Development of a Low-cost Automatic Water Quality Diagnosis System for Cooling Towers

http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2014.23.1.58 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563

저가형 냉각탑 자동 수질 진단 시스템 개발

김정환·박한빈·강태삼⁺·박정근

Development of a Low-cost Automatic Water Quality Diagnosis System for Cooling Towers

Jung Hwan Kim, Han-Bin Park, Taesam Kang⁺, and Jungkeun Park

Abstract

We developed a low-cost automatic diagnosis system for water quality in cooling towers to measure the concentrations of key ingre- dients such as Ca²⁺, Cl^-, PO4

3-, and Fe²⁺. Ca²⁺, and Cl^- are the main factors that cause the generation of scale, corrosion, and sludge in water pipes. PO₄^3- prevents corrosion, sludge and scale by inhibiting the ions (i.e., Ca²⁺, Cl^-) from sticking to the pipes. Fe²⁺ is an indicator of pipe corrosion. The proposed system consists of a microprocessor, a specimen container and heater, a precision pump, relays and valves, LED optical sources, and photo detectors. It automatically collects water samples and carries out pretreatment for determining the concentration of each chemical, and then estimates the concentration of each ion using low-cost LED optical sources and detectors.

Experimental results showed that the accuracy of the proposed system is sufficiently high for water quality diagnosis and management of cooling towers, demonstrating the possibility of the proposed system's wide usage in real environments.

Keywords: Water quality diagnosis, Low-cost spectrophotometer, Cooling tower management, Chemical concentration mea- surement

1. 서 론

냉각탑은 호텔이나 병원, 백화점 및 극장과 같은 대형 건물이 나 대형 공장의 중요한 설비 중의 하나로써 물의 증발열을 이 용하여 냉각수의 온도를 떨어뜨리는 장치이다[1].

냉각탑에 사용되는 냉각수는 한번 유입되면 계속해서 냉각탑과 열교환기 사이로 순환되며 사용된다. 냉각수가 장시간 동안 사용 되면 염류와 현탁물 등이 농축되어 부식, 스케일 등을 발생시키며, 이들은 열교환 효율을 떨어뜨리고 설비의 수명을 단축시킨다. 또 한 농축된 염류와 현탁물은 슬라임과 냉방병의 원인이 되는 레지 오넬라균 등의 미생물 번식을 일으켜 경제적, 환경적으로 악영향

을 미친다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 수처리 약품이 사용되 며, 체계적인 냉각수 관리를 위한 제품들이 상용화 되어 있다[2,3].

그러나, 아직까지 상용 장비의 가격은 고가이고, 현장의 사람 들이 쉽게 조작 및 사용하기가 어렵다. 그렇기 때문에 중소규모 의 건물에서는 아직도 사람이 직접 수질을 검사하고 필요한 약 품을 투여하고 있다. 그러므로 자동으로 수질을 진단하고 그에 따라 정량의 약품을 투여하여 수질을 관리할 수 있는 저가형 자 동화 수질제어 시스템의 개발은 매우 필요한 실정이다.

본 연구팀은 2008년도에 저가의 폐루프의 냉각탑 수질 관리 시스템[4]을 개발한 바 있다. 하지만, 이 시스템은 자동으로 필 요한 약품의 양을 계산 및 투여하기 위해 냉각탑의 운전 상태, 냉각수의 pH 측정[5] 및 전기전도도만 측정하기 때문에 대략적 인 수질 오염도만을 파악하고 필요 약품을 투입하는데 그쳤다.

냉각수 수질에 중요한 기준이 되는 칼슘, 염소, 인산염 및 철의 농도가 측정이 되지 않아 냉각수 수질 상태 판단에 어려움이 있었다.

본 논문에서는 이러한 단점을 해결하기 위해 자동으로 냉각수 샘플을 수집하고, 냉각수 수질에 중요한 기준이 되는 칼슘, 염소, 인산염 및 철의 농도를 측정하여 주는 시스템을 개발하였다. 특 히 고가의 자외선-가시광선 분광기 대신에 LED 광원 및 광센서 를 이용함으로써 전체 시스템의 가격을 낮출 수 있도록 하였다.

