KR102496066B1 - 수질 검사기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 본체; 상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부; 상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원; 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부; 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부; 및 상기 파동원에서 조사되어서 상기 검출부에서 측정되는 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 상기 파동원 또는 상기 검출부를 제어하는 보정부;를 포함하는, 수질 검사기를 제공한다.

Description

수질 검사기 {Device for water examination }
본 발명의 실시예들은 수질 검사기에 관한 것이다.
일반적으로, 물 또는 음료와 같은 유체는 여과 등의 다양한 처리를 통해 사용자에게 공급된다. 음용을 목적으로 하는 유체의 경우, 필요에 의해 유체 내 첨가된 첨가물을 제외한 다른 물질, 예를 들면 미생물 등은 제거된 후 사용자에게 공급되어야 한다. 그러나, 유체를 처리하는 과정에서 외기의 접촉과 같은 상황에 의해 의도치 않게 유체 내 미생물이 증식할 수 있다.
유체 내 미생물을 감지하여 수질을 검사하기 위해 종래 다양한 방법들이 제시되고 있지만, 유체 내에서 극소량의 미생물을 감지하는 것은 매우 어려운 실정이다.
상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 본 발명은 혼돈파 센서를 이용하여 실시간으로 유체 내 미생물을 포함하는 불순물을 감지하여 수질을 검사하는 수질 검사기 및 이를 이용한 수질 모니터링 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 본체; 상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부; 상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원; 상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부; 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부; 및 상기 파동원에서 조사되어서 상기 검출부에서 측정되는 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 상기 파동원 또는 상기 검출부를 제어하는 보정부;를 포함하는, 수질 검사기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 센서부 및 상기 센서부의 일 측에 형성되어 상기 센서부로 입사되는 광을 차단하는 셔터를 포함하고, 상기 보정부는 상기 셔터의 셔터 스피드를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 보정부의 보정(calibration)의 기준값은, 상기 검출부에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 기반으로 할 수 있다.
여기서, 상기 검출부에서 검출된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우, 상기 보정부는 상기 센서부에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 상기 셔터의 셔터 스피드가 느려지도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 검출부에서 검출된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우, 상기 보정부는 상기 센서부에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 상기 셔터의 셔터 스피드가 빨라지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우, 상기 보정부는 상기 검출부에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 상기 파동원의 전압을 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부에서 검출된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우, 상기 보정부는 상기 검출부에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 상기 파동원의 전압을 하강시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 보정부에 의해 상기 검출부에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후, 상기 제어부에서 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유체 수용부는, 상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부; 및 상기 바닥부에 대해 소정의 각도를 갖도록 형성되는 벽체부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 바닥부와 상기 벽체부가 이루는 각도는 수직이 아닐 수 있다.
여기서, 상기 유체 수용부와 연결되어 상기 유체 수용부로 유체를 공급하는 입수관; 상기 유체 수용부와 연결되어 상기 유체 수용부로부터 유체를 외부로 배출하는 출수관;을 더 포함할 수 있다.
여기서, 주기적으로 상기 입수관을 통해 상기 유체를 상기 유체 수용부 내로 공급하고 상기 출수관을 통해 상기 유체를 상기 유체 수용부로부터 배출시킴으로써, 상기 유체 내에 존재하는 용존 산소를 제거할 수 있다.
여기서, 상기 바닥부 또는 벽체부는, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다.
여기서, 상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 판단할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 검출부에 의해, 파동원에서 조사된 광의 광량이 측정되는 단계; 보정부에 의해, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단되는 단계; 상기 검출부에서 측정된 광량이 상기 제1 기준값 이상이 아닐 경우, 상기 보정부에 의해, 상기 검출부로 입사되는 광량이 감소되도록 제어되는 단계; 상기 보정부에 의해, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단되는 단계; 상기 검출부에서 측정된 광량이 상기 제2 기준값 이하가 아닐 경우, 상기 보정부에 의해, 상기 검출부로 입사되는 광량이 증가되도록 제어되는 단계; 및 제어부에 의해, 상기 검출부에서 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 유체 내의 불순물의 존재여부가 실시간(real-time)으로 추정되는 단계;를 포함하는 수질 검사 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우, 상기 보정부는 상기 검출부에 입사되는 광량을 증가시키기 위하여 셔터의 셔터 스피드가 느려지도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우, 상기 보정부는 상기 검출부에 입사되는 광량을 감소시키기 위하여 셔터의 셔터 스피드가 빨라지도록 제어할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기 및 이를 이용한 수질 모니터링 시스템은 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물을 포함하는 불순물의 존재 여부 및/또는 농도를 추정하여 수질을 검사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 수질 모니터링 시스템의 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 A-A 선을 따라 취한 단면도로써, 유체 수용부에 컵이 수용된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 7은 도 4의 수질 검사기의 평면도이다.
도 8은 도 4의 유체 수용부에 컵이 장착된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 고농도의 샘플의 농도 정보를 판단하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 도 12의 수질 모니터링 방법에서, S120 단계의 상세 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 15는 도 14의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 16은 도 14의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)은 수질 검사기(100), 서버(200) 및 사용자 단말기(300)를 포함한다. 또한, 복수 개의 수질 검사기(100)들, 복수 개의 사용자 단말기(300)들과 서버(200)를 연결하는 네트워크(400)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물을 포함하는 불순물의 존재 여부 및/또는 농도를 추정하여 수질을 검사하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)에 대해서는 도 2 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 서버(200)는 각각의 수질 검사기(100)에서 검사된 수질 데이터를 수집하고, 수집된 수질 데이터를 가공하고, 이와 같이 가공한 수질 데이터를 사용자 단말기(300)들에게 제공하는 서버일 수 있다. 도 1에는 하나의 서버(200)를 표시하였지만, 접속량 혹은 데이터 양에 따라 복수 개의 서버가 존재할 수 있음은 물론이다.
여기서, 서버(200)가 가공하여 사용자 단말기(300)에 제공하는 수질 데이터는, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)에서 측정한 유체의 수질 레벨, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)가 위치한 지역의 수질 레벨, 지역에 따른 수질의 편차, 시간에 따른 수질의 변화 등일 수 있다.
복수 개의 사용자 단말기(300)들은 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 통신 단말기를 의미한다. 여기서 사용자 단말기(300)는 사용자의 퍼스널 컴퓨터일 수도 있고, 또는 사용자의 휴대용 단말기일 수도 있다. 도 1에서는 휴대용 단말기가 스마트폰(smart phone)으로 도시되었지만, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 디스플레이 및 통신이 가능한 애플리케이션을 탑재한 단말은 제한 없이 차용될 수 있다.
