관을 따라 수질이 일방향으로 유입되어 타방향으로 배출되는 장소에 수질이 유통가능한 센서홀더에 결합하여 측정하는 삽입형 측정방식, 배관이나 탱크 등의 물을 샘플링하여 샘플링홀더로 유입시키면서 측정과 동시에 배출하는 측정방식의 샘플링 측정방식에 적용할 수 있다.
도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 4전극pH센서(100)가 연결되어 측정값을 표시하는 자동교정분석기(200)을 살펴보면 다음과 같다.
상기 자동교정분석기(200)는 케이스(210)의 전방에 형성하는 표시부(220)는 프로세서(270)의 연산 신호를 디지털 방식으로 표시하도록 FND형태나 LCD형태나 LED형태 중 하나로 구성할 수 있다.
여기서, 상기 케이스(210)는 여러 가지 형태로 구성할 수 있는데 전면에는 표시부(220) 및 조작부(230)가 설치되는 전방케이스(211)의 후방에 설치되며 각종 부품이 설치된 PCB기판이 설치되는 몸체케이스(212)를 형성하고, 상기 몸체케이스(212)의 후방으로 입력단자(241), 출력단자(242), 전원단자(243) 등이 형성되는 단자부(240)을 커버하는 후방케이스(213)는 선택적으로 구성될 수 있으며, 몸체케이스(212)는 브라켓(214)로 고정되도록 구성한다.
상기 표시부(220)가 설치된 일 측으로 각종 기능설정 및 교정, 제어, 취소, 선택을 위한 조작부(230)를 형성하는데, 상기 조작부(230)는 표시부(220)와 간섭되지 않는 일측으로 형성하고 일 예로 상,하,좌,우 방향키 버튼 및 홈버튼, 메뉴버튼, 엔터버튼, 취소버튼 등으로 구성할 수 있는데, 상기 조작부(230)에는 점자를 형성하여 구성할 수도 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(210)를 형성하는 몸체케이스(212)의 후방, 일측면, 하부 중 한 지점으로는 4전극pH센서(100)의 신호선(95)을 연결하는 단자부(240)를 형성하는데, 상기 단자부(240)는 입력단자(241) 및 출력을 위한 출력단자(242), 전원공급을 위한 전원단자(243)를 구성한다.
이러한, 상기 출력단자(242)에는 다수개의 릴레이접점단자(244)와 세정출력단자(245)를 형성할 수 있는데 단자의 형태는 U터미널 형태, I터미널 형태, BNC커넥터 형태 등을 단독 또는 혼합하여 구성할 수 있다.
도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 상기 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)를 이용하여 수질의 특성을 검출 및 전송하는 검출부(250)를 형성하는데, 상기 검출부(250)는 4전극pH센서(100)의 제1측정부(40)의 측정값을 연산변환하는 제1엠프부(251)를 형성하고, 상기 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)의 측정값을 연산변환하는 제2엠프부(252)를 형성하며, 상기 4전극pH센서(100)의 온도센서(90)의 측정값을 연산변환하는 온도엠프부(253)로 구성할 수 있다.
아울러, 상기 검출부(250)의 측정신호를 변환하는 변환부(260)는 제1엠프부(251)의 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 제1컨버터(261)를 형성하고, 상기 제2엠프부(252)의 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 제2컨버터(262)를 형성하고, 상기 온도엠프부(253)의 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 온도컨버터(263)로 구성할 수 있다.
더불어, 상기 변환부(260)의 신호를 전달받아 연산제어하는 프로세서(270)는 검출부(250)의 기전력신호를 디지털 방식이나 아날로그방식으로 변환하여 출력하도록 구성한다.
그리고, 상기 프로세서(270)에는 4전극pH센서(100)의 교정 설정허용범위를 벗어나면 표시부(220)의 색상이나 동작을 통해 정상적인 상태와 비정상적인 상태를 다르게 표시하도록 반전제어부(273)를 구성한다.
또한, 상기 자동교정분석기(200)의 프로세서(270)에는 조작부(230)의 조작으로 실시간 측정값 및 출력 변환이 가능한 강제출력부(274)를 이용하여 표시부(220)에 표시되도록 구성한다.
도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(270)에는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 이용하여 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 감시하며, 4전극pH센서(100)의 측정값을 반복적으로 피드백 연산을 통한 실제의 측정값을 판단하여 표시부(220)에 표시하는 자가 자동 교정 및 정상신호와 불량신호를 판단하는 퍼지제어부(290)를 구성한다.
이때, 상기 퍼지제어부(290)는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 통해 보정되어 들어온 신호의 빈도수가 많다면 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)에 전위가 변화되었다는 것을 인지하게 되며, 설정 값이나 빈도수를 초과하면 자가 진단을 실행하여 측정과정을 중단하고 별도로 운영자의 조작없이 자가 교정 운전모드로 자동 전환하도록 구성한다.
즉, 상기 퍼지제어부(290)는 현재의 측정신호가 정상 신호인지 보정된 신호인지를 판단하여 실제 측정값을 같게 지시하게 되는 것으로, 만약 보정되어 들어온 신호인데 빈도수가 많다면 이는 일단 기준전극에 전위가 변화되었다는 인지를 통한 빈도수를 체크하여 가령 10번의 빈도수가 발생되었다면 스스로 지능형 모드로 돌입하게 되며 이때 자동교정분석기(200)의 모든 측정작동을 멈춤(Hold)시키고 자가 교정 운전모드를 실행하도록 구성한 것이다.
또한, 상기 퍼지제어부(290)에는 4전극pH센서(100)의 측정시점부터 지속적으로 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 벗어나면 제로교정이나 스팬교정을 위해 교정용 pH1부터 pH14까지의 수소이온농도 수치를 단계별로 각각 나타내는 제0가용액~제14가용액인 버퍼용액을 이용하지 않고 자가 판단하여 프로그램적으로 자동 교정하도록 자동교정부(291)를 구성한다.
