KR102553384B1 - Method and apparatus for automatic measurement of total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid in water using multiple differential gain selection opitcal signal control processing algorithm technique - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수중에 함유되어 있는 총질소, 총인, 인산 등과 같은 영양염류를 광도법으로 측정하는 방법 및 장치에 있어서 광신호를 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법으로 처리하여 측정의 재현성을 향상시키는 수중 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention is a method and apparatus for measuring nutrients such as total nitrogen, total phosphorus, phosphoric acid, etc. contained in water by a photometric method, which improves the reproducibility of measurement by processing an optical signal with a multi-differential gain selection optical signal control processing algorithm technique It relates to a method and apparatus for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid in water.
하천, 호소 등의 물에 질소, 인과 같은 영양염류가 과도하게 함유되어 있을 경우 부영양화를 일으키며 결과적으로 녹조, 적조 등과 같은 현상이 발생하여 국민의 삶의 질에 크게 영향을 미치게 된다. 따라서 영양염류를 대표하는 항목인 총질소, 총인, 인산 등의 수질항목은 수시로 측정되어 관리되고 있다. 특히 우리나라의 경우 수질 표적관리시스템(TMS: target management system) 및 하천 TMS에 상기 자동측정기들이 적용되어 있으며 하폐수처리장, 하천 등의 수질측정데이터가 잘 관리되고 있다.When water in rivers and lakes contains excessive nutrients such as nitrogen and phosphorus, it causes eutrophication, and as a result, phenomena such as green and red tides occur, greatly affecting the quality of life of the people. Therefore, water quality items such as total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid, which represent nutrients, are frequently measured and managed. In particular, in the case of Korea, the automatic measuring devices are applied to a water quality target management system (TMS) and river TMS, and water quality measurement data such as wastewater treatment plants and rivers are well managed.
이러한 이유로 다양한 종류의 총질소자동측정기, 총인자동측정기, 인산자동측정기 등이 개발되어 판매되고 있다. 총질소, 총인 및 인산의 측정원리는 기본적으로 수질오염공정시험기준 ES 04908. 1c(총질소-연속자동측정방법), 수질오염공정시험기준 ES 04907. 1e(총인-연속자동측정방법), 수질오염공정시험기준 ES 04360. 1d(인산염인-자외선/가시광선 분광법-이염화주석환원법), 수질오염공정시험기준 ES 04360.2c(인산염인-자외선/가시광선 분광법-아스코빈산환원법)에 잘 명시되어 있다. 총질소는 수질오염공정시험기준에는 자외부 흡광도 측정법과 카드뮴-구리환원법이 있으나 주로 자외부 흡광도 측정법이 주로 이용되고 있다. 이 방법은 수중 시료에 함유되어 있는 질소화합물을 알카리성 과황산칼륨의 존재하에 섭씨 120도에서 유기물과 함께 분해하여 질산이온으로 산화시킨 다음 산성조건에서 220nm 파장의 빛을 조사하여 흡광도를 측정하는 방법이다. For this reason, various types of automatic total nitrogen measuring instruments, automatic total phosphorus measuring instruments, automatic phosphoric acid measuring instruments, etc. have been developed and sold. The measurement principle of total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid is basically water pollution process test standard ES 04908. 1c (total nitrogen-continuous automatic measurement method), water pollution process test standard ES 04907. 1e (total phosphorus-continuous automatic measurement method), water quality Contamination Process Test Standard ES 04360.1d (phosphate-ultraviolet/visible ray spectroscopy-tin dichloride reduction method), Water Pollution Process Test Standard ES 04360.2c (phosphate-ultraviolet/visible ray spectrometry-ascorbic acid reduction method) there is. For total nitrogen, there are an ultraviolet absorbance measurement method and a cadmium-copper reduction method in the water pollution process test standard, but the ultraviolet absorbance measurement method is mainly used. In this method, nitrogen compounds contained in water samples are decomposed together with organic matter at 120 degrees Celsius in the presence of alkaline potassium persulfate, oxidized to nitrate ions, and then irradiated with 220 nm wavelength light in acidic conditions to measure absorbance. .
수질오염공정시험기준의 총인 측정법은 물속에 존재하는 유기물 형태의 모든 인화합물을 인산이온으로 분해시킨 후 인산이온을 아스코빈산 환원법으로 정량하는 것으로 보통 800 내지 900nm범위의 빛을 조사하여 흡광도를 측정하여 인농도를 정량한다. 인산이온으로 분해시키는 방법으로는 총질소 측정시와 마찬가지로 과황산칼륨 존재하에 섭씨 120도에서 분해시키는 것이 일반적이다. The total phosphorus measurement method of the water pollution process test standard decomposes all phosphorus compounds in the form of organic matter in water into phosphate ions, and then quantifies the phosphate ions by the ascorbic acid reduction method. quantify the phosphorus concentration. As a method of decomposition into phosphate ions, it is common to decompose at 120 degrees Celsius in the presence of potassium persulfate, as in the case of total nitrogen measurement.
인산의 경우는 분해과정 없이 인산이온을 아스코빈산 환원법으로 정량하거나 이염화주석환원법으로 정량하고 있다. 이염화주석환원법은 400 내지 450nm 범위의 파장의 빛을 조사하여 흡광도를 측정하여 정량한다.In the case of phosphoric acid, phosphate ion is quantified by ascorbic acid reduction method or tin dichloride reduction method without decomposition process. Tin dichloride reduction method is quantified by measuring absorbance by irradiating light with a wavelength in the range of 400 to 450 nm.
이와 같은 광도법을 이용하는 영양염류자동측정기는 시료의 양을 계량하는 계량부, 시약을 계량하여 주입하는 시약주입부, 가열반응을 수행하는 가열반응기, 빛을 조사하고 투과도를 측정하는 광학부 등으로 구성되며 이러한 자동측정기술은 수십년 전부터 이루어진 구성이라고 할 수 있다.An automatic nutrient salt measuring device using such a photometric method consists of a metering unit that measures the amount of sample, a reagent injection unit that measures and injects reagents, a heating reactor that performs a heating reaction, and an optical unit that irradiates light and measures transmittance. It can be said that this automatic measurement technology is a configuration made decades ago.
일본 공개특허공보 평2-21261은 수질시료를 섭씨 120도에서 30분간 산화시킨후 흡광도를 측정하여 질산성질소 농도를 측정하는 것으로 상기 설명된 것처럼 시료계량장치, 가열반응기, 시약주입장치, 광학계 등으로 구성되어 있으며, 일본 공개특허공보 소64-461에도 상기 측정방법과 유사한 측정법과 원리가 설명되어 있는바, 이와같은 종래 기술로부터 총질소, 총인, 인산 등을 측정하는 기본 원리나 측정장치의 구성은 오래전부터 알려진 일반적인 기술이라는 것을 알 수 있다.Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-21261 discloses that a water quality sample is oxidized at 120 degrees Celsius for 30 minutes, and then the absorbance is measured to measure the nitrate nitrogen concentration. As described above, a sample weighing device, a heating reactor, a reagent injection device, an optical system, etc. , and a measurement method and principle similar to the above measurement method are described in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 64-461, and the basic principle or configuration of the measurement device for measuring total nitrogen, total phosphorus, phosphoric acid, etc. from such a prior art It can be seen that is a common technique known for a long time.
이러한 이유로 최근에는 산화력을 높이거나 계량의 정밀성을 높이거나 장치를 컴팩트하게 하거나 광신호를 안정적으로 처리하는 등의 노력이 계속 이루어지고 있는데, 대한민국 등록특허 10-2092003은 산화부와 전처리장치 일체형 유체이동시스템을 탑재한 총인 및 총질소 측정시스템에 대한 것으로 장치를 컴팩트하게 하려고 시도한 것이며, 대한민국 등록특허 10-1761216은 시린지펌프를 이용하여 정량주입 오차를 줄이고자 한 것이었으나, 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치는 여전히 컴팩트화가 충분하게 이루어지지 못한 실정일 뿐 아니라, 아직도 시료의 정량주입오차가 크고, 산화제가 산화반응이 끝난 시료에 접촉되어 측정오차가 크고, 산화반응기의 효율이 낮고, 광도법 분석의 기본인 광신호의 적정한 처리가 이루어지지 않아 측정 재현성이 낮은 문제점이 있는 것이었다.For this reason, efforts have been made recently to increase the oxidizing power, increase the precision of metering, make the device compact, or stably process the optical signal. It is an attempt to make the device compact for a total phosphorus and total nitrogen measuring system equipped with a system. Korean Patent Registration 10-1761216 was intended to reduce metering injection errors using a syringe pump, but total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid are automatically Not only is the measuring device still not compact enough, but the error of quantitative injection of the sample is still large, the measurement error is large because the oxidizing agent is in contact with the sample after the oxidation reaction, the efficiency of the oxidation reactor is low, and the efficiency of the photometric analysis is large. There was a problem in that the measurement reproducibility was low because proper processing of the basic optical signal was not performed.
본 발명은, 산화부, 시약주입부, 계량부, 광학부 등으로 구성되는 광도법을 이용하는 종래 기술의 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 컴팩트화가 충분하게 이루어지고, 시료의 정량주입오차가 작고, 산화제가 산화반응이 끝난 시료에 접촉되지 않아 측정오차가 작으며, 산화반응기의 효율이 높을 뿐 아니라, 광신호의 적정한 처리가 이루어지지 않아 측정 재현성이 낮은 문제점을 해결하기 위한 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art automatic measuring device for total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a photometric method consisting of an oxidizing unit, a reagent injecting unit, a metering unit, an optical unit, etc., and is sufficiently compact, It solves the problem of low measurement reproducibility due to the small amount of sample injection error, low measurement error because the oxidizing agent does not come into contact with the oxidized sample, high efficiency of the oxidation reactor, and poor optical signal processing. It is to do.
즉, 첫째, 시료 및 희석수의 계량이 정확하면서 산화제가 산화반응이 끝난 시료에 접촉되지 않도록 구성된 측정 방법 및 측정 장치를 제공하기 위한 것이다. That is, first, it is to provide a measuring method and a measuring device configured so that the oxidizing agent does not come into contact with the sample after the oxidation reaction while accurately weighing the sample and the dilution water.
둘째, 내화학성, 내열성, 내열충격성이 높으면서 반응기 내에 시료 잔량이 남지 않으며 온도를 가능한한 빨리 상승시키고 빨리 냉각할 수 있는 고효율의 산화반응기를 포함하는 측정 방법 및 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.Second, it is to provide a measuring method and a measuring device including a high-efficiency oxidation reactor capable of raising the temperature as quickly as possible and cooling it quickly without leaving a sample remaining in the reactor while having high chemical resistance, heat resistance, and thermal shock resistance.
