KR20110111865A - 탁도측정용 센서모듈 - Google Patents

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KR20110111865A
KR20110111865A KR1020100031169A KR20100031169A KR20110111865A KR 20110111865 A KR20110111865 A KR 20110111865A KR 1020100031169 A KR1020100031169 A KR 1020100031169A KR 20100031169 A KR20100031169 A KR 20100031169A KR 20110111865 A KR20110111865 A KR 20110111865A
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light
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박성진
김인수
정병건
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주식회사 엔케이
한국해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 탁도측정용 센서기구를 제공하기 위한 것으로서, 더욱 상세하게는 적외선을 발산시키는 발광소자 및 상기 발광소자와 소정의 간격을 두고 마주보는 위치에 설치된 수광소자로 센서모듈을 이루도록 함으로서, 매우 간단한 구조를 가지면서도 탁도의 측정은 효과적으로 수행할 수 있고, 특정 기준값을 용이하게 설정토록 하여 측정된 탁도를 보다 손쉽고 알기 쉽게 구현시킬 수 있도록 하는 한편, 센서의 이동 과정에서도 탁도의 측정이 가능토록 하며, 이로 인하여 각종 유체의 탁도측정에 광범위하게 적용할 수 있으면서도 가격이 저렴하고 측정범위의 오차가 적은 탁도측정용 센서모듈을 제공토록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 탁도측정용 센서모듈(10)은, 적외선을 발산시키는 발광소자(1)와, 상기 발광소자(1)로부터 소정의 간격을 두고 이격된 위치에서 발광소자(1)와 마주보도록 설치되는 수광소자(2)를 포함하여서 이루어지며, 상기 수광소자(2)는 수광부위에 걸쳐 다수 개의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)로 분산 설치되도록 하고, 상기 발광소자(1)는 적외선 발광다이오드(LED)가 되는 한편, 상기 수광소자(2)는 포토다이오드(Photo diode) 또는 포토트랜지스터(Photo transistor) 중에서 택일하여서 되는 것을 특징으로 한다.

Description

탁도측정용 센서모듈{Sensor module for measuring turbidity}
본 발명은 적외선을 발산시키는 발광소자 및 상기 발광소자와 소정의 간격을 두고 마주보는 위치에 설치된 수광소자로 센서모듈을 이루도록 함으로서, 매우 간단한 구조를 가지면서도 탁도의 측정은 효과적으로 수행할 수 있고, 특정 기준값을 용이하게 설정토록 하여 측정된 탁도를 보다 손쉽고 알기 쉽게 구현시킬 수 있도록 하는 한편, 센서의 이동 과정에서도 탁도의 측정이 가능토록 한 탁도측정용 센서모듈에 관한 것이다.
일반적으로 유체의 흐린 정도를 감지하는 데 사용되는 탁도측정용 센서는, 투과도를 결정하려고 하는 유체를 통하여 측정빔(통상 고주파를 사용함)을 발산시키는 트랜스미터(Transmiter)와, 상기 트랜스미터로부터 발산되어 유체를 통과한 빔을 수용하는 리시버(Receiver)를 포함하여서 이루어진다.
따라서, 트랜스미터에 의해 발산된 측정빔의 값과, 투과도를 측정하고자 하는 유체를 통과하여 리시버로 수용된 빔의 값을 상호 비교함으로서, 유체의 투과도, 즉 유체의 탁도를 측정할 수 있게 되지만, 고주파 발산기로서의 트랜스미터 및 이를 수용하는 음파감지기로서의 리시버를 적용함에 따라 그 가격이 고가인 문제점이 있었다.
뿐만 아니라, 종래의 탁도측정용 센서에 의해 결정된 투과도는 여러 가지 이유로 인하여 유체의 실질적인 투과도로부터 쉽게 벗어날 수 있는 바, 그 이유는 트랜스미터로부터 발산된 고주파로서의 측정빔이 유체를 통과하는 전파경로의 과정에서 유체의 유동이나 주변의 소음과 같은 미세한 파장의 요인에 의해서도 쉽게 간섭 및 산란되기 때문이다.
