KR100328979B1

KR100328979B1 - 다중채널 폐하/이온 측정장치

Info

Publication number: KR100328979B1
Application number: KR1019990029656A
Authority: KR
Inventors: 심윤보
Original assignee: 심윤보
Priority date: 1999-07-21
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2002-03-20
Also published as: KR19990078651A

Abstract

본 발명은 용존이온의 농도(Ion)와 수소이온의 농도(pH)를 측정하는 다중채널 pH/Ion 측정장치에 관한 것으로, 동시에 다수의 시료의 pH/Ion을 측정할 수 있는 구조로 되어 있어 측정시간을 단축시키고 측정효율을 향상시킬 수 있으며, 분석 소프트웨어 및 컴퓨터와 연결되어 사용됨으로써 다수의 측정치가 동시에 디스플레이 되고 측정값의 저장 및 활용이 용이하도록 한 것이다. 기존의 다중채널 분석기는 4개 정도의 프로브 입력단자를 설치하였으나, 각 입력단자가 독립적으로 분석을 수행할 수 없고 기존에 개발된 별도의 단일채널 pH/Ion와 함께 사용이 가능한 단순한 연결부 기능만을 수행한다. 이와 달리 본 발명의 다중채널 pH/Ion 측정장치는 분석 시스템을 종합 관리하는 소프트웨어를 사용하여 시스템 전체의 통합 관리 및 각 채널이 독립적으로 운용 가능하며, 중앙 집중식으로 동시 원거리 측정을 통해(on-line) 장기적인 관측, 관리 및 제어가 가능하다. 이를 위해, 화학시료(121)의 pH/Ion을 측정하는 pH/Ion 측정장치는, 외부케이싱; 외부케이싱 내부에 수용되고 다수의 입력채널(109)이 형성되어 있는 회로기판; 외부케이싱 상에 설치되고 입력채널(109)에 연결되는 다수의 입력포트(104); 입력포트(104)에 각각 연결되어 화학시료(121)의 전압치를 측정할 수 있는 다수의 측정프로브(103); 측정프로브(103)에 의해 측정된 전압치의 아날로그값을 디지털값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 아날로그-디지털 변환기에 의해 변환된 전압치의 디지털값을 소프트웨어적으로 환산하여 pH/Ion 값으로 변환하는 환산장치; 환산장치에 의해변환된 pH/Ion 값을 디스플레이하는 디스플레이부; 및 시스템 제어용 소프트웨어를 구비하여 다중채널 pH/Ion 측정장치의 제어, 운용, 교정, 테이타 변환, 저장 및 측정값의 디스플레이를 위한 제어부를 포함하여, 다수의 입력포트(104)를 통해 입력되는 각 화학시료(121)의 측정치를 pH/Ion 값으로 각각 디스플레이하는 것을 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

다중채널 폐하/이온 측정장치{Multi-channel apparatus for measuring pH/Ion}

본 발명은 수소이온의 농도(pH)와 용존이온의 농도(Ion)를 측정하는 다중채널 pH/Ion 측정장치에 관한 것으로, 동시에 다수의 시료의 pH/Ion을 측정할 수 있는 구조로 되어 있어 측정시간을 단축시키고 측정효율을 향상시킬 수 있으며, 분석 소프트웨어 및 컴퓨터와 연결되어 사용됨으로써 다수의 측정치가 동시에 디스플레이 되고 측정값의 저장 및 활용이 용이하도록 한 pH/Ion 측정장치에 관한 것이다.

pH/Ion 측정장치는 분석 시스템을 종합 관리하는 소프트웨어를 사용하여 시스템 전체의 통합 관리 및 각 채널이 독립적으로 운용 가능하며, 중앙 집중식으로 동시 원거리 측정 (on-line)이 가능하며 장기적인 관측을 통한 관리 및 제어가 가능하다.

