양어장 수질관리용 전도도 센서의 제작

맹창재, 정의홍, 김태진

수원대학교 화학공학과

Fabrication  of  Conductivity  Sensor  for  Measurement

of Water Quality in Aquaculture

Chang-Jae Maeng, Ui-Hong Chung, Tai-Jin Kim

Dept. of Chemical Engineering, University of Suwon

서론

최근 연안 양식업에서는 적조 및 수질 오염으로 인한 피해가 확산되고 있다. 이는 주변 해역에 유입되는 생활하수 및 산업체의 폐수에 의한 것으로, 해수 양어장에 중요한 위협으로 간주된다. 이러한 피해를 예방하기 위해서는 상시적인 수질의 측정이 필요하다. 특히 해수의 전도도는 치어의 생장에서 중요한 역할을 하는 지표이므로 일상적으로 측정되지만, 전도도 센서의 국내 연구개발은 초보적인 상태에 머물러 있다. 본 연구에서는 연안 양식장 수질관리용 전도도 센서를 실험실에서 개발하여 기존의 상업용 전도도 센서와 성능을 비교하였다.

본론

이온성 용액에서 두 전극 사이에 전위차를 걸어주면 이온들의 이동으로 전류가 흐르게 된다. 이때 흐를 수 있는 전류의 양은 용액의 이온 농도에 비례하므로 이를 전도도로 표시한다. 전도도는 (1)식과 같은 저항과의 관계에서 계산하게 된다.

R=(1/□)□/A                 (1)

이때, R은 용액의 저항, □은 전도도 센서 단위전극사이의 간격, A는 단위전극의 표면적, □는 전도도이다. 저항의 단위가 □이므로 전도도의 단위는 저항의 역수인 Simen(S)를 사용하여, S□cm-1를 사용한다. 그러나, 실제 측정시 전극사이 전기장의 분포와 전류 밀도가 균일하지 않으므로 용액의 저항과 전도도 센서 단위전극의 외형상 면적으로 전도도를 계산하면 많은 실험적 오차를 수반하게 된다. 따라서 일반적으로 전도도가 잘 알려져 있는 KCl 용액의 저항을 측정하여 (2)식과 같은 센서 자체의 셀상수 C를 결정한 후 용액의 저항값(R)에서 전도도를 계산한다.

□KCl = C/RKCl                  (2)

실험

실험에 사용한 전해질은 NaCl(덕산약품), KCl(덕산약품), CH3COONa(Jin Chemical)을 별도의 정제없이 사용하였다. 이들 전해질과 초순수를 이용하여 0∼5%(w/w)농도 범위의 전해액을 제조하였다. 전도도 센서는 아크릴 관을 선반으로 정밀 가공하여 제작하였다. 본체는 stainless steel을 외경이 10□가 되도록 가공하여 3개의 소전극으로 제작하였고, No. 5000 사포를 사용하여 표면을 매끈하게 처리하였다. Stainless steel 부분을 제외한 부분들을 PVC로 정밀가공하여 제작한 다음에 steel을 결합시켰다. 본체 중앙에 10k□ thermistor를 전선케이블로 연결하여 본체의 맨 바닥까지 집어넣은 다음에 내부를 밀봉하였다. Fig. 1과 같이 제작된 전도도 센서는 YSI 34 전도도계에 연결하여 다양한 농도의 전해용액이 나타내는 전도도를 측정하였다.

Fig. 1.  자체개발한 전도도 센서의 모형.

결과 및 토론

국내에서 전도도 센서를 수입하여 범용적으로 쓰이는 YSI 전극(Fig. 2) 및 DKK 전극(Fig. 3)의 전도도를 다양한 전해질 조건에서 측정하였다. NaCl 용액에서는 YSI 전극이 DKK 전극에 비하여 민감도를 선형성의 기울기로 판단할 때 12.30배, KCl 용액에서는 13.14배, CH3COONa 용액에서는 13.12배를 각각 나타내었으며, 두 전극 모두 주어진 농도 범위에서 우수한 선형성을 보였다.

Fig. 2. 다양한 전해질에서의 YSI       Fig. 3. 다양한 전해질에서의 DKK

전도도 센서의 응답특성.               전도도 센서의 응답특성.

Fig. 4는 자체 제작한 전도도 센서를 DKK 센서와 비교하기 위하여 다양한 농도의 NaCl 용액 조건에서 전도도를 측정한 것이다. 이때 두 센서들은 거의 같은 선형성 및 기울기를 보였다.

Fig. 4. DKK 센서(―)와 개발된            Fig. 5. DKK 센서(―)와 개발된

센서(--)와의 전도도 응답                  센서(--)와의 다양한 전도

특성 비교.                                 조건에서 계측기 Voltage.

출력값 비교.

결론

본 연구에서 제작한 전도도 센서를 양어장의 일반적 염도 범위 내에서 평가한 결과 높은 선형성(R= 99.9%)을 나타내었으므로 양어장 수질관리 목적으로의 사용 가능성을 제시하였다.

감사의 글

본 연구는 농림부의 1997년도 농림수산특정연구과제(290632-5)의 일부분으로 수행되었으며 이의 재정적 지원에 감사 드립니다.

참고문헌

1. Jiri Janata : □Principles of Chemical Sensors□, Plenum Press, New York, 212    (1989).

2. W. Gopel, J. Hesse, J. N. Zemel : □Sensors : A Comperhensive Survey□,        VCH, Germany, 314, 2 (1991).