KR20190001439A

KR20190001439A - 전기전도도 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20190001439A
Application number: KR1020170081431A
Authority: KR
Inventors: 우용택; 김재용; 성수경; 김대영
Original assignee: 한국남부발전 주식회사; (주) 해리아나
Priority date: 2017-06-27
Filing date: 2017-06-27
Publication date: 2019-01-04
Also published as: KR101987307B1

Abstract

본 발명은 전기전도도 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 전기전도도 측정 장치 및 방법은, 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생하는 파형발생부; 대상물질에 상기 측정신호를 인가하는 구동전극 및 대상물질에서 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 감지전극을 포함하는 전극센서부; 파형발생부에서 입력된 측정신호와 감지전극에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 동기검파기; 파형발생부에서 출력되는 측정신호를 입력받아 동기검파기의 검출신호의 최저기준값 및 최고기준값을 각각 설정하는 최저기준부 및 최고기준부; 및 파형발생부를 작동시키고, 동기검파기로부터 입력된 검출신호가 최저기준부 및 최고기준부에서 설정된 기준범위 내에 포함되는 경우 대상물질에 대한 전기전도도를 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전기전도도 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING ELECTRICAL CONDUCTIVITY}

본 발명은 전기전도도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자체 보정 및 잡음 제거가 가능한 전극 방식 전도도 센서를 이용하여 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기전도도(Electric conductivity)는 전기가 통하기 쉬운 정도로서 물질이나 용액이 전하를 운반할 수 있는 정도를 의미한다. 이러한 전기전도도는 전기 비저항의 역수로 나타낸다. 물질의 저항을 R, 비저항을 ρ, 단면적을 S, 길이를 l 이라하면 R=(ρ x l)/S의 관계식이 성립한다.

전기전도도 L은 전기 비저항의 역수이므로 L=1/ρ=l/RS로 표현된다. 금속은 일반적으로 전기저항이 적어 전기전도도가 좋다. 전해질 용액의 전기전도도는 이온의 농도 외에도 전극 간의 거리, 전극의 단면적, 이온의 전하크기, 온도 등에 의해 영향을 받는다.

이러한 전기전도도의 국제단위는 S(지멘스)/m이다. 1μS/cm=0.001dS/m이며, 이는 저항값으로는 1㏁이다. 따라서, 0.1dS/m=100㏀, 10dS/m=100Ω이다. 전기전도도와 저항값은 이러한 상관관계가 존재한다. 이와 같은 상관관계를 이용하여 종래의 전기전도도 측정장치에서는 물질이나 용액의 저항값을 측정하여 그에 대응하는 전기전도도를 측정하도록 한다.

이를 위해 종래에는 측정하고자 하는 물질이나 용액내에 두 개의 전극을 설치하여 두 전극을 통해 검출되는 전류의 세기를 통해 저항값을 측정하고 이러한 저항값을 이용하여 전기전도도를 측정하도록 한다. 하지만, 종래기술에서는 보일러용수, 담수, 염수 등 물과 같은 매질을 통해 측정되어지는 전기전도도는 전기적 변환 신호와의 상관 관계에서 통상 비선형성을 가지게 된다.

즉, 전극의 상태 및 전기적 회로의 동작 상태에 따라 측정 시 오차 및 전기적 잡음의 영향을 받을 수 있다.

또한, 비선형성 출력 특성, 오차 유형, 전기적 잡음 등의 영향으로, 보일러용수 또는 초정수 등 0~수십μS/cm에 해당하는 매질의 전도도 측정 시 오차 발생 가능성이 높으며, 현장에서 문제 발생 시 이를 보정하는 방법이 매우 불편한 문제점이 있었다.

