KR102642088B1 - Uv-a 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치 - Google Patents
Uv-a 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 정수장이나 하수처리장에 투입되는 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 차아염소산나트륨의 농도분석장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차아염소산나트륨 용액 특유의 UV-A 파장 대역 내 흡광 특성을 통해, 넓은 농도 범위에 걸쳐 차아염소산나트륨 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 농도측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한 본 발명은, 광학식, 비전류측정, 무시약 방식을 채택하고, 실시간으로 현장 측정 농도를 외부로 전달할 수 있도록 하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 정수장이나 하수처리장에 투입되는 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있는 차아염소산나트륨의 농도분석장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차아염소산나트륨 용액 특유의 UV-A 파장 대역 내 흡광 특성을 통해, 넓은 농도 범위에 걸쳐 차아염소산나트륨 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 농도측정장치에 관한 것이다.
차아염소산나트륨(NaOCl, 차염)은 정수장, 하수처리장의 살균장치, 보일러, 담수화 공정 처리수, 발전소의 냉각수 처리, 음용수 처리, 식물 및 채소, 육류 가공, 가정용 표백제로 사용되는 강한 염소취를 갖는 무색투명 액체 형태의 염소계 소독제이다.
차아염소산나트륨은, 차아염소산나트륨 발생기에서 소금과 물이 혼합되어 희석된 희석수가 전기분해장치를 통과하는 과정 중에 셀 양측에 부과된 직류 전압에 의해 차아염소산나트륨 용액과 수소가스로 전기분해되면서 다음과 같이 반응하며 생성된다.
NaCl + H2O + 2e- → NaOCl + H2
염소는 효과적인 소독제임에도 불구하고 치명적인 독성 염소가스의 운반, 저장, 사용이 공공 보건과 안전에 문제가 되고, 특히 복잡한 도로에서의 운반, 환경보호지역과 인구밀집 거주지역에서의 사용은 큰 위험도를 안게 된다. 따라서 현장에서 직접 염소를 제조하여 사용하는 방식이 널리 사용되고 있다. 일반적으로 현장제조형 염소발생기는 염소소독이 필요한 현장에 전기분해장치를 설치하고 물에 녹인 소금을 전기 분해하여 안전한 차아염소산나트륨을 생산하는 장치로 차아염소산나트륨발생기 혹은 차아염소산나트륨생성기라 한다.
도 1은 일반적인 차아염소산나트륨의 생성장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 연수기(1)를 거친 물은 배관을 통해 용수저장조(2) 및 소금저장조(3)로 공급되고, 소금저장조(3)는 전해에 사용하는 소금을 용해시키고 포화염수를 만들고, 용수저장조(2)는 포화염수를 희석하기 위한 물을 저장한다. 전기분해장치(4)는 포화염수와 희석염수를 배관으로 공급받아 이를 전해시켜 차아염소산나트륨을 생성하고, 전기분해장치(4)에서 전기분해 및 생성된 차아염소산나트륨은 저장조(5)로 공급되어 저장되었다가, 필요에 따라 정수장, 하수처리장 등의 투입지(6)로 공급된다.
그런데 차아염소산나트륨은 화학적으로 불안정한 물질이어서, 시간에 따라 농도가 떨어지며 특히, 온도에 영향을 많이 받아, 온도가 높아질 경우 현저하게 농도가 떨어지게 된다. 이렇게 차아염소산나트륨의 농도가 떨어지면, 상대적으로 클로레이트와 같은 발암성 부산물의 농도가 증가하게 되는 문제가 있다. 클로레이트 (chlorate, ClO3 -) 이온은 유해 화학물질로 피부 접촉시 피부 발진, 눈 통증 등이 일어날 수 있으며, 섭취시에는 복통, 구토, 설사를 유발하며, 과량 섭취시에는 저산소증을 동반하는 청색증과 호흡곤란을 유발하는데, 클로레이트의 환경부 수질 감시 기준은 0.7 mg/L (≒ 8.4×10-6M)이다. 또한, 농도가 불규칙적인 차아염소산나트륨을 필요에 따라 목적물에 투입할 경우, 차아염소산나트륨에 의해 소독된 정수에 잔존하는 잔류염소농도가 시간대별로 불균일하게 되는 문제가 있다.
이를 방지하기 위해 차아염소산나트륨의 농도를 균일하게 유지하여야 하는데, 투입 후 투입지의 잔류염소 농도가 목표치로 유지되도록 하는 방법과, 투입지로의 투입 전에 저장되어 있는 차아염소산나트륨 저장탱크 측의 차아염소산나트륨 농도를 일정하게 유지되도록 하는 방법이 있다.
