KR102217462B1 - 토양 내 수분 함량 측정 장치 - Google Patents

토양 내 수분 함량 측정 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102217462B1
KR102217462B1 KR1020200054855A KR20200054855A KR102217462B1 KR 102217462 B1 KR102217462 B1 KR 102217462B1 KR 1020200054855 A KR1020200054855 A KR 1020200054855A KR 20200054855 A KR20200054855 A KR 20200054855A KR 102217462 B1 KR102217462 B1 KR 102217462B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
moisture content
soil
capacitance
conductor
measured
Prior art date
Application number
KR1020200054855A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200056961A (ko
Inventor
김우중
Original Assignee
(주) 텔로팜
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주) 텔로팜 filed Critical (주) 텔로팜
Priority to KR1020200054855A priority Critical patent/KR102217462B1/ko
Publication of KR20200056961A publication Critical patent/KR20200056961A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102217462B1 publication Critical patent/KR102217462B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G01N33/246—Earth materials for water content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 토양 내에 삽입될 수 있고, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체; 교류 전원을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 커패시턴스 측정 회로; 및 상기 측정된 커패시턴스를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함한다.

Description

토양 내 수분 함량 측정 장치{Apparatus for measuring water content in soil}
본 발명은 토양 내 수분 함량을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
식물 재배시 토양 내 수분 함량을 관리하는 것은 매우 중요하다. 뿌리 주변의 수분 함량이 높으면 뿌리가 물을 잘 흡수하여 증산작용이 잘 될 수 있으나, 수분 함량이 과다할 경우 뿌리 주변의 공기가 부족하여 뿌리의 호흡작용이 힘들어지고 뿌리 주변 토양의 미생물이 증식하기가 힘들어져 식물에 공급되는 영양이 부족해진다. 따라서 토양 내 수분 함량을 측정하여 적절한 수분 함량을 유지할 수 있도록 조절하는 것이 요구된다. 또한, 식물에 물주기를 할 때도 토양 내 수분 함량을 정확히 파악해야만 식물의 생장 상태에 따라 필요로 하는 만큼의 물을 공급할 수가 있다.
이러한 이유로, 식물 재배 분야에서 토양 내 수분 함량을 측정하기 위한 기법이 사용되고 있으며, 대표적인 것으로 텐시오미터법과 TDR 법이 있다.
텐시오미터법은 토양이 물을 끌어당기는 힘을 이용한 것으로, 토양 속에 석고로 만든 포러스 컵을 묻고 물을 채워 두면 물이 포러스 컵을 통해 토양 속으로 이동을 하는데, 토양의 함수량과 평형이 되었을 때 부압계나 수은액주계를 사용해서 토양 공극의 부압을 측정하여 함수량을 구하는 방법이다.
TDR(Time Domain Reflectometry) 법은 고주파 신호를 방사하고 수신하는 탐침을 이격 거리에 매설하여, 방사된 고주파 신호가 반사되어 돌아온 시간으로부터 나온 토양의 유전상수를 통해 수분 함량을 측정하는 방법이다.
텐시오미터법은 센서의 구조가 복잡하고 가격이 비싸며, 측정 범위가 작다는 단점이 있다. TDR 법 역시 측정 원리상 두 탐침의 끝점 사이의 수분 함량을 측정하는 것이어서 국소 영역을 측정하는 것에 그치는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 여러 지점에 걸쳐 센서를 설치할 수 있으나, 각 센서의 측정 영역 역시 국소 부분에 한정되는 문제는 여전히 남아 있으며, 다수의 센서를 설치하려면 전체 비용이 상승할 수밖에 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구조가 단순하고 비용이 저렴하며, 원하는 영역 또는 보다 넓은 영역에 걸쳐 토양 내 수분 함량을 측정할 수 있는 토양 내 수분 함량 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 토양 내에 삽입될 수 있고, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체; 교류 전원을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 커패시턴스 측정 회로; 및 상기 측정된 커패시턴스를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함한다.
상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 커패시턴스에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 도선 구조체는, 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 더 포함하고, 상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량의 증가에 따라 상기 측정되는 커패시턴스가 감소하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 수분 함량 산출부는, 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 상기 커패시턴스 측정 회로를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값을 기초로 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 도선 구조체는 지그재그 또는 코일 구조로 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 토양 내에 삽입될 수 있고, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선 및 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체; 상기 제1 및 제2 도선에 교류 전원을 인가하고, 상기 접지용 도선을 통해 누설되는 누설 전류를 측정하기 위한 누설 전류 측정 회로; 및 상기 측정된 누설 전류를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함한다.
