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문제 정의
- 본 연구에서는 해수의 염도를 굴절률로부터 온라인으로 측정할 수 있는 장치를 개발하고 그 성능을 시험해 보고자 한다. 해수의 염도를 즉정하기 쉽게 하기 위하여 즉정장치를 해수에 침적할 수 있게 하였으며 온도에 상관없이 온도에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있고 온라인으로 염도를 측정할 수 있도록 제작하였다.
제안 방법
- Fig. 1에 나타낸 침적식 온라인 굴절률 측정장치를 이용하여 굴절률을 측정하였다. 굴절률의 측정에 사용된 시료는 해수의 염농도를 고려하여 2.
- 1에 나타낸 침적식 온라인 굴절률 측정장치를 이용하여 굴절률을 측정하였다. 굴절률의 측정에 사용된 시료는 해수의 염농도를 고려하여 2.0 %에서 4.0 %, 범위 내에서 0.5 % 단위로 증가시키면서 서로 농도가 다른 염 용액의 전압을 측정하고 마지막으로 처음의 2.0 % 시료에 대해 측정하여 측정의 재현성을 검증하였다. 동시에 온도를 온라인으로 측정하여 얻어진 굴절률의 온도보정이 가능하도록 하였다.
- 0 % 시료에 대해 측정하여 측정의 재현성을 검증하였다. 동시에 온도를 온라인으로 측정하여 얻어진 굴절률의 온도보정이 가능하도록 하였다. 레이저 모듈에서 발생된 빛이 시료를 통과하면서 굴절된 레이저 광을 광전센서에서 수광하여 전압 신호를 발생시키고 이를 "변환기를 거쳐 PC에 입력한다.
- 발광부와 센서의 구멍에 액체가 들어가지 않도록 측정부 쪽의 구멍 끝에 현미경용 슬라이드 유리를 막아 에폭시 수지로 접착하였다. 또 광전센서의 위치가 레이저 광에 정확하게 맞도록 조정하기 위하여 광전센서가 보이도록 광전센서의 측면으로 작은 구멍을 뚫고 구멍 위에도 마찬가지로 슬라이드 유리를 잘라 에폭시 수지로 접착하였다. 측정셀은 레이저 광이 액을 통과할 수 있도록 액의 중앙에 충분히 담가 굴절률을 측정하였다.
- 3의 치수에 맞게 자르고 레이저 발광부와 광전센서가 액체에 젖지 않도록 폴리프로필렌 판의 가운데에 구멍을 뚫어 그림에서와 같이 다이오드 레이저 발광부와 광전센서를배치하였다. 발광부와 센서의 구멍에 액체가 들어가지 않도록 측정부 쪽의 구멍 끝에 현미경용 슬라이드 유리를 막아 에폭시 수지로 접착하였다. 또 광전센서의 위치가 레이저 광에 정확하게 맞도록 조정하기 위하여 광전센서가 보이도록 광전센서의 측면으로 작은 구멍을 뚫고 구멍 위에도 마찬가지로 슬라이드 유리를 잘라 에폭시 수지로 접착하였다.
- 본 실험의 굴절계는 굴절률 대신 전압을 측정함으로 측정된 전압을 굴절률로 환산할 필요가 있어 정밀굴절계 (Kyoto Electronics Manufacturing Co., Japan; Mod시 RA-510)로 측정한 굴절률과 본 실험에서의 측정전압을 Fig. 7에 도시하였다. 전압과 실제의 굴절률은 완전한 직선 관계를 보이지는 않지만 전압으로부터 굴절률을 환산해내는 것은 어렵지 않다.
- 9 mm, 길이 15 mm)의 마이크로형 백금저항 온도 센서(코닉스 계기공업(주), 모델 C100/09158X 레이저광이 지나가는 경로를 방해하지 않도록 경로의 측면에 설치하여 실제 빛이 지나는 액체의 온도를 측정할 수 있게 배치하였다. 저항온도계는 온도조절지시계(오토닉스(주), 모델 TZ4 W-R4I。에연결하여 4-20 ma 표준신호에 의한 온도를 측정하고 100 Q의 전기저항을 이용하여 전압 신호로 바꾼 다음 Fig. 4의 AA 缶 변환기를 거쳐 PC에 측정된 온도의 디지털 값을 온라인으로 입력 하였다.
- 온도의 변화에 따른 굴절률의 변화를 보기 위하여 2 %, 3 %, 4 %의 염 용액을 사용하여 온도를 연속적으로 변화시키면서 온도와 전압을 동시에 측정하여 Fig. 8에 나타내었다. 측정은 1초 간격으로 하였으며 온도변화 속도는 분당 약 0.
