KR102336851B1 - 단일 프로브와 온도 보상을 포함하는 토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

단일 프로브와 온도 보상을 포함하는 토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서는 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 제1 프로브, 상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 판정 회로를 포함한다.

Description

단일 프로브와 온도 보상을 포함하는 토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법 {SOIL MONITORING SENSOR INCLUDING SINGLE PROBE AND TEMPERATURE COMPENSATION AND METHOD OF OPERATION THEREOF}
본 발명은 토양의 상태를 감지하는 토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 단일 프로브 형태의 센서에 온도 보상을 결합하여 토양의 상태를 감지하는 토양 모니터링 센서에 관한 것이며, 또한 토양 모니터링 센서의 정확도를 높이기 위한 신호 처리 회로 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
본 발명은 중소벤처기업부 및 창업진흥원의 중소벤처기업부 예비창업패키지사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 10224634, 과제명: 스마트 토양 센서를 활용한 잔디 관리 시스템].
기존의 토양 수분 계측 방법으로는 건조평량법, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법, 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법, 초벌구이 다공질 컵(porous cup) 수분 장력계 방법, 중성자 측정(neutron probe) 방법 등이 있다.
건조평량법으로 수분의 중량 백분율을 구하는 방법은 오래 동안 수분 측정의 대표적인 방법으로 자리하였지만 그 절차가 번거롭고 시간이 오래 걸려서 불편함을 초래하였고, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법은 평가하는 사람마다의 개인 편차가 크고 상당한 훈련이 요구되어 비효율적이다. 비교적 간편한 방법으로 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법은 석고 블록의 공극이 매우 미세하여 토양 수분 장력이 낮을 때에는 거의 모든 공극이 포화되어 만족스럽지 못한 결과를 초래한다는 단점이 있고, 초벌구이 다공질컵(porous cup) 수분 장력계 방법도 관개 시점 판별 등에 널리 채택되지만 수분 장력이 1기압 보다 높은 영역에서 작동하지 않는다는 단점이 있다.
중성자 측정(neutron probe) 방법은 초기 보정(calibration)절차가 까다롭고 운반 측정 조작이 번거롭고 가격이 상당한 고가이어서 일반에 널리 사용되지 못하고 있다는 단점이 있다.
또한 기가 헤르쯔(Giga Herz) 전자장에서 이온의 이동은 무시할 정도로 적어져서 물 분자 회전운동에 따른 물의 유전 특성만 부각되는 원리를 이용하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 방식이 제안되기도 하였다. TDR은 기가헤르쯔 레벨의 고에너지 주파수를, 토양에 삽입한 무피복 철봉을 콘덴서로 사용하는 센서에 발사하여 토양수분에 따른 유전율의 정도에 따라 반사되어 오는 주파수의 수에 따라 시간차 또는 전압차를 분석하는 방식이다. TDR은 콘덴서에 의해 전자파가 변형되는 원리를 이용하여 토양 콘덴서로 변형된 반사되어 오는 전자파를 간단히 증폭한 후 오실로스코프로 읽는 방법으로 토양 수분을 정량화 하는데, 이에 필요한 장비가 비교적 복잡하고 고가라는 단점이 제기되어 왔다.
이러한 이유로 말미암아 보다 간편하고 조작과 절차가 간단하며, 빠른 시간 내에 정확한 데이터를 측정하고 수집할 수 있는 저가의 토양 수분 측정 장치의 개발과 도입이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
한편 토양 내의 수분 뿐만 아니라 염류에 의한 전기전도도 또한 토양의 특성으로서 중요한 파라미터이다. 토양의 수분과 염류를 측정하기 위한 센서로서, 한국특허출원공개공보 KR 10-2016-0006564 "유기배지용 수분 및 염류 측정 장치 및 방법"을 들 수 있다. KR 10-2016-0006564는 3개의 탐침을 토양에 침투시키고, 단일 고주파의 반사파를 검출하되 토양의 수분은 임피던스 변환을 이용하여 측정하고, 염류는 고주파 성분의 반사파를 검출하여 특정하는 수단이 개시된다.
미국특허출원공개공보 US 2017/0241973, "System and method for instantaneously determining uniform distribution of water, salinity, conductivity, temperature and other conditions in soil"는 토양의 수분, 염류, 전기전도도, 및 온도를 감지하는 토양 모니터링 센서의 외형 및 시스템을 개시한다.
한편, 일본특허출원공개공보 제2016-217795호 "수분 센서 및 수분 측정 장치"에서는 서로 엇갈리는 빗살(comb teeth) 모양으로 구성된 전극을 가지는 수분센서를 이용하여 토양에 포함되는 수분량의 변화에 의한 등가 인덕턴스 변화에 따라 공진 주파수가 변화하는 공진 회로를 형성하고 이 공진 회로에 의해 발진되는 공진 주파수를 산출하는 수분 센서가 개시된 바 있다. 상기 선행기술은 공진 회로를 이용하여 임피던스 변화를 인덕턴스 변화로 치환해 검출하는 구성 상의 특징이 있다.
그러나 상기 선행기술에 의하더라도 공진 주파수를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 측정된 진폭 값을 변환하여 산출하는 과정이 복잡하므로 공진 주파수를 신속하고 정밀하게 측정하기 어려운 문제점이 있다. 이로 인하여 실시간으로 토양의 수분량을 측정하는 경우 노이즈(noise)가 발생하여 측정값이 부정확해지는 문제점이 있다.
한국특허출원공개공보 KR 10-2016-0006564 "유기배지용 수분 및 염류 측정 장치 및 방법" (공개일 2016년 1월 19일) 미국특허출원공개공보 US 2017/0241973, "System and method for instantaneously determining uniform distribution of water, salinity, conductivity, temperature and other conditions in soil" (공개일 2017년 8월 24일) 일본특허출원공개공보 제2016-217795호, "수분 센서 및 수분 측정 장치", (공개일 2016년 12월 22일)
상기 선행기술은 공진 회로에 인가되는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하여 입력 전기 신호에 대한 응답으로 공진 회로에 형성되는 출력 전기 신호의 크기를 스캔하여 최대 크기를 가지는 경우의 주파수를 공진 주파수로 산출하는 구성을 취한다. 이로 인하여 상기 선행기술은 입력 전기 신호의 가변 주파수의 해상도 만큼의 오차를 가지며, 전기 신호의 크기를 검출하여 공진 주파수를 산출하는 간접적인 방법으로 정확도가 떨어지고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변해야 하므로 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 토양을 매질로 하는 토양 모니터링 센서용 프로브(probe)에 형성된 정전용량을 가지는 회로와 레퍼런스(reference) 정전용량을 가지는 회로 각각에 고주파 신호를 발진시켜 두 회로에서의 고주파 신호에 대한 주파수를 측정하고 비교하여 토양내의 수분 함유량을 정량화 시킴으로써, 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 실시간으로 파악할 수 있는 토양 모니터링 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 장치의 안정성을 제공하고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변시키는 구성이 필요하지 않으므로 종래의 토양 모니터링 센서보다 생산비를 크게 절감할 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 공진 주파수의 편이(shift)를 효과적으로 검출할 수 있는 회로 및 동작 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하는 과정이 필요하지 않으므로 토양 수분 센싱 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 보다 정확한 토양의 수분 함유량을 검출하기 위하여 온도 센서를 더 포함할 수 있고, 온도 센서에 기반하여 토양의 수분 함유량을 보상하여 정밀한 수분 함유량을 측정하는 것을 목적으로 한다.