상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 누설 전류에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 수분 함량 산출부는, 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 상기 누설 전류 측정 회로를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 누설 전류 값을 기초로 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 도선 구조체는 지그재그 또는 코일 구조로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 구조가 단순하고 비용이 저렴하며, 원하는 영역 또는 보다 넓은 영역에 걸쳐 토양 내 수분 함량을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치에서의 수분 함량과 커패시턴스의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도선 구조체(10)의 구조의 일 예를 보여준다.
도 4는 도선 구조체(10)의 구조의 다른 예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치에서의 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도선 구조체(10′)의 구조의 일 예를 보여준다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치에서의 수분 함량과 누설 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 도선 구조체(10), 커패시턴스 측정 회로(20), 및 수분 함량 산출부(30)를 포함할 수 있다.
도선 구조체(10)는 수분 함량을 측정할 토양 내에 삽입되기 위한 것으로, 서로 평행하고 인접하게 연장되도록 배치되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선(11, 12)을 포함한다.
절연 피복으로 인해 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이에는 유전체가 존재하므로, 도선 구조체(10)는 제1 및 제2 도선(11, 12)을 양 전극으로 하는 일종의 커패시터로 볼 수 있다. 이러한 도선 구조체(10)의 커패시턴스, 즉 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 커패시턴스는 도선 구조체(10)의 구조(크기, 모양 등)에 따라 일정 값을 갖게 된다.
이러한 도선 구조체(10)가 수분과 접촉하게 되면, 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이와 그 주변에 수분이 존재하게 되어, 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 유전체의 유전율이 변화하는 결과를 가져오며, 접촉되는 수분이 많아질수록 유전율은 더 커지게 된다. 커패시턴스는 유전율에 비례하므로, 접촉되는 수분이 많아질수록 도선 구조체(10)의 커패시턴스는 커지게 된다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 원리를 이용하여, 도선 구조체(10)를 토양 내에 삽입하고 도선 구조체(10)의 커패시턴스를 측정함으로써 토양 내 수분 함량을 측정한다. 즉, 토양 내 수분 함량에 따라 토양에 삽입된 도선 구조체(10)에 접촉되는 수분의 양이 달라지는데, 수분 함량이 증가할수록 도선 구조체(10)의 커패시턴스는 커진다. 이러한 관계를 이용하여, 도선 구조체(10)의 커패시턴스를 측정하는 것을 통해 토양 내 수분 함량을 측정할 수 있다. 발명자는 토양 샘플에 수분 함량을 변화시켜 가면서 도선 구조체(10)의 커패시턴스를 측정하는 실험을 실시한 결과, 수분 함량과 커패시턴스는 비례하는 관계를 보임을 확인할 수 있었다. 도 2는 토양 내 수분 함량과 커패시턴스의 비례 관계를 나타내는 그래프이다.
도선 구조체(10)의 구조는 토양에서 수분 함량을 측정하고자 하는 영역(넓이, 깊이 등)에 따라 자유롭게 형성될 수 있다. 가장 간단한 예로 도선 구조체(10)를 일직선 구조로 형성할 수 있고, 측정하고자 하는 영역에 걸쳐 지그재그 형태로 형성할 수도 있으며, 코일 형태로 형성할 수도 있다. 도선 구조체(10)의 길이가 길수록 토양 및 수분과의 접촉 면적이 넓어지므로 측정값의 정확도와 신뢰도는 더 높아질 수 있다.
도 3은 도선 구조체(10)의 구조의 일 예로서, 측정하고자 하는 일정 넓이와 일정 깊이에 걸쳐 도선 구조체(10)가 길게 지그재그 형태로 연장된 구조를 보여준다. 도 4는 도선 구조체(10)의 구조의 다른 예로서, 원통형의 코일 구조로 형성된 모습을 보여준다.
다시 도 1을 참조하면, 커패시턴스 측정 회로(20)는 교류 전원을 이용하여 도선 구조체(10)의 커패시턴스, 즉 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 커패시턴스를 측정한다.
