KR100915083B1 - 주사기와 압력차계를 결합한 가스 부피 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 부피 측정 장치에 관한 것으로서, 고정틀; 상기 고정틀에 장착되는 삼방향 밸브; 상기 삼방향 밸브의 제1 통로와 연결되며 시험용기에 삽입되는 입력바늘; 상기 삼방향 밸브의 제2 통로와 연결되며 상기 시험용기에서 발생 또는 소모된 가스량에 따라 이동하는 주사기; 및 상기 삼방향 밸브의 제3 통로와 연결되는 압력차계를 포함하는 비연속식 가스 부피 측정 장치에 관한 것이다.

Description

주사기와 압력차계를 결합한 가스 부피 측정 장치{Gas Volume Quantitative Analysis Device Combined With Syringe and Manometer}

본 발명은 삼방향 밸브(3-way valve)를 이용하여 유리 주사기와 압력차계를 결합한 가스 부피 측정 장치 및 이를 이용한 가스 부피의 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회분식 실험에서 발생한 가스의 측정과 탈기 및 소비된 가스의 측정과 보충을 하여 발생한 가스 및 소모된 가스의 양을 정확히 측정할 수 있는 가스 부피 측정 장치 및 이를 이용한 가스 부피의 측정 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 발생한 가스 부피를 비연속식으로 측정하여 동시에 다수의 실험의 수행을 가능하게 하는 가스 부피 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

지구온난화를 야기하는 주요한 기체인 메탄의 가장 큰 인위적 발생원 중 하나로 폐기물 매립지가 알려져 있다. 일반적으로, 매립지에서 발생하는 매립 가스로는 유기성 폐기물의 혐기성 분해 과정을 통하여 발생하는 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)가 대부분을 차지한다. 이 중 메탄은 공기보다 무거워 대기압 하에서 공기 중에 5 내지 15%만 존재하면 폭발할 가능성이 있기 때문에 매립지 설계 시 기본적으로 고려해야 하는 인자 중 하나는 매립 가스의 측정, 회수 및 처리에 대한 것이다.

폐기물로부터의 메탄 발생량과 발생 속도를 예측하기 위해 사용되는 방법으로 BMP test(Biochemical Methane Potential test)가 널리 알려져 있다.

BMP test는 유기물이 혐기성 조건에서 분해될 경우 발생할 수 있는 잠재 메탄(CH₄) 발생량을 실험적으로 측정하는 방법으로서, 구체적으로는 일정량의 혐기성 미생물과 시험 물질을 충분한 영양을 공급해 줄 수 있는 영양 배지에 혼합하여 회분식 시험 용기에 주입한 후 산소가 없는 상태에서 밀폐하여 혐기성 조건에서의 경과 시간에 대한 메탄 발생량을 측정하는 방법이다.

BMP test시 연구자들은 실험 목적에 따라 100 mL에서 수 L에 이르기까지 다양한 크기의 시험 용기를 사용하며, 배양 과정 중 시험 물질의 혐기성 분해를 통해 발생한 가스의 양을 측정하기 위하여 일반적으로 유리주사기를 이용하는 방법, 압력계를 이용한 방법을 이용하고 있다. 발생한 가스의 양은 실험이 종료될 때까지 시험 물질에 따라 임의의 간격으로 측정된다.

상기 유리 주사기를 이용한 가스 부피의 측정 방법은 사용이 간편하여 많은 연구자들에 의해 사용되고 있지만, 주사기 자체의 마찰에 의하여 발생된 가스의 양이 실제보다 다소 적게 측정되는 단점이 있다.

또한, 상기 압력계를 이용한 가스 부피의 측정 방법은 상대적으로 정확한 측정 방법이지만, 유기물의 급격한 분해로 인하여 시험 용기 내부에 과도한 압력이 형성된 경우, 발생 가스가 실험 용기에 설치된 고무 마개 사이의 틈 등으로 누출되는 단점이 있다. 또한, 압력계를 이용한 가스 부피의 측정 방법은 압력 측정 후 시험 용기 내부의 생물학적 가스를 방출할 경우 가스가 완전히 방출되지 않아 다음 측정 시 오차를 유발할 가능성이 있다.

한편, 폐쇄 호흡계에 의한 산소 소비량 측정 실험은 시험 혼합물을 시험 용기에 채우고 배양하면서 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 소비되는 산소의 양을 측정하여 호기성 생분해도를 평가하는 실험이다.

