KR20240056113A - 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치 - Google Patents
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Abstract
비교적 큰 사이즈의 직경을 갖는 유체 메인관 뿐 아니라 다양한 사이즈에 적용이 가능하여 호환성이 향상되고 유체를 정지 상태에서 측정 가능하여 정밀도를 높일 수 있는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치가 개시된다. 농도측정장치는 농도를 측정하고자 하는 유체가 흐르는 메인관; 유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성되는 플로우셀; 상기 플로우셀로 보낸 원광과 플로우셀에서 받은 수광의 파장별 흡광도를 측정할 수 있는 스펙트로메터; 및 상기 플로우셀과 스펙트로메터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 이루어지며, 상기 플로우셀은 메인관으로부터 분리되어 별도 구비되고, 상기 플로우셀에 유체관이 연결되며, 피토튜브를 이용하여 메인관으로부터 유체관을 통해 플로우셀에 유체를 유동시킨다.
Description
본 발명은 농도측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스펙트로메터를 이용한 분광흡광식 농도측정 방식을 통해 용액내의 특정 케미컬 성분의 농도를 측정하기 위한 플로우셀을 구비한 농도측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 플로우셀(Flow cell)은 광도계 및 세포 계수기 등에서 사용되는 광학 셀로서, 시료와 모든 표준물질은 플로우셀을 통한 검출 과정을 통과한 후 전기측정 또는 광학적 수단으로 측정되거나 계수된다.
근적외광(Near Infra-Red light:NIR)이 화학물질(Chemical)이 용해된 용액(Liquid)을 통과하면, 특정 파장의 광선에 대하여 특정 케미컬의 농도에 대하여 흡광율이 변한다. 즉, 흡광율은 케미컬의 농도가 높을수록 높아진다.
이러한 현상을 이용하면 용액 내에 특정 케미컬 성분의 농도를 측정할 수 있게 되며, 이러한 농도 측정 방법을 분광흡광식 농도측정 방식(Spectroscopic)이라 한다.
종래의 농도측정장치는 분광흡광식 스펙트로메터(Spectrometer)와, 광케이블과, 플로우셀과, 흡광결과 데이터를 처리하는 제어 및 컴퓨터장치 등을 포함한다. 본 출원인에 의해 선출원된 대한민국등록특허공보 제10-0859744호 및 대한민국등록실용신안 제20-0444057호에는 분광기를 이용한 액체내의 조성물 농도측정장치가 개시된바 있다.
종래의 농도측정장치는 각 구성들 간의 결합 구조가 복잡하고 렌즈의 고정이 어려우며 유체의 밀봉 구조가 취약한 문제가 있다. 한편, 광이 투과되는 유로 폭이 일정 폭을 만족할 경우 측정 결과가 가장 바람직해지며, 이 폭은 측정 대상에 따라 좁아지거나 커질 수 있다. 종래의 농도측정장치는 이러한 유로 폭을 비교적 좁게(대략 10mm) 형성하는 것이 어렵고 이 경우 유체의 밀봉 구조를 추가할 경우 유로 폭 확보가 불가능하거나 설계가 어려워진다.
또한, 종래의 농도측정장치는 유체가 유동하는 메인관에 직접 플로우셀을 연결하는 구조이기 때문에, 비교적 큰 사이즈의 직경을 갖는 유체 메인관에 설치가 어렵고 전술한 유로의 소정폭(대략 10mm)을 만족하려면 만들기가 더욱 복잡해지는 문제가 있다. 아울러, 종래의 농도측정장치는 다양한 사이즈의 유체 메인관에 따라 다른 사양의 플로우셀을 사용하여야 하므로 호환성이 떨어지는 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 각 구성들 간의 결합 구조가 단순하고 렌즈의 고정을 용이하게 하며 유체의 밀봉 구조를 개선할 뿐 아니라 유로 폭을 일정 폭으로 확보하여 농도측정 성능을 향상시킬 수 있는 플로우셀을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 비교적 큰 사이즈의 직경을 갖는 유체 메인관 뿐 아니라 다양한 사이즈에 적용이 가능하여 호환성이 향상되고 유체를 정지 상태에서 측정 가능하여 정밀도를 높일 수 있는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치를 제공한다.
본 발명에 따른 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치는 농도를 측정하고자 하는 유체가 흐르는 메인관; 유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성되는 플로우셀; 상기 플로우셀로 보낸 원광과 플로우셀에서 받은 수광의 파장별 흡광도를 측정할 수 있는 스펙트로메터; 및 상기 플로우셀과 스펙트로메터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 이루어지며, 상기 플로우셀은 메인관으로부터 분리되어 별도 구비되고, 상기 플로우셀에 유체관이 연결되며, 피토튜브를 이용하여 메인관으로부터 유체관을 통해 플로우셀에 유체를 유동시킨다.
상기 메인관의 내주면 일측에 유체를 플로우셀로 보내기 위한 피토튜브 인입부가 형성되고, 상기 메인관의 내주면 타측에 플로우셀로부터 유체를 메인관으로 보내기 위한 피토튜브 인출부가 형성된다.
상기 플로우셀의 유체의 통로 양측에 유체관이 탈착 가능하게 연결된다.
상기 유체관은 메인관에 피토튜브 인입부 및 피토튜브 인출부를 통해 연결된다.
상기 플로우셀의 유체의 통로로 유동하는 유체의 흐름을 정지시키는 밸브부를 더 구비한다.
