KR102531035B1 - 성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법 - Google Patents

성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법에 관한 것이다. 이를 위해, 성층권의 바람(60)이 통과하는 유동관(140); 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 1 주파수(f1)를 출력하는 제 1 QCM모듈(150); 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 2 주파수(f2)를 출력하는 제 2 QCM모듈(180); 및 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 통신수단을 포함하고, 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 폴리머층(152)의 폴리머양은 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 폴리머층(182)의 폴리머양 보다 더 많은 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치가 제공된다.

Description

성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법{Stratosphere moisture measurement device, radiosonde therewith, calibration method thereof, and moisture measurement method using the same}
본 발명은 성층권의 정확한 수분측정이 가능한 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 듀얼 QCM 모듈을 이용한 성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 공정에서의 증착 제어, 습도 측정 등을 위해 QCM(Quarts Crystal Microbalance)센서를 사용하는 QCM모듈이 사용되고 있다. QCM모듈에서 사용되는 석영(QC)은 고유한 공진주파수를 가지고 있고, 외부 요인에 의해 그 무게가 변하게 되면 공진주파수 또한 변하게 된다. 이와 같이 무게에 따라 변하는 공진주파수를 기반으로 습도 측정이 가능하다. 즉, 석영 표면에 물분자가 흡착되어 무게가 변하면 공진주파수가 변하게 되고, 공진주파수의 변화량이 흡착된 물분자의 양에 비례하며, 공기중의 물분자 양은 상대습도 혹은 수분량으로 나타낼 수 있게 된다.
한편, 지상으로부터 10 km ~ 50 km 범위에 있는 성층권으로 비양되는 라디오존데에는 (상대)습도를 측정하기 위한 박막 폴리머 습도센서가 사용된다. 박막형 폴리머 습도센서는 물분자가 흡착되면 흡착된 물분자의 양에 비례하여 전기용량이 변하게 되고 전기용량의 변화를 측정하여 상대습도를 측정하게 된다.
성층권에서의 수분은 대략 0 ~ 20 ppm 정도의 농도범위인데, 종래의 상대습도센서로는 성층권에서의 낮은 수분함량 조건에서는 거의 반응하지 않기 때문에 성층권에서 분해능과 정확도가 떨어져서 사용할 수 없었다.
따라서, 지상으로부터 10 km ~ 50 km 범위에 있는 성층권에 분포하는 극미량(0 ~ 20 ppm)의 수분의 농도(또는 상대습도)를 정확히 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
1. 대한민국 특허등록 제 10-2094516호(QCM모듈의 접촉단자), 2. 대한민국 특허공개 제 10-2020-0003364호(천연 가스용 휴대형 수분 분석기), 3. 대한민국 특허공개 제 10-1834088호 (습도측정센서, 고층기상 관측시스템과 이를 이용한 고층습도 측정방법).
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 지상으로부터 10 km ~ 50 km 범위에 있는 성층권에 분포하는 극미량(0 ~ 20 ppm)의 수분의 농도(또는 상대습도)를 2개의 QCM모듈을 이용하여 정확히 측정할 수 있는 성층권의 수분측정장치, 이를 포함하는 라디오존데, 수분측정장치의 교정방법 및 이를 이용한 수분측정방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 성층권의 바람(60)이 통과하는 유동관(140); 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 1 주파수(f1)를 출력하는 제 1 QCM모듈(150); 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 2 주파수(f2)를 출력하는 제 2 QCM모듈(180); 및 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 통신수단을 포함하고, 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 폴리머층(152)의 폴리머의 두께는 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 폴리머층(182)의 폴리머의 두께 보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치에 의해 달성된다.
또한, 유동관(140)은, 상부에 형성된 유입구(110); 및 하부에 형성된 유출구(120);를 포함하고, 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)은 유동관(140) 내에서 상호 평행하게 배치된다.
또한, 통신수단은, 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(200); 및 디지털로 변환된 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)모듈(210);을 포함한다.
또한, 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은,
DOPC(1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),
DOPS(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine), 및
DOTAP(1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane) 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은, DOPC : DOPS가 100 : 0 내지 20 : 80 중량부이다.
