KR102185242B1 - 광 커플러를 이용한 수질 오염 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 커플러를 이용한 수질 오염 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템은, 빛을 방출하는 광원부; 수질을 측정하고자 하는 시료가 위치하는 샘플 시료부; 상기 광원부로부터 방출된 빛을 반사시키는 기준 측정부; 상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 샘플 시료부 및 상기 기준 측정부로 분배하는 광 커플러; 상기 광원부와 상기 광 커플러를 연결하며, 상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 광 커플러로 가이드하는 제1 광섬유; 상기 광 커플러와 상기 샘플 시료부를 연결하는 제2 광섬유; 상기 광 커플러와 상기 기준 측정부를 연결하는 제3 광섬유; 상기 샘플 시료부로부터 전달되는 것으로서, 상기 제2 광섬유 및 상기 광 커플러에 연결된 제4 광섬유를 통해 가이드되는 빛의 데이터를 수집하는 제1 검출부; 및 상기 샘플 시료부에 연결되며 상기 시료를 통과한 빛의 산란에 의한 형광 신호 데이터를 수집하는 제2 검출부를 포함할 수 있다.

Description

광 커플러를 이용한 수질 오염 측정 시스템{WATER POLLUTION MEASUREMENT SYSTEM USING OPTICAL COUPLER}
본 발명은 광 커플러를 이용한 실시간 수질 오염 측정 시스템에 관한 것이다.
산업화 이후 배출 오염원의 증가로 인하여 국내의 많은 호수와 하천들이 오염되었고, 조류의 대량 발생 등과 같은 부영양화 현상이 빈번히 발생하여 큰 사회적 문제가 되고 있다.
또한, 최근 상수원으로 이용되는 호수에서 남조류의 대량 발생으로 인하여 이취미 문제, 독소 문제 등의 정수상 문제가 발생하고 있다. 녹조 현상은 하천, 호수 등에서 수온이 상승하고 물의 흐름이 완만해지면서 수중의 녹조 또는 남조류가 대량으로 증식하여 수면이 녹색 또는 남색을 띄는 현상으로, 시각적 착색이나 녹조에 의해 죽은 물고기 등으로 시각적인 불쾌감을 유발한다. 공중 위생 측면에서도, 남조류 독소는 인체 및 가축의 건강에 해를 끼치고, 생태학적으로는 생태계 파괴로 인한 토종 동물의 사멸 또는 서식처 이동이 야기된다. 이뿐만 아니라, 경제적 측면에서, 여가 활동 및 여행 감소로 지역 경제적 손실, 농업용수, 산업용수 부족으로 인한 경제적 손실이 있게 되고, 조류 독소에 의해 가축이나 야생동물의 폐사되거나, 대량 증식한 조류가 분해되는 동안 수중 용존산소 감소로 인한 물고기 및 수중생물이 폐사되는 등 동물 건강에도 악영향을 미친다.
하, 폐수와 같이 유기물을 포함하는 물의 수질을 측정하기 위한 요소로는 총 유기탄소가 있다. 총 유기탄소를 분석하는 방법은, 시료에 포함되어 있는 탄산이온과 같은 무기탄소를 제거하는 과정, 산화제를 이용하여 유기물을 이산화탄소로 산화시키는 과정 및 산화된 시료를 분석하는 과정으로 구성될 수 있다. 유기물을 이산화탄소로 산화시키는 과정은 습식산화 또는 연소산화로 수행된다. 습식산화는 시료에 자외선을 조사하여 산화시키는 방법으로 산화력을 높이기 위해 과황산염(persulfate) 또는 오존을 투입하거나 온도를 높이는 단계가 추가된다. 연소산화는 650℃ 내지 950℃의 고온에서 유기물을 산화시키는 방법이다. 일반적으로 습식산화는 저농도나 부유물이 적은 시료 분석에 적합하고, 연소산화는 고농도나 부유물이 많은 시료 분석에 적합하므로 분석을 위한 시료에 따라 적절한 산화 방법을 선택한다.
