게이터 발진기 수면 단계

마지막 업데이트: 2022년 4월 28일 | 0개 댓글
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일주기 리듬 수면 장애

"CRSD"는 여기로 리디렉션됩니다. Oracle Cluster Ready Services 데몬(CRSd)에 대해서는 Oracle Clusterware를 참조하십시오 . 알래스카의 학군에 대해서는 Copper River 학군 문서를 참조하십시오 . 델라웨어의 학군에 대해서는 Caesar Rodney 학군을 참조하십시오 .

일주기 리듬 수면 장애
다른 이름들 일주기 리듬 수면-각성 장애
전문 신경과 , 연대기생물학

일주기 리듬 수면 장애 ( CRSD )는 일주기 리듬 수면-각성 장애 ( CRSWD ) 라고도 하며 수면 시간에 영향을 미치는 수면 장애 계열입니다 . CRSD는 생체 시계 의 기능 장애로 인해 발생할 수 있는 지속적인 수면/각성 장애 패턴에서 발생합니다. 시스템, 또는 내인성 진동자와 외부적으로 부과된 신호 사이의 오정렬에 의해. 이러한 불일치의 결과로, 일주기 리듬 수면 장애의 영향을 받는 사람들은 하루 중 틀에 박힌 시간에 잠드는 경향이 있습니다. 이러한 상황은 종종 장애의 영향을 받는 개인이 직장, 학교 및 기타 사회적 의무를 위해 "정상적인" 시간에 잠을 자고 깨울 수 없는 휴식 장애의 반복적인 사례로 이어집니다. 지연된 수면 위상 장애 , 고급 수면 위상 장애 , 비 24 시간 수면 - 각성 장애 와 불규칙한 수면 - 각성 리듬 장애는 CRSD의 네 가지 주요 유형을 나타냅니다. [1]

개요 [ 편집 ]

인간은 대부분의 살아있는 유기체와 마찬가지로 다양한 생물학적 리듬을 가지고 있습니다. 이러한 생체 시계는 매일 변동하는 프로세스(예: 체온, 각성, 호르몬 분비)를 제어하여 일주기 리듬을 생성 합니다. 이러한 생리적 특성 중 수면-각성 성향도 생체시계 시스템에 의해 조절되는 일상 리듬의 하나로 간주될 수 있다. 인간의 수면 주기는 함께 작용하는 일련의 일주기 과정에 의해 엄격하게 조절되어 밤에는 통합된 수면의 순간을 경험하고 낮에는 긴 잠에서 깨어나는 순간을 경험할 수 있습니다. 반대로, 이러한 프로세스와 이들 사이의 의사소통 경로가 방해를 받으면 수면 패턴에 문제가 발생할 수 있으며, 이를 통틀어 일주기 리듬 수면 장애라고 합니다.

일반 리듬 [ 편집 ]

활동 일주기는 대략 이십사시간의 기간이있는 entrainable, 내생 적, 생물학적 활동이다. 이 내부 시간 측정 메커니즘은 인간의 SCN( 교차상핵 )에 집중되어 있으며 , 수면과 각성의 기본이 되는 내부 생리학적 메커니즘이 명암 주기와 같은 외부 환경 신호와 동기화되도록 합니다. [2] SCN은 또한 간과 같은 다른 기관의 말초 시계에 신호를 보내 포도당 대사와 같은 과정을 제어합니다. [3] 이러한 리듬은 일정한 밝거나 어두운 조건에서 지속되지만 다른 Zeitgebers (명암 주기와 같은 시간 제공자)는 시계에 컨텍스트를 제공하고 시계가 변화하는 환경에 적응하기 위해 생리적 과정의 표현을 동반하고 조절하도록 합니다. 유전자 도움말 제어 광 - 유도 된 것이 유입은 긍정적 조절기 포함 BMAL1 및 CLOCK 및 음극 규제 PER1 및 울 . [4] 완전한 일주기는 24시간의 일주기로 설명할 수 있습니다. 여기서 일주기 시간 0(CT ​​0)은 유기체에 대한 주관적인 하루의 시작을 표시하고 CT 12는 주관적인 밤의 시작을 표시합니다. [5]

규칙적인 일주기 기능을 가진 인간은 규칙적인 수면 일정을 유지하고 호르몬 분비의 일일 리듬을 조절하며 핵심 체온의 진동을 유지하는 것으로 나타났습니다. [6] Zeitgebers가 없더라도 인간은 이러한 생물학적 활동에서 대략 24시간 리듬을 계속 유지할 것입니다. 수면과 관련하여 정상적인 24시간 주기 기능은 사람들이 균형 잡힌 휴식과 각성을 유지하도록 하여 사람들이 일하고 낮의 활동 동안 각성을 유지하고 밤에는 휴식을 게이터 발진기 수면 단계 취할 수 있도록 합니다. [7]

일주기 리듬과 수면에 관한 일부 오해는 일반적으로 불규칙한 수면을 일주기 리듬 수면 장애로 잘못 분류합니다. CRSD로 진단되기 위해서는 24시간 주기 발진기의 타이밍과 주변 환경 사이의 정렬이 잘못되었거나 클럭 동반 경로의 오류가 있어야 합니다. [8] 전형적인 24시간 시계 기능을 가진 사람들 사이 에는 개인의 크로노타입 또는 선호하는 기상 및 수면 시간에 편차 가 있습니다. 크로노타입은 개인마다 다르지만, 시계 유전자의 리드미컬한 발현에 의해 결정됨 , 전형적인 일주기 시계 기능을 가진 사람들은 환경 신호에 동조할 수 있습니다. 예를 들어, 깨어 있는 시간과 같은 생물학적 활동의 시작을 변경하려는 경우 주관적인 늦은 밤이나 주관적인 이른 아침에 빛에 노출되면 하루의 일주기 주기가 빨라져 기상 시간이 빨라질 수 있습니다. [9]

