KR102100822B1 - 흡광도를 이용한 농도 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡광도를 이용한 농도 측정 방법에 관한 것으로서, 단일 측정용 광원이 저농도층 수용부, 고농도층 수용부 또는 복합농도층 수용부를 투과하여 단일 측정용 수광 센서에 수광되도록 하되, 단일 측정 셀을 셀 회동부 또는 셀 이동부를 이용하여 회동 또는 직선 이동시키도록 구비됨으로써, 측정 과정을 단순화할 수 있음은 물론 보다 정확한 측정 시료의 농도 측정이 가능한 이점을 제공한다.

Description

흡광도를 이용한 농도 측정 방법{METHOD FOR MEASURING CONCENTRATION USING THE ABSORBANCE}

본 발명은 흡광도를 이용한 농도 측정 장치 또는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 발전소 터빈 보일러에 포함되는 순환수 수질은 터빈 및 보일러 설비의 부식이나, 부착을 방지하기 위하여 관리된다. 즉, 터빈 및 보일러 설비의 부식이나, 부착 방지를 목적으로 하는 수질의 실시간 모니터링을 위해 실리카(SiO2), 철이온(Fe ion), PH, 전도도, 용존산소 등 수질의 분석과 함께 이를 방지하기 위하여 주입되는 청관제, 탈산소제 등의 화학 약품의 농도를 관리하기 위하여 PO4, 하이드라진(N2H4), 카보하이드라자이드((N2H3)2CO) 등의 약품 잔류 농도 분석이 행해진다.

또한, 탈황 처리수 중의 고농도 T-N(Total Nitrogen) 이나 SO3이온(Sulfite ion)을 측정시에도 흡광도법을 사용하여 보다 빠르고 정확한 시료의 농도 측정을 위해 Lambert-Beer 법칙을 이용한 시료 중의 이온 함량을 측정하기 위한 장치가 이용된다. 즉, 시료의 농도를 측정하는 방법으로서 일정한 규격의 측정 셀을 통과한 빛의 흡광도를 이용하고 있다.

도 1은 흡광도를 이용한 농도측정 이론을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 흡광도를 이용한 농도 측정은 다음 이론에 근거한다. 즉, 시료에 빛이 조사될 때 시료의 용기에 의해 반사되는 빛, 시료에 의해 산란되는 빛, 시료에 의해 흡수되는 빛에 의하여 빛의 투광도가 상이하다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 투광도 T는 입사광선 당 투과광선(I/Iㅀ)이다. 흡광도 P는, 이와 같은 투광도의 역수에 Log 값을 취한 값이다. 식을 정리하면 다음과 같다.

,

,

이와 같이, 시료의 흡광도를 이용하여 농도를 측정하는 대표적인 이론이 Lambert- Beer 법칙이다.

도 2는 Lambert-Beer 법칙을 설명하기 위한 개념도이고, 도 3a 및 도 3b는 종래의 Lambert-Beer 법칙을 이용한 측정 셀의 이용 모습을 나타낸 개념도이며, 도 4는 흡광도와 농도 사이의 투과도의 관계를 나타낸 그래프이다.

일반적인 Lambert-Beer 법칙에 따르면, 이상적인 상태에서 고농도 시료의 경우 투과도는 낮아지고, 저농도 시료의 경우 투과도는 높아야 한다. 그러나, Lambert-Beer 법칙은 화학적인 편차(PH변화, 불순물, 온도의 변화 등) 및 기기적인 편차(다색복사선, Stray light 등)가 발생할 수 있다.

그러므로, Lambert-Beer 법칙을 이용하여 농도를 구하기 위해서는, 측정 흡광도가 유효한 범위에 들어가는 것이 바람직하고, 흡광도가 1이 넘으면 흡광도 변화에 따른 농도 계산에 있어서 오차가 심하므로 Lambert-Beer 법칙을 사용할 수 없는 문제점이 있다.

한편, 도 4를 참조하면, 흡광도가 1이하에서는 거의 선형이라 보아도 무방할 정도의 그래프 선을 나타내나, 농도 측정에 적합한 흡광도 범위는 0.2-0.9에 해당되며, 측정 흡광도가 0.9를 넘을 경우, 시료를 희석하거나, 측정 셀의 규격을 적절하게 조정하여, 측정 흡광도가 위 범위에 들어가도록 하는 것이 최적이다.

여기서, 측정 셀의 규격을 적절하게 조정한다는 것은, 용액층 길이(b)를 조정하는 것을 의미하고, 현재 이와 같은 용액층 길이(b)의 조절을 위하여 여러 가지 규격의 측정 셀(예를 들면, 10mm, 50mm, 100mm 등의 측정 셀)을 사용하고 있다.