또한, 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은, DOPC : DOTAP가 20 : 80 내지 80 : 20 중량부이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 실시예로써, 전술한 성층권의 수분측정장치(100); 성층권의 온도(T)를 측정하는 온도센서(370); 성층권의 위치를 측정하는 GPS(380); 수분측정장치(100)로부터 수신한 디지털 제 1, 2 주파수(f1, f2), 온도(T), 위치를 아날로그로 변환하는 디지털-아날로그 변환기(220); 및 디지털-아날로그 변환기(220)에 의해 변환된 아날로그 신호를 지상으로 송신하는 안테나(230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 포함하는 라디오존데에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로써, 전술한 성층권의 수분측정장치(100); 수분측정장치(100)를 수용하는 모사 챔버(300); 모사챔버(300)의 압력(P)을 제어하는 압력부(310), 습도(H)를 제어하는 수분부(320) 및 온도(T)를 제어하는 온도부(330);를 포함하는 성층권 모사장치를 이용한 수분측정장치의 교정방법에 있어서, 압력부(310), 수분부(320) 및 온도부(330)를 이용하여 모사 챔버(300)의 내부를 성층권과 같이 단계적으로 변화시키는 단계(S120); 신호처리부(340)가 압력(P), 습도(H), 온도(T), 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 주파수(f1), 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 주파수(f2)를 획득하는 단계(S140); 및 신호처리부(340)가 압력(P), 습도(H), 온도(T), 제 1, 2 주파수(f1, f2)에 기초하여 습도(H)의 교정량(C)을 산출하는 단계S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권 수분측정장치의 교정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 산출단계(S160)에서 신호처리부(340)는 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이에 기초하여 습도(H)의 교정량(C)을 산출한다.
또한, 산출단계(S160)에서 신호처리부(340)는 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이가 습도(H)에 대응하도록 교정량(C)을 산출할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 전술한 성층권의 수분측정장치(100)를 이용한 수분측정방법에 있어서, 수분측정장치(100)를 라디오존데(50)에 설치하여 비양시키는 단계(S200); 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)이 제 1 주파수(f1)를 측정하고, 제 2 QCM모듈(180)이 제 2 주파수(f2)를 측정하는 단계(S210); 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 라디오존데(50)로 전송하는 단계(S230); 라디오존데(50)가 온도센서(370)의 온도(T), GPS(380)의 위치정보, 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 지상으로 송신하는 단계(S240); 지상수신부에서 수신된 온도(T) 및 위치정보에 대응하는 교정량(C)을 산출하는 단계(S260); 및 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이와 교정량(C)에 기초하여 수분농도(H)를 산출하는 단계(S270);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법에 의해서도 달성될 수 있다.
또한, 교정량(C)은, 모사챔버(300) 내에 설치된 수분측정장치(100)에 대해 압력(P), 습도(H), 및 온도(T)를 변화시키면서 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 측정한 뒤, 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이가 모사챔버(300)의 습도(H)에 대응하도록 교정량(C)을 산출하여 정할 수 있다.
또한, 전송단계(S230)가 수행되기 전에, 아날로그-디지털 변환기(200)에 의해 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 디지털로 변환하는 단계(S220)가 더 포함되며, 라디오존데(50)로의 전송은 UART모듈(210)에 의해 이루어진다.
또한, 송신단계(S240)는, 디지털-아날로그 변환기(220)가 온도센서(370)의 온도(T), GPS(380)의 위치정보, 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 아날로그로 변환하는 단계를 더 포함한다.
또한, 수분농도(H) 산출단계(S270)는 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이의 절대값에 교정량(C)을 승산하여 산출한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 지상으로부터 10 km ~ 50 km 범위에 있는 성층권에 분포하는 극미량(0 ~ 20 ppm)의 수분의 농도(또는 상대습도)를 정확히 측정할 수 있다.
또한, 2개의 QCM 모듈을 이용하여 주파수의 상대 변화를 산출함으로써 정확한 수분 농도의 측정이 가능하다.
또한, 사전에 모사챔버를 통해 교정량(C)의 LUT(Look-Up Table)나 교정공식을 획득함으로써, 수신된 주파수를 교정하여 매우 정확한 수분 농도의 측정이 가능하다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 QCM모듈(10)의 평면도,
도 2는 도 1에 도시된 QCM모듈(10)의 측면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 성층권의 수분측정장치(100) 및 라디오존데(50)의 개략도,
도 4는 도 3에 도시된 수분측정장치(100)의 평면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수분측정장치(100)를 교정하는 교정장치의 일예,
도 6은 도 5에 도시된 교정장치를 이용한 수분측정장치(100)의 교정방법을 나타내는 흐름도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법을 나타내는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에서 사용되는 QCM모듈(10)의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 QCM모듈(10)의 측면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 금속판(12)은 금속의 디스크 형상이고, 박막의 금(Au), 알루미늄(Al)이 될 수 있다.
