KR20230120485A - 탁도 모니터링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 측정 대상 유체가 흐르는 내관 및 상기 내관을 감싸는 외관으로 이루어진 다중관 구조체, 상기 다중관 구조체를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 다중관 구조체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출 유닛 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부를 포함하는, 탁도 모니터링 장치를 제공한다.

Description

탁도 모니터링 장치{Turbidity monitoring apparatus}
본 발명의 실시예들은 탁도 모니터링 장치에 관한 것이다.
탁도는 물의 흐린 정도를 정량적으로 나타낸 지표로서 빛의 투과에 대한 저항도이다. 탁도는 여러 부유 물질에 의해 발생하며, 탁도 입자의 크기는 콜로이드 분산에서 굵은 분산질까지 다양하다. 탁도를 유발하는 물질들은 순수한 무기물질부터 주로 천연의 유기물질에 이르기까지 매우 다양하며, 상세하게는 토사류와 같은 순수한 무기물질로부터 천연유기물 또는 공장폐수와 가정하수에서 유입되는 많은 양의 무기물질과 유기물질로 인해 생성한 박테리아와 미생물, 조류 등도 탁도를 유발하는 원인 물질로 작용한다.
탁도 측정 장치는 상하수도의 수질계측 시스템에 필수적인 요소로서, 수질특정(원수, 침전수, 정수, 관세척수 등)에 따라 넓은 범위의 탁도 측정이 필요하다. 상수 수질을 측정하기 위한 탁도 측정 장치는 상수원수 및 관세척 배출수 등과 같이 높은 농도의 탁도를 측정하기 위한 고농도 탁도계와 정수 처리 수돗물과 같이 낮은 농도의 탁도를 측정하기 위한 저농도 탁도계로 구분될 수 있다.
종래에는 이러한 탁도 측정 장치를 이용하여 지속적으로 공급되는 유체, 다시 말해 물의 탁도를 측정함으로써, 탁도를 모니터링할 수 있다. 그러나, 유체가 흐르는 관에는 박테리아 등의 미생물로 인해 생물막(biofilm)이 끼게 되고, 이로 인해 탁도 측정 장치를 주기적으로 유지 보수 관리하지 않으면 정확한 측정이 어려워지는 문제점이 있다.
본 발명은 고농도의 샘플도 측정이 가능하며, 주기적인 유지 보수 관리를 최소화할 수 있는 탁도 모니터링 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 측정 대상 유체가 흐르는 내관 및 상기 내관을 감싸는 외관으로 이루어진 다중관 구조체, 상기 다중관 구조체를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 다중관 구조체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출 유닛 및 상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부를 포함하는, 탁도 모니터링 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중관 구조체의 상기 내관은 적어도 일부가 광투과물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중관 구조체의 상기 외관은, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 내관 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 내관의 제1 직경 및 상기 외관의 제2 직경을 이용하여 상기 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 희석 배율을 결정하고, 상기 희석 배율에 따라 상기 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중관 구조체의 상기 내관과 상기 외관은 동축을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중관 구조체의 상기 내관의 제1 중심축과 상기 외관의 제2 중심축은 평행할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 탁도 모니터링 장치는 다중관 구조체를 이용함으로써, 고농도의 유체를 희석하는 효과를 구현할 수 있고, 이를 통해 고농도의 유체 내 부유 물질 또는 탁도 물질을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 탁도 모니터링 장치는 레이저 스펙클 이미지의 시간에 따른 변화를 이용하여 탁도 관련 데이터를 획득함으로써, 기존의 탁도 측정 유닛의 측정 결과를 보정할 수 있고, 이를 통해 탁도 모니터링 장치의 유지보수에 대한 관리주기를 길게 하고, 유체 내 탁도를 검출하는 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치의 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중관 구조체를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4a 내지 도 6b는 도 3의 다중관 구조체의 다양한 실시형태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 개념도이
도 8은 도 7의 탁도 모니터링 장치의 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치(100)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치의 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치(100)는 다중관 구조체(110), 파동원(120), 검출 유닛(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
다중관 구조체(110)는 측정 대상 유체가 흐르는 내관(111) 및 내관(111)을 감싸는 외관(112)로 이루어질 수 있다. 다중관 구조체(110)는 내관(111)의 제1 단면(A1)을 통해 유입된 유체가 제2 단면(A2)을 통해 배출될 수 있다.