종래의 구체적인 농도 측정 사례를 살펴보면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 고농도 미지시료를 측정하기 위해서는 상대적으로 짧은 용액층을 가진 측정 셀(5)에 고농도 측정용 광원(20a)으로부터 조사된 빛이 그 수광 센서(20b)에 의하여 감지된 투과광 값을 이용하여 측정한 다음, 위 편차를 고려하여 고농도 미지시료를 희석한 후, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상대적으로 긴 용액층을 가진 측정 셀(1)에 저농도 측정용 광원(10a)으로부터 조사된 빛이 그 수광 센서(10b)에 의하여 감지된 투과광 값을 이용하여 측정한 후 농도를 계산하여야 하는 번거로움이 있다.

한국공개특허공보 제10-2016-0066504호 (2016년 06월 10일 공개)

본 발명은 상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단일의 측정 셀만을 이용하여 고농도 미지시료 또는 저농도 미지시료의 농도를 획득하는 측정 과정을 획기적으로 줄일 수 있는 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 일 실시예는, 소정의 빛을 생성하여 조사하는 단일 측정용 광원, 상기 단일 측정용 광원으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치된 단일 측정용 수광 센서, 상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 길이방향으로써 저농도 측정을 위한 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가지는 저농도층 수용부, 상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 폭방향으로써 고농도 측정을 위한 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)를 가지는 고농도층 수용부 및 상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 폭방향으로 경사지게 형성된 경사면을 가지도록 형성되고 상기 저농도 및 상기 고농도 사이의 복합농도 측정을 위한 복합농도층 수용부가 구비된 단일 측정 셀 및 상기 저농도층 수용부 및 상기 고농도층 수용부 중 어느 하나를 통한 시료의 농도 측정을 위해 상기 단일 측정 셀을 회동시키는 셀 회동부 및 상기 저농도층 수용부와 상기 고농도층 수용부 및 상기 복합농도층 수용부 중 어느 하나를 통한 시료의 농도 측정을 위해 상기 단일 측정 셀을 폭방향으로 직선 이동시키는 셀 이동부를 포함한다.

여기서, 상기 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)는 상기 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)보다 긴 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀 회동부는, 상기 단일 측정용 광원의 조사에 의하여 측정된 상기 저농도층 수용부의 투과 광량이 기결정된 범위의 흡광도를 벗어날 경우에만 상기 고농도층 수용부의 투과 광량을 측정하기 위해 동작되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 셀 이동부는, 상기 단일 측정용 광원의 조사에 의하여 측정된 상기 저농도층 수용부의 투과 광량이 기결정된 범위의 흡광도를 벗어난 것으로서 상기 고농도층 수용부의 투과 광량을 측정하기 전에 상기 단일 측정용 광원이 상기 경사면을 통과하도록 동작되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치 및 그 측정 방법의 일 실시예에 따르면, 측정 과정을 단순화하여 시간을 절약하고, 정확한 농도 측정이 가능하도록 하는 효과를 가진다.

도 1은 흡광도를 이용한 농도측정 이론을 설명하기 위한 개념도이고,
도 2는 Lambert-Beer 법칙을 설명하기 위한 개념도이며,
도 3a 및 도 3b는 종래의 Lambert-Beer 법칙을 이용한 측정 셀의 이용 모습을 나타낸 개념도이고,
도 4는 흡광도와 농도 사이의 투과도의 관계를 나타낸 그래프이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이며,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이며,
도 9a 내지 도 9c는 저농도 및 고농도 측정치의 검량선을 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 방법의 일 실시예를 나타낸 순서 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치 및 그 측정 방법의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 나타낸 사시도이다.

먼저, 흡광 측정의 원리를 설명하기 위한 Lambert-Beer 법칙의 수식 도출 과정을 설명하면 다음과 같다. 이해를 돕기 위하여 설명되는 부분이므로, 종래 기술의 도면인 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2에 참조된 바와 같이, 측정 셀에 담긴 시료의 전체 면적을 A라 하고, 기결정된 면적을 단위 면적 dA라 할 때, 단위 면적(dA)을 전체 시료의 면적(A)으로 나눈 값은 용액층의 단위 길이(db)에 비례한다(

). 아울러, 입사광의 세기를 Iㅀ라하고, 투과광의 세기를 I라 하며, 시료 용액층의 두께는 b라 할 때, 전체 시료를 투과한 투과광의 세기(I)를 단위 투과광값(dI)으로 나눈 값은 용액층의 단위 길이(db)에 반비례한다(

).

이를 통해 도출되는 기본식은 다음과 같다.

즉,

,

이다.