먼저, 첫 번째 방법을 위해, 투입지(6) 측에 도 1과 같이, 농도측정장치(7)를 구비하여 잔류염소 농도를 측정하는 방식은, 정수장, 하수처리장과 같은 투입지(6)에 차아염소산나트륨이 주입된 상태에서, 잔류염소측정장치(7)를 통해 투입지(6)에서의 잔류염소의 농도를 측정하게 된다. 잔류염소 농도 측정 방법은, 특정 발색시약을 주입하여 잔류염소와 반응시켜 색을 유발시킨 후 색의 짙은 정도를 측정하는 분광광도법에 의한 측정방법과, 잔류염소가 전기적 또는 화학적으로 전극과 반응하고 반응한 전류의 세기를 측정하는 전극법이 대표적이다.
먼저, 분광광도법에 의하여 잔류염소를 측정하는 방식은 오랜 시간 검증된 방법으로 시료의 pH, 온도, 수압 변동에 영향이 적어 열악한 환경조건에 적합하다. 분광광도법에 발색물질로 사용되는 시약인 DPD는 잔류염소 뿐만 아니라 이산화염소(ClO2), 브로민(Br2), 오존(O3), 과산화수소(H2O2) 등 다른 산화제와 반응하여 붉은색의 화합물을 형성하므로 DPD를 활용한 분광광도법은 잔류염소가 산화제의 대부분을 차지하는 정수처리공정의 잔류염소 측정에 좋은 방법이다. 그러나 발색 시약을 사용하여 잔류염소량을 측정하는 분광광도법은 시약에 의한 2차 오염문제가 발생할 수 있으며, 실시간으로 상기 잔류염소량을 모니터링할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 즉, DPD를 활용한 측정법은 시약식이므로, 실시간 자동으로 농도 측정이 불가능하고, 염소농도를 기준으로 10mg/L이상에서 색에 대한 분별력을 상실하여 측정범위에 들어오도록 시료를 일정비율로 희석해서 측정해야하므로 고농도의 잔류염소를 실시간 측정하는 것이 불가능하다. 또한 이 때 필요한 시약 DPD는 산소, 온도, 빛에 의해 발색 능력을 쉽게 잃게 되어 수용액 상태로 오래 보존할 수 없는 치명적인 단점을 가지고 있어 사용자로 하여금 시약을 자주 교체해야하는 불편함을 초래한다. 시약식 분광광도법에 의한 온라인 잔류염소 측정장치는 시료의 유출입 및 유로의 세척, 시료와 시약의 정량반응 유도를 위하여 비교적 복잡한 장비 구성을 필요로 하여 유지관리에 많은 어려움이 존재한다.
다음으로, 수용액상에서 분석물질이 물리적 또는 화학적으로 전극과 반응하고 상기 반응에 상응하는, 예를 들어, 전압 또는 전류의 반응신호를 나타내는 전극법 잔류염소 센서가 사용되고 있다. 상기 전극법은 발색 시약을 사용하지 않으며, 분석 대상 물질에 대한 감응 시간이 빨라, 실시간 분석이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 그런데 전극법에 의한 잔류염소 측정 방식은 차아염소산(HOCl)과 반응하며, 차아염소산은 pH 조건에 따라 차아염소산 이온(OCl-)과 같이 존재하는데, 이러한 전극법은 시료의 pH를 측정하는 pH 측정센서가 별도로 필요하며 전극은 온도변화에 취약하고 온도 보정에 한계가 있다는 문제점이 있고, 장비의 가격이 분광광도법에 비해 상대적으로 비싸다는 단점이 있다. 또한, 전극법은 현장 시료의 측정에 있어 온도와 검출시료의 유속에 영향을 받고, 센서 감지부의 오염과 파손 등으로 전극수명이 단축되어 자주 교체하여야 하는 불편함이 있었다.
이러한 문제를 회피하기 위해, 투입된 후의 잔류염소가 아닌, 투입 전의 차아염소산나트륨 농도를 측정해 볼 수 있는데, 투입 전의 차아염소산나트륨은 예컨대 12% 정도의 고농도이다. 기존의 시약이 필요한 분광광도법이나 전기전도도법은, 10ppm 미만의 저농도 범위에 대해서만 측정이 가능하므로, 투입 전 120000ppm 수준의 고농도 차아염소산나트륨 용액을 측정하기 위해서는 상당량 희석시키는 과정을 거쳐야만 하여, 그 과정이 번거롭고 실시간 측정이 불가능하다는 문제점이 있다. 따라서 시약식인 분광광도법으로는 투입, 희석 전의 고농도 용액에 대한 측정 자체를 시도해 볼 수 없었다. 또한 전극법은, 물리적 흡착을 기반으로 하므로 내화학성, 내구성이 부족한데, 고농도, 고부식성 차아염소산나트륨 용액과 접촉하면 장비가 파손될 수밖에 없으며, 오차 범위가 10%에 이르는 등 전문적인 교정이 수시로 요구되고, 아울러 전극 등의 수명 주기가 짧아 교체가 잦고, 염분 함량에 따른 전도도 오차도 크다는 단점이 있다.