수질을 측정하기 위한 총 유기탄소 분석의 정확성 및 재현성을 높이기 위하여, 산화 과정에서 유기물을 최대한 산화시키는 것이 중요하다. 특히 습식산화의 경우 연소산화에 비하여 산화력이 낮기 때문에 산화력을 높일 필요가 있는데, 종래 기술에 의할 경우, 산화력을 높이기 위해 산화제, 촉매, 오존 등을 투입함에도 산화가 충분하지 않아 총 유기탄소의 정확한 측정이 곤란한 문제점이 있다. 또한, 산화 과정이 포함됨으로써 소요되는 시간이 길어지고, 전체 분석 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
다음으로, 산화된 시료를 분석하는 과정은 산화과정에서 발생하는 이산화탄소를 비분산적외선(NDIR: Non-Dispersive Infrared Absorption) 방법으로 정량화하는 방법과 시료가 산화되기 전과 후의 전기전도도를 측정하여 비교하는 방법이 사용된다. 이러한 전기전도도를 측정하는 방법은 초저농도의 시료 분석에 적합하며 일반적으로는 비분산적외선 방법이 많이 사용되고 있다.
산화된 시료를 분석하는 과정과 관련하여, 빛이 시료를 통과하면서 생성된 형광과 산란광을 광학센서를 이용하여 측정한 뒤, 측정된 데이터를 컴퓨터로 전송하여 시료의 수질을 분석하는 수질 측정 장치가 공개되어 있다. 하지만, 상술한 수질 측정 장치에 의할 경우, 데이터 분석에 소요되는 시간, 광원 노후화에 의한 손실 등 여러 가지 변수가 발생하기 때문에 적합한 유지보수 또는 적절한 보정 작업이 필요하다.
대한민국공개특허공보 제2013-0108782호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 광손실을 최소화하여 측정 정확도를 높일 수 있는 광 커플러를 이용한 실시간 수질 오염 측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템, 빛을 방출하는 광원부; 수질을 측정하고자 하는 시료가 위치하는 샘플 시료부; 상기 광원부로부터 방출된 빛을 반사시키는 기준 측정부; 상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 샘플 시료부 및 상기 기준 측정부로 분배하는 광 커플러; 상기 광원부와 상기 광 커플러를 연결하며, 상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 광 커플러로 가이드하는 제1 광섬유; 상기 광 커플러와 상기 샘플 시료부를 연결하는 제2 광섬유; 상기 광 커플러와 상기 기준 측정부를 연결하는 제3 광섬유; 상기 샘플 시료부로부터 전달되는 것으로서, 상기 제2 광섬유 및 상기 광 커플러에 연결된 제4 광섬유를 통해 가이드되는 빛의 데이터를 수집하는 제1 검출부; 상기 샘플 시료부에 연결되며 상기 시료를 통과한 빛의 산란에 의한 형광 신호 데이터를 수집하는 제2 검출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광 커플러를 이용하여 샘플 시료부과 기준 측정부의 농도를 동시에 측정함으로써 시스템을 장시간 작동하더라도 교정을 정확하게 할 수 있으며, 이로써 수질 오염 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 실시간으로 수중에 존재하는 유기물을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제2 광섬유 및 샘플 시료부의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 제3 광섬유 및 기준 측정부의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 획득된 농도 별 흡광도 및 형광 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다중 회귀 분석에 따른 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리 후 흡광도를 나타내는 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서, 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
또한 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로써, 본 발명을 한정하려는 의도로 사용되는 것이 아니다.
또한 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한 본 명세서에서, '및/또는' 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 본 명세서에서, 'A 또는 B'는, 'A', 'B', 또는 'A와 B 모두'를 포함할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 수질 오염 측정 시스템은, 광원부(100), 광 커플러(200), 광섬유(250a~250d), 샘플 시료부(300), 제1 검출부(410), 제2 검출부(420), 기준 측정부(500) 및 신호 처리부(600)를 포함할 수 있다.