그리고, 상기 퍼지제어부(290)에는 4전극pH센서(100)에서 전달되는 제1측정부(40)의 측정신호가 정상인지와 비정상적인지를 제2측정부(70)에 의해 보정된 신호인지를 측정이 이루어지는 동시에 반복적으로 피드백 판단하도록 피드백제어부(292)를 구성한다.
이러한, 상기 피드백제어부(292)는 4전극pH센서(100)의 측정신호를 최초 교정하는 pH교정부(293)를 통해 전달하는 4전극pH센서(100)의 제1,2측정부(40)(70)의 신호데이터는 비교하는 비교기(294)를 통해 전달되는 신호데이터를 연산하는 제어기(295)에서 출력된 신호가 “정상”인지 “불량” 인지를 판단하여 “정상”신호일 시 이를 내보내고 “불량”일 경우 2차 연산을 시행 후 비교기(294)로 피드백하는 2차연산제어부(296)로 구성한다.
이러한, 상기 자동교정분석기(200)는 제2측정부(70)의 제2측정전극(50)을 통한 측정값이 교체 설정허용범위를 벗어나면 프로세서(270)의 제어를 통해 자동으로 소리를 통한 알람하도록 구성한다.
도 16 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 프로세서(270)에서 연산된 측정값을 표시 및 기록하는 표시부(220)를 형성하는데, 표시부(220)는 측정환경의 밝기나 시인성을 고려하여 FND형태나 LCD형태나 LED형태 중 하나로 구성한다.
그리고, 상기 프로세서(270)를 통한 설정 조작을 위한 조작부(230)를 형성하는데, 상기 조작부(230)는 버튼방식, 터치방식, 정전압방식 등으로 구성할 수 있다.
더불어, 상기 자동교정분석기(200)에는 상기 프로세서(270)에 연결되며 전원을 제어하는 전원부(271) 및 전기적 절연을 위한 절연부(272)를 형성하여 부품들간이나 신호선(95) 등에 의한 간섭현상이 발생하지 않도록 구성한다.
아울러, 상기 프로세서(270)와 연결되어 연산 신호를 외부로 송출하기 위한 인터페이스(280)를 형성하는데, 상기 인터페이스(280)는 4~20mA출력단(281), 알람출력단(282), RS-232C출력단(283), RS-485출력단(284)으로 형성하며, 상기 인터페이스(280)를 통한 출력신호는 무선통신장치를 이용하여 무선송출할 수도 있다.
이러한, 상기 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)의 측정시 측정값 및 이상신호, 자동교정 및 자동 제어시 관리기기나 관리자와 인터넷이나 이동통신망을 이용하여 실시간 대화형 통신이 가능한 사물인터넷(Internet Of Things) 기능을 하도록 사물제어부(275)를 프로세서(270)와 연동되게 구성할 수도 있다.
이때, 상기 관리기기는 컴퓨터, 스마트폰, 테블릿PC, 개인휴대용단말기(PDA), 웨어러블 컴퓨터 중 하나로 형성하며, 상기 관리기기는 와이파이나 인터넷망, 이동통신망의 무선송수신방식을 이용하여 무선통신하거나, 상기 관리기기에는 자동교정분석기(200)와 신호적으로 연동하는 어플리케이션을 설치하여 측정정보취득 및 관리제어, 업데이트 및 다운로드 하도록 구성한다.
아울러, 상기 프로세서(270)에는 모드버스부(276:Modbus)를 형성하여 관리기기에는 자동교정분석기(200)와 신호적으로 연동하는 어플리케이션을 설치하여 측정정보취득 및 관리제어, 업데이트, 상한값 하한값설정, 알람설정 및 다운로드 하도록 구성하는 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
도 3 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 4전극pH센서(100)의 제1,2 pH센서(100A)(100B) 중 제1 pH센서센서(100A)는 센서몸체(80)는 이 중관 형태로 구획되도록 중앙에 형성되는 유리관 형태의 내측몸체(84)에 의해 센서몸체(80)의 하부 끝단을 폐쇄하여 내측몸체(84)의 내부에 내부공간을 형성하며, 내측몸체(84)와 센서몸체(80)의 사이에는 외부공간을 형성하는데, 상기 센서몸체(80)의 외부공간으로 제2기준정션(61)을 삽입하여 삽입된 끝단이 센서몸체(80)의 하부 측면을 관통하여 외부로 노출되게 일체의 형태로 제작한다.
이때, 상기 내측몸체(84)의 내부공간과 연통하도록 센서몸체(80)의 하부에는 제1유리전극(12)을 제작한다.
여기서, 상기 센서몸체(80)를 관통하는 제2기준정션(61)의 접촉단(62)을 다양한 형상으로 구성할 수 있으나, 본 발명에서는 둥근판 형태의 접촉단(62)으로 채택함으로써 수질과 접촉면적을 확대시켜 측정감도가 증대되도록 하는 특징이 있다.
그리고, 상기 접촉단(62)의 외면은 센서몸체(80)의 외면과 일치시켜 매끈함을 유지하여 이물질이나 수질의 유동에 영향을 받지 않도록 하는 특징이 있다.
이후, 상기 내측몸체(84)의 내부로 내부전해액(81)을 충진한 다음 고정체(85)가 끼움된 제1 Ag/AgCl와이어(11)를 침적하고, 센서몸체(80)의 외부공간에는 액상상태나 고체형의 내부액(31)을 충진한 다음, 유리관(24)에 수지(22)가 충진된 상부에 은/염화은(23)과 도선(W)이 연결된 제1기준정션(21)을 삽입한 제1기준전극(20)과, 하부 끝단에 제2유리전극(52)이 형성된 유리관 형태의 측정전극몸체(53)의 내부로 내부전해액(81)을 충진한 다음 고정체(85)가 끼움된 제2 Ag/AgCl와이어(51)를 침적한 제2측정전극(50)을 이격시켜 침적 삽입한다.
이때, 상기 센서몸체(80)의 외부공간에는 필요에 따라 온도센서(90)를 내부액(31)에 침적되도록 삽입할 수 있다.