일반적으로 용존되어 있는 양이온, 음이온 및 기체 이온의 전기화학적인 검출을 위해, 이온의 활동도 (또는 농도)에 따른 전위변화를 측정하는 전위차법(Potentiometry)이 많이 이용되고 있다. 전위차법 분석은 전류가 흐르지 않는 상태에서 전기 화학전지의 전위를 측정하는 것에 기초를 두고 있다. 이온의 농도는 분석하고자 하는 이온과 선택적으로 반응하는 이온 선택성 전극의 전위로부터 직접 구하는 방법이 이용된다. 그러한 전극들은 비교적 다른 이온들의 방해작용을 받지 않으며 다수의 중요한 음이온과 양이온 및 기체의 정량에 빠르고 편리한 방법을 제공한다. 전극전위에 미치는 활동도(또는 농도)의 영향은 다음과 같이 Nernst식으로 나타낸다.

적절한 지시전극과 기준전극을 분석하려는 용액에 담그고, 분석물의 농도는 전위를 측정하여 결정한다. 이때 표준용액으로 반드시 전극을 보정해 주어야 한다. E_cellvs . log농도와 같은 검정선은 일련의 표준용액을 만들어 전위를 측정함으로써 작성할 수 있다.

전위차법 측정으로 여러 가지 양이온과 음이온을 빠르고 선택적으로 정량하는 여러가지 막 전극이 상품으로 나와 있다. 지시전극으로 사용되는 막 전극(membrane electrode)은 용존이온에 대한 선택성이 크기 때문에 이온 선택성 전극(ion-selective electrode, ISE)이라고 불려지기도 한다. ISE는 고분자 지지체에 분석하고자 하는 이온과 선택적으로 반응하는 감응물질을 고정하거나 기체선택성 투과막 또는 고체감응물질을 사용하여 제조한다.

모든 이온-선택성 막들은 공통적 성질을 갖는데, 그것은 어떤 양이온이나 음이온에 대한 그들의 감도와 선택성이다. 용존하는 대부분의 양이온(NH₄ ⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Li⁺, NO_X, K⁺, Ag⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg⁺², X⁺), 음이온( Br^-, CO₃ ^2-, Cl^-, CN^-, F^-, BF₄ ^-, I^-, NO₃ ^-, ClO₄ ^-, S^2-, X^-) 및 기체(NH₃,CO₂)에 대한 ISE가 개발되어 있어 전위차법에 의해 쉽고 빠르게 이들의 농도 측정이 가능하다.

이하에서는 ISE를 이용한 분석방법을 소개하기로 한다.

1)대표적인 이온-선택성 전극으로는 수소이온 농도를 측정하는 pH측정용 유리 전극을 들 수 있다. 유리전극의 끝부분은 용액의 pH에 감응하는 얇은 유리막으로 구성되어 있다. 유리 구속에는 AgCl로 입힌 은 도선이 들어 있고 염화은으로 포화된 0.1M 염산용액으로 채워져 있다. 막의 안쪽에 있는 수소이온의 활동도(a_H+)는 HCl에 의하여 일정하게 유지되므로 전지전위는 시료용액의 pH에 감응한다. 여기서 수소이온에 농도에 대한 전위는 다음과 같이 정의되어진다.

E = E^*+ 0.0591pH

pH미터는 외부기준 전극에 대한 유리 전극의 전위를 측정하고 이 출력을 pH눈금으로 보정된 미터 눈금판 위에 나타낸다. pH미터는 전기화학전지 전위를 측정하는데 pH와의 관계를 알지 못하므로 알맞은 pH값을 나타내도록 표준화하여야 한다. 표준화는 한가지 또는 그 이상의 알려진 pH의 표준완충용액을 이용한다.

2) 다른 예를 들면 칼슘이온-선택성 전극은 칼슘이온과 선택적으로 이온교환이 가능한 화합물인 Ionophore가 고정된 고분자 막을 사용하며, pH전극에서 이용된 은/염화은 전극을 기준전극으로 사용한다. 칼슘이온의 농도에 따라 칼슘이온-선택성 전극에서 발생하는 전위차는 다음과 같이 나타날 수 있다.

