Turbocharger Burner RIG 테스트 장비

■ 해결 과제
수질 오염의 지표 분석물인 `총인`과 `BOD`를 펄스 제논 램프(Pulsed Xenon Lamp)와 CCD 센서(전자결합소자)를 사용하여 `총인`은 흡광 분석법으로, `BOD`는 형광 분석법으로 원거리에서 동시 측정을 할 필요가 있었다.

■ 솔루션
무인 자동화 시스템의 구현을 위해서 계측 장비의 안정성과 어플리케이션 지원이 보다 풍부하고 각 파트의 구동을 유연하게 확장 대응할 수 있는 NI PXI 제품군과 LabVIEW를 이용하여 온라인 자동 수질 시스템을 개발한다.

■ 어플리케이션 요약
Pulsed Xenon lamp(펄스제논램프)와 CCD 센서(전자결합소자)를 사용하여, 수질오염 물질 지표중의 하나인 ‘총인`은 흡광분석법으로, ‘BOD`는 형광 분석법으로 무인 원거리에서 동시 측정하는 기술을 구현하였다.
 
■ 개발 배경
고전적인 수질 측정은 특정 위치에서 시료를 취수한 후 실험실로 옮겨와 실험실의 분석 장비를 이용해서 이루어진다. 하지만 수질은 시간적, 공간적으로 일정한 값을 가지지 않고, 연속적인 과정을 통해 변화한다. 즉 현재의 수질은 전 시간에 발생한 오염에 영향을 받고, 다음 시간에 발생하는 분석값에 영향을 미치게 된다.
그렇기 때문에 수질에 대한 전반적인 분석을 하기 위해서는 연속적인 자료가 필요하다. 그러나 보통 수질 측정결과는 동일 시간과 동일 장소일지라도 실험자나 실험 과정에서의 오차로 인해 상이함을 보이기 때문에, 수질측정결과의 일관성을 갖기 위해서는 고정된 위치에 인위적 측정오차를 줄일 수 있는 수질자동 측정 장치의 설치가 반드시 필요하다.
수질자동측정방법은 일관성 있고, 신속하며 연속적인 측정이 가능하여 수질 관리의 효과를 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 전반적인 수질 관리뿐만 아니라, 순간적인 오염에 대해 빠르게 대처하기 위해서도 수질의 온라인 모니터링은 반드시 이루어져야 한다.

■ 본론

1. 전체 시스템 개괄도
본 연구 개발품의 전체 시스템의 구성은 옆의 그림 1과 같이 구성된다. 크게 분광 분석법인 흡수분광법과 형광분광법을 이용하여 오염물질을 측정하는 분광 측정부와 측정부에서 최적의 상태의 오염 물질을 측정할 수 있도록 시료를 전처리를 해주는 전 처리부, 전 처리된 시료를 측정부로 이송 시켜 주는 이송부로 3부분으로 나눌 수 있다.

2. 분광 측정부
1차년도에 개발된 분광측정부는 분광 분석법(Spectroscopic Analysis Method)에 기초하여 수질에 포함된 시료의 형광(Light Fluorescence)과 흡광(Light Absorption)을 측정하는 장비이다.
크게 제논램프(Xenon Lamp)의 광원부, 형광 및 흡광 시료 고정을 위한 시료 고정부, 광원부에서 방출된 빔과 시료 고정부에서 측정된 빔의 이송과 분할 역할을 하는 빔 이송 및 다중 광 분할부, 그리고 마지막으로 광기전력을 이용하여 측정된 시료의 형광(Light Fluorescence) 및 흡광(Light Absorption)의 신호를 측정하는 검출부로 구성 되어 있으며, 광원부와 검출부를 한 케이스에 모듈화 하여 추후 제품 관리의 편의성을 높였다. 그림 2와 그림 3과 같이 소프트웨어에서 측정값이 도식되도록 제작하였다. 소프트웨어 제작 툴로서는 테스트 자동화 및 인스트루먼트 컨트롤, 산업용 측정 등에 널리 사용 되는 NI LabVIEW를 사용하였다.