- 해수의 염도를 즉정하기 쉽게 하기 위하여 즉정장치를 해수에 침적할 수 있게 하였으며 온도에 상관없이 온도에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있고 온라인으로 염도를 측정할 수 있도록 제작하였다. 이렇게 제작된 굴절계의 성능은 해수와 유사한 염농도를 가진 염 용액을 사용하여 측정정도와 온도 의존성을 조사하였다. 본 연구의 광학식 염도 측정 장치는 염도 이외에 탁도와 미생물 농도 등을 동시에 측정할 수 있는 장치로의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
- 측정 셀에는 시료의 온도를 측정할 수 있는 세라믹 온도 센서(직경 0.9 mm, 길이 15 mm)의 마이크로형 백금저항 온도 센서(코닉스 계기공업(주), 모델 C100/09158X 레이저광이 지나가는 경로를 방해하지 않도록 경로의 측면에 설치하여 실제 빛이 지나는 액체의 온도를 측정할 수 있게 배치하였다. 저항온도계는 온도조절지시계(오토닉스(주), 모델 TZ4 W-R4I。에연결하여 4-20 ma 표준신호에 의한 온도를 측정하고 100 Q의 전기저항을 이용하여 전압 신호로 바꾼 다음 Fig.
- 한다. 해수의 염도를 즉정하기 쉽게 하기 위하여 즉정장치를 해수에 침적할 수 있게 하였으며 온도에 상관없이 온도에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있고 온라인으로 염도를 측정할 수 있도록 제작하였다. 이렇게 제작된 굴절계의 성능은 해수와 유사한 염농도를 가진 염 용액을 사용하여 측정정도와 온도 의존성을 조사하였다.
- 해수의 염도와 온도의 측정이 용이하도록 설계된 침적식온라인 굴절계를 제작하여 실제 해수와 비슷한 염도를 가진 염 용액에서 굴절률과 온도를 측정하여 그 성능을 시험하였다.
성능/효과
- 1 %까지의 농도를 충분히 측정해 낼 수 있고 또 기존의 굴절계와는 다르게 온도의 측정과 온도변화에 따른 굴절률의 보상이 가능함을 제시하였다. 또 측정의 결과로부터 굴절계의 정도뿐만 아니라 재현성이 양호함을 입증하였다.
- 시료의 농도변화와 온도변화에 따른 굴절률의 변화 정도를 전압으로 측정하여 농도를 계산해 냄으로서 제작된 굴절 계가 보통의 염도 측정에 사용되는 0.1 %까지의 농도를 충분히 측정해 낼 수 있고 또 기존의 굴절계와는 다르게 온도의 측정과 온도변화에 따른 굴절률의 보상이 가능함을 제시하였다. 또 측정의 결과로부터 굴절계의 정도뿐만 아니라 재현성이 양호함을 입증하였다.
- 5 %씩 증가하면서 1초 간격으로 100회 씩 측정한 전압이 그림의 상단에 나타나 있다. 처음과 마지막의 동일 농도에서의 측정치로부터 재현성과 0.5 %의 농도변화에 따른 전압변화를 감안할 때 약 0.1 %의 농도변화를 감지할 수 있음을 알 수 있다. 이것은 해수의 염도를 천분률로 측정함을 고려할 때 충분한 정도의 염도측정이 가능함을 보여주고 있다.
후속연구
- 기존의 온라인 굴절계가 넓은 온도 범위에서 사용할 수 없음을 보완하여 본 연구의 침적식 굴절계는 넓은 온도 범위의 해수의 염도를 현장에서 직접 온라인으로 측정할 수 있는 기능이 있고 측정 시간이 매우 짧아 해수의 염도와 온도의 측정에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 아울러 시료의 농도 범위에 상관없이 굴절률의 변화가 있는 영역에서는 모두 적용이 가능하다. 또 본 실험의 자가제작 굴절계는 염가의 재료를 사용하여 제작하였기 때문에 경제성이 우수하며 측정의 정도는 염도의 측정용으로 사용하기에 만족할 만하다.
- 이렇게 제작된 굴절계의 성능은 해수와 유사한 염농도를 가진 염 용액을 사용하여 측정정도와 온도 의존성을 조사하였다. 본 연구의 광학식 염도 측정 장치는 염도 이외에 탁도와 미생물 농도 등을 동시에 측정할 수 있는 장치로의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
- 해수에서의 염도는 해양 생태계와 직접적인 관련이 있기 때문에 염도의 측정은 매우 중요하며 해수의 수질관리나 수산업에 반드시 필요하기 때문에 연속적이고 무인화된 측정이 가능하다면 대단히 편리하게 활용할 수 있을 것이다. 이러한 염도의 측정을 위하여 비교적 간단한 전기전도도 측정법이 널리 사용되고 있다.
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