진단 [ 편집 ]

수면 장애의 국제 분류 수면의 유형으로 일주기 리듬 수면 장애를 분류 수면 이상 . 연구에 따르면 성인 인구의 3%가 CRSD를 앓고 있지만 많은 사람들이 CRSD 대신 불면증으로 오진되는 경우가 많습니다 . 수면 장애로 진단된 성인의 약 10%가 CRSD를 가지고 있고, 수면 장애가 있는 청소년의 약 16%가 CRSD를 가질 수 있습니다. [10] 일주기 리듬 수면 장애로 진단받은 환자는 일반적으로 근무 일정 및 일상 기능을 방해하는 과도한 수면이든 원하는 수면 시간에 불면증이든 수면 장애 패턴을 나타냅니다. 극단적으로 일찍 또는 늦게 일어나는 것을 선호하는 것은 일주기 리듬 수면 장애 진단과 관련이 없습니다. 개인이 원하는 작업과 일상 행동에 영향을 미치는 생물학적 리듬의 뚜렷한 손상이 있어야 합니다. CRSD 진단을 위해 수면 전문가는 환자의 수면 및 기상 습관, 체온 패턴, 희미한 멜라토닌 발병(DLMO) 이력을 수집합니다 . [10] 이 데이터를 수집하면 환자의 현재 일정과 환자의 생리적 단계 마커에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.생물학적 시계. [11]

CRSD 진단 과정의 시작은 철저한 수면 기록 평가입니다. 표준 설문지를 사용하여 일반적인 취침 시간, 수면 시간, 수면 잠복기 및 기상 사례를 포함하여 환자의 수면 습관을 기록합니다 . 전문가는 수면에 영향을 줄 수 있는 다른 외부 요인에 대해 추가로 문의할 것입니다. 삼환계 항우울제 , 선택적 세로토닌 재흡수 억제제 및 기타 항우울제와 같은 기분 장애를 치료하는 처방약 은 비정상적인 수면 행동과 관련이 있습니다. 개인의 수면 및 기상 패턴에 영향을 미칠 수 있기 때문에 작업 일정 및 운동 시간과 같은 다른 일상 습관도 기록됩니다. 수면 변수를 솔직하게 측정하기 위해 환자는 액티그래피를 착용합니다. 수면 시작, 기상 시간 및 기타 여러 생리적 변수를 기록하는 시계. 환자들은 액티그래피 데이터를 보완하기 위해 취침 시간, 기상 시간 등을 기록하기 위해 일주일 동안의 수면 일기로 수면 습관을 자가 보고하도록 요청합니다. 이 데이터를 수집하면 수면 전문가가 환자의 수면 습관을 주의 깊게 문서화 및 측정하고 수면 기록에 설명된 패턴을 확인할 수 있습니다. [10]

환자의 수면 및 생체 시계의 특성을 분류하는 다른 추가 방법은 아침-저녁 설문지 (MEQ) 및 뮌헨 크로노타입 설문지 이며, 둘 다 단계 진행 또는 지연된 수면을 정확하게 보고하는 것과 상당히 강한 상관 관계가 있습니다. [9] Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI) 및 Insomnia Severity Index(ISI)와 같은 설문지 는 수면 장애의 심각성을 측정하는 데 도움이 됩니다. 특히, 이 설문지는 전문가가 환자의 수면 잠복기, 원하지 않는 이른 아침 각성, 잠들거나 게이터 발진기 수면 단계 잠을 자지 못하는 문제를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. [10] 테이사이드 아동 수면 설문지 1세에서 5세 사이의 어린이 수면 장애에 대한 10개 항목의 설문지입니다. [12] [13]

유형 [ 편집 ]

CRSD 유형.jpg

현재 국제 수면 장애 분류(ICSD-3)에는 일주기 리듬 수면 장애 범주에 6가지 장애가 있습니다. [14]

CRSD는 기본 메커니즘에 따라 두 그룹으로 분류할 수 있습니다. 첫 번째 범주는 내인성 진동자가 변경된 장애로 구성되며, 이를 내인성 유형 장애라고 합니다. 두 번째 범주는 외인성 CRSD라고 하는 외부 환경과 내인성 일주기 시계가 잘못 정렬되는 장애로 구성됩니다. [15]

본질적인 [ 편집 ]

    (DSPD): 지연된 수면 단계 장애 로 진단된 개인은 정상 기능 개인과 비교할 때 수면-각성 시간이 지연됩니다. DSPD가 있는 사람들은 일반적으로 일반적인 수면 시간에 잠을 자려고 할 때 매우 긴 수면 대기 시간을 갖습니다. 마찬가지로, 그들은 또한 일반적인 시간에 깨는 데 어려움을 겪습니다. [16] (ASPD): 진행성 수면 단계 장애가 있는 사람들은 지연된 수면 단계 장애를 가진 사람들과 반대되는 특성을 나타냅니다. 이 사람들은 수면 각성 시간이 앞당겨서 보통 사람들에 비해 훨씬 일찍 잠자리에 들고 일어나는 경향이 있습니다. ASPD는 DSPD보다 덜 일반적이며 노년층에서 가장 만연합니다. [17]
      (FASPS)은 상염색체 우성 유전 방식과 관련이 있습니다. 이는 위치 662(S662G)에서 글리신을 세린으로 대체하는 인간 PER2 의 미스센스 돌연변이와 관련이 있습니다. [18] PER2에 이 돌연변이가 있는 가족은 수면에서 극도의 단계적 진행을 경험하여 오전 2시경에 일어나고 오후 7시경에 잠자리에 듭니다.