종래의 전도도나, 비중과 밀도 기반의 실시간 차아염소산나트륨 농도 측정은 공정, 온도별 유입 차아염소산나트륨 중의 염분 함량에 절대적으로 의존하며, 더구나, 차염 분해시 다량의 염분(NaCl, 전해질에서는 전기전도성을 갖는 Na+ 이온으로 존재)이 추가로 형성되며, 온도 영향에 의해 이러한 염분 함량의 급격한 증가시 전도도나, 비중 밀도 변화의 영향이 매우 커서, 결과적으로 사계절 기준의 유효염소 농도 측정 정확도가 매우 낮은 방법이다. 이는 넓은 온도 범위나 농도 범위에서, 염분 자체의 차아염소산나트륨 중 용해도 차이가 크고, 주위 온도 영향 또는 배달되는 차아염소산나트륨의 공정별 차이로 인한 염분 함량이 달라져, 염분 함량을 보정하는 이중화된 차등 계측에 의존해야 하므로, 이러한 전도도나, 비중과 밀도 기반의 잔류염소측정장치의 사용은 사계절의 기후 특성상 그 정확도에 문제가 발생된다.
결국, 어느 정도 높은 농도의 차아염소산나트륨 농도는, 요오드 적정법을 통해 측정할 수밖에 없는데, 요오드 적정법은 삼각플라스크에 정제수 50ml에 포타슘 1g을 넣은 후 혼합하는 단계와, 아세트산 10ml를 플라스크에 넣고 혼합하는 단계와, 차아염소산 나트륨 용액 5ml을 플라스크에 넣는 단계와, 티오황산염을 플라스크에 넣으며 혼합하여 색상 변화를 관찰한 후 투입량을 기록하는 단계와, 티오황산염 실제 투입량 x 709.2를 계산하여 농도를 측정하는 단계로 이루어진다. 즉, 차아염소산나트륨 용액을 채수하여 실험실에서 측정하는 수동식 방법이므로, 이때 측정된 농도는 측정자의 전문성이나 주관적 입장에 따라 달라질 수 있고, 또한 농도 측정 시간이 많이 소요되는 문제점이 있어, 실시간으로 자동적인 농도 측정 방법이 되지 못한다는 단점이 있다.
실시간으로 자동 농도측정이 되지 않으면, 정수지로부터 불순물, 유해물이 함유된 정수가 공급되더라도, 적게는 며칠에서 많게는 몇 달씩 이를 확인하지 못하고 방치되는 실정이다. 따라서 다양한 농도, 예컨대 1000ppm 이하에서 150000ppm 농도 범위의 다양한 차아염소산나트륨에 대한 현장, 실시간, 자동 농도측정을 할 수 있도록 하고, 이를 통해 관리자에게 원격으로 피드백을 하여 감시 및 대비가 가능하도록 하는 ICT 융합 구성 및 시스템에 대한 기술적 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 농도측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, UV-A 파장대역에서의 흡광도 분석을 통해 다양한 농도의 차아염소산나트륨의 농도를 측정할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 광학식, 비전류측정, 무시약 방식을 채택하고, 실시간으로 현장 측정 농도를 외부로 전달할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 차아염소산나트륨이 포함된 용액의 농도를 실시간으로 직접 측정하기 위한 측정장치에 있어서, 차아염소산나트륨 용액을 수용하는 광학측정챔버(100);를 구비하고, 광감지부(200)는 상기 광학측정챔버 내에 유입 및 수용된 차아염소산나트륨 용액을 광감지하고, 제어부(16)는 상기 광감지부(200)로부터 입력된 입사광 강도 및 투사광 강도에 따른 투과도를 분석하여 광학측정챔버 내의 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 분석하는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치를 제공한다.
상기 광감지부(200)는 발광부(210) 및 수광부(220)를 구비하고, 상기 발광부(210)는 UV 램프를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 UV 램프는 UV-A 자외선 램프인 것을 특징으로 한다.
상기 UV-A 자외선 램프는 UV-A1 자외선 램프인 것을 특징으로 한다.
상기 UV 램프의 UV 광은, 340∼400 nm 파장 영역 내에 속하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(16)는: 상기 광감지부(200)로부터 입사광 강도 및 투사광 강도를 입력받는 투과도 측정부(161); 상기 투과도 측정부(161)에 입력된 입사광 강도 및 투사광 강도를 통해 흡광도를 산정하는 흡광도 연산부(162); 및 상기 흡광도 연산부(162)에서 산정된 흡광도를 통해 농도를 도출하는 농도산정부(163);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(16)는: 표준시료의 농도를 입력받아 저장하는 검량기준 입력부(164); 및 상기 표준시료의 광감지에 따른 검량 정보를 저장하는 검량기준 저장부(165);를 포함하고, 검량기준 설정 공정시에 서로 다른 농도의 복수의 표준시료에 대한 검량 정보를 저장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부(16)는: 복수 농도의 검량 시료에 의해 도출된 검량선 데이터를 저장하고 있는 검량선부(166)를 구비하고, 상기 농도산정부(163)는: 상기 흡광도 연산부(162)로부터 입력된 흡광도를, 상기 검량선부(166)의 데이터와 비교하여, 실시간 농도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은, 광학식, 비전류측정, 무시약 방식을 채택하고, 실시간으로 현장 측정 농도를 외부로 전달할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 UV 파장의 차아염소산나트륨 용액 광투과에 따른 흡광도를 이용하므로, 측정 및 응답시간이 짧고, 측정값의 연속적인 출력이 가능하며, 특별한 전처리 과정이 필요없고, 감도가 우수하게 되는 농도 측정을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 차아염소산나트륨의 생성장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 블럭으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버의 감시커버를 개방한 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 단면으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제어부 기능 및 구성을 블럭으로 나타내는 도면이다.