최근 폐쇄 호흡계에 의한 산소 소비량 측정 실험 시 폐쇄 호흡계 내의 기체 부피를 일정하게 유지하기 위하여 소비된 산소의 양과 필요한 산소의 양을 호흡기구(respirometer)를 이용하여 실시간으로 측정하고 보충한다. 호흡기구(respirometer)는 소비된 산소의 양을 실시간으로 측정할 수 있으며 산소 공급 장치를 통해 실시간으로 부족한 산소를 보충해 줄 수 있다. 그러나, 호흡기구는 복잡하고 기구 자체의 가격도 상당히 고가이기 때문에 다량의 실험을 동시에 수행할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 발생되거나 소비된 가스의 부피를 정확하게 측정할 수 있으며, 측정 시까지 발생한 가스의 양을 정확히 방출하거나, 소비된 가스의 양을 정확히 보충하여 대기압과 동일한 상태로 만들어 줄 수 있으며, 손쉽게 증가 또는 감소된 가스의 부피를 측정할 수 있는 가스 부피 측정 장치 및 이를 이용한 가스 부피 측정 방법을 제공함에 있다. 또한, 본 발명은 각 실험 용기에서 발생한 가스를 주기적으로 비연속식으로 측정하여 다수의 실험을 동시에 수행할 수 있는 가스 부피 측정 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명은 고정틀; 상기 고정틀에 장착되는 삼방향 밸브; 상기 삼방향 밸브의 제1 통로와 연결되며 시험용기에 삽입되는 입력바늘; 상기 삼방향 밸브의 제2 통로와 연결되며 상기 시험용기에서 발생 또는 소모된 가스량에 따라 이동하는 주사기; 및 상기 삼방향 밸브의 제3 통로와 연결되는 압력차계를 포함하는 가스 부피 측정 장치를 제공한다.

또한, 상기 고정틀은 상부 고정틀 및 상기 시험용기가 끼워지는 하부 고정틀로 이루어지고, 상기 삼방향 밸브는 상기 상부 고정틀과 하부 고정틀 사이에 설치되며, 상기 삼방향 밸브의 일측에는 상기 상부 고정틀과 하부 고정틀을 분리 및 결합시키며 상기 주사기와 연결되는 연결 부재가 배치될 수 있다.

또한, 상기 연결 부재에는 상기 주사기가 수평방향으로 놓이도록 지지하는 받침대가 형성될 수 있다.

또한, 상기 삼방향 밸브는 T형 밸브일 수 있다.

또한, 상기 상부 고정틀과 하부 고정틀은 투명 아크릴 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명은 시험용기 내에서 발생 또는 소모된 가스의 부피를 측정하는 방법으로서, 상기 시험용기를 삼방향 밸브를 이용하여 주사기 및 압력차계에 연결하는 단계; 상기 시험용기 내 가스의 발생 및 소모에 따라 상기 주사기가 이동하는 단계; 및 상기 주사기가 멈춘 후 상기 압력차계의 압력값을 이용하여 상기 주사기의 이동거리를 보정하는 단계를 포함하는 가스 부피 측정 방법을 제공한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 주사기와 압력차계를 결합한 가스 부피 측정 장치를 이용함으로써, 회분식 실험에서 생물학적 가스 발생량 측정 시 또는 폐쇄 호흡계에서 산소 소비량 측정 실험 시 기존 측정 방법의 단점을 보완하여 더욱 정확한 측정을 가능하게 하여 측정 오차를 최소화한다.

또한, 본 발명은 가스 부피 측정 시 발생된 가스의 양만큼을 정확히 방출시키거나 소비된 가스의 양을 정확히 보충시킬 수 있으므로, 다음 측정시 앞 실험의 결과가 영향을 미치지 않게 하며, 사용이 간편하고 경제적인 가스 부피 측정 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 결합 사시도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 단면도이다.

도 4는 시험용기를 장착한 후의 가스 부피 측정 장치의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 5 mL 이하 범위에서의 성능 평가의 결과를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 10 mL 이상 범위에서의 성능 평가의 결과를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치 및 이를 이용한 가스 부피 측정 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 결합 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치(100)는 고정틀(10), 삼방향 밸브인 T형 밸브(20), 주사기(30) 및 압력차계(40)를 포함한다. 상기 T형 밸브(20)는 주사기(30)와 압력차계(40)를 서로 연결한다.