본 발명의 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1512107호(등록일 : 2015.04.08.등록)인 "전기전도도 측정장치 및 이를 이용한 전기전도도의 측정방법"이 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 자체 보정 및 잡음 제거가 가능한 전극 방식 전도도 센서를 이용하여 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 전기전도도 측정 장치는, 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생하는 파형발생부; 상기 대상물질에 상기 측정신호를 인가하는 구동전극 및 상기 대상물질에서 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 감지전극을 포함하는 전극센서부; 상기 파형발생부에서 입력된 측정신호와 상기 감지전극에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 동기검파기; 상기 파형발생부에서 출력되는 측정신호를 입력받아 상기 동기검파기의 검출신호의 최저기준값 및 최고기준값을 각각 설정하는 최저기준부 및 최고기준부; 및 상기 파형발생부를 작동시키고, 상기 동기검파기로부터 입력된 검출신호가 상기 최저기준부 및 최고기준부에서 설정된 기준범위 내에 포함되는 경우 상기 대상물질에 대한 전기전도도를 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 대상물질과 상기 전극센서부에 대응되는 회로를 구비하여 상기 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력하는 기준센서부;를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 기준센싱신호를 입력받아 상기 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부의 오류를 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 파형발생부에서 발생되는 측정신호를 상기 기준센서부 및 상기 구동전극에 선택적으로 전환하여 제공하는 아날로그 신호 다중화부; 및 상기 기준센서부의 기준센싱신호 및 상기 감지전극의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 상기 동기검파기에 제공하는 아날로그 신호 분배부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 기준센서부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터가 다수 개 병렬 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 파형발생부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 커패시터를 구비한 공진회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 최저기준부 및 최고기준부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 제어부는, 상기 파형발생부를 초기화하고, 상기 기준센서부의 기준저항값을 설정하며, 상기 최저기준부 및 최고기준부의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계를 수행하고, 상기 초기화 단계에서 설정한 설정 데이터를 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 제어부가 상기 측정된 대상물질에 대한 검출신호가 상기 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 상기 기준센서부를 통해 전극센서부의 오류를 검출한 경우, 알람을 발생하거나 디스플레이 표시하는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 전극센서부는, 상기 대상물질의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 온도센서로부터 대상물질의 온도를 입력받아 온도 보상 처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전기전도도 측정 방법은, 제어부가 파형발생부를 작동시켜 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생시키는 단계; 전극센서부가 구동전극을 통해 상기 대상물질에 상기 측정신호를 인가하고, 감지전극을 통해 상기 대상물질로부터의 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 단계; 동기검파기가 상기 파형발생부에서 입력된 측정신호와 상기 감지전극에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 단계; 상기 제어부가 상기 동기검파기로부터 입력된 검출신호가 최저기준부 및 최고기준부에서 설정된 기준범위 내에 포함되는지 판단하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 검출신호가 상기 기준범위 내에 포함되는 경우 전기전도도를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 대상물질과 상기 전극센서부에 대응되는 회로를 구비하고 있는 기준센서부가 상기 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 기준센싱신호를 입력받아 상기 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부의 오류를 검출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 아날로그 신호 다중화부가 상기 파형발생부에서 발생되는 측정신호를 상기 기준센서부 및 상기 구동전극에 선택적으로 전환하여 제공하는 단계; 및 아날로그 신호 분배부가 상기 기준센서부의 기준센싱신호 및 상기 감지전극의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 상기 동기검파기에 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 측정신호를 발생시키는 단계에서, 상기 파형발생부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 커패시터를 포함하는 공진회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 기준범위 내에 포함되는지 판단하는 단계에서, 상기 최저기준부 및 최고기준부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 제어부가 전원이 인가되면 상기 파형발생부를 초기화하고, 상기 기준센서부의 기준저항값을 설정하며, 상기 최저기준부 및 최고기준부의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계;를 더 포함하되, 상기 초기화 단계에서, 상기 제어부가 상기 설정한 설정 데이터를 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 상기 제어부가 출력부를 통해 상기 측정된 대상물질에 대한 검출신호가 상기 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 상기 기준센서부를 통해 전극센서부의 오류를 검출한 경우, 알람을 발생하거나 디스플레이 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 전극센서부는, 상기 대상물질의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하되, 상기 제어부가 상기 온도센서로부터 대상물질의 온도를 입력받아 온도 보상 처리를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치 및 방법은, 자체 보정 및 잡음 제거가 가능한 전극 방식 전도도 센서를 이용하여 전기전도도를 측정함으로써, 고장 진단 여부가 임의의 시간마다 자동 진행이 되어 기기의 동작 상태 확인이 편리하고, 측정 범위 설정에 따라 자동 출력 범위가 조정이 되어 편의성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 고장 진단 및 센서 측정값에 대한 보정이 임의의 시간마다 자동 수행 되어, 센서에 대한 수동적인 고장 진단 및 동작 상태 작업 횟수가 감소되는 효과가 있다.

또한, 주변 환경에 잡음 여과 기능 강화로 보다 적은 오차율의 측정값 획득이 가능하고, 고장 상태, 오동작 여부 등의 확인을 통해 신뢰성이 높은 측정값 획득이 가능하며, 높은 분해능의 아날로그-디지털 신호변환기를 적용하여 정밀한 측정이 가능하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치 및 방법은, 출력부의 기능을 추가하여 IoT등의 신산업환경에 적용 가능하도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 파형발생부를 나타낸 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 기준센서부를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 최저기준부 및 최고기준부를 나타낸 회로 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치 및 방법을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치를 개략적으로 나타낸 회로 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 파형발생부를 나타낸 회로 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 기준센서부를 설명하기 위한 회로 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치의 최저기준부 및 최고기준부를 나타낸 회로 구성도로서, 이를 참조하여 전기전도도 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치는, 구동전극(1), 감지전극(6) 및 온도센서(16)를 포함하는 전극센서부(1, 6, 16)와, 아날로그 신호 다중화부(2), 파형발생부(3), 기준센서부(4), 아날로그 신호 분배부(5), 동기검파기(7), 제1저주파 통과 신호 여과기(8), 최저기준부(14), 최고기준부(15), 신호검출부(17), 제2저주파 통과 신호 여과기(18), 출력부(21), 전류출력부(22), 통신출력부(23) 및 키입력부(24)를 포함한다.