이로 인하여, 상기 리시버는 실제의 투과도보다 더 많은 측정빔의 부분을 수용하게 됨으로서, 트랜스미터로부터 발산된 측정빔의 값과 유체를 통과한 빔의 값 사이에 오차가 발생할 확률이 매우 크게 됨은 물론이고, 탁도가 제로인 상태의 기준값을 리시버에 세팅하는 작업 및 그 세팅값을 기초로 하여 탁도를 구현시키는 작업 또한 각종 간섭요인으로 인하여 매우 까다롭게 되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여, 측정빔의 전파 방향을 따라 단면적이 작은 측정빔을 발산하는 트랜스미터를 추가적으로 설치함으로서, 측정빔의 산란을 방지토록 한 것이 알려져 있으며, 그 대표적인 예로서 레이저 빔을 생성하는 트랜스미터가 있다.
그러나, 상기와 같이 레이저 빔을 생성하는 트랜스미터는 그 자체만으로도 매우 고가일 뿐만 아니라, 트랜스미터와 리시버를 매우 정밀하게 정렬시키는 까다로운 설치작업을 거쳐야 하며, 이로 인하여 종래의 탁도측정용 센서를 비교적 간단한 설비에 적용시켜 사용하기에는 그 효율적인 측면에서 경제적인 부담이 너무 크게 되는 문제점이 있었다.
이와 더불어, 종래의 탁도측정용 센서는 유체의 통로나 유체의 저장공간에 고정식으로 설치하여 사용할 수는 있지만, 유체의 저장공간이나 유체의 통로를 따라 이동하는 방식으로 사용하는 것은 거의 불가능한 문제점이 있었으며, 이로 인하여 종래의 탁도측정용 센서가 적용될 수 있는 분야 또한 협소하게 됨으로서, 센서 제품의 실용적인 가치가 한층 더 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 적외선을 발산시키는 발광소자 및 상기 발광소자와 소정의 간격을 두고 마주보는 위치에 설치된 수광소자로 센서모듈을 이루도록 함으로서, 매우 간단한 구조를 가지면서도 탁도의 측정은 효과적으로 수행할 수 있고, 특정 기준값을 용이하게 설정토록 하여 측정된 탁도를 보다 손쉽고 알기 쉽게 구현시킬 수 있도록 하는 한편, 센서의 이동 과정에서도 탁도의 측정이 가능토록 하며, 이로 인하여 각종 유체의 탁도측정에 광범위하게 적용할 수 있으면서도 가격이 저렴하고 측정범위의 오차가 적은 탁도측정용 센서모듈을 제공하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 탁도측정용 센서모듈은, 적외선을 발산시키는 발광소자와, 상기 발광소자로부터 소정의 간격을 두고 이격된 위치에서 발광소자와 마주보도록 설치되는 수광소자를 포함하여서 이루어지며, 상기 수광소자는 수광부위에 걸쳐 다수 개의 채널용 소자로 분산 설치되도록 하고, 상기 발광소자는 적외선 발광다이오드가 되는 한편, 상기 수광소자는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터 중에서 택일하여서 되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 발광소자로부터 발산되는 적외선 및 유체를 통과한 투과광이나 산란광의 강도를 측정하는 수광소자로서 탁도측정용 센서모듈을 구성함으로서, 고주파를 이용한 종래의 탁도측정용 센서에 비하여 매우 간단한 구조를 가지면서도, 각종 외부환경에 거의 간섭을 받지 않고 탁도의 측정이 가능한 효율적인 센서를 저렴한 가격으로 제공할 수 있는 효과를 가진다.
뿐만 아니라, 외부의 환경에 거의 간섭을 받지 않고 탁도의 측정이 가능하기 때문에, 탁도를 측정하고자 하는 유체가 존재하지 아니하는 상태에서 발광소자로부터 수광소자를 거쳐 측정된 빛의 강도를 기준값으로 설정하여 놓은 다음, 이를 유체를 통과한 빛의 강도값과 비교토록 함으로서, 유체의 탁도를 보다 손쉽고 용이하며 알기 쉽게 구현시킬 수 있는 효과 또한 가지게 된다.
특히, 본 발명의 탁도측정용 센서모듈은 소정의 위치에 고정된 상태로 유체의 탁도를 측정할 수 있음은 물론이고, 유체의 내부를 따라 이동하면서 유체의 탁도를 측정하는 것도 가능한 효과가 있으며, 이로 인하여 탁도측정용 센서의 적용범위를 보다 더 폭넓게 확보함으로서, 센서 제품의 실용적인 가치를 크게 고양시킬 수 있는 등의 매우 유용한 효과를 가지는 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 탁도측정용 센서모듈의 작동원리를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 센서모듈이 제어모듈과 함께 설치된 상태를 나타내는 배선도이며,
도 4의 (가) 및 (나)는 본 발명에 따른 센서모듈의 고정식 설치상태도이고,
도 5는 본 발명에 따른 센서모듈의 이동식 설치상태도이다.
