소개글

광학식염도 및 온도측정장치의 개발연구에 관한 주제로 작성한 레포트 예문입니다.

저작시기 : 2006년 5월

본문내용

광학식 염도 및 온도 측정장치의 개발 연구
abstract
an immersion-type on-line ref
ractometer useful for the in-situ measurement of salinity and temperature of sea water is developed, and its performance is examined by applying the refractometer to known salt solution having salt concentration between 2 and 4.% similar to practical sea water salinity.since refractive index and temperature are measured simultaneously, it is possible to compensate the effect of temperature for fast and direct measurement.
the outcome of salinity measu
rement for the different concentrations of salt solution indicates that the device is suitable for the salinity measurement by yielding stable and reproducible reading.
1.서 론
해수에서의 염도 측정은 매우 중요하며 해수의 수질관리
나 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.해수의 염 농도가 변화하면 굴절률이 변화하므로 굴절률을 측정하여 해수의 염도를 측정하려는 시도는 이미 발표[1,2]된 바 있다.이러한 광학식 염도 측정센서는 염도이외에 탁도, 미량 해조류의 광학적 동시 측정이 가능하므로 기존의 전기식 센서에 비해 활용도가 높은 이점이 있다.
굴절계가 화학성분의 분석에 널리 활용되고 있음은 액체
크로마토그라프에서 감지기로 굴절계를 사용하는 점이 이를 뒷받침해주고 있다.굴절계를 사용하면 피측정물질의 광학적 특성변화를 전기적 신호로 얻을 수 있어 매우 빠른 속도로 측정이 가능하고 전기신호를 이용한 온라인 측정이 가능하다.이러한 굴절계의 잇점은 측정장치의 자동화와 무인화에 필수적으로 활용될 수 있다.
굴절률의 측정시 abbe 굴절계나 pulfrieh 굴
절계처럼 현미경이나 망원경과 같은 광학기기를 이용하는 방법과 광선을 둘로 나누는 2광선 간섭계로 기체 등의 굴절률 측정에 쓰이는 간섭계에 의한 방법 혹은 brewster 각도법 등을 이용하는 방법들이 있다[3].이러한 기존의 굴절률 측정방법을 개선한 연구들이 최근 많이 발표되고 있다.온도의 변화에 따른 굴절률의 변화를 보상하기 위한 방법으로 2중 파장을 이용하는 방법[4], 굴절률 측정의 안정성을 향상하기 위하여 헤테로다인 광과 프리즘을 이용한 방법[5], 2중 간섭계와 습도센서를 복합한 굴절계방법[6], 측면 굴절률의 측정에 의한 방법[7] 등이 소개 된 바 있다.또 굴절률 측정의 정도를 높이기 위하여 2개의 서로 다른 파장을 가진 광원을 이용하는 측정방법[8]과 다이오드 레이저 광을 이용한 초소형 굴절계[9]가 개발되어 있다.
굴절률의 측정 시 온도가 변화하면 측정값이 온도에 매
우 민감하게 변화함으로 일정한 온도조건에서 측정을 하거나 온도변화에 따른 굴절률의 변화를 보상해 주어야 정확한 굴절률 측정이 가능하므로 굴절률의 온도 의존성을 해결하려는 노력이 계속되고 있다.
현재 많이사용하는 자동식 굴절계는 굴절률 측정을 위한
