KR200308415Y1 - 휴대용 염분 측정기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 휴대용 염분 측정기에 관한 것으로, 전도도법을 응용한 주파수 변환 분석법을 이용하여 염분 농도에 따른 전도도 변화를 주파수 변화로 측정 분석하고, 0.1% ~ 15% 범위의 염분 농도를 0℃ ~ 75℃ 온도 범위 내에서 온도 변화에 관계없이 지속적으로 재현성을 가지며, 안정적으로 측정할 수 있는 휴대용 염분 측정기를 제공하기 위한 것이며, 시료의 전도도 측정을 위한 금 재질의 두 전극; 상기 두 전극의 신호를 비교 연산하여 전도도를 측정하는 비교연산부; 상기 전도도 측정값을 주파수로 변환한 후 상기 주파수를 이용하여 상기 시료 내의 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서; 계산된 염분 농도를 디지털로 디스플레이하는 LCD 패널; 및 측정이 완료되었음을 사용자에게 알려주는 버저를 구비하는 것을 요지로 한다.

Description

휴대용 염분 측정기 {PORTABLE SALINOMETER}

본 고안은 휴대용 염분 측정기에 관한 것으로, 더 상세하게는 전도도법을 응용한 주파수 변환 분석법을 이용하여 농도에 따른 전도도 변화를 주파수 변화로 측정 분석하여 염분 농도를 측정하는 휴대용 염분 측정기에 관한 것이다.

통상 센서 (sensor)는 검출소자라고도 하며 물리ㆍ화학량의 변화를 감지하는 장치를 일컫는 말로, 현재 개발되어진 센서를 분류하면 물리량을 계측하는 물리 센서와 화학물질 측정을 대상으로 하는 화학 센서로 분류할 수 있다.

이러한 센서 기술을 응용하여 미지 시료에 포함된 다양한 화학 물질의 종류 및 구조를 밝히고 그 물질들의 양을 정량적으로 측정하기 위하여 여러 가지 분석 방법들이 개발되어 왔으며, 최근 들어 분석하고자 하는 특정 화학 물질에 대한 선택성이 우수하고 극미량의 시료도 정확하게 분석할 수 있는 방법들이 개발되고 있다. 특히, 공정의 자동화, 품질 관리, 의학적 분석, 환경 시료의 분석 등을 위해 정확하면서도 짧은 시간 안에 시료를 분석해야 할 필요성이 증가함에 따라, 화학 물질을 간편하게 분석하는 방법 및 장치의 개발에 대한 관심이 증가하고 있다.

자연계에 존재하는 대부분의 물질들은 중성을 띠고 있으나, 원자나 분자가 전자를 과다하게 보유하거나 잃어서 물이나 그밖에 다른 용매에 둘러 쌓여 양전기나 음전기를 띤 이온 (ion)의 형태로도 상당량 존재하게 된다. 이러한 물질들은 화학적으로 활성이 크기 때문에 임상 의료 및 진단, 식품, 환경, 공정제어 등에서 그 양을 정확히 알아내어 조절해야 할 필요가 있다.

이러한 이온 (ion)을 측정하는 방법으로 가장 널리 쓰이는 방법은 이온크로마토그래피법 (ion chromatography), 원자흡광 (atomic absorption) 또는 발광법 (atomic emission), 이온선택성 전극을 이용한 전위차법 (potentiometry), 전도도를 이용한 전도도법 (conductometry) 등이 있다. 이 중 이온크로마토그래피법이나 분광학적 방법을 이용한 기기는 고가이며 반드시 채취한 시료를 전처리 과정을 거친 후 사용해야 하는 단점이 있는 반면, 전기화학적 방법인 전위차법이나 전도도법의 경우 작동원리 및 사용방법이 간단하며, 감응 시간이 수초 이내로 짧을 뿐만 아니라 대량 분석이 용이하고, 분광학적 분석 방법과는 달리 시료의 탁도 등에 영향을 받지 않기 때문에 시료의 전처리 단계가 필요 없으며 분석 장치의 제조가 비교적 간단하여 기기 가격이 다른 분석 장비에 비해 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

한편 일반적으로 시료를 채취한 후 분석 기기가 있는 장소까지 운반해야 하는데, 이러한 이동 과정 중에 시료가 오염되거나 측정 시간이 지연됨에 따라 시료가 변질되는 문제점이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 현장 측정이 바로 이루어져야 하는데, 분석 기기의 높은 가격 및 휴대할 수 없을 정도의 큰 부피가 현장에서의 직접 분석에 장애물이 되고 있다. 즉, 현장 측정이 가능한 분석 기기를 보편화하기 위해서는 분석 기기의 소형화 및 가격의 저렴화가 이루어져야 한다.