다음으로, 상기 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51), 제1,2기준정션(21)(61)의 도선(W)을 센서몸체(80)의 상부로 노출시킨 상태에서 내측몸체(84)를 감싸며 외부공간에 끼움되는 고정구(86)에 도선(W)을 관통시키면서 끼움한 후 고정구(86)의 상부에는 에폭시를 이용하여 밀폐시키고 채택한 센서캡(83)을 센서몸체(80)에 체결하면서 신호선(95)(200)을 각 도선과 연결하여 제작을 완료한다.
이때, 상기 고정구(86)는 별도로 제작한 것으로 도선(W)이 통과될 수 있는 다수개의 도선홀이 형성된 것이 바람직 할 것이다.
한편, 상기 센서(100B)는 센서몸체(80)는 이 중관 형태로 구획되도록 중앙에 형성되는 유리관 형태의 내측몸체(84)에 의해 센서몸체(80)의 하부 끝단을 폐쇄하여 내측몸체(84)의 내부에 내부공간을 형성하며, 내측몸체(84)와 센서몸체(80)의 사이에는 외부공간을 형성하는데, 상기 센서몸체(80)의 외부공간으로 제2기준정션(61)을 삽입하여 삽입된 끝단이 센서몸체(80)의 하부 측면을 관통하여 외부로 노출되게 일체의 형태로 제작한다.
이때, 상기 내측몸체(84)의 내부공간과 연통하도록 센서몸체(80)의 하부에는 제1유리전극(12)을 제작한다.
여기서, 상기 센서몸체(80)를 관통하는 제2기준정션(61)의 접촉단(62)을 다양한 형상으로 구성할 수 있으나, 본 발명에서는 둥근판 형태의 접촉단(62)으로 채택함으로써 수질과 접촉면적을 확대시켜 측정감도가 증대되도록 하는 특징이 있다.
그리고, 상기 접촉단(62)의 외면은 센서몸체(80)의 외면과 일치시켜 매끈함을 유지하여 이물질이나 수질의 유동에 영향을 받지 않도록 하는 특징이 있다.
이후, 상기 내측몸체(84)의 내부로 내부전해액(81)을 충진한 다음 고정체(85)가 끼움된 제1 Ag/AgCl와이어(11)를 침적하고, 센서몸체(80)의 외부공간에는 액상상태나 고체형의 내부액(31)을 충진한 다음 하부 끝단에 제2유리전극(52)이 형성된 유리관 형태의 측정전극몸체(53)의 내부로 내부전해액(81)을 충진한 다음 고정체(85)가 끼움된 제2 Ag/AgCl와이어(51)를 침적한 제2측정전극(50)을 삽입 침적한다.
이때, 상기 센서몸체(80)의 외부공간에는 필요에 따라 온도센서(90)를 내부액(31)에 침적되도록 삽입할 수 있다.
다음으로, 상기 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51), 제2기준정션(61)의 도선(W)을 센서몸체(80)의 상부로 노출시킨 상태에서 내측몸체(84)를 감싸며 외부공간에 끼움되는 고정구(86)에 도선(W)을 관통시키면서 끼움한 후 고정구(86)의 상부에는 에폭시를 이용하여 밀폐시키고 채택한 센서캡(83)을 센서몸체(80)에 체결하면서 신호선(95)을 각 도선과 연결한다.
그리고, 상기 기준센서몸체(26)의 내부에 액상이나 고체형의 내부액(31)을 충진하고 은/염화은(23)와 도선(W)이 연결된 제1기준정션(21)이 삽입된 제1기준전극(20)을 삽입하여 기준센서몸체(26)의 상부에 센서캡(83)과 신호선(95)(200)을 연결하여 제작을 완료한다.
도 16 내지 도 28에 도시된 바와 같이, 상기 자동교정분석기(200)는 케이스(210)의 몸체케이스(212) 내부로 도면상 표현하지 않은 각종 부품이 결합된 PCB기판을 설치하고, 전방케이스(211)에는 표시부(220) 및 조작부(230)를 PCB기판과 연동하도록 설치하며, 후방케이스(213)에는 입력단자(241), 출력단자(242), 전원단자(243), 인터페이스(280)를 설치하여 조립을 완료한다.
이렇게, 조립이 완료된 자동교정분석기(200)의 설치 일 예는 별도의 설치를 위한 판넬(P)에 전방케이스(211)는 노출되고 몸체케이스(212)가 삽입되도록 타공하여 고정 설치가 끝나면 4전극pH센서(100)의 신호선(95)에는 일 예로 U터미널을 설치하여 입력단자(241)와 연결하며, 전원단자(243)에는 전원공급수단과 결합하며 인터페이스(280)에는 출력선을 연결하고, 필요에 따라 릴레이접점단자(244)에는 릴레이구동을 위한 장치와 신호선(95)으로 연결하고 세정출력단자(245)에는 별도의 세정장치를 신호선(95)으로 연결하여 측정준비를 완료한다.
도 28에 도시된 바와 같이, 상기 측정시스템(300)에서는 샘플링홀더를 이용하여 측정하는 방식을 일 예로 설명한다.
이러한, 상기 자동교정분석기(200)에 전원을 인가시키면 4전극pH센서(100)는 자동교정분석기(200)를 통해서 측정에 필요한 전력을 공급받아 측정이 이루어지는데, 제1,2 pH센서(100A)(100B)를 이용하여 수소이온농도(pH)의 측정원리를 간단히 설명하자면 내부액(31)이 다공핀(30)를 통해 흘러나와 제1,2측정부(40)(70)의 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51)의 Ag와 반응을 하면 Ag와 AgCl의 평형이 이루어지고 동시에 제1,2측정전극(10)(50)의 내부전해액(81)이 측정하기 위해 접촉된 측정수를 만나 농도가 묽게 변하게 되는 산화반응이 발생되며, 이와 반대로 환원반응은 포화로 되어있던 Hg2Cl2가 제1,2 Ag/AgCl와이어(11)(51)의 전자를 받아 Hg로 환원되면서 Cl-를 재 방출하게 된다.