상기 밸브부는 유체 유동 방향으로 플로우셀의 하류측 유체관에 배치된다.
상기 플로우셀은 유체관의 수직부에 배치된다.
상기 메인관은: 관의 길이 방향으로 체결공이 형성되고 중심에 유체통로가 형성되며, 상기 유체통로의 내주면에 상기 피토튜브 인입부 및 피토튜브 인출부가 형성된 인서트블럭; 관의 길이 방향으로 상기 인서트블럭의 양측에 결합되는 관부; 및 상기 체결공에 삽입되어 인서트블럭과 관부를 결합시키는 체결부를 구비한다.
상기 플로우셀은: 유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된 바디; 상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광하는 렌즈체; 상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능한 윈도우; 및 상기 윈도우를 바디에 고정시키며 렌즈체를 연결시키는 컨넥터를 포함하여 이루어지며, 원광 케이블과 수광 케이블이 바디에 대해 서로 대향하게 배치된다.
상기 플로우셀은: 유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된 바디; 상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광하는 미러렌즈체; 상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능한 윈도우; 및 상기 윈도우를 바디에 고정시키며 미러렌즈체를 결합시키는 지지부를 포함하여 이루어지며, 원광 케이블과 수광 케이블이 바디에 대해 동일 방향에 연결되어 서로 나란하게 배치된다.
상기 유체의 통로와 광의 통로 간을 기밀하는 오링이 구비되며, 상기 오링은 유체의 통로를 기준으로 윈도우의 외측에 배치된다.
본 발명에 따른 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치는 각 구성들 간의 결합 구조가 단순하고 렌즈의 고정을 용이하게 하며 유체의 밀봉 구조를 개선할 뿐 아니라 유로 폭을 일정 폭으로 확보하여 농도측정 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치는 비교적 큰 사이즈의 직경을 갖는 유체 메인관 뿐 아니라 다양한 사이즈에 적용이 가능하여 호환성이 향상되고 유체를 정지 상태에서 측정 가능하여 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 사시도이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 부분 분리 사시도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 평면도이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀의 내부를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5의 "A"를 확대 도시한 단면도이며,
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 사시도이고,
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 정면도이며,
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부를 도시한 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치에 밸브부가 추가된 것을 도시한 것이며,
도 11은 도 10의 평면도이고,
도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀이 수직관에 설치된 상태를 도시한 사시도이며,
도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 14는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 사시도이며,
도 15 내지 도 17은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 부분 분리 사시도이고,
도 18은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 정면도이며,
도 19 및 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀의 내부를 도시한 단면도이고,
도 21은 도 19의 "B"를 확대 도시한 단면도이며,
도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 사시도이고,
도 23은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 정면도이며,
도 24는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부를 도시한 단면도이고,
도 25는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치에 밸브부가 추가된 것을 도시한 것이며,
도 26은 도 25의 평면도이고,
도 27은 도 24의 변형 예를 도시한 것이며,
도 28은 다양한 사이즈의 메인관과 플로우셀 및 밸브부의 배치에 대한 실시 예들을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 사시도이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 부분 분리 사시도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 평면도이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀의 내부를 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5의 "A"를 확대 도시한 단면도이며,
도 7은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 사시도이고,
도 8은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 정면도이며,
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부를 도시한 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치에 밸브부가 추가된 것을 도시한 것이며,
도 11은 도 10의 평면도이고,
도 12는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 플로우셀이 수직관에 설치된 상태를 도시한 사시도이며,
도 13은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
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도 18은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀을 도시한 정면도이며,
도 19 및 도 20은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 플로우셀의 내부를 도시한 단면도이고,
도 21은 도 19의 "B"를 확대 도시한 단면도이며,
도 22는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 사시도이고,
도 23은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치를 도시한 정면도이며,
도 24는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치의 내부를 도시한 단면도이고,
도 25는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치에 밸브부가 추가된 것을 도시한 것이며,
도 26은 도 25의 평면도이고,
도 27은 도 24의 변형 예를 도시한 것이며,
도 28은 다양한 사이즈의 메인관과 플로우셀 및 밸브부의 배치에 대한 실시 예들을 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면에 따라서 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 농도측정장치는 메인관과, 플로우셀(1)과, 스펙트로메터(9)와, 광 케이블(8)과, 제어 및 컴퓨터장치를 포함하여 이루어진다.
메인관은 농도를 측정하고자 하는 유체가 흐르는 통로로서, 인서트블럭(3)과, 관부(4) 및 체결부를 구비한다. 인서트블럭(3)은 중심에 유체통로(32)가 형성된다. 유체통로(32)는 관의 길이 방향으로 인서트블럭(3)의 양측을 관통하게 형성된다. 또한, 인서트블럭(3)에 복수개의 체결공(31)이 형성된다. 체결공(31)은 관의 길이 방향으로 인서트블럭(3)의 양측을 관통하게 형성되며 유체통로(32)를 중심으로 인서트블럭(3)의 둘레를 따라 형성된다.