셋째, 특정 파장의 빛을 시료에 조사하여 투과도를 측정할 때 광신호를 효율적인 알고리즘을 적용하여 전기적 신호로 변환함으로써 측정 재현성을 확보할 수 있는 측정 방법 및 측정 장치를 제공하기 위한 것이다. Third, it is to provide a measuring method and a measuring device capable of securing measurement reproducibility by converting an optical signal into an electrical signal by applying an efficient algorithm when measuring transmittance by irradiating a sample with light of a specific wavelength.
본 발명자들은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다양한 방법을 적용하여 연구를 진행한 결과 측정의 재현성과 직선성을 높이기 위한 몇 가지 개선점을 찾아내었다. In order to achieve the above object, the present inventors conducted research by applying various methods and found several improvements to increase the reproducibility and linearity of measurement.
먼저 시료 및 희석수의 계량을 재현성있게 하여야 하는 것을 알게되었다. 그리고 시료를 산화시킬 때 첨가되는 산화제가 산화반응동안에 완전히 분해되지 않거나 반응이 끝난 시료에 미량이라도 산화제가 주입되면 측정의 재현성이 낮아지는 것을 알게 되었다. 따라서 시료 및 희석수의 계량이 정확하면서 산화제가 산화반응이 끝난 시료에 접촉되지 않도록 측정 방법 및 측정 장치를 구성하여야 한다. First, it was found that the measurement of sample and dilution water should be reproducible. In addition, it was found that reproducibility of measurement is lowered if the oxidizing agent added when oxidizing the sample is not completely decomposed during the oxidation reaction or if even a small amount of oxidizing agent is injected into the sample after the reaction. Therefore, it is necessary to configure a measuring method and a measuring device so that the oxidizing agent does not come into contact with the sample after the oxidation reaction while measuring the sample and dilution water accurately.
둘째로는 총질소 및 총인 분석과 같이 산화반응이 필요한 경우 산화반응기의 효율이 매우 중요하다는 점을 확인하게 되었다. 따라서 산화반응기는 내화학성, 내열성, 내열충격성이 높으면서 반응기 내에 시료 잔량이 남지 않게 해야 하며 온도를 가능한한 빨리 상승시키고 빨리 냉각할 수 있어야 한다.Second, it was confirmed that the efficiency of the oxidation reactor is very important when an oxidation reaction is required, such as total nitrogen and total phosphorus analysis. Therefore, the oxidation reactor must have high chemical resistance, heat resistance, and thermal shock resistance, and must be able to raise the temperature as quickly as possible and cool quickly, while leaving no sample residue in the reactor.
셋째로는 광도법 분석의 기본인 광신호의 적정한 처리가 매우 중요한 것이라는 점을 밝혔다. 특정 파장의 빛을 시료에 조사하여 투과도를 측정할 때 광신호를 효율적인 알고리즘을 적용하여 전기적 신호로 변환하여야 측정 재현성을 확보할 수 있다. Thirdly, it was revealed that proper processing of optical signals, which is the basis of photometry analysis, is very important. When light of a specific wavelength is irradiated to a sample to measure transmittance, measurement reproducibility can be secured only when the optical signal is converted into an electrical signal by applying an efficient algorithm.
본 발명자는 측정의 재현성과 직선성을 높이기 위한 위와 같은 개선점을 밝힘으로써 본 발명에 이르게 된 것인바, 본 발명에 따른 총질소, 총인, 인산 자동측정방법은 아래의 단계들로 이루어지는 것이다. The present inventors arrived at the present invention by discovering the above improvements for improving the reproducibility and linearity of measurement, and the method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid according to the present invention consists of the following steps.
1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 1차 희석하는 단계;2) first dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 2차 희석하는 단계;4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) 산화제를 시약반응/광학쳄버에 주입하여 혼합하는 단계;5) injecting and mixing the oxidizing agent into the reagent reaction/optical chamber;
6) 산화제를 주입한 시료를 산화반응기로 이송하는 단계;6) transferring the sample injected with the oxidizing agent to an oxidation reactor;
7) 산화반응기를 가열하여 시료를 산화시키는 단계;7) heating the oxidation reactor to oxidize the sample;
8) 산화가 끝난 시료를 시약반응/광학쳄버로 이송하는 단계;8) transferring the oxidized sample to the reagent reaction/optical chamber;
9) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;9) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
10) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;10) irradiating light to the reagent reaction/optical chamber to measure transmittance;
11) 시약반응/광학쳄버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및11) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
12) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 것으로 이루어지는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법인 것이다.12) Calculating absorbance using the measured transmittance and converting it into concentration; It is an automatic measurement method for total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit comprising:
그리고 산화반응이 수반되지 않는 인산을 측정하는 방법은, And the method for measuring phosphoric acid not accompanied by an oxidation reaction is,
1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;2) injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 2차 희석하는 단계;4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;5) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
6) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;6) measuring the transmittance by irradiating light to the reagent reaction/optical chamber;
7) 시약반응/광학쳄버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및7) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
8) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 것으로 이루어지는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법인 것이다.8) Calculating absorbance using the measured transmittance and converting it into concentration; It is an automatic measurement method for total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit comprising the steps of:
여기서, ‘1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;’는 이송펌프(1)를 가동하여 시료수조(30)와 이송펌프(1)사이의 배관에 잔류하는 이전 시료를 집수조(9)로 이송하고, 과도한 부유물이 포함되어 있는 채수 초기 흡입 시료를 충분히 집수조(9)로 이송하여 배출시킨 후, 시료수조(30)에 측정시료를 채수하고 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관에 측정시료를 충진하며, 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 전환하고 에어펌프(4)를 가동하여 배관에 충진되어 있는 측정시료를 시약반응/광학챔버로 이송시키는 것을 특징으로 하는 것이다.Here, '1) injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber; 9), and after sufficiently transporting and discharging the initial intake sample containing excessive floating matter to the
또한, ‘2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 1차 희석하는 단계;’는 이송펌프(1)를 가동하여 초순수 병(29)과 이송펌프(1)사이의 배관에 잔류하는 측정시료를 집수조(9)로 이송하고, 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관 및 계량코일(7)에 잔류하는 측정시료를 집수조(9)로 이송하여 배출시킨 후, 초순수 병(29)으로부터 초순수를 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관 및 계량코일(7)에 측정시료를 충진하며, 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 전환하고 에어펌프(4)를 가동하여 배관에 충진되어 있는 초순수를 시약반응/광학챔버로 이송시키는 것을 특징으로 하는 것이다.In addition, '2) first dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;' measures the residual in the pipe between the
그리고, ‘5) 산화제를 시약반응/광학쳄버에 주입하여 혼합하는 단계;’는 산화제주입펌프(11)를 가동하여 산화제를 시약반응/광학쳄버(18)로 이송시키는 것을 특징으로 하는 것이다.And, '5) injecting and mixing the oxidizing agent into the reagent reaction/optical chamber;' is characterized in that the oxidizing agent is transferred to the reagent reaction/
또한, ‘6) 산화제를 주입한 시료를 산화반응기로 이송하는 단계;’는 이송펌프(19)를 가동하여 산화제가 주입된 시료를 산화반응기(26)로 이송시키는 것을 특징으로 하는 것이다.In addition, '6) transferring the sample injected with the oxidizing agent to the oxidation reactor;' is characterized in that the
그리고, ‘7) 산화반응기를 가열하여 시료를 산화시키는 단계;’는 110 내지 130 ℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 것이다.And, '7) oxidizing the sample by heating the oxidation reactor;' is characterized by heating to 110 to 130 ° C.
또한, ‘8) 산화가 끝난 시료를 시약반응/광학쳄버로 이송하는 단계;’는 이송펌프(19)를 역으로 가동하여 시료를 시약반응/광학쳄버(18)로 이송하는 것을 특징으로 하는 것이다. In addition, '8) transferring the oxidized sample to the reagent reaction/optical chamber;' is characterized in that the
그리고, ‘9) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;’는 발색시약주입펌프(15)를 가동하여 발색시약을 주입하는 것을 특징으로 하는 것이다.And, '9) injecting the color reagent into the reagent reaction/optical chamber;' is characterized in that the color
또한, ‘10) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;’는 총질소 측정인 경우 중수소램프에서 방출되는 자외선 영역중 220nm의 밴드패스필터를 이용하여 220nm 파장의 빛을 추출하여 조사하고, 총인 측정인 겨우 880nm LED를 이용하여 880nm 파장의 빛을 조사하고, 인산 측정의 경우 410nm LED 를 이용하여 410nm 파장의 빛을 조사하고, 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로와 제어 알고리즘을 적용한 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법이 도입되는 것이고, 여기서 ‘다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법’은 입사광 세기에 대한 광검출기의 출력이 전류 신호로 변환되는 전류-전압 변환 반전 증폭기 회로, 최대 전류 출력과 암전류의 차이를 구분하기 위한 rail-to-rail 형태의 이중 연산증폭기, 광검출기의 수광 전류를 전압으로 변환하기 위한 연산증폭기에 접속된 3종의 차등 이득 제어용 궤환 저항, 광검출기의 단자간의 용량 차이에 따라 야기되는 발진 현상을 방지하기 위하여 3종의 차등 이득 제어용 궤환 저항과 병렬로 접속되는 발진 보상용 capacitor 소자, 외부 광원에 대한 잡음(noise) 신호 유입 방지와 제거를 위한 R-C filter를 포함하여 특정 대역의 주파수을 제거해 주는 Sallen-Key Active Filter 회로, 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 제어하기 위하여 마이크로프로세서를 중심으로 입출력 인터페이스, 연산증폭기, I2C방식 ADC를 포함하는 제어장치, 광신호 세기 변화에 따라 자동으로 3종의 차등 이득 증폭용 궤환 저항을 선택하기 위한 제어장치에 내장되어 있는 광신호 제어 알고리즘 기반의 제어 프로그램을 포함하는 것이며, 여기서 ‘제어장치에 내장되어 있는 광신호 제어 알고리즘 기반의 제어 프로그램’은 측정 오차 보상을 위하여 입력된 광신호를 디지털로 변환할 때 필요한 샘플링 개수보다 2배~4배이상 더 많이 샘플링하여 ADC의 분해능을 높이도록 하는 Sigma-Delta oversampling 기법, 잡음이 포함된 광검출기의 입력값과 예측 모델에서 예상한 값과의 차이를 피드백하면서 그 차이가 최소가 되었을 때 값을 출력하여 확률적으로 오차를 줄이는 Kalman filter 기법, 변환된 전압 신호에 포함되어 있는 일부 피크 잡음 성분을 제거하도록 가중치가 적용된 다항식으로 전압 신호를 smoothing하는 Savitzky-Golay filter 기법을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.In addition, '10) measuring the transmittance by irradiating light to the reagent reaction/optical chamber;' extracts light with a wavelength of 220 nm using a 220 nm band pass filter in the ultraviolet region emitted from the deuterium lamp in the case of total nitrogen measurement. In the case of phosphorus measurement, 880nm wavelength light is irradiated using only 880nm LED for total phosphorus measurement, and 410nm wavelength light is irradiated using 410nm LED for phosphorus measurement, multiple differential gain selection optical signal amplification circuit and control algorithm The applied multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique is introduced, where the 'multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique' is a current-to-voltage conversion inverting amplifier in which the output of the photodetector for the incident light intensity is converted into a current signal. Circuit, rail-to-rail type dual operational amplifier to distinguish the difference between maximum current output and dark current, 3 types of differential gain control feedback resistors connected to the operational amplifier to convert the light-receiving current of the photodetector into voltage, optical In order to prevent the oscillation phenomenon caused by the difference in capacitance between the terminals of the detector, a capacitor element for oscillation compensation connected in parallel with three types of feedback resistors for differential gain control, and for preventing and removing noise signals from external light sources A Sallen-Key Active Filter circuit that removes frequencies in a specific band including an R-C filter, a control device including an input/output interface centered on a microprocessor, an operational amplifier, and an I2C type ADC to control multiple differential gain selection optical signal amplification circuits, It includes a control program based on an optical signal control algorithm built into the control device to automatically select three types of feedback resistors for differential gain amplification according to the change in optical signal strength, where 'optical signal built into the control device Sigma-Delta oversampling technique, which increases the resolution of the ADC by sampling 2 to 4 times more than the number of sampling required when converting the input optical signal to digital to compensate for the measurement error. The Kalman filter technique, which reduces errors stochastically by outputting a value when the difference is minimized while feeding back the difference between the input value of the photodetector containing noise and the value expected by the prediction model, included in the converted voltage signal It is characterized in that it further includes a Savitzky-Golay filter technique for smoothing the voltage signal with a weighted polynomial to remove some peak noise components in the present invention.