이로 인하여, 내부액(31)에 의해 염다리가 형성되면 전기가 통하고 흐르는 전류는 산화 전극의 두 번째 반응인 HO+이온 농도의 차이에 의존한다. 이로써 묽어진 농도를 계산 가능하여 수소이온농도(pH)를 알 수 있게 되는 것으로, 여기서 전위차는 흘러나온 내부전해액(12)에 의해 발생하는 산화 반응과 동시에 이루어지는 H3O+이온의 묽어지는 것에 의해 전위차가 발생한다고 할 수 있는 것이다.
이러한, 상기 수소이온농도(pH)의 측정은 제1 pH센서(100A)를 예로 들어 설명하면 제1,2측정부(40)(70)에서 동시에 이루어지는 것으로 두 개의 측정값은 자동교정분석기(200)로 신호선(95)을 통해 전달된다.
즉, 상기 제1측정부(40)에서 측정되는 기전력은 검출부(250)의 제1엠프부(251)를 통해 검출되어 변환부(260)의 제1컨버터(261)에서 변환되어 프로세서(270)로 전달되며, 상기 제2측정부(70)에서 측정되는 기전력은 검출부(250)의 제2엠프부(252)를 통해 검출되어 변환부(260)의 제2컨버터(262)에서 변환되어 프로세서(270)로 전달되고, 온도센서(90)에서 측정되는 기전력은 검출부(250)의 온도엠프부(253)를 통해 검출되어 변환부(260)의 온도컨버터(263)에서 변환되어 프로세서(270)로 전달된다.
이때, 상기 제1,2측정부(40)(70)에 의한 각각의 통합측정값은 다음 연산식에 의해 산출된다.
즉, 상기 통합 측정값 = (G1+R1)-(G2+R2)의 식에 기인하는데 일 예로 설명을 위하여 측정조건을 일반적인 수질을 대신하여 수소이온농도 값이 pH=4.01인 표준용액에 센서(100A)를 넣고 측정할 경우 자동교정분석기(200)에서는 정상적인 측정값으로 178mV로 표시되는데, 정상적인 측정상태와 다공핀(30)이 오염되거나 다공질이 막혀 내부액(31)이 정상적으로 배출되지 못하는 비정상적인 측정상태를 설명하면 다음과 같다.
1. 정상적인 측정상태 : 제1측정부(40)를 통한 측정값 (G1+R1)=178mV이 측정되고, 제2측정부(70)를 통한 측정값 (G2+R2)=0mV이 측정되었다면 통합 측정값은 (178)-(0)의 관계식으로 178mV가 자동교정분석기(200)에 표시된다.
2. 비정상적인 측정상태 : 제1측정부(40)를 통한 측정값 (G1+R1)=140mV이 측정되고, 제2측정부(70)를 통한 측정값 (G2+R2)=-38mV이 측정되었다면 통합 측정값은 (140)-(-38)의 관계식으로 178mV가 자동교정분석기(200)에 보상하여 표시된다.
이로 인하여, 상기 제1,2 pH센서(100A)(100B)는 제1,2측정부(40)(70)를 통해 두 가지의 측정값을 통해 단독 측정 및 동시측정이 가능함으로써 측정값에 대한 비교 분석으로 측정 정밀도를 유지할 수 있는 특징이 있다.
즉, 상기 자동교정분석기(200)는 이론적으로 제1기준전극(20)의 전위는 0mV이나 실제로 제1기준전극(20)의 전위는 사용을 하면서 변화된다. 일반적인 종래의 분석기에서는 기준전극의 기준전위가 틀어지면 측정전극에서 전위차도 변화가 일어나 결국 지시치도 다르게 표시되는데, 본 발명의 자동교정분석기(200)에서는 제2측정전극(50)에 의해 제2기준전극(60)과 상호작용으로 제1기준전극(20)의 전위를 실시간 감지하여 보상해주는 특징이 있다.
추가로, 상기 제1기준전극(20)이 오염이나 간섭이온에 대해 전위가 변화되면 제2측정전극(50)이 이를 감지하여 변화된 전위수치가 몇 mV가 변화되었는지 감지하는 특징이 있는데, 이러한 기능의 수행의 결과를 이용하여 표시부(220)를 통해 정확한 측정값을 표시하고 자동교정, 피드백 연산을 통한 정확한 측정값을 산출을 위해 프로세서(270)의 퍼지제어부(290)를 통해 이루지도록 하는 특징이 있다.
좀더 자세하게는, 상기 자동교정분석기(200)의 퍼지제어부(290)는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 이용하여 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 감시하며, 4전극pH센서(100)의 측정값을 반복적으로 피드백 연산을 통한 실제의 측정값을 판단하여 표시부(220)에 표시하는 자가 자동 교정 및 정상신호와 불량신호를 판단하는 특징이 있다.
이러한, 상기 퍼지제어부(290)는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 통해 보정되어 들어온 신호의 빈도수가 많다면 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)에 전위가 변화되었다는 것을 인지하게 되며, 설정 값이나 빈도수를 초과하면 자가 진단으로 측정과정을 중단하고 별도로 운영자의 조작없이 자가 교정 운전모드로 자동 전환하여 작동하는 특징이 있다.
더불어, 상기 퍼지제어부(290)의 자동교정부(291)는 4전극pH센서(100)의 측정시점부터 지속적으로 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 벗어나면 제로교정이나 스팬교정을 위해 교정용 pH1부터 pH14까지의 수소이온농도 수치를 단계별로 각각 나타내는 pH0 ~ pH14, pH-2 ~ pH16, pH-4 ~ pH18 중 하나의 용액인 버퍼용액을 이용하지 않고 자가 판단하여 프로그램적으로 자동교정(Auto Calibration)하는 특징이 있다.