유체통로(32)의 내주면에는 피토튜브 인입부(33) 및 피토튜브 인출부(34)가 형성된다. 피토튜브 인입부(33)는 메인관의 내주면 일측에 형성되어 유체를 플로우셀(1)로 보내기 위한 것이다. 피토튜브 인출부(34)는 메인관의 내주면 타측에 형성되어 플로우셀(1)로부터 유체를 메인관으로 보내기 위한 것이다. 즉, 피토튜브 인입부(33)는 유체의 유동 방향으로 상류쪽을 향해 개구되게 형성되어 유체가 유체통로(32)에서 플로우셀(1)로 유동한다. 아울러, 피토튜브 인출부(34)는 유체통로(32)를 향해 개구되게 형성되어 플로우셀(1)로부터 유체가 유체통로(32)로 복귀한다.
관부(4)는 관의 길이 방향으로 인서트블럭(3)의 양측에 결합된다. 즉, 하나의 관부(4)는 인서트블럭(3)의 일측에 결합되고, 다른 하나의 관부(4)는 인서트블럭(3)의 타측에 결합되어, 관부(4) 및 인서트블럭(3)은 연속적인 하나의 유체의 통로가 된다. 관부(4)의 외주면에는 플랜지부(45)가 형성되고, 플랜지부(45)에는 인서트블럭(3)의 체결공(31)에 대응되는 홀이 형성된다.
체결부는 인서트블럭(3)의 체결공(31)에 삽입되어 인서트블럭(3)과 관부(4)를 결합시킨다. 체결부는 관부(4)의 홀과 인서트블럭(3)의 체결공(31)을 관통하여 체결되는 볼트(46) 및 너트(47)로 구성될 수 있다. 관부(4)와 인서트블럭(3)의 사이에는 가스켓(49)을 구성하여 유체의 기밀을 유지하는 것이 바람직하다. 체결부를 통해 인서트블럭(3)과 관부(4)를 서로 결합 및 분리 가능하다.
플로우셀(1)은 내부에 유체의 통로가 형성되고 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된다. 또한, 플로우셀(1)의 유체의 통로 양측에 유체관(35)이 탈착 가능하게 연결된다. 유체관(35)은 메인관에 피토튜브 인입부(33) 및 피토튜브 인출부(34)를 통해 연결된다. 피토튜브 인입부(33)는 유체의 유동경로 정면의 구멍을 통해 플로우셀(1)로 유체의 흐름이 발생한다. 동압이 걸리는 피토튜브 인입부(33)의 압력은 운동에너지헤드만큼 피토튜브 인출부(34)의 압력보다 크게 형성되어 피토튜브 인입부(33)로부터 플로우셀(1)을 지나 피토튜브 인출부(34)로 유체의 흐름이 발생한다.
스펙트로메터(Spectrometer: 9)는 원광을 광 케이블(8)을 통하여 플로우셀(1)로 보내고 플로우셀(1)을 통과한 수광을 광 케이블(8)로 받아서 원광이 플로우셀(1)을 통과하면서 발생한 흡광정도를 빛의 파장별로 측정하여 흡광량을 측정한다. 광 케이블(8)은 플로우셀(1)과 스펙트로메터(9)를 연결한다. 광 케이블(8)은 플로우셀(1)에 연결되어, 스펙트로메터(9)로부터 원광을 바디로 보내고 플로우셀(1)로부터 수광을 스펙트로메터(9)로 보내는 통로가 된다.
제어 및 컴퓨터장치는 플로우셀(1)에서 유체를 통과하면서 변화된 특정 파장의 원광과 수광의 차이를 스펙트로메터(9)에서 측정하고 흡광 데이터를 표준 데이터와 비교 분석함으로써, 유체에 혼합된 케미컬(Chemical)의 각 성분을 한번의 측정으로 모두 알아낼 수 있다. 제어 및 컴퓨터장치는 측정된 농도 정보를 외부로 디스플레이하도록 구성될 수 있다.
특히, 플로우셀(1)은 메인관으로부터 분리되어 별도 구비되고, 플로우셀(1)에 유체관(35)이 연결된다. 농도측정장치는 베르누이 원리를 적용한 피토튜브(Pitot tube)를 이용하여 메인관으로부터 유체관(35)을 통해 플로우셀(1)에 유체를 유속(압력)에 의해 유동시킨다. 넓은 곳을 흐르던 유체가 피토튜브를 만나면 피토튜브의 압력이 높아짐에 따라, 피토튜브 내/외부에는 유체의 압력차이가 발생하고 이 압력차는 유체속도의 제곱과 비례하게 된다.
한편, 도 10 및 도 11을 더 참조하면, 농도측정장치는 밸브부(7)를 더 구비할 수 있다. 밸브부(7)는 전동밸브나 공압밸브 등으로 구현될 수 있고, 플로우셀(1)의 유체의 통로로 유동하는 유체의 흐름을 정지시키는 기능을 한다. 밸브부(7)는 유체 유동 방향으로 플로우셀(1)의 하류측 유체관(35)에 배치되는 것이 바람직하다. 흡광도 측정시 유체의 흐름을 정지시킨 상태에서 수행하면 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다. 밸브부(7)는 유체의 농도 측정시에만 닫히고 평상시 열리도록 제어된다. 따라서, 메인관의 유체 흐름에 영향을 주지 않으면서 측정 정밀도의 향상이 가능하다.