한편, 본 발명에 따른 광도법을 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치는 다음과 같은 구성으로 이루어진다.On the other hand, the apparatus for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using the photometric method according to the present invention consists of the following configuration.
즉, 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치는 크게 구분하여 보면,In other words, total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid automatic measuring devices are broadly classified,
측정시료, 시약, 희석수(초순수)가 충진되어 있는 저장부;A storage unit filled with measurement samples, reagents, and dilution water (ultrapure water);
측정시료, 시약 및 희석수를 이송하는 이송부;A transfer unit for transferring measurement samples, reagents, and dilution water;
시료, 시약 및 희석수의 양을 계량하는 계량부;A metering unit for measuring the amount of sample, reagent and dilution water;
시료와 시약을 반응시키는 시약반응부; 광계측을 하는 광학부; 및 제어부로 구성되는 것이다.A reagent reaction unit for reacting a sample with a reagent; Optical unit for optical measurement; and a control unit.
구체적으로 보면, 저장부는 측정시료, 표준용액, 시약, 희석수인 초순수, 세정액, 폐액 등이 충진되어 있는 장치로서, 집수조(9), 산화제시약병(12), 발색시약병 1, 2(13, 14), 폐액조(25), 초순수병(27), 세정액병(28), 표준용액병(29), 시료수조(30), 발색시약조 1, 2(39, 40), 초순수병(50), 시료수조(51) 등을 포함하는 것이다.Specifically, the storage unit is a device filled with measurement samples, standard solutions, reagents, ultrapure water as dilution water, washing liquid, waste liquid, etc. ), waste tank (25), ultrapure water bottle (27), washing solution bottle (28), standard solution bottle (29), sample tank (30), color reagent tank 1, 2 (39, 40), ultrapure water bottle (50) , It includes a sample tank 51 and the like.
그리고, 이송부는 시료, 시약 및 희석수를 이송하는 장치로서, 이송펌프(1, 19, 44), 에어펌프(4), 2방향 전동밸브(20, 21, 22, 23, 24), 3방향 솔레노이드밸브(32, 33, 35, 49), 배관 등을 포함하는 것이다.In addition, the transfer unit is a device for transferring samples, reagents, and dilution water, and transfer pumps (1, 19, 44), air pump (4), 2-way electric valves (20, 21, 22, 23, 24), 3-way It includes solenoid valves (32, 33, 35, 49), pipes, and the like.
또한, 계량부는 시약 및 희석수의 양을 계량하는 장치로서 버퍼 코일(5), 계량 코일(7) 등을 포함하는 것이다.In addition, the metering unit includes a buffer coil 5, a
그리고, 시약반응부는 시료와 시약을 반응시키는 장치로서 시약반응/광학챔버(18), 산화제 주입펌프(11), 산화반응기(26) 등을 포함하는 것이다.The reagent reaction unit is a device for reacting the sample with the reagent, and includes a reagent reaction/
또한, 광학부는 광계측을 하는 장치로서 램프(16), 광검지센서(17), 광검출기, 이중 연산증폭기, 다중 차등 이득 제어용 궤환 저항, R-C filter, Sallen-Key Active Filter 회로 등을 포함하는 것이다.In addition, the optical part is a device for measuring light, and includes a
그리고, 제어부는 마이크로프로세서, 제어 프로그램, 입출력 인터페이스, 연산증폭기, 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법이 적용된 프로그램에 구현되어있는 ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter 등을 포함하는 것이다.In addition, the control unit includes a microprocessor, control program, input/output interface, operational amplifier, ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter, etc. will be.
한편, 시약반응부의 산화반응기(26)는 석영재질의 반응관(56), 석영재질의 반응관에 직접 접촉되어 감겨있는 금속 열선(58), 반응관(56)의 외벽에 형성된 온도센서 장착홈(60), 온도센서 장착홈(60)에 삼입되어있는 온도센서를 포함하는 것이다. 여기서, 금속 열선(58)은 상부 열선 걸이(57), 하부 열선 걸이(59), 하부 열선 리드 홈(61), 하부 열선 고리(67), 상부 열선 리드 홈(69), 상부 열선 고리(70)를 포함하는 것으로서, 석영재질의 반응관(56) 표면에 밀착되도록 하여 장착되는 것이고, 상부 어댑터(53)와 하부 어댑터(62) 사이의 반응관 커버(66)에 위치시키고, 하부 어댑터(62)와 반응기 커버(66)에 나사선을 내어 하부 어댑터(62)를 조임으로써 산화반응기(26)의 형태가 유지되도록 하는 것이며, 튜브피팅(64)를 이용하여 시료를 반응관(56) 내부로 유입시키거나 배출할 수 있게 한 것이며, 또한 냉각팬(68)이 산화반응기의 반응관 커버(66)에 장착되는 것이다.On the other hand, the
본 발명에 따른 자동측정방법 및 장치는 수중의 총질소, 총인 및 인산을 더욱더 정밀하게 측정할 수 있는 효과를 나타내는 것이고, 하천, 하수처리장 방류수, 폐수처리장 방류수 및 공장의 공정수의 분석에 활용하면 공정수 및 방류수의 수질을 정확하고 안정적으로 측정할 수 있어 효율적인 공정수 및 방류수 관리를 할 수 있는 효과를 나타내는 것이며, 또한 효율적인 광신호처리기술은 다른 광계측 분야에서도 활용될 수 있는 효과를 나타내는 것인바, 본 발명의 구체적인 효과는 다음과 같다.The automatic measurement method and device according to the present invention exhibits the effect of measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid in water more precisely, and when used for analysis of rivers, sewage treatment plant effluent, wastewater treatment plant effluent, and factory process water It shows the effect of efficient process water and effluent management by accurately and stably measuring the quality of process water and effluent water, and also shows the effect that efficient optical signal processing technology can be used in other optical measurement fields. Invar, the specific effects of the present invention are as follows.
첫째, 시료 및 희석수의 계량이 정확하면서 산화제가 산화반응이 끝난 시료에 접촉되지 않도록 구성된 측정방법 및 장치를 제공하는 효과를 나타내는 것이다. First, it shows the effect of providing a measuring method and apparatus configured so that the oxidizing agent does not come into contact with the sample after the oxidation reaction while the measurement of the sample and the dilution water is accurate.
둘째, 내화학성, 내열성, 내열충격성이 높으면서 반응기 내에 시료 잔량이 남지 않으며 온도를 가능한한 빨리 상승시키고 빨리 냉각할 수 있는 고효율의 산화반응기를 포함하는 측정방법 및 장치를 제공하는 효과를 나타내는 것이다.Second, it shows the effect of providing a measurement method and apparatus including a high-efficiency oxidation reactor that has high chemical resistance, heat resistance, and thermal shock resistance, does not leave a sample residue in the reactor, and can increase the temperature as quickly as possible and cool it quickly.
셋째, 특정 파장의 빛을 시료에 조사하여 투과도를 측정할 때 광신호를 효율적인 알고리즘을 적용하여 전기적 신호로 변환함으로써 측정 재현성을 확보할 수 있는 측정방법 및 장치를 제공하는 효과를 나타내는 것이다. Third, when light of a specific wavelength is irradiated to a sample to measure transmittance, an optical signal is converted into an electrical signal by applying an efficient algorithm, thereby showing the effect of providing a measurement method and apparatus capable of securing measurement reproducibility.
도 1은 본 발명의 총질소 및 총인 측정방법을 설명하기 위한 측정장치의 개략도 이다.
도 2는 본 발명의 인산 측정방법을 설명하기 위한 측정장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 산화반응기를 설명하기 위한 구조도이다.
도 4는 단일 이득 광신호 증폭 회로의 알고리즘을 도식화한 것이다.
도 5는 다중 차등이득 선택 광신호 증폭 회로의 알고리즘을 도식화한 것이다.
도 6은 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법을 도식화한 것이다.
