KR101011952B1 - 토양 전기전도도 측정기 및 이를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법 - Google Patents

토양 전기전도도 측정기 및 이를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토양내에 깊이별로 삽입되는 복수개의 센서 전극부 및 절연 관입부, 그리고 온도센서 등을 하나로 조합시켜서, 염류가 집적된 시설 재배지 토양내의 깊이별 전기전도도를 간단한 과정으로 신속 정확하게 측정할 수 있도록 한 토양 전기전도도 측정기 및; 토양 깊이별로 관입된 각 센서 전극부에서 토양 표면과의 접촉 임피던스를 제거하는 과정을 통해 전기전도도를 측정하는 과정과, 각 센서 전극부의 출력 임피던스 신호를 처리하여 얻은 전기전도도 측정값을 온도 및 토양수분에 대하여 보정하는 과정 등을 통해, 토양 전기전도도 측정값에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법을 제공하고자 한 것이다.
토양, 전기전도도, 온도, 수분, 시설 재배지, 작물, 염류, 깊이별, 임피던스, 전극센서,

Description

토양 전기전도도 측정기 및 이를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법{Soil electric conductivity measuring instrument and method for measuring soil electric conductivity using the same}
본 발명은 토양 전기전도도 측정기 및 이를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 센서 전극부와 절연 관입부로 구성하여 염류가 집적된 시설 재배지 토양의 깊이별로 전기전도도를 간단한 과정으로 신속 정확하게 측정할 수 있도록 한 토양 전기전도도 측정기 및 이를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법에 관한 것이다.
현재 각종 과일 및 야채 등과 같은 작물을 재배하기 위한 시설하우스 면적은 약 5만 ha에 달하고 있는데, 이들 시설하우스에서의 토양 염류집적에 의한 작물 피해가 늘어나고 있는 추세에 있다.
염류집적에 의한 작물 피해의 원인은 시설 토양에서는 비료성분의 용탈이 적고 동시에 작물에 흡수되고 남은 비료에 의한 각종 염류집적이 발생하는데 있다.
친환경 농업이 점차 확대되어 가는 추세에 따라, 토양에 발생된 염류집적을 해소할 수 있는 초석으로서 효과적인 토양 및 시비 관리가 무엇보다 중요하며, 이를 위해 토양내의 전기전도도 측정을 하여 염류집적의 정도를 파악하는 것이 선행되어야 한다.
이러한 점을 감안한 종래기술로서, 첨부한 도 10에 도시된 바와 같이 별개로 분리된 4개의 전극을 토양 깊이별이 아닌 거의 동일 깊이내에 소정 간격으로 삽입한 후, 양끝에 배치된 2개의 전극에 전류를 흘려보내고, 중간에 배치된 2개의 전극간의 전압을 측정하는 과정을 통해, 토양내 전기전도도를 측정하였지만, 함수율이 낮은 토양에서는 그 측정 정도가 낮아 정확한 데이터로 활용하는데 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 토양내에 깊이별로 삽입되는 복수개의 센서 전극부 및 절연 관입부, 그리고 온도센서 등을 하나로 조합시켜서, 염류가 집적된 시설 재배지 토양내의 깊이별 전기전도도를 간단한 과정으로 신속 정확하게 측정할 수 있도록 한 토양 전기전도도 측정기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 토양 깊이별로 관입된 각 센서 전극부에서 토양 표면과의 접촉 임피던스를 제거하는 과정을 통해 전기전도도를 측정하는 과정과, 각 센서 전극부의 출력 임피던스 신호를 처리하여 얻은 전기전도도 측정값을 온도 및 토 양수분에 대하여 보정하는 과정 등을 통해, 토양 전기전도도 측정값에 대한 정밀도를 향상시킬 수 있도록 한 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전체 골격 역할을 하면서 측정자가 손으로 쥘 수 있는 부분이 되는 소정 길이의 본체와; 상기 본체의 하단끝에 등간격을 이루며 일체로 조립되는 복수개의 전극센서와; 상기 각 전극센서 사이를 등간격으로 나누어주면서 절연을 위해 일체로 조립되는 절연관입체와; 상기 가장 하단끝에 배치되는 전극센서의 아래쪽에 일체로 형성되어 토양내에 최초 삽입되는 부분이 되는 절연헤드체; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기를 제공한다.