즉, LED 광원에서 나오는 빛이 전처리된 냉각수 샘플을 통과하 면서 감쇄되는 정도를 측정함으로써 냉각수에 녹아 있는 칼슘, 건국대학교 항공우주정보시스템공학과 (Department of Aeropace

Information Engineering, Konkuk University)

Engineering Building C290-2, Konkuk University, 120 Neungdong-ro, Gwangjin-gu, Seoul 143-701, Korea

+Corresponding author: [email protected]

(Received: Aug. 2, 2013, Revised: Nov. 6, 2013, Jan. 8, 2014, Accepted:

Jan. 13, 2014)

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염소, 인산염 및 철의 농도를 측정하였다. 이러한 정보는 본 연 구팀에서 기존에 개발한 폐루프 냉각탑 수질 관리시스템[4]과 연 동되어, 저가로 수질 진단 및 관리 시스템을 구현하는데 사용 되었다.

2. 수질 진단 시스템의 개발

2.1 냉각탑 수질 오염 원인 측정법

냉각수 수질에 중요한 기준이 되는 칼슘, 염소, 인산염 및 철 의 농도 측정 방법들[6,7] 중 본 장치에서 구현된 방법들을 간 략히 설명하면 다음과 같다.

2.1.1 칼슘경도 검출 기법 - EDTA 적정법[8]

시료를 취하여 pH 12 이상의 완충용액과 N.N 지시약(Dotite- N,N Diluted with K2SO4)을 넣고 EDTA 용액으로 적정하여 칼슘 을 정량하는 방법이다. 보통 시료의 정량(50 ml)에 8 N(노르말 농 도) 수산화칼륨 용액 5 ml를 가하여 잘 혼합한 후 약 5분간 방치 하고 시안화칼륨 용액(10%) 및 염산 히드록실아민(10%)을 각각 0.5 ml 가해서 잘 혼합한다. 이 용액에 약 0.1 g의 N.N 지시약을 가한 후 EDTA 표준액을 적정하는데, 용액이 청록색으로 될 때 까지 적정한다. 청록색의 발색은 반응의 완료를 나타내며, 이때 적정을 멈추고, 적정된 EDTA의 양으로부터 용액에 녹아있는 칼 슘의 농도를 계산한다. 청록색이 발현되었을 때 적정을 멈추기 위해서는 자동으로 청록색의 발현된 것을 파악할 수 있어야 한다.

보통 분광광도계를 사용하여 전처리 후 약 390 nm 파장에서 빛 이 흡수되는 정도를 측정함으써 색의 발현 정도를 측정한다. 본 연구에서는 녹색 LED 광을 용액에 투과시키면서, 발색에 따라 투 과되는 빛의 세기가 변하는 점을 이용하여 발색의 유무를 확인하였다.

2.1.2 염소(Cl) 이온 검출기법 - 질산은 적정법[9]

염소 이온을 측정은 간접적인 방법을 쓴다. 즉, 시료에 크롬 산칼륨용액 1 ml를 희석하여 섞은 용액에 질산은을 적정하면 염 소이온과 질산은이 정량적으로 반응하여, 염화은 침전물이 생성 된다. 계속하여 질산은을 적정하면 염소 이온이 모두 소진되는 시점이 나타나며, 이때 과잉의 질산은이 크롬산과 반응하여 크 롬산은의 침전이 생기기 시작하는데, 이 시점까지 가해진 질산 은의 양으로부터 시료 용액속에 녹아 있던 염소 이온의 농도를 계산한다. 크롬산은 이 발생되기 시작하면 용액이 급격하게 적 황색으로 변하며, 따라서 시료 용액이 적황색으로 변하는 시점 을 측정하면 되는데, 본 장치에서는 녹색 광원이 투과되는 정도 를 광센서로 측정하여 발색 유무 시점을 확인하였다.