한편, 네트워크(400)는 복수 개의 수질 검사기(100)들, 복수 개의 사용자 단말기(300)들과 서버(200)를 연결하는 역할을 수행한다. 즉, 네트워크(400)는 수질 검사기(100)들과 사용자 단말기(300)들이 서버(200)에 접속한 후 데이터를 송수신할 수 있도록 접속 경로를 제공하는 통신망을 의미한다. 이와 같은 네트워크(400)는 유무선 이동통신망, 유무선 인터넷망뿐 아니라, 블루투스, NFC(Near Field Communication), 지그비(Zigbee), 블루투스(bluetooth), 와이파이(wifi) 등 다양한 근거리, 원거리 통신을 지원할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)의 수질 검사기(100)의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 수질 모니터링 시스템의 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 4는 도 2의 개념도가 실제 구현된 수질 검사기를 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 A-A 선을 따라 취한 단면도로써, 유체 수용부에 컵이 수용된 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 B-B 선을 따라 취한 단면도이고, 도 7은 도 4의 수질 검사기의 평면도이고, 도 8은 도 4의 유체 수용부에 컵이 장착된 모습을 나타내는 사시도이다.
먼저 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 제어부(130)를 포함할 수 있다. 또한, 도 2의 수질 검사기(100)는 경보유닛(140) 및 유체 수용부(도 5의 160 참조)를 더 포함할 수 있다. 그리고 이 유체 수용부(160)에는 검사 대상이 되는 유체(L)가 담긴 컵(190)이 수용될 수 있다. 또한, 유체 수용부(160)는 파동원(110)로부터 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역(165)을 포함할 수 있다. 또한, 도 2의 수질 검사기(100)는 디스플레이부(170) 및 보정부(calibration unit)(180)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 유체(L)는 액체 또는 기체일 수 있다. 또한, 유체(L)는 미생물이 증식될 수 있는 물질일 수 있으며, 예를 들면, 내부에 산란물질이 포함되지 않은 물일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 유체(L)는 내부에 산란물질이 포함된 우유와 같은 물질일 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내부에 산란물질이 포함되지 않는 경우를 먼저 설명하고, 산란물질이 포함된 유체(L)에 대하여는 후술하기로 한다.
파동원(110)은 유체 수용부(160)에 수용된 컵(190) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
검출부(120)는 파동을 이용하여 유체(L) 내의 불순물인 미생물(M)의 존재여부를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 검출부(120)는 혼돈파 센서일 수 있다. 여기서, 불순물은 비용해성 부유물질인 이물질을 포함할 수도 있다. 검출부(120)는 미생물(M) 뿐만 아니라 유체(L) 내 포함된 이물질을 검출하는 기능도 수행할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 유체(L) 내 미생물(M)을 검출하는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
이하에서는, 도 3을 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 3을 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다.
다시, 도 3의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 관측할 수 있다.
그러나, 도 3의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 무늬가 변화하게 된다.
즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서부(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
한편, 물과 같은 유체(L)는 전술한 바와 같이 내부에 산란을 발생시키는 균질한 물질을 포함하지 않기 때문에 미생물(M)이 존재하지 않는 경우 레이저 스펙클을 발생시킬 수 없다. 다만, 본 발명의 일 실시예예 따른 수질 검사기(100)는 후술할 다중산란증폭영역(165)을 통해 파동을 다중산란시켜 안정한 레이저 스펙클 무늬를 발생시킬 수 있다. 수질 검사기(100)는 컵(190)에 담긴 유체(L) 내에 미생물(M)이 존재하는 경우 미생물의 움직임에 의해 파동의 경로가 미세하게 변화할 수 있다. 미세한 파동경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있고, 이에 따라 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 신속하게 검출할 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
파동원(110)은 유체 수용부(160)에 수용된 컵(190) 내부의 유체(L)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(110)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
예를 들어, 유체(L)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(110)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(110)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
Figure 112021041361417-pat00001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 유체 내에 광을 조사 시에, 파동원(110)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지될 수 있다.
검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다. 검출부(120)는 파동원(110) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출부(120)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(120)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 유체(L)에 파동이 조사되면, 입사된 파동은 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 유체 내에 미생물이 없다면 다중산란증폭영역에 의해 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 이와 비교하여, 유체(L) 내에 미생물이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 미생물(M)의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(120)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 검출부(120)는 미생물(M)의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.
한편, 검출부(120)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록, 검출부(120)에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
Figure 112021041361417-pat00002
수학식 2와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
제어부(130)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제어부(130)는 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 유체(L) 내의 미생물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 3초 이내 미생물(M)의 존재 여부를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 1초 내에 미생물(M)의 존재 여부를 추정할 수 있다.
일 실시예로서, 제어부(130)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는, 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것은 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 복수의 레이저 스펙클의 영상 정보를 이용할 수 있다. 제어부(130)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체(L) 내에 미생물(M)의 존재여부를 추정할 수 있다. 검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112021041361417-pat00003
수학식 3에서
Figure 112021041361417-pat00004
은 시간 상관 관계 계수,
Figure 112021041361417-pat00005
은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간,
Figure 112021041361417-pat00006
는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 3에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다.
또한, 검출부(120)는 컵(190)에 수용된 유체(L) 내의 불순물의 농도를 추정할 수 있다. 이때, 검출부(120)는 유체(L) 내 불순물의 농도를 추정하여 유체(L)의 탁도를 측정하는 기능도 수행할 수 있다. 일반적인 탁도 측정 장치는 105 cfu/ml 이하의 불순물 농도를 측정하는 것이 어렵다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부(120)는 하기와 같이 불순물의 농도를 판단하는 방법을 통해 106 cfu/ml 이하의 불순물 농도도 측정이 가능하다. 여기서 불순물은 미생물로 한정하지 않는다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 불순물이 미생물인 경우를 중심으로 제어부(130)에서, 레이저 스펙클을 이용하여 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
제어부(130)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 대상으로, 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준 편차를 계산할 수 있다. 유체(L) 내 포함된 미생물들이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제어부(130)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 컵(190) 내의 미생물을 검출할 수 있으며, 이들의 분포도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(130)는 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.
Figure 112021041361417-pat00007
수학식 4에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기,
Figure 112021041361417-pat00008
: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.
미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 4에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 그러나, 본 발명은 상기한 수학식 4에 의해 미생물의 농도를 측정하는 방법이 제한되지 않으며, 검출된 레이저 스펙클의 차이를 이용한 어떠한 방법으로든 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
그리고, 제어부(130)는 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 유체에 포함된 미생물의 분포도, 즉 농도를 추정할 수도 있다.