먼저, 광원부(100)는 광원(110), 셔터(120) 및 함수 발생기(130)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 샘플 시료부(300) 및 기준 측정부(500)를 향해 빛을 조사하는 기능을 수행할 수 있으며, 파장이 10nm 내지 800nm인 자외선 및 가시광선 영역의 빛을 조사하는 LED(Light-Emitting Diode; 발광 다이오드) 및 LD(Laser Diode; 레이저 다이오드) 중 적어도 어느 하나에 의하여 구성될 수 있다.
광원부(100)의 일단에 연결된 제1 광섬유(250a) 및 샘플 시료부(300)의 일단에 연결된 제2 광섬유(250b)는 광원(110)으로부터 조사된 빛을 샘플 시료부(300)로 가이드하고, 제1 광섬유(250a) 및 제2 광섬유(250b)는 광 커플러(200)에 의해 연결될 수 있다.
또한, 제1 광섬유(250a) 및 기준 측정부(500)의 일단에 연결된 제3 광섬유(250c)는 광원(110)으로부터 조사된 빛을 기준 측정부(500)로 가이드하고, 제1 광섬유(250a) 및 제3 광섬유(250c)는 광 커플러(200)에 의해 연결될 수 있다.
셔터(120)는 광원(110)의 일단에 연결되며, 광원(110)으로부터 발생되어 샘플 시료부(300) 또는 기준 측정부(500)로 가이드 되는 빛의 연속성 또는 불연속성을 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 측정된 샘플 시료의 농도 값의 부정확도가 기준으로부터 기 설정된 범위 이상이거나 이하인 경우, 셔터(120)는 불연속적인 빛이 샘플 시료부(300)에 전달되도록 제어할 수 있으며, 예를 들어 부정확도가 기준의 90% 내지 110%를 벗어나는 경우 불연속적인 빛이 샘플 시료부(300)에 전달되도록 제어할 수 있다.
여기서 측정된 샘플 시료의 농도 값의 부정확도는 광원 또는 검출부의 성능 이상을 의미하는 것이며, 기준 시료에 대한 측정 값을 기초로 측정된 것으로서, 광원 또는 검출부의 성능 이상으로 발생되는 신호 세기의 이상한 정도를 나타낸 것이다.
다음으로, 함수 발생기(130)는 사용자가 주파수 값, 파형의 종류 등을 설정하여 입력할 수 있는 장치일 수 있다.
다음으로 광 커플러(200)는 광 신호(또는 빛)를 분배하거나 결합하는 기능을 수행할 수 있다. 광 커플러(200)는 제1 광섬유(250a)를 통해 전달된 빛을 제2 광섬유(250b) 및 제3 광섬유(250c)로 분배할 수 있으며, 이때 제2 광섬유(250b)에 전달되는 빛의 세기와 제3 광섬유(250c)에 전달되는 빛 세기가 동일할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 광 커플러(200)는 2x2 커플러 형태일 수 있다.
샘플 시료부(300)는 수질을 측정하고자 하는 시료가 위치할 수 있으며, 샘플 시료부(300)에는 광원으로부터의 빛을 전달받고 시료를 통과하고 반사된 빛이 제1 검출부(410)로 전달되도록 하는 제2 광섬유(250b)가 연결될 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나 샘플 시료부(300)는 시료가 담기는 용기인 시료 셀과 시료 셀을 고정하며 제2 광섬유(250b)와의 연결을 용이하게 하는 홀더를 포함할 수 있다. 또한, 샘플 시료부(300)에는 제2 광섬유(250b)를 통해 가이드된 빛이 반사될 수 있도록 하는 거울이 포함될 수 있으며, 거울은 제2 광섬유(250b)가 결합되는 샘플 시료부(300)의 일 면과 대향하는 타 면 상에 위치할 수 있다.