2.1.3 철(Fe) 검출기법 - HACH사 기법[10]

HACH사(社)에서 개발하여 사용하는 방법으로 시료에 상용 시약인 FerroMoTM Iron Reagent를 넣어 계측기로 측정한다.

시료에 반응시약을 넣으면 옅은 분홍빛으로 변하는데 이것의 광 도를 측정한다. 철의 농도가 높을수록 짙은 빛을 띤다. 본 장치 에서는 분홍빛으로 변하는 정도를 측정하기 위하여 녹색 광을 시료 용액으로 투과시켰다. 그리고 맞은 편에 설치된 광센서를 이용하여 투과된 빛의 세기를 측정하였다.

2.1.4 인산염인(PO4-P) - 아스코르빈산환원법[9]

인산염인은 다른 시료들과는 달리 반드시 다음과 같은 전처 리 과정을 거쳐야 한다: 시료 용액 50 ml를 취하고 10 N 황산 1 ml와 과황산칼륨 0.1 g을 넣고 가열하여 25 ml 이하로 농축시 킨 다음 식히고, 여기에 증류수를 넣어 50 ml로 다시 맞춘 후 바이알(vial)에 25 ml를 취하여 사용한다. 본 연구에서는 시료 용 액 40 ml을 취한 후 열을 가하여 20 ml 이하로 농축시켰고, 식 힌 후 증류수를 넣어 40 ml를 맞춘 뒤 다시 20 ml를 배수함으 로써, 남은 20 ml를 사용하였다.

아스코르빈산환원법은 전처리 후 인산 이온이 몰리브덴산암 모늄과 반응하여 생성한 몰리브덴산인암모늄을 2 ml 아스코르 빈산으로 환원한 뒤 생성되는 몰리브덴의 양을 측정하는 간접 적인 방법을 사용한다. 몰리브덴이 발생되면 용액은 청색으로 변하며, 이 청색으로 변하는 정도를 측정함으로써, 몰리브덴의 양을 측정하고, 이로 부터 원 시료에 들어 있던 인산염인의 농 도를 계산한다. 측정은 시약 투입 후 약 15 분 후에 시행한다.

본 논문에서 제안된 시스템에서는 이 청색으로 변한 정도를 적 외선 LED 광원과 광센서를 이용하여 측정하였다.

2.2 수질 진단 시스템의 구성

수질 분석을 위해 저가의 분석시스템을 구성하였으며, 개략도 는 Fig. 1과 같다. 전술한 바와 같이 고가의 UV-VIS 분광기 대 신에 저가의 녹색 LED 광원과 적외선 LED 광원 및 300~1100 nm

Fig. 1. Schematic diagram of the measurement system.

의 영역을 측정할 수 있는 광센서를 중앙부에 설치하여 이용하 였다. 용기의 상단부 및 하단부에는 전처리를 위한 히터가 설치 되어있고, 배수는 아래방향으로 이루어지며 밸브를 여닫음으로 써 제어하게 되어있다. 시료의 정량 측정은 가해지는 액적 방울 수를 이용하였다.

2.3 저가형 냉각탑 수질 진단 장치 개발

2.3.1 저가형 수질 진단 장치설계

일반적으로 UV-VIS Spectrophotometer는 자외선-적외선 영역 을 모두 측정하여 그 스펙트럼을 분석하고 이를 통하여 발색한 색깔 및 색의 농도를 측정한다[11-14]. 이 방법은 나타나는 거 의 모든 색깔 및 색의 농도를 측정할 수 있다는 장점이 있으나 가격이 매우 고가이다. 냉각탑의 수질오염을 측정하는 데는 피 측정 대상 및 방법에 따라 발현되는 색이 이미 알려져 있고, 따 라서 색의 농도만 측정하면 되며, 따라서 저가의 LED 광원 및 광센서를 이용하여 투과되는 빛의 정도를 측정함으로써 발색의 유무 또는 발색의 농도를 측정할 수 있다. 또한 LED 광원 및 센서는 크기가 매우 작기 때문에 전체 시스템의 크기를 소형화 할 수 있다는 장점도 있다.