도 9는 초순수에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 미지 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 특정 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 블럭으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버의 감시커버를 개방한 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 단면으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제어부 기능 및 구성을 블럭으로 나타내는 도면이다.
도 9는 초순수에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
도 10은 미지 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 특정 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함한다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치를 블럭으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치(10)는 외함(12) 내에 펌프(20), 필터(30) 및 광학측정챔버(100)가 위치되고, 이는 커버(14)의 개방을 통해 외부 노출될 수 있다.
농도 측정을 위한 차아염소산나트륨 샘플수는 샘플유입관(22)으로 유입되어, 펌프(20)를 거쳐 펌프토출관(24)을 통해 필터부(30) 내에서 필터링된다. 이는 챔버유입관(32)을 통해 광학측정챔버(100)로 유입된 후, 광감지 과정을 거친 후 샘플토출관(34)을 통해 외부로 배출된다. 광학측정챔버(100)에서 측정된 광감지 데이터는 제어부(16)로 전달되고, 측정 및 산정된 농도 등의 데이터는 표시부(18)를 통해 관리자에게 통보되거나, 또는 유무선 망(17)을 통해 외부의 관제센터 서버 등으로 전송될 수 있다.
도 3을 참조하면, 광학측정챔버(100) 내에 위치된 차아염소산나트륨 용액은 광감지부(200)를 통해 분광 측정 및 분석되는데, 이 때 광감지부(200)는 UV(ultraviolet) 파장의 자외선 광을 사용하게 된다. 본 발명은 단파장 측정 광원만으로도 차아염소산나트륨 특히, 요구되는 농도의 차아염소산나트륨으로부터 도출되는 데이터 값이 직진성을 갖는 영역이 있을 수 있다는 점에 기인하여, 해당 파장을 찾아낸 결과물이다.
광학측정챔버(100) 내에는 온도센서(101)와 히터(103)를 구비하여, 광학측정챔버(100) 내의 용액 온도가 낮아지는 경우 이를 승온시켜, 차아염소산나트륨 용액의 측정 온도를 일정화 할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버의 감시커버를 개방한 상태를 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 광학측정챔버(100)는 직육면체 형태의 하우징(102)을 구비하고, 좌우 측방으로는 광투과부(110,120)가 배치되어 있다.
전방에는 내부를 감시할 수 있는 감시창(107)을 덮고 개폐되는 감시커버(104)가 배치되고, 후방에는 챔버유입관(32)과 연결되는 샘플유입구(106)가 형성된다. 측방의 상측에는 샘플토출관(34)과 연결되는 샘플배출구(108)가 형성되어, 하우징(102) 내에 머물렀던 샘플 용액이 외부로 배출되는 경로를 형성하도록 한다.
양측의 광투과부(110,120)는 상호 마주보는 직선 위치 상에 있도록 하며, 발광부와 수광부의 소자를 보호하고, 흡광 후의 광 투과를 위한 수단으로서 석영(Quartz) 재질의 창을 구비한다. 석영은 UV 광을 용이하게 통과시키는 특성이 있다.
광학측정챔버(100)의 전방에는 그 내부를 확인하기 위한 투명의 감시창(107)이 형성되고, 그 외부에는 상방으로 회동 가능한 감시커버(104)가 구비된다.
도 6은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 차아염소산나트륨 농도측정장치의 광학측정챔버 내부를 단면으로 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 후방측에는 샘플유입구(106)와 연결되는 유입수용부(130)가 형성되고, 그 전방으로는 측정수용부(140)가 형성되며, 양측의 광투과부(110,120)는 측정수용부(140)를 사이에 두도록 양 측방에 배치된다. 유입수용부(130)와 측정수용부(140)의 사이에는 약간 상방으로 연장 형성된 유입부벽(132)이 형성된다.
내부로 유입된 샘플 용액의 기포, 버블 발생을 최소화하거나, 용이하게 배출되도록, 샘플배출구(108)는 측정수용부(140)측 상방에 위치되고, 샘플유입구(106)로 유입된 샘플 용액이 유입부벽(132)에 의해 직진 이동이 차단되고 상방으로 흐르도록 함으로써, 발생된 기포, 버블은 상방으로 이동되며 측정수용부(140)로 유입되지 않고 최대한 신속하게 제거될 수 있도록 한다.