선행문헌들은 3개 또는 4개의 전극을 토양에 침투시켜 그 인접한 영역에 대한 토양의 수분 및 염류를 모니터링하거나(KR 10-2016-0006564, US 2017/0241973), 두 개의 전극을 이용하되 두 전극 사이의 토양이 위치하는 접촉 면적을 늘리는 구조를 이용한다(JP 2016-217795), 이들 선행문헌들은 프로브의 형태로 인하여 모니터링의 대상이 되는 토양의 범위가 제한되거나, 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 단일극 프로브에 의하여 프로브의 외주를 둘러싸는 토양의 수분 및 염류 등 특성 파라미터를 모니터링할 수 있다. 따라서 모니터링의 대상이 되는 토양의 범위가 제한되지 않고, 다양한 환경의 토양에 대응할 수 있는 토양 모니터링 센서를 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서는 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브; 상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로; 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로; 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 판정 회로를 포함한다. 이때 상기 제1 전극은 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 전도체를 포함하며, 상기 토양에 접촉하여 상기 토양의 상태에 대한 정보를 감지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서는 상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나에 결합된 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 판정 회로는 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 제1 프로브의 내부에 배치되고 상기 제1 프로브의 첨단부에 돌출되어 상기 토양과 접촉하며 상기 제1 공진 회로, 상기 제2 공진 회로, 및 상기 판정 회로 중 적어도 하나 이상의 접지 노드와 전기적으로 연결됨으로써 접지극으로서 기능할 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제1 프로브의 외부에서 상기 토양과 접촉하며, 상기 제1 전극이 상기 토양과 접촉하는 면적은 상기 제2 전극이 상기 토양과 접촉하는 면적보다 넓을 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에는 절연체가 충전되어 있거나, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이가 이격되어 상기 제1 프로브 내부에 빈 공간이 형성될 수 있다.
상기 판정 회로는 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 의해 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양과 상기 제1 전극 사이에서 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하고, 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성할 수 있다. 이 때 판정 회로는 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하고, 측정된 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 제2 판정 값을 생성할 수 있다.
상기 판정 회로는 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출할 수 있다. 상기 판정 회로는 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성할 수 있다. 이때 판정 회로는 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 토양에 함유된 수분에 대한 제1 판정 값을 생성하고, 상기 측정된 온도에 기반하여 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 제2 판정 값을 생성할 수 있다.
이때 상기 판정 회로는 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 토양의 상태를 판정할 수 있다. 예를 들어 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 토양이 함유하는 수분이 유효한 임계값 이상인 것으로 토양의 상태가 판정될 수 있다.
상기 판정 회로는 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator); 상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및 상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 동작 및 토양 모니터링 방법은 제1 오실레이터가, 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 제2 전극과 연결되는 제1 공진 회로를 경유하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 제1 교류 신호를 인가하는 단계; 상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 제2 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지는 제2 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호인 제2 교류 신호를 인가하는 단계; 판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 프로브 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계; 상기 판정 회로가 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계; 및 상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 상기 제1 전극이 접촉하는 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 단계를 포함한다.
이 때 본 발명의 일 실시예에 따른 모니터링 방법은 상기 제1 프로브의 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 하나에 결합된 온도 센서에 의하여 상기 토양의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 판정 회로는 제1 공진 주파수 및 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하고, 측정된 토양의 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성할 수 있다.
상기 판정 회로가 상기 제1 판정 값을 생성하는 단계는 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 의해 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양과 상기 제1 전극 사이에서 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 방법은 상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 판정 회로가 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 단계에서, 상기 판정 회로는 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 전극이 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 대한 상기 제1 판정 값을 생성할 수 있다.
상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계는, 연산기(operator) 회로가 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 구하는 단계; 상기 연산기(operator) 회로의 출력단에 연결되는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)가 상기 연산기 회로의 출력 신호의 고주파 성분을 제거하는 단계; 및 상기 저역 통과 필터의 출력단에 연결되는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)가 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트함으로써 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 디지털 값으로 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 토양을 매질로 하는 토양 모니터링 센서용 프로브(probe)에 형성된 정전용량을 가지는 회로와 레퍼런스 정전용량을 가지는 회로 각각에 고주파 신호를 발진시켜 두 회로에서의 고주파 신호에 대한 주파수를 측정하고 비교하여 토양내의 수분 함유량을 정량화 시킴으로써, 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 빠르게 실시간으로 파악할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 토양 모니터링 센서를 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 토양 모니터링 센서 장치의 안정성이 보장될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 토양 모니터링 센서의 판정 회로를 하나의 칩(chip)으로 제작하는 경우, 센서 회로와 레퍼런스 공진 회로를 근접하게 배치하고, 동일한 종류의 소자로 제작하여 공정 변이(process variation)에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 실시간으로 정확하게 토양내의 수분량을 판정할 수 있다.
본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 보다 정확한 토양의 수분 함유량을 검출하기 위하여 온도 센서를 더 포함할 수 있고, 온도 센서에 기반하여 토양의 수분 함유량을 보상하여 정밀한 수분 함유량을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 토양 모니터링 센서는 단일극 프로브에 의하여 프로브의 외주를 둘러싸는 토양의 수분 및 염류 등 특성 파라미터를 모니터링할 수 있다. 따라서 본 발명의 토양 모니터링 센서는 모니터링의 대상이 되는 토양의 범위가 제한되지 않고, 다양한 환경의 토양에 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 단일극 프로브의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 단일극 프로브의 내부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 단일극 프로브와 연결되는 제1 공진 회로와 판정 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 레퍼런스 공진 회로인 제2 공진 회로와 판정 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 판정 회로의 구성, 및 제1 공진 회로, 제2 공진 회로, 및 판정 회로 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 8은 도 1의 토양 모니터링 센서의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 9는 도 2의 토양 모니터링 센서의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 10은 도 7의 토양 모니터링 센서의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
도 11은 도 3 및/또는 도 4에 도시된 단일극 프로브의 외형의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로를 도시하는 도면이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서 및 그 동작 방법을 첨부된 도 1 내지 도 12를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100)를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100)는 제1 프로브(probe, 110), 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120)를 포함한다.
제1 프로브(110)는 제1 전극(112, 도 1에서는 도시되지 않음) 및 제2 전극(114, 도 1에서는 도시되지 않음)을 포함한다. 제1 공진 회로(130)는 제1 전극(112)과 제1 전극 배선(112a)을 경유하여 전기적으로 연결되고, 제2 공진 회로(130)의 접지 노드는 제2 전극(114)과 제2 전극 배선(114a)을 경유하여 전기적으로 연결된다.