전극센서부(1, 6, 16)는 측정하고자 하는 물질(대상물질)의 전기전도도 및 온도를 측정한다. 전극센서부(1, 6, 16)는 대상물질에 측정신호를 인가하는 구동전극(1) 및 대상물질에서 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 감지전극(6)을 포함한다. 이때, 구동전극(1)은 파형발생부(3)와 연결된 구동용 전극(Driving Electrode)으로, 구동전극(1)에서 발생된 전기 신호가 중간 매질을 통해 상태가 변경이 되고, 이 변경된 전기적 신호를 감지용 전극(Sensing Electrode)인 감지전극(6)에서 감지할 수 있다.

그리고, 전극센서부(1, 6, 16)의 온도센서(16)는 대상물질의 온도를 측정한다. 이때, 온도센서(16)는 저항식 온도 센서(RTD)로 구성될 수 있다.

파형발생부(3)는 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생한다. 즉, 파형발생부(3)는 주파수를 가변하여 전극센서부(1, 6, 16)에 특정 주파수의 교류 신호를 출력할 수 있다. 파형발생부(3)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(9)에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 커패시터를 포함하는 공진회로로 구성될 수 있다. 즉, 파형발생부(3)는 제어부(9)의 제어에 따라, 자동으로 주파수 변경이 가능할 수 있다.

한편, 파형발생부(3)는 도 2의 예에 한정되지 않고, 특정 주파수를 발생시키는 다양한 주파수 발생장치가 적용될 수 있다.

이때, 파형발생부(3)에서 발생된 파형이 구동전극(1)에 전달되고, 구동전극(1)에서 출력된 전기적 신호는 액체 성분의 매질(대상물질) 상태에 따라, 전기적 저항 특성이 변경이 되어 감지전극(6)으로 입력이 된다. 즉, 파형발생부(3)는 측정 대상인 액체 성분의 매질에 대한 전도도 및 전기전자적 특성을 검출하기 위해, 특정 주파수를 출력하고, 이때 제어부(9)를 통해 주파수를 자동 생성할 수 있으며, 제어부(9)의 주파수 설정치는 외부에 위치한 키입력부(24)의 입력을 통해 입력될 수 있다.

다시 말해, 파형발생부(3)에서 조립된 저항과 커패시터의 조합에 따라, 특정 주파수와 진폭의 사인파형이 생성되고, 생성된 사인파형은 구동전극(1)을 통해 매질로 전류를 흘리게 되며, 매질의 전도도에 따라, 감지전극(6)으로 전자의 흐름이 발생된다. 이는 매질의 저항성 및 정전용량성 저항 성분의 차이에 기인할 수 있다. 따라서, 매질의 상태에 따라, 입력 사인파형에 대한 위상 변화가 발생하게 된다. 전극에 의해 측정될 수 있는 매질의 전도도는 통상 보일러 용수, 담수, 염수 등 0 μS/cm~ 10,000 μS/cm 정도이며, 매질은 물탱크 형태 또는 배관 형태의 용기 내부에 담기거나, 흐를 수 있다.

한편, 상기에서 전기적 저항 특성 변경에 따라 주파수 위상이 변경 되고, 이 신호는 동기검파기(7)에서 전기적 전압 신호로 변경 된다. 이때, 동기검파기(Synchronous Detector, 7)는 파형발생부(3)에서 입력된 측정신호와 감지전극(6)에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출한다. 즉, 동기검파기(7)는 파형발생부(3)에서 입력된 클럭(Clock)과 구동전극(1)에서 입력된 교류 신호에 대한 위상차를 검출하여 전압으로 변경할 수 있다. 동기검파기(7)에서 출력된 전압 신호는 제1저주파 통과 신호 여과기(8)를 통해 필터링되어 제어부(9)에 전달될 수 있다. 이때, 제1저주파 통과 신호 여과기(8)는 저역통과필터(Low Pass Filter)로 구성될 수 있다.