도 7은 실시예 1의 측정값을 이용하여 직선성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 2의 측정값을 이용하여 직선성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 3의 측정값을 이용하여 직선성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 4의 광전류-전압 변환 관계의 직선성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 5의 노이즈제거 전후의 광신호값을 나타낸 그래프이다.
도 12a, 12b, 12c는 비교실시예 1의 측정값의 직선성을 나타낸 그래프이다.1 is a schematic diagram of a measuring device for explaining the total nitrogen and total phosphorus measuring method of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a measuring device for explaining the phosphoric acid measuring method of the present invention.
3 is a structural diagram for explaining the oxidation reactor of the present invention.
4 is a schematic diagram of an algorithm of a single-gain optical signal amplifying circuit.
5 is a schematic diagram of an algorithm of a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit.
6 is a schematic diagram of a multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique.
7 is a graph showing linearity using the measured values of Example 1.
8 is a graph showing linearity using the measured values of Example 2.
9 is a graph showing linearity using the measured values of Example 3.
10 is a graph showing the linearity of the photocurrent-voltage conversion relationship in Example 4.
11 is a graph showing optical signal values before and after noise removal in Example 5;
12a, 12b, and 12c are graphs showing the linearity of measured values of Comparative Example 1.
총질소, 총인 및 인산 자동측정방법 및 장치에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. A method and apparatus for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid will be described in detail with reference to the drawings.
다음에 소개되는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 아래에서 제시되는 도면에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.The drawings introduced below are provided as examples to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Therefore, the present invention may be embodied in other forms without being limited to the drawings presented below, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, they have meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention is unnecessary in the following description and accompanying drawings. Descriptions of well-known functions and configurations that may be obscure are omitted.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른, 광도법을 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법에 관하여 설명하기로 한다. First, a method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a photometric method according to an embodiment of the present invention will be described.
즉, 광도법을 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법은,That is, the method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using the photometric method,
1) 측정시료를 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) 희석수를 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;2) injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) 희석수를 시약반응/광학챔버로 주입하여 2차 희석하는 단계;4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) 산화제를 시약반응/광학챔버에 주입하여 혼합하는 단계;5) injecting and mixing the oxidizing agent into the reagent reaction/optical chamber;
6) 산화제를 주입한 시료를 산화반응기로 이송하는 단계;6) transferring the sample injected with the oxidizing agent to an oxidation reactor;
7) 산화반응기를 가열하여 시료를 산화시키는 단계;7) heating the oxidation reactor to oxidize the sample;
8) 산화가 끝난 시료를 시약반응/광학챔버로 이송하는 단계;8) transferring the oxidized sample to the reagent reaction/optical chamber;
9) 발색제를 시약반응/광학챔버에 주입하는 단계;9) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
10) 시약반응/광학챔버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;10) measuring transmittance by irradiating light into the reagent reaction/optical chamber;
11) 시약반응/광학챔버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및11) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
12) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소 및 총인 자동측정방법인 것이다. 위의 방법은 산화반응이 필수적으로 요구되는 총질소 및 총인을 측정할 때 이용된다.12) Calculating the absorbance using the measured transmittance and converting it into a concentration. The above method is used when measuring total nitrogen and total phosphorus, which are essentially required for oxidation.
그리고, 산화반응이 필요하지 않은 인산을 측정하는 방법은And, how to measure phosphoric acid that does not require an oxidation reaction
1) 측정시료를 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) 희석수를 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;2) injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학챔버로 주입하는 단계;3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) 희석수를 시약반응/광학챔버로 주입하여 2차 희석하는 단계;4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) 발색제를 시약반응/광학챔버에 주입하는 단계;5) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
6) 시약반응/광학챔버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;6) measuring transmittance by irradiating light into the reagent reaction/optical chamber;
7) 시약반응/광학챔버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및7) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
8) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 인산 자동측정방법인 것이다. 이 방법은 산화반응이 필요하지 않은 인산을 측정할 때 이용된다.8) Calculating the absorbance using the measured transmittance and converting it into a concentration; It is an automatic phosphoric acid measurement method using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit. This method is used to measure phosphoric acid that does not require oxidation.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광도법을 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. Next, an apparatus for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a photometric method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
즉, 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치는 크게 측정시료, 시약, 희석수(초순수)가 충진되어 있는 저장부; 측정시료, 시약 및 희석수를 이송하는 이송부; 시료, 시약 및 희석수의 양을 계량하는 계량부; 시료와 시약을 반응시키는 시약반응부; 광계측을 하는 광학부; 및 제어부로 구성된다.That is, the total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid automatic measuring device largely includes a storage unit filled with measurement samples, reagents, and dilution water (ultrapure water); A transfer unit for transferring measurement samples, reagents, and dilution water; A metering unit for measuring the amount of sample, reagent and dilution water; A reagent reaction unit for reacting a sample with a reagent; Optical unit for optical measurement; and a control unit.
여기서, 저장부는 측정시료, 표준용액, 시약, 희석수인 초순수, 세정액, 폐액 등이 충진되어 있는 장치로서, 집수조(9), 산화제시약병(12), 발색시약병 1, 2(13, 14), 폐액조(25), 초순수병(27), 세정액병(28), 표준용액병(29), 시료수조(30), 발색시약조 1, 2(39, 40), 초순수병(50), 시료수조(51) 등을 포함하는 것이다.Here, the storage unit is a device filled with measurement samples, standard solutions, reagents, ultrapure water as dilution water, washing liquid, waste liquid, etc. Waste tank (25), ultrapure water bottle (27), washing solution bottle (28), standard solution bottle (29), sample tank (30), color reagent tank 1, 2 (39, 40), ultrapure water bottle (50), sample It includes a water tank 51 and the like.
그리고, 이송부는 시료, 시약 및 희석수를 이송하는 장치로서, 이송펌프(1, 19, 44), 에어펌프(4), 2방향 전동밸브(20, 21, 22, 23, 24), 3방향 솔레노이드밸브(32, 33, 35, 49), 배관 등을 포함하는 것이다.In addition, the transfer unit is a device for transferring samples, reagents, and dilution water, and transfer pumps (1, 19, 44), air pump (4), 2-way electric valves (20, 21, 22, 23, 24), 3-way It includes solenoid valves (32, 33, 35, 49), pipes, and the like.
또한, 계량부는 시약 및 희석수의 양을 계량하는 장치로서 버퍼 코일(5), 계량 코일(7) 등을 포함하는 것이다.In addition, the metering unit includes a buffer coil 5, a
그리고, 시약반응부는 시료와 시약을 반응시키는 장치로서 시약반응/광학챔버(18), 산화제 주입펌프(11), 산화반응기(26) 등을 포함하는 것이다.The reagent reaction unit is a device for reacting the sample with the reagent, and includes a reagent reaction/
또한, 광학부는 광계측을 하는 장치로서 램프(16), 광검지센서(17), 광검출기, 이중 연산증폭기, 다중 차등 이득 제어용 궤환 저항, R-C filter, Sallen-Key Active Filter 회로 등을 포함하는 것이다.In addition, the optical part is a device for measuring light, and includes a
그리고, 제어부는 마이크로프로세서, 제어 프로그램, 입출력 인터페이스, 연산증폭기, 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법이 적용된 프로그램에 구현되어있는 ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter 등을 포함하는 것이다.In addition, the control unit includes a microprocessor, control program, input/output interface, operational amplifier, ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter, etc. will be.
한편, 시약반응부의 산화반응기(26)는 석영재질의 반응관(56), 석영재질의 반응관에 직접 접촉되어 감겨있는 금속 열선(58), 반응관(56)의 외벽에 형성된 온도센서 장착홈(60), 온도센서 장착홈(60)에 삼입되어있는 온도센서를 포함하는 것이다.On the other hand, the
여기서, 금속 열선(58)은 상부 열선 걸이(57), 하부 열선 걸이(59), 하부 열선 리드 홈(61), 하부 열선 고리(67), 상부 열선 리드 홈(69), 상부 열선 고리(70)를 포함하는 것으로서, 석영재질의 반응관(56) 표면에 밀착되도록 하여 장착되는 것이고, 상부 어댑터(53)와 하부 어댑터(62) 사이의 반응관 커버(66)에 위치시키고, 하부 어댑터(62)와 반응기 커버(66)에 나사선을 내어 하부 어댑터(62)를 조임으로써 산화반응기(26)의 형태가 유지되도록 하는 것이며, 튜브피팅(64)를 이용하여 시료를 반응관(56) 내부로 유입시키거나 배출할 수 있게 한 것이며, 또한 냉각팬(68)이 산화반응기의 반응관 커버(66)에 장착된다.Here, the
아래에서, 총질소, 총인 및 인산 측정장치를 이용하여 총질소 및 총인 을 측정하는 방법에 관하여 도 1을 이용하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. Hereinafter, a method for measuring total nitrogen and total phosphorus using a total nitrogen, total phosphorus, and phosphorus measuring device will be described in more detail with reference to FIG. 1 .