한편, 다중산란증폭영역(165)은 유체(L)로부터 출사되는 파동의 적어도 일부를 다시 유체(L) 내로 반사시켜 유체(L)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭영역(165)은 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면 산화티타늄(TiO2) 나노 입자를 포함할 수 있다. 이때, 다중산란증폭영역(165)은 유체 수용부(160)의 바닥부(도 5의 161 참조)와 벽체부(도 5의 163 참조)의 표면에 다중산란물질을 코팅하여 형성될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 다른 실시예로서, 바닥부(도 5의 161 참조)와 벽체부(도 5의 163 참조) 자체에 다중산란물질을 포함시킴으로써 다중산란증폭영역(165)이 형성될 수도 있다.
한편, 다중산란증폭영역(165)의 적어도 일부는 유체(L)로부터 출사되는 파동의 전부를 유체(L)로 반사시키는 반사영역(167)으로 이루어질 수 있다. 반사영역(167)은 유체(L)로부터 수질 검사기(100)의 외부로 파동이 출사되는 것을 최소화하여 검출부(120)의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 반사영역(167)은 파동원(110)으로부터 파동이 입사되는 입사영역에 대하여 대향되도록 배치될 수 있다. 반사영역(167)은 파동원(110)으로부터 조사된 파동의 전부를 유체(L) 내로 반사시킴으로써, 유체(L)에서 다중산란가능한 파동량을 증가시킬 수 있고 이를 통해 검출부(120)에서의 미생물 감지율을 증폭시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(120)로 출사되는 파동의 이동 경로를 제외한 다중산란증폭영역(165)의 전체 영역이 반사영역으로 이루어질 수도 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 경보유닛(140) 및 디스플레이부(170)를 더 포함할 수 있다. 그리고 수질 검사기(100)는 외부의 사용자 단말기(도 1의 300 참조) 또는 서버(도 1의 200 참조)와 네트워크(도 1의 400 참조)를 통해 연결될 수 있다.
경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 이를 사용자에게 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 소리, 빛 중 적어도 어느 하나를 이용하여 미생물이 유체 내 존재함을 외부로 알릴 수 있다. 경보유닛(140)은 빛을 통해 경고신호를 생성하는 LED와 같은 조명수단 및 소리를 통해 경고신호를 생성하는 스피커(미도시)를 포함할 수 있으며, 빛과 소리는 동시에 생성될 수 있다.
또한, 수질 검사기(100)는 사용자 단말기(도 1의 300 참조)와 통신할 수 있는 통신수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 경보유닛(140)은 제어부(130)로부터 미생물이 존재한다는 신호(t1)가 입력되면, 무선 또는 유선의 통신수단(미도시)을 통해 사용자 단말기(도 1의 300 참조)로 미생물 감지 신호를 포함하는 정보를 제공할 수 있다. 또한, 경보유닛(140)은 서버(도 1의 200 참조)로도 상기한 정보를 제공할 수 있다. 수질 검사기(100)는 경보유닛(140)을 통해 미생물 감지 여부, 미생물이 감지된 시간, 미생물의 농도에 대한 정보를 업로드하면, 이를 서버(도 1의 300 참조)에 등록하며, 다른 사용자들이 서버(도 1의 300 참조)에 등록된 데이터를 조회할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 상기한 과정을 통해 미생물 발생 상황 등을 데이터베이스로 구축할 수 있다. 사용자 단말기(도 1의 200 참조)는 유무선 통신 환경에서 웹 서비스를 이용할 수 있는 퍼스널 컴퓨터 또는 휴대용 단말일 수 있다.
디스플레이부(170)는 검출부(120)에서 검출된 검출 결과를 시각(視覺)적 정보로 출력한다. 즉, 유체(L) 내 미생물의 존재 여부 및/또는 농도와, 이로부터 추정된 유체 내의 탁도 정보 등을 가공하여 다양한 데이터를 출력할 수 있다. 여기서, 수신된 영상이 디스플레이부(170)를 통해 화상 이미지로 출력되도록 하기 위한 영상 처리 프로세스가 제어부(130)에 의해 수행될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)의 수질 검사기(100)는 보정부(180)를 더 구비하는 것을 일 특징으로 한다.
보정부(180)는, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거쳐서 검출부(120)에서 측정되는 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록, 수질 검사기(100)를 제어하는 것을 일 특징으로 한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에서는 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록, 보정부(180)가 검출부(120)의 셔터 스피드를 제어할 수 있다. 이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
검출부(120)는 일종의 카메라와 유사한 구조로 형성되어서, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거친 광을 검출할 수 있다. 이와 같은 검출부(120)는 이미지 센서를 포함하는 센서부(121)와 셔터(122)를 구비할 수 있다. 기본적으로, 셔터(122)가 열리면 센서부(121)로 광이 들어오고, 셔터(122)가 닫히면 센서부(121)로 들어오는 광이 차단되는 것이다. 여기서 셔터(122)가 열렸다가 닫히는 속도를 셔터 스피드라고 할 수 있으며, 셔터 스피드가 느리면 센서부(121)에 들어오는 광량이 증가하고, 셔터 스피드가 빠르면 센서부(121)에 들어오는 광량이 감소하게 된다.
여기서, 보정(calibration)의 기준값은, 검출부(120)에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균으로부터 결정할 수 있다.
상세히, 8 bits 이미지 센서의 경우 각 픽셀의 강도(intensity)는 0~255 사이의 값을 가지므로, 그 중간 값인 128을 기준 값으로 설정할 수 있다. 그리고, 여러 실험 데이터에 기초해서, 기준 값으로부터 ±5까지가 적정한 광량이라고 미리 설정해둘 수 있다. 그리고, 광량의 적합 범위의 최소값을 제1 기준값으로 설정하고, 광량의 적합 범위의 최대값을 제2 기준값으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 강도(intensity)의 평균값이 123~133 이내일 경우를 적절한 광량이라고 설정해둘 수 있다. (이때 제1 기준값은 123, 제2 기준값은 133일 수 있다.) 그리고, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거쳐서 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 셔터 스피드를 느리게 할 수 있다. 반대로 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 셔터 스피드를 빠르게 할 수 있다.
이와 같이 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정됨으로써, 서로 다른 곳에 위치한 복수 개의 수질 검사기(100)들에 대해 측정되는 광량에 있어서 동일한 기준 값을 설정할 수 있게 된다.
이와 같이 일단 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후에, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하기 때문에, 파동원(110)의 성능이 다소 저하되거나, 유체 샘플을 담는 용기에 편차가 있더라도, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는데 있어서 오차가 최소화될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 시스템(1)을 이용하여 수질 모니터링을 수행하는 방법에 대해서는 도 12 및 도 13에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예는 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 하기 위하여, 보정부(180)가 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거쳐서 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 파동원(110)의 전압을 상승시켜서 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 증가시킬 수 있다. 반대로 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 파동원(110)의 전압을 하강시켜서 파동원(110)에서 조사되는 광량 자체를 감소시킬 수 있다.
