[논문]온도보상형 온라인 굴절계를 이용한 해수의 염도 측정

최한욱; 김영한

문제 정의

이러한 실험을 통하여 분석 시간이 매우 짧고 온라인 농도 측정이 가능한 굴절계를 이용하는 방안을 제시하였으며 제작에 필요한 구체적인 사항을 자세하게 설명하였다. 그리하여 차후의 온라 인 염도 측정이 필요한 연구자들에게 간단하게 제작 하여 사용할 수 있는 온도 보상용 온라인 굴절계를 소개하고 이를 사용하는데 도움이 되고자 하였다.
본 연구에서는 용액의 온도에 상관없이 온도에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있고 온라인으로 굴절률 측정이 가능하여 해수의 염도 측정용으로 사용할 수 있는 굴절계를 자가 제작하여 염의 농도를 알고 있는 염용액에 대한 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다. 이러한 실험을 통하여 분석 시간이 매우 짧고 온라인 농도 측정이 가능한 굴절계를 이용하는 방안을 제시하였으며 제작에 필요한 구체적인 사항을 자세하게 설명하였다.
실험실에서 간단하게 제작하여 사용할 수 있는 소형의 농도 측정용 온라인 굴절계를 자가제작하여 해수의 염도 측정을 위한 실험을 실시하였다. 시료의 농도변화와 온도변화에 따른 굴절률의 변화정도를 전압으로 측정하여 농도를 계산해 냄으로서 그 성능을 시험하였다.
본 연구에서는 용액의 온도에 상관없이 온도에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있고 온라인으로 굴절률 측정이 가능하여 해수의 염도 측정용으로 사용할 수 있는 굴절계를 자가 제작하여 염의 농도를 알고 있는 염용액에 대한 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다. 이러한 실험을 통하여 분석 시간이 매우 짧고 온라인 농도 측정이 가능한 굴절계를 이용하는 방안을 제시하였으며 제작에 필요한 구체적인 사항을 자세하게 설명하였다. 그리하여 차후의 온라 인 염도 측정이 필요한 연구자들에게 간단하게 제작 하여 사용할 수 있는 온도 보상용 온라인 굴절계를 소개하고 이를 사용하는데 도움이 되고자 하였다.

제안 방법

본 연구의 굴절 계로는 굴절률을 직접 측정하는 대신 전압을 측정하 므로 동일한 시료를 사용하여 전압을 측정하고 그 전압에 상당하는 굴절률을 정밀 굴절계로 측정하여 자가제작 굴절계에서 측정된 전압으로부터 굴절률 을 환산하기 위한 보상곡선으로 그림 6을 만들었다. 2.5%, 3.0%, 3.5%의 염용액을 자가제작 굴절계로 20 ℃에서 측정한 전압과 동일한 시료를 정밀굴절계 로 측정한 굴절률을 그■림에 도시하였다. 이 그림으 로부터 자가제작 굴절계로 측정한 전압을 사용하여 실제의 굴절률을 알아낼 수 있다.
증폭회로의 센서전압 Va와 Vb의 두 전압을 따로 입 력하여 PC에서 그 차이를 계산하면 된다. 광전센서 의 전압신호와 온도 지시계의 전압신호를 PC에 입 력하기 위하여 그-림 4의 적분형 AID 변환기를 제작 하여 연결 사용하였다. 시판의 축차형 AA)변환기 는 고속 측정이 가능하나 본 실험의 경우는 측정속 도에 비해 측정값의 안정성이 더 중요하므로 적분형 AZD 변환기를 사용하였다.
굴절된 레이저 광을 1차원 광전센서를 이용하여 수광위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되는 것을 이용하였다. 즉 굴절률에 따라 광전센서에 빛이 닿는 부분이 다르고 이에 따라 서로 다른 전압 신호가 발생하며 이 전압신호는 증폭회로를 거쳐 PC에 보내지도록 하였다.
그림.1에 나타낸 온라인 굴절률 측정장치를 이용하여 굴절률을측정하였斗 굴절률의 측정에 사용된시료는 염농도가 2.5%, 3%, 3.5%의 세 가지에 대하여 각각의 농도별로 조제된 염용액을 측정셀의 하 부의 유체 유입구를 통하여 공급하였다. 또 염의 농도가 2.
5%의 세 가지에 대하여 각각의 농도별로 조제된 염용액을 측정셀의 하 부의 유체 유입구를 통하여 공급하였다. 또 염의 농도가 2.5%에서 0.2% 씩 증가하는 순으로 변화시켜 가며 염농도의 변화에 따른 굴절률의 변화를 측정하였다. 이러한 범위의 염농도는 실제 해수의 염농도 변화를 고려하여 설정한 농도이다.
, Japan; Model RA-510)로 측정한 굴절률을 그림 6에 도시하였다. 본 연구의 굴절 계로는 굴절률을 직접 측정하는 대신 전압을 측정하 므로 동일한 시료를 사용하여 전압을 측정하고 그 전압에 상당하는 굴절률을 정밀 굴절계로 측정하여 자가제작 굴절계에서 측정된 전압으로부터 굴절률 을 환산하기 위한 보상곡선으로 그림 6을 만들었다. 2.
셀의 본체는 25mm 두께의 폴리프로필렌 판을 가공하여 제작하였다. 셀의 중앙에 시료가 통과하는 부분에 빛의 흐 름에 방해가 되지 않도록 고려하여 1 mm 직경의 구 멍을 뚫고 온도센서를 설치하였다.
빛이 통 과하는 두 개의 니플이 일직선을 이루지 않고 135° 의 각을 이루는 것은 빛의 굴절을 고려한 것이다. 소 형의 유리판은 굴절률이 고른 현미경 용 시료 유리 판을 유리칼로 잘라서 제작하였다. 셀의 본체는 25mm 두께의 폴리프로필렌 판을 가공하여 제작하였다.
실험실에서 간단하게 제작하여 사용할 수 있는 소형의 농도 측정용 온라인 굴절계를 자가제작하여 해수의 염도 측정을 위한 실험을 실시하였다. 시료의 농도변화와 온도변화에 따른 굴절률의 변화정도를 전압으로 측정하여 농도를 계산해 냄으로서 그 성능을 시험하였다. 측정의 결과로부터 재현성과 정도가 해수의 염도 측정기기로서 만족할 만한 수준임 을 알 수 있었다.
그림 3은 측 정셀의 제작과정을 표시한 것으로 그림 1의 측정셀 부분만 확대된 그림이다. 시료의 유로는 1/8인치 황 동니플을 사용하여 시료의 양을 가능한 한 소량으로 하여 측정의 사장시간을 줄이도록 고려하였고'레이 저의 조사가 이루어져 굴절이 되는 부분은 1/4인치 플라스틱 니플과 O-링 및 원형 유리판을 양단에 조 립하여 제작하였다. 측정셀 내의 시료의 양은 0.
굴절된 레이저 광을 1차원 광전센서를 이용하여 수광위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되는 것을 이용하였다. 즉 굴절률에 따라 광전센서에 빛이 닿는 부분이 다르고 이에 따라 서로 다른 전압 신호가 발생하며 이 전압신호는 증폭회로를 거쳐 PC에 보내지도록 하였다., 증폭회로는 간단히 제작 할 수도 있으나 기 제작된 기성품(Hamamatsu Photonics, .
이때 굴절된 레이저 광을 광전센서에서 수광하여 전압신호를 발생시킨다. 한편 시료의 온도를 측 정하기 위하여 측정셀에 설치된 온도센서와 온도지 시계를 이용하여 온도의 전압신호를 동시에 PC에 입력되도록 하였고 온도 변화에 따라 시료의 굴절률 변화 정도를 염도 계산식으로 염도를 계산할 때 보 정 할.수 있도록 하였다.