본 실시예에서는 커패시턴스 측정 회로(20)의 일 예로 자동평형 브릿지를 사용하는 회로를 예로 들었으나, 커패시턴스 측정은 다른 측정 방법들, 예컨대 브릿지 방법, 공진 방법, I-V(전압전류) 방법 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.
커패시턴스 측정 회로(20)는, 교류 전원(21), 제1 전압계(22), 저항(R), 연산증폭기(23), 제2 전압계(24)를 포함할 수 있다. 교류 전원(21)은 제1 도선(11)의 일단과 접지 사이에 연결되어 교류 전압을 공급하고, 제1 도선(11)의 타단은 오픈된다. 제1 전압계(22)는 제1 도선(11)의 일단과 접지 사이에 연결되어, 제1 도선(11)의 전압(V1)을 측정한다. 제2 도선(12)의 일단은 오픈되고, 저항(R)의 일단은 제2 도선(12)의 타단에 연결된다. 연산증폭기(23)는 반전 단자가 저항(R)의 일단에 연결되고, 비반전 단자는 접지와 연결되며, 출력 단자는 저항(R)의 타단과 연결된다. 제2 전압계(24)는 연산증폭기(23)의 출력 단자와 접지 사이에 연결되어, 연산증폭기(23)의 출력 단자의 전압(V2)을 측정한다.
제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 임피던스 Z는 제1 전압계(22)의 전압(V1), 제2 전압계(24)의 전압(V2), 및 저항(R)으로부터 다음 수학식을 통해 측정될 수 있다.
Figure 112020046545370-pat00001
임피던스 Z를 알면 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 커패시턴스를 알 수 있다.
수분 함량 산출부(30)는 커패시턴스 측정 회로(20)를 통해 측정된 커패시턴스를 이용하여 도선 구조체(10)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 수분 함량 산출부(30)는 전술한 바와 같이 토양 내 수분 함량이 커패시턴스에 비례하는 것을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
수분 함량과 커패시턴스의 비례 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(30)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 커패시턴스 측정 회로(20)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값이 저장될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제1 수분 함량(W1) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C1)과, 제2 수분 함량(W2) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C2)을 알면, 비례 관계를 이용하여 임의의 측정된 커패시턴스 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(10)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(10)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(10)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 커패시턴스 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(10)를 토양 내에 삽입하여 커패시턴스를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 커패시턴스 값과 수분 함량 100%에 대응하는 커패시턴스 값을 기초로, 측정된 커패시턴스 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 도선 구조체(10′), 커패시턴스 측정 회로(20), 및 수분 함량 산출부(30′)를 포함할 수 있다.
도 1과 같은 토양 내 수분 함량 측정 장치에서, 만일 측정하고자 하는 토양 내에 어떤 요인으로 인해 도전 경로가 형성되어 토양이 접지와 연결되면, 토양 내 수분을 통해 전류가 누설되는 현상이 나타난다. 이때 누설 전류의 양은 토양 내 수분 함량에 비례하게 되며, 커패시턴스 측정 회로(20)에서 측정되는 커패시턴스는 도선 구조체(10)의 실제 커패시턴스가 아니라 누설 전류로 인하여 잘못 측정된 값으로 나타난다. 커패시턴스 측정 회로(20)에서 측정되는 커패시턴스는 이처럼 제1 및 제2 도선(11, 12) 사이의 커패시턴스의 실제 커패시턴스 값은 아니지만, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류가 증가함으로 인하여 커패시턴스는 감소하는 값으로 측정된다.
본 실시예에는 이러한 현상이 나타나도록 인위적으로 제1 및 제2 도선(11, 12) 주위의 토양에 도전 경로를 형성하여 접지와 연결시킨 것으로, 도 1의 도선 구조체(10)에, 제1 및 제2 도선(11, 12)과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선(13)을 더 포함시켜 도선 구조체(10′)를 형성한 것이다. 그러면 제1 및 제2 도선(11, 12)에 접촉되는 수분이 접지용 도선(13)에도 접촉하게 되어 접지용 도선(13)을 통해 누설 전류가 흐르게 된다. 접지용 도선(13)은 토양 및 토양 내 수분과 도전될 수 있도록, 피복되지 않거나, 교류에서 저항이 비교적 작은 에나멜 코팅 등으로 피복될 수 있다. 따라서 제1 및 제2 도선(11, 12)에 교류 전원이 인가되면 접지용 도선(13)을 통해 누설 전류가 발생하며, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류는 증가하고 커패시턴스 측정 값은 감소하게 된다.