도 4 내지 도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 파동원(110), 검출부(120), 본체(150), 유체 수용부(160)를 포함할 수 있다. 또한 도 4 내지 도 8에는 도시되지 않았지만, 수질 검사기(100)는 도 2에서 설명한 제어부(도 2의 130) 및 경보유닛(도 2의 140)을 더 포함할 수 있다. 여기서 파동원(110) 및 검출부(120)는 도 2 등에서 설명한 바 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다.
본체(150)는 수질 검사기(100)의 외형을 이루며, 그 내부에는 파동원(110), 검출부(120), 유체 수용부(160)가 형성될 수 있다. 도면에는 본체(150)가 전체적으로 편심된 유선형(내지는 위에서 보았을 때 계란형)을 이루며, 상부로부터 내측으로 컵(190)이 끼워질 수 있는 유체 수용부(160)가 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 본체(150)의 크기, 형상, 재질이나, 본체(150)에서 유체 수용부(160)가 형성되는 위치는 다양하게 변경 가능하다 할 것이다. 여기서, 유체 수용부(160)는 컵(190)이 수용될 수 있는 컵 수용부의 역할을 수행할 수 있다.
유체 수용부(160)는 본체(150)의 상부로부터 내측(즉, 중심부 측)으로 컵(190)이 끼워질 수 있도록 형성될 수 있다. 유체 수용부(160)는 바닥부(161) 및 벽체부(162)를 포함할 수 있다. 이를 다르게 표현하면, 바닥부(161)와 벽체부(162)에 의해, 컵(190)이 수용되어 안착될 수 있는 유체 수용부(160)가 형성된다고 표현할 수도 있을 것이다.
바닥부(161)는 유체 수용부(160)의 바닥면을 이루며, 대략 편평한 형상으로 형성된다. 이와 같은 바닥부(161)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(165)이 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 유체 수용부(160)에 수용되는 컵(190)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 유체를 담는 컵(190)은 그 생김새가 다양하며, 어떤 컵들은 그 바닥면이 평평하지 않을 수 있다. 이 경우, 유체 수용부(160)에 컵(190)을 안착시켰을 때 컵(190)이 정지하지 않고 미세하게 흔들려서 측정 값의 오차가 발생할 수 있다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되어, 유체 수용부(160)에 수용되는 컵(190)을 안정적으로 지지하는 것을 일 특징으로 한다.
이와 같이 바닥부(161)에 세 개 이상의 지지부(161a)가 돌출 형성되면, 바닥부(161)와 컵(190)의 바닥면이 면 접촉인 아닌 3점(또는 그 이상) 접촉하게 되며, 이와 같은 3점 접촉을 통해 컵(190) 바닥면이 평평하지 않을 경우에 발생할 수 있는 미세 흔들림을 최소화하여, 반복 측정 시의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 벽체부(162)는 바닥부(161)로부터 대략 수직인 방향으로 형성되며, 내부에 컵(190)이 수용될 수 있도록 환형으로 형성된다. 이와 같은 벽체부(162)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(165) 및/또는 반사영역(167)이 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게(즉, 비스듬하게) 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 컵(190)을 수용하기 위해, 유체 수용부(160)가 형성된 부분이 개방된 구조이다. 이와 같이 한 면(의 적어도 일부)이 개방된 구조에서 레이저의 반사에 의한 광산란 시, 산란된 빛의 일부가 개방된 구조 밖으로 나가 검출부(도 2의 120 참조)가 받아들이는 광량의 손실이 발생하여 광산란 분석을 통한 결과에 영향을 주게 된다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 벽체부(162)와 바닥부(161)가 이루는 각(α)이 대략 85°내지 88°가 되도록 벽체부(162)를 형성하여, 벽체부(162)에 반사된 레이저가 개방된 면의 반대쪽으로 향하게 하여 광량의 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
다시 말하면, 벽체부(162)는 위로 갈수록(즉 +Z축 방향으로 갈수록) 입구가 좁아지도록 형성된다고 표현할 수도 있고, 또는 위로 갈수록 직경이 점점 작아진다고 표현할 수도 있을 것이다. 이와 같은 본 발명에 의해서, 파동원(110)에서 출사된 광이 외부로 빠져나가는 손실을 줄임으로써, 광산한 효과를 높일 수 있다.
한편, 컵(190)은 불투명부(191)를 포함할 수 있다. 상세히, 컵(190)의 전체면이 모두 투명하게 형성될 경우, 레이저가 외부로 노출이 되어서, 사용자에게 눈부심 현상이 발생할 수 있다. 또한, 수질 검사기(100)를 이용하여 컵(190)의 내의 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해야 할 필요성도 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 컵(190)의 적어도 일부, 구체적으로는 컵(190)의 측면 하부의 소정의 높이까지 불투명부(191)를 형성하여, 사용자에게 유체의 수질을 검사하기 위해 필요한 최소한의 유체의 양을 표시해주는 동시에, 사용자가 레이저를 눈으로 직접 보지 않도록 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기에 있어서 유체 내 박테리아 농도에 따른 시간 상관 관계 계수를 도시한 그래프이다. 도 9a 내지 도 9c는 컵(190)에 담긴 유체 내에 인위적으로 미생물을 투입하였을 때 그 농도에 따른 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9c의 그래프에 있어서, x축은 시간(t)에 관한 축이며, y축은 시간 상관 관계 계수(C(t))에 관한 축이다. 여기서, 점선(L2)은 검출부(120)에 사전에 설정된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 기준값을 나타낸다. 또한, 실선(L1)은 검출부(120)를 통해 시간에 따라 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수의 측정 데이터를 나타낸다.
도 9a의 실선(L1)은 유체 내 미생물을 투입하지 않은 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 도 9a를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하지 않는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클에 변화가 없기 때문에, 시간 상관 관계 계수 또한 시간에 따라 거의 일정하며, 사전에 설정된 기준값(L1)을 초과하지 않음을 알 수 있다.
도 9b의 실선(L1)은 유체 내에 10^0 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다. 또한, 도 9c의 실선(L1)은 유체 내에 10^1 cfu/ml 농도의 미생물을 4ml 투입한 경우에 있어서, 검출부(120)를 통해 획득된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수를 나타낸다.
