KR102593306B1 - 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법 - Google Patents
저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 대수층 환경을 모사한 유동 챔버 실험 과정에서 저투수성 매체 내 추적자의 농도를 비파괴적이면서 연속적으로 측정하기 위해 다중채널 이미지 분석기법을 이용하는, 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 촬영하여 이미지를 획득하고, 이미지 처리프로그램을 이용하여 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하고; 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하고; 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하고; 유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하고; 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하도록 구성된다.
Description
본 발명은 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 대수층 환경을 모사한 유동 챔버 실험 과정에서 저투수성 매체 내 추적자의 농도를 비파괴적이면서 연속적으로 측정하기 위해 다중채널 이미지 분석기법을 이용하는, 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상, 오염부지 내 다양한 지질 매체에서 오염물질의 유동 메커니즘을 규명하고 나아가 정화기법 선정을 위한 사전 부지 조사를 위해, 다수의 연구자들은 실제 지하 환경을 모사한 유동 챔버를 제작하고 형광 추적자 용액을 챔버에 흘려주는 실험을 진행하였다.
이러한 모의 대수층 실험 과정 중 챔버 내 추적자의 농도를 측정하기 위해서는 챔버 입구의 유입수와 챔버를 흐르고 난 뒤의 유출수 농도를 직접 측정하는 방식으로 진행되었다. 또는 실험 진행 중, 챔버 내부 특정 지점의 농도를 측정하기 위해서는 챔버를 파괴하거나 실험의 중단이 불가피하였다.
그러나, 특정 순간 매질 내 농도분포를 측정하기 위해서는 챔버를 파괴하거나 직접 챔버 내부를 통해 농도측정을 하므로 시료의 교란이 불가피하며 농도측정 정확도를 보장하기 힘든 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 시료의 교란 없이 저투수성 매체 내 추적자의 농도를 추정할 수 있으며, 기존의 단일 채널 측정법에 비해 광범위한 추적자의 농도를 추정할 수 있는, 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시형태에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치는 저투수성 매체 내에서 형광 추적자 농도분포를 추정하는 장치로서, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 촬영하여 이미지를 획득하고, 이미지 처리프로그램을 이용하여 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하도록 구성된 사전 흡착 배치 실험부; 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하도록 구성된 채널 선정부; 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하도록 구성된 농도 대 강도 수식화부; 유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하도록 구성된 유동 챔버 실험 및 농도 추정부; 및 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하도록 구성된 추정 타당성 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일실시형태에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치에 있어서, 상기 채널 선정부는 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화하고, 정량화된 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하도록 더욱 구성될 수 있다.
상기 일실시형태에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치에 있어서, 상기 유동 챔버 실험 및 농도 추정부는 하부에 대수층을 모사하기 위해 복수의 유리 비드가 배치되고, 상기 유리 비드 상부에는 저투수층이 형성된 유동 챔버가 마련되어 있고, 카메라와 상기 유동 챔버 사이에는 광원이 위치한 상태에서, 설정된 농도의 형광 추적자를 상기 대수층의 유입부를 통해 주입하고 상기 대수층의 유출부를 통해 유출시키면서 상기 대수층에는 형광 추적자로 충만되고, 형광 추적자 용액의 농도가 높은 대수층에서 농도가 낮은 저투수층으로 농도구배 차이에 의하여 확산이 이루어지고, 확산 초기와 확산 후기에 유동 챔버를 상기 카메라에 의해 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하도록 더욱 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시형태에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법은 사전 흡착 배치 실험부에서, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스가 촬영되어 이미지가 획득되고, 이미지 처리프로그램이 이용되어 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도가 산출되는 단계; 채널 선정부가 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도 또는 정량화된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하는 단계; 상기 채널 선정부가 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하는 단계; 농도 대 강도 수식화부가 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하는 단계; 유동 챔버 실험 및 농도 추정부에서, 유동 챔버 실험이 이루어지면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버가 촬영되어 이미지가 획득되고, 획득된 이미지의 빛 강도를 기초로 상기 채널의 농도 대 강도 수학식이 이용되어 형광 추적자 농도가 추정되는 단계; 및 추정 타당성 평가부가 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 실시형태에 의한 형광 추적자 농도분포 추정 방법은 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하는 단계 이후, 상기 채널 선정부가 도출된 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시형태에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법에 의하면, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 촬영하여 이미지를 획득하고, 이미지 처리프로그램을 이용하여 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하고; 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하고; 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하고; 유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하고; 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하도록 구성됨으로써, 시료의 교란 없이 저투수성 매체 내 추적자의 농도를 추정할 수 있으며, 기존의 단일 채널 측정법에 비해 광범위한 추적자의 농도를 추정할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 2는 도 1의 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 도 1의 사전 흡착 배치 실험부에서 획득된 점토 종류별 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 사전 흡착 배치 실험부에 의한 이미지 처리 절차를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 채널 선정부에 의해 도출된 점토 종류별 RGB 채널 빛 강도 그래프이다.