제1 프로브(110)는 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성된다. 제1 공진 회로(130) 및 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)에는 제1 교류 신호가 인가된다. 이때 제1 교류 신호를 인가하는 제1 오실레이터(132, 도 1에서는 도시되지 않음)는 제1 공진 회로(130) 및 판정 회로(120)의 사이에 병렬 연결되어 배치될 수도 있고, 제1 공진 회로(130) 또는 판정 회로(120) 중 어느 한 쪽에 포함되어 구현될 수도 있다.
제2 공진 회로(140)는 제1 공진 회로(130)와 동일한 임피던스 특성을 가진다. 레퍼런스 교류 신호이면서 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 제2 공진 회로(140)에 인가된다. 제2 교류 신호를 인가하는 제2 오실레이터(142, 도 1에서는 도시되지 않음)는 제2 공진 회로(140) 및 판정 회로(120)의 사이에 병렬 연결되어 배치될 수도 있고, 제2 공진 회로(140) 또는 판정 회로(120) 중 어느 한 쪽에 포함되어 구현될 수도 있다.
판정 회로(120)는 제1 공진 회로(130)에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로(140)에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수(ω2)에 기반하여 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성한다. 이때 토양의 상태는 토양이 함유하는 수분, 토양의 염류, 또는 토양의 전기 전도도(EC) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1 전극(112)는 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 제1 프로브(110)의 외부를 둘러싸는 전도체를 포함하며, 토양에 접촉하여 토양의 상태에 대한 정보를 수신하고, 감지하는 전극으로서 기능한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(200)를 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 토양 모니터링 센서(200)는 제1 프로브(110), 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120)를 포함한다.
도 2의 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 제1 프로브(110)는 도 1에 도시된 사항으로부터 충분히 설명되었으므로 중복된 설명은 생략한다. 도 2의 판정 회로(120)의 동작 또한 도 1의 판정 회로(120)와 중복되는 설명은 생략한다.
도 2의 토양 모니터링 센서(200)는 제1 프로브(110)에 결합된 온도 센서(250)를 더 포함할 수 있다. 이때 온도 센서(250)는 제1 전극(112) 및 제2 전극(114) 중 적어도 어느 하나에 결합될 수 있다. 판정 회로(120)는 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 보상함으로써 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성할 수 있다. 이때, 설명의 편의를 위하여 제1 판정 값과 제2 판정 값을 도입하였지만, 판정 회로(120)에 수신된 제1 전기 신호 (및/또는 제2 전기 신호)에 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반한 판정 기준을 적용함으로써 제2 판정 값이 생성될 수도 있다. 토양의 수분 또는 전기 전도도(EC)는 온도에 비례하거나 반비례하여 달라지는 것으로 알려져 있으므로, 판정 회로(120)에서 수신된 제1 전기 신호 (및/또는 제2 전기 신호)에 온도에 기반한 수분 및/또는 전기 전도도(EC) 판정 기준을 적용함으로써 온도에 의하여 보상된 토양 수분 및/또는 전기 전도도에 대한 제2 판정 값이 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 단일극 프로브(110)의 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
제1 프로브(110)는 제1 전극(112), 및 제2 전극(114)을 포함한다. 제1 전극(112)은 전도체이며 제1 프로브(110)의 외부를 둘러싸도록 배치되고, 제1 전극 배선(112a)를 경유하여 제1 공진 회로(130)와 연결된다.
제2 전극(114)은 제1 프로브(110)의 내부에 배치되고 제1 프로브(110)의 첨단부에 돌출되어 토양과 접촉하며 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120) 중 적어도 하나 이상의 접지 노드와 전기적으로 연결됨으로써 접지극으로서 기능할 수 있다. 제2 전극(114)은 제2 전극 배선(114a)을 경유하여 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120) 중 적어도 하나 이상의 접지 노드와 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극(112)은 제1 프로브(110)의 외부에서 토양과 접촉하며, 제1 전극(112)이 토양과 접촉하는 면적은 제2 전극(114)이 토양과 접촉하는 면적보다 넓을 수 있다. 즉, 제1 전극(112)는 제1 프로브(110)의 외곽을 둘러싸도록 형성되므로 제1 프로브(110)를 둘러싸는 토양과 넓은 면적에서 접촉하고, 제2 전극(114)은 제1 프로브(110)의 첨단부에서 토양과 접촉하면서 접지극으로서 기능할 수 있다.
판정 회로(120)는 제1 전극(112)을 둘러싸고 제1 전극(112)에 접촉하는 토양의 제1 전극(112)에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 의해, 제1 전극(112)을 둘러싸고 제1 전극에 접촉하는 토양과 제1 전극(112) 사이에서 형성되는 상호 작용에 의하여 제1 전극(112) 접지(ground)와 이루는 정전용량 Cx에 기반하여 제1 공진 회로(130)에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화를 검출하고, 검출된 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 기반하여, 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성할 수 있다. 이 때 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 기반하여 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하고, 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 제1 판정 값을 보상함으로써 제2 판정 값을 생성할 수 있다. 일반적으로 온도가 변화하면 동일한 제1 공진 주파수(ω1)의 값에 대해서도 판정되는 토양의 상태(수분, 염류, 및/또는 전기 전도도)에 대한 정보가 달라질 수 있음이 알려져 있다.
판정 회로(120)는 캘리브레이션 과정을 통해, 실질적으로 토양의 심층 또는 내부 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(126)과 실질적으로 토양의 표층 부분에서, 토양에 함유된 수분이 없는, 토양 자체에 대한 정전용량값(125)을 고려하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분량이 유의미한 값으로 존재하는지 여부를 판정할 수 있다.
이 경우, 판정 회로(120)는 실질적으로 토양의 심층 또는 내부 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전 용량 값 Cx에 의해 발생하는 제1 공진 주파수(ω1)와 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)의 차이값을 최소한의 임계치와 비교함으로써 토양의 수분량을 센싱할 수 있다.