전기화학적 방법에 의한 분석 장치 중, 특히 전도도 측정장치의 경우에는 소형화가 가능하고 대량 생산이 용이하므로 가격의 저렴화까지 가져올 수 있다는 장점이 있다. 또한 전극의 소형화가 가능하기 때문에 미량의 시료에 대해서도 분석이 가능하다. 따라서 전기화학적 방법, 특히 전도도법에 의한 전도도 측정 장치는 기기의 소형화 및 가격의 저렴화가 가능하여 상기에서 언급된 바와 같은 현장 측정에 적합하다.

따라서 전도도법에 의한 분석 방법은 수질 분석에서 뿐 만 아니라 식품 화학 및 공업 화학 분야에서의 공정 조절 및 환경 분석에 이르기까지 널리 응용되고 있다.

일상생활에서 가장 많이 거론되는 이온은 산성-알칼리성을 결정해주는 수소이온 (H⁺)을 비롯하여 각종 알칼리 이온 (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺등), 중금속 이온 (Pb²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺등), 할로겐 이온 (F^-, Cl^-, Br^-, I^-), 이온 원자단 (NH₄ ⁺, NO₃ ^-, SO₄ ^2-등) 등 측정 필요도가 높은 이온들이 많이 존재한다.

특히 Na⁺과 Cl^-이온으로 구성된 염분의 경우 매일 섭취하는 음식물 속에 다량 함유되어 고혈압 환자나 만성 신부전증 환자와 같은 경우 음식물로 섭취하는 염분량을 조절해 주어야만 한다. 또한 우리나라 사람의 1일 평균 염분 섭취량은 20mg 정도로 서구인의 섭취량의 약 2배 이상으로 고혈압과 같은 질환의 발병빈도가 커지는 요인으로 작용한다. 따라서 고혈압 환자 뿐 만 아니라 일반인에게도 음식물로 섭취하는 염분량을 조절하는 것은 건강을 유지하는데 매우 중요하다고 할 수 있다.

그러나 종래의 상용화된 휴대용 염분 측정기의 경우 대부분 측정치가 부정확하며, 고가이고, 전량을 수입에 의존하고 있는 실정으로 국산화가 시급한 실정이다.

이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과, 시료의 전도도 측정을 위한 금 재질의 두 전극, 상기 두 전극의 신호를 비교 연산하여 전도도를 측정하는 비교연산부, 상기 전도도 측정값을 주파수로 변환한 후 상기 주파수를 이용하여 상기 시료 내의 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서를 개발하고, 상기 염분 측정기가 감응 시간이 빠르고 안정성이 우수하며 단순한 구조로 제작이 용이하여 저렴하게 대량 생산할 수 있다는 것을 알아냄으로써 본 발명을 완성하였다.

본 고안은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로 전도도법을 응용한 주파수 변환 분석법을 이용하여 농도에 따른 전도도 변화를 주파수 변화로 측정 분석하고, 0.1% ~ 15% 범위의 염분 농도를 0℃ ~ 75℃ 온도 범위 내에서 온도 변화에 관계없이 지속적으로 재현성을 가지며, 안정적으로 측정할 수 있는 휴대용 염분 측정기를 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 염분 농도 측정 원리도,

도 2는 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 전극 예시도,

도 3은 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 회로도,

도 4는 본 고안에 따른 전극의 전기화학적 특성 그래프,

도 5는 본 고안에 따른 전극의 측정 표준편차 결과 그래프,

도 6은 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기와 종래 염분 측정기의 비교도,

도 7은 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 외형을 예시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) 측정봉 (20) 전극

(30) 비교연산부 (31) 피드백회로

(32) 전극커넥터 (33) NAND 게이트

(40) 마이크로프로세서

(50) LCD 패널 (60) 정전압 IC

(70) 스위칭부 (80) 전원부

(90) 버저

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기는 전기전도도가 우수하며, 부식이나 산화에 매우 안정하고, 인체에 무해한 금 재질의 두 전극과, 상기 두 전극의 신호를 비교 연산하여 전도도를 측정하는 비교연산부와, 상기 측정된 전도도 값을 주파수로 변환한 후 시료 내 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서와 상기 염분 농도를 디스플레이하는 LCD 패널 및 측정이 완료되었음을 사용자에게 알려주는 버저로 구성됨을 특징으로 한다.