따라서,

라는 식을 도출할 수 있다.

이와 같이, 투과광의 세기는 용액의 두께 b의 증가에 대하여 지수 함수적으로 감소한다는 것이 Lambert-Beer 법칙의 골자이다.

이를 농도와 관련된 수식으로 정리하면, 단면적 내의 용질 분자 수가 시료 용액층의 두께 b에 비례하고, b가 일정할 경우 분자 수(n)는 농도(c)에 비례함을 전제하여 다음과 같은 식을 정립할 수 있다(즉, 전제 사항:

(단면적 내의 용질 분자 수)∝b, n(b가 일정할 때)∝c).

즉,

→

이다.

여기서, 흡광계수(absorptivity)를 a라 할 경우, log(I/I°)는 용액층의 길이 b에 비례하고 또한 용액 농도 c에 비례하므로, 그 곱 bc에도 비례하여 다음과 같이 표시할 수 있다.

여기서, c의 단위가 [mol/l]이고, b=1cm일 경우, 흡광계수 a는 몰흡광계수(ε)(molar absorptivity)라고 칭하며, 흡광도

이고, 이는 흡광도 P는 용액층의 길이(b)와 농도(c)에 대하여 비례함을 알 수 있다.

따라서, 측정하고자 하는 시료(용액)이 고농도인지 저농도인지 알 수 없는 경우(고농도의 미지시료 또는 저농도의 미지시료)에는, 2가지의 종류에 대비하기 위하여 '발명의 배경이 되는 기술' 항목에서 이미 기술된 바와 같이, 상이한 규격의 2개의 측정 셀을 준비한 후, 선행적으로 고농도의 미지시료임을 전제로 농도 측정을 시행한 다음 시료를 희석하여 저농도의 미지시료용 측정 셀로 옮겨 다시 측정하는 번거로움이 있었던 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치 및 그 측정 방법의 일 실시예는, 상술한 종래의 번거로움을 방지하기 위하여 보다 개선된 장치 및 방법을 제안한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 일 실시예는, 도 5에 참조된 바와 같이, 단일 측정 셀(30)을 포함한다.

단일 측정 셀(30)은, 측정하고자 하는 시료(이하, '측정 시료'라 한다)를 수용하기 위한 수용 공간이 내부에 형성될 수 있다. 아울러, 단일 측정 셀(30)은 대략 상부가 개구된 직육면체 형상으로 형성되고, 수용 공간은 단일 측정 셀(30)의 내부에 직육면체 형상으로 구비될 수 있다. 이하에서는, 이해의 혼선을 방지하기 위하여, 단위 측정 셀의 긴변(장변) 방향을 '길이방향'이라 정의하고, 단위 측정 셀의 짧은변(단변) 방향을 '폭방향'이라 정의하여 설명한다.

단일 측정 셀(30)은, 그 내부에 형성된 수용 공간이, 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)가 단위 측정 셀의 길이방향으로 형성되고, 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)가 단위 측정 셀의 폭방향으로 형성될 수 있다.

제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)는 길이방향을 따라 형성되는 것인 바, 측정 시료 중 저농도용 측정 시료의 농도 측정에 적합한 것으로 전제한다. 또한, 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)는 폭방향을 따라 형성되는 것인 바, 측정 시료 중 고농도용 측정 시료의 농도 측정에 적합한 것으로 전제한다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 일 실시예는, 도 5에 참조된 바와 같이, 소정의 빛을 생성하여 조사하는 저농도 측정용 광원(10a)(이하, '저광원(10a)'이라 약칭함)과, 저광원(10a)으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치된 저농도 측정용 수광 센서(10b)(이하, '저센서(10b)'라 약칭함)와, 저광원(10a)의 빛 조사 방향에 대하여 비평행 방향(예를 들어, 직교 방향)으로 소정의 빛을 생성하여 조사하는 고농도 측정용 광원(20a)(이하, '고광원(20a)'이라 약칭함)과, 고광원(20a)으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치된 고농도 측정용 수광 센서(20b)(이하, '고센서(20b)'라 약칭함)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 저광원(10a) 및 저센서(10b)는 단일 측정 셀(30)의 길이방향 일측 및 타측 외부에 위치되도록 구비될 수 있다. 저광원(10a)으로부터 조사된 빛은 단일 측정 셀(30)의 수용 공간에 담긴 측정 시료를 통과한 후 저센서(10b)로 수렴될 수 있다.