기준센서부(4)는 대상물질과 전극센서부(1, 6, 16)에 대응되는 회로를 구비하여 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력한다. 다시 말해, 기준센서부(4)는 매질(대상물질)의 상태에 따라서, 구동전극(1)과 감지전극(6)의 상관관계를 회로적으로 구현하는 것으로, 구동전극(1)과 감지전극(6)의 상관관계를 저항과 커패시터의 관계로 정의하는 가상센서를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 기준센서부(4)는 제어부(9)에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터가 다수 개 병렬 구성될 수 있다. 또한, 기준센서부(4), 아날로그 신호 다중화부(2) 및 아날로그 신호 분배부(5)가 상호 연동하여 센서의 동작 상태, 고장 유무 등의 확인을 할 수 있도록 한다.

즉, 아날로그 신호 다중화부(2)는 파형발생부(3)에서 발생되는 측정신호를 기준센서부(4) 및 구동전극(1)에 선택적으로 전환하여 제공할 수 있다. 이때, 아날로그 신호 다중화부(2)는 제어부(9)에 의해 동작이 제어될 수 있는데, 파형발생부(3)에서 발생되는 측정신호를 기준센서부(4) 및 구동전극(1)에 일정 시간 간격으로 전환하여 제공할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 또한, 아날로그 신호 분배부(5)는 기준센서부(4)의 기준센싱신호 및 감지전극(6)의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 동기검파기(7)에 제공할 수 있다. 아날로그 신호 분배부(5)도 제어부(9)에 의해 동작이 제어될 수 있으며, 기준센서부(4)의 기준센싱신호 및 감지전극(6)의 센싱신호를 일정 시간 간격으로 전환하여 동기검파기(7)에 제공할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.

이때, 제어부(9)는 기준센싱신호를 입력받아 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부(1, 6, 16)의 오류를 검출할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)를 포함한다. 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)는 파형발생부(3)에서 출력되는 측정신호를 입력받아 동기검파기(7)의 검출신호의 최저기준값 및 최고기준값을 각각 설정할 수 있다. 다시 말해, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)는 가변저항의 크기를 변경하여 감지전극(6)의 센싱신호에 대한 최저 및 최고 측정 범위를 각각 설정할 수 있도록 하는 것으로, 제어부(9)에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 상기 센싱신호을 입력받아 출력되는 동기검파기(7)의 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력할 수 있다. 즉, 제어부(9)는 가변저항을 조절하여 기준범위 설정에 따라 자동 출력 범위를 조정할 수 있다. 그리고, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)는 예컨대 4mA~ 20mA 또는 0mA~ 20mA 전류 출력에 대하여, 제어부(9)에서 제어를 하는 기준 데이터를 제공하며, 제어부(9)가 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)를 통해 입력 파형을 분석하여 전극센서부(1, 6, 16), 즉 감지전극(6)의 센싱값에 대한 잡음제거 제어를 수행할 수 있도록 참조 데이터를 생성하여 제공할 수 있다.

다시 말해, 제어부(9)는 동기검파기(7)로부터 입력된 검출신호가 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 설정된 기준범위 내에 포함되는지 여부를 판단하여 기준범위 내에 포함되는 경우에 대상물질에 대한 전기전도도를 산출할 수 있다. 즉, 제어부(9)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 가변저항을 조절하여 기준범위를 설정하고, 파형발생부(3)를 작동시켜 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 입력되는 전기적 신호에 따라 데이터 여과 제어를 수행하여 전기전도도를 산출할 수 있는 것이다.

한편, 전기 전도도는 온도에 의해 변화가 발생이 되므로, 온도 영향에 의한 편차에 대해서 보상을 해야 한다. 이를 위해 온도센서(16)가 설치되어 대상물질의 온도를 측정하며, 온도 보상을 위한 기준 온도는 예컨대 25℃일 수 있다. 이때, 온도센서(16)에서 출력된 대상물질의 온도 데이터가 신호검출부(17)와 제2저주파 통과 신호 여과기(18)를 통과하여 제어부(9)에 전달된다. 여기서, 제2저주파 통과 신호 여과기(18)는 저역통과필터(Low Pass Filter)로 구성될 수 있다. 즉, 제어부(9)는 온도센서(16)로부터 대상물질의 온도를 입력받아 온도 보상 처리를 수행할 수 있다. 이때, 제어부(9)는 온도센서(16)에서 측정된 온도값을 적용하여, 기 측정된 전기전도도에 해당하는 디지털 값을 보상 처리할 수 있으며, 최종 온도 보상 처리된 전기전도도의 디지털 값을 실제 전기전도도 값으로 변환할 수 있다.

제어부(9)는 제1, 2, 3, 4 A/D 신호변환부(10, 11, 12, 13), 주처리부(19) 및 출력연동부(20)를 포함하여, 입력 신호에 대한 처리 및 출력 상태를 처리한다.

이때, 제1 A/D 신호변환부(10)는 제1저주파 통과 신호 여과기(8)에서 입력되는 최종 전기전도도에 대한 아날로그 전압 신호를 디지털 신호로 변환한다.