금속판(12)의 원주 둘레에는 수정발진자에 대해 환형의 폴리머층(14)이 성막된다. 폴리머층(14)은 습기나 수분을 흡수하는 역할을 한다. 폴리머층(14)의 폴리머는 DOPC(1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), DOPS(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine), 및 DOTAP(1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane) 등이 될 수 있다. 특히, 폴리머층(14)은 DOPC : DOPS가 100 : 0 내지 20 : 80 중량부의 비율을 갖는다. 또 다른 실시예로써, 폴리머층(14)은 DOPC : DOTAP가 20 : 80 내지 80 : 20 중량부의 비율로 제조될 수 있다.
제 1 전극(16)은 금속판(12)의 일면에 연결되고, 타단은 바디부(20)를 통해 노출된다. 제 2 전극(18)은 금속판(12)의 타면에 연결되고, 타단은 바디부(20)를 통해 노출된다. 이러한 제 1, 2 전극(16, 18)을 통해 주파수(f)가 출력된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 성층권의 수분측정장치(100) 및 라디오존데(50)의 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 수분측정장치(100)의 평면도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 라디오존데(50) 내부에 수분측정장치(100)가 설치되고, 라디오존데(50)와 수분측정장치(100)는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)모듈(210)에 의해 통신적으로 연결된다.
유동관(140)은 중공의 원통 형상이며 상승방향(70)을 따라 내부로 바람(60)이 유입될 수 있도록 수직하게 설치된다. 유동관(140)의 상단에는 유입구(110)가 형성되고, 하단에는 유출구(120)가 형성된다. 유동관(140)의 중간영역에는 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)이 상호 평행하게 이격된 채, 수직하게 세워져서 설치된다. 이는 바람(60)이 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)을 동일하게 통과하도록 하기 위함이다.
제 1, 2 QCM모듈(150, 180)은 도 1 및 도 2에 도시된 QCM모듈(10)과 동일한 구성이다. 단, 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 폴리머층(152)의 양(두께)는 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 폴리머층(182)의 양(두께) 보다 크다. 이로 인해, 동일한 습기가 흡착되더라도 제 1 주파수(f1) > 제 2 주파수(f2)로 출력된다.
유동관(130)은 복사 차폐관(Radiation Shield Tube)로써 두께는 1 ~ 2 mm이고, 수직 길이는 400 ~ 800 mm이며, 외면에는 알루미늄 박막 코팅이 이루어진다. 또한 유동관(130)의 내면은 블랙으로 코팅하며 유동관(130)은 금속, 플라스틱, 종이 등으로 제조할 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(ADC, 200)는 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)의 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 디지털로 변환한다. 이는 UART 통신을 위한 것이다.
UART모듈(210)은 수분측정장치(100)와 라디오존데(50) 사이의 데이터 통신을 가능하게 한다.
라디오존데(50)에는 별도의 온도센서(370), GPS(380), 디지털-아날로그 변환기(DAC, 220), 안테나(230) 등이 구비된다. 온도센서(370)는 성층권에서 상승할 때 온도(T)를 측정한다. GPS(380)는 GPS위성으로 위치 신호를 수신하여 현재의 위치와 고도를 알 수 있다. 디지털-아날로그 변환기(DAC, 220)는 디지털화된 제 1, 2 주파수(f1, f2), 온도(T), GPS(380)의 위치 신호를 아날로그로 변환하여 전파 송신이 이루어지도록 한다.
안테나(230)는 디지털-아날로그 변환기(DAC, 220)에 의해 변환된 각 아날로그 신호를 지상을 향해 전파(240) 발신한다.
지상수신부(미도시)에는 수신 안테나, 아날로그-디지털 변환기(DAC), 컴퓨터 등이 구비된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수분측정장치(100)를 교정하는 교정장치의 일예이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 모사챔버(300)는 밀폐되고 단열처리되었으며 내압을 견딜 수 있는 챔버이다. 이러한 모사챔버(300)의 내부에 수분측정장치(100)를 설치한다.
압력부(310)는 모사챔버(300) 내부를 고도에 따른 성층권과 압력과 같이 저압을 형성하도록 한다. 압력부(310)는 압력센서와 진공펌프를 포함한다.