농도를 정확하게 알고있는 칼슘이온 표준용액을 사용하여, 칼슘이온 농도에따른 칼슘이온-선택성 전극의 전위로부터 직선식을 구한다. 이 전극을 칼슘 이온 시료용액에 넣고 전위를 구한 다음 직선식으로 부터 칼슘이온의 농도를 구한다.

일반적으로 수소이온의 경우 발생하는 전위를 pH 눈금으로 환산하여 측정값을 장치에 표시하며, 이 외의 용존 이온들은 측정값을 전위(mV 단위)로 나타낸다. 용존되어 있는 다른 양이온, 음이온 및 용존가스의 농도도 수소이온 및 칼슘 이온과 같이 ISE의 전위로 부터 측정이 가능하다.

도 1은 종래의 pH/Ion측정장치의 사시도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 pH/Ion측정장치는 측정장치몸체부(1) 및 측정장치몸체부(1)에 연결되어 있는 전압측정용 프로브(probe, 3)로 구성되어 있다.

측정장치몸체부(1)는 외부케이싱 내부에 회로기판이 장착되는 구조로 되어 있다. 회로기판 상에는 아날로그-디지털 컨버터(AD converter, 미도시)가 장착되어, 프로브(3)에 의해 측정된 측정전압치의 아날로그값을 디지털 값으로 변환할 수 있도록 되어 있다. 그래서, 측정된 전압치는 디지털 값으로 변환된 후에 외부케이싱의 외표면 상에 설치되어 있는 디스플레이부를 통해 디스플레이될 수 있도록 시스템 소프트웨어가 설치되어 있다.

그리고, 프로브(3)는 외부케이싱 상에 장착되는 지지대(2)에 의해 지지된 상태로, 화학시료(8)가 담겨져 있는 용기(7)에 담겨지게 됨으로써, 화학시료(8)의 전압치를 측정할 수 있도록 되어 있다.

이러한 구성에 의하여, 용기(7)에 담겨져 있는 화학시료(8)의 pH/Ion를 측정하고자 할 때에는, 프로브(5)를 용기(7)에 넣어서, 용기(7) 내의 화학시료(8)와 접촉하도록 한다. 이때, 프로브(5)는 화학시료(8)의 전압치를 측정하여, 그 전압치를 측정장치몸체부(1)로 전송하게 된다. 그래서, 측정장치몸체부(1) 내부에 있는 회로기판(미도시)으로 그 전압치가 입력되고, 측정된 아날로그 전압치는 AD 컨버터에 의해 디지털 값으로 변환된다. 디지털 값으로 변환된 전압치는 소프트웨어를 통해 다시 pH/Ion값으로 환산되어, 디스플레이부(5)를 통해 디스플레이된다. 이에 따라, 실험자는 디스플레이부(5)를 통해 디스플레이되는 수치를 보고 화학시료(8)의 pH/Ion값을 알수 있게 된다.

그런데, 종래의 이러한 pH/Ion측정장치는 ISE 프로브가 연결되는 포트가 단일개로 형성되어 있어서, 한번에 하나의 화학시료의 pH/Ion 만을 측정할 수 있도록 되어 있다. 또한 개발된 다중채널 분석기는 4개 정도의 프로브 입력단자를 설치하였으나, 각 입력단자가 독립적으로 분석을 수행할 수 없고 기존에 개발된 별도의 단일채널 pH/Ion와 함께 사용이 가능한 단순한 연결부 기능만을 수행한다. 그래서, 다수의 화학시료를 측정하고자 할 때에는, 한번에 하나씩 측정을 수행하게 됨으로써, 측정시간이 많이 걸린다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 동시에 다수의 시료의 pH/Ion을 측정할 수 있는 다중채널 구조로 되어 있어 측정시간을 단축시키고 측정효율을 향상시킬 수 있으며, 분석 소프트웨어 및 컴퓨터와 연결되어 사용됨으로써 다수의 측정치가 동시에 디스플레이 되고 측정값의 저장 및 활용이 용이하도록 한 pH/Ion 측정장치를 제공하는 것이다. 분석 시스템을 종합 관리하는소프트웨어를 사용하여 시스템 전체의 통합 관리 및 각 채널이 독립적으로 운용 가능하며, 중앙 집중식으로 동시 (on-line)에 장기적인 관측을 통한 관리 및 제어가 가능하다.

