온라인 굴절계를 이용한 삼성분 농도의 측정

최 한 욱, 함 태 원, 김 영 한

동아대학교 화학공학과

Ternary Concentration Measurement Using On-Line Refractrometer

Han Wook Choi, Tae Won Ham and Young Han Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

1. 서론

화학공정에서 다성분의 농도를 연속적으로 온라인측정을 하기 위한 노력을 많이 하여 왔으나 아직 완전한 방법은 개발되지 못하고 있다. 이러한 용도에 사용하는 측정방법의 하나로 굴절계를 이용하는 방법이 널리 이용되고 있다[1]. 굴절율의 측정시 현미경이나 망원경과 같은 광학기기를 이용하는 방법과 간섭법[2] 혹은 Brewster 각도법[3,4]등을 이용하는 방법들이 있다. 굴절계를 이용한 분석방법은 분석시간이 짧고 간단한 조작에 의해서도 정량분석이 용이하게 이루어 질 수 있으며 일정한 온도조건 하에서는 분석시의 측정오차가 크지 않으므로 비교적 정확한 농도분석이 가능하다. 그러나 굴절율을 이용한 농도의 분석시 온도변화에 따라 측정유체의 굴절율의 변화가 매우 민감하므로 일정한 온도조건에서 분석을 하거나 온도변화에 따른 굴절율의 변화를 보상해 주어야 정확한 농도측정이 가능하여 굴절율의 온도의존성을 해결하려는 노력이 계속되고 있다. 대부분의 굴절계는 임계각의 굴절율을 측정하고 굴절된 빛은 CCD나 다이오드를 통해 빛의 굴절정도를 감지한다. 그러나 이러한 굴절계들은 오프라인으로 측정이 되어지며 온라인으로 측정하는 농도분석장치는 매우 고가의 분석장비들이 대부분이며 분석시간이 길고, 유지 보수가 어렵다는 단점이 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위하여 다이오드 레이저와 위치센서를 이용한 굴절계의 응용[5]이 발표된 바 있다.

본 연구에서는 온라인으로 농도측정이 가능한 굴절계를 제작하여 물과 메탄올 그리고 에탄올의 3 성분계에 대한 농도측정의 실험을 통하여 그 성능을 검증함으로써, 여러 혼합유체에 대하여 온라인으로 농도측정이 가능함을 제시하였다.

Figure 1. Schemeatic diagram of on-line liquid refactometer.

2. 온라인 굴절계의 구조 및 제작

굴절율을 측정하는 온라인 굴절계의 전체구조를 그림 1에 나타내었다. 굴절계는 다음의 세부분으로 나눌 수 있다. 즉, 다이오드 레이저 발광부, 측정부, 수광부로 구성되어 있으며 레이저 발광부는 DC 3V 전원에 의해 레이저 광원이 분석유체 측정부로 조사되게 된다. 측정부는 분석유체의 온도를 측정할 수 있는 온도센서가 부착되어 있고 측정유체의 농도변화에 따라 레이저 광원의 굴절각이 변화하게 된다. 따라서 혼합유체의 농도변화에 따라 굴절된 레이저광은 수광부의 위치센서에 빛이 조사되는 위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되며 증폭회로를 통하여 전압신호는 증폭되어 PC에 보내지게 된다.

Figure . Detail of measuring cell.

그림 2는 혼합유체의 유로와 레이저 조사가 이루어지는 분석유체 측정부에 대한 구조를 나타내었다. 피측정유체의 유로는 1/4인치 황동 니플을 사용하여 유로를 형성하였고 레이저의 조사가 이루어져 굴절이 되는 부분은 1/4인치 플라스틱 니플과 O-링 및 원형 유리판을 양단에 조립하여 제작하였다.

Figure . Amplification circuit diagram.