고정틀(10)은 T형 밸브(20)를 사이에 두고 상하로 배치되는 상부 고정틀(12)과 하부 고정틀(14)을 포함한다. T형 밸브(20)의 일측에는 상부 고정틀(12)과 하부 고정틀(14)을 결합 및 분리시키는 연결 부재(16)가 설치된다. 연결 부재(16)는 체결 볼트(18)에 의해 상부 고정틀(12)과 하부 고정틀(14)에 고정된다.

상부 고정틀(12)의 상부 중앙에는 압력차계(40)와 연결되는 튜브(42)가 관통하고, 상부 고정틀(12)의 전방에는 T형 밸브(20)의 콕크(21)의 회전을 허용하기 위한 제1 절개면(121)이 형성되고, 상부 고정틀(12)의 일 측방에는 연결 부재(16)의 안착을 위한 제2 절개면(122)이 형성된다.

하부 고정틀(14)은 하부가 개구된 대략 원통형으로 형성되고, 내부에는 시험용기(200)가 수용될 수 있는 공간을 구비한다. 하부 고정틀(14)의 내측 상부에는 시험용기(200)의 머리부를 끼울 수 있는 병목부(141)가 형성되고, 하부 고정틀(14)의 상부면에는 시험용기(200) 내에 삽입되는 입력바늘(50)이 관통하는 홀(142)이 형성된다.

또한, 하부 고정틀(14)의 전방에는 T형 밸브(20)의 콕크(21)의 회전을 허용하기 위한 제3 절개면(143)이 형성되고, 하부 고정틀(14)의 상부 측방에는 연결 부재(16)의 안착을 위한 제4 절개면(144)이 형성된다.

한편, 연결 부재(16)의 일 측면에는 주사기(30)를 연결하기 위한 연결관(161)과, 주사기(30)를 수평으로 놓이도록 지지하는 받침대(162)가 각각 설치된다.

상부 고정틀(12)과 하부 고정틀(14) 및 연결 부재(16)는 투명한 아크릴 재질로 이루어져 시험용기(200)의 내부를 확인할 수 있도록 하는 것이 바람직하나, 재질은 이에 한정되지 않으며 다양하게 변경될 수 있다.

도 3을 참고하면, T형 밸브(20)는 입력 바늘(50)과 연결되는 제1 통로(22), 주사기(30)의 주둥이(32)가 삽입되는 연결관(161)과 연결되는 제2 통로(23) 및 압력차계(40)의 튜브(42)와 연결되는 제3 통로(24)를 포함한다. 본 실시예에서는 삼방향 밸브로 T형 밸브(20)를 사용하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, Y형 밸브 등 다양한 배열의 삼방향 밸브가 사용될 수 있다.

도 4는 시험용기를 장착한 후의 가스 부피 측정 장치의 단면도이다.

이하에서는, 도 4를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치를 이용하여 회분식 실험에서 생물학적 가스 발생량을 측정하는 방법에 대하여 살펴본다.

먼저, 시험용기(200)를 하부 고정틀(14)의 내부 공간에 넣고, 시험용기(200)의 머리부를 병목부(141)에 끼우면, 입력 바늘(50)이 시험용기(200)의 머리부를 관통하여 시험용기(200) 내부에 위치하게 된다.

시간이 경과함에 따라 시험용기(200) 내부에 발생된 가스에 의하여 주사기(30)의 피스톤부(31)는 뒤로 밀리게 된다.

주사기(30)의 피스톤부(31)가 멈춘 후 압력차계(40)가 0을 가리킬 때까지 주사기(30)의 피스톤부(31)를 다시 외측으로 이동시킨 후 주사기(30)의 눈금을 읽으면 발생된 가스의 부피를 측정할 수 있다. 이와 같이 피스톤부(31)의 재조작으로 인하여, 주사기(30)의 마찰로 인하여 측정되지 못한 가스 발생량을 정확히 보정할 수 있으며, 시험 용기 내부의 압력도 대기압 상태와 동일하게 조절할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치는 시험용기(200) 내 가스 측정시, T형 밸브(20)에 연결된 주사기(30)의 피스톤부(31)가 뒤로 밀림으로써, 입력 바늘(50)과 시험용기(200) 사이의 틈으로 발생 가스가 누출되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치는 다양한 크기의 실험용기(200)를 사용할 수 있다. 즉, 시험용기(200)의 크기가 변경된 경우, 연결 부재(16)에 체결된 하부 체결 볼트(18)를 푼 후, 변경된 시험용기(200)의 크기에 적합한 하부 고정틀(14)로 교체하여 이를 다시 결합시키면 된다. 이로써, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치는 주기적으로 각 시험용기마다 부피를 비연속식으로 측정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 5 mL 이하 범위에서의 성능 평가의 결과를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 10 mL 이상 범위에서의 성능 평가의 결과를 도시한 도면이다.