도 9b 및 도 9c를 참조하면, 유체 내 미생물이 존재하는 경우, 유체 내 산란되어 발생되는 레이저 스펙클이 시간에 따라 변하기 때문에, 시간 상관 관계 계수는 미생물이 감지되는 시점에서 변하게 된다. 도 9b 및 도 9c의 음영처리된 영역(Bacteria Deteting Signal)은 이러한 미생물이 감지되는 시점에서의 시간 상관 관계 계수의 변화를 나타내며, 미생물의 농도가 높을수록 시간 상관 관계 계수의 피크치가 높아짐을 확인할 수 있다. 한편, 도 9b 및 도 9c의 음영처리된 영역에 있어서, 검출부(120)는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 계수(L1)가 사전에 설정된 기준값인 점선(L2)을 초과하는 경우 미생물이 존재한다고 판단할 수 있다. 이때, 미생물이 존재하는 경우, 검출부(120)가 미생물을 감지하는데 걸리는 측정 시간은 시간 상관 관계 계수가 급격히 변화하는 시점부터 기준값인 점선(L2)과 만나는 시점까지의 구간일 수 있으며, 도 9b 및 도 9c를 참조할 때, 약 0.2 초 이내임을 확인할 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 0.2초 이내인 매우 빠른 시간, 다시 말해 실시간(real-time)으로 유체 내 불순물인 미생물을 감지함을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 시간 상관 관계 계수의 변화율 또는 피크치를 이용하여 미생물의 농도를 추정함을 확인할 수 있다. 또한, 수질 검사기는 미생물의 농도가 낮은 경우(10^0 cfu/ml)라도 검출이 가능함을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 유체 내 미생물의 존재 여부 또는 농도를 추정할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법은, 시간 상관 관계 대신 공간 상관 관계를 이용하여 유체 내의 미생물의 존재여부 또는 농도를 검출하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 이에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기가 미생물을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 11을 참조하면, 제어부(130)는 검출부(120)로부터 시계열적으로 측정된 광학 이미지를 제공받고, 광학 이미지로부터 샘플 내의 미생물의 농도 정보를 판단할 수 있다.
제어부(130)는 간섭 패턴의 공간 상관 관계(spatial correlation)를 획득할 수 있다. 여기서, 하기의 식으로 주어지는 공간 상관 관계는 시간 t에 측정된 이미지 상에서, 임의의 픽셀과 그 픽셀로부터 거리 r만큼 떨어져 있는 픽셀이 얼마나 비슷한 밝기를 가지는지를 일정 범위의 숫자로 나타낼 수 있다(도 21의 (b) 참고). 일정 범위는 -1 내지 1의 범위일 수 있다. 즉, 공간 상관 관계는 임의의 픽셀과 다른 픽셀 사이의 상관 관계가 어느 정도인지를 나타내는 것으로서, 1이면 양의 상관 관계, -1이면 음의 상관 관계, 0이면 관계성이 없는 것을 나타낸다. 구체적으로, 간섭 패턴이 형성되기 전에는 밝기가 고르게 출사되므로, 샘플 이미지의 공간 상관 관계는 1에 가까운 양의 상관 관계를 나타내나, 간섭패턴이 형성되고 나면 0에 가까운 방향으로 상관 관계의 값이 떨어질 수 있다.
검출부(120)에서 r'=(x,y) 위치에 있는 픽셀에서 시간 t 에 측정된 밝기를 I(r',t)로 정의하고, r 만큼 떨어진 픽셀의 밝기는 I(r'+r, t)로 정의할 수 있다. 이를 이용하여 공간 상관 관계를 정의하면 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112021041361417-pat00009
C0(t)는 수학식 5의 범위를 -1 내지 1로 맞추기 위해 사용되었다. 임의의 픽셀에서 시간 t에 측정된 밝기 I(r',t)와 거리 r만큼 떨어진 픽셀의 밝기 I(r'+r,t)가 동일하다면 공간 상관 관계는 1이 도출되고, 동일하지 않다면 1보다 작은 값을 갖게 된다.
일 실시예로서, 본 발명은 상기한 공간 상관 관계를 시간에 대한 함수로만 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 제어부(130)는 임의의 픽셀로부터 같은 크기의 r을 갖는 픽셀에 대해 공간 상관 관계의 평균을 하기의 수학식 6과 같이 구할 수 있다(도 21의 (b) 참조).
Figure 112021041361417-pat00010
일 실시예로서, 제어부(130)는 사전에 설정된 거리를 상기 수학식 6에 대입하여 시간에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 이 함수를 이용하여 간섭 패턴이 형성되는 정도를 일정 범위인 0 내지 1 사이의 값으로 확인할 수 있다(도 11의(d) 참조).
제어부(130)는 시간에 따른 샘플 이미지의 패턴 변화를 통해 샘플 내 이물질과 미생물을 구분할 수도 있다. 이물질의 경우, 시간이 지나도 이미지 상의 변화가 없으나, 미생물의 경우 시간에 따라 형상, 크기 등 이미지가 변화하기 때문에, 수질 검사기(100)는 이물질과 미생물을 구분할 수 있게 된다.
한편, 제어부(130)는 다음과 같이 공간 상관 관계를 이용하여 미생물의 농도 정보를 판단할 수도 있다. 공간 상관 관계는 하나의 이미지를 이용해 중첩된 2개의 동일한 이미지를 생성하고, 둘 중 하나의 이미지를 일방향으로 사전에 설정된 거리만큼 시프트(shift)시킨 후 시프트된 이미지와 시프트되지 않은 이미지 사이에서 인접한 두 픽셀이 얼마나 유사한가를 분석하는 것에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 공간 상관 관계는 이미지가 얼마나 균일한지를 나타내는 척도가 되는데, 만약, 콜로니로 인해 간섭 패턴이 형성되는 경우, 자잘한 간섭 패턴으로 인해 인접한 두 픽셀들의 유사도가 떨어지므로 공간 상관 관계의 값 또한 떨어지게 된다.
이러한 공간 상관 관계 계수(spatial correlation coefficient)는 시프트되는 거리(r)에 따라 달라지게 되는데(도 20의 (b) 참조), 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위를 초과하는 경우에는 거의 일정한 값을 갖게 된다. 따라서, 좀 더 유의미한 공간 상관 관계를 획득하기 위해서, 제어부(130)는 사전에 설정된 일정 거리 이상으로 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 사전에 설정된 일정 거리 r은 스펙클 사이즈에 의존하게 되며, 제어부(130)는 픽셀 단위로 나타낼 때 스펙클 사이즈보다 큰 픽셀만큼 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 예를 들면, 상기 사전에 설정된 일정 거리는 최소 3픽셀 이상의 거리일 수 있다.
한편, 제어부(130)는 상기와 같은 공간 상관 관계 뿐만 아니라, 측정된 샘플 이미지의 간섭 패턴의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 미생물을 검출할 수도 있다. 제어부(130)는 시계열적으로 측정된 간섭 패턴의 이미지 정보를 이용하여 이미지들 간의 시간 상관 관계 계수(temporal correlation coefficient)를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 샘플 내 미생물 콜로니를 검출할 수 있다.