이송펌프(1)를 가동하여 시료를 채수한다. 시료수조(30)의 시료를 채수할 때 시료수조(30)와 이송펌프(1)사이의 배관에 이전 시료가 차 있으며 또한 채수초기에는 과도한 부유물이 흡입될 수 있으므로 시료를 충분히 집수조(9)로 이송하여 배출시킨다. The transfer pump 1 is operated to collect samples. When collecting a sample in the sample tank 30, the pipe between the sample tank 30 and the transfer pump 1 is filled with the previous sample, and excessive suspended matter may be sucked in at the beginning of the water collection, so the sample is sufficiently sent to the
이전 시료를 배출시킨 후, 시료는 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관에 채워지게 된다. 그리고 나서 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 바꾸고 에어펌프(4)를 가동하면 배관에 차있던 시료는 시약반응/광학챔버로 이송되게 된다. 이렇게 하면 정해진 양 만큼 시료를 계량하여 채수할 수 있다. 계량하는 시료의 양을 변경시키고자 할 경우 계량코일(7)의 길이를 변경시키면 된다. After draining the previous sample, the sample is filled in the pipe between the two three-way motorized valves (3, 8). Then, when the valve opening direction of the two three-
이송펌프(1)을 가동하여 초순수 병(29)으로부터 시료 채수 때와 같은 방법으로 초순수를 계량하여 시약반응/광학챔버(18)로 이송할 수 있다. 1회 이송시는 2배, 2회 이송시는 3배로 시료의 농도를 희석할 수 있다.By operating the transfer pump 1, ultrapure water can be metered and transferred to the reagent reaction/
측정시료를 더욱 저농도로 희석하고자 할 경우는 시약반응/광학챔버(8)에 계량되어 1차 희석되어 있는 시료를 이송펌프(19)를 가동하여 버퍼코일(5)로 이송한다. 초순수를 이용하여 시약반응/광학챔버(18)를 세정한 이후 이송펌프(19)를 가동하여 1차 희석 시료를 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관에 채운다. 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 바꾸고 에어펌프(4)를 가동하면 배관에 차있던 시료는 시약반응/광학밸브로 이송되게 된다. 이후 다시 초순수를 계량하여 시약반응/광학챔버(18)로 주입하면 2차 희석이 가능하다.In the case of diluting the measured sample to a lower concentration, the first diluted sample weighed in the reagent reaction/
산화제주입펌프(11)을 가동하여 산화제를 시약반응/광학챔버(18)에 주입한다. 산화제를 주입한 시료는 이송펌프(19)를 가동하여 산화반응기(26)로 이송하여 산화반응을 시킨다. 산화온도는 수질오염공정시험기준에 맞게 섭씨 110 내지 130도로 하며, 120도가 바람직한 것이다. 전술하였듯이 산화반응이 끝난 시료에 산화제가 소량이라도 접촉되면 측정값에 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 산화제를 주입한 시료를 시약반응/광학챔버(18)에서 산화반응기(26)로 이송한 이후 산화반응을 진행시킬 때 시약반응/광학챔버를 초순수로 세정하여 산화반응이 끝난 시료에 산화제가 접촉되지 않도록 하였다. The oxidizing agent injection pump 11 is operated to inject the oxidizing agent into the reagent reaction/
시약반응/광학챔버(18)를 충분히 세정한 이후 마지막으로 초순수를 주입하고 빛을 조사하여 초순수의 투과율을 측정한다. After sufficiently cleaning the reagent reaction/
산화반응이 끝나면 이송펌프(19)를 역으로 가동하여 시료를 시약반응/광학챔버(18)로 이송한다. 이후 발색시약주입펌프(15)를 가동하여 발색시약을 주입한다. 이후 빛을 조사하여 투과율을 측정한다. 초순수의 투과율과 발색시킨 이후 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하며 최종적으로 농도로 환산한다.After the oxidation reaction is completed, the
이송펌프(19)를 가동하여 측정이 끝난 폐액은 폐액조로 이송한다. 이후 시료 및 초순수를 이용하여 산화반응기(26), 시약반응/광학챔버(18), 배관 등을 세정하여 집수조(9)로 배출한다.The waste liquid measured by operating the
다음으로, 총질소, 총인 및 인산 측정장치를 이용하여 인산을 측정하는 방법에 관하여 도 2을 이용하여 설명하면, 산화반응기에서 산화되지 않는 것을 제외하고는 도 1의 시료계량 방법 및 희석방법과 총질소 및 총인 측정방법과 동일하다.Next, the method of measuring phosphoric acid using a total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid measuring device will be described with reference to FIG. It is the same as the nitrogen and total phosphorus measurement method.
이때, 열반응을 하지 않지만 현장시료는 시료의 온도가 낮은 경우가 많아 측정의 정확성 및 재현성을 높이기 위하여 시약반응/광학챔버(43)에는 총질소 및 총인 측정을 위한 산화반응기(26)와 같이 열선이 장착되어 있다. 시료의 온도가 실온보다 낮은 경우 시료의 온도를 가열하여 실온으로 조정한 후 분석을 하게 된다. At this time, there is no thermal reaction, but the temperature of the sample is often low, so in order to increase the accuracy and reproducibility of the measurement, the reagent reaction/
한편, 총질소 및 총인 측정에서 산화반응의 효율은 매우 중요한 것으로서, 본 발명에서 제안하는 산화반응기(26)를 이용하여 산화반응시키는 방법에 관하여 도 3을 이용하여 자세히 설명하고자 한다. On the other hand, since the efficiency of the oxidation reaction is very important in measuring total nitrogen and total phosphorus, the oxidation reaction method using the
산화반응기(26)의 온도를 빠르게 상승시키기 위하여 간접가열방식이 아니라 직접가열방식을 적용하였다. 금속 열선(58)을 석영재질의 반응관(56)에 직접 접촉 시키면서 감았다. 또한 반응관(56)의 외벽에 온도센서 장착홈(60)을 내어서 온도센서를 삽입한 후 고정하였다. 열선은 상부 열선 걸이(57), 하부 열선 걸이(59), 하부 열선 리드 홈(61), 하부 열선 고리(67), 상부 열선 리드 홈(69), 상부 열선 고리(70)를 이용하여 반응관(56) 표면에 밀착되도록 하여 장착한다. 상부 어댑터(53)와 하부 어댑터(62) 사이에 반응관 커버(66)에 위치 시킨다. 하부 어댑터(62)와 반응기 커버(66)에 나사선을 내어 하부 어댑터(62)를 조임으로써 산화반응기(26)의 형태가 유지되도록 한다. 튜브피팅(64)를 이용하여 시료를 반응관(56) 내부로 유입시키거나 배출할 수 있게 하였다.In order to rapidly increase the temperature of the
산화반응이 끝나면 시료를 상온까지 냉각하여야 다음 분석 과정을 계속할 수 있다. 본 발명에서는 냉각팬(68)을 반응관 커버(66)에 장착하여 공랭식으로 냉각하였다. 냉각팬(68)을 장착하면 자연냉각에 비해 냉각 시간을 대폭 단축시킬수 있는 장점이 있다. 일반적으로 히터를 가열하여 반응기의 온도를 상승시킬 때 설정온도보다 높게 온도가 상승하는 오버슈트가 발생한다. 오버슈트된 온도가 설정온도보다 낮아지면 다시 전원이 공급되어 온도를 올리는 과정이 반복되며 오버슈트가 작아지면서 설정온도에 수렴해가는 형태가 된다. 따라서 온도가 설정온도에 안정적으로 맞춰질 때까지 시간이 소요된다. 본 발명에서는 온도가 상승되면서 오버슈트가 시작될 때 팬을 가동하여 반응관(56)에 냉각풍을 부여하였다. 이렇게 함으로써 오버슈트 온도를 낮출수 있었으며 설정온도에 빠르게 안정화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 120℃에서 산화반응시킨 후 냉각팬(68)으 사용하지 않고 냉각할 경우 40℃까지 냉각시킬 경우 냉각시간이 15분이상 소요되었으나 냉각팬(68)을 가동하여 냉각시킬 경우 5분 이내에 40℃이하로 냉각되는 것을 확인하였다. After the oxidation reaction, the sample must be cooled to room temperature to continue the next analysis process. In the present invention, a cooling fan (68) was mounted on the reaction tube cover (66) and cooled in an air-cooled manner. When the cooling
또한, 전술하였듯이 총질소는 220nm, 총인 및 인산은 400nm 내지 250nm나 800nm 내지 900nm의 빛으로 투과도를 측정하여 흡광도를 계산하여야 한다. 따라서 빛은 특정파장으로 단색화시켜서 이용하여야 한다. 일반적인 단색화 과정은 프리즘이나 그레이팅을 이용하여 빛을 분산시킨 후 특정 파장의 빛만 추출하는 것이다. 그러나 이러한 단색화 장치는 장치가 복잡하고 커지며 가격이 높다는 단점이 있다. 따라서 수질자동분석장치에는 중수소 램프 또는 텅스턴 램프의 광원을 밴드패스필터를 이용하여 빛을 단색화시키거나 특정 파장을 방출하는 LED를 사용하는 것이 보통이다. 그런데 밴드패스필터를 이용하여 단색화시킬 경우 빛의 밴드갭 폭이 10 내지 20nm로 넓은 특성을 가지고 있다. 본 발명자들은 밴드패스필터를 이용하여 빛을 단색화시켰을 때 프리즘이나 그레이팅을 이용하여 단색화시켰을 때보다 밴드갭이 커서 측정값의 재현성과 직선성이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 특정 파장 대역의 광신호를 효율적으로 측정하도록 고안한 광신호 처리부에 적용한 알고리즘을 구현하였고 이에 해당하는 전자 회로부와 알고리즘 제어 프로그램을 구성하였다. 시료의 흡광도는 통과한 광신호 세기에 선형적으로 반응하여 흡광도가 커질수록 광신호는 낮아지는데 고농도의 시료의 경우 전술한 바와 같이 밴드패스필터를 통과한 파장대역의 밴드갭 폭이 커서 실제 광신호의 세기보다 높게 측정되며 전기적으로 유입되는 노이즈(noise) 또한 흡광도에 대한 직선성이 확보되지 못하는 요인으로 작용하여 측정 가능한 농도 범위는 한정될 수밖에 없다. In addition, as described above, the absorbance should be calculated by measuring transmittance with light of 220 nm for total nitrogen and 400 nm to 250 nm or 800 nm to 900 nm for total phosphorus and phosphoric acid. Therefore, light must be used after being monochromated into a specific wavelength. A general monochrome process is to extract only light of a specific wavelength after dispersing light using a prism or grating. However, such a monochromator has disadvantages in that the device is complex, large, and expensive. Therefore, it is common to use a deuterium lamp or a tungsten lamp as a light source for monochromatic light by using a band-pass filter or to use an LED emitting a specific wavelength in an automatic water quality analyzer. However, when monochromating using a band pass filter, the band gap width of light has a wide characteristic of 10 to 20 nm. The inventors of the present invention confirmed that when light was monochromated using a band pass filter, the reproducibility and linearity of the measurement values were lower because the band gap was larger than when the light was monochromated using a prism or grating. Therefore, the algorithm applied to the optical signal processing unit designed to efficiently measure the optical signal of a specific wavelength band was implemented, and the corresponding electronic circuit unit and algorithm control program were constructed. The absorbance of the sample responds linearly to the intensity of the light signal passing through, and the higher the absorbance, the lower the light signal. Noise that is measured higher than the intensity of and electrically introduced also acts as a factor in not ensuring linearity for absorbance, so that the measurable concentration range is inevitably limited.