즉, 상기 자동교정부(291)는 측정시 실시되는 현재의 측정신호가 정상 신호인지 보정된 신호인지를 판단하여 같게 지시하는 특징이 있다. 일 예로 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 통해 제1측정부(40)의 측정값을 보정되어 들어온 신호의 빈도수가 많다면 제1기준전극(20)의 전위가 변화되었다는 것을 인지하는 특징이 있다. 이러한 보정 빈도수를 체크하여 자동교정분석기(200)의 자동교정부(291)는 일 예로 10번의 보정 빈도수가 발생되었다면 스스로 지능형 모드로 변환되며 이때 프로세서(270)는 모든 측정작동을 일시정지(Hold)시키고 잠시 자가 교정 운전모드를 버퍼용액이나 별도 관리자의 조작없이 자가판단으로 자동으로 시행하는 특징이 있다.
일 예시로, 상기 자동교정부(291)의 작동과정을 살펴보면 4전극pH센서(100)를 설치하여 최초의 측정시 4전극pH센서(100)의 제1기준전극(20)은 전위는 이론상으로 '0mV'을 나타낸다고 가정하고 4전극pH센서(100)의 사용상 기전력허용범위를 '±30mV'라 가정한 상태에서 제1기준전극(20)의 전위를 측정하는 제2측정전극(50)의 측정범위를 0mV에서 ±30mV까지 제1기준전극(20)의 전위 변화를 제2측정전극(50)에서 측정할 때 0mV을 벗어나게 되면 자동으로 모든 측정작동을 홀딩시킨 상태에서 별도의 버퍼용액을 사용하지 않고 4전극pH센서(100)의 제로교정이나 스팬교정을 관리자의 조작 없이 스스로 판단하여 자동으로 진행하는 특징이 있다.
이러한, 상기 자동교정부(291)를 작동을 그래프적으로 설명하면 제1기준전극(20)은 이론상 '0mV'이나 다공핀(30)을 통한 간섭이온의 침투로 내부액(31)이 오염되는 등 여러 가지 요소로 변화한다.
그러나, 일반적인 종래의 분석기는 이를 감지할 수 있는 방법이 없는데 이유는 오로지 측정전위와 기준전위의 변화된 전위차를 감지할 뿐이지 기준전위가 얼마큼 변화되어 있고 제로점에서 얼마나 이동되어 있는지는 알 수 없다. 이를 위해 본 발명의 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)의 제2측정전극(50)은 제1기준전극(20)의 기준전위를 감지하는데, 가령 최초 0mV에서 5mV가 이동되었다고 하고 허용범위가 0mV±15mV라고 하면 일단 측정 회수를 카운터하여 10회 중 8회 이상 같은 수치가 반복되면 "정상" 수치로 인식을 하게 된다.
만약, 제2측정전극(50)의 측정치가 15mV가 초과되면 이상 신호로 인식하여 원래 설정값인 0mV로 자동 셋팅을 하면서 자동 교정을 시행한다. 여기서는 버퍼용액 없이 제1기준전극(20)의 기준전위를 0mV로 맞추게 되어 자동교정이 간단하게 이루어지게 하는 특징이 있다.
그러나, 상기 제1기준전극(20)의 전위 변화를 제2측정전극(50)에서 측정할 때에서 ±30mV의 범위를 벗어나는 측정값이 측정되는 경우에는 반전제어부(273)를 통해 표시부(220)의 색상을 변화시켜 관리자에게 알림하거나 부져를 통한 소리로 알림하거나, 사물제어부(275)를 통해 관리기기(300)로 전송하여 알림하여 현재 상황을 빠르게 알림하여 4전극pH센서(100)의 이상여부를 전달과 함께 조속한 대응조치가 가능하도록 하는 특징이 있다.
아울러, 상기 4전극pH센서(100)를 통해 측정이 이루어질 때 자동교정분석기(200)로 전달되는 측정신호는 피드백제어부(292)에 의해 제1측정부(40)의 측정신호가 정상인지와 비정상적인지를 제2측정부(70)에 의해 보정된 신호인지를 측정이 이루어지는 동시에 반복적으로 피드백 판단하여 정확하고 순수한 측정값을 산출 표시하는 특징이 있다.
즉, 상기 피드백제어부(292)는 4전극pH센서(100)의 측정신호가 pH교정부(293)를 통해 전달되면 비교기(294)에서 신호데이터는 비교하고 제어기(295)에서 신호데이터를 연산하는데, 2차연산제어부(296)에서는 제어기(295)에서 출력된 신호가 "정상" 인지 "불량" 인지를 판단하여 "정상" 신호일 시 이를 내보내고 "불량" 일 경우 2차 연산을 시행 후 비교기(294)로 피드백하여 실시간으로 반복 연산제어를 통해 정확한 값을 표시부(220)에 출력하는 특징이 있다.
좀더 자세하게는, 상기 4전극pH센서(100)의 최초 제작 시 pH교정을 하고나면 모든 신호데이터는 비교기(294)를 통해서 제어기(295)에서 연산을 하게 된다. 이때, 본 발명의 자동교정분석기(200)는 피드백제어부(292)를 통해 출력과 판단 기능이 수행하는데 제어기(295)에서 출력된 신호가 "정상"인지 "불량" 인지를 판단하여 "정상" 신호일 시 이를 내보내고 "불량"일 경우 2차연산제어부(296)로 내보낸다.
이때, 상기 2차연산제어부(296)에서는 "불량"인 신호가 정말 "불량"인지를 확인하는 과정으로 다시 한번 비교기(294)로 내보내서 또 다시 제어기(295)에서 연산을 하게 된다. 이러한 과정은 가령 초당 1회로 읽고 판독하여 수치로 내보내는 과정을 되풀이하며 최적화된 측정값 수치를 표시부(220)를 통해 표시하게 된다.
도 29 및 도 30에 도시된 바와 같이, 상기 피드백제어부(292)의 기능을 그래프적으로 살펴보면 현장에서 최적화 운전을 요구하는 설정치는 실제로 측정치와 다를 수밖에 없다. 이는 설정치에 따른 옵셋과 측정치에 따른 옵셋이 서로 상이하게 나타나는데 이 차이를 비교분석하여 2차 제어로 연산하게 되므로 최적의 pH를 검출할 수 있게 된다.