    외부 [ 편집 ]

      (SWSD): 야간 근무 또는 불규칙한 교대 근무를 하는 미국인의 약 9%가 게이터 발진기 수면 단계 교대 근무 수면 장애를 경험하는 것으로 알려져 있습니다. [21] 야간 근무는 생체 시계 를 움직이는 환경 신호에 직접적으로 반대 하므로 이 장애는 개인의 시계가 사회적으로 부과된 작업 ​​일정에 적응할 수 없을 때 발생합니다. 교대 근무 수면 장애는 심한 경우의 불면증과 과도한 주간 졸음을 유발할 수 있습니다. [22] : 시차로 인한 피로는 내부 일주기 시스템과 외부 또는 환경 신호 간의 불일치로 인해 잠들기 어렵거나 잠들지 못하는 것이 가장 특징입니다. 일반적으로 여러 시간대에 걸친 빠른 이동과 관련이 있습니다. [14]

    알츠하이머병 [ 편집 ]

    CRSD는 알츠하이머병 (AD)으로 진단된 환자의 과도한 주간 졸음 및 야간 불면증 과 자주 연관되어 왔으며 , 이는 AD 환자의 공통된 특징일 뿐만 아니라 진행성 기능 손상의 위험 인자를 나타냅니다. [23] [24] [25] 한편, 알츠하이머 병 환자는 멜라토닌 변화와 일주기 리듬의 높은 불규칙성이 있어 수면-각성 주기를 방해하는 것으로 알려져 있으며, 이는 아마도 일반적으로 시상하부 SCN 영역의 손상 때문일 수 있습니다. AD에서 관찰됨. [24] [25] 한편, 수면 장애 및 각성 상태는 알츠하이머병 환자의 인지 능력, 감정 상태 및 삶의 질을 악화시키는 것과 관련이 있습니다. [23] [24] [25] 또한, 질병의 이상 행동 증상이 부정적으로 환자의 친척과 보호자를 압도뿐만 아니라에 기여한다. [23] [24]

    그러나 알츠하이머병 환자의 주관적 경험에 대한 수면-각성 장애의 영향은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. [24] 따라서, 임상에서 신경퇴행성 질환의 증가하는 기대수명과 중요성을 주로 고려하여 이 분야를 탐구하는 추가 연구가 적극 권장된다. [25]

    건강기능식품 관리 강화…유통판매업자도 이력추적관리 의무화

    식품의약품안전처는 이런 내용의 건강기능식품에 관한 법률 시행규칙 일부 개정안을 입법 예고하고 12월 24일까지 의견을 수렴하고서 공포 후 시행할 계획이라고 20일 밝혔다.

    개정안에 따르면 건강기능식품 이력추적관리 의무화 대상자가 연 매출액 1억원 이상의 품목을 유통, 판매하는 건강기능식품 유통판매업자로 확대된다.

    건강기능식품 제조에서 판매에 이르기까지 단계별로 식품정보를 기록, 관리해 안전관리에 활용할 수 있게 하기 위해서다.

    지금까지는 건강기능식품제조업자에 대해서만 이력추적관리시스템에 등록하도록 했기 때문에 중간 유통단계에서 안전관리의 사각지대가 발생한다는 지적이 많았다.

    이력추적관리제도는 식품의 생산가공에서 유통, 판매, 소비에 이르는 모든 단계에서 소비자가 식품의 이력 정보를 한눈에 파악할 수 있게 해서 식품안전사고 발생 때 유통차단, 회수·폐기 조치 등을 신속하게 할 수 있게 하는 시스템이다.

    건강·웰빙에 대한 관심이 높아지면서 건강기능식품에 대한 수요 증가와 함께 부작용 이상 사례도 늘고 있다.

    식품의약품안전처의 '건강기능식품 부작용 현황' 자료를 보면, 2016년부터 2018년 8월 현재까지 건강기능식품 부작용 등 이상 사례 신고 건수는 2천232건에 달했다.

    연도별로는 2016년 696건, 2017년 874건, 2018년 8월 현재 662건 등이었다.

    최근 3년간 건강기능식품 이상 사례 발생으로 신고된 업체는 총 216곳이었다.

    이 중에서 2회 이상 신고가 들어온 업체는 124곳으로 전체의 절반에 달하는 수치다.

    이들 건강기능식품 복용 후 주요 이상 증상 사례로는 메스꺼움이 463건으로 가장 많았다.

    이어 소화불량(456건), 설사(355건), 복통(340건) 등이었다.

    이외에 두통, 피부발진, 수면불안 등의 증상도 확인됐다.

    2017년 건강기능식품 판매규모는 2조2천374억원으로, 품목 수만 2만1천500개에 이른다.

    건강기능식품 관리 강화…유통판매업자도 이력추적관리 의무화

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    렙틴 순환, 세 끼 식사 방해. 낮 동안 렙틴이 높은 곳에 갔다가 떨어진 뒤 다시 사이클을 시작하는 것을 알 수 있다. 선은 다항식 확장을 사용하여 데이터의 주기적 동작을 나타내기 위해 실험 데이터에 대한 적합 곡선이다.