광원은 2가지를 사용하였는데, 적정법을 이용하는 칼슘과 염 소, 그리고 적정법은 아니지만 마찬가지로 색의 탁도를 측정하 는 철은 녹색 광원을 사용하였다. 분자흡수 분광법을 사용하는 인산염인의 경우에는 적외선 광원을 사용하였다. 광원은 냉각수 수질에 중요한 기준이 되는 4가지 요소들을 측정하기 위해서 선 택되었지만, 광센서는 추후 다른 수질 분석에도 확장 적용이 가 능하도록 자외선, 적외선 및 가시광선 영역을 모두 측정할 수 있는 센서를 사용하였다. 광센서의 내부에는 필터가 내장되어 있어서 측정되는 잡음의 양이 매우 적어 좋은 결과를 얻을 수

있다. 이 광센서는 결과를 mV단위로 출력하며 이 신호를 OP- AMP를 사용하여 증폭한 후 마이크로프로세서에 내장되어 있는

10 bit 성능의 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 읽어 들였다

[15,16].

Fig. 2는 제작된 수질 측정 장치의 중심 부분 모습이다. 외부

는 검은색의 아크릴로 감싸 외부 빛의 유입을 최소화 하였다.

각각의 광원은 센서와 일직선이 되도록 위치를 맞추었으며 각 광원이 서로 다른 위치의 광센서에 영향을 미치지 않도록 두 개 의 장치를 검은색 아크릴로 분리하였다.

Fig. 2의 두 색상의 선 중에서 아래쪽의 붉은색 선에는 적외 선 LED 광원 및 광센서가 설치되었고, 윗쪽의 녹색 선에는 녹 색 및 청색 LED 광원과 광센서가 설치되었다.

2.3.2 LED 광원 및 광센서를 이용한 농도 측정 검증

먼저, 시중에 시판되고 있는 여러 색의 광원들 중 칼슘(Ca)과 염소(Cl)의 발색 여부를 확인하기에 적당한 파장을 내는 광원을 찾기 위한 실험을 진행하였다. 이 중 청색(blue) 및 녹색(green) 광원에 대한 실험 결과를 Table 1에 나타내었다. Table 1의 결 과를 보면 발색 전후 광센서의 값이 두 가지 광원에 대하여 분 명히 다르게 나타나므로 칼슘과 염소 이온 농도 측정을 위해서 는 두 광원 모두 사용 할 수 있음을 알 수 있다.

Table 2와 Fig. 3은 철의 농도 변화에 따른 두 광원의 투과 정 도를 나타내는데, 청색 광원 보다는 녹색 광원의 경우가 더 넓 은 영역에서 상대적으로 더 선형적으로 변하며 분명한 차이를 나타냄을 보여 준다. 여러 가지 광원을 측정 영역에 따라 다양

Fig. 2. Low-cost spectrophotometer core part.

Table 1. Sensor outputs for the measurement of Ca²⁺ and Cl^- con- centrations with blue and green LED sources

Component Color

Photo sensor output (V) Case with

blue LED source

Case with green LED

source Ca²⁺ Before reaction Purple 0.630 0.550

After reaction Blue 0.885 0.646 Cl^- Before reaction Yellow 0.090 1.030

After reaction Reddish brown

0.021 0.190

Table 2. Sensor outputs for the measurement of Fe²⁺ concen- trations with blue and green LED sources

Fe²⁺ concentration (mg/l)

Photo sensor output (V) Case with blue LED

source

Case with green LED source

0.1 0.780 1.0600

0.3 0.777 0.9210

0.5 0.610 0.7820

1 0.430 0.5991

하게 사용한다면 측정결과가 더 정밀해 지지만, 광원 및 광센서 의 수가 증가하고 이는 분석기기의 크기를 크게하고 가격도 증 가시키기 때문에 본 연구에서는반응 전후의 발색 여부를 확인 하기 위한 광원으로 녹색 광원만을 채택하여 사용하였다.