또한, 제2, 3 A/D 신호변환부(11, 12)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 입력된 전기적 신호를 디지털 값으로 변경하고, 제4 A/D 신호변환부(13)는 제2저주파 통과 신호 여과기(18)에서 입력되는 온도 데이터를 디지털 값으로 변경한다.

여기서, 제1, 2, 3, 4 A/D 신호변환부(10, 11, 12, 13)는 16bit 이상의 고해상도 아날로그-디지털 신호 변환기(A/D Converter)로 구성될 수 있다.

주처리부(19)는 제어부(9)에 저장된 프로그램에 따라서 입력 신호 및 출력 신호에 대한 제어를 처리하는 MPU(Main Processing Unit)일 수 있다.

출력연동부(20)는 제어부(9)에 내장되어 주처리부(19)에 의해 처리된 신호를 프로그램에 따라 출력 장치들(21, 22, 23)과 연동이 되도록 한다.

즉, 제어부(9)는 다수의 제어용 입출력 단자를 포함하는 마이크로처리기 또는 동일한 기능을 포함하는 기기의 조합 회로로 구성될 수 있다.

제어부(9)는 파형발생부(3)를 작동시켜, 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호가 파형발생부(3)에서 발생하여 구동전극(1)에 전달되도록 한다. 그리고, 제어부(9)는 파형발생부(3)에서 입력된 측정신호와 감지전극(6)에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 동기검파기(7)의 검출신호를 입력받고, 상기 검출신호가 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 설정된 기준범위 내에 포함되는지 여부를 확인할 수 있다. 그리고, 검출신호가 기준범위 내에 포함되는 경우, 대상물질에 대한 전기전도도를 산출할 수 있고, 기준범위를 벗어나는 경우에는 알람 또는 디스플레이 표시를 출력할 수 있다. 또한, 제어부(9)는 기준센서부(4)의 기준센싱신호를 입력받아 기준센싱신호의 변화 정도를 비교 분석하고 이에 기초하여 검출신호에 대응되는 출력값을 보정할 수 있다.

보다 자세하게는, 제어부(9)는 전원이 인가되면 내장 프로그램에 따라서 입출력 기능 및 내부 변수, 메모리 등의 초기화 작업을 수행한다.

즉, 제어부(9)는 전원이 인가되면 파형발생부(3)를 초기화하고, 기준센서부(4)의 기준저항값을 설정하며, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계를 수행할 수 있다. 그리고, 제어부(9)는 상기 초기화 단계에서 설정한 설정 데이터를 제어부(9)의 내부의 비휘발성 기억장치(미도시)에 저장할 수 있다.

또한, 제어부(9)는 전원 인가 후 초기화 단계 및 설정된 시간 주기마다, 기준센서부(4), 아날로그 신호 다중화부(2) 및 아날로그 신호 분배부(5)의 출력 상태를 순차적으로 입력 받아, 값의 변화 정도를 비교 분석한 후 상기 비휘발성 기억장치에 저장할 수 있다. 이때 제어부(9)는 비교 분석한 자료에 기초하여 전기전도도 센서 동작의 고장 유무의 판단과, 출력값 오차 등의 보정을 수행할 수 있다. 다만, 상기에서 제어부(9)는 설정된 시간 주기마다, 기준센서부(4), 아날로그 신호 다중화부(2) 및 아날로그 신호 분배부(5)의 출력 상태를 순차적으로 입력 받는다고 하였으나, 이에 한정하지는 않는다.

다음으로, 제어부(9)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 출력신호, 전극센서부(1, 6, 16)의 온도센싱값 및 초기화 단계 시 설정한 설정 데이터에 기초하여 온도 보상 및 데이터 여과 제어를 수행할 수 있다.

그리고, 제어부(9)는 대상물질에 대한 검출신호가 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 기준센서부(4)를 통해 전극센서부(1, 6, 16)의 오류를 검출한 경우 출력부(21)를 통해 알람을 발생하거나 디스플레이 표시할 수 있다.

또한, 제어부(9)는 온도 보상 및 데이터 여과 제어 결과를 전도도 또는 염도, 및 기타 사용자의 적용 환경에 따른 단위로 환산하여 온도와 같이 출력부(21)에 표시할 수 있다.

이때, 출력부(21)는 컬러 액정 표시기 또는 외부 표시기 및 알람발생부 등 제어부(9)의 제어 결과를 출력할 수 있는 수단을 모두 포함할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 전류출력부(22) 및 통신출력부(23)를 더 포함할 수 있는데, 특정 단위로 환산된 측정 결과 및 온도는 전류출력부(22)에 의해 4mA~ 20mA 또는 0mA~ 20mA 등으로 출력될 수 있고, 통신출력부(23)에 의해 CAN, RS232, RS485, 불루투스, Ethernet 등의 특정 방식으로 출력될 수 있다.