여기서, 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 또한, 유체는 미생물이 증식될 수 있는 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 상수 또는 하수와 같은 물일 수 있다. 유체 내에는 입자 직경이 2㎛ 이상을 갖고 물에 용해되지 않는 수중 부유물질 또는 입자 직경이 2㎛ 미만을 갖는 수중 탁도물질을 포함할 수 있다.
유체 내 상기한 수중 부유물질 또는 수중 탁도물질이 많을수록 유체 내 농도의 차이를 구분하는 것은 어렵다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중관 구조체(110)는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체를 내관(111)에 흐르게 하고, 내관(111)과 내관(111)을 둘러싸는 외관(112) 사이의 관계를 이용하여 고농도의 유체 내 탁도를 정확히 측정하고자 하는 것이다.
다중관 구조체(110)는 상수도 시스템 또는 하수도 시스템 중 적어도 일부를 구성할 수 있다. 다중관 구조체(110)는 상수도 시스템 또는 하수도 시스템 내에서 수질, 탁도 등을 모니터링 하기 위한 하나 이상의 위치에 배치될 수 있다. 다중관 구조체(110)에 대해서는 도 3 내지 도 6b를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
파동원(120)은 다중관 구조체(110)를 향하여 간섭성을 갖는 파동을 조사할 수 있다. 여기서, 파동원(120)은 파동을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
여기서, 파동원(120)은 내관(111)을 흐르는 유체에 간섭 패턴인 스펙클(speckle)을 형성하기 위해서, 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 사용할 수 있다. 이때, 레이저 광원의 간섭성을 결정하는 광원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다.
즉, 간섭 길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원(120)의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(120)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 광원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 다중관 구조체(110)에 광을 조사시에 파동원(120)의 스펙트럴 대역폭은 5nm 미만을 유지할 수 있다.
검출 유닛(130)은 조사된 파동이 다중관 구조체(110) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 검출 유닛(130)은 다중관 구조체(110) 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 검출 유닛(130)은 내관(111)의 제1 단면(A1)과 제2 단면(A2) 사이의 다중관 구조체(110) 상에 배치될 수 있다. 검출 유닛(130)은 CCD 카메라일 수 있다. 검출 유닛(130)은 다중관 구조체(110)로부터 출사되는 광학적 이미지를 측정하여 제어부(140)로 전달할 수 있다.
여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 잇으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다.
예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우, 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출 유닛(130)은 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(140)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출 유닛(130)은 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 본 발명의 탁도를 모니터링하는 원리에 대하여 설명한다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 2를 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스펙클; speckle)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 통해 검출할 수 있다.
다시, 도 2의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스펙클 무늬를 관측할 수 있다.
그러나, 도 2의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 무늬가 변화하게 된다.
즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등) 또는 유체 내 미세한 탁도 물질들의 이동으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임 또는 유체 내 미세한 탁도 물질의 이동을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 생물의 존재여부 및 탁도 물질의 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 다중관 구조체(120)의 유체로 파동이 조사되면, 입사된 파동은 유체 내에서 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 유체 내에 탁도 물질이 일정하다면 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다.
이와 비교하여, 유체 내에 탁도 물질의 변화가 발생하는 경우, 레이저 스펙클은 탁도 물질의 변화에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출 유닛(130)은 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(140)로 제공할 수 있다.
검출 유닛(130)은 흐르는 유체로부터 탁도를 측정하기 위해서, 고속 측정이 가능해야 한다. 여기서, 고속 측정이란, 유체의 유속보다 빠르게 레이저 스펙클을 검출하는 것을 의미한다. 예를 들면, 검출 유닛(130)의 측정 속도는 유체가 다중관 구조체(110) 내에서 흐르는 유체 속도보다 빠르게 설정될 수 있다.
한편, 검출 유닛(130)은 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)가 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록, 검출 유닛(130)에 포함된 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
제어부(140)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 제어부(140)는 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 3초 이내 농도를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 1초 내에 농도를 추정하는 것을 의미할 수 있다.
일 실시예로서, 제어부(140)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제2 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 제2 레이저 스펙클의 제2 영상 정보 차이를 이용하여 유체 내 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 추정할 수 있다.
여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예는, 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것은 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 복수의 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하려 수 있다.
제어부(140)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 관계 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체 내에 부유물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정할 수 있다. 검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산할 수 있다. 그러나 아래의 수학식 2는 하나의 예시일 뿐이며, 다른 수학식을 이용하여 시간 상관 관계를 도출할 수 있음은 물론이다.