수분부(320)는 모사챔버(300) 내부로 정해진 수분이나 습기를 공급한다. 이를 위해 수분부(320)는 물탱크, 스프레이, 펌프, 수분센서, 노즐 등을 포함한다.
온도부(330)는 모사챔버(300)의 내부가 고도에 따른 성층권의 온도와 같이 저온이 되도록 한다. 온도부(330)는 온도센서, 쿨러, 냉각 라디에이터나 냉각핀 등을 포함한다.
신호처리부(340)는 조성된 성층권 환경일 때 수분측정장치(100)에서 출력되는 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 수신하고, 압력부(310)의 압력(P), 수분부(320)의 수분농도, 온도부(330)의 온도(T)를 수신한다. 신호처리부(340)는 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 절대값의 차이가 수분농도(H)에 일치하도록 교정량(C)을 결정한다(예 : C= 0.2315).
이러한 방식으로 온도(T), 습도(H)와 압력(P)을 변화시키면서 다양한 모사환경에서의 다양한 교정량(C)을 결정한다. 획득된 교정량(C)들은 룩업테이블(Look-Up Table, LUT)로 생성하여 저장하거나 방정식, (선형)함수로 생성한다. 신호처리부(340)는 컴퓨터의 CPU 또는 마이컴이 될 수 있다.
디스플레이(360)는 모사챔버(300)의 내부 환경, 제 1, 2 주파수(f1, f2) 등을 수치나 그래프로 표출한다. 디스플레이(360)는 터치스크린을 갖는 LCD 모니터가 될 수 있다.
저장부(350)는 운영체계, 동작 프로그램, 실험 경과, 교정량(C) 등을 저장하는 구성요소이다. 저장부(350)는 RAM, ROM, 플래쉬메모리, 하드디스크, SSD, 광디스크, 자기테이프, 클라우드 저장소 등이 될 수 있다.
실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다. 도 6은 도 5에 도시된 교정장치를 이용한 수분측정장치(100)의 교정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 먼저 모사챔버(300)의 내부에 수분측정장치(100)를 설치한다(S100).
그 다음, 압력부(310), 수분부(320) 및 온도부(330)를 이용하여 모사 챔버(300)의 내부를 성층권과 같도록 조성한다(S120). 이때, 조성된 압력(P), 상대습도(H) 및 온도(T)는 신호처리부(340)에 전송되고, 디스플레이(360)에 표출되며, 저장부(350)에 저장된다.
그 다음, 신호처리부(340)가 압력(P), 습도(H), 온도(T), 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 주파수(f1), 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 주파수(f2)를 획득한다(S140). 수분부(320)에 의해 공급되는 습기가 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)의 표면에 증착됨으로써 공진주파수가 변하게 된다. 이때, 폴리머층의 차이로 인해 제 1 주파수(f1) > 제 2 주파수(f2)로 출력된다. 다만, 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)에 동일한 온도 변화가 작용하므로 온도 저하에 따른 주파수의 변화는 무시할 수 있다. 출력된 제 1, 2 주파수(f1, f2)는 디지털로 변환된 후 신호처리부(340)로 전송된다.
그 다음, 신호처리부(340)가 수신된 압력(P), 습도(H), 온도(T), 제 1, 2 주파수(f1, f2)에 기초하여 습도(H)의 교정량(C)을 산출한다S160). 보다 구체적으로, 신호처리부(340)는 제 1, 2 주파수(f1, f2) 차이의 절대값이 수신된 습도(H)와 일치하도록 교정량(C)을 산출한다.
전술한 S120 단계 내지 S160단계를 다양한 압력, 온도 및 수분 조건하에 실시하여 복수의 교정량(C)를 획득한다. 획득된 복수의 교정량(C)은 교정공식(예 : 선형함수) 또는 LUT로 생성되어 저장부(350)에 저장된다(S180).
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법을 나타내는 흐름도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 먼저 수분측정장치(100)를 라디오존데(50)에 설치하여 비양시킨다(S200).
그 다음, 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)이 제 1 주파수(f1)를 측정하고, 제 2 QCM모듈(180)이 제 2 주파수(f2)를 측정한다(S210). 성층권의 미약한 습기가 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)의 표면에 부착됨으로써 공진주파수가 변하게 된다. 이때, 폴리머층의 차이로 인해 제 1 주파수(f1) > 제 2 주파수(f2)로 출력된다. 다만, 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)에 동일한 온도 변화가 작용하므로 온도 저하에 따른 주파수의 변화는 무시할 수 있다.