바람직한 일 구현예로서, 상기 절연헤드체의 내부에는 토양내 온도를 검출할 수 있는 온도센서가 장착된 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 각 전극센서와 온도센서에는 신호 전달용 도선이 연결되고, 각 도선들은 결선된 상태로 상기 본체의 상단부를 통해 외부로 연장되며, 외부로 연장된 도선의 끝단에는 임피던스 및 전기전도도 측정기기와의 연결을 위한 커넥터가 장착된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시설재배지의 토양내에 복수개의 전극센서를 깊이별로 삽입 배치시키는 단계와; 토양의 깊이별로 삽입된 각 전극센서 의 검출신호로부터 전기전도도를 측정하되, 각 전극센서간의 임피던스 검출값을 기반으로 토양 표면과의 접촉 저항을 포함하지 않는 임피던스를 구하여 전기전도도를 측정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 전극센서의 출력 임피던스 신호를 처리하여 얻은 전기전도도 측정값을 토양의 온도 및 토양의 함수량에 대하여 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 토양 전기전도도(EC: Electric Conductivity) 측정기는 염류가 집적된 토양의 전기전도도를 깊이별로 간단하게 측정하여, 효과적인 토양 및 시비관리를 할 수 있고, 친환경 고품질 농산물 생산에 기여할 수 있다.
특히, 토양 표면과의 접촉 임피던스를 제거하기 위한 복수개의 전극을 이용하여 토양 전기전도도를 측정하되, 측정된 전기전도도 값을 온도 및 토양수분에 대하여 보정하여 줌으로써, 토양 전기전도도의 측정에 대한 정밀도를 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기의 외관을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기(10)의 외관은 길다란 중공형 탐침봉과 같은 형상으로서 전체 골격 역할을 하면서 측정자가 손으로 쥘 수 있는 부분이 되는 소정 길이의 본체(12)와, 이 본체(12)의 하단끝에 등간격을 이루며 일체로 조립되는 복수개의 전극센서(14)와, 각 전극센서(14) 사이를 등간격으로 나누어주면서 절연을 위해 일체로 조립되는 절연관입체(16)를 포함하여 구성된다.
특히, 상기 가장 하단끝에 배치되는 전극센서(14)의 아래쪽에 토양내에 최초 삽입되는 부분이면서 용이한 삽입을 위하여 뾰족하게 가공된 절연헤드체(18)가 일체로 형성된다.
또한, 상기 절연헤드체(18)의 내부에는 토양내 온도를 검출할 수 있는 온도센서(20)가 장착된다.
상기 각 전극센서(14)와 온도센서(20)에는 신호 전달용 도선(24)이 연결되는 바, 각 도선(24)들은 결선된 상태로 상기 본체(12)의 내부를 내재되고, 결선된 상태의 도선(24)은 상기 본체(12)의 상단부를 통해 외부로 연장되며, 외부로 연장된 도선(24)의 끝단에는 신호 전달을 위한 커넥터(26)가 장착된다.
이때, 상기 커넥터(26)는 임피던스 및 전기전도도 측정기기에 연결된다.
한편, 상기 전극센서(14)의 갯수는 시설재배지 재배될 작물에 따라 토양의 사용 깊이가 다르므로, 적어도 4개 이상을 배열시키는 것이 바람직하고, 또한 토양 표면에서 각 전극센서의 5cm 관입 단계별로 토양의 50cm 깊이까지 깊이별 전기전도도를 측정할 수 있다.
여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법을 설명하되, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 4개의 전극센서가 장착된 것으로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 토양 전기전도도 측정기(10)를 측정하고자 하는 시설재배지의 토양내에 삽입시키면, 제1,2,3,4전극센서(14a,14b,14c,14d)가 토양내 깊이별로 배치되는 상태가 된다.
즉, 가장 하단에 온도센서(20)를 갖는 절연헤드체(18)가 위치하고, 이 절연헤드체(18)로부터 그 위쪽으로 제1전극센서(14a), 제2전극센서(14b), 제3전극센서(14c), 제4전극센서(14d)가 절연관입체(16)를 사이에 두고 차례로 위치하게 된다.
이와 같은 4개의 전극센서(14a,14b,14c,14d)가 토양내에 배치된 상태에서, 각 전극센서의 검출값들이 커넥터(26)를 통해 임피던스 및 전기전도도 측정기기로 전송되어 계산되되, 토양 표면과의 접촉 임피던스가 제거된 상태로 측정되어 측정 정밀도를 높일 수 있다.