그리고, 고광원(20a) 및 고센서(20b)는 단일 측정 셀(30)의 폭방향 일측 및 타측 외부에 위치되도록 구비될 수 있다. 바람직하게는, 단일 측정 셀(30)이 직육면체 형상의 외관을 가질 경우, 저광원(10a) 및 저센서(10b)가 직육면체의 단변 외측에 각각 구비되고, 고광원(20a) 및 고센서(20b)가 직육면체의 장변 외측에 각각 구비될 수 있다. 이때, 저광원(10a)과 고광원(20a)은 각각 단일 측정 셀(30)의 중심에서 상호 직교하도록 소정의 빛을 조사할 수 있고, 저센서(10b)와 고센서(20b)는 각각의 광원으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치될 수 있다.

저광원(10a) 및 고광원(20a) 중 고광원(20a)은 농도 측정 과정에서 반드시 동작되어야 하는 것은 아니다. 이는, 측정자 또한 측정하고자 하는 시료의 농도를 사전에 알 수 없으므로, 측정 시료가 저농도로서 후술하는 바와 같이, 기결정된 범위의 흡광도를 만족함으로써 Lambert-Beer 법칙을 그대로 적용하여 농도를 계산하는 것이 허용되는 경우에는 고광원(20a) 및 고센서(20b)의 동작은 불요하기 때문이다. 이에 대해서는, 뒤에 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 일 실시예는, 도 5에 참조된 바와 같이, 단수개로 구비된 단일 측정 셀(30)만으로도 미지의 고농도 측정 시료 또는 미지의 저농도 측정 시료의 농도를 모두 획득할 수 있다. 이로 인해, 종래 최소 2개의 측정 셀을 구비하고, 각각에 대하여 시료 투여 및 시약 투여 후에 저광원(10a) 및 고광원(20a)을 별개로 조사함으로써 농도 측정하던 방식에서 벗어나 매우 간명한 방법으로 농도를 획득할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 다른 실시예는, 도 6에 참조된 바와 같이, 소정의 빛을 생성하여 조사하는 측정용 광원(40a), 측정용 광원(40a)으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치된 측정용 수광 센서(40b), 그리고 본 발명의 일 실시예에서 이미 설명한 상기 단일 측정 셀(30a)과, 단일 측정 셀(30a)을 90도 회전시키는 셀 회동부(50)와, 측정용 광원(40a) 및 측정용 수광 센서(40b)를 상호 이격시키거나 근접시키는 센서 이동부(60)를 포함한다.

여기서, 단일 측정 셀(30a)은, 기본적으로 일 실시예에서 설명한 것과 동일한 구성이나, 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)는 측정용 광원(40a)과 측정용 수광 센서(40b) 사이로서 길이방향으로 형성되는 것으로 정의될 수 있고, 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)는 측정용 광원(40a)과 측정용 수광 센서(40b) 사이로서 폭방향으로 형성되는 것으로 정의될 수 있다.

상술한 일 실시예에서와 마찬가지로, 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)는 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)보다 길게 설정될 수 있다.

한편, 셀 회동부(50)는, 도 6에 참조된 바와 같이, 단일 측정 셀(30a)의 하부에 배치되어 단일 측정 셀(30a) 전체를 상하 방향 회전축을 중심으로 90도 일측 및 90도 타측으로 회전시킬 수 있다.

아울러, 센서 이동부(60)는, 도면에 상세하게 도시되지 않았으나, 측정용 광원(40a) 및 측정용 수광 센서(40b)의 하부에 배치되어 측정용 광원(40a) 및 측정용 수광 센서(40b)를 상호 근접하거나 이격되는 방향으로 슬라이딩 이동시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는, 상술한 일 실시예의 경우 단일 측정 셀(30)이 고정되고, 그 주변으로 상술한 저광원(10a), 저센서(10b), 고광원(20a) 및 고센서(20b)를 배치한 것에 반하여, 단일 측정 셀(30a)을 회동 가능하게 구비하고, 농도 측정을 위한 광원 및 수광 센서를 단수개로서 측정용 광원(40a) 및 측정용 수광 센서(40b)로 각각 구비한 점에서 차이가 있다.

단일 측정 셀(30a)은 농도 측정 과정에서 회전 동작이 이루어지지 않을 수도 있다. 일 실시예와 마찬가지로, 측정자는 측정하고자 하는 시료의 농도를 사전에 알 수 없는 바, 측정 시료가 저농도로서 후술하는 바와 같이, 기결정된 범위의 흡광도를 만족함으로써 Lambert-Beer 법칙을 그대로 적용하여 농도를 계산하는 것이 허용되는 경우에는 고농도 측정 시료의 농도 계산을 위한 단일 측정 셀(30a)의 회전 동작은 불요하기 때문이다. 이에 대해서도, 뒤에 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 도 7에 참조된 바와 같이, 상술한 다른 실시예에서와 마찬가지로, 단일의 측정용 광원(70a) 및 단일의 측정용 수광 센서(70b)가 구비될 수 있다.