1) 광원부
형광 및 흡수 분광을 동시에 측정하기 위해 광원부로서 제논 램프(Xenon Lamp, 플래시 타입, 20 Watts, Perki
n-Elmer)를 사용하였다. 제논 램프는 높은 광세기, 출력 안정성 등 여러 장점으로 인해 현재 형광 및 흡수 분광기기에 가장 다양하게 적용되고 있다. 제논 램프의 복사 파장의 프로파일은 옆의 그림 4에서 볼 수 있듯이 적절한 윈도우 선택에 따라 190nm~1100nm 범위의 파장 복사영역을 가지고 있다.
그림 5는 제논 램프 모듈 구성 사진으로 제논 램프와 제논 램프 파워 및 컨트롤러를 표준 알루미늄 랙(Rack)에 장착하여 모듈화 한 것을 보여준다.
사용한 제논 램프는 플래시 타입이다. 플래시 타입 제논 램프는 마치 카메라에 장착된 플래시램프처럼 일정한 간격으로 충전과 방사를 반복하므로, 정확한 검출 타이밍을 위해서는 광원과 검출기의 동기화가 요구된다.
그러므로 본 연구 개발품에서는 그림 6과 같이 각 부품의 타이밍을 제어하고 동기화시키는 회로를 적용하였다. 참고로 방사된 제논 램프 광원의 빔(Beam)은 광섬유를 통해 시료 고정부로 전달된다.

2) 시료 고정부
시료의 형광 및 흡광 측정의 최적 조건 확보와 안정적인 상태를 유지시키기 위해 형광시료는 흐름셀(Flow Cell)과 흐름셀 홀더(Holder)를, 흡광 시료는 탐침형 셀 (Dip Probe)을 사용하였다. 부가적으로 형광 측정용 시료 고정부에는 형광 측정을 위해 들뜸파장(Excitation Wavelength) 선택 목적의 띠 통과 필터(Band Pass Filter)를 장착할 수 있도록 하였으며, 흡광 시료용 탐침형 셀은 그림 9와 같이 탐침형 셀의 끝 부분(Tip) 셀간 거리(Path Length)를 다양화하여 가장 간단하게 측정 농도 범위를 확장 시킬 수 있도록 고안하였다.
시료 고정부를 통과한 신호는 각 시료 고정부의 연결자(SMA Connector)에 연결된 광섬유를 통해 빔 분할부(Beam Multiplexer)로 이송된다. 

3) 빔 이송 및 다중 광 분할부(Beam Multiplexer)
광 정렬 (Beam Alignment)을 쉽고 정확하게 하기 위하여 빔 이송부에 자외선 가시광선영역을 투과시킬 수 있는 석영재질의 광섬유(Optical Fiber, 구경 600um)를 적용하였다. 또한 산업용 제품의 내구성의 중요성을 고려하여 광섬유를 감싸고 있는 외부재질을 주변 환경의 내화학성이 강한 PVC 재질 제품을 사용하였다. 그리고 다중 광분할 측정기(Beam Multiplexer, Tec5 Co.,LTD)를 적용하여 1개의 검출기로 여러 신호를 측정할 수 있게 하여 제품의 단가를 낮출 수 있었다. 참고로 다중 광분할 측정기(Beam Multiplexer)는 압전기 효과(Piezoelectrical Effect)를 사용하여 3개의 다른 광섬유에서 들어오는 빔을 한 개의광섬유로 1000분의 1초 안에 차례대로 측정을 가능케 하는 장치이다. 빔 이송부 및 다중 광 분할부에서 획득된 신호는 검출부로 보낸다.

4) 검출부
지금까지 언급된 장치들을 통해 얻어진 형광 및 흡광 신호를 최종적으로 유용한 데이터로 변환하기 위하여, CCD 센서(Charge_Coupled Device)가 장착된 분광계를 검출기로 사용하고 있다. CCD 센서는 높은 감응성(Sensitivity)과 넓은 동적 범위(Linear Dynamic Range)를 가지므로 온라인 장비에 적합하다. 또한 사용된 CCD 센서의 종류는 Back-Thinned FFT-CCD(Hamamatsu. Japan)로서 다른 종류의 CCD보다 파장에 대한 높은 양자효율(Quantum Efficiency)을 가지고 있으며, 다른 CCD 센서보다 낮은 빛 검출 능력(Low Light Level Detection)과 좋은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 갖추고 있다. 이러한 장점 때문에 최근에는 형광계, 이온 짝지음 플라즈마 질량 분석계(ICP Mass Spectrometer), 반도체 검사 장비, 염기서열 분석 장비(DNA Sequencer) 등의 과학 분석 장비에 급속히 적용되고 있는 추세이다.