또한, 도 12를 더 참조하면, 플로우셀(1)은 유체관(35)의 수직부(351)에 배치된다. 유체관(35)은 메인관으로부터 외부로 연결되며, 수직부(351) 및 수평부(352)를 구비한다. 인서트블럭(3)이 수직관 구조의 메인관에 설치될 경우 인서트블럭(3)은 수평일 수밖에 없다. 만약, 측정하려는 유체 내에 버블(Bubble)이 있을 경우 측정 정밀도를 저하시킨다. 따라서, 밸브부(7)를 닫아 유체가 정지된 상태에서 유체관(35) 내의 버블을 측정지점인 플로우셀(1)로부터 부력에 의하여 상승시키기 위하여, 플로우셀(1)을 수직부(351)에 설치하는 것이 바람직하다. 밸브부(7)는 유체관(35)의 수평부(352)에 설치되거나 수직부(351)에 설치될 수 있으며, 유체 이동 방향으로 플로우셀(1)보다 하류에 배치되는 것이 바람직하다.
제1 실시 예에 따른 플로우셀(1)은 바디(110)와, 렌즈체(150,160)와, 윈도우(120)와, 컨넥터(140) 및 오링(130)을 포함하여 이루어진다. 광 케이블(8)은 케이블접속구(165)를 통하여 바디(110)에 연결되며, 스펙트로메터(9)로부터 원광을 바디(110)로 보내고 바디(110)로부터 수광을 스펙트로메터(9)로 보낸다. 즉, 바디(110)의 일측에는 원광 케이블이 연결되고 타측에는 수광 케이블이 연결된다. 이 경우, 원광 케이블과 수광 케이블이 바디(110)에 대해 서로 대향하게 배치되는 스트레이트(Straight) 타입으로 구성된다.
바디(110)는 내부에 유체의 통로가 형성되고 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된다. 바디(110)에는 유체홀(116)과 광홀(117)이 형성된다. 유체홀(116)은 유체의 통로로서 바디(110)를 관통하게 형성된다. 광홀(117)은 광의 통로로서 유체홀(116)에 대해 직교한 방향으로 관통 형성된다. 유체홀(116)과 광홀(117)은 바디(110) 내부에서 서로 교차하면서 직접적으로 연통된다. 즉, 바디(110) 내의 유체홀(116)과 광홀(117)은 서로 연통하여, 유체홀(116)을 통해 유체를 주입시키면 광홀(117)에도 유체가 채워지게 된다.
렌즈체(150,160)는 바디(110)의 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광한다. 즉, 렌즈체(150,160)는 광을 확산하는 원광 렌즈체(150)와 광을 집속하는 수광 렌즈체(160)로 구성된다. 원광 렌즈체(150)는 바디(110)의 유체홀(116)을 기준으로 일측에 결합되며, 수광 렌즈체(160)는 바디(110)의 유체홀(116)을 기준으로 타측에 결합된다. 렌즈체(150,160)는 컨넥터(140)의 단부에 나사체결된다.
윈도우(120)는 바디(110)의 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능하게 이루어진다. 윈도우(120)는 비교적 얇은 두께의 원형판 형상이고, 사파이어, FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 등의 투명투과판으로 구성되며, 광은 투과 가능하면서 유체는 통과하지 못하게 한다. 바디(110)의 광홀(117)의 내주면에는 단턱부(118)가 형성된다. 윈도우(120)는 바디(110)의 광홀(117)로 삽입되어 바디(110)의 단턱부(118)에 의해 지지된다. 단턱부(118)의 반대쪽 윈도우(120)의 단부에는 컨넥터(140)가 체결된다. 한 쌍의 윈도우(120)는 서로 마주하면서 유체홀(116)과 직접적으로 마주한다.
컨넥터(140)는 윈도우(120)를 바디(110)에 고정시키며 렌즈체(150,160)를 연결시키는 기능을 한다. 컨넥터(140)는 길이 방향으로 중심부에 양측이 관통 형성되어, 관통부로 광이 통과된다. 컨넥터(140)는 바디(110)의 광홀(117)과 통하는 개구부(119)에 나사체결되어, 컨넥터(140)의 길이 방향 일측 단부가 윈도우(120)를 바디(110)의 단턱부(118)를 향해 밀착 고정한다. 아울러, 컨넥터(140)의 길이 방향 타측 단부에는 렌즈체(150,160)가 체결된다. 컨넥터(140)에는 렌즈체(150,160)와 마주하는 단부쪽에 툴용구멍이 형성될 수 있다. 툴용구멍은 바디(110)에 컨넥터(140)를 체결하기 위한 툴을 삽입하도록 복수개 형성될 수 있다.
오링(130)은 바디(110)의 유체의 통로와 광의 통로 간을 기밀한다. 오링(130)은 바디(110)의 유체의 통로를 기준으로 윈도우(120)의 외측에 배치된다. 즉, 오링(130)은 윈도우(120)와 컨넥터(140) 사이에 형성된다. 윈도우(120)와 마주하는 컨넥터(140)의 단부에는 경사면의 테이퍼(145)가 형성된다. 컨넥터(140)를 바디(110)의 광홀(117)에 체결하여 윈도우(120)가 바디(110)에 고정될 때, 테이퍼(145)는 오링(130)을 바디(110)의 단턱부(118)를 향해 밀착시킨다.
도 6에 도시된 것처럼, 컨넥터(140)를 바디(110)에 체결하면 윈도우(120)는 바디(110)의 단턱부(118)와 컨넥터(140) 사이에 고정된다. 이 경우, 광홀(117)의 길이 방향으로 윈도우(120)의 단부와 단턱부(118) 사이에는 미세틈이 형성되고, 반경 방향으로 윈도우(120)의 단부와 광홀(117)의 내주면 사이에도 미세틈이 형성된다. 유체홀(116)을 유동하는 유체는 단턱부(118)를 지나 화살표와 같이 상기 미세틈을 통해 오링(130) 쪽으로 유동한다.