한편, 기준센서부(4), 아날로그 신호 다중화부(2), 아날로그 신호 분배부(5), 최저기준기(14) 및 최고기준기(15)에는 디지털 가변 저항기가 구비되어 있는데, 이는 제어부(9)에 의해 임의의 값으로 설정될 수 있으며, 키입력부(24) 입력 또는 제어부(9)에 내장된 프로그램의 절차에 따라 변경이 가능할 수 있다. 여기서 키입력부(24)는 외부에 위치하여 사용자에 의해 입력될 수 있고, 그 형태는 한정되지 않는다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 전기전도도 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 방법은, 먼저 제어부(9)가 전원이 인가되면 초기화 단계를 수행한다(S10).

제어부(9)는 전원이 인가되면 파형발생부(3)를 초기화하고, 기준센서부(4)의 기준저항값을 설정하며, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계를 수행할 수 있다. 그리고, 제어부(9)는 상기 초기화 단계에서 설정한 설정 데이터를 제어부(9)의 내부의 비휘발성 기억장치(미도시)에 저장할 수 있다.

다음으로, 제어부(9)는 동기검파기(7)로부터 검출신호를 입력받는다(S20).

이전에, 제어부(9)는 파형발생부(3)를 작동시켜, 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호가 파형발생부(3)에서 발생하여 구동전극(1)에 전달되도록 한다. 그리고, 제어부(9)는 파형발생부(3)에서 입력된 측정신호와 감지전극(6)에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 동기검파기(7)의 검출신호를 입력받는다.

그리고, 제어부(9)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 전기적 신호를 입력받고 비교 처리를 수행한다(S30).

여기서, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)는 파형발생부(3)에서 출력되는 측정신호를 입력받아 동기검파기(7)의 검출신호의 최저기준값 및 최고기준값을 각각 설정할 수 있다. 다시 말해, 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)는 가변저항의 크기를 변경하여 감지전극(6)의 센싱신호에 대한 최저 및 최고 측정 범위를 각각 설정할 수 있도록 하는 것으로, 제어부(9)에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 상기 센싱신호을 입력받아 출력되는 동기검파기(7)의 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력할 수 있다. 즉, 제어부(9)는 동기검파기(7)로부터 입력된 검출신호가 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 설정된 기준범위 내에 포함되는지 여부를 판단하여 기준범위 내에 포함되는 경우에 대상물질에 대한 전기전도도를 산출할 수 있다. 따라서, 제어부(9)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)의 가변저항을 조절하여 기준범위를 설정하고, 파형발생부(3)를 작동시켜 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 입력되는 전기적 신호에 따라 데이터 여과 제어를 수행하여 전기전도도를 산출할 수 있는 것이다.

이때, 대상물질의 전기전도도에 따라서 입력된 센싱신호와 파형발생부(3)의 검출신호를 동기검파기(7)로 입력을 받아 위상차 비례하는 전압 신호로 변환하고, 제1저주파 통과 신호 여과기(8)에 의해 전기적 잡음을 제거한 후, 제어부(9)에 내장된 A/D 신호변환부(10)으로 입력을 받아, 디지털 데이터로 변환할 수 있다. 또한, 변환된 디지털 데이터를 별도의 프로그램 처리로 소프트웨어 필터링 처리를 수행할 수 있다.

그 다음, 제어부(9)는 기준센서부(4)의 기준센싱신호를 확인한다(S40).

여기서, 기준센서부(4)는 대상물질과 전극센서부(1, 6, 16)에 대응되는 회로를 구비하여 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력한다. 다시 말해, 기준센서부(4)는 매질(대상물질)의 상태에 따라서, 구동전극(1)과 감지전극(6)의 상관관계를 회로적으로 구현하는 것으로, 구동전극(1)과 감지전극(6)의 상관관계를 저항과 커패시터의 관계로 정의하는 가상센서를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 기준센서부(4)는 아날로그 신호 다중화부(2) 및 아날로그 신호 분배부(5)와 상호 연동하여 센서의 동작 상태, 고장 유무 등의 확인을 할 수 있도록 한다.

여기서, 아날로그 신호 다중화부(2)는 파형발생부(3)에서 발생되는 측정신호를 기준센서부(4) 및 구동전극(1)에 선택적으로 전환하여 제공할 수 있다. 이때, 아날로그 신호 다중화부(2)는 제어부(9)에 의해 동작이 제어될 수 있는데, 파형발생부(3)에서 발생되는 측정신호를 기준센서부(4) 및 구동전극(1)에 일정 시간 간격으로 전환하여 제공할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 또한, 아날로그 신호 분배부(5)는 기준센서부(4)의 기준센싱신호 및 감지전극(6)의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 동기검파기(7)에 제공할 수 있다. 아날로그 신호 분배부(5)도 제어부(9)에 의해 동작이 제어될 수 있으며, 기준센서부(4)의 기준센싱신호 및 감지전극(6)의 센싱신호를 일정 시간 간격으로 전환하여 동기검파기(7)에 제공할 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.