    연대기 생물학에서 초경량 리듬은 24시간 내내 반복되는 주기 또는 순환이다. 이와는 대조적으로, 순환 리듬은 매일 한 사이클을 완료하는 반면, 인간의 생리 주기 같은 인프라디안 리듬은 하루 이상의 기간을 가진다. 옥스퍼드 영어 사전Ultradian 정의는 하루보다 짧지만 1시간보다 긴 기간을 가진 사이클을 지칭한다고 명시하고 있다. [1]

    극초단백질이라는 용어는 인간의 수면 중 수면 단계를 90-120분 주기로 순환하는 것과 관련하여 수면 연구에 사용된다. [2]

    신체 온도와 인지 기능에는 엄밀히 말하면 극초단파인 체내 리듬이 있다. 그러나 이것은 각각의 순환 리듬의 첫 번째 조화인 것으로 보이며, 자체적인 리듬 생성기를 가진 내생적인 리듬이 아니다.

    그 밖의 초경량 리듬으로는 혈액순환, 깜빡임, 맥박, 성장호르몬, [3] 심박수, 체온조절, 독기, 장활동, 콧구멍확장, 식욕, 흥분 등의 호르몬 분비물이 있다. 초미량 식욕 리듬은 항정신병 약물인 뉴로펩타이드 Y(NPY)와 코르티코트로핀 방출 호르몬(CRH)을 분비해야 식욕 초미량 리듬을 자극하고 억제한다. [4] 최근, 약 4시간 지속되는 극초단파 신경 리듬은 포유류의 도파민계 덕분이었다. [5] 도파민성 체계가 약물을 사용하거나 유전적 교란으로 인해 혼란에 빠졌을 때, 이 4시간 리듬은 인프라디안 (> 24시간) 범위까지 크게 길어질 수 있으며, 필로폰이 공급되는 며칠 (> 110시간) 동안 지속될 수도 있다. [6]

    극초음파 기분은 급속한 사이클링보다 훨씬 더 빠른 조울증 주기에 있다; 후자는 1년에 4개 이상의 기분 에피소드로 정의되며, 때로는 몇 주 안에 발생한다. 울트라디언 무드 사이클링은 24시간보다 짧은 사이클이 특징이다. [7]

    RF 무선 데이터 전송을 위한 pH 센서 레퍼런스 설계

    Consumer

    초록
    원격 모니터링을 위해 센서 노드로부터 데이터를 무선으로 전송하는 시스템에서 정확성, 효율성, 신뢰도가 중요한 경우, 이를 설계하는 데에는 상당한 어려움이 뒤따른다. 용액의 pH는 농업이나 의료 등 여러 산업 분야에서 흔히 고려해야 하는 측정 사항이다. 이 글의 주된 목표는 pH 유리 탐침을 평가함으로써 하드웨어와 소프트웨어 설계의 다양한 어려움을 해결해 보고, 무선 주파수 트랜시버 모듈을 사용하여 탐침으로부터 무선 데이터 전송의 해결책을 제시한다.

    개요
    이 글에서는 먼저 pH 탐침에 대해 설명하고, 설계시 프론트엔드 신호 조정 회로와 관련된 여러 문제점을 점검하고 데이터 변환 시 게이터 발진기 수면 단계 낮은 비용으로 높은 정밀도와 신뢰도를 제공하는 방법을 알아본다. 또한, 데이터 처리에서 정확도와 정밀도를 향상시키는 방법으로 최소자승법(least square method)를 사용해서 분산된 선정의 데이터(predefined data)의 근사값을 구한 뒤 이를 바탕으로 pH를 보정하는 일반다항적합(general polynomial fit) 같은 보정 방식에 대해서도 논한다. 이 글의 마지막에서는 무선 모니터링 시스템용 레퍼런스 회로 설계도 포함되어 있다.

    pH 탐침 이해하기
    pH 정의
    수용액은 산성, 알칼리성, 중성 정도로 분류될 수 있다. 화학에서 이는 pH라는 단위로 측정될 수 있다. 칼스버그 재단(Carlsberg Foundation)에 따르면 pH는 수소이온 농도(power of hydrogen)를 뜻한다. 이 수치는 로그값이며, 최소 1에서 최대 14까지의 값을 가진다. pH를 수식으로 나타내면 pH = –log(H + )와 같다. 따라서 수소이온 농도가 리터당 1.0 × 10 –2 몰이면, pH = –log(1.0 × 10 –2 )가 되어서 2가 된다. 증류수 같은 수용액은 pH가 7이며, 이는 중성에 해당된다. pH가 7보다 낮은 용액은 산성, 7보다 높은 용액은 알칼리성을 띤다. 로그값은 용액의 산성 정도를 특정 기준에 비교해 알려준다. 예를들면, pH가 5인 용액은 pH가 6인 용액보다 산성도가 10배 높으며, pH가 8인 용액보다는 1,000배 높다.

    pH 지시약
    수용액의 pH를 측정하는 방법에는 여러가지가 있다. 측정을 위해 리트머스 게이터 발진기 수면 단계 종이나 유리 탐침을 사용할 수 있다.

    리트머스 지시약
    리트머스 지시약은 보통 pH를 표시하는 역할을 하는 지의류에서 추출한 염료로 만들어진다. 지시약이 용액에 닿으면 화학 반응으로 인해 특정 pH 농도를 나타내는 색으로 변한다. 리트머스 지시약은 기본적으로 두 가지 방식으로 사용할 수 있다. 첫 번째는 이미 pH를 알고 있는 기준 색과 완충액을 사용해 테스트 용액에 첨가한 리트머스 지시약의 색을 서로 비교하는 것이다. 또 다른 방법은 지시약을 침투시킨 pH 시험지를 준비해서 이를 테스트 용액에 담근 뒤 나타난 색을 기준 색과 비교하는 것이다. 두 가지 모두 쉽게 해 볼 수 있는 방법이지만, 테스트 용액의 온도나 외부 물질에 따라 오차가 발생하기 쉽다.