도 3의 단일극 프로브(110)는 외부를 둘러싸는 토양과 상호작용하는 제1 전극(112)에 의하여 정전 용량 Cx을 형성하고, 토양 모니터링 센서(100, 200)는 정전 용량 Cx에 기반한 제1 공진 주파수(ω1)의 변화를 검출한다. 종래의 3극 또는 4극의 토양 모니터링 센서와 비교하여 단일극 프로브(110)를 이용하는 본 발명의 토양 모니터링 센서(100, 200)는 국소적인 범위만이 아닌 넓은 영역의 토양의 수분을 측정할 수 있다. 종래의 다극 토양 모니터링 센서들이 다극 사이에 위치하는 토양의 국소적인 부분에 대해서만 정전 용량을 형성하는 반면, 본 발명의 토양 모니터링 센서(100, 200)는 보다 넓은 면적에서 토양과 접촉하며, 토양 전반의 수분과 염류, 전기 전도도를 측정할 수 있다. 즉, 종래의 다극 토양 모니터링 센서들은 토양의 어느 위치에 침투하는지에 따라서 측정값이 상이하였다면, 본 발명의 토양 모니터링 센서(100, 200)는 단일극 프로브(110)가 토양 내에 침투하는 위치에 대해서 강인하게(robust) 토양 내의 상태를 모니터링할 수 있는 수단을 제공한다. 한편, 종래에도 단일극 프로브 형태의 토양 모니터링 센서들이 존재하지 않았던 것은 아니나, 넓은 범위의 주파수를 스캔하여 시간이 오래 걸리거나, 반사파의 진폭을 측정하는 데에 어려움이 있어 측정의 정확도가 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
본 발명의 토양 모니터링 센서(100, 200)는 단일극 프로브(110)를 이용하여 토양 내 침투 위치에 대해서 강인한 측정 결과를 제공하며, 다중 주파수를 스캔할 필요 없이 한번에 주파수 특성을 검출할 수 있고, 토양의 수분을 측정하기 위하여 공진 주파수의 차이를 검출함으로써 공진 신호의 진폭을 별도로 검출할 필요도 없으므로, 측정의 비용을 절감, 시간을 단축하며 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)는 종래의 진폭 기반 토양 모니터링 센서의 주변 인터페이스와의 호환을 위하여, 토양 모니터링 센서(100, 200)가 포함된 집적회로 칩 내에서 공진 주파수의 차이를 검출하고, 공진 주파수의 차이 만큼을(공진 주파수의 차이에 대응하는 토양의 상태 정보에 비례하도록) 아날로그 신호의 진폭으로 변환하여 외부로 출력할 수 있다. 이때 주변 인터페이스는 종래의 센서들과 마찬가지로 아날로그 신호의 진폭이 변환된 신호를 수신하여, 토양의 상태에 대한 정보를 본 발명의 토양 모니터링 센서(100, 200)로부터 수신할 수 있다. 이때 외부의 소자 또는 별도의 회로 구성이 필요 없으며 종래의 센서의 주변 인터페이스와 통신하는 데에도 비용을 절감할 수 있다.
공진 주파수의 차이를 전압으로 변환하여 아날로그 신호로 출력하는 수단은 Frequency to Voltage Converter 회로를 이용할 수 있다. 이때 노이즈를 제거하기 위하여 Filter용 커패시터가 추가될 수 있고, Filter용 커패시터의 커패시턴스가 커야 하는 경우에는 토양 모니터링 센서(100, 200) 외부에 커패시터가 연결될 수 있도록 외부로 노출되는 커패시터 연결용 핀이 제공될 수 있다.
한편, 공진 주파수의 차이를 검출하여 토양의 상태를 추정한 제1 추정 정보와, 공진 신호의 진폭을 검출하여 토양의 상태를 추정하는 제2 추정 정보를 종합적으로 참조하여 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수도 있다. 제1 추정 정보에 제2 추정 정보가 보상된 토양의 상태 정보를 생성할 수 있으며, 그 반대도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 단일극 프로브(110)의 내부 구성 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면 제1 프로브(110)는 제1 전극(112), 및 제2 전극(114)을 포함한다. 제1 전극(112), 제1 전극 배선(112a), 제2 전극(114a), 제2 전극 배선(114a)에 대한 설명으로서 도 3의 실시예와 중복되는 설명은 생략한다.
제1 전극(112)이 외부를 둘러싸는 토양과의 상호 작용을 통하여 접지(ground)와 이루는 정전 용량 Cx에 대한 설명도 도 3의 실시예와 중복되므로 생략한다.
제1 전극(112) 및 제2 전극(114) 사이에는 간격(116)이 형성된다. 이 간격(116)에는 절연체가 충전되어 있거나, 제1 전극(112) 및 제2 전극(114) 사이가 이격되어 제1 프로브(110) 내부에 간격(116) 만큼의 빈 공간이 형성될 수 있다. 또한 간격(116)의 일부는 절연체가 충전되어 있고, 나머지 부분은 빈 공간인 상태로 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 단일극 프로브(110)와 연결되는 제1 공진 회로(130)와 판정 회로(120) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 레퍼런스 공진 회로인 제2 공진 회로(140)와 판정 회로(120) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 5와 도 6을 함께 참고하면, 판정 회로(120)는 제2 공진 회로(140)에 인가되는 제2 교류 신호의 영향으로 제2 공진 회로(140)에 형성되는 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출할 수 있다. 판정 회로(120)는 제2 공진 주파수(ω2)와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이에 기반하여 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성할 수 있다. 이때 판정 회로(120)는 제2 공진 주파수(ω1)와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이에 기반하여 토양에 함유된 수분에 대한 제1 판정 값을 생성하고, 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 제1 판정 값을 보상함으로써 제2 판정 값을 생성할 수 있다.
이때 판정 회로(120)는 제2 공진 주파수(ω2)와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 토양의 상태를 판정할 수 있다. 예를 들어 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 토양이 함유하는 수분이 유효한 임계값 이상인 것으로 토양의 상태가 판정될 수 있다.
또는 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 일반적인 토양의 수분과 공진 주파수 간의 차이값의 관계가 데이터로서 메모리 또는 데이터베이스에 저장되고, 검출된 공진 주파수 간의 차이값과 온도에 기반하여 메모리 또는 데이터베이스에 저장된 데이터를 참조하여 현재 측정된 토양의 수분에 대한 판정 값이 생성될 수 있다.
도 5의 제1 공진 회로(130)는 제1 전극 배선(112a)을 경유하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)과 연결될 수 있다. 제2 전극 배선(114a)을 경유하여 제2 전극(114)은 제1 공진 회로(130), 제1 오실레이터(132), 및 판정 회로(120)의 접지 노드와 전기적으로 연결될 수 있다. 이때 도 5에서는 제1 오실레이터(132)가 제1 공진 회로(130) 및 판정 회로(120)의 사이에 배치되는 실시예가 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 오실레이터(132)는 제1 공진 회로(130) 또는 판정 회로(120) 중 어느 하나의 내부에 포함될 수도 있다. 제1 오실레이터(132)는 제1 교류 신호를 제1 공진 회로(130)에 인가하고, 제1 교류 신호는 미리 결정된 진동 주파수를 가지지만, 제1 교류 신호가 제1 공진 회로(130)의 임피던스와 결합하여 제1 공진 회로(130)에 의하여 공진되는 제1 전기 신호가 제1 공진 회로(130)에 형성되고, 이때 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)가 결정된다.
제1 오실레이터(132)는 제1 교류 신호를 제1 공진 회로(130)를 경유하여, 제1 공진 회로(130)와 연결된 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)에도 인가한다. 제1 전극(112)을 둘러싸는 토양과의 상호 작용에 의하여 제1 전극(112)과 접지(ground)와의 사이에는 정전 용량 Cx가 형성되고, 정전 용량 Cx는 제1 공진 회로(130)의 합성 임피던스에 영향을 미친다. 토양의 수분에 기반하여 정전 용량 Cx가 형성되고, 정전 용량 Cx의 영향으로 제1 공진 주파수(ω1)가 결정될 수 있다. 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)가 결정되면, 제1 전기 신호는 판정 회로(120)로 전달되어 판정 회로(120)가 제1 공진 주파수(ω1)를 검출하거나, 또는 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출할 수 있다.