즉, 제어부(9)는 기준센싱신호를 입력받아 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부(1, 6, 16)의 오류를 검출할 수 있다.

다음으로, 제어부(9)는 전극센서부(1, 6, 16)의 온도센서(16)로부터 온도측정값을 입력받는다(S50).

이때, 온도센서(16)의 저항 변화를 전압 신호로 변환하며, 이 신호도 제어부(9)에 내장된 A/D 신호변환부(13)으로 입력받아, 디지털 데이터로 변환하고 별도의 프로그램 처리로 스프트웨어 필터링 처리를 할 수 있다.

즉, 다음으로 제어부(9)는 측정온도를 반영한 온도 보상 처리를 수행한다(S60).

제어부(9)는 측정된 온도값을 적용하여 기 측정된 전기전도도에 해당하는 디지털 값을 보상 처리할 수 있다. 이때, 최종 온도 보상 처리된 전기전도도의 디지털 값을 실제 전기전도도 값으로 변환할 수 있다.

이때, 제어부(9)는 최저기준부(14) 및 최고기준부(15)에서 출력되는 전기적 신호, 온도센서(16)의 온도 측정값 및 초기화 단계 시 설정한 설정 데이터에 기초하여 온도 보상 및 데이터 여과 제어를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(9)는 S40 단계에서 기준센싱신호의 변화 정도를 비교 분석한 결과를 저장하고, 이에 기초하여 검출신호에 대응되는 출력값을 보정할 수 있다.

한편, 제어부(9)는 기준범위 초과 또는 오류 검출에 대한 알람 또는 디스플레이 출력하고(S70), 측정결과를 디스플레이 표시하며(S80), 전류 또는 통신 출력할 수 있다(S90).

이때, 제어부(9)는 대상물질에 대한 검출신호가 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 기준센서부(4)를 통해 전극센서부(1, 6, 16)의 오류를 검출한 경우 출력부(21)를 통해 알람을 발생하거나 디스플레이 표시할 수 있다.

또한, 제어부(9)는 온도 보상 및 데이터 여과 제어 결과를 전도도 또는 염도, 및 기타 사용자의 적용 환경에 따른 단위로 환산하여 출력부(21)에 표시할 수 있다.

또한, 변환된 결과값을 제어부(9)에 내장된 통신장치(미도시) 또는 전류출력부(22)를 통해 외부로 출력할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기전도도 측정 장치 및 방법은, 자체 보정 및 잡음 제거가 가능한 전극 방식 전도도 센서를 이용하여 전기전도도를 측정함으로써, 고장 진단 여부가 임의의 시간마다 자동 진행이 되어 기기의 동작 상태 확인이 편리하고, 측정 범위 설정에 따라 자동 출력 범위가 조정이 되어 편의성이 향상되는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1 : 구동전극 2 : 아날로그 신호 다중화부
3 : 파형발생부 4 : 기준센서부
5 : 아날로그 신호 분배부 6 : 감지전극
7 : 동기검파기 8 : 제1저주파 통과 신호 여과기
9 : 제어부 10 : 제1 A/D 신호변환부
11 : 제2 A/D 신호변환부 12 : 제3 A/D 신호변환부
13 : 제4 A/D 신호변환부 14 : 최저기준부
15 : 최고기준부 16 : 온도센서
17 : 신호검출부 18 : 제2저주파 통과 신호 여과기
19 : 주처리부 20 : 출력연동부
21 : 출력부 22 : 전류출력부
23 : 통신출력부 24 : 키입력부

