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문제 정의
- 이러한 관점에서 본 연구에서는 PC카메라와 컴퓨터로 구성한 채도측정시스템을 이용하여 인도페놀법으로 발색시킨 액체시료의 영상을 취득하고 채도값을 측정하였으며, 채도값으로부터 액체시료의 암모니아성 질소 농도를 예측할 수 있는가를 검토하였다.
제안 방법
- 에 근거하였으며, 그 과정은 다음과 같다. NH4Cl로 암모니아성 질소 농도 100 mg/l인 표준원액을 제조하고 희석하여 암모니아성 질소 농도 1.0 mg/l인 표준용액을 제조하였으며, 이 표준용액으로 암모니아성 질소 농도 0.0 mg/l에서 1.0 mg/l까지의 용액들을 0.1 mg/l 간격으로 제조하였다. 이 용액들에 phenol과 sodium nitroprusside를 혼합하여 제조한 발색시약과 sodium hypochlorite와 sodium hydroxide를 혼합하여 제조한 용액을 첨가한 다음 27.
- PC카메라로 640×480 픽셀 크기의 시료셀 영상(Fig. 2)을 획득한 후 영상의 RGB 색공간을 HSV 색공간으로 변환하였다.
- PC카메라와 광원으로 제작한 영상입력장치에 컴퓨터를 연결하여 구성한 채도측정시스템을 이용하여 인도페놀법으로 발색시킨 액체시료의 영상을 취득하고 채도를 측정하였으며, 채도값으로부터 액체시료의 암모니아성 질소 농도를 예측할 수 있는가를 검토하였다. 측정 시스템의 광원은 측정 농도 범위에서 우수한 직선성을 보이는 형광램프를 채택하였다.
- 다음으로 영상의 중심에 위치한 40×30 픽셀 영역(Fig. 2)을 구성하는 1200개 픽셀의 채도값들의 평균치를 산출하였다.
- 모든 구성품을 뚜껑이 있는 ABS제 전기콘트롤박스(인성전기공업사, 500×400×160 mm) 속에 넣어서 제작하였으며, 채도값 측정시에는 박스의 뚜껑을 닫아 외부 빛의 영향을 차단하였다.
- 빛을 부드럽게 확산시키기 위하여 램프와 시료사이에 백색 아크릴판(높이 80 mm×폭 90 mm×두께 9 mm)으로 만든 확산기를 설치하였다.
- 0 mg/l까지의 농도 범위를 고려하여 도출한 2차 다항식 회귀식을 사용하였으며, 분광광도법에 의한 예측은 전체 농도 범위를 고려하여 도출한 선형회귀식을 사용하였다. 예측 대상 농도는 0.25, 0.55 및 0.75 mg/l로 하였으며, 0.25 mg/l와 0.75 mg/l의 경우에는 9회 예측치의 평균치를 비교하였고, 0.55 mg/l의 경우에는 6회 예측치의 평균치를 비교하였다. 결과를 Table 2에 나타내었다.
- 형광램프 사용한 채도측정시스템으로 합리적인 농도 예측이 가능한 지를 알아보기 위하여 채도측정시스템에 의한 예측치와 Shimadzu UV 1201 분광광도계를 이용한 분광광도법에 의한 예측치를 서로 비교하였다. 채도측정시스템에 의한 예측은 0.1 mg/l부터 1.0 mg/l까지의 농도 범위를 고려하여 도출한 2차 다항식 회귀식을 사용하였으며, 분광광도법에 의한 예측은 전체 농도 범위를 고려하여 도출한 선형회귀식을 사용하였다. 예측 대상 농도는 0.
- 형광램프 사용한 채도측정시스템으로 합리적인 농도 예측이 가능한 지를 알아보기 위하여 채도측정시스템에 의한 예측치와 Shimadzu UV 1201 분광광도계를 이용한 분광광도법에 의한 예측치를 서로 비교하였다. 채도측정시스템에 의한 예측은 0.
