KR101767338B1 - 토양 수분 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마주보는 두 개의 측정로드;와 측정로드;의 일단이 각각 측정부;로 연결되며, ' C’자 형의 형상으로 구성되어서, 두 개의 측정로드; 사이의 토양수분을 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 형태가 일정한 원형(‘O’형 혹은 ‘C’형) 등의 프레임에 결합되어 토양 내에 수평으로 매설하거나, 화분의 외면 둘레에 설치되어서 화분 안의 토양수분을 측정하여 ,토양 내 수분의 상하 이동에 장애를 주지 않으면서 넓은 영역의 수분을, 측정하기 원하는 깊이에 따라서 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다. 특히 화분의 외면에 설치 될 경우 화분을 투과하는 측정용 고주파에 의하여 식물의 생장에 장애를 주지 않으면서 뿌리의 성장에 따른 깊이별 수분 측정을 하는 토양 수분 측정 장치이다.

Description

토양 수분 측정 장치 {Apparatus for Soil Moisture Measuring}

본 발명은 전도성 측정로드부;와 그 사이에 위치하는 토양의 수분을 측정하기 위한 것으로, 토양 수분의 유전율 특징과 수분 측정용 전자기파 및 전기력선을 이용한 토양 수분 측정 장치에 관한 것이다.

식물은 생육에 가장 중요한 요소인 물을 외부로부터 적절히 공급받지 않으면 살 수가 없다. 이러한 이유로 토양의 수분을 적절히 유지시켜주기 위하여 시설원예재배 등의 분야에서 수분 측정 장치를 사용하고 있는데, 거의 모든 토양수분장치는 토양에 세로로 삽입하여 사용하며, 삽입이 용이하도록 얇고 뾰족한 형상으로 만들어져 있는 측정용 탐침을 토양에 꽂아두어서 오랜 시간 동안 연속적으로 측정하여 관수량을 제어하고 수분 변화를 관측하거나, 휴대용 지시기 등과 결합 되어 이동하면서 여러 곳의 토양 수분을 측정하여 식물의 생육환경을 관찰한다.

토양의 수분을 측정하는 기술은 전압을 인가하여 수분의 양과 반비례하는 저항을 측정하는 전기저항식, 토양이 물을 끌어당기는 힘(부(-)압력)으로 측정하는 텐쇼메터식, 토양에 전자기파를 방사하여 진폭(ADR), 시간(TDR), 주파수(FDR) 등을 관찰하여 측정하는 고주파측정식, 정전용량식, 방사성 동위원소를 이용한 중성자산란을 이용한 방식 등으로 나누어진다.

토양의 수분은 토양입자에 붙어있는 흡착수와 중력에 의하여 아래로 이동하는 중력수, 토양입자사이에 존재하는 모관수로 구성되며, 수분 상태 및 토양의 종류에 따라 그 비율이 다르다. 따라서 토양의 종류에 따라서, 수분 함량이 높다 하여도 식물이 이용할 수 있는 물의 양은 적을 수 있다. 이러한 현상을 토양이 물을 보유하려고 물을 당기어 붙잡는 힘으로 이해할 수 있으며, 텐쇼메터식은 식물이 뿌리로 흡수하여 이용할 수 있는 유효수의 정도를 측정한다는 점에서 유용하지만, 측정 시 반응이 늦고, 측정기에 물을 주기적으로 보충해 주어야 하며, 측정 범위가 작다는 단점이 있다.

전기저항식은 토양에 삽입한 전극에 전압을 인가하므로 토양수분에 녹아있는 이온들이 전극판에 흡착하여 측정감도가 떨어지고, 염분 등 이온에 의한 악영향을 받을 수 있다.

중성자산란을 이용한 측정 방식은 가장 정확하지만 방사성동위원소를 사용하므로 가격, 안전의 문제로 사용하기 어렵다.

고주파측정식 수분측정장치는 다른 방식의 수분측정장치와 마찬가지로 토양과의 접촉 압밀에 의한 오차가 발생하고, 주된 측정범위가 측정전극 주위에 국한되어 측정값의 대표성이 작고, 측정 주파수에 따라 토양수분에 포함된 이온의 영향을 받아서 오차가 다소 발생할 수 있다는 단점이 있으나, 비교적 정확하고 간편하게 사용할 수 있어서 토목, 건설, 방재, 농업, 조경 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

등록번호 20-0340338 토양의 습도 및 염도 측정장치 출원번호 10-2009-0014207 토양 수분 측정 장치 출원번호 10-2005-0052618 공극률 및 유효공극률 측정 방법과, 그 방법의 실시를 위한 유전율상수 측정 프로브 및 이를 포함하는 측정 장치

이에 본 발명은 아래와 같은 종래의 토양수분 측정장치와 그의 사용 시 나타나는 문제점을 해결하고자 한다.