그 다음, 출력된 제 1, 2 주파수(f1, f2)는 아날로그-디지털 변환기(200)에 의해 디지털로 변환된다(S220).
그 다음, 디지털화된 제 1, 2 주파수(f1, f2)는 UART모듈(210)을 통해 라디오존데(50)로 전송된다(S230).
그 다음, 라디오존데(50)의 디지털-아날로그 변환기(220)가 온도센서(370)의 온도(T), GPS(380)의 위치정보, 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 아날로그로 변환하여 지상으로 전파 송신한다(S240).
그 다음, 지상수신부는 전파를 수신하여 디지털로 변환한 뒤 온도(T) 및 위치정보에 대응하는 교정량(C)을 산출한다(S260). 보다 구체적으로는 위치정보에는 고도 정보를 포함하고 있으므로 라디오존데(50)의 현재 높이 및 높이에 따른 압력도 알 수 있다. 따라서, 지상수신부는 교정량(C)의 LUT로부터 온도(T)와 압력(P)에 대응하는 교정량(C)을 독출하다.
그 다음, 수신된 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이의 절대값에 독출된 교정량(C)을 곱해서 수분농도(H)를 산출한다(S270). 이와 같은 과정을 통해 성층권에서 비양중인 라디오존데와 수분측정장치를 통해 정확한 성층권의 수분농도(상대습도)를 측정할 수 있다.
특히, 라디오존데(50)가 상승하는 과정에서 실시간으로 전파를 수신함으로써 고도 변화에 따른 온도변화, 압력변화, 습도 변화 등을 상관적으로 측정할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
10 : QCM모듈,
12 : 금속판,
14 : 폴리머층,
16 : 제 1 전극,
18 : 제 2 전극,
20 : 바디부,
50 : 라디오존데,
60 : 바람,
70 : 상승,
100 : 수분측정장치,
110 : 유입구,
120 : 유출구,
130 : 유동로,
140 : 유동관,
150 : 제 1 QCM모듈,
152 : 제 1 폴리머층,
154 : 제 1 금속층,
160 : 제 1 전극,
165 : 제 2 전극,
180 : 제 2 QCM모듈,
182 : 제 2 폴리머층,
184 : 제 2 금속층,
190 : 제 3 전극,
195 : 제 4 전극,
200 : ADC,
210 : UART모듈,
220 : DAC,
230 : 안테나,
240 : 전파,
300 : 모사 챔버,
310 : 압력부,
320 : 수분부,
330 : 온도부,
340 : 신호처리부,
350 : 저장부,
360 : 디스플레이,
370 : 온도센서,
380 : GPS,
T : 온도,
P : 압력,
H : 습도,
f1 : 제 1 QCM 모듈의 주파수,
f2 : 제 2 QCM 모듈의 주파수,
C : 교정량.

Claims (15)

  1. 성층권의 바람(60)이 통과하는 유동관(140);
    상기 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 1 주파수(f1)를 출력하는 제 1 QCM모듈(150);
    상기 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 2 주파수(f2)를 출력하는 제 2 QCM모듈(180); 및
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 통신수단을 포함하고,
    상기 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 폴리머층(152)의 폴리머의 두께는 상기 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 폴리머층(182)의 폴리머의 두께 보다 더 두껍고,
    상기 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은,
    DOPC(1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),
    DOPS(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine), 및
    DOTAP(1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은 상기 DOPC : DOPS가 100 : 0 내지 20 : 80 중량부인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동관(140)은,
    상부에 형성된 유입구(110); 및
    하부에 형성된 유출구(120);를 포함하고,
    상기 제 1, 2 QCM모듈(150, 180)은 상기 유동관(140) 내에서 상호 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통신수단은,
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(200); 및
    디지털로 변환된 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)모듈(210);을 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 성층권의 바람(60)이 통과하는 유동관(140);
    상기 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 1 주파수(f1)를 출력하는 제 1 QCM모듈(150);
    상기 유동관(140) 내에 설치되고, 수분량에 따라 제 2 주파수(f2)를 출력하는 제 2 QCM모듈(180); 및
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 전송하는 통신수단을 포함하고,
    상기 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 폴리머층(152)의 폴리머의 두께는 상기 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 폴리머층(182)의 폴리머의 두께 보다 더 두껍고,
    상기 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은,
    DOPC(1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine),
    DOPS(1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine), 및