다음으로, 제1 검출부(410)는 제2 및 제4 광섬유(250b, 250d)를 통해 가이드된 빛의 데이터를 수집할 수 있으며, 제1 검출부(410)로 입력되는 빛은 시료를 통과한 후 반사된 것일 수 있다.
제1 검출부(410)는 시료를 통과한 빛의 흡광 신호와 산란광 신호를 얻을 수 있으며, 제1 검출부(410)로 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis: Ultraviolet-Visible Spectrophotometer) 영역에 해당하는 파장의 빛 데이터를 획득할 수 있는 분광기 및 포토디텍터가 사용될 수 있다.
예를 들어, 분광기로는 5nm 이하의 분해능과 CCD(Charge-coupled Devices) 어레이 형태인 체르니 터너형 분광기가 사용될 수 있고, 포토디텍터로는 자외선 영역에 민감한 포토디텍터(UV enhanced photodetector)가 사용될 수 있다.
분광기는 시료의 흡광 신호를 수집하고, 흡광도 도출 계산법에 의해 흡광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이에 의해, 표준 용액의 농도에 따른 흡광도를 측정한 결과 자외선 영역에서 흡광도가 선명하게 나타나므로 시료의 유기물 농도를 측정하기 위한 정량화가 가능하다. 이때 시료의 표준 용액으로는 수질 오염 공정 실험법에서 사용중인 프탈산수소칼륨(KHP, Potassium hydrogenphthalate)을 이용할 수 있다.
포토디텍터는 랩뷰(Labview) 프로그램을 이용하여 실시간으로 흡광 신호의 변화를 측정할 수 있는 프로그램을 구성할 수 있다. 이에 의해, 표준 용액의 농도에 따른 흡광도를 측정한 결과 고농도와 저농도 모두에서 흡광도가 선명하게 나타나므로 시료의 유기물 농도를 측정하기 위한 정량화가 가능하다.
또한, 분광기 또는 포토디텍터 외에 제1 검출부(410)로 광전자 증배관이 사용될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 제1 광섬유 내지 제4 광섬유(250a, 250b, 250c, 250d)는 싱글 모드일 수도 있고 다중 모드일 수도 있다. 또한, 제1 광섬유 내지 제4 광섬유(250a, 250b, 250c, 250d)는 소정의 반사율을 갖는 물질로 이루어진 코어를 포함하며, 제1 광섬유 내지 제4 광섬유(250a, 250b, 250c, 250d)의 열화를 방지하기 위하여 코어의 외주면에는 내열성이 좋은 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 주석(Sn) 등의 금속 물질이 코팅되어 있을 수 있다. 제1 광섬유 내지 제4 광섬유(250a, 250b, 250c, 250d)의 코어 직경은 광손실을 최소화하기 위하여 적어도 100um 이상일 수 있다.
다음으로, 제2 검출부(420)는 샘플 시료부(300)에 연결되며, 빛이 시료를 통과한 후 산란에 의한 형광 신호 데이터를 수집할 수 있다.
제1 검출부(410)에서는 유기물 측정에 대한 정확한 판단이 가능한 반면, 형광 신호 데이터는 시료에 포함된 조류에 의한 것이므로 제2 검출부(420)에서는 시료에 포함된 녹조량에 정확하게 판단할 수 있다.
제2 검출부(420)로 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis: Ultraviolet-Visible Spectrophotometer) 영역에 해당하는 파장의 빛 데이터를 획득할 수 있는 분광기, 포토디텍터 및 광전자 증배관 중 적어도 하나가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템은 제1 밴드패스 필터(430) 및 제2 밴드패스 필터(440)를 더 포함할 수 있다.