첫째, 측정 전극에 인접한 영역의 토양을 측정하므로 넓은 영역의 수분을 측정할 수 없어서 측정값의 대표성이 떨어진다.

둘째, 측정 장치를 토양에 삽입할 경우 토양이 교란되어 센서 주변에 공극이 발생하고, 압밀(토양의 밀도와 압력)이 달라지며. 토양 표면부터 이어지는 토양과 전극 사이의 공간으로 인한 물길현상(Water Tracking)이 발생하여 수분 측정값이 높게 나올 수 있다.

셋째, 얇고 뾰족한 측정 장치를 토양에 삽입할 경우 식물의 뿌리가 다칠 수 있고, 뿌리 근처에 매립되어 있는 경우 뿌리의 성장을 가로 막을 수 있다.

넷째, 측정 전극이 대게 토양의 표면에서 아래(세로) 방향으로 삽입하여 세로로 길게 설치되므로 깊이별 수분측정이 불가능하여 아래로 성장하는 뿌리의 생육환경을 측정하기 어렵다.

본 발명에 따른 토양 수분 측정 장치는 토양에 전자기력선을 형성하거나 전자기파를 송,수신 하며, 길고 둥글게 굽은 형상의 측정로드(210,220);가 적어도 1개 이상으로 구성되는 측정로드부;와 상기 측정로드;의 일단이 각각 연결되어 토양의 수분량에 비례하는 전기적인 신호를 측정하는 감지부;와

상기 감지부;에서 측정된 신호를 기준으로 토양의 수분 함량을 산출하여 외부로 출력하는 신호처리부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 토양 수분 측정 장치로 구성된다.

상기 측정로드부;는 ‘C’자형, 반원형 등으로서 원통형의 형상을 가지되, 둥글게 굽은 화분의 외면에 밀착하여 설치될 수 있도록 반창고나 풀어놓은 손목시계처럼 유연성을 가지는 얇은 전도성 판재로 형성하는 것도 가능한 것이 특징이다.

상기 측정로드;는 절연층으로 코팅되거나, 프레임 등의 설치 부재에 결합되어 일체화 하여 구성할 수 있으며, 상기 프레임은 토양에 매립 시 측정로드;의 거리 등을 일정히 유지하여 측정이 안정되도록 형태가 일정한 견고한 구조를 갖는 것이 바람직하므로 'O'자형, 'ㅁ'자형으로 만들 수 있으며, 화분 등의 토양 용기의 외면에 설치할 경우 잘 밀착 될 수 있도록 탄성을 가지는 것이 바람직하다.

또한 화분등의 토양 용기는 대게 사출 등의 제조상, 사용상의 이유로 바닥면으로 갈수록 둘레가 작아지는 특징이 있다. 본 별명의 측정로드; 및 측정로드부;는 이러한 이유로 살짝 굽은 원호나, 살짝 꺽인 ‘V’자 형상을 가져서 화분의 외면 둘레에 잘 밀착하게 형성할 수 있다.

본 발명인 토양 수분 측정 장치의 상기 감지부;와 신호처리부;는 주파수를 달리하는 복수개의 전자기파를 송,수신하고, 그 편차의 상관성을 파악하여 토양의 수분과 전기전도도를 함께 측정하는 것이 가능한 특징이 있다.

본 발명인 토양 수분 측정 장치는 다음의 효과를 가진다.

첫째, 측정로드;가 설치된 깊이의, 넓은 체적의 토양 수분을 측정하여 측정값의 대표성과 신뢰도가 향상된다.

둘째, 화분 외면에 ?치 할 경우, 측정로드;의 설치 높이(표면으로 부터는 깊이)에 따른 변별력 있는 토양 수분 측정이 가능하므로 뿌리의 성장에 따른 깊이별 생장 환경을 명확히 측정할 수 있으며. 화분을 투과하여 측정하므로 식물 생장에 전혀 영향을 주지 않고, 토양이 교란되지 않으면서 토양 수분 등의 식물 생육환경을 정확히 측정할 수 있으며, 탈거 후 재설치화여도 일관된 측정값을 지시한다.