도 1 - 종래의 pH/Ion 측정장치의 사시도.

도 2 - 본 발명에 따른 다중채널 pH/Ion 측정장치의 사시도.

도 3 - 도 2의 측정장치의 요부의 회로도.

도 4 - 도 2의 모니터를 통해 측정된 pH/Ion값이 디스플레이되는 것을 도시한 상태도.

도 5 - 본 발명에 따른 pH/Ion 측정장치의 작동을 위한 소프트웨어의 제어블록도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

101 : 측정장치몸체부 103 : 프로브

104 : 입력포트 106 : 연결선

109 : 입력채널 110 : 컴퓨터본체

111 : 온도감지센서 112 : 모니터

120 : 용기 121 : 화학시료

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다수의 화학시료의 pH/Ion를 측정하는 다중채널 pH/Ion측정장치는, 외부케이싱; 외부케이싱 내부에 수용되고 다수의 입력채널이 형성되어 있는 회로기판; 외부케이싱 상에 설치되고 입력채널에 연결되는 다수의 입력포트; 입력포트에 각각 연결되어 화학시료의 전압치를 측정할 수 있는 다수의 측정프로브; 측정프로브에 의해 측정된 전압치의 아날로그값을 디지털값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기; 아날로그-디지털 변환기에 의해 변환된 전압치의 디지털값을 소프트웨어적으로 환산하여 pH/Ion값으로 변환하는 환산장치; 환산장치에 의해 변환된 pH/Ion값을 디스플레이하는 디스플레이부 및 시스템 제어용 소프트웨어를 구비하여 다중채널 pH/Ion 측정장치의 제어, 운용, 교정, 데이타 변환, 저장 및 측정값의 디스플레이를 위한 제어부를 포함하여, 다수의 입력포트를 통해 입력되는 각 화학시료의 측정치를 pH/Ion값으로 각각 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 아날로그-디지털 변환기는 컴퓨터본체에 내장되고, 환산장치는 컴퓨터본체 내에 설치되어 있는 프로그램에 의해 구동됨으로써, 컴퓨터본체와 연결되는 모니터를 통해 디스플레이되도록 하는 것이 바람직하다.

외부케이싱에는 외부온도를 감지할 수 있는 온도감지센서가 설치되고, 아날로그-디지털 변환기는 전압치의 아날로그값을 온도감지센서에 의해 측정된 외부온도에 상응하는 보상값으로 보상하여 디지털값으로 변환하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

이에 따라, 동시에 다수의 시료의 pH/Ion를 측정할 수 있게 되어 측정시간을 단축시키고 측정효율이 향상된다. 그리고, 컴퓨터와 연결되어 사용됨으로써 다수의 측정치가 모니터를 통해 디스플레이됨으로써, 다양한 디스플레이 화상이 제공될 수 있게 된다.

이하 첨부도면을 참조로 하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 pH/Ion측정장치의 사시도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 화학시료(121)의 pH/Ion를 측정하는 pH/Ion측정장치는, 종래의 pH/Ion측정장치와 마찬가지로, 측정장치몸체부(101) 및 측정장치몸체부(101)에 연결되어 있는 전압측정용 프로브(probe, 103)로 구성되어 있다.

측정장치몸체부(101)의 외형을 형성하는 외부케이싱에는 다수의 입력포트(104), 예를 들어 16개의 입력포트(104)가 형성되어 있고, 이들 입력포트(104)에는 연결선(106)의 일단이 접속되고, 연결선(106)의 타단은 프로브(103)와 연결되어 있다. 그리고, 측정장치몸체부(101)에는 별도의 연결포트가 형성되어 있어, 측정장치몸체부(101)는 연결와이어에 의해 컴퓨터의 본체와 연결되어 컴퓨터본체(110) 측으로 신호를 전송할 수 있도록 되어 있다.