일 예로, 최적의 운전이 pH9.3 경우 실제 측정치는 옵셋이 큰 pH9.0이라고 가정하고, pH9.0이 초(sec)당 프로세서(270)에서 카운트되어 연산되어 지는 것이 10회중 8번 이상이 들어오고 이때 제1기준전극(20)의 전위(0mV)가 변하지 않았다고 가정하면, 실제로 현재의 측정치는 pH9.0이 바람직하다고 볼 수 있는지만, 옵셋이 작은 pH9.2가 10회중 6번, pH9.0이 4번이면 지시치는 pH9.2가 바람직하다고 판단하여 최적화된 측정값 수치로 표시부(220)를 통해 표시하는 특징이 있다.
즉, 상기 프로세서(270)에서 1차 출력을 판단하여 4전극pH센서(100)에서 측정된 실제 pH로 볼 것인가 아니면 간섭으로 볼 것인가를 판단하여 출력을 내보낼 수 있다. 하지만 판단 결과 의문이 감지되면 피드백제어부(292)를 토해 2차연산제어를 실시하며 다시 비교기(294)로 들어가 재연산을 하게 됨으로써 결국 pH의 최적화 제어를 위한 것으로 4전극pH센서(100)의 신호를 가지고 자동교정분석기(200)는 자동으로 비교, 연산, 피드백 연산 제어 동작하는 시행하는 특징이 있는 것이다.
이러한, 자동교정분석기(200)와 4전극pH센서(100)를 이용하여 수소이온농도를 측정시 특징은 나열하면 아래와 같다.
1. 종래의 수소이온농도센서와 분석기는 기준전극의 이상 여부를 판단할 수 없는 반면, 본 발명의 4전극pH센서(100)는 제1기준전극(20)의 전위를 제2측정전극(50)을 이용하여 측정가능한 특징이 있다.
2. 종래의 수소이온농도센서는 기준전극의 이상의 경우 분석기를 통한 강제출력으로 부정확한 방식으로 해결하는 반면, 본 발명의 4전극pH센서(100)는 제1기준전극(20)의 변화된 전위만큼 제2측정전극(50)을 이용하여 보상하여 정확한 측정값의 산출이 가능한 특징이 있다.
3. 종래의 수소이온농도센서와 분석기는 기준전극 이상 여부를 판단할 수 없는 반면, 본 발명의 4전극pH센서(100)는 제1기준전극(20)의 변화된 전위만큼 제2측정전극(50)을 이용하여 보상값의 산출이 가능하여 이상여부 및 수명을 판단과 예측할 수 있는 특징이 있다.
4. 종래의 수소이온농도센서와 분석기는 센서의 제로교정이나 스팬교정시 반드시 버퍼용액(교정용액, 표준용액)을 이용하여 실시하는 반면, 본 발명의 자동교정분석기(200)는 자동교정부(291)를 이용하여 제1기준전극(20)의 변화된 전위만큼을 제2측정전극(50)을 통해 측정 후 자가 판단으로 버퍼용액의 사용과 관리자의 조작없이 교정작업을 자동으로 시행할 수 있어 관리적 측면에 따른 부대비용이 발생하지 않거는 현저히 절감할 수 있는 특징이 있다.
5. 종래의 수소이온농도센서와 분석기는 센서의 제로교정이나 스팬교정시 반드시 버퍼용액을 이용하여 실시하는 경우 측정과정을 홀딩시켜 시행함으로써 교정에 따른 시간이 길게 소요되는 반면, 본 발명의 자동교정분석기(200)는 자동교정부(291)를 이용하여 프로그램적으로 제1기준전극(20)의 변화된 기준전위를 보상함으로써 교정 작업에 따른 소요시간이 짧아 측정작업을 홀딩해야하는 시간적 손실이 발생하지 않아 신뢰성이 증대되는 특징이 있다.
6. 종래의 수소이온농도센서는 기준전극 이상 여부를 정확히 확인할 수 없고 이를 확인하기 위해서는 반복적으로 교정작업과 측정과정을 반복해서 측정값의 정확도 판단을 통해 확인해야 하는 반면, 본 발명의 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)의 측정값을 반복적으로 피드백시켜 정상신호와 비정상신호를 데이터적으로 반복 연산 제어를 통해 정확한 측정값을 표시할 수 있도록 하는 특징이 있는 것이다.
7. 아울러, 상기 프로세서(270)에는 모드버스부(276:Modbus)를 형성하여 관리기기에는 자동교정분석기(200)와 신호적으로 연동하는 어플리케이션을 설치하여 측정정보취득 및 관리제어, 업데이트, 상한값 하한값설정, 알람설정 및 다운로드 하도록 구성하는 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.
본 발명의 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템을 발전관련 산업에 적용할 경우 아래와 같은 일 예의 성과를 예측할 수 있을 것이다.
1. 표준용액 없는 자동교정 신기술 원천기술 확보
2. 보일러튜브 Scale 생성감소로 튜브파열사고 예방 및 화학세정주기연장
3. 계통수 pH 관리 고도화로 발전설비 부식 최소화
(pH 센서 자가 교정으로 정확한 pH 측정, pH 센서 수명 자가진단)
4. 탈황 흡수탑 적정 pH 관리를 통한 경질스케일 억제
5. 매출 증가 가능성
(36개발전소에 적용시 운영개소는 차이가 있으나 경제적인 효과가 매우큼)
6. 국내외 기술력 인정
(분석기기 제작기술 해외 의존도 최소화, 분석기기 제작기술의 향상으로 Know-how 축적, 성능 및 편의성 향상으로 발전설비 운영의 신뢰성 확보, 기술개발 지원에 따른 신규 기술개발 인력 채용 및 양성 가능)
7. 개발완료 후 활용방안
(현장적용시험을 통한 성능검증 및 보완 완료 경우 즉시 양산가능 제품으로 전 사업소 확대적용)
8. 시제품 활용방안
(개발된 시제품은 현장적용시험 후 부족한 부분의 성능보완을 거쳐 최종 제품화하여 NEP 인증 후 실 적용제품화 후 판로전망, 내수시장, 전국 발전소 및 정수장의 pH meter 대체 가능, 발전시장에서 성능검정 완료시 외산 pH meter 대체 가능, 해외시장 : 현재 일본에서 Buffer를 이용한 자동교정 pH meter가 출시되었으나, 가격 및 기술적으로 본 제품이 비교우위 선점 예상 및 기대를 한다.)