발명자는 토양 샘플에 수분 함량을 변화시켜 가면서 커패시턴스 측정 회로(20)로 도선 구조체(10′)의 커패시턴스를 측정하는 실험을 실시한 결과, 수분 함량이 증가함에 따라 커패시턴스 측정 값은 선형적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 도 6은 토양 내 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 나타내는 그래프이다.
수분 함량 산출부(30′)는 커패시턴스 측정 회로(20)를 통해 측정된 커패시턴스를 이용하여 도선 구조체(10′)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 도 1의 수분 함량 산출부(30)와 반대로, 수분 함량 산출부(30′)는 토양 내 수분 함량이 증가함에 따라 커패시턴스 측정 값은 선형적으로 감소하는 관계를 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
이러한 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(30′)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 커패시턴스 측정 회로(20)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값이 저장될 수 있다. 도 6을 참조하면, 제1 수분 함량(W1′) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C1′)과, 제2 수분 함량(W2′) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C2′)을 알면, 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 이용하여 임의의 커패시턴스 측정 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(10′)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(10′)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(10′)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 커패시턴스 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(10′)를 토양 내에 삽입하여 커패시턴스를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 커패시턴스 측정 값과 수분 함량 100%에 대응하는 커패시턴스 측정 값을 기초로, 측정된 커패시턴스 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
도 5의 도선 구조체(10′) 역시 도 1의 도선 구조체(10)와 마찬가지로 일직선 형태, 지그재그 형태, 코일 형태 등 다양한 구조로 형성될 수 있다. 도 7은 도선 구조체(10′)가 원통형의 코일 구조로 형성된 예를 보여준다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 토양 내 수분 함량 측정 장치는, 도선 구조체(10′), 누설 전류 측정 회로(40), 및 수분 함량 산출부(30˝)를 포함할 수 있다.
앞에서 제2 실시예에 관한 설명에서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 도선(11, 12)에 교류 전원이 인가되면 접지용 도선(13)을 통해 누설 전류가 발생하며, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류는 비례하여 증가하게 된다. 본 실시예는 이를 이용한 것으로, 접지용 도선(13)을 흐르는 누설 전류를 측정하는 것을 통해 토양 내 수분 함량을 측정한다.
누설 전류 측정 회로(40)는 도선 구조체(10′)의 제1 및 제2 도선(11, 12)에 교류 전원을 인가하고, 접지용 도선(13)을 통해 누설되는 누설 전류를 측정한다.
누설 전류 측정 회로(40)는, 교류 전원(41), 제1 전류계(42), 제2 전류계(43), 저항(R)을 포함할 수 있다. 교류 전원(41)은 제1 전류계(42)의 일단과 접지 사이에 연결되어 교류 전압을 공급한다. 제1 전류계(42)는 타단이 제1 도선(11)의 일단에 연결되어, 제1 도선(11)으로 공급되는 전류(IA1)를 측정한다. 제2 전류계(43)는 일단이 제2 도선(12)의 타단에 연결되고, 저항(R)은 제2 전류계(43)의 타단과 접지 사이에 연결되어, 제2 전류계(43)는 제2 도선(43)을 통해 나오는 전류(IA2)를 측정한다.
접지용 도선(13)을 통해 흐르는 누설 전류(Ileak)의 크기는 다음 수학식과 같이 제1 전류계(42)의 전류(IA1)와 제2 전류계(43)의 전류(IA2)의 차이로 측정할 수 있다.
Figure 112020046545370-pat00002
도 9는 토양 내 수분 함량과 접지용 도선(13)을 통해 흐르는 누설 전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 수분 함량과 누설 전류는 비례하는 관계로 나타난다.