본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 또 다른 특징은, 상기 마이크로프로세서에 내장된 프로그램에 배터리 교환표시 및 자기진단 기능이 포함되며, 전원부는 배터리 사용 시간을 증가시키기 위해 소모 전력이 적은 저전력형 소자를 사용하고 일정 시간 이상 사용하지 않을 경우 자동으로 전원이 꺼지도록 구성되는 것이다.

이하 본 고안의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 염분 농도 측정 원리도이고, 도 2는 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 전극 예시도이며, 도 3은 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기의 회로도이고, 도 4는 본 고안에 따른 전극의 전기화학적 특성 그래프이며, 도 5는 본 고안에 따른 전극의 측정 표준편차 결과 그래프이고, 도 6은 본 고안에 의한 휴대용 염분 측정기와 종래의 염분 측정기의 비교도이며, 도 7은 본 고안의 실시예에 따른 휴대용 염분 측정기의 외형을 도시한 것이다.

일반적으로 물은 비록 그 자체로써는 매우 낮은 전기 전도체 (conductor)이지만, 용액 내에 각종 이온들이 존재하면 현저하게 그 전도도 (conductivity)가 증가한다. 이와 같이 전해질 (electrolyte) 용액의 전도도 (conductivity)는 각종 이온들의 농도 (concentration)와 존재하는 각 이온들의 특성 (이온들의 전하량과 이동도)에 의존하며, 농도 함수에 따른 전도도 거동은 강전해질 (strong electrolyte)과 약전해질 (weak electrolyte) 사이에 큰 차이가 있다.

따라서 도 1과 같이 두 개의 평행전극 (parallel electrode)이 있는 셀 (cell)을 전해질 용액에 넣으면 셀을 통하여 전기가 흐르게 되고 전해질 용액에서 발생되는 이와 같은 현상은 금속 전도체 (metal conductor)에서와 같이 옴의 법칙 (ohm's law)에 따른다. 따라서 셀을 통하여 흐르는 전류는 셀의 전압에 비례하고, 금속 전도체에서 저항을 나타내는 것과 같이 셀에서도 저항을 옴 (ohm)으로 나타낼 수 있다.

이런 원리를 이용하여 두 개의 평행전극에 감응하는 시료의 이온 농도에 따라 전도도가 변화되고 변화된 전도도 값은 주파수 (frequency)로 변환이 가능하며, 다음과 같은 관계식을 유도할 수 있다.

이 관계식을 주파수f에 대해 다시 정리하면 다음과 같이 된다.

이에 따라 변화되는 주파수를 산출하여 이온농도로 환산할 수 있으며, 다음 수학식은 도 1에 도시된 예에서 주파수를 산출한 것이다.

즉, 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기에서는, 두 개의 평행전극을 시료에넣고 전류를 통하게 하는 단계와, 금속 전도체에서와 같이 옴의 법칙으로 시료의 저항값을 구하는 단계와, 상기 저항값과 전류의 흐름으로 충전된 콘덴서 값을 이용해 주파수로 변환하는 단계와, 상기 주파수로 시료 내 염분 농도를 계산하는 단계를 거쳐 염분 농도를 측정한다.

본 고안은 상기에서처럼 주파수 변환 분석법을 이용한 휴대용 염분 측정기로서 시료의 전도도를 측정하여 그 측정값을 주파수로 변환한 후 시료 내 염분 농도를 계산하는 방법에 의하므로 시료의 염분 농도에 따라 전도도 변화를 나타내는 전극의 전기화학적 특성 (전도도, 내화학성, 내구성 등)이 매우 중요하다.

따라서, 본 고안에서는 여러 가지 감응 소재 중 전기화학적 특성이 우수한 금속 (Pt, Au 등) 중 금 (Au)을 이용하여 염분 측정용 전극을 구성하였다.