유입부벽(132)을 통해 유입수용부(130)와 측정수용부(140)는 일부 분리되는 공간을 형성한다. 즉, 유입수용부(130)로 유입된 유체는 유입수용부(130)를 채우고, 유입수용부(130)가 채워지면 그 측방에 상측으로 연장 형성된 유입부벽(132)을 넘어 측정수용부(140) 측으로 점차 넘어가게 된다. 유입부벽(132)은 내부 하단으로부터 상방 연장형성되며, 상단은 천정으로부터 일부 이격되는 통수부를 형성하도록 하고, 통수부를 통해 측정수용부(140)와 연결된다.
샘플유입구(106)를 통해 유입되는 유체와 생성된 버블은 유입수용부(130) 내에서는 혼합된 상태로 동반 이동되다가, 유입부벽(132)을 넘어서면서, 유체는 하방의 측정수용부(140)를 향해 저속으로 하강하나, 버블은 상대적으로 바로 상승하며 샘플배출구(108)를 통해 배출되는 현상을 보인다. 따라서 측정수용부(140) 내에 모인 유체는 상대적으로 버블이 감소된 상태이며, 이러한 유체를 향해 배치된 광감지부(200)가 상대적으로 균일하고 정확한 농도를 측정할 수 있게 된다.
발광부(210)와 수광부(220)를 포함하는 광감지부(200)는 유입수용부(130)가 아닌 측정수용부(140)를 향해 대면하도록 배치되고, 광투과부(110,120)는 일직선으로 측정수용부(140)를 관통하며 마주보도록 한다. 상기한 실시예의 구성에 의해 기밀, 수밀 구조를 통한 광학적, 화학적 격리가 가능하도록 하고, 비접촉식으로 실시간 현장 측정이 가능하게 된다. 즉 상하수도시설에 본 분석장치가 광학센서, 온라인센서로 장착되어, 용액에 접촉하지 않으면서도 실시간으로 농도 등을 분석하여 제공할 수 있게 된다.
또한 하단 드레인 경로 및 밸브를 추가하여, 검량기준 설정 공정시, 현장에서 광학측정챔버(100)의 상부 캡을 열고 측정셀 내부 체적만큼 증류수(초순수)를 채우고, 챔버 하부의 드레인 경로로 퇴수하는 2~3차례의 과정을 통해 세척하거나, 용액의 농도 지시 값을 확정하기 위한 표준시료 주입 및 측정, 저장 후, 이 용액을 배출할 수 있도록 한다.
온도센서(101)와 히터(103)도 측정수용부(140) 내의 온도를 측정하고, 가열함으로써, 측정하고자 하는 차아염소산나트륨 용액의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하고, 외기 온도에 의해 영향받지 않고 균일한 농도 측정값을 도출할 수 있도록 한다.
도 8은 본 발명의 제어부 기능 및 구성을 블럭으로 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 제어부(16)는 투과도 측정부(161), 흡광도 연산부(162), 농도산정부(163), 검량기준 입력부(164), 검량기준 저장부(165), 검량선부(166)를 포함한다.
발광부(210)와 수광부(220)의 사이에는 자외선 즉, UV광이 투사되고, 그 사이로는 차아염소산나트륨 용액이 흐르게 된다. 발광부(210)는 UV LED를 사용하고, 수광부(220)는 UV 광 파장을 감지할 수 있는 수광 소자를 사용한다.
발광부(210)에서의 입사광 강도와, 수광부(220)에서 측정된 투사 후의 투사광 강도 값은 투과도 측정부(161)로 제공된다.이러한 광 투과도 값은 흡광도 연산부(162)에서 연산되어, 흡광도를 산출하게 된다.
투과도는 입사된 빛의 양 대비 투과된 빛의 양의 비를 나타내는 것이고, 흡광도는 특정 파장의 광을 특정 시료에 쪼였을 때, 상기 투과도의 음의 상용로그값으로 정의되는 수치이며, 이는 램버트-비어의 법칙(Lambert-Beer's law)이 적용된다. 흡광도는 특정 파장의 빛을 특정 용액의 특정 농도 범위에 적용했을때 선형적으로 비례한다. 본 발명과 관련된 차아염소산나트륨 용액의 농도 범위의 경우, UV 파장대 특히, UV-A 파장대(320~400nm), 그 중에서도 UV-A1 파장(340~400nm) 범위의 광에 대해 적절하게 반응된다.
농도산정부(163)는 측정된 흡광도를 기준으로 농도를 계산하게 되는데, 이 때 검량선부(166)에 저장된 기준값을 로딩하여 사용할 수 있다. 농도산정부(163)에는 해당 흡광도에 해당하는 원농도 값을 저장하고 있을 수도 있고, 검량선부(166)에 저장된 흡광도-농도값의 검량선 데이터와 비교하여, 새롭게 농도 매칭값을 산정할 수도 있다.