측정장치몸체부(101)의 외부케이싱 내부에는 회로기판이 장착되어 있고, 회로기판에는 다수의 입력채널(109), 예를 들어 16개의 입력채널(109)이 각각 형성되어 있고, 이들 각 입력채널(109)은 외부케이싱에 형성된 입력포트(104)와 일대일 방식으로 각각 연결되어 있다. 그래서, 입력포트(104)에 각각 연결되어 화학시료(121)의 전압치를 측정할 수 있는 다수의 측정프로브(103)가 용기(120) 내에 담겨져 있는 화학시료(121)의 전압치를 측정하여 측정장치몸체부(101) 측으로 전송하게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 측정된 전압치는 입력포트(104)를 통해 측정장치몸체부(101)의 입력채널(109)로 입력될 수 있도록 되어 있다.

측정장치몸체부(101)와 연결되는 컴퓨터본체(110) 내에는 측정프로브(103)에 의해 측정된 전압치의 아날로그값을 디지털값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기와 소프트웨어가 장착되어 있다. 그래서, 아날로그-디지털 변환기는 측정장치몸체부(101)의 회로기판 상에 있는 입력채널(109)로부터 아날로그 값을 입력받아 디지털로 변환하게 된다. 이때, 외부케이싱에 설치되어 있는 온도감지센서(111)가 외부온도를 감지하여, 그 외부온도에 상응하는 보상값이 아날로그-디지털 변환기로 입력됨으로써, 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 값을 보상값으로 보상하여 디지털 값으로 변환하게 된다.

그리고, 컴퓨터본체(110) 내부에는 아날로그-디지털 변환기에 의해 변환된 전압치의 디지털값을 환산하여 pH/Ion값으로 변환하는 환산장치(소프트웨어)가 설치되어 있다. 환산장치는 컴퓨터본체(110) 내부에 장착되는 보조기억장치인 하드디스크(hard disk) 내에서 프로그램으로 존재하게 된다. 그래서, 환산장치는 디지털 값을 pH/Ion값으로 환산하게 되고, 이 환산된 갑은, 도 4에 도시된 바와 같이, 모니터(112)를 통해 디스플레이될 수 있도록 되어 있다.

이하 본 발명에 따른 pH/Ion측정장치의 작동과 효과를 설명한다.

상기한 다중채널 pH/Ion측정장치를 사용하여, 실험자가 다수의 용기(120)에 담겨져 있는 각기 다른 화학시료(121)의 pH/Ion를 측정하고자 할 때에는, 측정장치몸체부(101)의 입력포트(104)에 각각 연결되는 다수의 프로브(103), 예를 들어 16개의 프로브(103)를 16개의 용기(120)에 담겨져 있는 화학시료(121)에 접촉하도록 한다. 이때, 각 프로브(103)가 화학시료(121)의 전압치를 측정하여 그 측정치를 연결선(106)을 통해 측정장치몸체부(101)의 각 입력포트(104) 측으로 전송하게 된다. 그래서, 각 입력포트(104)를 통해 입력되는 화학시료(121)의 전압치는 각 입력채널(109)을 통과한 후에, 컴퓨터본체(110)에 장착되어 있는 디지털-아날로그 변환기로 입력된다. 디지털-아날로그 변환기는 측정된 각각의 전압치 아날로그 값을 디지털 값으로 각각 변환하게 되고, 이 변환단계에서 온도감지센서(111)에 의해 측정된 외부온도에 상응하는 보상값이 보상되어 디지털 값이 각각 산출된다.

산출된 각각의 디지털 값은 컴퓨터본체(110) 내의 하드디스크에 설치되어 있는 프로그램에 의해 pH/Ion값으로 각각 환산된다. 환산된 pH/Ion값은, 도 4에 도시된 바와 같이, 모니터(112)를 통해 디스플레이됨으로써, 측정자는 화학시료(121)의 pH/Ion값을 직관적으로 인지할 수 있게 된다.