이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 탁도측정용 센서모듈은 도 1 및 도 2에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 적외선을 발산시키는 발광소자(1)와, 상기 발광소자(1)로부터 소정의 간격을 두고 이격된 위치에서 발광소자(1)와 마주보도록 설치되는 수광소자(2)를 포함하여서 이루어진다.
따라서, 발광소자(1)로부터 수광소자(2)를 향하여 빛(적외선)을 비추게 되면, 유체에 포함된 이물질이나 슬러지 성분 등에 의하여 발광소자(1)로부터 발산된 빛의 일부가 흡수되거나 산란된 상태로 수광소자(2)에 도달하게 되며, 수광소자(2)에서는 이러한 감쇠된 투과광이나 산란광의 강도를 측정함으로서, 유체의 투과도, 즉 유체의 탁도를 감지하는 원리가 적용된다.
상기와 같이 발광소자(1)로부터 발산되는 적외선 및 유체를 통과한 투과광이나 산란광의 강도를 측정하는 수광소자(2)로서 탁도측정용 센서모듈을 구성하게 되면, 고주파를 이용한 종래의 탁도측정용 센서에 비하여 매우 간단한 구조를 가지면서도, 각종 외부환경에 거의 간섭을 받지 않고 탁도의 측정이 가능한 효율적인 센서를 제공할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명의 탁도측정용 센서모듈이 외부환경에 거의 간섭을 받지 않는 이유는, 고주파와 같은 파장만을 이용하는 것이 아니라 빛에너지가 가지는 파동성과 입자성을 동시에 적용시킨 것에 기인하며, 상기 발광소자(1)로서는 적외선 발광다이오드(LED)를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 수광소자(2)로서는 포토다이오드(Photo diode) 또는 포토트랜지스터(Photo transistor) 중에서 택일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 발광소자(1)로서의 적외선 발광다이오드는, 오디오나 비디오의 원격제어(리모트 컨트롤러)와 컴퓨터의 적외선 통신포트에 널리 사용되는 것으로서, 낮은 전력을 사용하더라도 효과적인 빛에너지를 발산시키므로 일반 적외선램프에 비하여 발열량과 고장이 적은 한편, 전력량을 조절하는 것에 의하여 그 밝기를 용이하게 조정할 수 있는 특징이 있다.
본 발명에 따른 센서모듈에 적외선 발광다이오드를 적용하는 회로의 설계시, 순수한 보통의 저항과는 다른 자체의 내부저항을 가지고 있는 발광다이오드를 사용하는 것이 바람직하며, 그 일례로 지향각도가 ±17도인 적외선 발광다이오드로서 주식회사 코댄시 코리아(Kodenshi Korea Co., Ltd)에서 상품명 CL-1KL3으로 시판되는 제품을 들 수 있다.
그리고, 상기 수광소자(2)로서의 포토다이오드는 광다이오드라고도 하며, 광검출 기능을 가지는 반도체 다이오드이고, 포토트랜지스터는 접합형 트랜지스터와 동일한 구성으로 이루어지며, 빛이 베이스-컬렉터 PN 접합에 도달할 수 있도록 투명한 케이스에 넣어져 있는 바, 포토트랜지스터 또한 포토다이오드처럼 동작하지만 빛에는 더 민감하다.
본 발명에 따른 센서모듈에 적용 가능한 수광소자(2)의 일례로서, 주식회사 코댄시 코리아(Kodenshi Korea Co., Ltd)에서 상품명 HP-202로 시판되고 있는 포토다이오드 제품을 들 수 있으며, 상기 HP-202 포토다이오드는 출력의 직선범위가 넓고 분광감도의 특성이 포토트랜지스터보다 우수할 뿐만 아니라 광기전력 효과를 이용하므로 소자에 대한 바이어스(소자의 동작점을 부여하기 위하여 전극에 일정한 전류나 전압을 가하는 것)가 불필요한 특징을 가지고 있다.