다만, 본 발명의 또 다른 실시예는, 단일 측정 셀(30)의 일측으로 저농도층 수용부(30')가 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가지도록 형성되고, 저농도층 수용부(30')의 일측에 상호 연통되게 고농도층 수용부(30")가 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)를 가지도록 형성될 수 있다.

저농도층 수용부(30') 및 고농도층 수용부(30")에는 측정 시료가 수용되면 두 군데 모두에 섞이도록 구비됨과 아울러, 추후 투여되는 시약 또한 함께 섞이도록 상호 연통되게 구비될 수 있다.

다만, 저농도층 수용부(30')를 통하여 측정용 광원(70a)으로부터 조사된 빛이 고농도층 수용부(30")로 흡수되거나 고농도층 수용부(30")의 빛이 측정 중인 저농도층 수용부(30')에 영향을 미치지 않도록 함은 물론, 그 반대의 경우를 방지하기 위하여, 저농도층 수용부(30')와 고농도층 수용부(30") 사이에는 분리판(35)이 구비될 수 있다.

분리판(35)의 하단부는, 저농도층 수용부(30')와 고농도층 수용부(30')의 측정 시료가 상호 섞일 수 있도록 연통 구비될 수 있다.

또한, 외부로부터의 빛의 영향을 최소화할 수 있도록, 단일 측정 셀(30)은, 측정용 광원(70a)으로부터 측정용 수광 센서(70b)에 이르는 광 경로를 제외하고 나머지 외측면은 불투명하게 형성될 수 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 경우, 단일 측정 셀(30)의 내부에 측정 시료를 투여하면 연통되게 구비된 분리판(35)에 의하여 측정 시료가 저농도층 수용부(30') 및 고농도층 수용부(30") 전부에 채워지고, 측정자는 먼저 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가지는 저농도층 수용부(30')를 측정용 광원(70a)이 조사하도록 하여 농도를 측정하고, 필요시, 단일 측정 셀(30)을 직선 방향으로 소정거리 이동시킨 후 고농도층 수용부(30")를 측정용 광원(70a)이 조사하도록 하여 농도를 측정할 수 있다.

그러므로, 상술한 본 발명의 다른 실시예와 비교하면, 본 발명의 또 다른 실시예는, 측정용 광원(70a) 및 측정용 수광 센서(70b)를 직선이동시키거나 단일 측정 셀(30')을 회전시킬 필요 없이, 단순히 단일 측정 셀(30)을 직선 이동시킴으로써 보다 간명한 측정이 가능하게 하는 이점을 가진다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 도 8에 참조된 바와 같이, 상술한 또 다른 실시예(도 7 참조)에서와 마찬가지로, 단일의 측정용 광원(70a) 및 단일의 측정용 수광 센서(70b)가 구비될 수 있다.

다만, 본 발명의 또 다른 실시예는, 도 5 및 도 6에 참조된 바와 같이, 단일 측정 셀(30)의 길이방향으로 저농도층 수용부(32)가 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가지도록 형성되고, 단일 측정 셀(30)의 폭방향으로 고농도층 수용부(31)가 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)를 가지도록 형성되며, 단일 측정 셀(30)의 저농도층 수용부(32) 및 고농도층 수용부(31)의 일측(특히, 저농도층 수용부(32)의 폭방향 일측)으로는 복합농도층 수용부(33)가 소정의 경사면(37)을 가지도록 형성될 수 있다.

여기서, 소정의 경사면(37)이라 함은, 고농도층 수용부(31)의 일단으로부터 폭방향 일측으로 경사지게 연장된 면으로 정의될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 단일의 측정용 광원(70a)이 구비된 측을 전방이라 하고, 단일의 측정용 수광 센서(70b)가 구비된 측을 후방이라 정의할 경우, 경사면(37)이 고농도층 수용부(31)의 후단으로부터 후방측 및 폭방향 일측으로 경사지게 연장되게 형성되는 것으로 도시하여 설명하고 있으나, 반드시 경사면(37)이 복합농도층 수용부(33)의 전단부에 형성되어야 하는 것은 아니고, 복합농도층 수용부(33)의 후단부에 형성되는 것도 가능하다.

경사면(37)은, 도 8에 참조된 바와 같이, 단일 측정 셀(30)의 전후 길이방향에 대하여 소정 각도(도 8의 도면부호 "D" 참조) 경사지게 형성될 수 있다.