도 6은 도 1의 채널 선정부에 의해 선정된 채널 및 이에 따른 수식 선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 유동 챔버 실험 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 추정 타당성 평가부에 의해 형광 추적자 농도 추정결과와 1차원 확산 해석해의 비교에 의한 타당성 평가 과정을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 3은 도 1의 사전 흡착 배치 실험부에서 획득된 점토 종류별 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 사전 흡착 배치 실험부에 의한 이미지 처리 절차를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 채널 선정부에 의해 도출된 점토 종류별 RGB 채널 빛 강도 그래프이다.
도 6은 도 1의 채널 선정부에 의해 선정된 채널 및 이에 따른 수식 선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 유동 챔버 실험 시스템을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 추정 타당성 평가부에 의해 형광 추적자 농도 추정결과와 1차원 확산 해석해의 비교에 의한 타당성 평가 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예를 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적으로 해석되어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도면에서 도시된 각 시스템에서, 몇몇 경우에서의 요소는 각각 동일한 참조 번호 또는 상이한 참조 번호를 가져서 표현된 요소가 상이하거나 유사할 수가 있음을 시사할 수 있다. 그러나 요소는 상이한 구현을 가지고 본 명세서에서 보여지거나 기술된 시스템 중 몇몇 또는 전부와 작동할 수 있다. 도면에서 도시된 다양한 요소는 동일하거나 상이할 수 있다. 어느 것이 제1 요소로 지칭되는지 및 어느 것이 제2 요소로 불리는지는 임의적이다.
본 명세서에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터 또는 신호를 '전송', '전달' 또는 '제공'한다 함은 어느 한 구성요소가 다른 구성요소로 직접 데이터 또는 신호를 전송하는 것은 물론, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 데이터 또는 신호를 다른 구성요소로 전송하는 것을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치의 블록 구성도이다.
본 발명의 실시예에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 사전 흡착 배치 실험부(100), 채널 선정부(200), 농도 대 강도 수식화부(300), 유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400), 및 추정 타당성 평가부(500)를 포함한다.
사전 흡착 배치 실험부(100)는 복수 종류의 점토(kaolinite, montmorillonite, bentonite) 각각과 설정된 복수농도 범위(0, 1, 10, 100, 500, 1000, 2000 mg/L)의 형광 추적자 용액(sodium fluorescein)이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 카메라에 의해 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지를 이미지 처리프로그램(예컨대, ImageJ라는 오픈소스 프로그램)을 이용하여 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하는 역할을 한다. 촬영이 끝난 혼합액은 원심분리되어 상등액이 추출되고, 자외선 분광 광도계에 의해 상등액의 농도가 측정되고, 기존에 설정된 추적자 용액의 각 농도가 흡착실험 이후 어떻게 감소하였는지 산출된다.
도 3은 도 1의 사전 흡착 배치 실험부에서 획득된 점토 종류별 이미지를 나타낸 도면으로서, 이미 알고 있는 설정된 농도범위(0, 1, 10, 100, 500, 1000, 2000 mg/L)에서 각 점토의 종류에 따라 총 21개의 샘플이 도출될 수 있다. 여기서는 3개의 점토 이미지(Kaolinite, Montmorillonite, Bentonite)만 사용하였으며, 유리 비드(Glass bead)의 경우에는 시험적으로 진행하였고 수식화와 강도 추정에는 사용되지 않았다.
획득된 이미지를 이미지 처리프로그램을 이용하여 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하는 절차를 도 4를 참고하여 설명하기로 한다.
획득된 이미지로부터 빛 강도를 산출하는 절차는 이미지 처리프로그램(ImageJ)을 통하여 이루어질 수 있다.
먼저, 획득된 이미지의 원본 파일이 이미지 처리프로그램에 업로드된 후, 3개의 RGB 컬러 채널로 분리된다.
다음, 분리된 RGB 컬러 이미지는 회색계열로 전환되고, 명암에 따른 색상의 강도가 자동으로 측정되어 최종적으로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도가 획득된다.
빛 강도는 가장 어둡게 나타나는 부분이 낮은 강도를 나타내고 흰색에 가까워질수록 채널 강도가 높아짐을 의미하며, 그 값의 범위는 0~255일 수 있다.
채널 선정부(200)는 사전 흡착 배치 실험부(100)에 의해 획득된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하는 역할을 한다.
더욱이, 채널 선정부(200)는 사전 흡착 배치 실험부(100)에 의해 획득된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화하고, 정량화된 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정할 수도 있다.
도 5는 도 1의 채널 선정부에 의해 도출된 점토 종류별 RGB 채널 빛 강도 그래프이며, 도 6은 도 1의 채널 선정부에 의해 선정된 채널 및 이에 따른 수식 선을 나타낸 그래프이다.
농도 추정에 가장 적합한 그래프의 형태는 강도가 급격히 감소하거나 증가하지 않고 전체 농도범위(x축)에서 점진적으로 증가하거나 감소해야 하며, 하나의 강도값에서 두 개의 농도값을 나타내는 경우(도 5b의 적색 채널)는 수식으로 사용할 수 없다.
전체 농도범위에서 가장 점진적으로 감소하면서 동시에 변곡점을 가지지 않는 채널을 각각의 점토 매체에서 선정하였다. Kaolinite는 청색 채널을, montmorillonite는 녹색 채널을 사용하였다. Montmorillonite의 청색 채널의 경우 녹색 채널보다 더 큰 변동폭은 보이지만 5mg/L 이하의 농도범위에서 급격하게 감소한 후 점진적으로 강도가 능가하는 특성을 보인다. 이러한 농도-강도 패턴의 채널을 농도 추정에 적용할 경우, 하나의 빛 강도로부터 2개의 농도가 계산되기 때문에 변곡점을 띄지 않는 관계식을 선정하여야 한다. Bentonite의 경우 약 414mg/L 이전의 경우 청색 채널이 가장 점진적 변화를 보이지만, 414mg/L 이상의 범위에서는 녹색 채널이 농도 증가에 따라 점차 감소하는 형태를 보이고 있다. 따라서 bentonite에 한해서는 414mg/L를 기준으로 낮은 농도 범위에서는 청색 채널을, 높은 농도 범위에서는 녹색 채널을 동시에 사용하여야 약 1800mg/L의 전체 농도 범위를 추정할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전체 추적자 용액 농도 범위에 걸쳐 가장 점진적인 농도 변화를 나타내는 채널을 각 점토 종류별로 선정하였다.
표1에는 점토 종류별로 RGB 채널 강도의 변동계수와 표준편차를 나타내었으며, 선정된 채널의 변동성이나 편차가 대체적으로 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
[표 1]
농도 대 강도 수식화부(300)는 분석프로그램(예컨대, 엑셀 솔버)을 이용하여 채널 선정부(200)에 의해 선정된 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출할 수 있다. 실측 데이터(plot)와 생성된 수학식을 통해 추정된 값(line)의 일치도가 가장 높을 때를 기준으로 수학식을 생성하였다.
유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)는 유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 농도 대 강도 수식화부(300)에 의해 도출된 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하는 역할을 한다.
유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 유동 챔버 실험을 위해, 카메라와 유동 챔버 사이에는 광원(예컨대, UV 램프)이 위치하고, 유동 챔버는 하부에 대수층을 모사하기 위해 복수의 유리 비드가 배치되고, 유리 비드 상부에는 저투수층이 형성된 유동 챔버가 마련되어 있다.
유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)에서는 설정된 농도의 형광 추적자를 대수층의 유입부를 통해 주입하고 대수층의 유출부를 통해 유출시키면서 대수층은 형광 추적자로 충만되고, 형광 추적자 용액의 농도가 높은 대수층에서 농도가 낮은 저투수층으로 농도구배 차이에 의하여 확산이 이루어진다. 확산 초기와 확산 후기에 유동 챔버를 카메라에 의해 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 농도 대 강도 수식화부(300)에서 도출된 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정할 수 있다.
추정 타당성 평가부(500)는 유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)에 의해 추정된 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하는 역할을 한다.
도 8은 도 1의 추정 타당성 평가부에 의해 형광 추적자 농도 추정결과와 1차원 확산 해석해의 비교에 의한 타당성 평가 과정을 나타낸 도면이다.
1차원 확산 해석해는 저투수층에서 용존상의 이온이 높은 농도지역에서 낮은 농도지역으로 농도차이에 의해 확산으로 이동하는 경우 용질의 농도분포를 나타내는 식이며, 시간에 따른 농도의 변화는 확산을 통해 이동한 거리에 따른 농도 변화의 이중 미분값과 유효 확산계수로 나타낼 수 있다.
도 8에서는 채널 선정부(200)에서 선정한 채널의 수학식을 사용하여 추정한 형광 추적자 농도값(점선)과 1차원 확산 모델링 값(실선)을 (a) 내지 (d)에 저투수성 매체(점토)에 따라 도시하였다. E 값은 농도값과 모델링값의 일치도를 나타내며 1에 가까울수록 두 값의 일치도가 높음을 의미한다.
실험 측정은 각 확산 초기 단기와 후기 단기에 하였으며, PVs(Pore Volumes)로 나타내었다. (a), (b)는 각각 kaolinite와 montmorillonite 점토의 결과를 나타낸 것으로 확산 초기와 후기 모두 일치도가 0.91 이상으로 매우 높게 나타나고 있다. Bentonite의 경우 또한 확산 초기 단계인 (c)에서 일치도가 0.98로 높게 나타나고 있다. 그러나 bentonite 확산 후기의 경우 단일의 청색 채널만 적용한 경우 일치도가 0.56까지 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 약 414mg/L 이상의 범위에서 추적자 용액의 농도 변화에 따른 청색 채널의 강도 범위가 없었기 때문에 농도를 추정하지 못한 것으로 생각된다[(d)의 둥근원 표기 부분]. 따라서 채널 선정부(200)에서는 전술한 바와 같이 bentonite 채널의 경우 두 개 채널을 동시에 적용하는 방식의 농도분포 추정 기술이 적용되어야 한다.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 여기서 S는 스텝(step)을 의미한다.
먼저, 사전 흡착 배치 실험부(100)에서는, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스가 카메라에 의해 촬영되어 이미지가 획득되고(S10), 이미지 처리프로그램이 이용되어 획득된 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도가 산출된다(S20).
다음, 채널 선정부(200)가 스텝(S20)에서 산출된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출한다(S30).
다음, 채널 선정부(200)는 스텝(S30)에서 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화한다(S35). 본 단계는 선택사항으로서 생략될 수도 있다.
다음, 채널 선정부(200)는 스텝(S30)에서 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도(또는 스텝 S35에서 정량화된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도)를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정한다(S40).
다음, 농도 대 강도 수식화부(300)가 분석프로그램을 이용하여 스텝(S40)에서 선정된 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출한다(S50).
다음, 유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)에서는, 유동 챔버 실험이 이루어지면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버가 촬영되어 이미지가 획득되고, 획득된 이미지의 빛 강도를 스텝(S50)에서 도출된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용하여 형광 추적자 농도를 추정한다(S60).
다음, 추정 타당성 평가부(500)는 스텝(S60)에서 추정된 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가한다(S70).
본 발명의 실시예에 의한 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치 및 방법에 의하면, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 촬영하여 이미지를 획득하고, 이미지 처리프로그램을 이용하여 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하고; 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하고; 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하고; 유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하고; 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하도록 구성됨으로써, 시료의 교란 없이 저투수성 매체 내 추적자의 농도를 추정할 수 있으며, 기존의 단일 채널 측정법에 비해 광범위한 추적자의 농도를 추정할 수 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 사전 흡착 배치 실험부
200: 채널 선정부
300: 농도 대 강도 수식화부
400: 유동 챔버 실험 및 농도 추정부
500: 추정 타당성 평가부
200: 채널 선정부
300: 농도 대 강도 수식화부
400: 유동 챔버 실험 및 농도 추정부
500: 추정 타당성 평가부
Claims (5)
- 저투수성 매체 내에서 형광 추적자 농도분포를 추정하는 장치로서,
복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스를 촬영하여 이미지를 획득하고, 이미지 처리프로그램을 이용하여 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 산출하도록 구성된 사전 흡착 배치 실험부(100);
상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하도록 구성된 채널 선정부(200);
분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하도록 구성된 농도 대 강도 수식화부(300);
유동 챔버 실험을 하면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버를 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하도록 구성된 유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400); 및
추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하도록 구성된 추정 타당성 평가부(500);를 포함하며,
상기 채널 선정부(200)는
상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하고, 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화하고, 정량화된 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하도록 더욱 구성된, 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치.
- 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)는
하부에 대수층을 모사하기 위해 복수의 유리 비드가 배치되고, 상기 유리 비드 상부에는 저투수층이 형성된 유동 챔버가 마련되어 있고, 카메라와 상기 유동 챔버 사이에는 광원이 위치한 상태에서,
설정된 농도의 형광 추적자를 상기 대수층의 유입부를 통해 주입하고 상기 대수층의 유출부를 통해 유출시키면서 상기 대수층에는 형광 추적자로 충만되고, 형광 추적자 용액의 농도가 높은 대수층에서 농도가 낮은 저투수층으로 농도구배 차이에 의하여 확산이 이루어지고,
확산 초기와 확산 후기에 유동 챔버를 상기 카메라에 의해 촬영하여 이미지를 획득하고, 획득된 이미지의 빛 강도를 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 이용해서 형광 추적자 농도를 추정하도록 더욱 구성된, 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치.
- 저투수성 매체 내 형광 추적자 농도분포 추정 장치를 이용한 형광 추적자 농도분포 추정 방법으로서,
사전 흡착 배치 실험부(100)에서, 복수 종류의 점토 각각과 설정된 복수농도 범위의 형광 추적자 용액이 교반되어 제조된 혼합액이 담긴 아크릴박스가 촬영되어 이미지가 획득되고, 이미지 처리프로그램이 이용되어 획득된 상기 이미지를 기초로 점토별로 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도가 산출되는 단계;
채널 선정부(200)가 상기 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도 또는 정량화된 점토별 형광 추적자 용액의 설정된 복수농도에 대한 빛 강도를 기초로 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하는 단계;
상기 채널 선정부가 도출된 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 기초로 점진적인 빛 강도 변화를 나타내는 채널을 선정하는 단계;
농도 대 강도 수식화부(300)가 분석프로그램을 이용하여 선정된 상기 채널의 농도 대 강도 수학식을 도출하는 단계;
유동 챔버 실험 및 농도 추정부(400)에서, 유동 챔버 실험이 이루어지면서 확산 초기 및 확산 후기에 유동 챔버가 촬영되어 이미지가 획득되고, 획득된 이미지의 빛 강도를 기초로 상기 채널의 농도 대 강도 수학식이 이용되어 형광 추적자 농도가 추정되는 단계; 및
추정 타당성 평가부(500)가 추정된 상기 형광 추적자 농도를 1차원 확산 해석해를 사용한 모델링 값과 비교하여 추정 결과에 대한 타당성을 평가하는 단계;를 포함하며,
상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 도출하는 단계 이후,
상기 채널 선정부(200)가 도출된 상기 점토 종류별 RGB 채널의 빛 강도를 변동계수나 표준편차로 정량화하는 단계를 더 포함하는 형광 추적자 농도분포 추정 방법. - 삭제
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