제1 밴드패스 필터(430)는 제1 검출부(410)와 광 커플러(200) 사이에 위치하며, 제4 광섬유(250d)를 통해 가이드된 빛 중 기 설정된 범위의 파장을 갖는 빛만 통과하여 제1 검출부(410)로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 상기 기 설정된 범위의 파장은 예를 들어, 유기물 측정 범위인 270nm 내지 290nm일 수 있으며, 수중 내 미세 부유물질의 판별을 고려하여 600nm 내지 700nm 일 수도 있다.
제2 밴드패스 필터(440)는 샘플 시료부(300)와 제2 검출부(420) 사이에 위치하며, 기 설정된 범위의 파장을 갖는 빛만 통과하여 제2 검출부(420)로 전달될 수 있도록 할 수 있다. 상기 기 설정된 범위의 파장은 클로로필을 포함하는 조류 함유량에 대한 형광 신호를 측정할 수 있도록, 예를 들어, 650nm 내지 750nm 일 수 있다.
한편, 도면에 도시되지는 않았으나, 본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템에는 적어도 하나 이상의 집광 렌즈가 더 구비될 수 있다.
집광 렌즈는 빛의 진행 경로에 구비되어 빛을 집광시키는 기능을 수행하며 이로써 제1 및 제2 검출부(410, 420)로 수집되는 빛의 손실을 최소화할 수 있다. 구체적으로는, 집광 렌즈는 광원부(100)와 제1 광섬유(250a)의 연결부에 구비되어 광원부(100)로부터 방출되는 빛을 집광하거나, 제2 광섬유(250b)와 샘플 시료부(300)의 연결부에 구비되어 제2 광섬유(250b)를 통해 가이드된 빛을 집광하거나, 제3 광섬유(250c)와 기준 측정부(500)의 연결부에 구비되어 제3 광섬유(250c)를 통해 가이드된 빛을 집광하거나, 제4 광섬유(250d)와 제1 검출부(410)의 연결부에 구비되어 제4 광섬유(250d)를 통해 가이드된 빛을 집광할 수 있다.
다음으로, 기준 측정부(500)는 광원으로부터 전달받은 빛을 반사시켜 제1 검출부(410)로 전송할 수 있다. 이때 기준 측정부(500)에서 반사된 빛은 제3 광섬유(250c) 및 제4 광섬유(250d)를 통해 가이드되어 제1 검출부(410)로 전송될 수 있다.
기준 측정부(500)에서 반사되어 제1 검출부(410)에서 분석된 빛 신호는 본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템을 교정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 기준 측정부(500)에서 반사되어 제1 검출부(410)에서 분석된 빛 신호를 참조하여 광원이나 검출부의 현재 상태를 모니터링할 수 있으며, 농도 검량선에서 틀어진 정도를 구별할 수 있다.
기준 측정부(500)에는 제3 광섬유(250c)를 통해 가이드된 빛이 반사될 수 있도록 하는 거울이 포함될 수 있으며, 거울은 제3 광섬유(250c)가 결합되는 기준 측정부(500)의 일 면과 대향하는 타 면 상에 위치할 수 있다.
다음으로, 신호 처리부(600)는 제1 검출부(410 )및 제2 검출부(420)에서 수집한 데이터로부터 시료의 수질을 측정할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(600)는 다중회귀분석 알고리즘으로 정량화된 데이터를 기초로 흡광 신호를 정량화함으로써 시료의 수질을 측정할 수 있다.
수집된 데이터는 아래의 수학식 1에 따른 신호 처리 과정을 거칠 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019021473089-pat00001
(Xi: 입력 수열, u: 평균, n: 원소개수, i= 0 내지 n-1 중 임의의 정수)
데이터 분석의 결과는 도 5에 도시한 바와 같고, 흡광 계수를 구하여 시료의 농도를 환산할 수 있다. 본 실시예의 결정 계수(R2adj)는 0.95로 표준용액과 계산 값 사이의 상관관계가 높음을 알 수 있다.
또한, 신호 처리부(600)는 기준 측정부(500)로부터 광원에서 방출되는 빛의 세기에 대한 데이터를 획득할 수 있으며, 세기 변화 등을 모니터링하여 자동 교정할 수 있다.