또한, 제1 공진 회로(130)는 제1 인덕터(136) 및 제1 커패시터(138)를 포함한다. 제1 인덕터(136)는 코일의 형태를 취할 수도 있으나 제어 가능한 인덕턴스를 가지는 반도체 패턴의 형태로 구현될 수도 있다. 도 5를 참조하면 제1 공진 회로(130)에 형성되는 제1 기생 저항(134)이 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 회로(130)와 후술할 다른 회로들 간의 밸런싱을 위하여 저항기 R'(도시되지 않음)가 추가로 배치될 수도 있다.
한편, 본 발명의 토양 모니터링 센서(100)는 제1 공진 회로(130), 제1 오실레이터(132), 제2 공진 회로(140), 제2 오실레이터(142), 및 판정 회로(120)를 하나의 집적회로(IC)로서 구현할 수 있으며, 이 경우, 집적회로는 인터페이스 포트 기능을 가지는 제1 전극 배선(112a), 및 제2 전극 배선(114a)을 경유하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)과 연결될 수 있다.
이와 같이, 토양 모니터링 센서의 판정 회로(120) 부분이 하나의 칩(chip)으로 제작되는 경우, 센서 측의 제1 공진 회로(130)와 레퍼런스 공진 회로인 제2 공진 회로(140)가 근접하게 배치되고, 동일한 종류의 소자로 제작되므로, 공정 변이(process variation)에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 실시간으로 정확하게 토양 내의 수분량을 판정할 수 있다.
제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)을 둘러싸는 토양이 함유하는 수분에 기반하여 결정될 수 있다.
즉, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)을 둘러싸는 토양과 제1 전극(112) 사이의 상호작용에 의하여 제1 전극(112)과 접지(ground) 사이에 형성되는 정전 용량/커패시턴스 Cx의 변화로 인하여, 제1 공진 회로(130)의 임피던스 및 제1 프로브(110)에 형성된 커패시턴스 Cx가 병렬로 연결되어 산술적으로 합산된 커패시턴스를 가지는 합성 임피던스가 변화한다. 이러한 합성 임피던스와 제1 교류 신호가 결합하여 제1 공진 회로(130)에 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호가 형성된다. 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)을 포함하는 제1 프로브(110)에도 마찬가지로 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호가 형성된다.
제2 공진 회로(140)는 제1 공진 회로(130)와 동일한 임피던스를 가지도록 설계된다. 특히 제2 공진 회로(140) 내의 제2 인덕터(146)와 제2 커패시터(148)는 제1 공진 회로(130) 내의 제1 인덕터(136) 및 제1 커패시터(138)와 동일한 값을 가지도록 설계될 수 있다. 또한, 제2 공진 회로(140)는 제1 공진 회로(130)와 근접하게 배치되어 제조 시 공정 변이의 영향을 덜 받게 할 수 있다.
한편, 제2 공진 회로(140) 내의 기생 저항 성분(144)이 도시되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 회로(130) 및 제2 공진 회로(140)의 임피던스를 정확히 일치시키고 밸런싱을 개선하기 위하여 저항기 R'(도시되지 않음)이 추가로 포함될 수도 있다.
제2 오실레이터(142)에 의하여 인가되는 제2 교류 신호가 제2 공진 회로(140)에 인가된다. 인가된 제2 교류 신호가 제2 공진 회로(140)의 임피던스와 결합하여 제2 공진 회로(140)에는 제2 전기 신호가 형성된다. 제2 교류 신호는 레퍼런스 교류 신호이고, 이로 인하여 제2 공진 회로(140)에 형성되는 제2 전기 신호는 레퍼런스 전기 신호이다. 이때 제2 전기 신호는 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 가진다. 제2 전기 신호는 제2 오실레이터(142)의 고유 주파수를 가지는 제2 교류 신호와 제2 공진 회로(140)의 임피던스가 결합하여 제2 공진 회로(140) 내에서 공진되면서 형성된다. 설명의 편의를 위하여 제2 오실레이터(142)는 제1 오실레이터(132)와 동일한 특성을 가지도록 설계되지만, 토양의 상태에 대한 센싱이 이루어지지 않는 동안에는 제1 공진 회로(130)와 제2 공진 회로(140)의 임피던스 매칭에 의하여 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2)가 동일하도록 매칭되는 것이 더욱 중요하다.
제2 공진 회로(140)는 외부에 노출되지 않으므로 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 제2 공진 회로(140)의 전기적 특성에는 영향이 없다. 따라서 제2 전기 신호는 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 유지할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 것처럼 제1 공진 회로(130)에 형성된 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호 및 제2 공진 회로(140)에 형성된 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호가 판정 회로(120)로 전달된다. 판정 회로(120)에 포함되는 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제2 오실레이터(142) 및 제2 공진 회로(140)의 동작 또한 제어될 수 있다.
판정 회로(120)는 제1 공진 회로(130)에 형성되는 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로(140)에 형성되는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 수신하고, 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2)에 기반하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량을 판정할 수 있다.
이때, 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값을 통하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량이 어느 정도인지를 판정할 수 있다.
판정 회로(120)는 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량의 정도에 따라 형성되는 정전 용량 Cx에 기반하여 제1 공진 회로(130)에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화를 검출하고, 검출된 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 기반하여 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량을 측정할 수 있다.
구체적으로, 정전용량은 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020032443495-pat00001
여기서, C는 정전용량/커패시턴스이고, ε은 유전상수이고, S는 대향하는 전극의 면적, d는 전극 간의 거리이다. 유전상수 ε와 정전용량 C는 서로 비례한다. 또한,
ε0 = 8.854 * 10-12 F/m (진공의 유전율)
εr = Relative Permittivity (비유전율)
로서, 유전상수 ε은 일정한 진공의 유전율인 ε0와의 비율인 비유전율 εr을 특성값으로 사용한다. 공기의 비유전율은 진공의 비유전율과 유사하고, 물의 비유전율 εr은 80 정도로 공기와 토양입자들에 비하여 상대적으로 훨씬 크기 때문에, 토양의 유전상수는 토양의 수분함량에 강하게 영향을 받는다. 토양 사이의 공극 또한 공기이므로 수분 함량에 의한 비유전율의 변화에 크게 영향을 주지 못한다. 한편, 진공의 비유전율은 온도의 변화에 상관없이 항상 1을 유지하나, 물의 유전율은 온도가 높아지면 감소한다. 따라서, 일정한 온도에서 토양에 함유되는 수분량이 많을수록 토양의 유전상수가 증가할 것이며, 그에 따라 토양의 정전용량은 증가할 것이다.