이와 같은, 복합농도층 수용부(33)가 더 구비된 본 발명의 또 다른 실시예는, 상하 회전축(도 8의 도면부호 "C" 참조)을 기준으로 셀 회동부(50')에 의하여 회전되거나, 상하 회전축(C)이 셀 이동부(50")에 의하여 직선 방향으로 소정거리 이동될 수 있다.

셀 회동부(50')에 의한 단일 측정 셀(30)의 회동을 통한 흡광도의 측정은 도 6에 따른 본 발명의 다른 실시예에 준한다. 즉, 측정자는 측정하고자 하는 시료의 농도를 사전에 알 수 없으므로, 측정 시료가 저농도로서 기결정된 범위의 흡광도를 만족함으로써 Lambert-Beer 법칙을 그대로 적용하여 농도를 계산하는 것이 허용되는 경우에는 고농도 측정 시료의 농도 계산을 위한 단일 측정 셀(30)의 회전 동작은 요하지 않는다. 즉, 셀 회동부(50')는 측정하고자 하는 시료의 농도가 기결정된 범위의 흡광도를 벗어난 경우에만 단일 측정 셀(30)을 회동 구동시킬 수 있다.

보다 상세하게는, 측정하고자 하는 시료의 농도를 알 수 없는 경우로서, 저농도층 수용부(32)를 통하여 측정된 흡광도가 기결정된 범위의 흡광도를 벗어나는 경우, 고농도층 수용부(31)를 통하여 측정하기 전에 복합농도로 예상하여, 상술한 복합농도층 수용부(33)의 경사면(37)을 통한 시료의 농도 측정이 가능하다.

여기서, 셀 이동부(50")는, 측정하고자 하는 시료의 농도가 저농도와 고농도의 사이로 예상되는 것으로서 그 구분이 명확하지 않는 미지 시료인 경우, 상술한 저농도층 수용부(32) 및 고농도층 수용부(31)에 의한 농도 측정을 할 필요 없이, 곧바로 단일 측정용 셀(30)을 단일 측정용 광원(70a)으로부터 조사된 빛이 경사면(37)을 통과한 후 단일 측정용 수광 센서(70b)로 수광되도록 이동시키는 역할을 한다. 경사면(37)을 통과한 단일 측정용 광원(70a)의 조사된 빛이 단일 측정용 수광 센서(70b)에 도달한 양을 기결정된 흡광도와 비교함으로써 최종적으로 시료의 농도를 산출할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 실시예들을 이용하여 측정 시료의 농도를 측정하는 측정 방법의 실시예를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 9a 내지 도 9c는 저농도 및 고농도 측정치의 검량선을 나타낸 그래프이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 방법의 일 실시예를 나타낸 순서 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치를 이용하여 측정 시료의 농도를 정확하게 계산해내기 위해서는, 단일 측정 셀(30)이 아닌 다양한 크기의 측정 셀을 이용한 농도별 흡광도를 나타내는 검량선 데이터를 확보할 필요가 있다.

도 9a는 저농도 측정 시료 및 고농도 측정 시료의 데이터가 100mm의 용액 길이를 가지는 측정 셀을 이용하여 검출한 통합 검량선(0~3000ppb) 데이터 그래프이다. 도 9a의 그래프를 참조하면, 저농도 측정 시료 및 고농도 측정 시료가 모두 포함된 결과로서, 광원(저광원(10a) 및 고광원(20a))의 직선성이 성립되지 않음을 확인할 수 있다.

도 9b는 저농도 측정 시료의 데이터가 100mm의 용액 길이를 가지는 측정 셀을 이용하여 검출한 저농도 측정치 검량선(0~500ppb) 데이터 그래프이다. 도 9b의 그래프는, 도 9a와는 달리, 0ppb~500ppb 구간에서 직선성이 성립되는 것을 확인할 수 있다.

마지막으로, 도 9c는 고농도 측정 시료의 데이터가 10mm의 용액 길이를 가지는 측정 셀을 이용하여 검출한 고농도 측정치 검량선(500~3000ppb) 데이터 그래프이다. 도 9c를 참조하면, 고농도 구간의 경우 100mm의 용액 길이를 가지는 측정 셀로는 그 확인이 불가한 바, 10mm의 용액 길이를 가지는 측정 셀을 이용하여 확보한 것으로서, 직선성이 성립됨을 확인할 수 있다.

그러므로, 가령, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 실시예들에 사용되는 단위 측정 셀의 저농도 구간에 해당하는 제1 설정 거리의 용액 길이(b1)가 100mm이고, 단위 측정 셀의 고농도 구간에 해당하는 제2 설정 거리의 용액 길이(b2)가 10mm로 설정된 경우, 이로부터 측정한 흡광도를 상기 도 9a 내지 도 9c의 검량선 데이터에 대입함으로써 최종적인 측정 시료의 농도를 계산해낼 수 있게 된다.