도 1은 본 발명에 따른 화분에 설치한 일실시 의 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 구성과 결합관계를 설명한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 구성을 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명과 종래 기술의 차이를 설명하기 위한 측면 투시도.
도 5는 본 발명에 따른 측정을 설명하기 위한 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 일실시 예를 설명하는 회로 및 파형 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 일실시 예를 나타내는 예시도, 절개 사시도, 측면도
도 8은 본 발명에 따른 프레임과 일체화된 일실시 예시도.
도 9는 본 발명에 따른 복수 개 및 곡면 측정로드부;에 대한 일실시 예시도.
도 10은 본 발명에 따른 토양에 매설된 일실시 예의 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 ‘토양 수분 측정 장치’의 개략도이며, 도 1은 본 발명을 화분의 외면에 설치하여 화분 속 토양의 수분을 측정하는 일실시예를 나타내는 예시도이다.

본 발명에 따른 토양 수분 측정 장치는 적어도 1개 이상의 측정로드(210, 220);와 상기 측정로드(210,220);의 일단이 각각 연결되는 측정부(100);를 구비하는 것을 특징으로 한다.

측정부(100);는 감지부(110);와 신호처리부(120);으로 구성되며, 측정로드(210,220);와 전기적으로 연결되어 있는 감지부;에서 출력한 토양수분 관련 신호는 신호처리부(120);에서 전압, 전류 혹은 직렬통신 등의 신호로 변환하여 외부로 출력하게 된다.

도 8은 머리띠 형상의 프레임에 본 발명인 ‘토양 수분 측정 장치’를 내장하여 일체화한 일실시 예시도이다. 측정로드;는 전자기적으로 안테나나 전극판과 같은 방사 특성과 측정기능이 가능한 금속, 탄소섬유 등 전도성 재질로서 화분 둘레의 모양, 크기와 유사한‘C’자형, ‘U’자형, ‘ㄷ’자형 등 다양한 형상으로 만들 수도 있어서 토양에 매립함은 물론, 둥근 형상의 머리띠처럼 탄성이 있어서 화분의 외면에 측정로드;가 잘 밀착되어 수분측정이 원활하도록 돕는 프레임 등의 설치용 부재;(250)에 측정로드;를 결합하여 형성할 수 도 있는 것을 특징으로 한다.

도 7은 유연한 구조와 비전도성 재질의 전극보호부(230);와 결합된 본 발명의 측정로드(210,220);의 일실시 예시도이다. 도 7의 (b),(c),(d)는 측정로드; 및 전극보호부;를 설명하기 위한 절개사시도 및 단면도이다.

본 발명은 둥글며 아래로 좁아지는 일반적인 원통형 화분은 물론, 개개의 면이 평면인 사각기둥 형상의 화분 외면에도 모두 설치가 용이하도록 측정로드;는 휠 수 있는 유연한 성질을 가질 수 있다. 바람직하게는 플렉시블 PCB(Flexible PCB, FPC) 제조 기술을 이용하여 패치(Patch) 형상으로 형성하는 것이 가능하지만, 얇은 도전성 측정로드;의 상,하면에 비전도성 고무, 비닐, PET 필름 등으로 코팅하여 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 한 개 이상의 전극판과 토양 내 물의 높은 유전율(Permittivity) 특성(외부 전계에 분자가 반응하는 정도)을 이용하여 측정한다는 점에서 어느 하나의 고주파 측정 방식 기술의 사용에 한정되지 않는다. 고주파 토양 수분측정 방식인 ADR(Ampiltude Domain Reflectometry), TDR(Time Domain Reflectometry), FDR(Frequency Domain Reflectometry) 등의 측정 기법은 토양의 수분량에 의해서 토양에 방사, 투과된 후 수신된 전자기파의 감쇠된 진폭(ADR), 지연된 시간(TDR), 임피던스의 주파수 특성(FDR) 등을 이용하며, 정전용량식은 두 전극사이에 놓인 토양을 캐패시터와 같이 일정 유전율(Permittivity)을 가지는 매질로 간주하여 용량성(Capacitance)을 측정하므로 본 발명인 ‘토양 수분 측정 장치’는 상술한 모든 공지 기술 및 기법 중 적어도 하나 이상을 채택하여 구현하는 것이 가능한 특징이 있다.

도 6은 본 별명인 ‘토양 수분 측정 장치’의 감지부(110);를 정전용량식 수분 측정 방식으로 구성하였을 경우의 일실시 예를 설명하는 ‘회로 및 파형 예시도‘ 이다.