농도측정장치(10)는 설치 위치의 특성이나, 광학계, 장비 특성, 제조 오차, 부품 성능에 따라, 동일하게 제조된 장비라도 절대적인 측정, 매칭값을 갖는 것이 아니라, 서로 다른 태생적 절대값의 차이를 갖고 있다. 즉, 전술한 농도산정부(163)의 회귀분석에 의해, 특정 흡광도를 통해 직선 비례관계를 도출하기는 하나, 어느 특정 산출값이 어떤 실제 농도를 지칭하는지 어느 정도 차이가 있을 수 있다.
예컨대, 2 이상의 농도측정장치(10)에 대한 2 이상의 A, B 설치 현장에 있어서, 측정중인 용액의 실제 기준농도는 1000 일때, A 현장의 A 농도분석장치(10)의 최초 대응 흡광도는 50 이라는 수치가, B 현장의 B 농도측정장치(10)의 최초 대응 흡광도는 45 라는 수치가 산출될 수 있다. 따라서 A 농도측정장치(10)에서 이후에도 50 이라는 수치가 산출되면 이에 대응되는 측정농도값이 1000 이고, B 농도측정장치(10)에서 이후에도 45 이라는 수치가 산출되면 이에 대응되는 측정농도값이 1000 인 것으로 판단하도록 교정을 할 필요가 있다.
따라서, 농도측정장치(10)가 제조되어 현장에 설치된 후에, 기준값을 제공해 줄 필요가 있으며, 이러한 기준값을 입력받기 위한 장치가 검량기준 입력부(164)이다. 복수의 서로 다른 특정 기준농도의 표준시료에 대해, 제1 기준농도의 표준시료에 대해 현장 설치된 농도측정장치(10)의 분광 측정을 통한 흡광도를 도출시키고, 동시에 이에 대응되는 제1 기준농도를 검량기준 입력부(164)로 입력하면, 이 값들은 검량기준 저장부(165)에 저장된다. 검량기준 저장부(165)에 저장되는 검량 정보는, 검량시의 임의 측정 농도나, 투과도, 흡광도 등이 포함될 수 있다.
다시, 제1 기준농도와 다른 제2 기준농도의 표준시료에 대한 분광 측정을 통해, 제2 측정 흡광도를 도출시키고, 마찬가지로 제2 기준농도를 검량기준 입력부(164)로 입력하면, 마찬가지로 검량기준 저장부(165)에 저장된다. 2 이상 기준농도의 표준시료에 대한 흡광도-기준농도값이 저장되면, 검량선부(166)는 입력된 제1, 2 기준농도값과, 측정된 흡광도 값을 상호 비교 및 회귀분석하여, 교정값, 교정함수 내지는 검량선을 도출하고, 저장한다. 검량선부(166)는 농도, 흡광도 값에 따라 회귀분석(선형, 지수, 로그, 다항식, 거듭제곱 등)을 거쳐, 제공된 흡광도 x에 대해 측정농도값 c가, c = ax + b (a는 기울기, b는 절편)이 되는 검량선으로 정의하고, 이 관계에 따라 농도를 산출하게 된다. 이러한 측정농도값과 실제의 원 농도는, 흡광도의 변화에 따라 동일한 증감 양상을 보이겠으나, 그 절대값에서는 차이가 있을 수 있다. 검량선부(166)는 흡광도와 선형 비례관계가 되는 특정 매칭값을 도출하여, 이를 측정농도값의 매칭값으로 사용한다. 이 때 측정농도값의 매칭값 증감과 실제 농도의 증감의 관계는 그래프상 직선성을 갖게 되도록 한다. 이러한 측정농도값과 실제 농도 사이의 관계는 1~2년에 한 차례씩 검량기준 입력, 저장의 과정을 거쳐 지속적으로 수정, 업데이트하여 정확성을 높이도록 한다.
이 과정에서, 고강도의 발광장치나, 또는 측정 용액을 희석하지 않고도, 높은 농도를 포함한 다양한 농도의 특성값을 추출해 낼 수 있도록, 광 감지부(200)는 자외선 광, 특히 340~400nm의 UV-A1 램프를 채택하여 발광 및 수광 공정을 수행하고 있다.
도 9는 초순수에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이고, 도 10은 미지 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다. 도 9를 참조하면, 초순수에서는 어떤 파장대에서의 램프 광에 대해서도 흡광도 변화가 없는 것을 알 수 있다.
그런데 도 10을 참조하면, 이는 현장에 존재하는 미지의 차아염소산나트륨 용액에 대해, 전 파장대에서의 램프 광에 대한 흡광도를 측정한 것인데, 특정 파장대, 즉 좌측 표의 노란색 부분으로 구분된 350~400nm 파장 광에 대해 빛이 흡수되고 흡광도가 산출됨을 알 수 있다.