도 4를 살펴보면, 그래프 (a) 및 (b)는 제1 검출부(410)에서 스펙트럼을 사용하여 획득된 것으로서, 농도 별 흡광도에 대한 데이터를 나타내는 것이고, (c)는 제2 검출부(420)에서 획득한 것으로서, 조류(algea)에 대한 형광 신호 데이터를 나타내는 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 그래프 (a) 및 (b)를 기초로 선형 회귀 분석한 것을 나타내며, 도 5의 그래프는 유기물의 농도 산출에 이용될 수 있다.
도 6은 포토디텍터를 사용한 시간 별 흡광 데이터에 관한 것으로 1ppm이하의 저농도에 대한 구별도 가능함을 알 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 제2 광섬유 및 샘플 시료부의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 제3 광섬유 및 기준 측정부의 연결부를 보다 자세히 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템에 의할 경우, 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)과 샘플 시료부(300)의 거울(310) 사이의 거리(d1)는 가변될 수 있으며, 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)이 거울(310)로 전진되거나 거울(310)로부터 후진됨에 따라 상기 거리(d1)가 가변될 수 있다. 이를 위하여, 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)은 텔레스코프(telescope) 방식이 적용될 수 있는 형태로 구현될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수질 오염 측정 시스템에 의할 경우, 제3 광섬유(250c)의 일단(250c-1)과 기준 측정부(500)의 거울(510) 사이의 거리(d2)는 가변될 수 있으며, 제3 광섬유(250c)의 일단(250c-1)이 거울(510)로 전진되거나 거울(510)로부터 후진됨에 따라 상기 거리(d2)가 가변될 수 있다. 이를 위하여, 제3 광섬유(250c)의 일단(250c-1)은 텔레스코프(telescope) 방식이 적용될 수 있는 형태로 구현될 수 있다.
한편, 여기서 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)과 샘플 시료부(300)의 거울(310) 사이의 거리(d1)는 시료를 통과하는 광로의 길이를 의미할 수 있다.
저농도의 시료의 경우 시료에 포함된 유기물의 양이 매우 적기 때문에 유량을 최소로 줄여 빛이 좁은 간격을 통과하는 것이 유기물 농도 측정에 유리하고, 반대로 고농도의 시료의 경우 시료에 포함된 유기물의 양이 많기 때문에 유량을 최대로 하여 빛이 넓은 간격을 통과하는 것이 유기물 농도 측정에 유리하다.
따라서, 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)을 거울(310) 쪽으로 전진시켜 거리(d1)을 짧게 하는 경우, 즉 시료를 통과하는 광로의 길이를 짧게 하는 경우, 저농도의 시료를 측정하기에 용이하다. 이와 반대로 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)을 거울(310)로부터 후진시켜 거리(d2)를 길게 하는 경우, 즉 시료를 통과하는 광로의 길이를 길게 하는 경우, 고농도의 시료를 측정하기에 용이하다.
즉, 본 발명에 의할 경우, 고농도의 시료와 저농도의 시료를 측정하기 위해 광원의 세기를 조절하지 않고도, 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)의 위치 조정을 통해 시료를 통과하는 광로의 길이(d1)를 조절하여 광범위한 농도의 시료를 측정할 수 있다.