도 6의 (a)는 본 발명의 측정로드(210,220);와 감지부(110);를 정전용량식으로 구성하였을 경우의 ‘회로 예시도‘ 이며, (b)는 (a)의 P2~P0에 인가된 계단 입력의 전압신호(S0)와 토양의 수분 정도에 따라 상승시간을 각각 달리하는 P1~P0의 측정 신호(S1, S2)를 설명하는‘파형 예시도‘이다. 도 6의 (a)에서 나타내듯이 R(저항)과 용량성(Capacitance)을 가지는 측정로드부;는 RC 직렬 회로를 이루고 있으며, 측정로드;사이에 있는 토양의 수분 정도에 따라 측정신호(S1,S2)는 각각 다른 상승시간을 나타내고, 판정 전압(Vc)와 측정신호(S1,S2)를 전압비교기 등을 통하여 상승시간(T1,T2)를 측정하여 토양의 수분정도를 측정할 수 있다.

이외에도 발진자, VCO(Voltage Controled Oscillator), RSSI Detect, VSWR 등을 이용하여 발생시킨 고주파 신호의 토양 내 감쇠정도, 전달시간, 주파수 특성, 반사특성 등을 측정하는 ADR, TDR, FDR 등 의 수분 측정방식은 당 업자에게 있어서 주지 관용기술로서 명기된 인용발명 및 기타 공개된 공지기술 등을 통하여 본 발명에 적용할 수 있다는 것은 자명하다.

도 4는 본 발명인 ‘토양 수분 측정 장치’와 종래 기술의 차이를 설명하기 위한 ‘측면투과도’이다.

도 4의 (b),(d)는 종래 기술의 토양 수분 측정 기술로서, 수분 측정 장치가 토양의 상방에서 세로로 삽입되어 토양의 수분을 측정하는 것을 나타내고 있으며, 도 6의 (a).(c)는 본 발명으로 화분의 외면에서 설치되어서 식물에 영향을 주지 않으면서, 측정하고자 하는 충위(깊이)의 토양 수분을 측정하면서, 측정 영역(부피)도 크며. 측정 영역의 크기는 측정로드;의 폭에 따라 조정이 가능한 것을 특징으로 한다.

도 5의 (a)는 본 별명인‘토양 수분 측정 장치’의 측정로드;를 통하여 화분의 토양 속에서 형성되는 전기력선 및 전자기파의 선속 밀도 및 방향을 나타내는 평면도 이다.

도 5의 (b)는 둥근 ‘C’자 형으로 곡면인 측정로드;를 단순, 간략화하여 4개의 각도를 가진 전극의 쌍(Pair)이 각각 홀로 있을 경우 공간상에 이루고 있는 전기력선의 방향을 나타내는 평면도이다.(각도 0°, 45°,90°,135°)

공간상에 있는 두 전극에 가해지는 전압에 의하여 생성되는 전기력선의 초기 방사 각도는 전극 면상에서 수직이며, 두 전극이 이루는 각도와 주위 전기장에 의하여 전기력선의 방향과 공간상의 전속(Electric Field Flux)밀도가 결정된다. 이는 말굽자석의 N,S 자극에서 초기 방사되어 나온 자기력선의 방향을 생각하면 쉽게 이해할 수 있다. 이러한 원리로 측정로드;간에 이루는 전기력선은 도 5의 (a)와 같으며 측정로드;의 일단이 연결되는 측정부(100); 근처에서는 화분의 중심부에 비하여 전기력선의 거리가 가까워지고, 강한 전계강도(단위:V/m)를 가지게 되어 수분 측정의 감도가 집중되는 결과를 가져오게 된다.

도 5의 (c)는 상술한, 측정부; 근처에서 두 개의 측정로드(210, 220);가 거리상으로 인접하여 생기는 수분 측정 감도 편중 문제를 해결하고자 측정부(100); 부근으로 갈수록 폭을 줄인 측정로드;를 설명하고 있다. 동일 전압의 차이에서 나오는 전속밀도는 전극의 거리에 상관없이 단위면적에서 일정하므로 측정로드;의 면적을 조정하여 측정감도 편중 영향을 상쇄시키는 것이다.

5의 (d)는 설치용 부재(250);의 두께를 측정부; 근방에서 두껍게 하여 측정로드;와 토양과의 거리를 멀리함으로써 위와 같은 감도 편중 문제를 해소하는 모습을 나타내고 있다.