이러한 파장 영역대는 차아염소산나트륨 용액의 소정 농도대, 즉, 1000ppm 이하 부터 150000ppm의 고농도까지 전체 영역에 걸쳐 측정하기 위한 장비에서 분광 농도 측정 용도로 사용되지 않았던 사례이다. 본 발명은 차아염소산나트륨 용액의 농도 측정시에 해당 파장의 광, 즉 자외선 광을 사용하는 것을 주요 특징으로 한다. 특히, 다수의 실험을 통해, 차아염소산나트륨 용액에 있어서 만큼은, 원하는 농도 대의 흡광 특징 발현이, 340~400nm 파장대의 자외선 광에 의함을 증명하여, 특히 UV 파장(200~400nm)의 램프, 그 중에서도 UV-A 파장(320~400nm)의 램프, 더욱 바람직하게는 UV-A1 파장(340~400nm)의 램프를 사용하는 것이 적합함을 증명하였다.
이 때, 400nm 파장 투광시의 흡광도 0.004는, 절대값이 아니고 상대값이므로, 측정셀의 길이와 시료량 변경시에 흡광도는 상대적으로 변경될 것이다. 이 값을 참조하여 광학측정챔버(100)의 기구 설계시 참고하게 되며, 흡광도 수치는 재현성과 안정성 측면에서 값이 너무 높거나 낮지 않도록, 최적의 파장을 선택하도록 한다.
도 11 내지 도 13은 특정 농도의 차아염소산나트륨 용액에 대한 특정 파장대역의 흡광도를 나타내는 그래프이다. 도 11 내지 13은 각각 8800ppm, 15000ppm, 32600ppm, 93000ppm 의 차아염소산나트륨 용액의 UV-A1 파장대에 따른 흡광도를 나타내는 그래프이다. 넓은 범위의 차아염소산나트륨 용액 농도에 대해, UV-A1 파장의 광을 투과하는 경우, 다른 파장대의 광 투과시와 다르게 활용 가능한 흡광도 값이 도출됨을 알 수 있다.
380nm 파장의 자외선 램프 투과를 기준으로, 8800ppm에서는 0.187, 15000ppm에서는 0.335, 32600ppm에서는 0.773, 93000ppm에서는 2.113의 흡광도 수치가 계산되는데, 이를 기초로 검량선 등의 함수를 산출하도록 한다.
이러한 차아염소산나트륨 시료는 적외선이나 가시광선 영역에서는 빛이 전혀 흡수되지 않고 그대로 투과되는데, 상기 UV-A1 파장대의 자외선 영역에서는 서서히 흡수가 시작되는 것을 알 수 있다.
검량기준 설정 공정시에는 LOW / HIGH 포인트 검량선을 잡도록 하며, 경우에 따라서는 저농도나 고농도를 한 포인트 더 잡아 3포인트 검량선을 잡기도 한다. 낮은 값의 표준시료부터 측정셀 체적만큼 채우고 흡광도를 확인한 후, 검량기준 입력부(164)에 LOW 포인트의 표준시료 농도와 확인된 흡광도 값을 입력한다. 그 후 내부를 세척한 후, 이번에는 높은 값의 표준시료를 넣고 흡광도를 확인한 후, 검량기준 입력부(164)에 HIGH 포인트의 쵸준시료 농도와 확인된 흡광도 값을 입력한다.
예컨대 5000ppm, 10000ppm의 2종 표준시료를 380nm 파장으로 찍고, 투과된 빛의 양을 측정하여 해당 투과도를 비어-램버트 법칙에 적용하여, 흡광도를 구하고 이를 검량기준 저장부(165)에 저장한다. 표준시료 2종의 흡광도가 구해지면 이를 이용하여, 검량선을 그리고 검량선부(166)에 저장하게 된다. 그 후 미지 시료에 대해 380nm 파장의 램프로 흡광도를 측정하면, 해당 흡광도를 검량선부(166)에 저장된 검량선에 대입하여, 미지 시료의 농도를 구할 수 있게 된다. 예컨대, 표준시료 5000ppm 에서의 해당 파장에 대한 흡광도가 0.05 이고, 표준시료 10000ppm 에서의 해당 파장에 대한 흡광도가 0.10 이고, 이에 대한 검량선이 저장되어 있는 경우, 미지 시료에서의 해당 파장 램프에 투과에 따른 흡광도가 0.07 로 측정되면, 해당 검량선에 대입시 결과 값은 7000ppm 의 농도로 산출될 수 있게 된다.