    pH 유리 탐침
    pH를 확인하는 데 가장 흔히 사용되는 것은 pH 탐침이다. 탐침은 전극과 기준 전극을 측정하는 유리로 이루어져 있다. 대표적으로 사용되는 유리 탐침은 염화수소(HCl) 용액을 감싸고 있는 얇은 유리막으로 이루어져 있다. 막 안에는 염화은(AgCl)으로 덮인 은 전선이 들어 있는데, 이 전선은 HCl 용액과 연결되는 기준 전극 역할을 한다. 유리막 밖의 수소이온은 유리막을 통과해 확산된 뒤 대부분의 유리에 보통 포함되어 있는 나트륨이온(Na + )을 내보내고, 그 자리를 차지한다. 이러한 양이온은 감지가 힘들며, 대부분이 막을 기준으로 농도가 낮은 쪽의 유리 표면에 흡착된다. Na + 로부터 전하가 과하게 생기면 센서의 출력부에 전위(전압)을 발생시킨다.
    탐침은 배터리와 원리가 비슷하다. 탐침을 용액에 넣으면 측정용 전극에서 용액의 수소이온 활동도(hydrogen activity)에 따라 전압이 생성되는데, 이 전압과 기준 전극의 전위와의 비교가 이루어진다. 용액의 산성도가 높아지면(pH 값이 낮아지면) 유리 전극의 전위가 기준 게이터 발진기 수면 단계 전극보다 양의 방향으로 증가(+mV)하고, 용액의 염기도가 증가하면(pH 값이 높아지면) 유리 전극의 전위가 기준 전극보다 음의 방향으로 증가한다(−mV). 이들 두 전극 사이의 전위차를 측정 전위라고 한다. 일반적인 pH 탐침은 이상적인 조건에서 25°C일 때 59.154mV/pH를 발생시킨다. 이는 보통 아래의 네른스트식(Nernst Equation)으로 나타낼 수 있다.

    E = 산성도를 모르는 수소이온의 전압
    a = ±30mV, 영점 오차
    T = 25°C, 주위 온도
    n = 25°C일 때 1, 원자가(이온전하 수)
    F = 96485C/mol, 패러데이 상수
    R = 8.314J/mol?K, 아보가드로 수
    pH = 모르는 용액의 수소이온 농도
    pHISO = 7, 기준 수소이온 농도

    이 식은 생성된 전압의 크기가 용액의 산성도나 염기도에 좌우되며, 여기에 해당되는 것 중 하나가 수소이온의 농도다. 용액의 온도가 변하면 수소이온의 농도도 변한다. 용액의 온도가 올라가면 수소이온이 더 빨리 움직이며, 그 결과 두 전극 사이의 위상 차가 커진다. 또한, 용액의 온도가 내려가면 수소이온 농도가 낮아져서 위상 차가 감소한다. 이상적인 조건에서 전극은 pH 값이 7인 완충액에 담갔을 때 0V의 전위를 생산하도록 설계된다.
    다음의 표에서는 대표적인 pH 탐침의 사양을 확인할 수 있다.

    표 1. pH 유리 탐침의 기본적인 사양

    측정 범위 pH 0~pH 14
    0V에서 pH pH 7.00 ±0.25
    정확도 20°C~25°C의 온도 범위에서 pH 0.05
    해상도 pH 0.010.1mV
    작동 온도 최대 80°C
    반응 시간 최종 값의 95%에 대해 1초 이하

    pH 탐침은 이 연구에서 중요한 역할을 하는데, 데이터 신뢰도가 센서의 정확도와 안정성에 좌우되기 때문이다. pH 탐침을 선택할 때 고려해야 할 중요한 두 가지 요인은 완충액에서 온도 변화 후의 안정화 시간과 pH 변화 후의 안정화 시간이다. 그 예로 들 수 있는 것이 젠웨이(Jenway)의 애플리케이션 노트인 ‘젠웨이 성능 pH 전극의 평가’ 1 에서 얻은 데이터다. 데이터시트에서는 주어진 테스트 환경에서 온도 변화 후의 안정화를 테스트하여 젠웨이 탐침의 성능을 보여준다. 테스트에서는 20°C, pH 7인 용액과 60°C, pH 4인 완충액을 비교했으며, 각 전극은 200rpm의 속도로 젓고 있는 pH 7의 완충액에서 안정화되도록 두었다. 안정화된 전극은 탈염수로 씻어낸 뒤 pH 4의 완충액 부분 표본으로 옮겨 4분 간 두었다. 그런 다음 전극을 다시 탈염수로 씻어서 pH 7 완충액으로 다시 옮겼다. 그 뒤 10초간 안정된 상태로 유지될 때까지 걸리는 시간을 측정헸다. 테스트는 각 탐침마다 세 번씩 반복했다.

    표 2. 완충액 온도를 바꾸었을 때의 안정화 시간

    범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
    1 77 36
    2 77 33
    3 49 34
    평균 67.6667 34.3333

    표 3. 완충액 pH를 바꾸었을 때의 안정화 시간
    범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
    1 29 21
    2 31 26
    3 38 21
    평균 32.6667 22.6667

    젠웨이의 성능은 범용 pH 탐침과 비교했을 때 위에서 말한 조건에서 반응 시간이 50% 더 빨랐다. 이와 같은 기기를 사용하면 높은 샘플 처리율 덕분에 데이터 분석에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

    센서 아날로그 신호 조정 회로
    적절한 신호 조정 회로를 만들기 위해서는 센서의 등가 전기 다이어그램을 이해하는 것이 중요하다. 앞에서 설명했듯이, pH 탐침은 최소 1MΩ에서 최대 1GΩ에 이를 수 있는 높은 저항을 생성하는 유리로 이루어져 있으며, 그림 1과 같이 pH 전원과 직렬로 연결되어 있을 때 저항의 역할을 한다.