상기와 같이 본 발명의 탁도측정용 센서모듈을 이루는 발광소자(1)와 수광소자(2)로서, 시중에 널리 시판되고 있는 적외선 발광다이오드나 포토다이오드 또는 포토트랜지스터를 적용시킬 수 있으며, 이러한 부품의 가격 또한 매우 저렴하기 때문에, 외부환경에 거의 간섭을 받지 않고 탁도의 측정이 가능한 효율적인 센서를 한층 더 합리적인 가격에 제공할 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명의 탁도측정용 센서모듈이 외부의 환경에 거의 간섭을 받지 않기 때문에, 탁도를 측정하고자 하는 유체가 존재하지 아니하는 상태에서 발광소자(1)로부터 수광소자(2)를 거쳐 측정된 빛의 강도를 기준값으로 설정하여 놓은 다음, 이를 유체를 통과한 빛의 강도값과 비교하여 탁도의 정도를 보다 손쉽고 용이하며 알기 쉽게 구현시킬 수 있게 된다.
상기 발광소자(1)와 수광소자(2)는 탁도를 측정하고자 하는 유체를 사이에 두고 어떠한 형태로든 설치가 가능하며, 도 1 및 도 2에서는 유리관과 같은 투명관(4)의 내부에 제공된 유체통로(3)를 따라 흐르는 유체의 탁도를 측정토록 하는 것을 대표적인 예로 도시하였다.
따라서, 상기 발광소자(1)와 수광소자(2)는 투명관(4)의 외부에서 서로 마주보도록 위치하고 있으며, 각각의 소자(1)(2)로부터 후방으로 연장되는 것은, 발광소자(1)로 전원을 공급시키는 한편, 수광소자(2)로부터 측정된 투과광이나 산란광의 값(기전력)을 제어모듈로 전달시키는 리드선이 된다.
이와 더불어, 도 2에 도시된 바와 같이, 발광소자(1)로부터 발산된 빛이 도달하는 수광부위에 걸쳐 상기 수광소자(2)가 다수 개의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)로 분산 설치되도록 하면, 수광부위에 도달하는 투과광이나 산란광의 강도를 각각의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)에 의하여 여러 각도 및 위치에서 보다 더 세부적으로 측정할 수 있게 된다.
상기와 같이 각각의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)로부터 측정된 값을 그 각도와 위치 조건에 기초하여 종합적으로 연산 처리하게 되면, 유체의 탁도에 대한 보다 정확한 측정값을 제공할 수 있으며, 도면상 3개의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)가 수광부위를 따라 일직선상으로 설치되어 있으나, 이보다 많은 개수의 채널용 소자를 수광부위를 이루는 일정한 면적에 걸쳐 분산 설치할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 의한 탁도측정용 센서모듈(10)이 제어모듈(9)과 함께 설치된 상태를 나타내는 것으로서, 상기 제어모듈(9)에는 발광소자(1)의 배터리(6)와, 수광소자(2)로부터 입력된 데이터를 연산 처리하는 CPU(5) 및 상기 CPU(5)에서 연산처리된 값을 A/D변환기(아날로그→디지털)(7)를 거쳐 구현시키는 LCD(8) 모니터를 포함하여서 이루어진다.
상기 배터리(6)는 발광소자(1)와 함께 제어모듈(9)의 작동에 필요한 전원을 공급시키는 것으로서, 이와 같은 배터리(6)를 적용시키지 아니하고 발광소자(1) 및 CPU(5)를 케이블에 의하여 일반 전원과 접속시키는 것도 가능하며, 도 3에 도시된 제어모듈(9) 또한 하나의 최적 실시예를 제시한 것으로서, 이외에도 다양한 제어모듈의 회로구성이 가능함은 물론이다.
도 4의 (가) 및 (나)에서는 본 발명의 센서모듈(10)을 고정식으로 장착시켜 사용하는 예를 나타내었는 바, 도 4의 (가)에서는 앞선 기재에서 설명되어진 바와 같이 투명관(4) 소재의 외부측에 "ㄷ"자 형상의 모듈케이스(11)를 설치하는 한편, 상기 모듈케이스(11)의 상,하측단 내부면에 발광소자(1)와 수광소자(2)가 서로 마주보도록 설치된 것이다.
도 4의 (나)에 도시된 것은 유체통로(3)를 제공하는 유체배관(4a)이 투명관 소재가 아닐 경우, 상기 모듈케이스(11)를 유체배관(4a)과 밀착시켜 설치하는 한편, 모듈케이스(11)의 상,하측단에 설치되는 발광소자(1) 및 수광소자(2)가 유체배관(4a)을 관통하여 유체통로(3)의 내부로 삽입되도록 한 것이며, 이외에도 다른 여러 가지 방식으로 본 발명의 탁도측정용 센서모듈(10)을 유체통로(3)상에 고정식으로 설치할 수 있다.