보다 상세하게는, 계산되는 임피던스 측정치 즉, 4개의 전극센서중 서로 매칭 가능한 2개 전극센서간의 임피던스 측정치(도 3에 지시된 R1,R2,R3,R4,R5,R6)는 각 전극센서 및 토양간의 임피던스(μa,μb,μc,μd)와 토양 임피던스(r1,r2,r3,r4,r5,r6)를 합한 값이 된다.
다시 말해서, 토양 임피던스를 r1,r2,r3,r4,r5,r6 라 하고, 각 전극센서와 토양간의 임피던스를 μa,μb,μc,μd 라고 하면, 상기 임피던스 측정치는 R1,R2,R3,R4,R5,R6는 아래의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
R1 = μa + r1 + μb
R2 = μa + r2 + μc
R3 = μa + r3 + μd
R4 = μb + r4 + μc
R5 = μb + r5 + μd
R6 = μc + r6 + μd
R1 + R6 = μa + r1 + μb + μc + r6 + μd = r1 + r6 + μa + μb + μc + μd
R2 + R5 = μa + r2 + μc + μb + r5 + μd = r2 + r5 + μa + μb + μc + μd
R3 + R4 = μa + r3 + μd + μb + r4 + μc = r3 + r4 + μa + μb + μc + μd
이와 같은 수학식으로부터, 접촉 임피던스를 포함하지 않는 임피던스(Rbc)는 아래의 식과 같이 표현될 수 있다.
Rbc [Ω] = (R2 + R5) - (R1 + R6) = (r2 + r5) - (r1 + r6)
Rbc [Ω] = (R3 + R4) - (R1 + R6) = (r2 + r4) - (r1 + r6)
여기서, 접촉 임피던스에 관여하는 항목이 작은 (R3 + R4) - (R1 + R6)는 부적절하므로, 접촉 임피던스를 포함하지 않는 임피던스(Ri)는 아래식과 같이 표현될 수 있다.
Ri [Ω] = (R3 + R5) - (R1 + R6) -------- (1)
이렇게 토양 표면과의 접촉 저항을 포함하지 않는 임피던스는 위의 식(1)으로부터 구해지게 되고, 최종적으로 전기전도도는 교류의 경우 Ω으로 표시하는 임피던스의 역수가 된다.
이와 같은 전기전도도를 측정하였으나, 토양의 온도변화에 따라 측정값에 오차가 발생할 수 있으므로, 전기전도도 측정값을 토양온도에 대하여 보정하는 과정이 더 진행된다.
전기전도도 측정값(EC)에 대한 온도 보정을 위하여, 상기 절연헤드체(18)의 내부에 장착된 온도센서(20)에서 토양의 온도를 검출하여, 그 신호를 임피던스 및 전기전도도 측정기기쪽으로 전송하게 되면, 온도 보정을 위한 연산이 이루어지게 된다.
즉, 온도보정 전 전기전도도 측정값(EC)에 대하여 토양온도 보정은 아래의 식(2)에 의하여 이루어진다.
EC25 = EC / {1 + 0.002(t - 25)} -------- (2)
위의 식(2)는 통상의 온도보정식을 실험을 통한 검증한 식이며, EC는 통상 25℃를 기준으로 하므로, EC25는 토양 온도 25℃를 보정한 전기전도도값이고, EC는 온도 보정전 전기전도도 측정값이며, t는 토양의 온도이다.
이렇게 식(2)를 통해 전기전도도 측정값(EC)에 대한 토양온도 보정이 이루어짐으로써, 온도 보정 전에 토양 온도 변화에 따른 전기전도도 측정값의 차이가 첨부한 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이 발생하였지만, 온도 보정후에는 첨부한 도 5의 그래프에서 보는 바와 같이 토양 온도 변화에 따른 전기전도도 측정값의 차이가 제거됨을 알 수 있다.
이와 같이, 염류가 집적된 시설 재배지 토양의 전기전도도를 깊이별로 측정한 후, 토양 온도로 보정해줌으로써, 보다 정확한 토양 전기전도도를 측정할 수 있다.