수학식 2에서 은 시간 상관 관계 계수, 은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간, 는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 2에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 유체 내 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 추정할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 시간 상관 관계 계수의 변화율 또는 피크치를 이용하여 유체 내 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 추정할 수 있다.
다른 실시예로서, 제어부(140)는 간섭 패턴의 공간 상관 관계(spatial correlation)를 획득할 수 있다. 여기서, 하기의 식으로 주어지는 공간 상관 관계는 시간 t에 측정된 이미지 상에서, 임의의 픽셀과 그 픽셀로부터 거리 r만큼 떨어져 있는 픽셀이 얼마나 비슷한 밝기를 가지는지를 일정 범위의 숫자로 나타낼 수 있다. 일정 범웨는 -1 내지 1의 범위일 수 있다. 즉, 공간 상관 관계는 임의의 픽셀과 다른 픽셀 사이의 상관 관계가 어느 정도인지를 나타내는 것으로서, 1이면 양의 상관 관계, -1이면 음의 상관 관계, 0이면 관게성이 없는 것을 나타낸다. 구체적으로, 간섭 패턴이 형성되기 전에는 밝기가 고르게 출살되므로, 샘플 이미지의 공간 상관 관계는 1에 가까운 양의 상관 관계를 나타내나, 간섭패턴이 형성되고 나면 0에 가까운 방향으로 상관 관계의 값이 떨어질 수 있다.
검출 유닛(130)에서 r'=(x,y) 위치에 있는 픽셀에서 시간 t 에 측정된 밝기를 I(r',t)로 정의하고, r 만큼 떨어진 픽셀의 밝기는 I(r'+r, t)로 정의할 수 있다. 이를 이용하여 공간 상관 관계를 정의하면 다음 수학식 4로 나타낼 수 있다.
C 0(t)는 수학식 3의 범위를 -1 내지 1로 맞추기 위해 사용되었다. 임의의 픽셀에서 시간 t에 측정된 밝기 I(r',t)와 거리 r만큼 떨어진 픽셀의 밝기 I(r'+r,t)가 동일하다면 공간 상관 관계는 1이 도출되고, 동일하지 않다면 1보다 작은 값을 갖게 된다.
일 실시예로서, 본 발명은 공간 상관 관계를 시간에 대한 함수로만 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 제어부(140)는 임의의 픽셀로부터 같은 크기의 r을 갖는 픽셀에 대해 공간 상관 관계의 평균를 하기의 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
일 실시예로서, 제어부(140)는 사전에 설정된 거리를 상기 수학식 5에 대입하여 시간에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 이 함수를 이용하여 간섭 패턴이 형성되는 정도를 일정 범위인 0 내지 1 사이의 값으로 확인할 수 있다.
제어부(140)는 다음과 같이 공간 상관 관계를 이용하여 부유물질 또는 탁도물질의 농도 정보를 판단할 수 있다. 공간 상관 관계는 하나의 이미지를 이용해 중첩된 2개의 동일한 이미지를 생성하고, 둘 중 하나의 이미지를 일방향을노 사전에 설정된 거리만큼 시프트(shift)시킨 후, 시프트된 이미지와 시프트되지 않은 이미지 사이에서 인접한 두 픽셀이 얼마나 유사한가를 분석하는 것에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 공간 상관 관계는 이미지가 얼마나 균일한지를 나타내는 척도가 되는데, 만약, 부유물질 또는 탁도물질로 인해 간섭 패턴이 형성되는 경우, 자잘한 간섭 패턴으로 인해 인접한 두 픽셀들의 유사도가 떨어지므로 공간 상관 관계의 값 또한 떨어지게 된다.
이러한 공간 상관 관계 계수(spatial correlation coefficient)는 시프트되는 거리(r)에 따라 달라지게 되는데, 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위를 초과하는 경우에는 거의 일정한 값을 갖게 된다. 따라서, 좀 더 유의미한 공간 상관 관계를 획득하기 위해서, 제어부(140)는 사전에 설정된 일정 거리 이상으로 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다. 이때, 사전에 설정된 일정 거리 r은 스펙클 사이즈에 의존하게 되며, 제어부(140)는 픽셀 단위로 나타날 때, 스펙클 사이즈보다 큰 픽셀만큼 이미지를 시프트시켜 공간 상관 관계를 획득할 수 있다.