이 경우, 컨넥터(140)에 형성된 경사면의 테이퍼(145)가 오링(130)을 P1 방향 및 P2 방향으로 눌러주어 밀착된다. 따라서, 유체가 컨넥터(140)와 윈도우(120) 사이의 틈(a2)과 컨넥터(140)와 광홀(117) 사이의 틈(a1)으로 새는 것을 방지할 수 있다.
한편, 오링(130)이 윈도우(120)의 외측에 배치됨에 따라, 유체투과길이(d)를 효율적으로 확보할 수 있다. 유체투과길이(d)는 대략 10mm 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 유체투과길이(d)는 광이 투과하는 물질에 따라 짧아지거나 길어질 수 있다. 10mm는 비교적 짧은 길이이므로 만약 오링이 윈도우의 내측인 유체쪽에 있으면 유체투과길이(d)를 10mm로 맞추기 어렵고 유체투과길이(d)를 확보하는 것이 효율적이지 못하며 공간을 많이 차지할 뿐 아니라 플로우셀(1) 내부 구조가 복잡해진다. 결국, 오링(130)을 윈도우(120)와 컨넥터(140) 사이에 배치하여 결합 구조가 단순해지고 렌즈의 고정을 용이하게 하며 유체의 밀봉 구조를 개선할 수 있다.
광 케이블(8)의 단부에는 케이블접속구(165)가 형성되고, 케이블접속구(165)는 렌즈체(150,160)의 단부에 결합된다. 광홀(117)의 길이 방향으로 바디(110)의 양측 단부에는 커버접속구(185)가 구비되며, 바디(110)와 커버접속구(185) 사이에 오링(181)이 설치된다. 커버접속구(185)는 양측이 개구된 원통 형상으로 이루어지고 바디(110)와 마주하는 단부에 돌출턱이 형성된다. 커버접속구(185)는 렌즈체(150,160)를 커버한다.
커버접속구(185)의 일측에는 커버(180)가 결합된다. 커버(180)는 외주면에 널링(Knurling)이 형성되며, 바디(110)에 체결되어 커버접속구(185)를 바디(110)에 고정시킨다. 커버접속구(185)의 단부에는 보호관접속구(190)가 체결된다. 보호관접속구(190)의 단부에는 광 케이블(8)을 보호하는 플렉시블한 재질의 가요성보호관(195)이 결합된다. 즉, 보호관접속구(190)의 일측 단부는 커버접속구(185)에 체결되며 타측 단부에 가요성보호관(195)이 결합된다.
바디(110)의 유체의 통로 양측에는 유체관(35)이 탈착 가능하게 연결된다. 또한, 유체관(35)은 메인관에 피토튜브 인입부(33) 및 피토튜브 인출부(34)를 통해 연결된다. 바디(110)와 유체관(35)의 연결부에는 밀봉접속구(170)가 구비된다. 밀봉접속구(170)는 유체관(35)의 외주면을 눌러주는 페룰(Ferrule: 171) 및 바디(110)에 체결되어 페룰(171)을 결속하는 너트(172)를 구비한다. 너트(172)를 바디(110)에 체결하면 너트(172)가 페룰(171)을 관의 길이 방향으로 이동시켜 페룰(171)의 경사면에 의해 페룰(171)이 유체관(35)의 외주면을 가압하여 고정이 이루어진다.
도 13 내지 도 24를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 농도측정장치는 메인관과, 플로우셀(2)과, 스펙트로메터(9)와, 광 케이블(8)과, 제어 및 컴퓨터장치를 포함하여 이루어진다. 제2 실시 예에 따른 농도측정장치는 제1 실시 예와 비교하여 플로우셀(2)의 세부 구성만 차이가 있으므로 중복되는 다른 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.
메인관은 인서트블럭(3)과, 관부(4) 및 체결부를 구비한다. 인서트블럭(3)에 유체통로(32)와 복수개의 체결공(31)이 형성된다. 유체통로(32)의 내주면에는 피토튜브 인입부(33) 및 피토튜브 인출부(34)가 형성된다. 관부(4)는 관의 길이 방향으로 인서트블럭(3)의 양측에 결합된다. 관부(4)의 외주면에는 플랜지부(45)가 형성되고, 플랜지부(45)에는 인서트블럭(3)의 체결공(31)에 대응되는 홀이 형성된다. 체결부는 관부(4)의 홀과 인서트블럭(3)의 체결공(31)을 관통하여 체결되는 볼트(46) 및 너트(47)로 구성될 수 있다.
스펙트로메터(9)는 플로우셀(2)로 보낸 원광과 플로우셀(2)에서 받은 수광의 파장을 측정하여 스펙트럼을 분석한다. 광 케이블(8)은 플로우셀(2)과 스펙트로메터(9)를 연결한다. 제어 및 컴퓨터장치는 플로우셀(2)에서 유체를 통과하면서 변화된 특정 파장의 원광과 수광의 차이를 스펙트로메터(9)에서 측정하고 흡광 데이터를 표준 데이터와 비교 분석함으로써, 유체에 혼합된 케미컬(Chemical)의 각 성분을 한번의 측정으로 모두 알아낼 수 있다. 한편, 도 25 및 도 26을 더 참조하면, 농도측정장치는 밸브부(7)를 더 구비할 수 있다.