인산염인의 농도를 측정하기 위해서는 적외선 LED를 이용하 였다. Table 3는 적외선 LED를 이용하여 인산염인 농도 측정한 실험 결과를 보여준다. 농도차에 따라서 광센서의 출력 값이 크 게 변하는 것을 알 수 있다. 발색 직후 보다는 15 분이 넘어가 면 조금 더 선형적으로 변하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결 과를 이용하면 적외선 LED 광원 및 광센서로 PO4의 농도를 측 정할 수 있다는 것을 알 수 있다.

2.4 냉각수 자동 채수 및 약품 자동 투입 시스템 개발 냉각수의 자동 채수와 약품의 자동 투입은 Fig. 5와 같은 정 밀 펌프로 이루어진다. 이 정밀 펌프는 계산된 시간만큼씩 작동 하여 냉각수 또는 약품을 한 방울 씩 정량적으로 투입한다. 이 때 투입되는 한 방울의 양은 Table 4의 실험 결과로 알 수 있듯 이 0.04 ml 정도이며 그 오차는 평균 0.0002 ml 정도이다. 따라 서 500방울을 투약하게 되면 그 양은 정량 20 ml에 거의 근접 함을 Table 4의 실험 결과에서 알 수 있다.

2.5 전처리 시스템 및 시료용기 설계

설계 제작된 시료 용기 및 가열시스템은 Fig. 6과 같다. 시료 용기는 사용된 히터의 가열에 견딜 수 있으며 다른 수질 측정 으로의 확장을 고려하여 자외선, 가시광선 및 적외선 영역까지 측정이 가능한 석영재질을 사용하였다.

Fig. 6의 (a)는 설계, 제작된 시료 용기의 모습을 보여 준다.

Fig. 3. Sensor output for Fe²⁺ concentration measurements with green and blue LED sources.

Table 3. Sensor outputs for the measurement of PO4

3-concen- trations using infrared light source

PO43-

concentration (ppm)

Sensor output after 10 min

(mV)

Sensor output after 15 min

(mV)

00 1200 1200

03 0036 0033

05 0031 0027

07 0026 00022.6

10 0019 00018.3

15 0013 0014

20 0011 0011

Fig. 4. Photo sensor response with PO4

3-concentrations.

Fig. 5. Photograph of a precision pump.

Table 4. Estimated volumes of 1 drop amounts Number of

drops

Measured amount (ml)

Estimated amount of 1 drop (ml)

500 20.2 0.0404

500 20.5 0.0410

500 200 0.0400

500 19.8 0.0396

500 200 0.0400

Average 20.1 0.0402

시료 용기의 위쪽은 펌프에서 들어오는 관들이 잘 들어가도록 약간 크게 하였으며, 아래쪽은 배수를 위해 연결되는 튜브의 크 기에 맞추어 작게 하였다. 용기의 직경은 20 mm이며 원형이다.

사각의 형태가 빛을 분산시키지 않으므로 광원 및 수광소자를 이용한 투광 측정 실험에 조금 더 유리한 측면이 있으나, 측정 후 잔여물이 남을 가능성이 커 원형으로 설계하였다. 순수한 시 료용기만의 최대 수용가능 용량은 54 ml이며 기타 장치 설치 후 에 수용가능 용량은 48 ml이다.

가열은 설계된 시료용기의 지름에 맞추어 제작된 7 W급 밴 드형 히터를 이용하였으며 시료용기의 외벽에 붙어서 열을 가 할 수 있게 하였다. 히터는 Fig. 6(b)에서 보듯이 두 개를 설치 하였다. 하나는 적외선 LED 광원 및 수광부의 아래쪽에서 가 열을 할 수 있게 하였고, 다른 하나는 전처리를 할 때에 늘어난 용량을 효과적으로 가열하기 위해 녹색 LED 광원 및 수광부의 위쪽에 설치하였다.