여기서, 측정 시료의 측정 흡광도가 저농도 구간을 이용하여 측정한 결과값으로서, 설정 범위 내의 흡광도를 벗어나지 않는 경우에는, 측정 시료는 저농도로서 적합한 결과값을 확보할 수 있으므로, 일 실시예의 고광원(20a) 및 고센서(20b)의 추가 동작은 불필요함은 물론, 다른 실시예의 셀 회동부(50)의 추가 동작은 불필요하다.

한편, 도 9a 내지 도 9c에는 도 8에 의하여 구현되는 본 발명의 또 다른 실시예의 구성 중 경사면(37)을 통과하는 흡광도에 대한 검량선 데이터를 개시하지 않고 있으나, 다양한 데이터 확보 과정을 통해 경사면(37)을 통과하는 흡광도에 대한 검량선 데이터의 구축이 가능한 바, 경사면(37)을 빛이 통과하도록 하는 경우에는 해당 검량선 데이터를 비교하여 측정 시료의 농도를 계산할 수 있는 것은 당연하다고 할 것이다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 일 실시예를 활용하여 측정 시료의 농도를 측정하는 방법을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 방법의 일 실시예는, 도 10에 참조된 바와 같이, 단위 측정 셀(이하, '측정 셀'이라 한다) 내부에 측정 시료를 주입하는 시료 주입 단계(S10)와, 시료 주입 단계(S10) 후, 시약을 주입하는 시약 주입 단계(S50)와, 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가진 길이방향 일측과 타측에 각각 배치된 저광원(10a) 및 저센서(10b)를 동작시켜 흡광도를 측정하는 저농도용 흡광도 측정 단계(S70)와, 측정된 흡광도를 이용하여 측정 시료의 농도를 계산하는 농도 계산 단계(S80)를 포함한다.

보다 상세하게는, 측정자는, 단일 측정 셀(30)의 수용 공간에 측정 시료를 주입한다(S10). 이때, 본 발명의 일 실시예는, 단일 측정 셀(30) 내부에 주입된 측정 시료의 기포 및 미세한 물질들의 움직임이 최소화되도록 기결정된 시간 동안(시료 안정화에 소요되는 시간일 것이다) 대기하는 제1 시료 안정화 단계(S20)를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 측정자는, 시약을 주입하기 전, 저광원(10a)을 이용하여 흡광도 측정을 위한 빛을 조사하고, 저센서(10b)를 이용하여 투과 광량을 미리 측정한다(S30). 그리고, 측정자는, 시약을 주입하기 전, 고광원(20a)을 이용하여 흡광도 측정을 위한 빛을 조사하고, 고센서(20b)를 이용하여 투과 광량을 미리 측정한다(S40).

본 발명의 일 실시예는, 측정 시료의 농도 측정에 필요한 시약을 측정 규칙에 따라 순차 주입하는 시약 주입 단계(S50)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 시약 주입 단계(S50)는, 도 10에 참조된 바와 같이, 먼저 주입된 측정 시료와 함께 시약을 교반하는 과정을 포함할 수 있다(S50). 아울러, 본 발명의 일 실시예는, 시약 주입 단계(S50) 후 기결정된 시간 동안 대기하는 제2 시료 안정화 단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 제2 시료 안정화 단계(S60)는, 농도 측정용 시약이 시료와 충분하게 반응하도록 측정 규칙에 따라 대기하는 단계일 수 있다.

다음으로, 저광원(10a) 및 저센서(10b)를 이용하여, 시약 반응 후 투과한 투과 광량을 측정하는 저농도용 흡광도 측정 단계(S70)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 확보한 저농도용 흡광도를 미리 준비해둔 농도별 흡광도에 관한 저농도 측정 범위의 검량선 테이블에 대입하여 저농도 측정 범위의 흡광도를 계산할 수 있다(S80).

여기서, 측정자는, 저농도용 흡광도 측정 단계(S70)에서 확보한 저농도용 흡광도가 기설정된 범위의 흡광도 범위를 벗어났는지 여부를 판정할 수 있다(S90).

저농도용 흡광도 측정 단계(S70)에서 측정된 흡광도가 기설정된 범위를 벗어난 것으로 판정된 경우, 측정자는, 고광원(20a) 및 고센서(20b)를 이용하여, 시약 반응 후 투과한 흡광도를 측정하는 고농도용 흡광도 측정 단계(S100)를 수행할 수 있다. 마찬가지로, 이와 같이 확보한 고농도용 흡광도를 미리 준비해둔 고농도의 농도별 흡광도에 관한 검량선 테이블에 대입하여 고농도 측정 범위의 흡광도를 계산할 수 있다(S110).