제2 실시 예에 따른 플로우셀(2)은 바디와, 미러렌즈체(240)와, 윈도우(220)와, 지지부(211,212) 및 오링(230)을 포함하여 이루어진다. 광 케이블(8)은 바디에 연결되며, 스펙트로메터(9)로부터 원광을 바디로 보내고 바디로부터 수광을 스펙트로메터(9)로 보낸다. 즉, 바디의 일측에는 원광 케이블이 연결되고 타측에는 수광 케이블이 연결된다. 이 경우, 원광 케이블과 수광 케이블이 바디에 대해 동일 방향에 연결되어 서로 나란하게 배치되는 미러(Mirror) 타입으로 구성된다.
바디는 내부에 유체의 통로가 형성되고 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된다. 바디는 메인바디(210)와, 하측바디(241)와, 상측바디(242)와 전방커버(280)를 구비한다. 메인바디(210)에는 유체홀(216)과 광홀(217)이 형성된다. 유체홀(216)은 유체의 통로로서 메인바디(210)를 관통하게 형성된다. 광홀(217)은 광의 통로로서 유체홀(216)에 대해 직교한 방향으로 관통 형성된다. 유체홀(216)과 광홀(217)은 메인바디(210) 내부에서 서로 교차하면서 직접적으로 연통된다. 즉, 메인바디(210) 내에 윈도우(220)가 설치되지 않은 상태에서 유체홀(216)과 광홀(217)은 서로 연통하여, 유체홀(216)을 통해 유체를 주입시키면 광홀(217)로도 유체가 세어 나온다.
미러렌즈체(240)는 바디의 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광한다. 즉, 미러렌즈체(240)는 광을 확산하는 원광 렌즈체와 광을 집속하는 수광 렌즈체로 구성된다. 원광 렌즈체는 메인바디(210)의 유체홀(216)을 기준으로 일측에 결합되며, 수광 렌즈체는 메인바디(210)의 유체홀(216)을 기준으로 타측에 결합된다.
미러렌즈체(240)는 광을 90°반사시켜 경로를 변경시킨다. 즉, 광 케이블(8)을 통해 수평으로 조사되는 광은 메인바디(210)의 하부에 결합된 원광 렌즈체에 의해 상부로 반사되어 메인바디(210)의 유체홀(216)의 유체를 투과한 후 메인바디(210)의 상부에 결합된 수광 렌즈체에 의해 다시 수평으로 반사되어 광 케이블(8)을 통해 스펙트로메터(9)로 이동한다.
윈도우(220)는 바디의 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능하게 이루어진다. 윈도우(220)는 비교적 얇은 두께의 원형판 형상이고, 사파이어, FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 등의 투명투과판으로 구성되며, 광은 투과 가능하면서 유체는 통과하지 못하게 한다. 메인바디(210)의 광홀(217)의 내주면에는 단턱부(218)가 형성된다. 윈도우(220)는 메인바디(210)의 광홀(217)로 삽입되어 메인바디(210)의 단턱부(218)에 의해 지지된다. 단턱부(218)의 반대쪽 윈도우(220)의 단부에는 지지부(211,212)의 돌출부(214)가 위치한다. 한 쌍의 윈도우(220)는 서로 마주하면서 유체홀(216)과 직접적으로 마주한다.
지지부(211,212)는 윈도우(220)를 바디에 고정시키며 미러렌즈체(240)를 결합시키는 기능을 한다. 지지부(211,212)는 광홀(217)의 관통 방향으로 메인바디(210) 양측에 한 쌍이 체결된다. 즉, 하나의 지지부(211)는 메인바디(210)의 상측에 체결되며, 다른 하나의 지지부(212)는 메인바디(210)의 하측에 체결된다. 메인바디(210)와 마주하는 지지부(211,212)의 단부에는 광홀(217)에 삽입되어 윈도우(220)를 고정하는 돌출부(214)가 형성된다.
메인바디(210)에 지지부(211,212)가 체결될 때 지지부(211,212)의 돌출부(214)가 메인바디(210)의 광홀(217)과 통하는 개구부(213)에 삽입되어 윈도우(220)를 단턱부(218)를 향해 밀착 고정한다. 지지부(211,212)에는 미러렌즈체(240)를 수용하는 수용홈(219)이 형성된다. 하측바디(241)는 메인바디(210)의 하측 지지부(212)의 하부에 체결되고, 상측바디(242)는 메인바디(210)의 상측 지지부(211)의 상부에 체결된다.
전방커버(280)는 하측바디(241), 메인바디(210), 상측바디(242)의 전방에 체결된다. 하측바디(241), 하측 지지부(212), 메인바디(210), 상측 지지부(211), 상측바디(242)가 차례로 적층된 상태에서 스크류(215)를 관통시켜 하나의 뭉치로 고정된다. 하측바디(241) 및 상측바디(242)에는 각각 미러렌즈체(240)의 45°경사면을 지지하도록 경사부가 형성되어 있고, 이 경사부는 지지부(211,212)의 수용홈(219)에 삽입된다.