제어부(130)는 계산된 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물을 검출할 수 있다.
상기한 분석을 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(100)는 컵(190)에 입사된 광이 샘플 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭부재를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란증폭부재(미도시)는 파동원(110)과 컵(190) 사이 또는 컵(190)과 검출부(120) 사이의 광의 이동경로 상에 구비되어, 광의 다중산란횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭부재(미도시)는 수질 검사기(100)에 장착 또는 탈착이 가능한 구조로 형성되어, 필요에 따라 사용할 수도 있다. 전술한 구성을 통해 본 발명의 실시예들에 따른 수질 검사기는 빠른 시간 내에 컵(190) 내의 유체의 미생물을 검출할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법에 대해 설명한다. 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 모니터링 방법은, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration) 여부를 확인하는 단계(S110 단계), 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되는 단계(S120 단계), 보정(calibration) 이 수행된 수질 검사기(100)에서 수질 데이터가 검출되는 단계(S130 단계), 검출된 수질 데이터가 수질 검사기(100)에서 서버(200)로 전송되는 단계(S140 단계), 검출된 수질 데이터가 서버(200)에서 수집되는 단계(S150 단계), 서버(200)에서 위치 및/또는 시간 정보를 이용하여 수질 가공 데이터를 생성하는 단계(S160 단계), 생성된 수질 가공 데이터가 서버(200)에서 사용자 단말기(300)로 전송되는 단계(S170 단계), 사용자 단말기(300) 상에 수질 가공 데이터가 표시되는 단계(S180 단계)를 포함한다.
먼저, 수질 검사기(100)에서는 보정(calibration) 여부를 확인(S110 단계)한다. 즉, 수질 검사기(100)의 제어부(130)는 기 저장된 보정값(예를 들면 셔터 스피드 값 또는 파동원의 전압 등)이 존재하는지 여부 등으로부터, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되었는지 여부를 확인한다.
다음으로, 수질 검사기(100)에서 보정이 수행되지 않았다면, 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행(S120 단계)된다. 즉, 검출부(120)에서 측정된 광의 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 하기 위하여, 보정부(180)가 수질 검사기(100)를 제어한다. 이에 대해서는 도 13에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
다음으로, 보정(calibration)이 수행된 수질 검사기(100)에서 수질 데이터가 검출(S130 단계)된다. 상세히, 검출부(120)는 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 검출부(120)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(130)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(120)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
다음으로, 검출된 수질 데이터가 네트워크(도 1의 400)를 통해 수질 검사기(100)에서 서버(200)로 전송(S140 단계)된다. 그리고 이 전송된 수질 데이터가 서버(200)에서 수집(S150 단계)된다.
다음으로, 서버(200)에서는 위치 및/또는 시간 정보를 이용하여 수질 가공 데이터를 생성(S160 단계)한다. 상세히, 서버(200)는 각각의 수질 검사기(100)에서 검사된 수질 데이터를 수집하고, 수집된 수질 데이터를 가공하고, 이와 같이 가공한 수질 데이터를 사용자 단말기(300)들에게 제공할 수 있다. 여기서, 서버(200)가 가공하여 사용자 단말기(300)에 제공하는 수질 데이터는, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)에서 측정한 유체의 수질 레벨, 전체 수질 평균 대비 해당 사용자 단말기(300)가 위치한 지역의 수질 레벨, 지역에 따른 수질의 편차, 시간에 따른 수질의 변화 등일 수 있다.
다음으로, 생성된 수질 가공 데이터가 네트워크(도 1의 400)를 통해 서버(200)에서 사용자 단말기(300)로 전송(S170 단계)된다. 그리고, 이와 같이 전송된 수질 가공 데이터가 사용자 단말기(300) 상에 표시(S180 단계)된다.
이하에서는 수질 검사기(100)에서 보정(calibration)이 수행되는 단계에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 13은 도 12의 S120 단계의 상세 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기의 미생물 검출 방법은, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거친 광의 광량이 검출부(120)에서 측정되는 단계(S121 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단하는 단계(S122 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상이 아닐 경우, 보정부(180)에 의해 셔터(122)의 셔터 스피드가 감소되도록 제어되는 단계(S123 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상일 경우, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단하는 단계(S124 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하가 아닐 경우, 보정부(180)에 의해 셔터(122)의 셔터 스피드가 증가되도록 제어되는 단계(S125 단계), 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하일 경우, 현재의 셔터 스피드가 저장되는 단계(S126 단계), 검출부(120)에서 검출된 이미지를 이용하여, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는 단계(S127 단계)를 포함한다.
이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거친 광의 광량이 검출부(120)에서 측정(S121 단계)된다. 여기서, 파동원(110)에서 조사된 광이 검출부(120)에서 측정되는 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단(S122 단계)한다. 여기서, 보정(calibration)의 기준값은, 검출부(120)에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균으로부터 결정할 수 있다.
상세히, 8 bits 이미지 센서의 경우 각 픽셀의 강도(intensity)는 0~255 사이의 값을 가지므로, 그 중간 값인 128을 기준 값으로 설정할 수 있다. 그리고, 여러 실험 데이터에 기초해서, 기준 값으로부터 ±5까지가 적정한 광량이라고 미리 설정해둘 수 있다. 그리고, 광량의 적합 범위의 최소값을 제1 기준값으로 설정하고, 광량의 적합 범위의 최대값을 제2 기준값으로 설정할 수 있다.
예를 들어, 강도(intensity)의 평균값이 123~133 이내일 경우를 적절한 광량이라고 설정해둘 수 있다. (이때 제1 기준값은 123, 제2 기준값은 133일 수 있다.) 그리고, 파동원(110)에서 조사되어 다중산란증폭영역(165)을 거쳐서 검출부(120)에서 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 측정하여, 강도(intensity) 값의 평균이 제1 기준값인 123보다 작은 경우, 보정부(180)는 광량이 부족하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 셔터(122)의 셔터 스피드가 감소되도록 제어(S123 단계)한다.
한편, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상일 경우, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단(S124 단계)한다.
판단 결과, 검출된 이미지의 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균이 제2 기준값인 133보다 큰 경우, 보정부(180)는 광량이 과다하다고 판단하여, 센서부(121)에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여, 셔터(122)의 셔터 스피드가 증가되도록 제어 (S125 단계)한다.
한편, 검출부(120)에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하일 경우, 현재의 셔터 스피드가 저장(S126 단계)된다.