    회로(특히 측정 전극의 유리막)에 사용된 각 부품의 높은 저항을 통과하는 회로의 전류는 그 크기가 아무리 작다고 해도 저항에 상대적으로 높은 전압 강하를 발생시켜, 계측기에서 측정되는 전압의 크기를 크게 줄인다. 설상가상으로 측정 전압에 의해 발생한 전압차가 밀리볼트(mV) 수준으로 아주 작다(이상적인 조건일 경우 실온에서 pH 단위당 59.16mV). 이런 작업에 사용되는 계측기는 감도가 아주 뛰어나고 입력 저항이 매우 높아야 한다.

    아날로그-디지털 변환
    이러한 유형의 애플리케이션의 경우 센서의 반응 시간을 고려하면 데이터 수집을 위한 샘플링율이 문제가 된다. 주어진 센서의 해상도가 0.001V rms이고 ADC 풀스케일 전압 범위가 1V라고 할 때, 효과적인 9.96 비트의 해상도를 얻기 위해 고해상도 ADC를 사용할 필요는 없다. 잡음 없는 해상도는 다음의 식과 같이 비트의 단위로 정의된다. 무잡음 해상도 = log2 [풀스케일 입력 전압 범위/센서의 피크간 전압 출력 잡음]. ADC의 샘플링률은 전력 소비와 직결되어 있기 때문에 저전력 애플리케이션에서는 중요한 요인이 될 수 있다. 따라서 센서의 반응 시간을 고려했을 때, 일반적인 ADC 샘플링률은 최소 처리율로 설정될 수 있다. 부품 수를 줄이기 위해서는 ADC가 통합된 마이크로컨트롤러를 사용할 수도 있다.

    • 동작주파수
    • 최대 거리 범위
    • 데이터율
    • 라이선싱

    최대 거리 범위
    서브-1 GHz 주파수는 높은 전력을 수용할 수 있고 도달 거리가 25km 이상인 장거리 성능을 제공한다. 이러한 주파수는 단순한 점대점이나 스타 토폴로지에서 사용될 경우 효과적으로 벽이나 다른 장애물을 통과할 수 있다.

    데이터율
    데이터율 또한 전송 거리 성능과 트랜시버의 전력 소비에 영향을 미치기 때문에 미리 정해 두어야 한다. 데이터율이 높아지면 전력 소비가 낮으며 단거리 전송에 사용할 수 있고, 데이터율이 낮으면 전력 소비가 높으며 장거리 전송에 사용될 수 있다. 데이터율을 높이면 짧은 시간 동안 일시적인 전류만 사용하기 때문에 전력 소비 성능을 향상시키는 좋은 방법이 될 수 있지만, 이 역시 무선 도달 거리를 단축시킨다.

    트랜시버 소비 전력
    트랜시버의 소비 전력은 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 중요하게 고려해야 할 요건이다. 이는 또한 데이터율과 거리 범위를 결정하기 때문에 여러 무선 애플리케이션에서 고려되어야 하는 요소이다. 트랜시버에는 두 가지 전력 증폭기(PA) 옵션이 제공되므로 다양하게 활용할 수 있다. 싱글 엔드 PA는 최대 13dBm의 RF 전력을 출력하며, 차동 PA는 최대 10dBm의 전력을 출력할 수 있다. 설명을 위해 표 4에서 일부 PA의 출력 전력 vs. 트랜시버 IDD의 전류 소비를 간단히 정리했다. 완성도를 높이기 위해, 수신 모드일 때의 전류 소비도 표시했다.

    마이크로컨트롤러
    그림 2에서 보는 것처럼 RF 시스템의 핵심은 프로세서 유닛, 다시 말해 마이크로컨트롤러(MCU)다. 마이크로컨트롤러는 데이터를 처리하고, RF 전송을 위한 트랜시버와 센서 측정을 위한 pH 레퍼런스 설계(RD) 보드에 접속된 소프트웨어 스택을 실행시킨다.

    • 주변장치
    • 메모리
    • 처리 능력
    • 소비 전력

    메모리
    마이크로컨트롤러는 프로토콜 처리와 센서 접속이 일어나는 곳이므로 충분한 양의 메모리가 필요하다. 플래시와 RAM 메모리는 모두 마이크로컨트롤러에서 아주 중요한 부품이다. 해당 시스템에서는 메모리 공간이 부족하지 않도록 128kB의 메모리가 사용되었다. 이 정도의 메모리가 있으면 애플리케이션과 소프트웨어 알고리즘이 매끄럽게 실행될 수 있으며, 이후 시스템을 업그레이드하거나 기능을 추가할 수 있는 공간의 여유가 있기 때문에, 이로 인해 이후에 시스템에 문제가 발생하는 일을 막을 수 있다.

    아키텍처와 처리 능력
    마이크로프로세서는 복잡한 계산과 처리가 가능할 정도의 속도를 갖추어야 한다. 해당 시스템은 32비트 마이크로컨트롤러를 사용한다. 비트 수가 낮은 프로세서로 성능이 충분할 수도 있지만, 이 시스템은 향후 애플리케이션과 알고리즘 사양이 높아질 것을 대비하여 32비트를 사용하기로 한다.

    마이크로프로세서의 소비 전력
    마이크로컨트롤러의 소비 전력은 매우 낮아야 한다. 배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 A/S 없이도 여러 해 동안 작동할 수 있어야 하기 대문에 전력은 이러한 애플리케이션에서 중요한 문제다.