가스 부피 측정 장치의 정확도를 평가하기 위하여 시험용기에 일정량의 공기를 주입하고 이에 대하여 유출된 공기 부피를 측정함으로써 가스 부피 측정 장치의 정확도를 평가하였다. 또한, 기존 가스 부피 측정 방법의 정확도도 측정하여 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치의 성능과 비교하였다. 가스 부피 측정 장치의 정확도는 0 - 5 mL의 비교적 낮은 부피 범위와 10 mL 이상의 높은 부피 범위로 나누어 측정하였다.

도 5를 참고하면, 0 내지 5 mL의 낮은 부피 범위에서, 종래의 유리 주사기를 이용한 부피 측정 방법은 주사기 자체의 마찰로 인하여 주입된 공기 부피의 약 62%만이 유출량으로 측정되었다. 이는 종래 유리 주사기를 이용한 측정 방법이 BMP test 시 오차를 유발할 수 있음을 보여준다.

종래 압력계를 이용한 부피 측정 방법은 0 - 5 mL의 낮은 부피 범위에서는 주입한 공기 부피에 비하여 유출된 공기 부피가 다소 높게 측정되는 경향을 보였다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 장치의 경우, 0 - 5 mL의 낮은 부피 범위에서 유리 주사기의 마찰로 인하여 측정되지 않았던 양을 압력계의 측정값을 이용한 보정을 통하여 정확한 측정이 가능하였다.

도 6을 참고하면, 10 mL 이상의 부피 범위에서, 종래 주사기를 이용한 부피 측정 방법은 주입된 공기 부피의 약 85%가 유출량으로 측정되는 결과를 보였다. 이는 낮은 부피 범위에서 측정된 유출량에 비하여 상대적으로 높아진 값이지만, 종래 주사기를 이용한 부피 측정 방법은 BMP test 시 오차를 유발할 가능성이 상대적으로 큼을 알 수 있었다.

종래 압력계를 이용한 부피 측정 방법은 10 mL 이상의 높은 부피 범위에서는 주입된 공기의 부피가 커짐에 따라 시험 용기 내부 압력의 증가로 인하여 가스의 누출 현상이 일어나 주입 값에 비해 약 3%의 손실을 보였다.

본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 장치의 경우, 10 mL 이상의 부피 범위에서 측정 장치에 부착된 주사기가 뒤로 밀리면서 시험용기 내부의 압력을 낮추어 주어 시험용기 내부의 높은 압력으로 인한 공기 누출을 방지할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치는 평가된 모든 부피 범위에서 가장 정확하고 재현성이 높은 측정 결과를 보였다.

한편, 상기에서는 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치가 회분식 실험에서 생물학적 가스 발생량을 측정하는 방법에 사용되는 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 가스 부피 측정 장치는 압력차계에 의하여 감압 측정이 가능하기 때문에 폐쇄 호흡계에 의한 산소 소비량 측정 실험 시 소비된 산소의 양도 측정할 수 있으며, 이때 소비된 산소의 양을 주사기를 통하여 정확히 보충하여 줄 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 고정틀;

   상기 고정틀에 장착되는 삼방향 밸브;

   상기 삼방향 밸브의 제1 통로와 연결되며 시험용기에 삽입되는 입력바늘;

   상기 삼방향 밸브의 제2 통로와 연결되며 상기 시험용기에서 발생 또는 소모된 가스량에 따라 이동하는 주사기; 및

   상기 삼방향 밸브의 제3 통로와 연결되는 압력차계를 포함하며;

   상기 고정틀은 상부 고정틀 및 상기 시험용기가 끼워지는 하부 고정틀로 이루어지고,

   상기 삼방향 밸브는 상기 상부 고정틀과 하부 고정틀 사이에 설치되며,

   상기 삼방향 밸브의 일측에는 상기 상부 고정틀과 하부 고정틀을 분리 및 결합시키며 상기 주사기와 연결되는 연결 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 연결 부재에는 상기 주사기가 수평방향으로 놓이도록 지지하는 받침대가 형성되는 것을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 삼방향 밸브는 T형 밸브인 것을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 상부 고정틀과 하부 고정틀이 투명 아크릴 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 부피 측정 장치.
6. 삭제