굴절된 레이저광을 수광부에서 수광광전계(일본 Hamamatsu Photonics K. K., Model S3979)의 수광위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되며 이 전압신호는 그림 3에 있는 증폭회로를 거쳐 증폭하여 PC에 보내지도록 하였다.

3. 실험

그림 1에 나타낸 온라인 굴절율 측정장치를 이용하여 굴절율(전압)을 측정하였다. 굴절율의 측정에 사용된 혼합유체는 메타놀, 에탄올 및 물의 3성분계에 대하여 각각의 농도별로 조제된 용액을 측정부의 유체 유입구를 통하여 공급하고 이때 굴절된 레이저광을 수광광전계에서 수광하여 전압신호를 발생시킨다. 이때 발생되는 전압신호는 수광광전계의 수광위치에 따라 각기 다른 전압신호를 발생하게 되고 혼합유체의 농도차에 따라 굴절각이 변하게 되므로 수광의 위치도 달라지게 된다. 여기서 발생된 전압신호는 증폭회로를 통하여 증폭 변환되고 이를 A/D 카드가 내장된 PC로 보내어 측정치가 PC에 입력되도록 하였다. 한편 유체의 온도를 측정하기 위하여 측정부의 유체 유로에 온도센서를 설치하여 PC에 입력되도록 하고 온도 변화에 따라 분석유체의 굴절율 변화 정도를  보정 계산할 수 있도록 하였다.

4. 결과 및 고찰

삼성분(메탄올, 에타놀, 물) 용액의 농도 변화에 따라 측정유체의 굴절율 변화정도를 그림 4에 나타내었다. 농도의 변화는 50 vol. %에서 메탄올을 10 vol. %에서 0.2% 씩 상승하면서 측정하고 마지막으로 초기치의 농도를 확인함으로서 측정의 정도를 검증하였다. 이때 에탄올을 메타놀 농도에 맞게 39∼40 vol. %로 변화시켰으며 5 초 간격으로 약 50회 측정한 값이 그림 4의 상단 그림이며 이때의 온도 변화를 하단에 도시하였다. 그림 4에서 0.2%의 농도변화에 따라 굴절율이 확연하게 변화됨을 알 수 있어 굴절율을 이용한 미소농도의 변화를 측정할 수 있음을 알 수 있다.

Figure 4. Measured voltage and temperatuer of different concentration of                 alcohol solution

그림 5는 그림 4와 같은 방법으로 농도를 측정한 것으로 농도의 변화는 각각 물 50 vol. %에서 에탄올을 10 vol. %에서 11% 까지 변화시켰다. 이때 메탄올은 39∼40 vol. %로 변화시켰다. 그림 5의 경우에도 농도변화에 따른 굴절율이 확연하게 변화됨을 알 수 있다.

Figure 5. Measured voltage and temperatuer of different concentration of                 alcohol solution

감사

본연구는 한국과학재단지정 지역연구센터(CIIPMS)의 지원에 의한 것입니다.

참고문헌

1. Longhaurst, R. S. : "Prismatic instruments for refractometry and

spectroscopy", Chap. 5 in Geometrical and Physical Optics. 3rd ed. pp.

82-99. Longman Inc.: New York(1973).

2. Sl-Arnand, J. M., Orbriot, J., Ge, J., Bose, T. K. :"An accurate method for

refractive index measurements of liquids using two Micbelson laser

interferometers", Rev. Sci. Instrum. 62(6), 1411(1993).

3. Li, T., Tan, X. : "Stepwise interferometric method of measuring the

refractive index of liquid samples," Appl. Opt. 32(13) 2274(1993).

4.. Akimoto, M., Gekka, Y. : "Brewster and pseudo-Brewster angle technique

for determination of optical constants," Jnp..lAppl. Phys. 31, 120(1992).

5. Pan, Z., Yang, S., Cai, M. : □Laser diode in combination with

position-sensitive device forms a new model of liquid concentration

sensor," Proc. of SPIE- Int. Soc. for Opt. Eng., 2886, 181(1996).