온도가 변화하면 그에 따라 물의 유전율이 달라질 것이므로 온도의 변화에 기반하여 토양에 함유되는 수분량에 대한 보상이 필요하다.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로와 레퍼런스 회로의 공진 주파수 f는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112020032443495-pat00002
여기서, L은 인덕턴스(inductance)이고, C는 정전용량이다. 공진 주파수 f와 정전용량 C는 서로 반비례한다. 따라서, 토양의 정전용량이 증가할수록 공진 주파수 f는 감소하게 된다.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로에서, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량이 많을수록 제1 프로브(110)에 커플링되는 정전 용량 Cx이 커지므로, 병렬적으로 연결되어 산술적으로 더해지는 제1 공진 회로(130)의 합성 정전 용량에 의해 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 감소할 것이다.
토양의 수분량을 측정하는 제1 프로브(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)은 제1 전극 배선(112a) 및 제2 전극 배선(114a)를 경유하여 제1 공진 회로(130)에만 연결되어 있고, 레퍼런스 공진 회로의 제2 공진 회로(140)에는 연결되어 있지 않다. 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양이 함유하는 수분에 기반하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유하는 수분량에 따라 형성되는 커패시턴스 Cx의 변화로 인하여 제1 공진 회로(130)의 임피던스 및 커패시턴스가 병렬로 연결되어 산술적으로 더해지는 합성 임피던스가 변화함에 따라 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)도 변화한다.
한편, 제1 공진 회로(130)와는 달리 제2 공진 회로(140)는 토양의 수분량을 측정하는 제1 프로브(110)와 연결되지 않으므로, 토양의 수분 유무와 관계 없이 제2 공진 주파수(ω2)를 그대로 유지한다. 이때 제2 공진 회로(140)는 공기를 매질로 하는 정전용량을 기준으로 하는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 발생시킬 수 있다.
그러므로, 제2 공진 회로(140)의 제2 전기 신호와 제1 공진 회로(130)의 제1 전기 신호 간의 주파수 차이를 검출하면 제1 공진 회로(130)의 제1 공진 주파수(ω1)가 제2 공진 주파수(ω2)에서 shift되었는지 여부, 및 shift되었다면 그 shift된 정도에 대한 정량적인 분석이 가능하다.
레퍼런스 공진 회로는 제1 공진 회로(130)에서 발생하는 제1 공진 주파수(ω1) 변화를 트랙킹(tracking)하여, 판정 회로(120)가 측정하는 제1 공진 주파수(ω1)에 부가되는 노이즈(noise)를 실시간으로 제거하고, 제1 공진 주파수(ω1) 변화량을 정확하게 측정하게 할 수 있다.
제1 프로브(110)를 토양에 찔러 넣으면, 토양을 경유하여 제1 전극( 112)의 외부를 둘러싸는 토양과의 상호작용으로 인하여 제1 전극(112)과 접지(ground) 사이에 형성되는 정전용량/커패시턴스 Cx의 영향으로 인하여 제1 공진 주파수(ω1)가 변화하는데, 이때 대단히 건조한 토양, 예를 들면 마른 모래, 또는 건조한 황무지에서는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화는 크지 않고, 수분을 함유한 토양의 경우에는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화가 크게 감지된다.
판정 회로(120)는 제2 공진 회로(140)에 인가되는 제2 교류 신호의 영향으로 제2 공진 회로(140)에 형성되는 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2) 와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출하고, 제2 공진 주파수와 제1 공진 주파수 간의 차이(ω2 - ω1)에 기반하여 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유하는 수분량을 판정할 수 있다.
한편, 제1 프로브(110) 사이의 토양에 도전체와 같은 이물질이 들어간 경우, 또는 토양에 함유된 수분이 매우 많은 경우, 예를 들어 진흙탕이 된 경우에는 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)과 접지(ground) 간의 전기적 특성이 최초 가정된 범위에서 크게 벗어날 수 있다. 또한 토양에 함유된 수분이 너무 많은 경우로서 물이 토양에서 흘러 넘치는 수준인 경우, 또는 반대로 물에 토양이 잠긴 것과 같은 경우에도 제1 프로브(110)에 결합되는 정전용량/커패시턴스 Cx가 최초 가정된 범위를 크게 벗어날 수 있다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 주파수(ω1)가 제2 공진 주파수(ω2)보다 더 커지게 되어 제2 공진 주파수(ω2)와 제1 공진 주파수(ω1)의 차이가 음수가 될 수 있다.
이 경우, 판정 회로(120)는 적절한 센싱이 아닌 것으로 판정하여 에러(error)를 사용자에게 디스플레이나 스피커와 같은 시각적, 또는 청각적 수단으로 통지할 수 있다.
한편, 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 따라 공진 주파수에 대한 복수개의 기준값을 가질 수도 있다. 토양의 수분량을 측정하지 않는 경우, 즉, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양이 없는 경우의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)의 차이를 제1 임계값으로 정의하면, 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값이, 제1 임계값 이상이면 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 토양에 함유되는 수분이 유효한 의미를 갖는 양으로 존재하고 있음으로 판정할 수 있다.
제1 공진 회로(130)에 근접하게 배치되고, 동일한 임피던스를 갖도록 제1 커패시터(138)와 동일한 커패시턴스를 갖는 제2 커패시터(148), 제1 인덕터(136)와 동일한 인덕턴스를 갖는 제2 인덕터(146), 및 제1 기생 저항(134)과 동일한 저항값을 갖는 기생 저항(144)을 갖는 제2 공진 회로(140)가 제1 오실레이터(132)와 동일한 주파수 또는 위상을 가진 제2 오실레이터(142)에서 인가되는 제2 교류신호로부터 형성되는 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기신호라 하더라도, 공정 조건 또는 다양한 주변 환경 변수에 의하여 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기신호와 특정한 주파수 차이값을 가질 수 있다.
판정 회로(120)는 이러한 특정한 주파수 차이값을 오프셋(offset)으로 설정하고 제1 임계값으로 정의하여, 제2 공진 주파수(ω2) 와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이가 제1 임계값 이상인 경우에만, 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 토양에 함유된 수분량이 유효한 의미를 가진 양만큼 있다고 판정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라서는 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값을 제1 임계값의 배수에 따라 제2 임계값, 제3 임계값, 제4 임계값 등등의 복수개의 기준값으로 정의하여 토양에 함유되는 수분량의 등급을 나누어 판정할 수 있다.
판정 회로(120)는 추가적으로 내부에 제1 오실레이터(132) 및 제1 공진 회로(130)의 동작을 제어하기 위한 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다. 제어부의 제어 명령에 의하여 제1 교류 신호가 제1 오실레이터(132)로부터 제1 공진 회로(130)에 인가되고, 제1 공진 회로(130)에 형성된 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)에 대한 정보를 판정 회로(120)가 수신할 수 있다.
또한, 판정 회로(120)는 캘리브레이션(calibration) 과정을 수행할 수 있다. 판정 회로(120)는 토양 수분량을 측정하지 않는 경우, 즉 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)을 외부에서 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 없는 상태에서 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다. 이때 캘리브레이션 과정을 통해 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이가 zero가 되도록 제1 공진 회로(130) 또는 제2 공진 회로(140)가 조정될 수 있다.