도 4에 일반적인 광신호 측정회로에 사용되는 단일이득 광신호 증폭 회로를 나타내었다. 전술하였듯이 이러한 일반적인 회로로는 광학적 특성과 전기적 특성으로 발생하는 측정 범위의 제약을 해소하기 어렵다. 본 발명에서는 미세 광신호에 대한 검출 범위를 확대하여 높은 흡광도를 측정할 수 있도록 하기 위하여 도 5와 같이 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 구성하였다. 일반적인 단일 이득 신호 증폭 회로를 사용할 경우 고농도 시료의 흡광도에 대한 광신호는 전류-전압 변환을 거쳐 상대적으로 매우 낮은 전압으로 측정되고 저농도 시료의 흡광도에 대한 광신호 변환 전압은 상대적으로 매우 높게 측정되어 두 농도간의 전압 차이가 회로에서 처리할 수 있는 전압 범위를 초과하게 되며, 높은 흡광도가 측정될 경우 광신호가 변환된 전압값이 상대적으로 매우 낮게 측정되므로 선형적 관계에서 벗어나 신호의 왜곡이 생겨 미세한 차이를 갖는 고농도 시료에 대한 변별력이 낮아지는 경향이 있다. 따라서 매우 낮은 전압이 측정될 경우 이득 증폭률을 높게 설정하여 고농도 시료에 대한 변별력을 확보하여야 하며, 아날로그 전압 신호를 디지털 신호를 변환하는 AD converter의 분해능 역시 커져야 한다. 이를 실현하기 위하여 광신호의 세기에 따라 3종의 10의 거듭제곱꼴의 이득 증폭율을 차등적으로 적용한 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 구성하여 낮은 흡광도에서 측정되는 시료의 광신호 증폭율은 상대적으로 매우 낮게 구성되고, 높은 흡광도에서 측정되는 시료의 광신호의 증폭율은 상대적으로 매우 높게 증폭되도록 구성하였다. 측정하고자 하는 시료의 광신호를 0 ~ 2.048V의 전압 신호 범위에서 측정되도록 하였으며 차등 이득의 선택은 알고리즘 제어 프로그램에 의하여 입력된 광신호의 전압 변화값을 증폭 회로의 최대 증폭 허용 범위와 비교 분석하여 자동으로 선택되도록 하였다. 4 shows a unity-gain optical signal amplifying circuit used in a general optical signal measurement circuit. As described above, it is difficult to overcome the limitations of the measurement range caused by optical characteristics and electrical characteristics with such a general circuit. In the present invention, in order to measure high absorbance by expanding the detection range for minute optical signals, a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit is constructed as shown in FIG. 5 . When using a general single-gain signal amplification circuit, the optical signal for the absorbance of the high-concentration sample is measured at a relatively very low voltage through current-voltage conversion, and the optical signal conversion voltage for the absorbance of the low-concentration sample is measured at a relatively high voltage. The voltage difference between the concentrations exceeds the voltage range that can be processed by the circuit, and when high absorbance is measured, the voltage value converted to the optical signal is measured relatively very low, so the signal is distorted out of the linear relationship, resulting in minute differences. The discriminative power for high-concentration samples tends to be low. Therefore, when a very low voltage is measured, the gain amplification factor must be set high to ensure discrimination against high-concentration samples, and the resolution of an AD converter that converts an analog voltage signal to a digital signal must also increase. In order to realize this, a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit is configured by applying three kinds of power-of-10 gain amplification factors differentially according to the intensity of the optical signal, and the optical signal amplification rate of the sample measured at low absorbance is It is configured to be relatively very low, and the amplification rate of the light signal of the sample measured at high absorbance is configured to be amplified relatively very high. The optical signal of the sample to be measured was measured in the voltage signal range of 0 ~ 2.048V, and the selection of the differential gain was performed by comparing and analyzing the voltage change value of the optical signal input by the algorithm control program with the maximum amplification range of the amplification circuit. was automatically selected.
본 발명에서 고안한 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로와 제어 알고리즘을 적용한 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법을 도 6에 도식화 하였으며 이에 관하여 구체적으로 설명하고자 한다. 광신호 처리 회로는 입사광 세기에 대한 광검출기의 출력이 전류 신호로 변환되므로 전류-전압 변환 반전 증폭기 회로를 구성하였으며 최대 전류 출력과 암전류의 차이를 구분하기 위하여 rail-to-rail 형태의 이중 연산증폭기를 채택하였다. 광검출기의 수광 전류를 전압으로 변환하기 위하여 3종의 차등 이득 제어용 궤환 저항을 연산증폭기에 접속하였고 변환 과정에서 광검출기의 단자간의 용량 차이에 따라 발진 현상을 일으킬 수 있어 궤환 저항과 병렬로 발진 보상용 capacitor 소자를 접속하였으며 외부 광원에 대한 노이즈(noise) 신호 유입 방지와 제거를 위하여 R-C filter를 포함하여 특정 대역의 주파수을 제거해 주는 Sallen-Key Active Filter 회로를 구성하였다. 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로의 제어는 마이크로프로세서를 중심으로 입출력 인터페이스, 연산증폭기, I2C방식 ADC 등으로 구성된 제어장치에 내장되어 있는 광신호 제어 알고리즘 기반의 제어 프로그램에 의하여 광신호 세기 변화에 따라 자동으로 3종의 차등 이득 증폭용 궤환 저항을 선택하도록 하였다. ‘다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로와 제어 알고리즘을 적용한 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법’을 응용하여 이득 제어용 궤환 저항을 3종 이상의 다수종을 접속할 경우 고정밀도를 필요로 하는 초정밀 분석 장비에 적용할 수 있다.The multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm scheme to which the multiple differential gain selection optical signal amplification circuit and control algorithm devised in the present invention are applied is illustrated in FIG. 6 and will be described in detail. Since the output of the photodetector for the incident light intensity is converted into a current signal, the optical signal processing circuit constitutes a current-voltage conversion inverting amplifier circuit. was adopted. In order to convert the light-receiving current of the photodetector into voltage, three types of feedback resistors for differential gain control are connected to the operational amplifier. In order to prevent and remove noise signals from external light sources, a Sallen-Key Active Filter circuit was constructed to remove frequencies in a specific band, including an R-C filter. Control of multiple differential gain selection optical signal amplification circuits is performed according to changes in optical signal intensity by an optical signal control algorithm-based control program embedded in a control device composed of an input/output interface, an operational amplifier, and an I2C ADC based on a microprocessor. Three types of feedback resistors for differential gain amplification were automatically selected. Ultra-precision analysis equipment that requires high precision when connecting three or more kinds of feedback resistors for gain control by applying 'multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique applying multiple differential gain selection optical signal amplification circuit and control algorithm' can be applied to
제어 프로그램은 광신호 세기 변화에 따라 자동으로 3종의 차등 이득 증폭용 궤환 저항을 선택하는 기능과 입력된 광신호에 포함되어 있는 노이즈에 의해 발생되는 측정 오차를 보상하는 기능으로 구성되어 있다. 본 발명의 제어 프로그램에 내장되어 있는 측정 오차 보상 기능은 입력된 광신호를 디지털로 변환할 때 필요한 샘플링 개수보다 2배~4배이상 더 많이 샘플링하여 ADC의 분해능을 높이도록 하는 Sigma-Delta oversampling 기법, 노이즈이 포함된 광검출기의 입력값과 예측 모델에서 예상한 값과의 차이를 피드백하면서 그 차이가 최소가 되었을 때 값을 출력하여 확률적으로 오차를 줄이는 Kalman filter, 변환된 전압 신호에 포함되어 있는 일부 피크 노이즈 성분을 제거하도록 가중치가 적용된 다항식으로 전압 신호를 smoothing 하는Savitzky-Golay filter로 구성되었으며, 3가지 알고리즘 로직을 설계하고 프로그램으로 구현하여 측정되는 광신호의 노이즈를 감소시켜 흡광도 측정 범위의 직선성을 확보하였다.The control program consists of a function to automatically select three types of feedback resistors for differential gain amplification according to the change in optical signal intensity and a function to compensate measurement errors caused by noise included in the input optical signal. The measurement error compensation function built into the control program of the present invention is a Sigma-Delta oversampling technique that increases the resolution of the ADC by sampling 2 to 4 times more than the number of sampling required when converting the input optical signal to digital. , a Kalman filter that stochastically reduces errors by outputting a value when the difference is minimized while feeding back the difference between the input value of the photodetector containing noise and the value expected by the prediction model, and the converted voltage signal It consists of a Savitzky-Golay filter that smooths the voltage signal with a weighted polynomial to remove some peak noise components. Three algorithm logics are designed and implemented as a program to reduce the noise of the measured optical signal, resulting in a straight line in the absorbance measurement range. castle was secured.