한편, 제3 광섬유(250c)의 일단(250c-1)과 거울 간 거리(d2)는 제2 광섬유(250b)의 일단(250b-1)과 샘플 시료부(300)의 거울(310) 사이의 거리(d1)와 동일하도록 설정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예는 지금까지 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 상술한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 통상의 기술자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 광원부 110: 광원
120: 셔터 130: 함수 발생기
200: 광 커플러 250a~250d: 광섬유
300: 샘플 시료부 410: 제1 검출부
420: 제2 검출부 430: 제1 밴드패스 필터
440: 제2 밴드패스 필터 500: 기준 측정부
600: 신호 처리부

Claims (12)

  1. 빛을 방출하는 광원부;
    수질을 측정하고자 하는 시료가 위치하는 샘플 시료부;
    상기 광원부로부터 방출된 빛을 반사시키는 기준 측정부;
    상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 샘플 시료부 및 상기 기준 측정부로 분배하는 광 커플러;
    상기 광원부와 상기 광 커플러를 연결하며, 상기 광원부로부터 방출된 빛을 상기 광 커플러로 가이드하는 제1 광섬유;
    상기 광 커플러와 상기 샘플 시료부를 연결하는 제2 광섬유;
    상기 광 커플러와 상기 기준 측정부를 연결하는 제3 광섬유;
    상기 샘플 시료부로부터 전달되는 것으로서, 상기 제2 광섬유 및 상기 광 커플러에 연결된 제4 광섬유를 통해 가이드되는 빛의 데이터를 수집하는 제1 검출부;
    상기 샘플 시료부에 연결되며 상기 시료를 통과한 빛의 산란에 의한 형광 신호 데이터를 수집하는 제2 검출부;
    상기 제1 검출부 및 상기 제2 검출부에서 수집한 데이터로부터 상기 시료의 수질을 측정하는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 광 커플러로부터 상기 제2 광섬유를 통해 가이드되는 빛의 세기는, 상기 광 커플러로부터 상기 제3 광섬유를 통해 가이드되는 빛의 세기와 동일하게 형성되며,
    상기 신호 처리부는 상기 광원부로부터 방출되는 빛의 세기에 대한 데이터를 상기 기준 측정부로부터 획득하며, 상기 빛의 세기 변화를 모니터링하여 자동 교정하고,
    상기 신호 처리부는 상기 기준 측정부에서 반사되어 상기 제1 검출부에서 분석된 빛 신호를 참조하여 상기 광원부 또는 상기 제1 검출부 또는 상기 제2 검출부의 현재 상태를 모니터링하는 수질 오염 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는, 파장이 자외선 영역 및 가시광선 영역 중 적어도 어느 하나에 포함되는 빛을 방출하는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    빛의 연속성 또는 불연속성을 제어하는 셔터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 제1 광섬유의 연결부, 상기 샘플 시료부와 상기 제2 광섬유의 연결부, 상기 기준 측정부와 상기 제3 광섬유의 연결부 및 상기 제1 검출부와 상기 제4 광섬유의 연결부 중 적어도 어느 하나에 위치하는 집광 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유 내지 제4 광섬유의 코어 직경은 100um 이상인 수질 오염 측정 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출부와 상기 제4 광섬유 사이에 위치하는 제1 밴드패스 필터; 및
    상기 제2 검출부와 상기 샘플 시료부 사이에 위치하는 제2 밴드패스 필터를 더 포함하는 수질 오염 측정 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 검출부는 분광기, 포토디텍터 및 광전자 증배관 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 검출부는 분광기, 포토디텍터 및 광전자 증배관 중 적어도 어느 하나를 포함하는 수질 오염 측정 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 시료부는, 상기 제2 광섬유가 결합되는 상기 샘플 시료부의 일 면과 대향하는 타 면 상에 위치하는 거울을 포함하고,
    상기 제2 광섬유의 일단과 상기 거울 사이의 거리는 상기 시료의 농도에 따라 가변하는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기준 측정부는, 상기 제3 광섬유가 결합되는 상기 기준 측정부의 일 면과 대향하는 타 면 상에 위치하는 거울을 포함하고,
    상기 제3 광섬유의 일단과 상기 거울 사이의 거리가 가변되는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는, 상기 수집한 데이터를 아래의 수학식 1을 참조로 하여 처리하는 것을 특징으로 하는 수질 오염 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112020076422210-pat00002

    (u는 데이터의 평균 값, n은 원소 개수, i는 0 내지 n-1 중 임의의 정수, Xi는 입력 수열)
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