캘리브레이션 과정을 통해 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)을 외부에서 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 없는 상태에서 검출되는 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이가 별도의 메모리 또는 스토리지(storage)에 저장되어 향후 토양 수분 센싱 과정에서 오프셋(offset) 정보로 처리될 수 있다.
캘리브레이션을 거친 후 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 대한 조정은 가변 저항기 R' 의 값을 조정하는 등의 수단을 이용하여 실행될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 판정 회로(120)의 구성, 및 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120) 간의 상호 동작을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)의 신호 처리 과정 및 판정 회로(120)의 신호 처리를 위한 구성을 도시하는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)는 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120)를 포함한다.
도 7의 제1 공진 회로(130), 제2 공진 회로(140), 및 판정 회로(120)의 동작에 관하여 앞서 설명한 사항과 중복되는 설명은 생략한다.
도 7에서 판정 회로(120)는 연산기(122, operator), 저역통과필터(124, Low Pass Filter), 타임-투-디지털 변환기(126, Time-to-Digital Converter)를 포함한다.
연산기(122)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)의 차이를 구한다. 연산기(122)가 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)의 차이를 구하는 가장 간단한 방법 중 일 예로서, 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)를 곱셈 연산하는 방법이 있을 수 있다. 저역통과필터(124)는 연산기(122)의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거한다. 이로 인하여 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분의 저주파 신호가 생성된다.
타임-투-디지털 변환기(126)는 저역통과필터(124)의 출력단에 연결되어 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트한다. 이때 타임-투-디지털 변환기(126)는 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 출력할 수 있다.
실시예에 따라서는 타임-투-디지털 변환기(126)는 제3 주파수 성분 신호의 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 제4 주파수를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있다. 제4 주파수는 제3 주파수 성분 신호의 주파수와 동일할 수도 있으나, 연산기(122) 및 저역통과필터(124)를 거치면서 반영되는 전달 함수(Transfer function)의 영향으로 최초의 주파수와는 다른 제4 주파수를 가질 수도 있다. 타임-투-디지털 변환기(126)는 제4 주파수를 가지는 펄스 신호의 펄스 개수를 일정 시간 구간 동안 카운트하거나, 제4 주파수를 가지는 펄스 신호의 펄스폭 또는 주기에 대한 디지털 카운트 값을 생성할 수 있다.
판정 회로(120)에서 생성된 디지털화된 카운트값, 즉, 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값은 토양 모니터링 센서(100, 200)의 구성에 따라서 다시 디지털화된 값에 비례하는 아날로그 신호로 변환되어 토양 모니터링 센서(100, 200)의 메인 프로세서 측으로 전달될 수도 있다. 이때 아날로그 신호의 전압, 전류, 주파수, 또는 진폭 등이 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하도록 변환될 수 있다.
앞선 실시예의 판정 회로(120)에서 적용되는 제1 임계값과 제2 임계값 등은 타임-투-디지털 변환기(126)의 출력으로 생성되는 디지털 카운트 값에 적용될 수 있다. 판정 회로(120)의 실시예에 따라서는 제3 주파수 성분 신호에 대한 샘플러 및 비교기(comparator)를 포함할 수 있는데, 이때 판정 회로(120)의 원활한 동작을 위하여 샘플러 및 비교기는 제2 임계값에 해당하는 주파수 성분보다 충분히 큰 동작 주파수를 선택하여 설계될 수 있다.
종래의 토양 모니터링 센서가 토양에 함유된 수분을 판정하는 데에 소요되는 시간은 수백 밀리초 내지 수 초 수준인데, 본 발명의 토양 수분을 판정하는 과정은 수백 마이크로초 내지 수 밀리초 내에 완전히 결과를 검출할 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 토양 모니터링 센서(100, 200)는 PLL 루프 대신 Time-to-Digital Converter를 이용하므로, 제어 루프 없이도 회로의 안정적인 동작이 가능하고, 비용이 보다 저렴하고, 구성 회로의 구현이 간단하다.
본 발명의 판정 회로(120)는 디지털 카운트 값에 제1 임계값 및 제2 임계값을 적용하여 판정한 결과를 별도의 신호로 생성하여 토양 모니터링 센서(100, 200)의 메인 프로세서에 전달할 수 있다.
메인 프로세서는 제1 임계값의 경우 토양에 함유된 수분량이 유의미한 값을 가지고 있음을 감지하고, 제2 임계값의 경우 토양에 함유된 수분량이 더 많이 존재하고 있음을 판정할 수 있다. 그리고, 설정된 복수의 기준값으로 설정된 복수의 임계값에 따라 토양에 함유된 수분량의 등급을 판정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제2 임계값이 제1 임계값보다 클 수 있다.
도 8은 도 1의 토양 모니터링 센서(100)의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다.
본 발명의 토양 수분 센싱 방법은 도 1의 토양 모니터링 센서(100), 또는 그 내부의 제어부(도시되지 않음)에 의하여 실행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 오실레이터(132)에 의해 제1 프로브(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(114)과 제1 공진 회로(130)에 제1 교류 신호가 인가된다(S810). 제1 오실레이터(132)의 동작 또는 제1 교류 신호의 인가 동작은 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제어될 수 있다.
제1 교류 신호의 인가로 인하여, 제1 전기 신호가 제1 공진 회로(130)에 형성된다. 제1 공진 회로(130)는 판정 회로(120) 및 제1 프로브(110) 사이를 연결한다. 판정 회로(120)가 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를 수신한다(S820).
제2 오실레이터(142)에 의해 제2 공진 회로(140)에 제2 교류 신호가 인가된다(S812). 제2 오실레이터(142)의 동작 또는 제2 교류 신호의 인가 동작은 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제어될 수 있다.
제2 교류 신호의 인가로 인하여, 제2 전기 신호가 제2 공진 회로(140)에 형성되고, 판정 회로(120)는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 수신한다(S822). 단계 S812 및 단계 S822는 단계 S810 및 단계 S820과 병렬적으로 실행될 수 있다.
제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 수신한 판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출한다(S830). 판정 회로(120)가 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양인지 여부를 판정한다.
판정 회로(120)가 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단하지 않는다면 현재의 프로세스를 종료한다. 필요에 따라 일정 시간 경과 후 또는 일정 조건이 충족되면 단계 S810이 다시 되풀이될 수 있다.
판정 회로(120)가 제1 프로브(110)의 제1 전극(112) 및 제2 전극(114) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단한다면, 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유된 수분의 양을 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여 판정한다(S830).
도 9는 도 2의 토양 모니터링 센서의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다. 본 발명의 토양 수분 센싱 방법은 도 1 내지 도 2의 토양 모니터링 센서(100, 200), 또는 그 내부의 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 실행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 오실레이터(132)에 의해 제1 프로브(110)에 제1 공진 회로(130)를 경유하여 제1 교류 신호가 인가된다(S910). 그리고, 제1 프로브(110)와 연결된 제1 공진 회로(130)에 형성되어 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를, 판정 회로(120)가 수신한다(S920).