2.6 자동 수질 진단 절차 및 회로 설계

2.6.1 자동 수질 진단 절차

본 연구에서 개발된 수질 진단 시스템의 자동 수질 측정 절 차는 Fig. 7과 같다. 이 절차는 C 언어로 프로그래밍 하였고 마 이크로프로세서에 구현 하였다. 먼저 주 시스템에서 검사명령을 받았는지를 체크하고 명령을 받았으면 검사를 시작한다. 어떤 성분을 측정할 것인지 확인한 후 냉각수를 채수하고 전처리가 필요한 경우 전처리를 수행하며 측정한다. 측정이 끝난 후에는 냉각수를 배출한다. 모든 검사가 끝나면 결과를 주 시스템에 전송한다.

2.6.2 수질 진단 시스템의 하드웨어 설계

본 연구에서 쓰이는 수질 진단 시스템의 간략한 하드웨어 구 성도는 Fig. 8과 같다. 수질 검사 명령을 받으면, MCU는 채수 시스템, 전처리 시스템, 분석 시스템을 활용하여 최종적인 측정 결과를 전압의 형태로 얻으며, 이 결과를 ADC로 읽어 들여 외 부 포트로 전송한다.

개발된 수질 진단 시스템 보드는 Fig. 9과 같다. 전체적으로 펌프의 작동을 위한 구동부, 센서 값의 측정과 제어명령 생성을

Fig. 7. Automatic measurement procedure.

Fig. 8. Diagnosis system signal flow diagram.

Fig. 9. Photograph of the electronic boards of the diagnosis system.

Fig. 6. Photographs of (a) container and (b) installed heater.

위한 제어부, 그리고 통신부로 이루어져 있다. 릴레이는 MCU 에서 나오는 신호에 따라 정량 펌프 모터나 측정 장치의 밸브 등을 구동한다. 총 17개의 릴레이가 장착되어 있으며 구동 전원 의 전압은 12 V 이다. LCD는 실험의 진행 상태 및 결과를 보 여 준다. 통신은 직렬통신이나 이더넷 모듈을 이용한다. 이더넷 모듈은 직접적으로 서버와의 통신이 필요할 때 사용한다.

3. 실험결과 및 고찰

개발된 자동 수질 분석 시스템의 실험 성능을 Table 5~8 및

Fig. 10에 나타내었다. 칼슘과 염소의 농도 측정 실험은 실제 현

장의 물을 채취하여 증류수를 넣어 희석시킨 후 측정하였으며,

기준측정값(reference concentration)과 비교하여 나타내었다.

Fig. 10에서 보듯이 측정 결과는 측정 범위 내에서는 매우 선

형적인 결과를 나타내고 있으며, 측정된 전압이나 방울(drop) 수 로부터 각 성분의 값들을 계산해 낼 수 있음을 알 수 있다. 구 체적으로 Fig. 10의 측정 실험 결과로부터 각 성분의 농도는 다 음과 같은 관계식으로 근사화 할 수 있다.

(1) (2) (3) (4) 식 (1)과 (2)는 칼슘과 염소의 실제 실험결과를 고농도 기준 으로 선형화한 식이고 (3), (4)는 인산염인과 철의 농도 측정 실 험값과 기준 측정기기와의 비교를 통해 얻어낸 식이다. Fig. 10 에서 실선으로 나타낸 부분은 선형화된 식을 이용하여 추정한 농도의 그래프이며 빨간 점(*)은 다섯 번의 실제 측정결과를 평 균하여 구한 값이다. 선형 근사치와 실험값이 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

칼슘, 염소의 경우와 같이 발색이 될 때 까지 시약을 한 방울 씩 투여하는 적정법을 이용한 방법의 경우, 발색을 위해 가해지 는 시약의 양은 0.04 ml의 정수배로 만 가해질 수 있다. 따라서 측정 시료의 농도가 낮을 경우에는 발색에 필요한 시약의 투입 량이 작기 때문에 정량 한 방울의 크기가 상대적으로 큰 양자 화(quantization) 오차를 나타낸다. 본 실험에서는 최대 6.839%