    기타 시스템 고려사항
    오류 검사
    통신 프로세서는 송신 모드의 페이로드에 CRC를 추가한 뒤 수신 모드에서 CRC를 검출한다. 16비트 CRC가 추가된 페이로드 데이터는 맨체스터(Manchester) 방식을 사용해서 인코딩/디코딩할 수 있다.

    비용
    시스템은 최소의 부품 개수와 보드 크기에서도 작동되어야 한다. 비용이 중요한 요건 중 하나가 될 때 흔히 부품 개수와 보드 크기가 비용을 좌우하기 때문이다. 개별 부품을 사용하는 대신 MCU와 무선 장치로 구성된 통합 솔루션을 사용할지 여부를 반드시 고려해 보아야 한다. 통합 솔루션을 사용하면 설계 시 무선과 MCU의 상호 연결로 인한 어려움을 겪을 필요하지 않아 더 단순한 보드 설계, 수월한 설계 과정이 가능해지며, 결합용 전선의 길이도 짧아져서 간섭으로 인한 취약성이 줄어든다. ARM® Cortex® M 기반 MCU와 무선 트랜시버를 결합한 단일 칩들을 사용하면 보드 부품 수와 전체 비용이 줄어들고 보드 레이아웃이 단순해진다.

    보정
    높은 정확성을 달성하기 위한 열쇠 중 하나는 보정 루틴을 실행시키는 것이다. 네른스트식에서 설명한 pH 용액의 특징은 온도에 따라 pH가 크게 달라진다는 것이다. 센서 탐침은 모든 온도 수준에서 같다고 간주되는 일정한 오프셋 값을 줄 뿐이다. 온도에 따라 값이 크게 달라지기 때문에 용액 온도를 측정하는 센서가 이 시스템에 필요하다.

    • 1단계: 첫 번째 완충액으로부터 빼 낸 전극 장치를 탈염수나 증류수로 씻어낸 뒤 온도 센서가 부착된 해당 pH 탐침을 두 번째 완충액에 담근다.
    • 2단계: 1단계를 반복하되, 두 번째 완충액이 아닌 세 번째 완충액을 사용한다.
    • 3단계: 선택한 완충액을 사용해 측정한 값으로부터 식을 구한다.


    근사값의 최소제곱법은 2차 비선형 게이터 발진기 수면 단계 방정식 등 더 높은 수준으로 확장될 수 있다. 2차 일반방정식은 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2의 형태로 표현된다. a, b, c의 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.


    이러한 방정식 체계는 치환, 소거, 또는 매트릭스법을 통해 주어진 미지수 a, b, c의 게이터 발진기 수면 단계 값을 구하는 데 사용될 수 있다.

    하드웨어 설계 솔루션
    버퍼 증폭기
    주어진 조건에서, 이러한 높은 소스 저항으로부터 회로를 절연하기 위해 고임피던스 입력과 초저입력 바이어스 전류를 지원하는 버퍼 증폭기가 필요하다. AD8603 저잡음 연산 증폭기는 이러한 애플리케이션에서 버퍼 증폭기로 사용될 수 있다. AD8603의 낮은 입력 전류는 전극 저항을 통과해 흐르는 바이어스 저항으로 인해 발생하는 전압 오차를 최소화해 준다. 입력 전류가 200fA(typ)일 때, 25°C에서 1GΩ의 직렬 저항을 가지는 pH 탐침에 대해 오프셋 오차는 0.2mV(0.0037pH)가 된다. 1pA의 최소 입력 바이어스 전류일 때에도 오차는 1mV에 불과하다. 필요하지 않더라도, 보호, 차폐, 고절연 저항 스탠드오프 및 기타 표준 피코암페어 방식을 사용해서 선택한 버퍼의 고임피던스 입력에서의 누설을 최소화할 수 있다.

    아나로그-디지털 변환기
    저전력 ADC는 이러한 애플리케이션에 가장 알맞은 변환기일 수 있다. 이를 구현하는 데에는 AD7792와 정밀 측정 애플리케이션 용 16비트 Σ-Δ ADC가 필요하다. 저전력 ADC은 저잡음 3채널 입력이 가능하다. 잡음 수준은 업데이트율이 4.17Hz일 때 40nV rms에 불과하다. 2.7V~5.25V의 전원 장치로 구동되며 소비 전류는 400μA(typ)이다. 16리드 TSSOP 패키지로 제공된다. 추가 기능으로 내부 대역 갭 래퍼런스, 4ppm/°C 드리프트(typ), 1μA의 최대 대기 모드 소비 전력, 내부 클록 발진기가 제공되어 부품 개수와 게이터 발진기 수면 단계 PCB 공간을 절약할 수 있다.

    • 280nA: 대기 모드, 수면 상태
    • 1.9μA: 대기 모드, 프로세서 메모리와 RF 트랜시버 메모리 유지
    • 210μA/MHz: Cortex-M3 프로세서 작동 모드
    • 12.8mA: RF 트랜시버 수신 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드
    • 9mA~32mA: RF 트랜시버 전송 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드

    결론
    이 글에서는 pH 무선 센서 모니터링 장치를 설계할 때 발생하는 여러 어려움과 그 해결책을 제시했다. ADI의 데이터 수집 제품이 상기 명시한 것과 같은 pH 측정 시 발생하는 여러 문제들을 해결하는 데 사용될 수 있다는 점은 이미 잘 알려져 있다. AD8603 연산 증폭기나 이와 동급의 높은 입력 임피던스를 지원하는 ADI 증폭기는 센서의 높은 출력 임피던스를 처리하고 그로 인해 시스템 부하를 방지할 충분한 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다. ADuCRF101 데이터 수집 시스템 IC는 RF 데이터 전송을 위한 완벽한 해결책을 제공할 수 있다. 데이터 수집의 정확성은 정밀 증폭기와 ADC를 사용해서 하드웨어적으로 구현할 수도 있지만, 여러 곡선 맞춤 방식 같은 일반 방정식을 구하는 수학적 통계를 사용하여 보정함으로써 소프트웨어적으로 구현할 수도 있다.