Claims

대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생하는 파형발생부;
상기 대상물질에 상기 측정신호를 인가하는 구동전극 및 상기 대상물질에서 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 감지전극을 포함하는 전극센서부;
상기 파형발생부에서 입력된 측정신호와 상기 감지전극에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 동기검파기;
상기 파형발생부에서 출력되는 측정신호를 입력받아 상기 동기검파기의 검출신호의 최저기준값 및 최고기준값을 각각 설정하는 최저기준부 및 최고기준부; 및
상기 파형발생부를 작동시키고, 상기 동기검파기로부터 입력된 검출신호가 상기 최저기준부 및 최고기준부에서 설정된 기준범위 내에 포함되는 경우 상기 대상물질에 대한 전기전도도를 산출하는 제어부;를 포함하는 전기전도도 측정 장치.
제 1항에 있어서,
상기 대상물질과 상기 전극센서부에 대응되는 회로를 구비하여 상기 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력하는 기준센서부;를 더 포함하되,
상기 제어부는, 상기 기준센싱신호를 입력받아 상기 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부의 오류를 검출하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 2항에 있어서,
상기 파형발생부에서 발생되는 측정신호를 상기 기준센서부 및 상기 구동전극에 선택적으로 전환하여 제공하는 아날로그 신호 다중화부; 및
상기 기준센서부의 기준센싱신호 및 상기 감지전극의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 상기 동기검파기에 제공하는 아날로그 신호 분배부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 1항에 있어서,
상기 파형발생부는,
상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 커패시터를 구비한 공진회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 1항에 있어서,
상기 최저기준부 및 최고기준부는,
상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 2항에 있어서,
상기 기준센서부는,
상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터가 다수 개 병렬 구성된 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 파형발생부를 초기화하고, 상기 기준센서부의 기준저항값을 설정하며, 상기 최저기준부 및 최고기준부의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계를 수행하고, 상기 초기화 단계에서 설정한 설정 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제어부가 상기 측정된 대상물질에 대한 검출신호가 상기 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 상기 기준센서부를 통해 전극센서부의 오류를 검출한 경우, 알람을 발생하거나 디스플레이 표시하는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제 1항에 있어서,
상기 전극센서부는, 상기 대상물질의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하되,
상기 제어부는, 상기 온도센서로부터 대상물질의 온도를 입력받아 온도 보상 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 장치.
제어부가 파형발생부를 작동시켜 대상물질의 전기전도도를 측정하기 위한 측정신호를 발생시키는 단계;
전극센서부가 구동전극을 통해 상기 대상물질에 상기 측정신호를 인가하고, 감지전극을 통해 상기 대상물질로부터의 전기적 신호를 감지하여 센싱신호를 출력하는 단계;
동기검파기가 상기 파형발생부에서 입력된 측정신호와 상기 감지전극에서 입력된 센싱신호에 대한 위상차를 검출하는 단계;
상기 제어부가 상기 동기검파기로부터 입력된 검출신호가 최저기준부 및 최고기준부에서 설정된 기준범위 내에 포함되는지 판단하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 검출신호가 상기 기준범위 내에 포함되는 경우 전기전도도를 산출하는 단계;를 포함하는 전기전도도 측정 방법.
제 10항에 있어서,
상기 대상물질과 상기 전극센서부에 대응되는 회로를 구비하고 있는 기준센서부가 상기 측정신호를 입력받아 기준센싱신호를 출력하는 단계; 및
상기 제어부가 상기 기준센싱신호를 입력받아 상기 검출신호와 비교 분석하고 이에 기초하여 전극센서부의 오류를 검출하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 11항에 있어서,
아날로그 신호 다중화부가 상기 파형발생부에서 발생되는 측정신호를 상기 기준센서부 및 상기 구동전극에 선택적으로 전환하여 제공하는 단계; 및
아날로그 신호 분배부가 상기 기준센서부의 기준센싱신호 및 상기 감지전극의 센싱신호를 선택적으로 전환하여 상기 동기검파기에 제공하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 10항에 있어서,
상기 측정신호를 발생시키는 단계에서,
상기 파형발생부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 커패시터를 포함하는 공진회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 10항에 있어서,
상기 기준범위 내에 포함되는지 판단하는 단계에서,
상기 최저기준부 및 최고기준부는, 상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터를 구비하여 검출신호의 기준범위의 최저기준값과 최고기준값에 대응되는 전기적 신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 11항에 있어서,
상기 기준센서부는,
상기 제어부에 의해 제어되는 디지털 가변 저항기와 직렬로 연결된 커패시터가 다수 개 병렬 구성된 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 11항에 있어서,
상기 제어부가 전원이 인가되면 상기 파형발생부를 초기화하고, 상기 기준센서부의 기준저항값을 설정하며, 상기 최저기준부 및 최고기준부의 저항값을 각각 설정하는 초기화 단계;를 더 포함하되,
상기 초기화 단계에서, 상기 제어부가 상기 설정한 설정 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 11항에 있어서,
상기 제어부가 출력부를 통해 상기 측정된 대상물질에 대한 검출신호가 상기 최저기준값 미만이거나 최고기준값 초과인 경우 또는 상기 기준센서부를 통해 전극센서부의 오류를 검출한 경우, 알람을 발생하거나 디스플레이 표시하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.
제 10항에 있어서,
상기 전극센서부는, 상기 대상물질의 온도를 측정하는 온도센서를 포함하되,
상기 제어부가 상기 온도센서로부터 대상물질의 온도를 입력받아 온도 보상 처리를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정 방법.