도 5에 도시된 것은 본 발명의 센서모듈(10)을 이동식으로 설치하여 사용하는 예를 나타내었는 바, 유체가 저장되는 저장탱크(12)의 내부에 가이드레일(13)을 수직 방향으로 설치하는 한편, 본 발명의 센서모듈(10)이 장착된 부표식의 모듈케이스(11)가 가이드프레임(13a)에 의하여 상기 가이드레일(13)과 연결 설치되도록 한 것이다.
따라서, 상기 저장탱크(12)의 내부로 유체가 유입될 경우에는, 부표식의 모듈케이스(11)가 유체의 수면을 따라 상부로 이동하게 되고, 저장탱크(12)의 배출관(12a)을 통하여 유체가 배출될 경우에는, 부표식의 모듈케이스(11)가 유체의 수면을 따라 하부로 이동하게 되며, 이러한 이동 과정에서 발광소자(1) 및 수광소자(2)를 사용하여 유체의 탁도를 측정할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명에 따른 센서모듈(10)은 발광소자(1)와 수광소자(2)를 이용하는 원리를 적용시킴에 따라, 도 4에 도시된 바와 같은 고정식 탁도 측정 뿐만 아니라 도 5에 도시된 바와 같은 이동식 탁도 측정이 가능하게 되며, 이로 인하여 탁도측정용 센서의 적용범위를 보다 더 폭넓게 확보하여 센서 제품의 실용적인 가치를 크게 고양시킬 수 있는 것이다.
도 4 및 도 5에서 센서모듈(10)의 설치프레임 또는 설치케이스로 제공된 모듈케이스(11)는 발광소자(1)와 수광소자(2)만이 설치된 것일 수도 있고, 상기 제어모듈(9)을 이루는 부품중에서 배터리(6)와 CPU(5) 또는 A/D변환기(7) 등을 각각의 소자(1)(2)와 함께 내장시킨 것일 수도 있으며, 상기 모듈케이스(11)에는 센서모듈(10)의 작동이나 데이터의 교환 등을 위하여 케이블(11a)이 연결 설치된다.
마지막으로, 본 발명의 센서모듈(10)을 이루는 발광소자(1)와 수광소자(2)는 유체의 탁도측정에 사용되는 것이므로, 해당 소자(1)(2)의 표면에 이물질이나 슬러지가 부착됨에 따른 센서의 오작동 및 측정값의 오차 등을 방지할 수 있도록, 발광소자(1) 및 수광소자(2)와 인접한 위치에 미도시된 세척노즐을 설치하여 사용할 수도 있음을 밝혀두는 바이다.
상기 세척노즐은 블로워와 연결되어 세척용 공기를 분사하는 에어분사노즐이 될 수도 있고, 펌프와 연결되어 세척수를 분사시키는 세척수 분사노즐이 될 수도 있는 바, 도 4의 (가)에 도시된 바와 같이 각각의 소자(1)(2)가 유체통로(3)의 외부에 설치되는 경우에는 에어분사노즐이 바람직하고, 도 4의 (나) 및 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 소자(1)(2)가 유체통로(3)나 저장탱크(12)의 내부에 설치되는 경우에는 세척수 분사노즐이 바람직하다.
1 : 발광소자 2 : 수광소자 2a,2b,2c : 채널용 소자
3 : 유체통로 4 : 투명관 4a : 유체배관
5 : CPU 6 : 배터리 7 : A/D변환기
8 : LCD 9 : 제어모듈 10 : 센서모듈
11 : 모듈케이스 11a : 케이블 12 : 저장탱크
12a : 배출관 13 : 가이드레일 13a : 가이드프레임

Claims (3)

  1. 유체의 탁도(濁度)를 측정하는 센서기구에 있어서,
    상기 센서기구는, 적외선을 발산시키는 발광소자(1)와, 상기 발광소자(1)로부터 소정의 간격을 두고 이격된 위치에서 발광소자(1)와 마주보도록 설치되는 수광소자(2)를 포함하여서 이루어지는 것을 특징으로 하는 탁도측정용 센서모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 수광소자(2)는 수광부위에 걸쳐 다수 개의 채널용 소자(2a)(2b)(2c)로 분산 설치되는 것을 특징으로 하는 탁도측정용 센서모듈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 발광소자(1)는 적외선 발광다이오드(LED)가 되고, 상기 수광소자(2)는 포토다이오드(Photo diode) 또는 포토트랜지스터(Photo transistor) 중에서 택일하여서 되는 것을 특징으로 하는 탁도측정용 센서모듈.
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