- 발색시료의 발색도는 흡광도와 채도로서 측정하였다. 흡광도는 분광광도계(Shimadzu Scientific Instrument, UV 1201)로 측정하였으며, 채도는 채도측정시스템으로 측정하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. 그림에서와 같이 PC카메라(Logitech, QuickCam S5500), 셀홀더, 시료셀, 확산기, 램프로 구성하였다. 모든 구성품을 뚜껑이 있는 ABS제 전기콘트롤박스(인성전기공업사, 500×400×160 mm) 속에 넣어서 제작하였으며, 채도값 측정시에는 박스의 뚜껑을 닫아 외부 빛의 영향을 차단하였다.
- 빛을 부드럽게 확산시키기 위하여 램프와 시료사이에 백색 아크릴판(높이 80 mm×폭 90 mm×두께 9 mm)으로 만든 확산기를 설치하였다. 램프는 형광램프(Philips, Tornado 5W)와 LED램프(SAMSUNG LED, STIILW7500401184.7W)를 비교하여 더 우수한 결과를 나타낸 형광램프를 선택하여 사용하였다.
- 모든 구성품을 뚜껑이 있는 ABS제 전기콘트롤박스(인성전기공업사, 500×400×160 mm) 속에 넣어서 제작하였으며, 채도값 측정시에는 박스의 뚜껑을 닫아 외부 빛의 영향을 차단하였다. 시료셀(sample cell)은 유리제 비색관(외경 24 mm)을 절단(길이 70 mm)하여 사용하였으며, 측정시 발색시료를 담은 비색관을 PPC제 원주형 플라스틱(높이 25 mm)을 가공하여 제작한 셀홀더에 끼워 넣어 고정하였다. 빛을 부드럽게 확산시키기 위하여 램프와 시료사이에 백색 아크릴판(높이 80 mm×폭 90 mm×두께 9 mm)으로 만든 확산기를 설치하였다.
- 0 mg/l의 농도범위에서 농도 증가에 따라 채도값이 거의 직선적으로 증가하였으므로 두가지 램프 공히 채도값 측정에 의한 먹는물 등의 암모니아성 질소 농도 예측에 사용 가능하다고 생각되었다. 직선성을 비교하기 위하여 상관계수값(R)을 산출한 결과 형광램프의 경우 0.9974, LED램프의 경우 0.9951로 얻어져서 형광램프의 직선성이 더 우수하였으므로 계속된 실험에서는 형광램프를 사용하였다. 형광램프와 LED램프의 경우 농도가 높은 부분과 낮은 부분에서 직선성이 떨어지는 양상이었으며, 농도 낮을 경우가 직선성이 더 떨어졌다.
- PC카메라와 광원으로 제작한 영상입력장치에 컴퓨터를 연결하여 구성한 채도측정시스템을 이용하여 인도페놀법으로 발색시킨 액체시료의 영상을 취득하고 채도를 측정하였으며, 채도값으로부터 액체시료의 암모니아성 질소 농도를 예측할 수 있는가를 검토하였다. 측정 시스템의 광원은 측정 농도 범위에서 우수한 직선성을 보이는 형광램프를 채택하였다.
데이터처리
- Microsoft excel 5.0으로 상관분석, 회귀분석 및 t검정을 수행하였다. 회귀분석의 경우에는 농도값 예측 오차를 줄이기 위하여 표준용액의 농도값을 1000배하여 도출한 회귀식으로 산출한 농도 예측치를 다시 1000으로 나누어 주었다.
- 회귀분석의 경우에는 농도값 예측 오차를 줄이기 위하여 표준용액의 농도값을 1000배하여 도출한 회귀식으로 산출한 농도 예측치를 다시 1000으로 나누어 주었다. t-검정은 쌍체비교검정(paired t-test)으로 하였다.
이론/모형
- 먹는물수질공정시험기준3)에 규정된 암모니아성 질소 측정방법은 인도페놀법에 의한 분광광도법과 이온크로마토그래피법이다.
- 발색시료의 제조는 먹는물수질공정시험기준3)에 근거하였으며, 그 과정은 다음과 같다. NH4Cl로 암모니아성 질소 농도 100 mg/l인 표준원액을 제조하고 희석하여 암모니아성 질소 농도 1.
성능/효과
- 0.1 mg/l부터 1.0 mg/l까지의 농도 범위를 고려한 2차 다항식 회귀의 경우가 선형회귀나 전체 농도 범위를 고려한 2차 다항식 회귀의 경우보다 예측의 정확도가 더 우수하였다.