수분 함량 산출부(30˝)는 누설 전류 측정 회로(40)를 통해 측정된 누설 전류를 이용하여 도선 구조체(10′)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 수분 함량 산줄부(30˝)는 토양 내 수분 함량이 누설 전류에 비례하는 것을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
수분 함량과 누설 전류의 비례 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(30˝)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 누설 전류 측정 회로(40)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 누설 전류 값이 저장될 수 있다. 도 9를 참조하면, 제1 수분 함량(W1˝) 및 그에 대응하는 누설 전류 값(Ileak,1)과, 제2 수분 함량(W2˝) 및 그에 대응하는 누설 전류 값(Ileak,2)을 알면, 비례 관계를 이용하여 임의의 측정된 누설 전류 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(10′)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(10′)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(10′)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 누설 전류 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(10′)를 토양 내에 삽입하여 누설 전류를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 누설 전류 값과 수분 함량 100%에 대응하는 누설 전류 값을 기초로, 측정된 누설 전류 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 토양 내에 삽입할 도선 구조체(10, 10′)는 두 가닥 또는 세 가닥의 도선으로 이루어지므로, 도선 구조체(10, 10′)를 원하는 크기와 형태로 형성할 수가 있어 좁은 영역은 물론이고 원하는 만큼의 다양한 영역의 토양의 수분 함량을 측정할 수 있다.
도선 구조체(10, 10′)를 예컨대 도 4나 도 7과 같이 코일 구조로 형성하면, 좁은 영역에서 토양과 접촉하는 표면적을 크게 할 수 있다. 또한, 국소 영역을 측정하고자 할 경우 코일의 길이나 직경을 작게 하고, 넓은 영역을 측정하고자 할 경우 코일의 길이나 직경을 크게 하는 등, 측정하고자 하는 영역의 크기에 따라 코일의 크기를 다르게 할 수 있다. 또한 이러한 도선 구조체(10, 10′)를 토양의 여러 부분에 삽입하여 수분 함량의 분포를 확인할 수 있고, 토양의 여러 깊이에 삽입하여 깊이에 따른 수분 함량의 분포를 확인할 수도 있다.
도선 구조체(10, 10′)를 코일 구조로 형성하고, 코일 내에 특정 다공성 배지를 삽입한 후 중앙의 입구만 노출시키고 나머지 부분은 외부와 차단되도록 밀폐된 구조를 만들어 토양 속에 묻어 두면, 모세관 현상에 의해 토양 내 수분이 코일 안의 다공성 배지로 흘러들어가서 토양의 전체 수분과 평형을 이루게 된다. 이를 이용하여, 측정하고자 하는 배지의 종류(암면, 코코피트, 페라이트, 흙 등)와 관계없이 토양 내 수분의 함량을 측정할 수 있는 센서를 만들 수도 있다.
본 발명의 실시예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 집적 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 실시예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 실시예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 토양 내 수분 함량 측정 장치에 있어서,
    토양 내에 삽입될 수 있고, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선을 포함하며, 토양 내의 측정하고자 하는 영역 내에서 연장 방향이 변경되는 구조로 형성된 도선 구조체;
    교류 전원을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 커패시턴스 측정 회로; 및
    상기 측정된 커패시턴스를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함하는 수분 함량 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 커패시턴스에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 것을 특징으로 하는 수분 함량 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수분 함량 산출부는, 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 상기 커패시턴스 측정 회로를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값을 기초로 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도선 구조체는 지그재그 또는 코일 구조로 형성된 수분 함량 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도선의 일단과 상기 제2 도선의 일단이 인접하고,
    상기 제2 도선의 타단과 상기 제2 도선의 타단이 인접하고,
    상기 제1 도선의 상기 타단은 오프되고,
    상기 제2 도선의 상기 일단은 오픈되고,
    상기 커패시턴스 측정 회로는,
    상기 제1 도선의 상기 일단과 접지 사이에 연결되는 상기 교류 전원;
    상기 제1 도선의 상기 일단과 접지 사이에 연결되는 제1 전압계;
    일단이, 상기 제2 도선의 상기 타단에 연결되는 저항; 및
    상기 저항의 타단과 접지 사이에 연결되는 제2 전압계를 포함하고,
    상기 커패시턴스 측정 회로는, 상기 제1 전압계의 전압, 상기 제2 전압계의 전압 및 상기 저항의 저항값을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 임피던스를 계산하고, 상기 임피던스를 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 계산하는 수분 함량 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 커패시턴스 측정 회로는,
    반전 단자가 상기 저항의 상기 일단에 연결되고 출력 단자가 상기 저항의 상기 타단에 연결되는 연산증폭기를 더 포함하는 수분 함량 측정 장치.