최종적으로, 저농도용 흡광도 측정 단계(S70)에서 확보한 저농도용 흡광도가 기결정된 범위의 흡광도 범위를 벗어나지 않은 경우에는 저농도 측정 범위의 흡광도 값을 검량선 데이터에 대입하여 측정 시료의 농도를 계산할 수 있고(S120), 고농도용 흡광도 측정 단계(S100)를 수행한 경우에는 고농도 측정 범위의 흡광도 값을 검량선 테이블에 대입하여 측정 시료의 농도를 계산할 수 있다(S130).

이상, 본 발명의 실시예에 따른 흡광도를 이용한 농도 측정 장치의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명의 실시예가 상술한 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 및 균등한 범위에서의 실시가 가능함은 당연하다고 할 것이다. 그러므로, 본 발명의 진정한 권리범위는 후술하는 청구범위에 의하여 정해진다고 할 것이다.

1,5: 측정 셀 10a: 저농도 측정용 광원
10b: 저농도 측정용 수광 센서 20a: 고농도 측정용 광원
20b: 고농도 측정용 수광 센서 30,30a: 단일 측정 셀
31: 고농도층 수용부 32: 저농도층 수용부
33: 복합농도층 수용부 37: 경사면
40a: 측정용 광원 40b: 측정용 수광 센서
50: 셀 회동부 60: 센서 이동부
b1: 제1 설정 거리의 용액층의 길이 b2: 제2 설정 거리의 용액층의 길이

Claims (4)

1. 흡광도를 이용한 농도 측정 방법으로서,
   소정의 빛을 생성하여 조사하는 단일 측정용 광원을 마련하는 단계;
   상기 단일 측정용 광원으로부터 조사된 빛을 수렴하도록 배치된 단일 측정용 수광 센서를 마련하는 단계;
   상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 길이방향으로써 저농도 측정을 위한 제1 설정 거리의 용액층의 길이(b1)를 가지는 저농도층 수용부, 상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 폭방향으로써 고농도 측정을 위한 제2 설정 거리의 용액층의 길이(b2)를 가지는 고농도층 수용부 및 상기 단일 측정용 광원과 상기 단일 측정용 수광 센서 사이의 폭방향으로 경사지게 형성된 경사면을 가지도록 형성되고 상기 저농도 및 상기 고농도 사이의 복합농도 측정을 위한 복합농도층 수용부가 구비된 단일 측정 셀을 마련하는 단계;
   상기 저농도층 수용부 및 상기 고농도층 수용부 중 어느 하나를 통한 시료의 농도 측정을 위해 상기 단일 측정 셀을 상하 회전축을 기준으로 회동시키는 셀 회동부를 마련하는 단계;
   상기 저농도층 수용부와 상기 고농도층 수용부 및 상기 복합농도층 수용부 중 어느 하나를 통한 시료의 농도 측정을 위해 상기 단일 측정 셀을 폭방향으로 직선 이동시키는 셀 이동부를 마련하는 단계;
   상기 단일 측정용 광원의 조사에 의하여 측정된 상기 저농도층 수용부의 투과 광량이 기결정된 범위의 흡광도를 벗어난 것으로서 상기 고농도층 수용부의 투과 광량을 측정하기 전에 상기 단일 측정용 광원이 상기 경사면을 통과하도록 상기 셀 이동부가 동작되는 단계;
   상기 단일 측정용 광원의 조사에 의하여 측정된 상기 저농도층 수용부의 투과 광량이 기결정된 범위의 흡광도를 벗어날 경우에만 상기 고농도층 수용부의 투과 광량을 측정하기 위해 상기 셀 회동부가 동작되는 단계를 포함하며,
   상기 흡광도를 이용한 농도 측정은,
   상기 단일 측정 셀의 수용 공간에 측정 시료를 주입하는 시료 주입 단계;
   상기 단일 측정 셀의 내부에 주입된 상기 측정 시료의 기포 및 미세한 물질들의 움직임이 최소화되도록 기결정된 시간 동안 대기하는 제1 시료 안정화 단계;
   상기 측정 시료의 농도 측정에 필요한 시약을 측정 규칙에 따라 순차 주입하는 시약 주입 단계;
   상기 시약 주입 단계 후 기결정된 시간 동안 대기하는 제2 시료 안정화 단계;
   측정된 상기 투과 광량에 의한 흡광도를 검량선 테이블에 대입하여 측정 시료의 농도를 계산하는 단계;를 포함하는,
   흡광도를 이용한 농도 측정 방법.
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