실시예 및 비교실시예Examples and Comparative Examples
3방향 전동밸브(2, 3) 사이의 배관 내부 용량을 1mL가 되도록 하였다. 총질소 농도가 1, 5, 10, 30, 50, 80, 100mg/L인 표준용액을 시료로 준비하였다. 이송펌프(1)를 가동하여 3방향 전동밸브(2, 3) 사이에 시료를 채운후 에어펌프(4)를 가동하여 시료를 시약반응/광학챔버(18)로 이송하였다. 3방향 전동밸브 사이에 초순수를 채운 후 상기와 같은 방법으로 초순수를 4회 시약반응/광학챔버(18)로 이송하였다. 이렇게 하면 시료는 1차로 5배 희석이 되게 된다. 시료와 초순수를 혼합한 후 1차 희석된 시료를 이송펌프(19)를 가동하여 버퍼코일(5)에 채운다. 시약반응/광학챔버를 초순수로 세정한 후 이송펌프(19)를 가동하여 1차 희석 시료를 3방향밸브(2, 3) 사이의 배관에 채운다. 에어펌프(4)를 가동하여 1차 희석 시료를 시약반응/광학챔버(18)로 이송한다. 다시 초순수를 4회 시약반응/광학챔버(18)로 이송하여 혼합하면 2차 희석이 되어 총 25배의 희석이 이루어진다. 2차 희석된 시료를 이송펌프(19)를 가동하여 버퍼코일(5)에 채운다. 시약반응/광학챔버르 초순수로 세정한 후 이송펌프(19)를 가동하여 2차 희석 시료를 3방향밸브(2, 3) 사이의 배관에 채운다. 에어펌프(4)를 가동하여 2차 희석 시료를 시약반응/광학챔버(18)로 이송한다. 이 과정을 2회 시행하면 시약반응/광학챔버에는 2차 희석된 시료가 2mL 주입되게 된다. 다시 초순수를 2회 시약반응/광학챔버(18)로 이송하여 혼합하면 3차 희석이 되어 최종적으로 50배 희석이 이루어진다.The internal capacity of the pipe between the three-way
최종 희석된 시료에 산화제 주입펌프(11)를 가동하여 산화제를 첨가한다. 산화제가 첨가된 최종 희석 시료를 이송펌프(19)를 가동하여 산화반응기(26)로 이송한다. 산화반응기(26)를 가동하여 섭씨 120도에서 30분간 가열 산화반응시킨다. 산화반응을 시키는 동안 초순수를 시약반응/광학챔버(18)에 주입하여 세정을 실시한다. 초순수로 세정하는 과정에서 마지막 세정 시 램프(16)를 켜고 광검지센서(17)로 초순수의 광신호를 읽는다. 램프는 중수소램프로 220nm의 밴드패스필터를 이용하여 220nm 파장의 빛을 추출하여 조사한다. 산화반응이 끝나면 시료를 이송펌프(19)를 가동하여 시약반응/광학챔버(18)로 이송한다. 발색시약 주입펌프(15)를 가동하여 발색시약을 주입한 후 광신호를 읽는다. 산화시약 및 발색시약은 수질오염공정시험기준에 맞도록 주입한다. 초순수와 시료의 광신호를 이용하여 투과도 및 흡광도를 계산한다. 노이즈(noise)가 포함된 광신호를 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법이 적용된 프로그램에 구현되어 있는 ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter 와 Savitzky-Golay filter를 사용하여 노이즈가 제거된 신호값(filtering)이 실제 측정 신호값(original)의 왜곡 없이 유사한 경향의 추세를 나타내도록 처리하였다. 흡광도를 이용하여 농도를 환산하여 구한다. 광학계에는 램프의 빛을 직접 읽을 수 있는 광신호 검출기를 설치하여 얻어진 광신호로 측정 시 얻어지는 광신호를 보정할 수도 있다. 측정값의 재현성이 CV 1% 이내이며 정확도 또한 높은 것을 알 수 있다. 직선성도 상관계수 0.999이상인 것을 알 수 있다. 그 결과를 표 1과 표 2 및 도 7에 나타내었다.An oxidizing agent is added to the final diluted sample by operating the oxidizing agent injection pump 11. The final diluted sample to which the oxidizing agent is added is transferred to the
총인의 농도를 0.5, 1, 5, 10, 20mg/L로 하였으며 1차희석으로 5배, 2차희석을 4배하였고 광원으로 880nm의 LED를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시험하였다. 측정값의 재현성이 CV 1% 이내이며 정확도도 높은 것을 알 수 있다. 직선성도 상관계수 0.999이상인 것을 알 수 있다. 그 결과를 표 3과 표 4 및 도 8에 나타내었다.The concentration of total phosphorus was set to 0.5, 1, 5, 10, and 20 mg/L, and the test was performed in the same manner as in Example 1 except that the first dilution was 5 times and the second dilution was 4 times, and an 880 nm LED was used as a light source. It can be seen that the reproducibility of the measured value is within CV 1% and the accuracy is also high. It can be seen that the linearity also has a correlation coefficient of 0.999 or more. The results are shown in Tables 3 and 4 and FIG. 8 .
인산의 농도를 0.5, 1, 4, 8, 12, 15mg/L로 하였으며 희석을 하지 않았고 광원으로 410nm의 LED를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 시험하였다. 측정값의 재현성이 CV 0.4내지 0.8% 범위에 있었으며 정확도도 매우 높았다. 직선성도 상관계수 0.999이상인 것을 알 수 있다. 그 결과를 표 5와 표 6 및 도 9에 나타내었다.The concentration of phosphoric acid was set to 0.5, 1, 4, 8, 12, and 15 mg/L, and the test was performed in the same manner as in Example 1 except that dilution was not performed and a 410 nm LED was used as a light source. The reproducibility of the measured values was in the range of CV 0.4 to 0.8%, and the accuracy was very high. It can be seen that the linearity also has a correlation coefficient of 0.999 or more. The results are shown in Tables 5, 6 and 9.
광전류 발생장치를 이용하여 0.0uA~5.0uA 사이를 단계별로 가변하여 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법으로 제작된 장치에서 광신호를 측정하여 직선성을 시험하였다. 광전류는 0.0~0.05uA, 0.05~0.5uA, 0.5~5uA 구간으로 분리하여 각각 해당 구간에서 이득 증폭 저항을 변경하여 변환된 전압값을 측정하고 AD 컨버터로 디지털 값으로 변환하여 광전류 증가 변화에 따라 신호값이 증가하는 것을 확인 하였으며, 광전류 증가 변화에 따라 자동으로 차등 이득 증폭 저항이 변환되어 가장 낮은 광전류 구간에서도 전압 신호의 왜곡 없이 선형적인 상관 관계를 유지하여 1차 회귀 분석결과 상관 계수 1.000에 접근하는 것을 알 수 있다. 그 결과를 도 10에 나타내었다.Linearity was tested by measuring the optical signal in the device fabricated with the multi-differential gain selection optical signal control algorithm technique by varying step-by-step between 0.0uA and 5.0uA using a photocurrent generator. The photocurrent is divided into sections of 0.0~0.05uA, 0.05~0.5uA, and 0.5~5uA, and the converted voltage value is measured by changing the gain amplification resistor in each corresponding section, and the converted voltage value is converted into a digital value with an AD converter to generate a signal according to the change in the photocurrent. It was confirmed that the value increased, and the differential gain amplification resistor was automatically converted according to the photocurrent increase, maintaining a linear correlation without distortion of the voltage signal even in the lowest photocurrent section, and as a result of the first regression analysis, the correlation coefficient approached 1.000. can know that The results are shown in FIG. 10 .
노이즈(noise)가 포함된 광신호를 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법이 적용된 프로그램에 구현되어 있는 ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter 와 Savitzky-Golay filter를 사용하여 노이즈가 제거된 신호값(filtering)이 실제 측정 신호값(original)의 왜곡 없이 유사한 경향의 추세를 나타내는 것을 도 11에 나타내었다.Signal value with noise removed by using ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter and Savitzky-Golay filter implemented in the program to which the optical signal control algorithm technique is applied to select multiple differential gains for the optical signal containing noise ( It is shown in FIG. 11 that filtering) exhibits a similar trend without distortion of the actual measured signal value (original).
[비교실시예 1][Comparative Example 1]
다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법을 이용하여 광신호처리하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3과 동일한 방법으로 시험하였다. 측정값의 재현성이 CV 1.3내지 2.3% 범위에 있었으며 정확도도 상대적으로 낮았다. 직선성을 의미하는 상관계수도 실시예보다 낮았다. 도 12a, 12b 및 12c에서 상관성을 나타내는 상관계수는 0.9973, 0.9976 및 0.9969로 낮지 않은 것으로 보일 수 있으나 이 정도의 상관성을 가지는 정확성이 낮아진다. 그 결과를 표 7과 표 8 및 도 12a, 12b, 12c에 나타내었다. The test was performed in the same manner as in Example 1, Example 2, and Example 3, except that the optical signal was not processed using the multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique. The reproducibility of the measured values was in the range of CV 1.3 to 2.3%, and the accuracy was relatively low. The correlation coefficient meaning linearity was also lower than that of the examples. In FIGS. 12a, 12b, and 12c, the correlation coefficients representing the correlation are 0.9973, 0.9976, and 0.9969, which may not seem low, but the accuracy of having this degree of correlation is lowered. The results are shown in Tables 7 and 8 and Figures 12a, 12b and 12c.
(mg/L)(mg/L)
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)average
(mg/L)
편차standard
Deviation
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)(mg/L)
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)average
(mg/L)
편차standard
Deviation
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)(mg/L)
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)average
(mg/L)
편차standard
Deviation
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)(mg/L)
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
(mg/L)average
(mg/L)
편차standard
Deviation
표준농도standard concentration
(mg/L)(mg/L)
Claims (13)
1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;
2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 1차 희석하는 단계;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;
4) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 2차 희석하는 단계;
5) 산화제를 시약반응/광학쳄버에 주입하여 혼합하는 단계;
6) 산화제를 주입한 시료를 산화반응기로 이송하는 단계;
7) 산화반응기를 가열하여 시료를 산화시키는 단계;
8) 산화가 끝난 시료를 시약반응/광학쳄버로 이송하는 단계;
9) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;
10) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;
11) 시약반응/광학쳄버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및
12) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 것이며,
산화반응이 수반되지 않는 인산을 측정하는 방법은,
1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;
2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;
3) 1차 희석 시료를 계량하여 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;
4) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 2차 희석하는 단계;
5) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;
6) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;
7) 시약반응/광학쳄버 및 산화반응기를 세정하는 단계; 및
8) 측정된 투과율을 이용하여 흡광도를 계산하고 농도로 환산하는 단계;를 포함하는 것으로 이루어지는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
A method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid in one device using a photometric method, and a method for measuring total nitrogen and total phosphorus accompanied by an oxidation reaction,
1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) first dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) injecting and mixing the oxidizing agent into the reagent reaction/optical chamber;
6) transferring the sample injected with the oxidizing agent to an oxidation reactor;
7) heating the oxidation reactor to oxidize the sample;
8) transferring the oxidized sample to the reagent reaction/optical chamber;
9) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
10) irradiating light to the reagent reaction/optical chamber to measure transmittance;
11) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
12) calculating the absorbance using the measured transmittance and converting it into a concentration;
A method for measuring phosphoric acid not accompanied by an oxidation reaction is,
1) Injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber;
2) injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
3) weighing the first diluted sample and injecting it into the reagent reaction/optical chamber;
4) secondary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber;
5) injecting the color former into the reagent reaction/optical chamber;
6) measuring the transmittance by irradiating light to the reagent reaction/optical chamber;
7) cleaning the reagent reaction/optical chamber and oxidation reactor; and
8) Calculating the absorbance using the measured transmittance and converting it into a concentration; Total nitrogen, total phosphorus, and phosphorus automatic measurement method using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit comprising:
‘1) 측정시료를 시약반응/광학쳄버로 주입하는 단계;’는 이송펌프(1)를 가동하여 시료수조(30)와 이송펌프(1)사이의 배관에 잔류하는 이전 시료를 집수조(9)로 이송하고, 과도한 부유물이 포함되어 있는 채수 초기 흡입 시료를 충분히 집수조(9)로 이송하여 배출시킨 후, 시료수조(30)에 측정시료를 채수하고 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관에 측정시료를 충진하며, 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 전환하고 에어펌프(4)를 가동하여 배관에 충진되어 있는 측정시료를 시약반응/광학챔버로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 1,
In '1) injecting the measurement sample into the reagent reaction/optical chamber; After transferring and discharging the initial intake sample containing excessive floating matter to the collection tank 9, the measurement sample is collected in the sample tank 30 and between the two 3-way electric valves 3 and 8 Filling the measurement sample in the pipe, switching the valve opening direction of the two three-way valves (3, 8) and operating the air pump (4) to transfer the measurement sample filled in the pipe to the reagent reaction / optical chamber A method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit.