의 오차를 나타내고 있으나, 본 연구에서 필요한 10% 오차 범 위 안에는 충분히 들어가므로 문제되지 않는다. 더 세밀화된 정 밀도를 얻기 위해서는 더 정밀한 정량 펌프를 사용하거나, 시약 의 농도를 낮추어서 전체적으로 가해지는 시약의 방울수가 많 아지도록 하면 된다.

일정량의 시약을 투여한 후 색의 농도를 측정하는 경우에는 한 방울의 크기 자체는 정밀도에 영향을 주지 않는다. 따라서 투여량이 일정한 인산염인과 철의 경우에는 정밀도가 매우 우 수한 것을 알 수 있다. 즉, Table 7 과 Table 8에서 볼 수 있듯 이 인산염인 농도의 경우 10 ppm 농도 부근에서 0.06 ppm 정도 의 오차를 보이고 있으며, 철분 농도의 경우 1 ppm 농도 근처 에서 0.005 ppm 정도의 오차를 보이고 있다.

Table 9는 한국산업규격에 정해진 냉각수의 수질검사에 관한

기준을 보여주고 있다[17]. Table 9에서 알 수 있듯이 필요한 정 밀도는 ppm 정도의 수준이다. 본 연구에서 개발한 장비의 경우, Table 5 및 Table 6에서 알 수 있듯이 정밀도가 비교적 떨어지 는 칼슘 및 염소 이온 농도의 경우도 기준점 부근에서 2 ppm 이하로 오차가 제한되므로 본 연구에서 개발한 장비를 활용하 여 수질 제어에 필요한 정보를 얻을 수 있고, 따라서 수질을 제 어하기 위해 필요한 약품을 계산하는데 활용될 수 있다.

Ca=1.7267 drops 2.3741 + Cl=1.3059 drops 3.3749 +

Po₄=0.0807initial value measured value– +0.0948 Fe=0.0169initial value measured value– –0.0023 Table 5. Ca²⁺ concentration measurements

Ca²⁺ Results Reference

concentration (ppm)

Estimated concentration (ppm)

Error (%)

Number of drops

020 021.3678 6.839 011

260 257.9257 0.798 148

720 720.6813 0.095 416

Table 6. Cl^- concentration measurements

Cl^- Results Reference

concentration (ppm)

Estimated concentration (ppm)

Error (%)

Number of drops

0040 0041.25 3.125 0029

0100 0098.71 1.290 0073

1590 1590.04 0.003 1215

Table 7. PO4

3-concentration measurements PO4

3- Results Reference

concentration (ppm)

Measured ADC value

Initial ADC value - Measured ADC

value

Estimated concentration

(ppm)

Error (%)

00 886 000 000.0 0000.

10 764 122 09.9402 0.598

15 703 183 14.8629 0.914

25 576 310 25.1118 0.447

Table 8. Fe²⁺ concentration measurements

Fe²⁺ results Reference

concentration (ppm)

Measured ADC value

Initial ADC value - measured ADC

value

Estimated concentration

(ppm)

Error (%)

00. 292 00 0000.0 00.0

0.1 286 06 0.0991 0.90

0.5 262 30 0.5047 0.94

10. 233 59 0.9948 0.52

4. 결 론

본 연구는 LED 광원 및 광센서를 이용하여 저가로 냉각수에 녹아 있는 칼슘, 인산염, 염소 및 철 이온의 농도를 측정할 수 있는 저가형 냉각탑 자동 수질 분석 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 시료 채취, 시약 투입 및 전처리 과정을 자동으로 수 행할 수 있다. 실제 제작 및 실험 결과, 칼슘 농도 측정 값은 260 ppm 기준 농도에서 0.798%의 오차를 보였고, 염소의 농도 측정 값은 100 ppm 기준 농도에서 1.290%의 측정 오차를 보였 으며, 인산염인의 농도 측정 값은 10 ppm 기준 농도에서 0.598%