한편, 제어부(140)는 상기와 같은 공간 상관 관계뿐만 아니라, 측정된 샘플 이미지의 간섭 패턴의 시간 상관 관계(temporal correlationbn)를 획득하고, 획득된 시간 상관 관계에 기초하여 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 검출할 수 있다. 제어부(140)는 시계열적으로 측정된 간섭 패턴의 이미지 정보를 이용하여 이미지들 간의 시간 상관 관계 계수(temporal correlation coefficient)를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 유체 내 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 추정할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여, 다중관 구조체(110)에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중관 구조체(110)를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4a 내지 도 6b는 도 3의 다중관 구조체(110)의 다양한 실시형태를 도시한 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 다중관 구조체(110)는 내관(111) 및 내관(111)을 둘러싸는 외관(112)으로 이루어지는 이중관으로 이루어질 수 있다. 내관(111)은 적어도 일부가 광투과물질로 형성될 수 있다. 내관(111)은 유체가 제1 단면(A1)을 통해 유입되어 제2 단면(A2)을 통해 배출될 수 있는 관 형태로 이루어질 수 있다.
외관(112)은 내관(111)과 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 내관(111)과 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 외관(112)은 광 투과 물질로 이루어질 수 있으며, 내관(111)을 내부에 배치한 관 형태로 이루어질 수 있다. 외관(112)이 관 형태로 이루어지는 경우, 외관(112)과 내관(111) 사이를 관 형태로 유지하기 위해, 외관(112)과 내관(111) 사이를 지지하는 지지부재(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
다른 실시예로서, 다중관 구조체(110)는 내관(111)과 외관(112) 사이를 광 투과 물질로 채울 수도 있다. 여기서, 내관(111)과 외관(112) 사이를 채우는 물질은 내관(111)과 외관(112)과 동일한 물질일 수 있으며, 이 경우, 다중관 구조체(112)는 내관(111)의 제1 직경(R1)만큼 속이 빈 구조체일 수 있다. 내관(111)과 외관(112) 사이에는 다중 산란(multiple scattering)을 증폭시킬 수 있는 다중 산란 증폭 물질이 더 채워질 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면 산화티타늄(TiO2) 나노입자를 포함할 수 있다.
다른 실시예로서, 다중관 구조체(110)는 내관(111) 또는 외관(112)에 다중 산란 증폭 영역을 더 포함할 수 있다. 다중 산란 증폭 영역은 내관(111) 또는 외관(112)에 코팅되어 형성될 수도 있고, 내관(111)의 내부면 또는 외관(112)의 내부면에 다중 산란을 증폭시키기 위한 패턴이 형성될 수도 있다.
다중관 구조체(110)는 파동원(120)으로부터 제1 파동(L1)이 입사되면, 외관(112)을 거쳐 내관(111)으로 조사될 수 있으며, 내관(111)을 지나가는 유체 내에서 산란될 수 있다. 산란된 파동들은 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 탄알 모양의 무늬(스펙클, speckle)를 발생시켜 출사되는 제2 파동(L2)으로 검출 유닛(130)을 통해 검출될 수 있다.
이때, 제어부(140)는 내관(111)의 제1 직경(R1) 및 외관(112)의 제2 직경(R2)을 이용하여 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 희석 배율을 결정할 수 있다. 구체적으로, 유체는 내관(111)을 통해서만 흐르게 되는데, 내관(111)에서 산란된 파동들은 외관(112)에서 다시 산란되면서 산란되는 정도가 희석될 수 있다. 다시 말해, 탁도 모니터링 장치(100)는 내관(111)에 대한 외관(112)의 직경 비율에 따라 검출되는 해상도(resolution)를 결정할 수 있다.
예를 들면, 도 4a와 도 4b를 비교하였을 때, 내관(111)의 제1 직경(R1)은 동일하더라도, 외관(112)의 제2 직경(R2-1, R2-2)이 다른 경우 희석 배율이 달라질 수 있다. 다시 말해, 도 4a의 외관(112)의 제2 직경(R2-1)보다 도 4b의 외관(112)의 제2 직경(R2-2)이 더 크므로, 도 4b의 다중관 구조체(110)의 희석배율이 더 클 수 있다.