여기서, 전기전도도 측정값에 대한 토양의 수분 즉, 함수율 보정을 하면 보다 정확한 토양 전기전도도를 측정할 수 있는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
전기전도도 측정값에 대한 수분 보정을 위하여 일정 전기전도도 값을 가지고 있는 토양에 대하여 함수율을 변화시켜 가면서 본 발명의 전극센서에 의한 전기전도도(EC본발명)와 기존의 상용센서에 의한 전기전도도(EC상용)를 측정한 결과, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이 염분(NaCl) 농도 변환에 따른 전기전도도가 변화됨을 알 수 있었다.
이때, EC상용은 EC 1:5로서, 국립농업과학원에서 제공하는 토양분석법(표준분석법)에 의하여 측정한 측정값을 말한다.
도 8에서 알 수 있듯이, 토양함수율이 10% 이하인 경우, 본 발명의 전극센서와 기존의 상용센서와의 관계에서 아래의 식(3)을 얻을 수 있다.
EC상용 = 1920.14 * EC본발명 - 2.16 ------- (3)
토양함수율이 10~20% 사이인 경우, 본 발명의 전극센서와 기존의 상용센서와의 관계에서 아래의 식(4)를 얻을 수 있다.
EC상용 = 112.0 * EC본발명 + 0.11 ------- (4)
위의 식(3) 및 식(4)를 이용하여, 수분 보정을 한 결과 첨부한 도 8과 같은 결과를 얻을 수 있었고, 도 8에서 보는 바와 같이 함수율 10% 이하에서는 상관계수 0.99, 함수율 10~20%에서는 상관계수 0.93을 얻을 수 있었다.
좀 더 상세하게는, 토양 EC는 현재 토양분석법(표준분석법)에 의존하고 있는 바, 도 8에서 알 수 있듯이 EC 1:5를 측정값 기준으로 하여 각각의 EC본발명의 측정값과의 관계에서 식(3)과 식(4)를 도출할 수 있고, 일반적으로 함수율이 높으면 EC측정값이 나타나므로, 토양수분에 의해 EC값이 높은지, 염류집적이 발생하여 높은지는 판단할 수 있다.
즉, 첨부한 도 7에서 알 수 있듯이, 같은 염류 농도를 갖는 토양이지만 함수율이 높으면 다른 EC값을 얻는 것을 알 수 있고, 그러므로 위의 식(3) 및 식(4)를 이용하여 EC값을 보정할 수 있다.
전기전도도 측정 시험예
참외 시설재배지 4곳에 본 발명의 전극센서를 관입시킨 후, 토양의 전기전도도를 측정하였으며, 동일한 지점에 대해서 비교대상인 기존의 상용센서를 이용하여 토양의 전기전도도를 측정하였다.
측정 후, 토양의 샘플을 채취하여 실험실내에서 토양의 전기전도도를 표준분석법(EC1:5)로 측정하였는 바, 그 결과는 도 9의 그래프에 나타낸 바와 같다.
본 발명의 전극센서에 의한 전기전도도 측정값을 온도 및 수분보정을 한 후의 전기전도도값과, 비교대상인 기존의 상용센서(DIK-695A)에 의한 전기전도도 측정값을 상기 실험실 수준에서 토양 전기전도도 표준분석법(EC1:5)으로 측정한 전기전도도값과 비교하여 상호간의 관계를 파악하였다.