여기서, 모니터(112) 상에는 다수개의 pH/Ion측정치가 동시에 디스플레이 됨으로써, 측정자는 많은 종류의 화학시료(121)를 동시에 측정하여 그 값을 알수 있게 된다. 이에 따라, 화학시료(121)의 측정시간이 단축되고 측정효율이 향상될 수 있게 된다. 또한, 측정장치부가 컴퓨터와 연결되어 작동하게 됨으로써, pH/Ion값이 다른 수치로도 다양하게 환산될 수 있고, pH/Ion값을 필요로 하는 다른 화학식 및 수학식에도 적용되어 환산가능하게 되며, 디스플레이가 다양하게 표현될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 pH/Ion 측정장치의 작동을 위한 소프트웨어의 제어블록도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 측정장치를 작동시키는 소프트웨어는 자동교정기능 및 환경설정 기능을 가지고 있다. 그래서, 교정 및 환경설정이 선행된 후에, mV/pH를 측정하고 측정된 mV/pH를 화면 상에 디스플레이시키게 된다. 이에 따라, mV/pH가 효과적으로 측정되어 화면을 통해 디스플레이된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중채널 pH/Ion측정장치에 의하면, 동시에 다수의 시료의 pH/Ion을 측정할 수 있는 구조로 되어 있어 측정시간을 단축시키고 측정효율을 향상시킬 수 있으며, 분석 소프트웨어 및 컴퓨터와 연결되어 사용됨으로써 다수의 측정치가 동시에 디스플레이 되고 측정값의 저장 및 활용이 용이하게 된다. 그리고, 분석 시스템을 종합 관리하는 소프트웨어를 사용하여 시스템 전체의 통합 관리 및 각 채널이 독립적으로 운용 가능하며, 중앙 집중식으로 동시 (on-line)에 장기적인 관측을 통한 관리 및 제어가 가능하다.

Claims

다수의 화학시료(121)의 pH/Ion를 동시에 측정하는 다중채널 pH/Ion측정장치에 있어서,

외부케이싱;

상기 외부케이싱 내부에 수용되고 다수의 입력채널(109)이 형성되어 있는 회로기판;

상기 외부케이싱 상에 설치되고 상기 입력채널(109)에 연결되는 다수의 입력포트(104);

상기 입력포트(104)에 각각 연결되어 상기 화학시료(121)의 전압치를 측정할 수 있는 다수의 측정프로브(103);

상기 측정프로브(103)에 의해 측정된 상기 전압치의 아날로그값을 디지털값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기;

상기 아날로그-디지털 변환기에 의해 변환된 상기 전압치의 디지털값을 소프트웨어적으로 환산하여 pH/Ion값으로 변환하는 환산장치;

상기 환산장치에 의해 변환된 pH/Ion값을 디스플레이하는 디스플레이부; 및

시스템 제어용 소프트웨어를 구비하여 상기 다중채널 pH/Ion 측정장치의 제어, 운용, 교정, 테이타 변환, 저장 및 측정값의 디스플레이를 위한 제어부를 포함하여,

상기 다수의 입력포트(104)를 통해 입력되는 각 화학시료(121)의 측정치를소프트웨어를 통해 pH/Ion값으로 각각 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 pH/Ion측정장치.
제 1항에 있어서, 아날로그-디지털 변환기는 컴퓨터본체에 내장되고, 상기 환산장치는 상기 컴퓨터본체 내에 설치되어 있는 프로그램에 의해 구동됨으로써, 상기 컴퓨터본체와 연결되는 모니터(112)를 통해 디스플레이되는 것을 특징으로 하는 다중채널 pH/Ion측정장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 외부케이싱에는 외부온도를 감지할 수 있는 온도감지센서(111)가 설치되고, 상기 아날로그-디지털 변환기는 상기 전압치의 아날로그값을 상기 온도감지센서(111)에 의해 측정된 외부온도에 상응하는 보상값으로 보상하여 디지털값으로 변환하는 것을 특징으로 하는 다중채널 pH/Ion측정장치.