본 발명에 따른 제어부(140)는 유체 내 산란되어 형성되는 레이저 스펙클의 시간 상관 관계 또는 공간 상관 관계를 이용하여 유체 내 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정하게 되는데, 고농도의 유체가 대상체인 경우 산란되는 정도가 커 각 농도를 구분하여 검출하는 것이 어려울 수 있다. 이를 위해, 본 발명은 고농도의 유체를 측정해야하는 경우, 상기한 다중관 구조체(110)의 구조를 이용하여 희석시킴으로써, 유체 내 부유물질 또는 탁도물질의 농도를 정확하게 구분하여 검출할 수 있다.
제어부(140)는 내관(111)의 제1 직경(R1) 및 외관(112)의 제2 직경(R2)을 이용하여 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 희석 배율을 결정한 후, 이를 이용하여 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정할 수 있게 된다.
다른 실시예로서, 도 5와 같이, 다중관 구조체(110)는 서로 다른 직경을 갖는 제1 외관(112-1) 및 제2 외관(112-2)을 구비할 수 있다. 이때, 내관(111)의 제1 직경(R1)은 동일할 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 제1 외관(112-1) 및 제2 외관(112-2)와 같이 다른 직경을 갖는 내관(111)을 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예로서, 도 3에서와 같이, 다중관 구조체(110)의 내관(111)은 외관(112)과 동축을 가질 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 도 6a 및 도 6b와 같이, 다중관 구조체(110)의 내관(111)의 제1 중심축(Ax1)과 외관(112)의 제2 중심축(Ax2)은 평행할 수 있다.
내관(111)은 도 6a와 같이, 외관(112)의 제2 중심축(Ax2)으로부터 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이 경우, 외부에 배치되는 검출 유닛(130)은 하나 이상을 구비하여, 서로 다른 위치에서 출사되는 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 이를 통해 탁도 모니터링 장치(100)는 보다 정확하고 신속한 탁도를 검출할 수 있다.
도 6b와 같이, 다중관 구조체(110)는 둘 이상의 내관(111)을 포함할 수 있다. 만약 2개의 제1 내관(111-1)과 제2 내관(111-2)을 구비하는 경우, 제1 내관(111-1)의 제1-1 중심축(Ax1-1)과 제2 내관(111-2)의 제1-2 중심축(Ax1-2)은 외관(112)의 제2 중심축(Ax2)과 평행할 수 있다. 2개 이상의 제1 내관(111-1)과 제2 내관(111-2)을 구비하는 경우, 동일한 유체를 다른 제1 내관(111-1)과 제2 내관(111-2)으로 지나가게 하면서 탁도를 검출하거나, 다른 유체를 제1 내관(111-1)과 제2 내관(111-2)으로 지나가게 하면서 탁도를 검출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치(200)를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 8은 도 7의 탁도 모니터링 장치(200)의 블록도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치(200)는 탁도 측정 유닛(210), 보정 유닛(220) 및 제어 유닛(230)을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 탁도 모니터링 장치(200)는 종래의 탁도 측정 유닛(210)을 통해 수용 유닛(201) 내 수용되는 유체의 탁도를 측정하되, 이때, 혼돈파 센서를 이용한 보정 유닛(220)을 통해 측정값을 보정함으로써, 정확한 탁도를 측정하는 것에 목적이 있다. 도면에서는 수용 유닛(201)이 파이프 형태인 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 수용 유닛(201)은 종래의 탁도 측정 유닛(210)에 적용되는 어떠한 형상이든 가능함은 물론이다.
탁도 측정 유닛(210)은 물의 혼탁한 정도를 정량적으로 표시하는 장치로서, ph 미터, 생화학적 산소유구량(Biochemical Oxygen Demand, BOD), Conductivity 미터 등과 더불어 수질을 측정하는데 사용되는 장치일 수 있다. 본 발명에서는 탁도 측정 유닛(210)에 대한 제한이 없으며, 종래에 시판되고 있는 어떠한 제품이나 장치 등 적용될 수 있다.