KR1020200054855A 2020-05-08 2020-05-08 토양 내 수분 함량 측정 장치 KR102217462B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200054855A KR102217462B1 (ko) 2020-05-08 2020-05-08 토양 내 수분 함량 측정 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200054855A KR102217462B1 (ko) 2020-05-08 2020-05-08 토양 내 수분 함량 측정 장치

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180042830A Division KR102143684B1 (ko) 2018-04-12 2018-04-12 토양 내 수분 함량 측정 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200056961A KR20200056961A (ko) 2020-05-25
KR102217462B1 true KR102217462B1 (ko) 2021-02-22

Family

ID=70914614

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200054855A KR102217462B1 (ko) 2020-05-08 2020-05-08 토양 내 수분 함량 측정 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102217462B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102446251B1 (ko) * 2020-12-18 2022-09-22 대한민국(농촌진흥청장) 토양수분센서를 이용한 식물의 근권부 모니터링 방법 및 이의 장치

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200354371Y1 (ko) * 2004-04-01 2004-06-24 (주)웨더텍 유전율식 토양 수분 측정 센서 및 자동 측정 시스템
JP2005227199A (ja) 2004-02-16 2005-08-25 Central Res Inst Of Electric Power Ind ホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置
JP2011145231A (ja) * 2010-01-16 2011-07-28 Sanyo Precision Corp 水分検知センサ
KR101504975B1 (ko) 2013-10-02 2015-03-30 주식회사 포스코 누설전류 측정 장치 및 누설전류 측정 방법

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995006881A1 (en) * 1993-08-29 1995-03-09 Silora Television And Electronics Soil moisture sensor
KR0120905Y1 (ko) * 1994-09-16 1998-08-01 박배식 수분측정기
KR101649443B1 (ko) * 2015-02-05 2016-08-18 고려대학교 산학협력단 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005227199A (ja) 2004-02-16 2005-08-25 Central Res Inst Of Electric Power Ind ホウ素濃度の計測方法およびこれを利用する計測装置
KR200354371Y1 (ko) * 2004-04-01 2004-06-24 (주)웨더텍 유전율식 토양 수분 측정 센서 및 자동 측정 시스템
JP2011145231A (ja) * 2010-01-16 2011-07-28 Sanyo Precision Corp 水分検知センサ
KR101504975B1 (ko) 2013-10-02 2015-03-30 주식회사 포스코 누설전류 측정 장치 및 누설전류 측정 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200056961A (ko) 2020-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102143684B1 (ko) 토양 내 수분 함량 측정 장치
KR102143685B1 (ko) 토양의 전기 전도도 측정 장치
KR102217462B1 (ko) 토양 내 수분 함량 측정 장치
US9759646B2 (en) Scale monitoring and inhibitor quantification technique in multiphase meters
US20230204396A1 (en) Magneto-inductive flow measurement device
Robinson et al. Considerations for improving the accuracy of permittivity measurement using time domain reflectometry: Air‐water calibration, effects of cable length
TW200921082A (en) Apparatus, system, and associated method for monitoring surface corrosion
JP2021503090A (ja) 流体を監視するための装置
GB2583268A (en) Capacitive level sensor having autocalibration facility
US10107845B2 (en) Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of calibrating such a device
US6313645B1 (en) Method of determining the volumetric proportion of liquid water and the density of snow and a device for carrying out the method
JP2001215203A (ja) 電気伝導度測定装置、土壌導電率測定方法及び土壌溶液導電率測定装置
PT103909A (pt) Sistema de medição de propriedades do solo
JP6827229B2 (ja) センサモジュール、測定システム、及び測定方法
WO2009157773A1 (en) Method and system for determination of coating performance
US20170052167A1 (en) System and method for multiphase flow measurements
US3286174A (en) Apparatus and method for measuring high temperature corrosion and fluid flow rates
Moret-Fernández et al. Measurement of soil bulk electrical conductivity using partially coated TDR probes
Goldshtein et al. In-process measuring of capacitance per unit length for single-core electric wires
JP2591974B2 (ja) 埋設管路絶縁継手の絶縁抵抗測定法
US11262291B2 (en) Method of detecting the locally generated corrosion of a metal element
RU2367911C1 (ru) Датчик уровня жидкости в открытых каналах
RU2047843C1 (ru) Омический уровнемер
Tovar-Soto et al. Proposal of a system for measuring apparent electrical conductivity and moisture of soil for small farmers
KR20230138328A (ko) 암석의 전기 비저항 물성 측정 방법 및 측정 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant