KR102600767B1 - Apparatus for measuring concentration of metal ion and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속이온의 농도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서,기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 레이저 모듈; 상기 레이저 모듈에서 조사된 레이저빔을 제1 레이저 경로와 제2 레이저 경로로 분기하여 출력하는 커플러; 상기 용액을 포함한 용기 쪽으로 상기 제1 레이저 경로에서 전달되는 레이저빔을 출력하는 프로브; 상기 프로브에서 출력되는 레이저빔이 상기 용기 내부로 입사되면 상기 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되고, 상기 프로브의 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광을 검출하는 수광소자; 및 상기 커플러에 의해 상기 제2 레이저 경로로 전달되는 상기 수광 소자에서 검출된 광량을 이용하여 농도를 측정하는 제어부를 포함하는 장치일 수 있다. 이때, 상기 금속이온은 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물이 될 수 있다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring the concentration of metal ions, comprising: a laser module that irradiates a laser beam in a preset wavelength band; A coupler that diverges the laser beam emitted from the laser module into a first laser path and a second laser path to output; a probe that outputs a laser beam transmitted from the first laser path toward a container containing the solution; When the laser beam output from the probe is incident on the inside of the container, the refractive index changes depending on the amount of metal ions in the solution, and a light receiving element detects light reflected by the refractive index at the end boundary of the probe; and a control unit that measures concentration using the amount of light detected by the light receiving element transmitted to the second laser path by the coupler. At this time, the metal ion may be potassium or a compound containing potassium.
Description
본 발명은 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물을 포함한 용액의 농도를 측정하기 위한 금속이온의 농도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a metal ion concentration measuring device and method for measuring the concentration of a solution containing potassium or a potassium-containing compound.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 일 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this part simply provides background information on an embodiment of the present invention and does not constitute prior art.
일반적으로 강화유리는 디스플레이 장치의 화면으로 많이 사용되는 것으로, 경도 및 강도가 우수한 강화유리를 제조하기 위해서는 유리의 강화 공정이 필요하다.In general, tempered glass is widely used as a screen for display devices, and a glass strengthening process is required to manufacture tempered glass with excellent hardness and strength.
통상적으로 유리의 강화는 크게 물리적 강화와 화학적 강화로 나뉘는데, 일반적으로 물리적 강화는 유리의 두께 5mm이상의 유리를 사용하여 온도를 550℃에서 700℃ 사이에서 유리를 가열하여 급냉하는 방식으로 유리의 내부 강도를 강화하는 방식으로 이는 강화 유리문, 자동차용 유리 등에 주로 사용된다.Typically, glass strengthening is largely divided into physical strengthening and chemical strengthening. In general, physical strengthening uses glass with a thickness of 5 mm or more and heats the glass to a temperature between 550℃ and 700℃ to rapidly cool it to increase the internal strength of the glass. This is mainly used for tempered glass doors, automobile glass, etc.
한편, 화학적 강화는 박판유리를 450℃의 질산칼륨/포타슘(KNO3) 용액이 담긴 강화로에서 3시간 이상 침지시킴에 따라 유리에 포함된 나트륨 이온과 포타슘 이온을 서로 치환시켜 유리를 강화하는 것으로, 주로 2.0mm 이하의 박판유리를 강화하는데 이용된다. 이렇게 강화된 유리는 물러지는 온도가 높고 단단하여 경질 강화 유리, 장식용 유리, 광학 렌즈, 형광등, 스마트 폰, 태블릿 PC, TV 등의 디스플레이 등에 이용된다. 포타슘(potassium)은 원자번호 19번의 원소로, 원소 기호는 K이다. Meanwhile, chemical strengthening strengthens glass by immersing thin glass in a tempering furnace containing potassium nitrate/potassium (KNO 3 ) solution at 450°C for more than 3 hours to replace the sodium and potassium ions contained in the glass. , Mainly used to strengthen thin glass of 2.0mm or less. This tempered glass has a high softening temperature and is hard, so it is used for displays such as hard tempered glass, decorative glass, optical lenses, fluorescent lamps, smart phones, tablet PCs, and TVs. Potassium is an element with atomic number 19 and its symbol is K.
이렇게 화학적 강화된 유리는 제조시 강화로에 KNO3 용융액의 장기 사용에 따라, 용출된 Na+ 이온 함량의 증가로 인하여 KNO3 용융액의 농도가 균일하지 않아 강화효율이 떨어지는 문제가 있다.This chemically strengthened glass has a problem in that the concentration of the KNO 3 melt is not uniform due to the increase in the content of eluted Na + ions due to the long-term use of the KNO 3 melt in the strengthening furnace during production, which reduces the strengthening efficiency.
특히, 대형으로 제조된 강화유리의 경우에는 자연 대류나 기타 교반기(stirrer)를 이용하는 방법에 의하여 KNO3 용융액의 농도를 균일화하려는 일부 시도가 있으나, 이는 장치를 복잡하게 할뿐만 아니라 설치 비용이 과다하게 소요되는 문제가 있다. In particular, in the case of large-scale tempered glass, there are some attempts to equalize the concentration of the KNO 3 melt by using natural convection or other stirrers, but this not only complicates the device but also leads to excessive installation costs. There is a problem that arises.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 레이저를 이용하여 금속이온을 포함한 용액의 농도를 측정하기 위한 금속이온의 농도 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.In order to solve the above-mentioned problems, the purpose of the present invention is to provide a metal ion concentration measuring device and method for measuring the concentration of a solution containing metal ions using a laser according to an embodiment of the present invention. .
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical challenge that this embodiment aims to achieve is not limited to the technical challenges described above, and other technical challenges may exist.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온을 포함한 용액의 농도를 측정하는 금속이온의 농도 측정 장치는, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하는 레이저 모듈; 상기 레이저 모듈에서 조사된 레이저빔을 제1 레이저 경로와 제2 레이저 경로로 분기하여 출력하는 커플러; 상기 용액을 포함한 용기 쪽으로 상기 제1 레이저 경로에서 전달되는 레이저빔을 출력하는 프로브; 상기 프로브에서 출력되는 레이저빔이 상기 용기 내부로 입사되면 상기 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되고, 상기 프로브의 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광을 검출하는 수광소자; 및 상기 커플러에 의해 상기 제2 레이저 경로로 전달되는 상기 수광 소자에서 검출된 광량을 이용하여 농도를 측정하는 제어부를 포함하는 것이다. 이때, 상기 금속이온은 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물이 될 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, a metal ion concentration measuring device for measuring the concentration of a solution containing metal ions according to an embodiment of the present invention includes a laser module that irradiates a laser beam in a preset wavelength band; A coupler that diverges the laser beam emitted from the laser module into a first laser path and a second laser path to output; a probe that outputs a laser beam transmitted from the first laser path toward a container containing the solution; When the laser beam output from the probe is incident on the inside of the container, the refractive index changes depending on the amount of metal ions in the solution, and a light receiving element detects light reflected by the refractive index at the end boundary of the probe; and a control unit that measures concentration using the amount of light detected by the light receiving element transmitted to the second laser path by the coupler. At this time, the metal ion may be potassium or a compound containing potassium.
상기 프로브는 유리관 형태로 구성되고, 상기 유리관에 폴리아미드 코팅된 검출용 광섬유를 부착하여 사용하되, 상기 검출용 광섬유의 종단을 평면 기준으로 90°로 절단하여 형성하는 것이다. The probe is configured in the form of a glass tube, and is used by attaching a polyamide-coated detection optical fiber to the glass tube, and is formed by cutting the end of the detection optical fiber at 90° with respect to the plane.
상기 레이저 모듈은, 상기 용액 내 수분에 흡수되지 않는 물 투과창 영역(Water window region)에 근접한 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 것이다. The laser module outputs a laser beam in a wavelength band close to the water window region that is not absorbed by moisture in the solution.
상기 레이저 모듈은, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원을 기 설정된 기준 온도로 냉각시키기 위해 온도 제어 기능을 수행하는 열전 소자; 및 상기 레이저 광원의 온도 변화를 감지하고, 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 제공하는 온도 센서를 포함하는 것이다. 이때, 상기 제어부는, PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어를 통해 상기 온도 센서에서 제공되는 온도 데이터와 상기 열전 소자의 기 설정된 기준 온도를 이용하여 TEC(Thermo Electric Cooler) 제어 신호를 제공하고, 상기 TEC 제어 신호에 응답하여 상기 열전 소자의 구동을 위한 구동 신호를 생성하여 상기 열전 소자로 제공하는 것이다.The laser module includes a laser light source that outputs a laser beam in a preset wavelength band; a thermoelectric element that performs a temperature control function to cool the laser light source to a preset reference temperature; and a temperature sensor that detects temperature changes of the laser light source and converts them into electrical signals to provide temperature data. At this time, the control unit provides a TEC (Thermo Electric Cooler) control signal using temperature data provided from the temperature sensor and a preset reference temperature of the thermoelectric element through PID (Proportional-Integral-Derivative) control, In response to the TEC control signal, a driving signal for driving the thermoelectric element is generated and provided to the thermoelectric element.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저빔을 이용하여 용액의 농도를 측정하는 금속이온의 농도 측정 장치에 의해 수행되는 금속이온의 농도 측정 방법은, a) 금속이온을 포함한 용액이 담겨진 용기 내에 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 단계; b) 상기 출력되는 레이저빔이 상기 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되고, 상기 프로브의 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광을 수광 소자를 통해 검출하는 단계; 및 c) 상기 수광 소자에서 검출된 광의 세기를 이용하여 용액의 농도값을 산출하는 단계를 포함하는 것이다.Meanwhile, the method of measuring the concentration of metal ions performed by a metal ion concentration measuring device that measures the concentration of a solution using a laser beam according to an embodiment of the present invention is: a) in a container containing a solution containing metal ions; Outputting a laser beam in a preset wavelength band; b) the refractive index of the output laser beam changes depending on the amount of metal ions in the solution, and detecting light reflected by the refractive index at the end boundary of the probe through a light receiving element; and c) calculating the concentration value of the solution using the intensity of light detected by the light receiving element.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 금속이온이 포함된 용액으로 출력하고, 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되는 원리를 이용하여 프로브 끝단의 경계면에서 굴절률에 의해 반사된 광량을 검출하여 정량적으로 농도를 산출할 수 있고, 정량적인 데이터를 제공하여 유리의 화학적 강화에 사용되는 KNO3 용융액의 농도를 항상 일정하게 유지하도록 할 수 있어 일정한 강화 효율이 보장될 수 있으며, 저렴하고 간단한 구성을 이용한 농도 측정 장치를 이용하여 화학적 강화에 필요한 용액의 농도를 일정하게 유지할 수 있어 설치 비용을 줄일 수 있다. According to the means for solving the problem of the present invention described above, the present invention outputs a laser beam in a preset wavelength band to a solution containing metal ions, and uses the principle that the refractive index changes depending on the amount of metal ions in the solution to control the tip of the probe. The concentration can be calculated quantitatively by detecting the amount of light reflected by the refractive index at the interface, and by providing quantitative data, the concentration of the KNO 3 melt used for chemical strengthening of glass can be maintained at a constant level, thereby ensuring constant strengthening Efficiency can be guaranteed, and the concentration of the solution required for chemical strengthening can be maintained at a constant level using a concentration measuring device with an inexpensive and simple configuration, thereby reducing installation costs.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 장치의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 모듈의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 장치의 농도 측정 원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈이 장착되는 프레임의 구성을 설명하는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈이 장착되는 프레임의 구성을 설명하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈과 광섬유의 연결 상태를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 방법을 설명하는 순서도이다. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a device for measuring the concentration of metal ions according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram explaining the configuration of a laser module according to another embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram explaining the concentration measurement principle of the metal ion concentration measurement device according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a side view explaining the configuration of a frame on which a laser module is mounted according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a perspective view explaining the configuration of a frame on which a laser module is mounted according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a diagram explaining the connection state between a laser module and an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a flowchart explaining a method for measuring the concentration of metal ions according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 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.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected," but also the case where it is "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, this does not mean excluding other components unless specifically stated to the contrary, but may further include other components, and one or more other features. It should be understood that it does not exclude in advance the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.The following examples are detailed descriptions to aid understanding of the present invention and do not limit the scope of the present invention. Accordingly, inventions of the same scope and performing the same function as the present invention will also fall within the scope of rights of the present invention.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.Additionally, each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within the scope of not being technically contradictory to each other.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 장치의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 모듈의 구성을 설명하는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 장치의 농도 측정 원리를 설명하는 도면이다.FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of a device for measuring the concentration of metal ions according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram explaining the configuration of a laser module according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram explaining the concentration measurement principle of the metal ion concentration measurement device according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 금속이온을 포함한 용액의 농도를 측정하는 금속이온의 농도 측정 장치(100)는, 레이저 모듈(110), 커플러(120), 프로브(130), 수광 소자(140) 및 제어부(150)를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 여기서, 금속이온은 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물이 될 수 있다. 1 to 3, the metal ion concentration measuring device 100, which measures the concentration of a solution containing metal ions, includes a
레이저 모듈(110)은 기 설정된 파장 대역(예를 들어, 1300nm 파장 대역)의 레이저빔을 조사한다. 이러한 레이저 모듈(110)은 일정한 파장 대역과 파워를 유지하기 위해, 레이저 광원(111), 열전 소자(112), 온도 센서(113)를 이용하여 안정화 회로를 구성할 수 있다. 이러한 레이저 모듈(110)은 과전류로 인한 쇼트 방지를 위해 기 설정된 저항값을 갖는 회로보호용 저항을 사용할 수 있고, 회로 보호용 저항은 습도 및 고온에 강하여 주로 대전력용으로 사용되는 시멘트 저항을 사용할 수 있다. The
레이저 광원(111)은 레이저 다이오드를 사용할 수 있고, 레이저를 동작시키기 위한 전극(111a, 111b)을 2개 가지고 있으며, 1550nm 파장 대역의 레이저빔을 출력한다. 굴절계수는 수분 함량에 상당히 의존적이고, 1400~1500nm 파장 대역은 물에 대한 흡수가 높다. 따라서, 레이저 광원(111)은 수분에서의 흡수도가 상대적으로 낮은 워터 프루프(Waterproof) 파장 대역의 레이저빔을 사용한다. The laser light source 111 can use a laser diode, has two electrodes 111a and 111b for operating the laser, and outputs a laser beam in the 1550nm wavelength band. The refractive index is highly dependent on water content, and the 1400-1500 nm wavelength band has high water absorption. Therefore, the laser light source 111 uses a laser beam in a waterproof wavelength band that has relatively low absorption in moisture.
열전 소자(112)는 온도 센서(113)는 기 설정된 크기의 프레임(115) 내에 레이저 다이오드가 냉각될 수 있도록 온도 제어 기능을 수행한다. 레이저 다이오드의 온도 제어 소자로 사용하는 TEC는 펠티어 효과를 이용한 것으로 흐르는 전류에 따라 가열과 냉각을 한 면에서 가능하게 한 소자로 응답 속도가 빠르고 소형화가 가능하다. The thermoelectric element 112 and the temperature sensor 113 perform a temperature control function so that the laser diode can be cooled within the frame 115 of a preset size. TEC, which is used as a temperature control element for laser diodes, utilizes the Peltier effect and is an element that enables heating and cooling on one side according to the flowing current. It has a fast response speed and can be miniaturized.
온도 센서(113)는 온도에 따라 내부 저항이 변화하는 서미스터를 사용한다. 서미스터는 통상적으로 레이저 광원(111)에 내장되며, 레이저 다이오드의 온도를 측정할 수 있도록 구성된다. 이러한 온도 센서(113)는 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고, 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 생성하여 제어부(150)에 제공한다. The temperature sensor 113 uses a thermistor whose internal resistance changes depending on temperature. The thermistor is typically built into the laser light source 111 and is configured to measure the temperature of the laser diode. This temperature sensor 113 detects the temperature change of the laser diode, converts it into an electrical signal, generates temperature data, and provides it to the control unit 150.
따라서, 제어부(150)는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 및 TEC 제어를 통해 레이저 다이오드의 광 출력이 일정하게 유지되도록 자동 온도 제어를 수행한다. 이때, 제어부(150)는 PID 제어 회로와 TEC 제어 회로를 포함하고, PID 제어회로는 온도 센서(113)에서 출력된 온도 데이터와 고정저항(R)에서 전압 강하된 기준 전압과의 전압분배 값을 인가받고, TEC의 기 설정된 기준 온도를 이용하여 오차를 계산하여 TEC 제어 신호를 출력하고, TEC 제어 회로는 PID 제어회로로부터 TEC 제어 신호를 인가받아 신호에 응답하여 TEC 구동을 위한 구동 신호를 출력한다.Accordingly, the control unit 150 performs automatic temperature control to maintain the optical output of the laser diode constant through PID (Proportional-Integral-Derivative) control and TEC control. At this time, the control unit 150 includes a PID control circuit and a TEC control circuit, and the PID control circuit determines the voltage distribution value between the temperature data output from the temperature sensor 113 and the reference voltage dropped at the fixed resistor (R). After receiving the approval, the error is calculated using the preset reference temperature of the TEC and a TEC control signal is output. The TEC control circuit receives the TEC control signal from the PID control circuit and outputs a driving signal for TEC operation in response to the signal. .
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 모듈(110)은 레이저 광원(111), 열전 소자(112), 온도 센서(113) 및 모니터링용 수광 소자(114)를 포함한다.Meanwhile, as shown in FIG. 2, the
모니터링용 수광 소자(114)는 레이저 출력의 변화에 따라 저항이 변하기 때문에, 제어부(150)는 모니터링용 수광 소자(114)에 흐르는 전류 변화로 레이저 출력량을 모니터링할 수 있고, 기 설정된 레이저 출력이 나올 수 있도록 공급 전류를 조절하도록 한다. 따라서, 제어부(150)는 모니터링용 수광 소자(114)를 이용한 피드백 제어를 통해 매우 안정적인 레이저 출력이 가능해진다.Since the resistance of the monitoring light receiving element 114 changes according to changes in laser output, the control unit 150 can monitor the laser output amount by changing the current flowing through the monitoring light receiving element 114, and a preset laser output is output. Adjust the supply current so that Accordingly, the control unit 150 enables very stable laser output through feedback control using the light receiving element 114 for monitoring.
이와 같이, 레이저 모듈(110)은 레이저 광원(111)의 레이저 출력이 일정한 파워 및 파장 대역을 유지할 수 있도록 열전소자(112)와 온도 센서(113)를 이용한 방식, 레이저 광원(111)의 내부 또는 외부에 배치된 모니터링용 수광소자(112)를 이용하는 방식 또는 열전소자(112)와 온도 센서(113), 모니터링용 수광 소자(114)를 모두 이용하는 방식 중 어느 하나의 방식을 이용할 수 있다. In this way, the
커플러(120)는 레이저 모듈(110)에서 조사된 레이저빔을 제1 레이저 경로와 제2 레이저 경로로 분기하여 출력한다. 이러한 커플러(120)는 2:1(Y형) 커플러를 사용할 수 있으나, 2:1(Y형) 커플러 형태로 만들기 위해서 종단(Termination)된 광섬유에서 반사광이 존재하여 반사 감쇠(return loss)가 있다. 이러한 반사광은 농도 측정할 때, 오차를 유발할 수 있다. 따라서, 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 2:2형 커플러를 사용하고, 일측 종단에는 프로브(130)가 연결되고, 일측 종단은 종단되지 않은 광섬유를 수회 권취하여 감아놓은 반사광 제거부(125)를 형성하여 반사감쇠(return loss)를 제거하고 있다. 반사광 제거부(125)의 권취 직경은 광섬유가 스트레스로 부러지지 않는 경우를 고려하여 3~7mm이내로 5회 이상 권취하는 것이 바람직하다. The
프로브(130)는 용액을 포함한 용기(10) 내부 또는 외부에서 커플러(120)를 통해 제1 레이저 경로에서 전달되는 레이저빔을 용기(10) 방향으로 출력한다. 이러한 프로브(130)는 용기(10)의 내부에 삽입되어 고온의 용액에 강한 특성을 갖는 재질로 몸체를 형성하고, 몸체의 끝단에 검출용 광섬유(131)가 부착되어 있고, 검출용 광섬유(131)는 페룰에 의해서 고정될 수 있다. 이때, 프로브(130)는 400~450℃의 용액에 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물이 혼합된 상태이므로, 고온에서 측정 가능하도록 내부에 유리관을 형성하고, 프로브(130) 내부의 유리관에 폴리아미드 코팅한 검출용 광섬유(131)를 부착한다. 검출용 광섬유(131)는 클리버(Cleaver)를 이용하여 평면을 기준으로 90°로 절단하여 계면에서의 굴절률에 의한 반사가 극대화될 수 있도록 한다. The
수광 소자(140)는 프로브(130)의 끝단에 부착된 검출용 광섬유(131)에서 방출되는 레이저빔이 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되므로, 검출용 광섬유(131)의 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광량을 검출한다. Since the laser beam emitted from the detection
제어부(150)는 커플러(120)에 의해 제2 레이저 경로로 전달되는 수광 소자에서 검출된 광 세기를 이용하여 농도 값을 산출한다. 빛의 굴절은 매질이 다르면 그 속에서 빛의 속도가 다르기 때문에 발생하고, 빛이 다른 매질로 진행할때 그 경계면에서 굴절하여도 빛의 진동수는 변하지 않는다. 금속이온의 농도가 커질수록 물의 입자 사이사이에 금속 이온이 들어가게 되고, 빛의 진행이 어려워져 속도가 많이 느려지게 되어 굴절률이 증가하게 된다. The control unit 150 calculates a concentration value using the light intensity detected by the light receiving element transmitted through the second laser path by the
제어부(150)는 금속이온의 농도가 높아짐에 따라 굴절각이 작고 굴절률이 증가하게 되는 원리, 즉 용액의 농도, 굴절률이 바뀌게 되면 굴절각이 바뀌고 소실 광량이 비례적으로 변화되어 나타나게 되는 것을 이용하게 된다. 이에 따라 광량은 수광 소자(140)에서 감지되고, 제어부(150)는 기준 시료에 대한 광량 비율을 기준으로 하여 수광 소자(140)에서 감지된 광량(광의 세기)을 이용하여 농도값을 측정할 수 있다. The control unit 150 uses the principle that the refractive angle becomes smaller and the refractive index increases as the concentration of metal ions increases, that is, when the concentration and refractive index of the solution change, the refractive angle changes and the amount of lost light changes proportionally. Accordingly, the amount of light is detected by the
수광 소자(140)에서 검출된 광 세기를 이용하여 무엇보다도, 제2 레이저 경로에는 반사광 제거부(125)가 형성되어 있어 금속이온에 반사된 광 이외의 나머지 광들이 입사되지 않도록 한다. Using the light intensity detected by the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈이 장착되는 프레임의 구성을 설명하는 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈이 장착되는 프레임의 구성을 설명하는 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 모듈과 광섬유의 연결 상태를 설명하는 도면이다.Figure 4 is a side view explaining the configuration of a frame on which a laser module is mounted according to an embodiment of the present invention, and Figure 5 is a perspective view explaining the configuration of a frame on which a laser module is mounted according to an embodiment of the present invention. Figure 6 is a diagram explaining the connection state between a laser module and an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 4 및 도 5를 참조하면, 레이저 모듈(110)이 장착되는 프레임(115)은 열전 소자(112)의 하부에 방열판(116)이 설치되고, 열전 소자(112)의 상부에 레이저 광원(111)이 고정되어 설치되는 고정부(117)가 위치되며, 레이저 광원(111)의 레이저빔이 출력되는 경로 상에 광섬유와 연결하기 위한 연결부(118)가 위치한다. 이때, 프레임(115)은 고정부(117)의 일측 공간에 온도센서(113)가 배치될 수 있는 공간이 마련되어 있다. 고정부(117)와 연결부(118)는 동일 축 상에 위치하고, 레이저 다이오드와 피그테일된 광섬유와의 안착을 위해 오목한 라운드('∪') 형태로 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 4 and 5, the frame 115 on which the
도 6에 도시된 바와 같이, 광섬유와 레이저 광원(111)이 서로 피그테일로 연결되어 있고, 이러한 레이저 모듈(110)은 열전 소자(112)가 장착된 레이저 모듈(110)은 삽입 손실이 매우 낮고, 프로브(130)나 다른 광섬유와의 연결이 용이할 뿐만 아니라 광섬유와 레이저 다이오드 간에 발생하는 정렬 문제를 해결할 수 있다. As shown in FIG. 6, the optical fiber and the laser light source 111 are connected to each other with a pigtail, and the
레이저 모듈(110)은 협소한 공간 내에서 고발열 레이저 다이오드를 냉각시키기 위해 열전 소자(112)로서 TEC(Thermo Electric Cooler)를 적용하고, TEC 효율을 고려하여 외부로 열을 효과적으로 배출할 수 있는 방열판(116)도 같이 적용하고 있다. The
이와 같이, 레이저 모듈(110)은 광섬유와 레이저 광원(111)이 피그테일드되어 연결된 상태에서 프레임(115)에 장착되므로 광섬유와의 연결이 용이하며, 기존에 고가의 버터플라이 타입의 레이저 다이오드를 사용하지 않고, 열전소자(112)와 온도 센서(113)를 활용하여 온도 제어를 수행하고 있어, 버터플라이 타입의 레이저 다이오드에 비해 저가로 구성되면서 안정적인 레이저 출력 기능을 수행할 수 있다. In this way, the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이온의 농도 측정 방법을 설명하는 순서도이다. Figure 7 is a flowchart explaining a method for measuring the concentration of metal ions according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 금속이온 농도 측정 장치(100)는 포타슘 또는 포타슘 혼합물(금속이온)과 물이 혼합된 용액이 담겨진 용기에 프로브(130)를 넣고, 레이저 모듈(110)을 통해 기 설정된 파장 대역의 레이저 빔을 프로브(130)의 끝단에 설치된 검출용 광섬유(131)을 통해 용액 내에 출력한다(S1). Referring to FIG. 7, the metal ion concentration measuring device 100 places the
수광 소자(140)는 용액 내 금속이온의 굴절률에 따라 반사되는 광량을 커플러(120)를 통해 제2 레이저 경로에서 전달받아 검출한다(S2). 이때, 프로브(130)는 검출용 광섬유(131)의 경계면에서 금속이온에 의한 반사가 극대화될 수 있도록 검출용 광섬유(131)의 종단면을 90°로 절단하여 사용한다. The
한편, 커플러(120)는 제1 레이저 경로를 통해 레이저 모듈(110)에서 출력된 레이저빔을 프로브(130)로 전달하고, 프로브(130)에서 금속이온의 굴절률에 따라 반사된 광량을 제2 레이저 경로를 통해 수광 소자(140)로 입력되도록 한다. 제2 레이저 경로에는 반사광 제거부(125)가 형성되어 있어 금속이온에 의해 반사된 광 이외의 나머지 광이 입사되는 것을 방지하고 있다. Meanwhile, the
제어부(150)는 수광 소자(140)에서 검출된 광량과 기준 시료의 광량의 차이(또는 비율)를 이용하여 현재 용기 내의 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물의 농도 값을 산출한다(S3). The control unit 150 uses the difference (or ratio) between the amount of light detected by the
한편, 도 7의 단계 S1 내지 S3은 본 발명의 구현예에 따라서 추가적인 단계들로 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계간의 순서가 변경될 수도 있다.Meanwhile, steps S1 to S3 of FIG. 7 may be divided into additional steps or combined into fewer steps depending on the implementation of the present invention. Additionally, some steps may be omitted or the order between steps may be changed as needed.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.The embodiments of the present invention described above can also be implemented in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as program modules executed by a computer. Such recording media includes computer-readable media, which can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and non-volatile media, removable and non-removable media. Computer-readable media also includes computer storage media, both volatile and non-volatile implemented in any method or technology for storage of information such as computer-readable instructions, data structures, program modules, or other data. , includes both removable and non-removable media.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
100 : 금속이온의 농도 측정 장치
110 : 레이저 모듈
111 : 레이저 광원
112 : 열전 소자
113 : 온도 센서
114 : 모니터링용 수광 소자
115 : 프레임
120 : 커플러
125 : 반사광 제거부
130 : 프로브
131 : 검출용 광섬유
140 : 수광 소자
150 : 제어부100: Metal ion concentration measurement device
110: Laser module
111: laser light source
112: thermoelectric element
113: temperature sensor
114: Light receiving element for monitoring
115: frame
120: coupler
125: Reflected light removal unit
130: probe
131: Optical fiber for detection
140: light receiving element
150: control unit
Claims (7)
기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 조사하며, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 레이저 광원, 상기 레이저 광원을 기 설정된 기준 온도로 냉각시키기 위해 온도 제어 기능을 수행하는 열전 소자, 상기 레이저 광원의 온도 변화를 감지하고, 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 제공하는 온도 센서를 포함하여 구성되는 레이저 모듈;
상기 레이저 모듈에서 조사된 레이저빔을 제1 레이저 경로와 제2 레이저 경로로 분기하여 출력하며, 광섬유에서의 반사 감쇠를 제거하기 위한 반사광 제거부가 연결되어 있는 2:2형의 커플러;
상기 용액을 포함한 용기 쪽으로 상기 제1 레이저 경로에서 전달되는 레이저빔을 출력하는 프로브로서, 상기 프로브의 몸체 내부에 유리관이 형성되고, 상기 유리관에 폴리아미드 코팅된 검출용 광섬유가 부착되어 상기 몸체의 끝단으로 검출용 광섬유가 고정되는 프로브;
상기 프로브에서 출력되는 레이저빔이 상기 용기 내부로 입사되면 상기 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되고, 상기 프로브의 검출용 광섬유 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광을 검출하는 수광소자; 및
상기 커플러에 의해 상기 제2 레이저 경로로 전달되는 상기 수광 소자에서 검출된 광량을 이용하여 농도를 측정하는 제어부를 포함하고,
상기 커플러의 반사광 제거부는 종단되지 않은 광섬유를 수회 권취하여 감아놓은 형태로 이루어지며,
상기 프로브는 상기 검출용 광섬유의 종단을 평면 기준으로 90°로 절단하여 형성함으로써 계면에서의 굴절률에 의한 반사를 극대화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 금속이온의 농도 측정 장치. In a metal ion concentration measuring device for measuring the concentration of a solution containing metal ions,
A laser light source that irradiates a laser beam in a preset wavelength band and outputs a laser beam in a preset wavelength band, a thermoelectric element that performs a temperature control function to cool the laser light source to a preset reference temperature, and the temperature of the laser light source. A laser module that includes a temperature sensor that detects changes and converts them into electrical signals to provide temperature data;
A 2:2 type coupler that branches and outputs the laser beam irradiated from the laser module into a first laser path and a second laser path, and is connected to a reflected light removal unit to remove reflection attenuation in the optical fiber;
A probe that outputs a laser beam transmitted from the first laser path toward a container containing the solution, in which a glass tube is formed inside the body of the probe, and a polyamide-coated detection optical fiber is attached to the glass tube and is positioned at the end of the body. A probe to which an optical fiber for detection is fixed;
When the laser beam output from the probe enters the inside of the container, the refractive index changes depending on the amount of metal ions in the solution, and a light receiving element detects light reflected by the refractive index at the end boundary of the detection optical fiber of the probe; and
A control unit that measures concentration using the amount of light detected by the light receiving element transmitted to the second laser path by the coupler,
The reflected light removal part of the coupler is formed by winding an unterminated optical fiber several times,
The probe is configured to maximize reflection due to the refractive index at the interface by cutting the end of the detection optical fiber at 90° with respect to the plane.
상기 금속이온은 포타슘 또는 포타슘을 포함한 화합물인 것인, 금속이온의 농도 측정 장치. According to paragraph 1,
A device for measuring the concentration of metal ions, wherein the metal ions are potassium or a compound containing potassium.
상기 레이저 모듈은,
상기 용액 내 수분에서의 흡수도가 낮은 워터 프루프(Waterproof) 파장 대역의 레이저빔을 출력하는 것인, 금속이온의 농도 측정 장치.According to paragraph 1,
The laser module is,
A device for measuring the concentration of metal ions, which outputs a laser beam in a waterproof wavelength band with low absorption from moisture in the solution.
상기 제어부는,
PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어를 통해 상기 온도 센서에서 제공되는 온도 데이터와 상기 열전 소자의 기 설정된 기준 온도를 이용하여 TEC(Thermo Electric Cooler) 제어 신호를 제공하고, 상기 TEC 제어 신호에 응답하여 상기 열전 소자의 구동을 위한 구동 신호를 생성하여 상기 열전 소자로 제공하는 것인, 금속이온의 농도 측정 장치.According to paragraph 1,
The control unit,
Through PID (Proportional-Integral-Derivative) control, a TEC (Thermo Electric Cooler) control signal is provided using temperature data provided from the temperature sensor and a preset reference temperature of the thermoelectric element, and in response to the TEC control signal, An apparatus for measuring the concentration of metal ions, wherein a driving signal for driving the thermoelectric element is generated and provided to the thermoelectric element.
a) 금속이온을 포함한 용액이 담겨진 용기 내에 프로브를 넣고, 기 설정된 파장 대역의 레이저빔을 상기 프로브를 통해 용액 내에 출력하는 단계;
b) 상기 출력되는 레이저빔이 상기 용액 내 금속이온의 양에 따라 굴절률이 변화되고, 상기 프로브의 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광을 수광 소자를 통해 검출하는 단계; 및
c) 상기 수광 소자에서 검출된 광의 세기를 이용하여 용액의 농도값을 산출하는 단계를 포함하되,
상기 a) 단계에서 레이저빔은 레이저 모듈로부터 커플러를 통해 용기 내부로 출력되고, b) 단계에서는 프로브 끝단 경계면에서 굴절률에 의해 반사되는 광이 커플러에 의해 수광소자로 전달되되, 상기 커플러를 통하여 광이 전달되는 과정에서 커플러에 연결된 반사광 제거부에 의해 광섬유의 반사 감쇠가 제거되어 농도 측정 시의 오차 발생을 최소화시키며,
상기 레이저 모듈의 광 출력 및 파장 대역이 일정하게 유지되도록 제어부가 상기 레이저 모듈의 온도 및 전류 중 하나 이상의 변화를 모니터링하고 제어하는 것을 특징으로 하는 금속이온의 농도 측정 방법.In the method of measuring the concentration of metal ions performed by a metal ion concentration measuring device that measures the concentration of a solution using a laser beam emitted from a laser module,
a) placing a probe in a container containing a solution containing metal ions and outputting a laser beam in a preset wavelength band into the solution through the probe;
b) the refractive index of the output laser beam changes depending on the amount of metal ions in the solution, and detecting light reflected by the refractive index at the end boundary of the probe through a light receiving element; and
c) calculating the concentration value of the solution using the intensity of light detected by the light receiving element,
In step a), the laser beam is output from the laser module to the inside of the container through a coupler, and in step b), the light reflected by the refractive index at the probe tip boundary is transmitted to the light receiving element by the coupler, and the light is transmitted through the coupler. During the transmission process, the reflection attenuation of the optical fiber is removed by the reflected light removal unit connected to the coupler, minimizing errors in concentration measurement.
A method of measuring the concentration of metal ions, wherein the control unit monitors and controls changes in one or more of the temperature and current of the laser module so that the optical output and wavelength band of the laser module are kept constant.
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Patent Citations (3)
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