시료 고정부로 입사된 혼합 파장의 빛을 나노미터 단위 (nm) 파장별로 잘게 쪼개어 CCD에 주사하는 분광계는칼 자이쯔(Carl Zeiss OEM-Spektralsensorik. Germany)를 사용하였다. 선택된 CCD 와 분광계를 표준 알루미늄 랙(Rack)에 장착하여 모듈화 하였다. 그리고 CCD에서 측정된 빛의 전기적 아날로그 신호 획득 과 획득된 전기적 신호 아날로그 신호의 디지털 변환을 위해 CCD 아날로그 회로와 A/D 변환기를 개발 장착하였다. 또한 외부 메인 제어 장치에 측정된 디지털 신호를 보내기 위해 USB 통신 회로를 장착하였다.

가) 전처리 부

① 균질화 조
본 개발품은 유체의 이송을 위해서 1/8인치 스테인리스 및 테프론(Teflon) 튜빙이 사용되었다. 유체의 입자 크기가 튜빙 크기보다 크면 서서히 튜빙의 유로를 방해하여 내부 압력을 높여 유체의 유출(Leak) 등이 생기는 부작용을 일으킬 수 있다. 균질화 조는 분석기로 들어온 시료의 입자를 보다 작은 입자 크기로 파쇄 시켜 시료가 튜빙을 막히는 작용을 미연에 방지하는 역할을 한다.또한 균질화조는 고농도 시료를 희석하기 위한 희석조로도 사용할 수 있다.

② 가열조
가열조는 측정 시료를 특정 온도와 압력으로 일정 시간 유지시켜 주는 역할을 하여, 시료 속에서 관심 화합물을 분리시키는 위한 작업(Digestion Procedure)의 속도를 촉진시킨다. 보통 화학 반응 속도는 온도가 증가함에 따라서 증가한다. 시료를 담기 위한 용기는 빠른 열전도율과 고압에 대한 내구성을 고려해 SUS 304 재질을 사용하였으며, 온도 측정을 위해 열전쌍(K Type)을, 압력 측정을 위해 압력센서를 장착하였다. 유체의 제어를 위해서는 솔레노이드 밸브를 주로 사용했으며, 가열을 위한 열원으로서는 화학 실험 시 많이 사용하고 있는 히팅 블록(Heating Block)을 특수 제작하여 적용하였다. 가열된 시료는 반응조로 이송된다.

③ 반응조
반응조는 가열조에서 전 처리된 시료에 관심 측정물에 따른 특정 발색시약(Chromophore Reagent)을 추가함으로써 시료가 특정 파장을 흡수할 수 있도록 발색을 시켜주는 역할을 한다. 발색시약의 성분인 발색단은 자외선이나 가시광선 영역에서 고유한 흡수를 나타내는 작용기이다.
반응조는 가열된 시료를 냉각 할 수 있도록 이중 재킷(Jacket)으로 제작해 냉매가 원활히 순환할 수 있도록 제작했으며, 다른 요소와는 달리 육안으로 발색여부를 확인할 수 있다는 점을 착안하여 반응조 자체를 투명하게 유리 재질(Pyrex)로 제작하였다. 그리고 원거리에서도 손쉽게 장비 이상 유무를 파악할 수 있도록 장비 진단(Diagnostic) CCD 카메라를 적용하였다.

④ 시약 저장조
시약 저장조는 전처리 시약, 발색시약, 세척액 등을 저장하는 곳으로 보통 화학적 비활성인 재료인 HDPE (High-Density PolyEthylene)가 사용되었다. 또한 원거리에서 시약의 떨어짐을 운용자가 감지 할 수 있도록 비접촉식 수위센서를 장착하여 편의를 더 했다. 참고로 비접촉식 수위센서는 직접 시약과의 접촉을 피할 수 있어 시약의 오염을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 강산, 강염기의 시약에도 적용 할 수 있다는 장점이 있다.

나) 이송부

① 연동 펌프 (Peristaltic Pump)
연동펌프는 취수원에서 측정할 시료를 본 개발품으로 이송 시키는 역할과 분석이 끝난 폐수를 기기 밖으로 배출시키는 역할을 한다. 본 제품에 사용된 연동 펌프는 Watson Marlow사의 520 VBM 모델이다. 520VBM 모델은 Brushless DC 모터를 사용하기 때문에 다른 모터 보다 내구성이 뛰어나며, 최대 1시간에 300ℓ까지 유체를 이송할 수 있다.