농도측정장치(10)는 관리서버(미도시)와 네트워크(미도시)를 통해 연결되고, 관리서버는 농도측정장치(10)에서 실시간으로 측정되는 농도, 농도측정장치(10) 정보, 동작 정보 및 알람 정보 등을 수신하여, 이를 관리자 단말기로 보내게 된다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
1: 연수기 2: 용수저장조
3: 소금저장조 4: 전기분해장치
5: 저장조 6: 투입지
10: 농도측정장치 12: 외함
14: 커버 16: 제어부
18: 표시부 20: 펌프
22: 샘플유입관 24: 펌프토출관
30: 필터부 32: 챔버유입관
34: 샘플토출관
100: 광학측정챔버 101: 온도센서
102: 하우징 103: 히터
104: 감시커버 106: 샘플유입구
107: 감시창 108: 샘플배출구
110: 광투과부 120: 광투과부
130: 유입수용부 132: 유입부벽
140: 측정수용부 161: 투과도 측정부
162: 흡광도 연산부 163: 농도산정부
164: 검량기준입력부 165: 검량기준저장부
166: 검량선부 200: 광감지부
210: 발광부 220: 수광부
3: 소금저장조 4: 전기분해장치
5: 저장조 6: 투입지
10: 농도측정장치 12: 외함
14: 커버 16: 제어부
18: 표시부 20: 펌프
22: 샘플유입관 24: 펌프토출관
30: 필터부 32: 챔버유입관
34: 샘플토출관
100: 광학측정챔버 101: 온도센서
102: 하우징 103: 히터
104: 감시커버 106: 샘플유입구
107: 감시창 108: 샘플배출구
110: 광투과부 120: 광투과부
130: 유입수용부 132: 유입부벽
140: 측정수용부 161: 투과도 측정부
162: 흡광도 연산부 163: 농도산정부
164: 검량기준입력부 165: 검량기준저장부
166: 검량선부 200: 광감지부
210: 발광부 220: 수광부
Claims (8)
- 차아염소산나트륨이 포함된 용액의 농도를 실시간으로 직접 측정하기 위한 측정장치에 있어서,
차아염소산나트륨 용액을 수용하는 광학측정챔버;를 구비하고,
광감지부는 상기 광학측정챔버 내에 유입 및 수용된 차아염소산나트륨 용액을 광감지하고,
제어부는 상기 광감지부로부터 입력된 입사광 강도 및 투사광 강도에 따른 투과도를 분석하여 광학측정챔버 내의 차아염소산나트륨 용액의 농도를 실시간으로 분석하고,
상기 광감지부는 발광부 및 수광부를 구비하고,
상기 발광부는 UV 램프를 사용하고,
상기 광학측정챔버는:
다면체 형태의 하우징과,
상기 하우징의 후방에 배치되는 샘플유입구와,
상기 하우징 내부의 후방측에 상기 샘플유입구와 연결되는 유입수용부와,
상기 유입수용부의 전방에 형성되는 측정수용부와,
상기 유입수용부와 상기 측정수용부 사이에 상방으로 연장 형성되는 유입부벽과,
상기 측정수용부의 상방에 배치되도록 상기 하우징의 측방에 형성되는 샘플배출구를 포함하고,
상기 광감지부는 상기 측정수용부를 향해 대면하도록 배치되고,
상기 샘플유입구를 통하여 상기 유입수용부로 유입된 차아염소산나트륨 용액과 생성된 버블은 상기 유입수용부를 채우면서 동반 이동되다가, 상기 유입부벽을 넘어서면서 차아염소산나트륨 용액은 상기 측정수용부 측으로 하강되고, 버블은 상승한 후 상기 샘플배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 UV 램프는 UV-A 자외선 램프인 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 제3항에 있어서,
상기 UV-A 자외선 램프는 UV-A1 자외선 램프인 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 제1항에 있어서,
상기 UV 램프의 UV 광은,
340∼400 nm 파장 영역 내에 속하는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는:
상기 광감지부로부터 입사광 강도 및 투사광 강도를 입력받는 투과도 측정부;
상기 투과도 측정부에 입력된 입사광 강도 및 투사광 강도를 통해 흡광도를 산정하는 흡광도 연산부; 및
상기 흡광도 연산부에서 산정된 흡광도를 통해 농도를 도출하는 농도산정부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제어부는:
표준시료의 농도를 입력받아 저장하는 검량기준 입력부; 및
상기 표준시료의 광감지에 따른 검량 정보를 저장하는 검량기준 저장부;를 포함하고,
검량기준 설정 공정시에 서로 다른 농도의 복수의 표준시료에 대한 검량 정보를 저장할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
- 제6항에 있어서,
상기 제어부는:
복수 농도의 검량 시료에 의해 도출된 검량선 데이터를 저장하고 있는 검량선부를 구비하고,
상기 농도산정부는:
상기 흡광도 연산부로부터 입력된 흡광도를, 상기 검량선부의 데이터와 비교하여, 실시간 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 UV-A 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치.
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| KR1020220188698A KR102642088B1 (ko) | 2022-12-29 | 2022-12-29 | Uv-a 파장대역의 광학밀도를 이용한 실시간 차아염소산나트륨 농도측정장치 |
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- 2022-12-29 KR KR1020220188698A patent/KR102642088B1/ko active IP Right Grant
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