대상 데이터

즉 굴절률에 따라 광전센서에 빛이 닿는 부분이 다르고 이에 따라 서로 다른 전압 신호가 발생하며 이 전압신호는 증폭회로를 거쳐 PC에 보내지도록 하였다., 증폭회로는 간단히 제작 할 수도 있으나 기 제작된 기성품(Hamamatsu Photonics, . Japan, Model C₃₆83TH)을 활용하였다. 증폭회로의 센서전압 Va와 Vb의 두 전압을 따로 입 력하여 PC에서 그 차이를 계산하면 된다.
소 형의 유리판은 굴절률이 고른 현미경 용 시료 유리 판을 유리칼로 잘라서 제작하였다. 셀의 본체는 25mm 두께의 폴리프로필렌 판을 가공하여 제작하였다. 셀의 중앙에 시료가 통과하는 부분에 빛의 흐 름에 방해가 되지 않도록 고려하여 1 mm 직경의 구 멍을 뚫고 온도센서를 설치하였다.
광전센서 의 전압신호와 온도 지시계의 전압신호를 PC에 입 력하기 위하여 그-림 4의 적분형 AID 변환기를 제작 하여 연결 사용하였다. 시판의 축차형 AA)변환기 는 고속 측정이 가능하나 본 실험의 경우는 측정속 도에 비해 측정값의 안정성이 더 중요하므로 적분형 AZD 변환기를 사용하였다. 그림 4의 4051은 신호의 multiplexer IC이고 MC₁₄433은 AZD 변환기이며 74373 데이터 latch IC이다.
즉, 레이저 발광부, 측정셀, 광전 센서로 구분할 수 있으며 레이저 발광부는 DC 3V 전원 에 의해 레이저 광원이 시료 측정셀로 조사되게 된다. 여기서 사용한 레이저 광원은 레이저 다이오드 로 보통의 레이저 포인터를 사용하였다. 측정셀에는 시료의 온도를 측정할 수 있는 세라믹 온도센서(직경 0.

성능/효과

시료의 농도변화와 온도변화에 따른 굴절률의 변화정도를 전압으로 측정하여 농도를 계산해 냄으로서 그 성능을 시험하였다. 측정의 결과로부터 재현성과 정도가 해수의 염도 측정기기로서 만족할 만한 수준임 을 알 수 있었다.

후속연구

기존의 온라인 굴절계가 넓은 온도 범위에서 사용할 수 없음을 보완하여 본 연구의 굴절계는 넓은 온도 범위의 시료를 현장에서 직접 채취하여 온라인 으로 측정할 수 있는 기능이 있고 측정시간이 매우 짧아 해수의 염도와 온도의 측정에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
본 실험의 자가제작 굴절계는 시중가 5만원 상당 의 광전센서를 제외하고 나머지 재료는 모두 간단하고 쉽게 구할 수 있는 부품을 사용하였기 때문에 경 제성이 우수하며 측정의 정도는 염도의 측정용으로 사용하기에 만족할 만하다.

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