② 정량 펌프 (Syringe Pump)
화학 반응에서는 원활한 생성 화합물의 생성과 최소 폐수 방출을 위해 각 반응물의 정확한 당량을 취할 필요가 있다. 정량 펌프는 가열조에는 전처리 시약을, 반응조에는 발색 시약을 정량 투입시키는 역할을 한다. 정량 펌프는 단지 ㎕ 단위의 유량 오차를 가지고 있는 정교한 실린지 방식의 정량 펌프(Kloehn Inc. Pump V6C)를 사용 하였다. 또한 정량 펌프의 한 구멍(Port)을 유체흐름 분할기(Stream Selectror)와 연결하면 추가적으로 최대 64개까지 Port를 확장할 수 있다.

다) 원거리 제어 및 데이터 전송 성능 평가 결과
NI LabVIEW의 웹 서버 기능을 사용하여 그림 14와 같이 웹을 이용하여 손쉽게 본 연구 취지에 맞게 원거리에서 본 개발품의 제어와 측정 데이터를 확인 할 수 있었다. 참고로 웹 서버란 작성한 소프트웨어 프로그램을 웹 브라우저에서 모니터링하고, 컨트롤 할 수 있도록 하는 기능으로 웹 브라우저 특성을 살려 세계 어느 곳에서나 쉽게 접속이 가능하므로 웹을 이용한 자동제어/계측 시스템을 만들면 응용의 폭을 확장할 수 있는 편리한 기능이다. 

4. 시스템 성능 평가 결과

가) 생화학적 산소 요구량(BOD, Biochemical Oxygen Demand)측정 결과
미지 시료의 정량분석을 위해서는 우선 농도가 알려진 표준 시료를 측정하여 검정곡선을 도시해야 한다. 구해진 표준 시료의 형광 세기를 미지 시료의 형광 세기와 비교해서 미지 시료의 농도를 유추하게 된다.

검정곡선의 작성
지금까지의 BOD 측정에는 BOD5 법이 이용되어졌기 때문에 형광 측정을 위한 BOD 시료는 아직 알려진 것이 없다. 그렇기 때문에 본 측정에서 표준 시료로 이용하기 위해서 농도가 각기 다를 것으로 예상되는 시료를 준비하였다. 각각의 채취 지점은 다음과 같고 각각의 시료에 대한 형광 스펙트럼은 그림 15와 같다. 형광 측정이 들뜸 파장을 선택하기 위해서 256 nm대의 필터영역을 사용하였다.

㉮ 대덕대교(D.D Bridge)
㉯ 원촌교 (W.C Bridge)
㉰ 갑천대교(G.C Bridge)
실험 결과를 이용해서 BOD 농도와 형광 세기의 그래프를 그려보면 그림 16과 같다. 참고로 증류수의 BOD는 0으로 가정하였다.

② 온라인 데이터 측정
온라인 수질 모니터링 장치를 이용해서 오전 9시부터 오후 6시까지 갑천대교에서 취수한 샘플을 실시간으로 측정한 스펙트럼을 얻을 수 있었다.

③ BOD 측정의 정확성 평가.
실험으로 얻어진 데이터의 정확성을 판단하기 위해서 물 환경 정보시스템에서 제공하는 갑천대교 강물 월별 BOD 농도 변화 그래프를 참고하였다. 갑천대교 강물의 월별 BOD 평균 농도는 3.8 ~ 10.9 ppm까지 다양하게 변화하는 것을 알 수 있었고, 본 장치를 이용해서 한 시간 간격으로 측정한 데이터 역시 4.02 ~ 5.2 ppm 사이에서 변화하는 것을 볼 수 있었다.

나) 총인(TP, Total Phosphores) 측정
총인의 농도를 구하기 위해서는 수질오염 공정시험법 상의 방법에 의해서 우선 농도가 각기 다른 표준 시료를 제조, 흡광도를 측정한 후 실제 시료를 전 처리해서 흡광도를 측정, 표준시료의 흡광도와 비교하게 된다.

■ 결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 

㈜신코 자체 기술로 모든 시스템을 개발하였으며, NI PXI 제품군과 LabVIEW를 통하여 무인 자동 수질 분석기를 빠르고 편리하게 구현할 수 있었다. 다양한 구성품을 동작을 원활히 할 수 있었으며, 비전으로 원거리 기기 작동 유무 감시를 할 수 있었다.