    게이터 발진기 수면 단계

    동영상 시작

    우리나라 첫 우주발사체인 '나로호(KSLV-I)'가 우주로 향하는 목적은 우리 기술로 만든 '나로과학위성'을 궤도에 올려놓기 위해서다.

    나로과학위성은 KAIST 인공위성연구센터(SaTReC), 한국항공우주연구원, i3시스 템, 한국항공대학교가 지난해 2월부터 개발한 100㎏급 가로 1m, 세로 1m, 높이 1 .5m의 소형위성이다.

    KAIST 인공위성연구센터는 1, 2차 나로호 발사체에 탑재했던 쌍둥이 위성인 과학기술위성 2호의 기술을 바탕으로 순수 국내기술을 이용해 이 위성을 개발했다.

    과학기술위성 2호는 지구온난화와 기후변화 자료 수집이 목적이었지만 나로과학위성은 우주방사선량을 측정하고 국산화기술의 우주검증을 하는 것이 목적이다. 개발비는 과학기술위성은 136억5천만원, 나로과학위성은 20억원 수준이다.

    나로과학위성은 나로호 발사가 성공하게 되면 앞으로 1년간 가깝게는 300㎞, 멀게는 1천500㎞의 고도로 타원궤도를 그리며 과학임무를 수행하게 된다.

    나로과학위성의 목적은 크게 ▲위성의 궤도 진입 검증 ▲과학 관측 임무 ▲선행 우주기술 시험 등 3가지로, 매일 지구 둘레를 14바퀴 돌면서 우주 방사선과 이온층을 게이터 발진기 수면 단계 측정하고 반작용휠, 펨토초레이저, 영상센서 등 국산화 부품을 우주 검증한다.

    이 위성에는 레이저 반사경, 우주이온층 관측센서, 펨토초 레이저 발진기, 반작용 휠, 적외선 센서, 우주방사선량 측정센서 등 6개 탑재체가 실려있다.

    펨토초 레이저발진기는 광섬유를 이용해 펨토초(1천조 분의 1초) 단위의 정밀거리 측정에 관한 기반기술을 우주에서 검증하는 기술이다.

    레이저 반사경은 위성의 정밀거리 측정 및 정밀궤도 결정 등 우주에서의 거리측정에 사용된다. 이 장비는 지상국과 위성 간 거리를 ㎜ 단위로 측정할 수 있다.

    또한 3축 자세제어를 위한 반작용 휠을 처음으로 탑재했고 국내에서 제작한 태양전지판도 싣는다.

    궤도에 투입된 위성은 발사 후 12시간 이후에 KAIST 인공위성연구센터 지상국과 교신하며 향후 게이터 발진기 수면 단계 1년간 다양한 우주 정보를 전달하게 된다.

    • 나로과학위성은?
      • 입력 2012-10-24 07:09:11

      우리나라 첫 우주발사체인 '나로호(KSLV-I)'가 우주로 향하는 목적은 우리 기술로 만든 '나로과학위성'을 궤도에 올려놓기 위해서다.

      나로과학위성은 KAIST 인공위성연구센터(SaTReC), 한국항공우주연구원, i3시스 템, 한국항공대학교가 지난해 2월부터 개발한 100㎏급 가로 1m, 세로 1m, 높이 1 .5m의 소형위성이다.

      KAIST 인공위성연구센터는 1, 2차 나로호 발사체에 탑재했던 쌍둥이 위성인 과학기술위성 2호의 기술을 바탕으로 순수 국내기술을 이용해 이 위성을 개발했다.

      과학기술위성 2호는 지구온난화와 기후변화 자료 수집이 목적이었지만 나로과학위성은 우주방사선량을 측정하고 국산화기술의 우주검증을 하는 것이 목적이다. 개발비는 과학기술위성은 136억5천만원, 나로과학위성은 20억원 수준이다.

      나로과학위성은 나로호 발사가 성공하게 되면 앞으로 1년간 가깝게는 300㎞, 멀게는 1천500㎞의 고도로 타원궤도를 그리며 과학임무를 수행하게 된다.

      나로과학위성의 목적은 크게 ▲위성의 궤도 진입 검증 ▲과학 관측 임무 ▲선행 우주기술 시험 등 3가지로, 매일 지구 둘레를 14바퀴 돌면서 우주 방사선과 이온층을 측정하고 반작용휠, 펨토초레이저, 영상센서 등 국산화 부품을 우주 검증한다.

      이 위성에는 레이저 반사경, 우주이온층 관측센서, 펨토초 레이저 발진기, 반작용 휠, 적외선 센서, 우주방사선량 측정센서 등 6개 탑재체가 실려있다.

      펨토초 레이저발진기는 광섬유를 이용해 펨토초(1천조 분의 1초) 단위의 정밀거리 측정에 관한 기반기술을 우주에서 검증하는 기술이다.

      레이저 반사경은 위성의 정밀거리 측정 및 정밀궤도 결정 등 우주에서의 거리측정에 사용된다. 이 장비는 지상국과 위성 간 거리를 ㎜ 단위로 측정할 수 있다.

      또한 3축 자세제어를 위한 반작용 휠을 처음으로 탑재했고 국내에서 제작한 태양전지판도 싣는다.

      궤도에 투입된 위성은 발사 후 12시간 이후에 KAIST 인공위성연구센터 지상국과 교신하며 향후 1년간 다양한 우주 정보를 전달하게 된다.


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