다음은 화분 바깥의 외면에서 화분 안의 토양 수분을 측정하는 원리에 대해 설명한다. 대게, 화분은 유전율이 낮은 플라스틱(유전율 2~3)을 사용하며 도자기의 경우 유전율이 6~7정도 이므로 유전율이 80이 넘는 물에 비하여 상대적으로 매우 작다.(상기 ‘유전율’은 공기의 유전율을 1로 놓고 그에 비례한 각 유전체의 유전율을 의미하는 비유전율임.)

따라서 본 별명인 ‘토양 수분 측정 장치’는 토양에 매립하여 사용하는 것은 물론, 화분 외면에 설치하여 측정로드;가 화분 외부에 있어도 화분 속의 토양 수분을 측정하는 것이 가능한 특징이 있다. 다만, 화분의 재질 및 두께, 곡률 등의 차이로 측정감도 및 지시값의 편차가 나타날 수 있는데, 이는 사용자의 검,교정, 화분 재질, 두께 등에 따른 보정치를 신호처리부(120);에 저장시키고 감지부(110);에서 측정된 값을 상기 검,교정 자료 및 보정치를 참조하여 수분값으로 환산하는 것을 특징으로 한다.

도 8의 프레임 등의 설치용 부재;(250)에 측정로드;를 결합(부착 및 매립)하여 형성한 본 발명의 일실시 예시도이며, 도 10은, 토양 속에 매설하여 사용 할 수 있는 본 발명인 ‘토양 수분 측정 장치’일실시 예시도이며 측정부(100);에서 전압, 전류, 직렬통신 등의 전기적 신호로 변환하여 케이블(130);을 통하여 외부로 연결되는 모습을 나타내고 있다.

본 발명인 ‘토양 수분 측정 장치’는 종래 기술의 토양수분 장치를 토양 심층에 설치 할 경우 중력수의 상하 이동에 장애를 주지 않기 위하여 가로로 눕혀서 매설하여 측정하는 설치상의 번거로움과 측정 영역의 협소성 문제를 해소하는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 복수 개의 주파수로 운용되는 고주파측정방식을 사용할 경우에, 토양 내 이온 이동의 영향으로 인한, 주파수에 따른 측정 편차(측정 특성)를 근거로 하여 측정부(100);에서 토양의 전기전도도를 토양 수분과 함께 산출할 수 있는 것을 특징으로 한다. 도 9의 (a)는 토양의 수분을 층위별로 연속 측정할 수 있도록 측정로드부(200);를 복수 개 구비한 본 발명의 일실시 예시도 이며, (b)는 둘레가 아래로 좁아지는 대게의 화분의 벽면에 측정로드;가 잘 밀착될 수 있도록 측정로드; 및 측정로드부;의 평면적 형상을 약간 둥근 원호(혹은 ‘V’자)의 모양으로 개선한 본 발명의 일실시 예시도이다.

Claims (5)

1. 토양에 전자기력선을 형성하거나 전자기파를 송,수신하는 적어도 1개 이상의 측정로드(210,220);로 구성된 측정로드부(200);와
   상기 측정로드(210,220);와 일단이 각각 연결되어 토양의 수분량에 비례하는 신호를 측정하는 감지부(110);와
   상기 감지부(110);에서 측정되어 출력한 신호를 기준으로 토양의 수분함량을 산출하여 외부로 출력하는 신호처리부(120);로 구성된 측정부(100);를 포함하는 토양 수분 측정 장치에 있어서,
   상기 측정로드(210,220);은 설치부재나 화분의 외면에 부착하여 설치될 수 있도록 유연성을 가지는 전도성 판재로 형성하며, 상기 측정부(100); 부근에서 측정감도가 집중되지 않도록 측정부(100); 쪽으로 갈수록 측정로드(210,220);의 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 토양 수분 측정 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서 상기 측정로드;는 절연층으로 코팅되거나, 형태가 일정히 유지되는 설치용 부재(250);에 결합되어 일체화 하는 것을 특징으로 하는 토양 수분 측정 장치.
4. 제 3항에 있어서 설치용 부재(250);의 두께를 측정부(100); 근방에서 두껍게 하여 감도 편중 문제를 해소하는 것을 특징으로 하는 토양 수분 측정 장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 감지부(110);와 신호처리부(120);는 주파수를 달리하는 복수개의 전자기파를 송,수신하며 토양의 전기전도도를 함께 측정하는 것을 특징으로 하는 토양 수분 측정 장치.
   

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