    DOTAP(1,2-dioleoyl-3-trimethylammonium-propane) 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제 1, 2 폴리머층(152, 182)은 상기 DOPC : DOTAP가 20 : 80 내지 80 : 20 중량부인 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 성층권의 수분측정장치(100);
    상기 성층권의 온도(T)를 측정하는 온도센서(370);
    상기 성층권의 위치를 측정하는 GPS(380);
    상기 수분측정장치(100)로부터 수신한 디지털 제 1, 2 주파수(f1, f2), 상기 온도(T), 상기 위치를 아날로그로 변환하는 디지털-아날로그 변환기(220); 및
    상기 디지털-아날로그 변환기(220)에 의해 변환된 아날로그 신호를 지상으로 송신하는 안테나(230);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 포함하는 라디오존데.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 성층권의 수분측정장치(100);
    상기 수분측정장치(100)를 수용하는 모사 챔버(300);
    상기 모사챔버(300)의 압력(P)을 제어하는 압력부(310), 습도(H)를 제어하는 수분부(320) 및 온도(T)를 제어하는 온도부(330);를 포함하는 성층권 모사장치를 이용한 수분측정장치의 교정방법에 있어서,
    상기 압력부(310), 상기 수분부(320) 및 상기 온도부(330)를 이용하여 상기 모사 챔버(300)의 내부를 상기 성층권과 같이 단계적으로 변화시키는 단계(S120);
    신호처리부(340)가 상기 압력(P), 상기 습도(H), 상기 온도(T), 상기 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)의 제 1 주파수(f1), 제 2 QCM모듈(180)의 제 2 주파수(f2)를 획득하는 단계(S140); 및
    상기 신호처리부(340)가 상기 압력(P), 상기 습도(H), 상기 온도(T), 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)에 기초하여 상기 습도(H)의 교정량(C)을 산출하는 단계S160);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권 수분측정장치의 교정방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 산출단계(S160)에서 상기 신호처리부(340)는 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이에 기초하여 상기 습도(H)의 교정량(C)을 산출하는 것을 특징으로 하는 성층권 수분측정장치의 교정방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산출단계(S160)에서 상기 신호처리부(340)는 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이가 상기 습도(H)에 대응하도록 상기 교정량(C)을 산출하는 것을 특징으로 하는 성층권 수분측정장치의 교정방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 성층권의 수분측정장치(100)를 이용한 수분측정방법에 있어서,
    상기 수분측정장치(100)를 라디오존데(50)에 설치하여 비양시키는 단계(S200);
    상기 수분측정장치(100)의 제 1 QCM모듈(150)이 제 1 주파수(f1)를 측정하고, 제 2 QCM모듈(180)이 제 2 주파수(f2)를 측정하는 단계(S210);
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 상기 라디오존데(50)로 전송하는 단계(S230);
    상기 라디오존데(50)가 온도센서(370)의 온도(T), GPS(380)의 위치정보, 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 지상으로 송신하는 단계(S240);
    지상수신부에서 수신된 상기 온도(T) 및 상기 위치정보에 대응하는 교정량(C)을 산출하는 단계(S260); 및
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이와 상기 교정량(C)에 기초하여 수분농도(H)를 산출하는 단계(S270);를 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 교정량(C)은,
    모사챔버(300) 내에 설치된 상기 수분측정장치(100)에 대해 압력(P), 습도(H), 및 온도(T)를 변화시키면서 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 측정한 뒤,
    상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이가 상기 모사챔버(300)의 상기 습도(H)에 대응하도록 상기 교정량(C)을 산출하여 정해지는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전송단계(S230)가 수행되기 전에,
    아날로그-디지털 변환기(200)에 의해 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 디지털로 변환하는 단계(S220)가 더 포함되며,
    상기 라디오존데(50)로의 전송은 UART모듈(210)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 송신단계(S240)는,
    디지털-아날로그 변환기(220)가 상기 온도센서(370)의 온도(T), 상기 GPS(380)의 위치정보, 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)를 아날로그로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 수분농도(H) 산출단계(S270)는 상기 제 1, 2 주파수(f1, f2)의 차이의 절대값에 상기 교정량(C)을 승산하여 산출하는 것을 특징으로 하는 성층권의 수분측정장치를 이용한 수분측정방법.
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