미러렌즈체(240)에는 광 케이블(8)을 향해 돌출된 케이블결합부(249) 및 메인바디(210)의 광홀(217)을 향해 돌출된 수직돌출부(248)가 형성된다. 미러렌즈체(240)는 지지부(211,212)의 수용홈(219)에 삽입되며, 전방커버(280)가 하측바디(241), 메인바디(210), 상측바디(242)의 전방에 체결되어, 미러렌즈체(240)는 지지부(211,212)에서 이탈되지 않고 고정된다.
오링(230)은 바디의 유체의 통로와 광의 통로 간을 기밀한다. 오링(230)은 바디의 유체의 통로를 기준으로 윈도우(220)의 외측에 배치된다. 즉, 오링(230)은 윈도우(220)와 지지부(211,212)의 돌출부(214) 사이에 형성된다. 윈도우(220)와 마주하는 돌출부(214)의 단부에는 경사면의 테이퍼(245)가 형성된다. 지지부(211,212)를 메인바디(210)에 체결하여 윈도우(220)가 메인바디(210)에 고정될 때, 테이퍼(245)는 오링(230)을 메인바디(210)의 단턱부(218)를 향해 밀착시킨다.
도 21에 도시된 것처럼, 지지부(211,212)를 메인바디(210)에 체결하면 윈도우(220)는 메인바디(210)의 단턱부(218)와 지지부(211,212)의 돌출부(214) 사이에 고정된다. 이 경우, 광홀(217)의 길이 방향으로 윈도우(220)의 단부와 단턱부(218) 사이에는 미세틈이 형성되고, 반경 방향으로 윈도우(220)의 단부와 광홀(217)의 내주면 사이에도 미세틈이 형성된다. 유체홀(216)을 유동하는 유체는 단턱부(218)를 지나 화살표와 같이 상기 미세틈을 통해 오링(230) 쪽으로 유동한다.
이 경우, 지지부(211,212)의 돌출부(214)에 형성된 경사면의 테이퍼(245)가 오링(230)을 P1 방향 및 P2 방향으로 눌러주어 밀착된다. 따라서, 유체가 돌출부(214)와 윈도우(220) 사이의 틈(a2)과 돌출부(214)와 광홀(217) 사이의 틈(a1)으로 새는 것을 방지할 수 있다.
한편, 오링(230)이 윈도우(220)의 외측에 배치됨에 따라, 유체투과길이(d)를 효율적으로 확보할 수 있다. 유체투과길이(d)는 대략 10mm 정도로 형성하는 것이 바람직하다. 유체투과길이(d)는 광이 투과하는 물질에 따라 짧아지거나 길어질 수 있다. 10mm는 비교적 짧은 길이이므로 만약 오링이 윈도우의 내측인 유체쪽에 있으면 유체투과길이(d)를 10mm로 맞추기 어렵고 유체투과길이(d)를 확보하는 것이 효율적이지 못하며 공간을 많이 차지할 뿐 아니라 플로우셀(2) 내부 구조가 복잡해진다. 결국, 오링(230)을 윈도우(220)와 지지부(211,212)의 돌출부(214) 사이에 배치하여 결합 구조가 단순해지고 렌즈의 고정을 용이하게 하며 유체의 밀봉 구조를 개선할 수 있다.
광 케이블(8)의 단부에는 케이블접속구(265)가 형성되고, 케이블접속구(265)는 미러렌즈체(240)의 케이블결합부(249)에 결합된다. 전방커버(280)의 전방에는 컨넥터접속구(285)가 체결된다. 컨넥터접속구(285)에는 보호관접속구(290)가 체결된다. 보호관접속구(290)의 단부에는 광 케이블(8)을 보호하는 플렉시블한 재질의 가요성보호관(295)이 결합된다. 즉, 보호관접속구(290)의 일측 단부는 컨넥터접속구(285)에 체결되며 타측 단부에 가요성보호관(295)이 결합된다.
바디의 유체의 통로 양측에는 유체관(35)이 탈착 가능하게 연결된다. 또한, 유체관(35)은 메인관에 피토튜브 인입부(33) 및 피토튜브 인출부(34)를 통해 연결된다. 메인바디(210)와 유체관(35)의 연결부에는 밀봉접속구(270)가 구비된다. 밀봉접속구(270)는 유체관(35)의 외주면을 눌러주는 페룰(Ferrule: 271) 및 메인바디(210)에 체결되어 페룰(271)을 결속하는 너트(272)를 구비한다. 너트(272)를 메인바디(210)에 체결하면 너트(272)가 페룰(271)을 관의 길이 방향으로 이동시켜 페룰(271)의 경사면에 의해 페룰(271)이 유체관(35)의 외주면을 가압하여 고정이 이루어진다.
광 케이블(8)은 플로우셀(2)과 스펙트로메터(9)를 연결할 때 급격하게 꺾을 수 없으며 일정 이상의 곡률 반경을 형성하여야 한다. 이러한 특성을 고려할 때 광 케이블(8)의 어레인지 측면에서 제1 실시 예의 스트레이트 타입에 비해 제2 실시 예의 미러 타입이 더욱 유리하다.
이러한 미러 타입 중에서 제2 실시 예는 광 케이블(8)이 유체관(35)의 길이 방향에 대해 직교 방향으로 배치된 직각 타입으로 구성된다. 한편, 도 27에 도시된 것처럼, 광 케이블(8)이 유체관(35)의 길이 방향에 대해 나란한 방향으로 배치된 평행 타입으로도 구성 가능하다. 아울러, 도 28에 도시된 것처럼, 농도측정장치는 40A, 80A, 200A 등 다양한 사이즈의 메인관에 적용이 가능하며, 플로우셀(2)과 밸브부(7)의 배치를 적절히 변경 가능하다.