10 : 제1측정전극 11 : 제1 Ag/AgCl와이어
11a : 제1단락방지팁 11b : 제1전극절연체
12 : 제1유리전극 20 : 제1기준전극
21 : 제1기준정션 22 : 수지
23 : 은/염화은 24 : 유리관
25 : 벤츄리관 26 : 기준센서몸체
30 : 다공핀 31 : 내부액
40 : 제1측정부
50 : 제2측정전극 51 : 제2 Ag/AgCl와이어
51a : 제2단락방지팁 51b : 제2전극절연체
52 : 제2유리전극 53 : 측정전극몸체
60 : 제2기준전극 61 : 제2기준정션
62 : 접촉단 70 : 제2측정부
80 : 센서몸체 81 : 내부전해액
82 : 나선 83 : 센서캡
84 : 내측몸체 85 : 고정체
86 : 고정구 90 : 온도센서
91 : 온도센서팁 92 : 온도도선
93 : 온도단락방지팁 94 : 온도절연체
95 : 신호선 100A,100B : 제1,2 pH센서
100 : 4전극pH센서 200 : 자동교정분석기
210 : 케이스 211 : 전방케이스
212 : 몸체케이스 213 : 후방케이스
220 : 표시부 230 : 조작부
240 : 단자부 241 : 입력단자
242 : 출력단자 243 : 전원단자
244 : 릴레이접점단자 245 : 세정출력단자
250 : 검출부 251 : 제1엠프부
252 : 제2엠프부 253 : 온도엠프부
260 : 변환부 261 : 제1컨버터
262 : 제2컨버터 263 : 온도컨버터
270 : 프로세서 271 : 전원부
272 : 절연부 273 : 반전제어부
274 : 강제출력부 275 : 사물제어부
276 : 모드버스부
280 : 인터페이스 281 : 4~20mA출력단
282 : 알람출력단 283 : RS-232C출력단
284 : RS-485출력단 290 : 퍼지제어부
291 : 자동교정부 292 : 피드백제어부
293 : pH교정부 294 : 비교기
295 : 제어기 296 : 2차연산제어부
300 : 측정시스템
W : 도선 P : 판넬

Claims (27)

  1. 발전소의 계통수 등과 같은 각종 수질의 pH를 측정하는 4전극pH센서(100)가 연결되어 제1측정부(40)의 측정값과 제2측정부(70)의 측정값을 전달받아 제1측정부(40)의 기준값의 이상 여부 판단을 제2측정부(70)를 이용하여 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 감시하며, 4전극pH센서(100)의 측정값을 반복적으로 피드백 연산을 통한 실제의 측정값을 판단하여 4전극pH센서(100)의 제로교정이나 스팬교정시 사용하는 버퍼용 교정용액을 이용하지 않고 자동연산 보상하여 나타내도록 자동교정분석기(200)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)는 케이스(210)의 전방에 표시부(220)를 형성하며,
    상기 표시부(220)가 설치된 일 측으로 각종 기능설정 및 교정, 제어, 취소, 선택을 위한 조작부(230)를 형성하고,
    상기 케이스(210)의 일측으로는 4전극pH센서(100)의 신호선(95)을 연결하는 단자부(240)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 표시부(220)는 프로세서(270)의 연산 신호를 디지털 방식으로 표시하도록 FND형태나 LCD형태나 LED형태 중 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 단자부(240)에는 다수개의 릴레이접점단자(244)와 세정출력단자(245)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)를 이용하여 수질의 특성을 검출 및 전송하는 검출부(250),
    상기 검출부(250)의 측정신호를 변환하는 변환부(260),
    상기 변환부(260)의 신호를 전달받아 연산제어하는 프로세서(270),
    상기 프로세서(270)에서 연산된 측정값을 표시 및 기록하는 표시부(220),
    상기 프로세서(270)를 통한 설정 조작을 위한 조작부(230),
    상기 프로세서(270)에 연결되며 전원을 제어하는 전원부(271) 및 전기적 절연을 위한 절연부(272),
    상기 프로세서(270)와 연결되어 연산 신호를 외부로 송출하기 위한 인터페이스(280)로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 인터페이스(280)는 4~20mA출력단(281), 알람출력단(282), RS-232C출력단(283), RS-485출력단(284)으로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 검출부(250)는 4전극pH센서(100)의 제1측정부(40)의 측정값을 연산변환하는 제1엠프부(251)를 형성하고,
    상기 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)의 측정값을 연산변환하는 제2엠프부(252)를 형성하며,
    상기 4전극pH센서(100)의 온도센서(90)의 측정값을 연산변환하는 온도엠프부(253)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 변환부(260)는 제1엠프부(251)의 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 제1컨버터(261)를 형성하고,
    상기 검출부(250)의 제2엠프부(252) 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 제2컨버터(262)를 형성하고,
    상기 검출부(250)의 온도엠프부(253) 기전력신호를 디지털신호로 변환하는 온도컨버터(263)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 프로세서(270)는 검출부(250)의 기전력신호를 디지털 방식이나 아날로그방식으로 변환하여 출력하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 프로세서(270)에는 4전극pH센서(100)의 교정 설정허용범위를 벗어나면 표시부(220)의 색상이나 동작을 통해 정상적인 상태와 비정상적인 상태를 다르게 표시하도록 반전제어부(273)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)의 프로세서(270)에는 조작부(230)의 조작으로 실시간 측정값 및 출력 변환이 가능한 강제출력부(274)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 프로세서(270)에는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 이용하여 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 감시하며, 4전극pH센서(100)의 측정값을 반복적으로 피드백 연산을 통한 실제의 측정값을 판단하여 표시부(220)에 표시하는 자가 자동 교정 및 정상신호와 불량신호를 판단하는 