빛의 측정을 위해 ccd (charge coupled device)나 광전 다이오드를 사용하여 빛의 굴절 정도를 감지한다.이러한 굴절계들은 오프 라인으로 보통 사용하며 온라인으로 사용하는 경우에도 온도보상이 되지 않아 시료의 온도가 일정한 범위 내에 도달하도록 따로 온도조절 장치가 부착되어 있어 장치의 소형화에 어려움이 따른다.또 온도조절을 위하여 측정시간을 많이 소요하는 단점을 갖고 있다.예를 들어 온라인 정밀 굴절계 (kyoto electronics co., japan, model ra-510)의 경우 시료의 온도가 설정온도에서 0.02.c 이내일 때 측정치를 출력하므로 시료의 온도가 일정하지 않거나 설정온도에서 많이 벗어나는 경우 온도조정에 많은 시간을 필요로 하여 측정 시간이 매우 길다.또 장치가 커서 해수의 염도 측정에 온라인으로 사용하기에는 적합하지 않다.뿐 만 아니라 굴절률은 염도에 따라 변하기도 하지만 온도에 의해서도 변하기 때문에 온도를 동시에 측정하여 보상을 해줄 필요가 있다.
본 연구에서는 해수의 염도를 굴절률로부터 온라인으로
측정할 수 있는 장치를 개발하고 그 성능을 시험해 보고자 한다.해수의 염도를 측정하기 쉽게 하기 위하여 측정장치를 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 소금농도를 가진 소금용액을 사용하여 측정정도와 온도의존성을 조사하였다.
2.온라인 굴절계의 구조 및 제작
굴절률을 측정하는 침적식 온라인 굴절계를 포함한 전체
실험장치를 그림 1에 나타내었다.우선 굴절계는 레이저 발광부, 측정부, 광전 센서로 구성되어 있으며 자세한 구조적 배치와 치수는 그림 2에 표시되어 있다.침적식으로 사용이 가능하도록 20mm 두께의 폴리프로필렌 판을 그림 2의 치수에 맞게 자르고 레이저 발광부와 광전센서가 액체에 젖지 않도록 폴리프로필렌 판의 가운데에 구멍을 뚫어 그림에서와 같이 다이오드 레이저 발광부와 광전센서를 배치하였다.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 관전센서의 측면으로 작은 구멍을 뚫고 구멍위에도 마찬가지로 슬라이드 유리를 잘라 에폭시 수지로 접착하였다.측정셀은 레이저 광이 액을 통과할 수 있도록 액의 중앙에 충분히 담가 굴절률울 측정하였다.
레이저 발광부는 dc 3v 전원을 사용하는 다이오드
레이저 모듈로부터 발광되어 측정셀로 조사되게 된다.여기서 사용한 레이저 모듈은 보통의 레이저 포인터로 사용하는 것을 이용하였다.
측정셀에는 시료의 온도를 측정할 수 있는 세라믹 온도
센서(직경 0.9 mm, 길이 15 mm의 마이크로형 백금저항 온도 센서(코닉스 계기공업(주), 모델 cxxxx.xx.xx)를 레이저광이 지나가는 경로를 방해하지 않도록 경로의 측면에 설치하여 실제 빛이 지나는 액체의 온도를 측정할 수 있게 배치하였다.저항온도계는 온도조절지시계(오토닉스(주), 모델 tz4w-r4r)에 연결하여 xxx-xxx ma 표준신호에 의한 온도를 측정하고 100옴의 전기저항을 이용하여 전압신호로 바꾼 다음 그림 3의 a/d변환기를 거쳐 pc에 측정된 온도의 디지털 값을 온라인으로 입력하였다.
측정액체의 농도변화에 따라 레이저 광원의 굴절률이 변
화하게 되고 따라서 시료의 농도변화에 따라 굴절된 광원은 수광부의 광전센서 (hamamatsu photonics, japan, 1차원 psd model s3932)의 수광위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되며 그림 4의 증폭회로(hamamatsu photonics, japan, model cxxxx.xx.xx)를 통하여 증폭된 전압신호는 그림 3의 a/d 컨버터를 거쳐 pc로 보내지게 된다.본 실험에서는 시중에서 구할 수 있는 축차추정식 a/d변환기를 사용하지 않고 그림 3의 적분형 a/d변환기를 자가제작 사용하였다.제작된 a/d변환기는 변환속도가 느린 대신 측정신호의 잡음에 영향을 받지 않기 때문에 실험결과를 얻기에 매우 편리한 이점이 있고 변환의 해상도가 약 14 bit에 해당하므로 실험에서 측정정도도 상당하게 얻을 수 있다.다만 1초에 4개 정도의 샘플링이 가능하지만 이러한 측정속도는 본 실험에서 전혀 문제가 되지 않는다.그림 3의 4051은 신호의 multiplexer ic이고 7135는 a/d 변환 ic이며 74373 데이터 latch ic이다.
3.실험
fig.2.schematic diagram of a    (이하 생략)

참고문헌

없음