- 0.75 mg/l 표준용액을 7회 분석하여 얻은 표준편차에 3.145를 곱하여 산출한 기기검출한계는 분광광도법의 경우에는 0.016 mg/l였고, 채도 측정법의 경우에는 0.021 mg/l로서 큰 차이가 없는 것으로 판단되었다.
- 5와 같다. 그림에 나타낸 결정계수값으로 판단하면, 선형회귀(R2=0.9948)보다 2차 다항식 회귀(R2=0.9969)의 경우가 예측의 정확도가 더 큰 것으로 나타났으며, 2차 다항식 회귀의 경우에도 전체 농도 범위를 고려한 경우(R2=0.9969)보다 0.1 mg/l부터 1.0 mg/l까지의 농도 범위를 고려한 경우(R2=0.9988)가 예측의 정확도가 더 개선되는 것으로 나타났다.
- 따라서, 암모늄이온을 함유하는 액체시료를 인도페놀법으로 발색시켜 나타나는 청색의 짙은 정도를 채도값으로 측정하였을 때 암모니아성 질소의 농도와 채도값이 비례관계를 나타낼 경우, 채도값 측정에 의하여 암모니아성 질소의 농도를 예측할 수 있다고 생각되었다. 만약, 먹는 물의 암모니아성 수질 기준 농도인 0.
- 이 데이터에 대하여 t-검정한 결과 양측검정의 p값이 0.0054이므로 전체 농도 범위를 고려할 경우보다 0.1 mg/l부터 1.0 mg/l까지의 농도 범위를 고려할 경우의 결정계수값이 유의하게 더 컸다(p<0.05).
- 이상의 결과로 본 연구의 채도 측정 방법이 개선의 여지는 있으나, 먹는물의 암모니아성 질소 농도 측정에 사용 가능하다고 생각되었다. 또한, 서론에서도 언급한 바와 같이 먹는물의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들과 오염수의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들 중 채도값 측정에 의한 정량이 가능한 항목이 존재할 것으로 생각된다.
- 25 mg/l의 경우가 가장 큰 것으로 나타났다. 즉, 채도 측정에 의한 농도 예측의 오차가 중간 농도 범위에서 가장 작고, 낮은 농도에서는 오차가 커질 것으로 기대되었다. 낮은 농도에서 오차가 커진 것은 앞에서 언급한 바와 같이 청색도가 낮아질수록 배경 영상의 색의 영향을 더 받기 때문이라고 생각되었다.
- 채도측정시스템에 의한 농도 측정 방법은 먹는물의 암모니아성 질소의 정량에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 먹는물 수질시험 항목 중 비색법으로 측정하는 색도, 잔류염소, 질산성 질소 등과 오염수 수질 시험 항목 중 비색법으로 측정하는 아질산성 질소, 질산성 질소, 인, 페놀, 시안, 불소, 기타 무기물 등에도 실험 결과에 따라 응용이 가능할 것으로 생각되어 연구의 의의가 크다고 생각되었다.
후속연구
- 또한, 서론에서도 언급한 바와 같이 먹는물의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들과 오염수의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들 중 채도값 측정에 의한 정량이 가능한 항목이 존재할 것으로 생각된다. 더 나아가 스마트폰의 카메라를 이용하고, 스마트폰용 영상처리 프로그램을 이용한 소형 측정시스템을 개발한다면 더욱 저렴한 측정이 가능할 것이며, 현장에서의 측정도 가능할 것이다.
- 05). 따라서, 채도 측정 방법이 먹는물 등 액체시료의 암모니아성 질소 측정에 사용될 수 있다고 생각되었다.
- 이상의 결과로 본 연구의 채도 측정 방법이 개선의 여지는 있으나, 먹는물의 암모니아성 질소 농도 측정에 사용 가능하다고 생각되었다. 또한, 서론에서도 언급한 바와 같이 먹는물의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들과 오염수의 수질시험 항목에서 비색법으로 측정하는 항목들 중 채도값 측정에 의한 정량이 가능한 항목이 존재할 것으로 생각된다. 더 나아가 스마트폰의 카메라를 이용하고, 스마트폰용 영상처리 프로그램을 이용한 소형 측정시스템을 개발한다면 더욱 저렴한 측정이 가능할 것이며, 현장에서의 측정도 가능할 것이다.
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