마지막으로, 검출부(120)에서 검출된 이미지를 이용하여, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득(S127 단계)한다. 여기서, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는 과정은 위에서 상세히 설명하였으므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 일단 보정부(180)에 의해 검출부(120)에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후에, 제어부(130)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하기 때문에, 파동원(110)의 성능이 다소 저하되거나, 검출부(120)에 이끼가 끼는 등의 노후화 또는 유체 샘플을 담는 용기에 편차가 있더라도, 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하는데 있어서 오차가 최소화될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기를 설명하도록 한다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 15는 도 14의 A-A 선을 따라 취한 단면도이고, 도 16은 도 14의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 14 내지 도 16을 참고하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)는 파동원(510), 검출부(520), 본체(550), 유체 수용부(560)를 포함할 수 있다. 또한 도 14 내지 도 16에는 도시되지 않았지만, 수질 검사기(500)는 도 2에서 설명한 디스플레이부(도 2의 170), 제어부(도 2의 130) 및 경보유닛(도 2의 140)을 더 포함할 수 있다. 여기서 파동원(510) 및 검출부(520)는 도 2 등에서 설명한 바 있으므로, 그 상세한 설명은 생략한다. 여기서, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)는 일종의 탁도계일 수 있다.
본체(550)는 수질 검사기(500)의 외형을 이루며, 그 내부에는 파동원(510), 검출부(520), 유체 수용부(560) 등이 형성될 수 있다. 도면에는 본체(550)가 전체적으로 육면체 형상으로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 본체(550)의 크기, 형상, 재질이나, 본체(550)에서 유체 수용부(560)가 형성되는 위치는 다양하게 변경 가능하다 할 것이다.
유체 수용부(560)는 내부에 유체가 수용될 수 있도록 속이 빈 상자 형태로 형성될 수 있다. 여기서, 유체 수용부(560)는 일종의 수조일 수 있다. 유체 수용부(560)는 바닥부(561) 및 벽체부(562)를 포함할 수 있다. 이를 다르게 표현하면, 바닥부(561)와 벽체부(562)에 의해 유체 수용부(560)가 형성된다고 표현할 수도 있을 것이다.
바닥부(561)는 유체 수용부(560)의 바닥면을 이루며, 대략 편평한 형상으로 형성된다. 이와 같은 바닥부(561)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(565)이 형성될 수 있다.
한편, 벽체부(562)는 바닥부(561)로부터 대략 수직인 방향으로 형성된다. 이와 같은 벽체부(562)의 적어도 일부에는 상술한 다중산란증폭영역(565) 및/또는 반사영역(567)이 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)는 벽체부(562)와 바닥부(561)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게(즉, 비스듬하게) 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)에서 레이저의 반사에 의한 광산란 시, 산란된 빛의 일부가 외부로 나가, 검출부(도 1의 120 참조)가 받아들이는 광량의 손실이 발생하여 광산란 분석을 통한 결과에 영향을 주게 된다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 벽체부(562)와 바닥부(561)가 이루는 각(α)이 정확히 직각이 아니라, 약간 정도 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 벽체부(562)와 바닥부(561)가 이루는 각(α)이 대략 85°내지 88°가 되도록 벽체부(562)를 형성하여, 벽체부(562)에 반사된 레이저가 개방된 면의 반대쪽으로 향하게 하여 광량의 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
다시 말하면, 벽체부(562)는 위로 갈수록(즉 +Z축 방향으로 갈수록) 입구가 좁아지도록 형성된다고 표현할 수도 있고, 또는 위로 갈수록 직경이 점점 작아진다고 표현할 수도 있을 것이다. 이와 같은 본 발명에 의해서, 파동원(510)에서 출사된 광이 외부로 빠져나가는 손실을 줄임으로써, 광산란 효과를 높일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)는 입수관(581), 출수관(582), 제2 출수관(583), 전원 공급부(584), 데이터 출력부(585), 전원 스위치(586), 측정 버튼부(587), 교정 버튼부(588)를 더 포함할 수 있다.
입수관(581)은 유체 수용부(560) 내로 유체를 공급하는 역할을 수행한다.
출수관(582)은 유체 수용부(560) 내에 있던 유체를 외부로 배출하는 역할을 수행한다.
여기서 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)는 버블 제거를 위한 별도의 유체 수용부가 없는 대신, 주기적(예를 들어, 1분에 한 번씩)으로 유체 수용부(560)로 유체를 주입 및 배출함으로써, 유체 내에 존재하는 용존 산소 제거 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 이를 위해, 입수관(581)과 출수관(582)이 유체 수용부(560)의 하단에 배치되되, 배출구는 주입구보다 더 낮은 위치에 배치될 수 있다. 여기서, 도면에는 입수관(581)과 출수관(582)이 동일한 높이인 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 출수관(582)의 위치가 입수관(581)의 위치보다 같거나 더 낮은 곳에 배치될 수 있다. 이와 같이 출수관(582)의 높이가 입수관(581)의 높이 이하로 형성됨으로써 유체 수용부(560) 내의 유체의 배출이 보다 원활해질 수 있다.
나아가 입수관(581) 및 출수관(582)의 넘침(overflow)을 방지하기 위해 입수관(581) 및 출수관(582)보다 높은 위치에 제2 출수관(583)을 추가로 배치할 수 있다. 이때 제2 출수관(583)의 단위시간당 유체 배출 용량은 출수관(582)의 단위시간당 유체 배출 용량보다 크도록 형성될 수 있다.
전원 공급부(584)는 외부 전원과 연결되어 외부 전원을 수질 검사기(500)로 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 그리고 전원 스위치(586)는 전원 공급부(584)로의 전원 공급을 개폐하는 역할을 수행할 수 있다.
데이터 출력부(585)는 외부의 전자 기기(외부의 단말기(도 1의 300) 또는 서버(도 1의 200))와 연결되어, 수질 검사기(500)에서 측정된 데이터를 외부로 출력하는 역할을 수행할 수 있다.
측정 버튼부(587)는 수질 검사기(500)의 탁도 측정 기능을 ON/OFF 하는 역할을 수행할 수 있다.
교정 버튼부(588)는 교정 기능을 ON/OFF 하는 역할을 수행할 수 있다. 여기서 교정 기능이란, 측정값을 미리 알고 있는 표준 물질을 주기적으로(예를 들어, 2년 마다) 유체 수용부(560)에 넣어서, 이 표준 물질에 대한 데이터 편차가 발행하면 이를 교정하는 기능을 뜻한다.
이와 같이 본 발명의 수질 검사기(500)는 버블 제거를 위한 별도의 유체 수용부가 없는 대신, 주기적(예를 들어, 1분에 한 번씩)으로 측정 유체 수용부(560)로 유체를 주입 및 배출함으로써, 유체 내에 존재하는 용존 산소 제거 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다. 그리고 이와 같은 방법으로 용존 산소를 제거함으로써, 측정의 속도 및 정확성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 검사기(500)를 이용하여 탁도를 측정하는 방법은 다음과 같다.