지금까지 본 발명에 따른 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1, 2: 플로우셀
3: 인서트블럭
4: 관부 7: 밸브부
8: 광 케이블 9: 스펙트로메터
110: 바디 120, 220: 윈도우
130, 230: 오링 140: 컨넥터
150,160: 렌즈체 170, 270: 밀봉접속구
180: 커버 190, 290: 보호관접속구
195, 295: 가요성보호관
4: 관부 7: 밸브부
8: 광 케이블 9: 스펙트로메터
110: 바디 120, 220: 윈도우
130, 230: 오링 140: 컨넥터
150,160: 렌즈체 170, 270: 밀봉접속구
180: 커버 190, 290: 보호관접속구
195, 295: 가요성보호관
Claims (11)
- 농도를 측정하고자 하는 유체가 흐르는 메인관;
유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성되는 플로우셀;
상기 플로우셀로 보낸 원광과 플로우셀에서 받은 수광의 파장별 흡광도를 측정할 수 있는 스펙트로메터; 및
상기 플로우셀과 스펙트로메터를 연결하는 광 케이블을 포함하여 이루어지며,
상기 플로우셀은 메인관으로부터 분리되어 별도 구비되고, 상기 플로우셀에 유체관이 연결되며, 피토튜브를 이용하여 메인관으로부터 유체관을 통해 플로우셀에 유체를 유동시키는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 메인관의 내주면 일측에 유체를 플로우셀로 보내기 위한 피토튜브 인입부가 형성되고,
상기 메인관의 내주면 타측에 플로우셀로부터 유체를 메인관으로 보내기 위한 피토튜브 인출부가 형성되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 플로우셀의 유체의 통로 양측에 유체관이 탈착 가능하게 연결되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제3 항에 있어서,
상기 유체관은 메인관에 피토튜브 인입부 및 피토튜브 인출부를 통해 연결되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 플로우셀의 유체의 통로로 유동하는 유체의 흐름을 정지시키는 밸브부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제5 항에 있어서,
상기 밸브부는 유체 유동 방향으로 플로우셀의 하류측 유체관에 배치되는 것을 특징으로 하는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 플로우셀은 유체관의 수직부에 배치되는 것을 특징으로 하는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제2 항에 있어서,
상기 메인관은:
관의 길이 방향으로 체결공이 형성되고 중심에 유체통로가 형성되며, 상기 유체통로의 내주면에 상기 피토튜브 인입부 및 피토튜브 인출부가 형성된 인서트블럭;
관의 길이 방향으로 상기 인서트블럭의 양측에 결합되는 관부; 및
상기 체결공에 삽입되어 인서트블럭과 관부를 결합시키는 체결부를 구비하는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 플로우셀은:
유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된 바디;
상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광하는 렌즈체;
상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능한 윈도우; 및
상기 윈도우를 바디에 고정시키며 렌즈체를 연결시키는 컨넥터를 포함하여 이루어지며,
원광 케이블과 수광 케이블이 바디에 대해 서로 대향하게 배치되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제1 항에 있어서,
상기 플로우셀은:
유체의 통로가 형성되고 상기 유체의 통로를 투과하도록 광의 통로가 형성된 바디;
상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되어 광을 산광 및 집광하는 미러렌즈체;
상기 유체의 통로에 대해 양측에 구비되며 광의 통로에 삽입되어 광이 투과 가능한 윈도우; 및
상기 윈도우를 바디에 고정시키며 미러렌즈체를 결합시키는 지지부를 포함하여 이루어지며,
원광 케이블과 수광 케이블이 바디에 대해 동일 방향에 연결되어 서로 나란하게 배치되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치. - 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
상기 유체의 통로와 광의 통로 간을 기밀하는 오링이 구비되며,
상기 오링은 유체의 통로를 기준으로 윈도우의 외측에 배치되는 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220136327A KR20240056113A (ko) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치 |
| US18/180,187 US20240230518A9 (en) | 2022-10-21 | 2023-03-08 | Flow cell and concentration measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220136327A KR20240056113A (ko) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240056113A true KR20240056113A (ko) | 2024-04-30 |
Family
ID=90884826
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220136327A KR20240056113A (ko) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | 스펙트로메터 및 플로우셀을 구비한 농도측정장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240056113A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100859744B1 (ko) | 2007-03-15 | 2008-09-23 | 김철원 | 분광기를 이용한 액체내의 조성물 농도측정장치 |
| KR200444057Y1 (ko) | 2007-08-14 | 2009-04-08 | 김철원 | 분광기를 이용한 액체 조성물 농도측정기의 튜브 조립장치 |
-
2022
- 2022-10-21 KR KR1020220136327A patent/KR20240056113A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100859744B1 (ko) | 2007-03-15 | 2008-09-23 | 김철원 | 분광기를 이용한 액체내의 조성물 농도측정장치 |
| KR200444057Y1 (ko) | 2007-08-14 | 2009-04-08 | 김철원 | 분광기를 이용한 액체 조성물 농도측정기의 튜브 조립장치 |
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|---|---|---|---|
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