보정 유닛(220)은 수용 유닛(201)으로 파동을 조사하는 파동원(221)과 수용 유닛(201)으로부터 다중 산란되어 출사되는 레이저 스펙클을 검출하는 검출부(222)를 포함할 수 있다. 파동원(221)과 검출부(222)는 앞서 설명한 파동원(120)과 검출 유닛(130)과 동일한 구성이므로, 설명의 편의를 위해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
파동원(221)은 수용 유닛(201)을 향하여 간섭성을 갖는 파동을 조사할 수 있다. 여기서, 파동원(221)은 파동을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
이때, 수용 유닛(201)은 수용 유닛(201)의 유체로부터 출사되는 광의 다중산란을 더 증폭시키기 위한 다중 산란 증폭 영역(201a)을 더 포함할 수 있다. 에를 들면, 다중 산란 증폭 영역(201a)은 수용 유닛(201)에 코팅된 형태로 형성될 수 있다.
검출부(222)는 조사된 파동이 수용 유닛(201) 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 검출 유닛은 수용 유닛(201) 상에 배치될 수 있다.
제어 유닛(230)은 수용 유닛(201)으로부터 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간으로 추정할 수 있다. 이때, 제어 유닛(230)은 탁도 측정 유닛(210)으로부터 제1 측정 데이터를 제공받고, 보정 유닛(220)으로부터 제2 측정 데이터를 제공받을 수 있다. 제어 유닛(230)은 제1 측정 데이터를 기준으로 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정하되, 제2 측정 데이터를 이용하여 그 값을 보정할 수 있다.
수용 유닛(201)은 유체를 수용하는 시간이 지속되면 유체 내 박테리아 등에 의해 생물막(biofilm)이 수용부(201)의 내부에 형성될 수 있다. 이러한 경우, 탁도 측정 유닛(210)은 생물막에 의해 정확한 측정이 어렵기 때문에, 유지보수 관리 주기가 빨라질 수 밖에 없다.
본 발명에 따른 탁도 모니터링 장치(200)는 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화를 측정하는 보정 유닛(220)을 통해, 생물막이 형성되어도 동일한 수용 유닛(201) 내의 유체의 탁도 관련 제2 측정 데이터를 정확히 추출할 수 있다. 이를 통해, 탁도 모니터링 장치(200)는 보정 유닛(220)을 통해 직접적인 탁도를 검출하지는 않되, 기준 데이터(reference data)를 획득하고, 이를 기준으로 탁도 측정 유닛(210)의 제1 측정 데이터를 보정함으로써, 유체 내 부유 물질 또는 탁도 물질을 정확히 측정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 탁도 모니터링 장치는 다중관 구조체를 이용함으로써, 고농도의 유체를 희석하는 효과를 구현할 수 있고, 이를 통해 고농도의 유체 내 부유 물질 또는 탁도 물질을 정확히 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 탁도 모니터링 장치는 레이저 스펙클 이미지의 시간에 따른 변화를 이용하여 탁도 관련 데이터를 획득함으로써, 기존의 탁도 측정 유닛의 측정 결과를 보정할 수 있고, 이를 통해 탁도 모니터링 장치의 유지보수에 대한 관리주기를 길게 하고, 유체 내 탁도를 검출하는 정확도를 높일 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100, 200 : 탁도 모니터링 장치
110 : 다중관 구조체
120 : 파동원
130 : 검출 유닛
140 : 제어부
210 : 탁도 측정 유닛
220 : 보정 유닛

Claims (6)

  1. 측정 대상 유체가 흐르는 내관 및 상기 내관을 감싸는 외관으로 이루어진 다중관 구조체;
    상기 다중관 구조체를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 다중관 구조체 내에서 다중 산란되어 발생되는 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출 유닛; 및
    상기 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 상기 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 실시간(real-time)으로 추정하는 제어부;를 포함하는, 탁도 모니터링 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다중관 구조체의 상기 내관은 적어도 일부가 광투과물질로 형성되는, 탁도 모니터링 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 다중관 구조체의 상기 외관은, 상기 파동원에서 조사된 파동이 상기 내관 내에서 다중 산란(multiple scattering)되는 횟수를 증폭시키기 위한 다중산란증폭부를 포함하는, 탁도 모니터링 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 내관의 제1 직경 및 상기 외관의 제2 직경을 이용하여 상기 측정 대상 유체 내의 부유 물질 또는 탁도 물질의 희석 배율을 결정하고, 상기 희석 배율에 따라 상기 부유 물질 또는 탁도 물질의 농도를 추정하는, 탁도 모니터링 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다중관 구조체의 상기 내관과 상기 외관은 동축을 갖는, 탁도 모니터링 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다중관 구조체의 상기 내관의 제1 중심축과 상기 외관의 제2 중심축은 평행한, 탁도 모니터링 장치.

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