그리고 본 고안의 휴대용 염분 측정기는 주로 음식물 및 수용액 상에 함유된 염분량을 측정하는 것을 목적으로 하고 있다. 따라서 크기가 작고 가벼워 휴대하기에 편리하며, 사용하기가 용이하고, 한 손으로 사용하는데 문제가 없어야 한다. 본 고안의 일 실시예에 따르면 휴대용 염분 측정기를 도 7과 같이 휴대성을 높이고 외부의 충격이나 열로부터 사용자나 기기의 안전성을 고려한 형태로 구성하였다. 도 7에 따르면 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기는 일단에 상기 두 전극 (20)이 일정 거리를 두고 구비되어 있으며, 기기 상단에 상기 염분 농도를 디스플레이 하는 LCD 패널 (50)이 더 구비되어 있음을 알 수 있다. 도 2는 염분 측정기의 전극 및 센서의 형태를 더 상세히 도시한 것으로, 전극 부분의 평면도 및 측면도이다.

본 고안에 따른 염분 측정기의 회로 구성은 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같으며, 제품의 소형화를 위해 마이크로프로세서 (microprocessor)를 사용하였고, 소모 전력이 적은 저전력형 소자를 사용하여 배터리 (battery) 사용 시간을 증가시켰다. 또한 배터리 사용량을 표시하여 교환 시기를 사용자가 알 수 있도록 하였고, 프로그램에 자기진단 기능을 추가시켜 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 설계하였으며, 복잡한 연산을 피하고 비교 연산을 사용하였다.

즉, 시료의 안정적인 전도도 측정을 위하여 금 재질로 제작된 두 전극 (20)이, 상기 두 전극의 신호를 비교 연산하여 전도도를 측정하는 비교연산부 (30)와 전기적으로 연결되고, 상기 비교연산부 (30)의 전도도 측정값을 주파수로 변환한 후 시료 내 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서 (40)가 연결된다. 상기 프로그램은 온도에 따른 염분 농도의 오차를 보정해주는 기능을 가지도록 구현되어, 0℃ ~ 75℃의 온도 범위 내에서 온도 변화에 관계없이 안정적인 결과를 출력하도록 하였다. 또한, 상기 마이크로프로세서 (40)가 계산한 염분 농도를 디스플레이 하는 LCD패널 (50)과 측정이 완료되었음을 사용자에게 알려주는 버저 (90)가 구비된 출력부가 더 구비될 수 있으며, 소모 전력이 적은 저전력형 소자를 사용하여 배터리 (battery) 사용 시간을 증가시킴과 동시에 일정 시간 (예를 들면, 2분) 이상 사용하지 않을 경우 자동으로 전원이 꺼지는 기능을 갖는 전원부 (80)가 더 구비될 수 있다.

여기서 상기 전극 (20)은 비교연산부 (30)의 커넥터 (32)에 연결되며, 상기비교연산부 (30)는 NAND 게이트 (33)의 입력포트와 출력포트 사이에 두개의 트랜지스터와 가변저항으로 구성된 피드백회로 (31)를 구비하여 출력신호의 일부가 입력신호로 전환되어 전극에서 측정한 입력신호를 강하게 감응할 수 있도록 구성하였다.

그리고 도 3c의 (60)은 본 고안의 휴대용 염분 측정기 회로에 정전압을 공급하는 정전압 IC이고, (70)은 휴대용 염분 측정기의 스위칭부이며, (80)은 전원의 ON/OFF 시 회로에 무리를 주지 않게 하는 안정기와 전원스위치가 구비된 전원부이고, 도 3a의 (90)은 염분 농도를 디스플레이하는 LCD 패널 (50)과 같은 기능을 하는 것으로서 사용자에게 측정이 완료되었음을 소리로 알리는 버저가 구비된 출력부이다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 휴대용 염분 측정기는 측정대상물에 두 전극 (20)을 삽입하여 한 전극에서 다른 전극으로 전류가 흐르는 전도도를 비교연산부 (30)를 통해 측정하고, 상기 전도도를 주파수로 변환한 후 주파수를 통해 시료 내 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서 (40)를 이용하여 염분 농도를 측정하여 LCD 패널 (50)이나 부저 (90)로 사용자에게 결과값을 디스플레이하여 동작된다.