먼저 전원 스위치(586)를 누르면, 소정의 시간(예를 들어 3분) 동안 대기하면서 초기 세척을 수행한다.
다음으로, 측정 버튼부(587)를 누르면 소정의 시간 간격(예를 들어 1분 간격)으로 자동으로 반복 측정을 시작한다. 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 입수관(581)이 개방되고 출수관(582)이 폐쇄된 상태에서, 입수관(581)을 통해 유체가 유체 수용부(560) 내로 유입되어 유체가 유체 수용부(560)를 가득 채운다.
다음으로, 입수관(581)이 폐쇄되고 출수관(582)이 폐쇄된 상태에서, 탁도 측정이 수행된다. 즉, 파동원(510)으로부터 조사된 파동이 유체(L) 내에서 다중 산란(multiple scattering)된 후, 검출부(520)에서 검출되면서 측정이 수행되는 것이다.
다음으로, 측정이 끝나면, 입수관(581)이 폐쇄되고 출수관(582)이 개방되어, 유체 수용부(560) 내의 유체가 외부로 배출된다.
다음으로, 입수관(581)이 개방되고 출수관(582)도 개방된 상태에서, 유체가 유체 수용부(560) 내로 유입되면서 세척이 수행된다.
이와 같은 단계를 반복적으로 수행하면서 유체의 탁도를 측정하게 된다. 이와 같이 본 발명의 수질 검사기(500)를 이용하여 탁도를 측정함으로써, 기존의 탁도계에 비해 신속한 측정이 실시간으로 이루어지며, 또한 탁도계의 유지보수가 용이해지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기는 수질 계량기일 수 있다. 이와 같은 수질 검사기는 상수도에 설치되어서, 실시간으로 상수도의 수질을 분석할 수 있다. 즉, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수질 검사기는 상수도에 흐르는 유체의 유속을 측정하고, 이 유속과 파이프의 단면적을 이용하여 유량을 분석할 수 있다. 그리고, 이와 같이 측정된 유속이 일정할 경우, 수질 검사기(즉, 수질 계량기)가 작동하여 수질을 측정하고, 측정된 데이터를 서버(도 1의 200) 또는 사용자 단말기(도 1의 300) 등으로 전송할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100 : 수질 검사기
110 : 파동원
120 : 검출부
130 : 제어부
140 : 경보유닛
150 : 본체
160 : 유체 수용부
170 : 디스플레이부
180 : 보정부

Claims (21)

  1. 본체;
    상기 본체의 내부에 형성되는 유체 수용부;
    상기 유체 수용부를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부;
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부; 및
    상기 파동원에서 조사되어서 상기 검출부에서 측정되는 광량이 기 설정된 소정의 범위 이내가 되도록 상기 파동원 또는 상기 검출부를 제어하는 보정부;를 포함하고,
    상기 검출부는, 센서부 및 상기 센서부의 일 측에 형성되어 상기 센서부로 입사되는 광을 차단하는 셔터를 포함하고,
    상기 보정부는 상기 셔터의 셔터 스피드를 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정부의 보정(calibration)의 기준값은,
    상기 검출부에서 검출된 이미지의 각 픽셀(pixel)의 강도(intensity) 값의 평균을 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부에서 검출된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우,
    상기 보정부는 상기 센서부에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 상기 셔터의 셔터 스피드가 느려지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부에서 검출된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우,
    상기 보정부는 상기 센서부에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 상기 셔터의 셔터 스피드가 빨라지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부에서 검출된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우,
    상기 보정부는 상기 검출부에 들어오는 광량을 증가시키기 위하여 상기 파동원의 전압을 상승시키는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출부에서 검출된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우,
    상기 보정부는 상기 검출부에 들어오는 광량을 감소시키기 위하여 상기 파동원의 전압을 하강시키는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정부에 의해 상기 검출부에서 검출되는 광량이 소정 범위 이내로 조정된 이후,
    상기 제어부에서 레이저 스펙클을 이용하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 추정하는 것을 특징으로 하는 수질 검사기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 수용부는,
    상기 본체의 내부에 형성되는 바닥부; 및
    상기 바닥부에 대해 소정의 각도를 갖도록 형성되는 벽체부;를 포함하는, 수질 검사기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 바닥부와 상기 벽체부가 이루는 각도는 수직이 아닌 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체 수용부와 연결되어 상기 유체 수용부로 유체를 공급하는 입수관;
    상기 유체 수용부와 연결되어 상기 유체 수용부로부터 유체를 외부로 배출하는 출수관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    주기적으로 상기 입수관을 통해 상기 유체를 상기 유체 수용부 내로 공급하고 상기 출수관을 통해 상기 유체를 상기 유체 수용부로부터 배출시킴으로써, 상기 유체 내에 존재하는 용존 산소를 제거하는 것을 특징으로 하는, 탁도계.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 바닥부 또는 벽체부는, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 유체 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다중산란증폭영역은 상기 유체로부터 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 유체로 반사시켜 상기 유체 내에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는, 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 실시간(real-time)으로 추정하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 시간 상관 관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함하는, 수질 검사기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 영상정보와 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 수질 검사기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출부에서 검출된 광학 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 상기 간섭 패턴의 공간 상관 관계의 시간에 따른 변화를 기초로 상기 유체 내의 불순물의 존재여부를 판단하는 것을 특징으로 하는, 수질 검사기.
  19. 검출부에 의해, 파동원에서 조사된 광의 광량이 측정되는 단계;
    보정부에 의해, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제1 기준값 이상인지 판단되는 단계;
    상기 검출부에서 측정된 광량이 상기 제1 기준값 이상이 아닐 경우, 상기 보정부에 의해, 상기 검출부로 입사되는 광량이 감소되도록 제어되는 단계;
    상기 보정부에 의해, 상기 검출부에서 측정된 광량이 제2 기준값 이하인지 판단되는 단계;
    상기 검출부에서 측정된 광량이 상기 제2 기준값 이하가 아닐 경우, 상기 보정부에 의해, 상기 검출부로 입사되는 광량이 증가되도록 제어되는 단계; 및
    제어부에 의해, 상기 검출부에서 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 유체 내의 불순물의 존재여부가 실시간(real-time)으로 추정되는 단계;를 포함하고,
    상기 검출부에서 측정된 광량이 제1 기준 값 이하일 경우,
    상기 보정부는 상기 검출부에 입사되는 광량을 증가시키기 위하여 셔터의 셔터 스피드가 느려지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 검사 방법.
  20. 삭제
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 검출부에서 측정된 광량이 제2 기준 값 이상일 경우,
    상기 보정부는 상기 검출부에 입사되는 광량을 감소시키기 위하여 셔터의 셔터 스피드가 빨라지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 수질 검사 방법.
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