‘2) 희석수를 시약반응/광학쳄버로 주입하여 1차 희석하는 단계;’는 이송펌프(1)를 가동하여 초순수 병(29)과 이송펌프(1)사이의 배관에 잔류하는 측정시료를 집수조(9)로 이송하고, 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관 및 계량코일(7)에 잔류하는 측정시료를 집수조(9)로 이송하여 배출시킨 후, 초순수 병(29)으로부터 초순수를 2개의 3방향 전동밸브(3, 8)사이의 배관 및 계량코일(7)에 측정시료를 충진하며, 2개의 3방향 밸브(3, 8)의 밸브 개방방향을 전환하고 에어펌프(4)를 가동하여 배관에 충진되어 있는 초순수를 시약반응/광학챔버로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 2,
'2) Primary dilution by injecting dilution water into the reagent reaction/optical chamber; It is transferred to the collecting tank (9), and the measurement sample remaining in the pipe between the two 3-way electric valves (3, 8) and the metering coil (7) is transferred to the collecting tank (9) and discharged, and then the ultrapure water bottle (29) The ultrapure water from the two 3-way electric valves (3, 8) and the measurement coil (7) are filled with measurement samples, the two 3-way valves (3, 8) are switched to the valve opening direction, and the air pump ( 4) is operated to transfer the ultrapure water filled in the pipe to the reagent reaction/optical chamber. A method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selective optical signal amplification circuit.
‘5) 산화제를 시약반응/광학쳄버에 주입하여 혼합하는 단계;’는 산화제주입펌프(11)를 가동하여 산화제를 시약반응/광학쳄버(18)로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 3,
'5) Injecting and mixing the oxidizing agent into the reagent reaction/optical chamber;' is a multi-differential gain selection light characterized in that the oxidizing agent injection pump 11 is operated to transfer the oxidizing agent to the reagent reaction/optical chamber 18 A method for automatic measurement of total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid using a signal amplification circuit.
‘6) 산화제를 주입한 시료를 산화반응기로 이송하는 단계;’는 이송펌프(19)를 가동하여 산화제가 주입된 시료를 산화반응기(26)로 이송시키는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 4,
'6) Transferring the sample injected with the oxidizing agent to the oxidation reactor;' is a multiple differential gain selection optical signal characterized by operating the transfer pump 19 to transfer the sample injected with the oxidizing agent to the oxidation reactor 26 Method for automatic measurement of total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid using an amplification circuit.
‘7) 산화반응기를 가열하여 시료를 산화시키는 단계;’는 110 내지 130 ℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 5,
'7) Heating the oxidation reactor to oxidize the sample;' is a method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit, characterized in that heating to 110 to 130 ℃.
‘8) 산화가 끝난 시료를 시약반응/광학쳄버로 이송하는 단계;’는 이송펌프(19)를 역으로 가동하여 시료를 시약반응/광학쳄버(18)로 이송하는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 6,
'8) Transferring the oxidized sample to the reagent reaction/optical chamber;' is a multiple differential gain characterized in that the transfer pump 19 is operated in reverse to transfer the sample to the reagent reaction/optical chamber 18 A method for automatic measurement of total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid using a selective optical signal amplification circuit.
‘9) 발색제를 시약반응/광학쳄버에 주입하는 단계;’는 발색시약주입펌프(15)를 가동하여 발색시약을 주입하는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 7,
'9) Injecting the colorant into the reagent reaction/optical chamber;' is total nitrogen and total phosphorus using a multiple differential gain selection optical signal amplifier circuit, characterized in that the colorant injection pump 15 is operated to inject the colorant. and a phosphoric acid automatic measurement method.
‘10) 시약반응/광학쳄버에 빛을 조사하여 투과율을 측정하는 단계;’는 총질소 측정인 경우 중수소램프에서 방출되는 자외선 영역중 220nm의 밴드패스필터를 이용하여 220nm 파장의 빛을 추출하여 조사하고, 총인 측정인 경우 880nm LED를 이용하여 880nm 파장의 빛을 조사하고, 인산 측정의 경우 410nm LED 를 이용하여 410nm 파장의 빛을 조사하고, 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로와 제어 알고리즘을 적용한 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법이 도입되는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 1,
'10) Measuring the transmittance by irradiating light into the reagent reaction/optical chamber;' is irradiated by extracting light of a wavelength of 220 nm using a band pass filter of 220 nm from the ultraviolet region emitted from the deuterium lamp in the case of total nitrogen measurement. In the case of total phosphorus measurement, light of 880 nm wavelength is irradiated using 880 nm LED, and in case of phosphoric acid measurement, light of 410 nm wavelength is irradiated using 410 nm LED, and multiple differential gain selection optical signal amplification circuit and control algorithm are applied. A method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit, characterized in that a differential gain selection optical signal control processing algorithm technique is introduced.
‘다중 차등 이득 선택 광신호 제어 처리 알고리즘 기법’은 입사광 세기에 대한 광검출기의 출력이 전류 신호로 변환되는 전류-전압 변환 반전 증폭기 회로, 최대 전류 출력과 암전류의 차이를 구분하기 위한 rail-to-rail 형태의 이중 연산증폭기, 광검출기의 수광 전류를 전압으로 변환하기 위한 연산증폭기에 접속된 3종의 차등 이득 제어용 궤환 저항, 광검출기의 단자간의 용량 차이에 따라 야기되는 발진 현상을 방지하기 위하여 3종의 차등 이득 제어용 궤환 저항과 병렬로 접속되는 발진 보상용 capacitor 소자, 외부 광원에 대한 잡음(noise) 신호 유입 방지와 제거를 위한 R-C filter를 포함하여 특정 대역의 주파수을 제거해 주는 Sallen-Key Active Filter 회로, 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 제어하기 위하여 마이크로프로세서를 중심으로 입출력 인터페이스, 연산증폭기, I2C방식 ADC를 포함하는 제어장치, 광신호 세기 변화에 따라 자동으로 3종의 차등 이득 증폭용 궤환 저항을 선택하기 위한 제어장치에 내장되어 있는 광신호 제어 알고리즘 기반의 제어 프로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정방법.
According to claim 9,
'Multiple differential gain selection optical signal control processing algorithm technique' is a current-to-voltage conversion inverting amplifier circuit in which the output of the photodetector for the incident light intensity is converted into a current signal, and a rail-to-voltage conversion amplifier circuit for distinguishing the difference between the maximum current output and the dark current. Rail-type dual operational amplifier, 3 feedback resistors for differential gain control connected to the operational amplifier to convert the light-receiving current of the photodetector into voltage, 3 to prevent oscillation caused by the difference in capacitance between the terminals of the photodetector Sallen-Key Active Filter circuit that removes frequencies in a specific band, including a capacitor element for oscillation compensation connected in parallel with feedback resistors for differential gain control of species, and an RC filter to prevent and remove noise signals from external light sources , In order to control the multiple differential gain selection optical signal amplification circuit, a control device including an input/output interface, an operational amplifier, and an I2C type ADC centered on a microprocessor, feedback resistors for automatically amplifying three types of differential gain according to the change in optical signal strength A method for automatically measuring total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using a multiple differential gain selection optical signal amplification circuit, characterized in that it includes a control program based on an optical signal control algorithm built into a control device for selecting.
집수조(9), 산화제시약병(12), 발색시약병 1, 2(13, 14), 폐액조(25), 초순수병(27), 세정액병(28), 표준용액병(29), 시료수조(30), 발색시약조 1, 2(39, 40), 초순수병(50), 시료수조(51) 등을 포함하는 측정시료, 시약, 희석수가 충진되어 있는 저장부;
이송펌프(1, 19, 44), 에어펌프(4), 2방향 전동밸브(20, 21, 22, 23, 24), 3방향 솔레노이드밸브(32, 33, 35, 49), 배관 등을 포함하는 측정시료, 시약 및 희석수를 이송하는 이송부;
버퍼 코일(5), 계량 코일(7) 등을 포함하는 시료, 시약 및 희석수의 양을 계량하는 계량부;
시약반응/광학챔버(18), 산화제 주입펌프(11), 산화반응기(26) 등을 포함하며 시료와 시약을 반응시키는 시약반응부;
램프(16), 광검지센서(17), 광검출기, 이중 연산증폭기, 다중 차등 이득 제어용 궤환 저항, R-C filter, Sallen-Key Active Filter 회로 등을 포함하며 광계측을 하는 광학부; 및
마이크로프로세서, 제어 프로그램, 입출력 인터페이스, 연산증폭기, 다중 차등 이득 선택 광신호 제어 알고리즘 기법이 적용된 프로그램에 구현되어있는 ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter 등을 포함하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 다중 차등 이득 선택 광신호 증폭 회로를 이용한 총질소, 총인 및 인산 자동측정장치.
In the total nitrogen, total phosphorus and phosphoric acid automatic measuring device,
Collecting tank (9), oxidizing agent reagent bottle (12), color reagent bottle 1, 2 (13, 14), waste liquid tank (25), ultrapure water bottle (27), washing liquid bottle (28), standard solution bottle (29), sample tank ( 30);
Including transfer pump (1, 19, 44), air pump (4), 2-way electric valve (20, 21, 22, 23, 24), 3-way solenoid valve (32, 33, 35, 49), piping, etc. A transfer unit for transferring a measurement sample, a reagent, and dilution water to be measured;
a metering unit for measuring an amount of a sample, a reagent, and dilution water including a buffer coil 5 and a metering coil 7;
a reagent reaction unit including a reagent reaction/optical chamber 18, an oxidizing agent injection pump 11, an oxidation reactor 26, etc., and reacting a sample with a reagent;
An optical unit including a lamp 16, an optical sensor 17, a photodetector, a dual operational amplifier, a feedback resistor for controlling multiple differential gains, an RC filter, and a Sallen-Key Active Filter circuit and performing optical measurement; and
Microprocessor, control program, input/output interface, operational amplifier, control unit including ADC Sigma-Delta Over sampling, Kalman Filter, Savitzky-Golay filter, etc. implemented in the program to which multiple differential gain selection optical signal control algorithm techniques are applied. An automatic measuring device for total nitrogen, total phosphorus, and phosphoric acid using multiple differential gain selection optical signal amplification circuits.
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