본 고안에 따른 염분 측정기의 감응 특성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 실험에 사용된 여러 가지 표준용액 (standard solution)이나 완충용액 (buffer)의 제조에는 특급 시약을 사용하였으며, 모든 용액의 제조에는 초순수(deionized water)를 사용하였다. 전극에서 발생되는 파형을 판독하기 위한 주파수 측정기 (frequency meter)와 오실로스코프 (oscilloscope) 등을 사용하였다.

그리고 제조된 전극의 전기화학적 특성을 조사하기 위하여 0.1% ~ 5.0% 농도 범위에서의 염분 농도 변화에 따른 주파수 특성을 조사하였다 (도 4).

도 4 에서 보는 바와 같이 0.1% ~ 5.0% 농도 범위 내에서 염분 농도 변화에 따라 비교적 직선성을 가지며 주파수 변화를 나타내는 것을 확인하였고, 감응시간 또한 3초 이내로 다른 측정 방법에 비해 비교적 빠른 것으로 나타났다. 전극의 장기 안정성 실험 결과 100일 이상 안정된 주파수 값을 유지하는 것으로 나타났다.

또한, 본 고안의 염분 측정기의 반복 측정에 따른 정밀도 및 표준편차를 조사하기 위하여 정확한 농도를 이미 알고 있는 표준용액 (0.1% ~ 5%)을 사용하여 50회 이상 반복 측정하였다. 표 1은 전극의 정밀도 및 표준편차를 표시한 것이다.

표 1과 도 5 에서 보는 바와 같이 전체적으로 5% 이내의 표준편차 값을 가지면, 그래프 또한 직선성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.

구 분	염분 농도
	0.1%	1%	2%	3%	4%	5%
최대상위편차	+2%	0%	0%	+2%	+2%	+2%
최대하위편차	0%	-1%	-2%	0%	-2%	-2%
각 점의 표준편차	2%	1%	2%	2%	4%	4%
표준편차	3%

그리고 본 고안에 따른 간이 염분 측정기를 객관적으로 평가하기 위하여 기존 상용화된 일본 takemura사의 수입 제품인 TM-30D 염분 측정기와 자체 제작한 염분 측정기를 동일한 실험 조건에서 0.1% ~ 5% 표준 용액을 사용하여 실험 비교하였다 (도 6).

도 6에서 보는 바와 같이, 본 고안에 따른 휴대용 염분 측정기는 상용화된 일본 제품인 TM-30D 염분 측정기의 실험 결과와 비교하여 매우 우수한 특성을 나타내는 것을 확인하였으며, 농도 변화에 따른 주파수 변화가 직선성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

본 고안은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 고안은 전도도법을 응용한 주파수 변환 분석법을 이용하여 농도에 따른 전도도 변화를 주파수 변화로 측정 분석하고, 농도 범위 0.1% ~ 15%에서 온도 변화에 관계없이 재현성, 지속성, 안정성 등이 우수한 휴대용 염분 측정기를 제공함으로서 국산화로 인한 수입 대체 및 수출 효과와, 제조 공정의 단순화로 생산성 향상 및 부품의 수입대체 효과로 인한 원가절감과, 기술개발에 축적된 기술 (회로설계 기술, 전극 개발 기술, 소형화 기술 등)을 이용하여 수질환경및 음식물 제조 공정상의 이온 함량 조절 등의 기타 산업분야에 직/간접적으로 기여할 수 있는 유용한 고안이다.

Claims (5)

1. 시료의 전도도 측정을 위한 두 전극; 상기 두 전극의 신호를 비교 연산하여 전도도를 측정하는 비교연산부; 및 상기 전도도 측정값을 주파수로 변환한 후 상기 주파수를 이용하여 상기 시료 내의 염분 농도를 계산하는 프로그램이 내장된 마이크로프로세서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 염분 측정기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 휴대용 염분 측정기는 일단에 상기 두 전극이 거리를 두고 구비되어 있으며, 상단에 상기에서 계산된 염분 농도를 디스플레이 하는 LCD 패널이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 염분 측정기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   사용자에게 측정이 완료되었음을 소리로 알리는 버저가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 염분 측정기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로프로세서에 내장된 프로그램에는 배터리 교환표시 및 자기진단 기능이 포함된 것을 특징으로 하는 휴대용 염분 측정기.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   배터리 사용 시간을 증가시키기 위해 소모 전력이 적은 저전력형 소자를 사용하고, 일정 시간 이상 사용하지 않을 경우 자동으로 전원이 꺼지는 전원부가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 염분 측정기.