퍼지제어부(290)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 퍼지제어부(290)는 4전극pH센서(100)의 제2측정부(70)를 통해 보정되어 들어온 신호의 빈도수가 많다면 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)에 전위가 변화되었다는 것을 인지하게 되며, 설정 값이나 빈도수를 초과하면 자가 진단을 실행하여 측정과정을 중단하고 별도로 운영자의 조작없이 자가 교정 운전모드로 자동 전환하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 퍼지제어부(290)에는 4전극pH센서(100)의 측정시점부터 지속적으로 제1측정부(40)의 제1기준전극(20)의 기준변위를 측정, 데이터화하여 기준변위의 설정 범위를 벗어나면 제로교정이나 스팬교정을 위해 교정용 pH0 ~ pH14, pH-2 ~ pH16, pH-4 ~ pH18 중 하나의 측정범위까지의 pH 수치를 단계별로 각각 나타내는 pH0 ~ pH14, pH-2 ~ pH16, pH-4 ~ pH18 중 하나의 용액인 버퍼용액을 이용하지 않고 자가 판단하여 프로그램적으로 자동 교정(Auto Calibration)하도록 자동교정부(291)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 퍼지제어부(290)에는 4전극pH센서(100)에서 전달되는 제1측정부(40)의 측정신호가 정상인지와 비정상적인지를 제2측정부(70)에 의해 보정된 신호인지를 측정이 이루어지는 동시에 반복적으로 피드백 판단하도록 피드백제어부(292)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 피드백제어부(292)는 4전극pH센서(100)의 측정신호를 최초 교정하는 pH교정부(293),
    상기 pH교정부(293)를 통해 전달하는 4전극pH센서(100)의 제1,2측정부(40)(70)의 신호데이터는 비교하는 비교기(294),
    상기 비교기(294)를 통해 전달되는 신호데이터를 연산하는 제어기(295),
    상기 제어기(295)에서 출력된 신호가 “정상”인지 “불량” 인지를 판단하여 “정상”신호일 시 이를 내보내고 “불량”일 경우 2차 연산을 시행 후 비교기(294)로 피드백하는 2차연산제어부(296)로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)는 제2측정부(70)의 제2측정전극(50)을 통한 측정값이 교체 설정허용범위를 벗어나면 프로세서(270)의 제어를 통해 자동으로 소리를 통한 알람하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)에 연결되는 4전극pH센서(100)는 수질의 특성을 측정하기 위하여 서로 분리된 제1측정전극(10)과 제1기준전극(20)이 다공핀(30)을 통해 배출하는 내부액(31)에 의해 수중에서 전위가 발생되는 제1측정부(40)를 형성하고,
    상기 제1기준전극(20)과 이격되며 내부액(31)에 침적되는 제2측정전극(50)과 제2기준전극(60) 중 제2기준전극(60)을 수질에 접촉하도록 형성하는 제2측정부(70)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 4전극pH센서(100)의 센서몸체(80)나 기준센서몸체(26)의 내부에는 온도센서(90)를 삽입시켜 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 제1측정부(40)와 제2측정부(70)의 각 측정값을 이용한 통합 측정값 산출 연산식은
    통합 측정값 = (G1+R1)-(G2+R2)의 식으로
    (여기서, G1 : 제1측정전극, R1 : 제1기준전극, G2 : 제2측정전극, R2 : 제2기준전극이며, (G1+R1)는 제1측정부의 측정값, (G2+R2)는 제2측정부의 측정값을 나타냄) 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)는 4전극pH센서(100)의 측정시 측정값 및 이상신호, 자동교정 및 자동 제어시 관리기기나 관리자와 인터넷이나 이동통신망을 이용하여 실시간 대화형 통신이 가능한 사물인터넷(Internet Of Things) 기능을 하도록 사물제어부(275)를 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 관리기기는 컴퓨터, 스마트폰, 테블릿PC, 개인휴대용단말기(PDA), 웨어러블 컴퓨터 중 하나로 형성하며,
    상기 관리기기는 와이파이나 인터넷망, 이동통신망의 무선송수신방식을 이용하여 무선통신하거나,
    상기 관리기기에는 자동교정분석기(200)와 신호적으로 연동하는 어플리케이션을 설치하여 측정정보취득 및 관리제어, 업데이트 및 다운로드 하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  23. 제 5항에 있어서, 상기 프로세서(270)에는 모드버스부(276:Modbus)를 형성하여 관리기기에는 자동교정분석기(200)와 신호적으로 연동하는 어플리케이션을 설치하여 측정정보취득 및 관리제어, 업데이트, 상한값 하한값설정, 알람설정 및 다운로드 하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  24. 제 18항에 있어서, 상기 내부액(31)은 액상 타입, 겔(Gel) 타입, 고체형 타입 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  25. 제 18항에 있어서, 상기 자동교정분석기(200)의 단자부(240)에 연결되는 4전극pH센서(100)의 신호선(95) 단자대(96)는 G1단자, G2단자, R1단자, R2단자, E단자, T1단자, T1단자, T2단자, T2단자, S단자 중 G1단자, G2단자, R1단자, R2단자를 제외한 E단자, T1단자, T1단자, T2단자, T2단자, S단자는 하나 이상으로 선택하여 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  26. 제 18항에 있어서, 상기 제1기준전극(20)의 제1기준정션(21)은 도선(W)의 하부에 은/염화은(23)을 연결하여 유리관(24)의 내부에 삽입하고,
    상기 유리관(24)의 하부에는 오염물질의 유입을 차단하는 수지(22)를 채움한 상부에 은/염화은(23)이 위치되도록 하며, 상기 유리관(24)은 도선(W)과 은/염화은(23)과 연결되는 부분에 위치되는 유리관(24)을 벤츄리관(25) 형태로 형성하여 오염물질의 유입되는 삼투압현상이 발생하지 않도록 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 유리관(24)은 원통 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 자동교정기능이 구비된 pH 측정시스템.
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