의 오차를 보였고, 철의 농도는 1 ppm 기준 농도에서 0.52%의

초차를 보였다. 따라서 본 연구에서 제안된 저가형 자동 수질 진단 시스템은 10% 이내의 측정오차를 요구하는 냉각수 수질 진단 시스템에 곧바로 이용될 수 있다. 이러한 결과는 냉각수 수질 측정뿐 아니라 뿐만이 아니라 다른 특화된 용도의 수질 측 정 및 관리 시스템에도 적용될 수 있을 것으로 기대 된다.

감사의 글

이 논문은 2012학년도 건국대학교의 연구년교원 지원에 의하 여 연구되었음.

REFERENCES

[1] http://www.cti.org/whatis/coolingtowerdetail.shtml/ (retrieved on Jan. 6, 2014).

[2] http://www.hach.co.kr/04_product/sub01.php/ (retrieved on Jan. 6, 2014).

Fig. 10. Measured concentrations and their linear approximations with (a) Ca²⁺, (b) Cl^-, (c) PO4

3-, and (d) Fe²⁺.

Table 9. Permissible levels for cooling water [17]

Items Ca²⁺ Fe²⁺ Total-PO43-

Cl^- Permissible Level < 300 < 2 4~7 < 200

Units ppm ppm ppm ppm

[3] http://www.nanohi.co.kr/ (retrieved on Jan. 6, 2014).

[4] K. Lee, M. Song, T. Kang, Y. J. Lee, and S. Sung, “Water quality control system development for cooling towers”, J.

Ctrl., Robot, & Syst. Eng., vol. 14, no. 1, pp. 36-41, 2008.

[5] S. Hur, and Y. Jung, “pH measurements with a micro- cantilever array-based biosensor system”, J. Sensor Sci. &

Tech., vol. 21, no. 3, pp. 186-191, 2012.

[6] S. S. Zumdahl, and S. A. Zumdahl, Chemistry, Houghton Mifflin, Boston, MA, pp. 129-179, 2007.

[7] S. G. Hong, and H. D. Kim, “Development of a multi-chan- nel detector for capillary electrophoresis system”, Anal. Sci.

& Tech., vol. 11, no. 2, pp. 96-104, 1998.

[8] D. C. Harris, Quantitative chemical analysis, 7th edition, W.H. Freeman & Company, New York, NY, pp. 228-249, 2007.

[9] S. Ann, Environmental chemistry, DongHwa Technology Publishing, Paju, Korea, pp. 330-435, 2001.

[10] http://www.hach.com/asset-get.download-en.jsa?id=7639983723 (retrieved on Jan.6, 2014).

[11] D. G. Jones, “Photodiode array detectors in UV-VIS spec- troscopy: part II”, Anal. Chem, vol. 57, no.11, pp. 1207A- 1214A, 1985.

[12] R. S. Berns, Billmeyer and Saltzman's Principles of color technology, 3rd edition, Wiley, pp. 67-109, 2000.

[13] D. A. Skoog, F. J. Holler, and S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, Brooks/Cole, Stanford, CT, pp. 335- 398, 2007.

[14] F. Rouessac, and A. Rouessac, Chemical Analysis: Modern Instrumentation Methods and Techniques, WILEY, Hobo- ken, NJ, pp. 167-206, 2007.

[15] R. Pallas-Areny, and J. G. Webster, Sensors and Signal Con- ditioning, John Wiley & Sons Inc, Hoboken, NJ, pp. 277- 321, 2001.

[16] M. E. V. Valkenburg, Analog Filter Design, CBS College Publishing, New York, NY, pp. 157-213, 1982.

[17] http://www.standard.go.kr/skin3/newviewe/ebookviewer.asp/

(retrieved on Mar. 22, 2011).