그 결과, 본 발명의 전극센서에 의한 전기전도도 측정값과, 토양 전기전도도 표준분석법(EC1:5)으로 측정한 전기전도도값간의 상관계수가 0.9429로 높은 상관관계를 나타내어, 토양 전기전도도를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있었고, 반면에 기존의 상용센서의 측정값과, 토양 전기전도도 표준분석법(EC1:5)으로 측정한 전기전도도값간의 상관계수는 0.2284로서 서로간의 상관관계가 낮음을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명의 토양 전기전도도 측정기는 염류가 집적된 토양의 전기전도도를 깊이별로 간단하게 측정하여 효과적인 토양 및 시비관리를 할 수 있고, 측정된 전기전도도 값을 온도 및 토양수분에 대하여 보정하여 줌으로써, 토양 전기 전도도의 측정에 대한 정밀도를 크게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기의 외관을 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기를 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 토양 전기전도도 측정기를 토양내에 관입시킨 상태로서, 토양표면과의 접촉저항을 제거하기 위한 각 전극 센서의 토양 깊이별 배치 관계를 설명하는 단면도,
도 4는 도 3의 토양 깊이별 관입된 전극센서의 온도 보정 전 전기전도도 측정값을 나타내는 그래프,
도 5는 도 3의 토양 깊이별 관입된 전극센서의 온도 보정 후 전기전도도 측정값을 나타내는 그래프,
도 6은 토양의 함수율 및 염분 농도의 변화에 따른 본 발명의 토양 전기전도도 측정기와 종래의 상용 측정기에서 측정되는 전기전도도를 비교하여 나타낸 그래프,
도 7은 같은 염류 농도를 갖는 토양이지만 함수율이 높으면 다른 EC값을 얻는 것을 보여주는 그래프,
도 8은 토양 함수율 변화에 따른 본 발명의 토양 전기전도도 측정기와 종래의 상용 측정기간의 관계를 비교 설명하는 그래프,
도 9는 본 발명의 토양 전기전도도 측정기와 종래의 상용 측정기를 이용하여 실제 작물 재배지의 토양 전기전도도를 측정한 결과를 나타내는 그래프,
도 10은 종래의 토양 전기전도도 측정 방법을 설명하는 개념도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 토양 전기전도도 측정기 12 : 본체
14 : 전극센서 14a : 제1전극센서
14b : 제2전극센서 14c : 제3전극센서
14d : 제4전극센서 16 : 절연관입체
18 : 절연헤드체 20 : 온도센서
24 : 신호 전달용 도선 26 : 커넥터

Claims (6)

  1. 전체 골격 역할을 하면서 측정자가 손으로 쥘 수 있는 부분이 되는 소정 길이의 본체와;
    상기 본체의 하단끝에 등간격을 이루며 일체로 조립되는 복수개의 전극센서와;
    상기 각 전극센서 사이를 등간격으로 나누어주면서 절연을 위해 일체로 조립되는 절연관입체와;
    상기 본체의 가장 하단끝에 배치되는 전극센서의 아래쪽에 일체로 형성되어 토양내에 최초 삽입되는 부분이 되는 절연헤드체;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 절연헤드체의 내부에는 토양내 온도를 검출할 수 있는 온도센서가 장착된 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 각 전극센서와 온도센서에는 신호 전달용 도선이 연결되고, 각 도선들은 결선된 상태로 상기 본체의 상단부를 통해 외부로 연장되며, 외부로 연장된 도선의 끝단에는 임피던스 및 전기전도도 측정기 기와의 연결을 위한 커넥터가 장착된 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기.
  4. 시설재배지의 토양내에 복수개의 전극센서를 깊이별로 삽입 배치시키는 단계와;
    토양의 깊이별로 삽입된 각 전극센서의 검출신호로부터 전기전도도를 측정하되, 각 전극센서간의 임피던스 검출값을 기반으로 토양 표면과의 접촉 저항을 포함하지 않는 임피던스를 구하여 전기전도도를 측정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극센서가 4개인 경우, 전기전도도를 측정하는 단계는:
    4개의 전극센서중 서로 매칭 가능한 2개 전극센서간의 임피던스 측정치(R1,R2,R3,R4,R5,R6)가 각 전극센서 및 토양간의 임피던스(μa,μb,μc,μd)와 토양 임피던스(r1,r2,r3,r4,r5,r6)를 합한 값으로 구해지는 과정과;
    토양과의 접촉 임피던스를 포함하지 않는 임피던스(Rbc)를 아래의 (a) 및 (b)식과 같이 도출하는 과정과;
    Rbc [Ω] = (R2 + R5) - (R1 + R6) = (r2 + r5) - (r1 + r6) --- (a)
    Rbc [Ω] = (R3 + R4) - (R1 + R6) = (r2 + r4) - (r1 + r6) --- (b)
    여기서, 접촉 임피던스에 관여하는 항목이 작은 위의 식(b)는 부적절하므로, 접촉 임피던스를 포함하지 않는 임피던스(Ri)를 아래의 (c)식과 같이 얻는 과정과;
    Ri [Ω] = (R3 + R5) - (R1 + R6) ---- (c)
    토양 표면과의 접촉 저항을 포함하지 않는 임피던스를 위의 식(c)으로부터 구하고, 전기전도도는 교류의 경우 Ω으로 표시하는 임피던스의 역수로 구해지는 과정;
    으로 진행되는 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 전극센서의 출력 임피던스 신호를 처리하여 얻은 전기전도도 측정값을 토양의 온도 및 토양의 함수량에 대하여 보정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양 전기전도도 측정기를 이용한 토양 전기전도도 측정 방법.
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