제2 오실레이터(142)에 의해 제2 공진 회로(140)에 제2 교류 신호가 인가된다(S912). 그리고, 제2 공진 회로(140)에 형성되어 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를, 판정 회로(120)가 수신한다(S922). 단계 S912 및 단계 S922는 단계 S910 및 단계 S920과 병렬적으로 실행될 수 있다.
판정 회로(120)가 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수(ω2)에 기반하여 제1 전극(1120에 접촉하는 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성할 수 있다(S930). 판정 회로(120)는 온도 센서(250)에 의하여 측정된 온도에 기반하여 제1 판정 값을 보상함으로써 제2 판정 값을 생성할 수 있다(S940).
도 1 내지 도 9의 실시예에서, 온도 센서(250)는 공지의 온도 센서를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 널리 알려진 온도 측정 방법 중 하나는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 물질을 이용하는 것이다. 온도에 기반하여 저항 등의 값이 달라질 것이므로 이를 활용하여 전압, 전류 등 전기적 신호의 변화를 감지하여 온도를 산출해 낼 수 있다.
판정 회로(120)는 측정된 온도에 기반하여 물의 유전율을 산출하고, 측정된 주파수 shift 및 온도 보상된 물의 유전율에 기반하여 보상된 정전 용량 값을 산출할 수 있다. 판정 회로(120)는 보상된 정전 용량 값에 기반하여 토양 또는 배지(작물이 생장하는 배지)의 수분 함유량 또는 함수율(Water Content)을 산출할 수 있다.
이때, 함수율 또는 정전 용량 값은 온도 및 공진 주파수의 shift 의 함수로 주어질 수 있다. 또는 판정 회로(120)는 미리 정해지고 미리 저장된 테이블 정보에 기반하여 온도에 기반하여 토양의 함수율을 산출할 수 있다 .테이블 정보는 온도 및 다른 변수들과의 관련성 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어 온도와 대비될 수 있는 다른 변수들은 함수율, 정전 용량 값, 임피던스의 변화 또는 공진 주파수의 shift 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 10은 도 7의 토양 모니터링 센서(100, 200)의 동작 방법의 일 실시예를 도시하는 동작 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 단계 S1010, S1020. S1012, S1022 는 도 8의 단계 S810, S820, S812, S822, 및 도 9의 단계 S910, S920, S912, S922와 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
그리고, 판정 회로(120)는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출한다(S1032).
판정 회로(120)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여, 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양인지 여부를 판정한다(S1034).
판정 회로(120)가 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단하지 않는다면 현재의 프로세스를 종료한다. 필요에 따라 일정 시간 경과 후 또는 일정 조건이 충족되면 단계 S1010부터 다시 되풀이될 수 있다.
판정 회로(120)가 제1 프로브(110)의 제1 전극(112)의 외부를 둘러싸는 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단한다면, 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유된 수분의 양을 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 프로브(210)로부터 토양의 표층에 대한 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여 판정한다(S1036).
도 11은 도 3 및/또는 도 4에 도시된 단일극 프로브(110)의 외형의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 단일극 프로브(110)의 외부를 둘러싸는 제1 전극(1112), 및 단일극 프로브(110)의 첨단부에 돌출되어 토양과 접촉하는 제2 전극(1114)이 도시된다. 제1 전극(1112)은 단일극 프로브(110)가 토양을 침투하는 제1 방향으로 길게 형성되며, 단일극 프로브(110)의 외부의 전면을 둘러싸도록 형성될 수도 있고, 심층의 토양을 모니터하는 데에 초점을 맞추는 경우 단일극 프로브(110)의 외측의 일부만을 둘러싸도록 형성될 수도 있다. 도 11에서는 단일극 프로브(110)의 외형이 환봉의 형태로 구현되었으나, 본 발명의 실시예는 이러한 실시예에 의하여 국한되지 않는다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 모니터링 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 등가 회로를 도시하는 도면이다.
제1 공진 회로를 형성하는 제1 인덕터(1236), 및 제1 커패시터(1238)에 제1 오실레이터(1232)가 제1 교류 신호를 인가한다. 제1 공진 회로와 제1 프로브를 연결하는 제1 전극 배선, 및/또는 제2 전극 배선에 의하여 나타나는 기생 저항은 도 12에서 Rp로 나타내어진다. 토양과 제1 프로브의 제1 전극 사이의 상호 작용에 의하여 제1 전극에 나타내어지는 기생 정전 용량 Cs(1268) 및 기생 저항(Rs)이 배선의 기생 저항(Rp), 제1 인덕터(1236), 및 제1 커패시터(1238)의 임피던스와 합성되면서, 도 12의 토양 모니터링 센서(100)의 합성 임피던스가 형성된다. 이 합성 임피던스에 기반하여 도 12의 등가 회로에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)가 결정된다.
일반적으로 기생 정전 용량 Cs(1268)는 고주파 신호 환경에서 임피던스의 변화에 강한 영향을 미치고, 토양의 수분에 의하여 영향받는 것으로 알려져 있다. 기생 저항 Rs(1264)는 상대적으로 저주파 환경에서 임피던스의 변화에 강한 영향을 미치고, 토양의 전기 전도도에 의하여 영향받는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 판정 회로(120)는 수백 MHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 토양의 수분을 측정하며, 수 MHz 또는 수백 kHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 토양의 전기 전도도를 측정할 수 있다. 이때 토양의 수분을 측정하는 채널/루틴과 토양의 전기 전도도를 측정하는 채널/루틴이 별개로 실행될 수도 있고, 동시에 하나의 채널/루틴에 의하여 얻어지는 전기 신호를 분석하여 토양의 수분과 전기 전도도를 동시에 얻을 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서는, 판정 회로(120)는 공진 주파수의 차이를 이용하여 토양의 수분을 측정하며, 배선의 기생 저항(Rp)에 의하여 레퍼런스 공진 회로와 센서 측 공진 회로 간의 공진 신호의 진폭을 비교 분석하여 토양의 전기 전도도를 검출할 수도 있다. 이때 제1 오실레이터(1232) 또는 제1 인덕터(1236), 및 제1 커패시터(1238) 양단 간의 전기 신호의 진폭의 변화는 전기 전도도의 변화량에 비례하는 것으로 판정하여 전기 전도도를 검출할 수도 있다. 이 때에도 토양의 수분을 측정하는 채널/루틴과 토양의 전기 전도도를 측정하는 채널/루틴이 별개로 실행될 수도 있고, 동시에 하나의 채널/루틴에 의하여 얻어지는 전기 신호를 분석하여 토양의 수분과 전기 전도도를 동시에 얻을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 판정 회로(120)는 수백 MHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 공진 주파수의 차이를 검출하고 토양의 수분을 측정하며, 수 MHz 또는 수백 kHz 대역의 주파수 성분을 이용하여 공진 신호의 진폭의 변화를 검출하고 토양의 전기 전도도를 측정할 수 있다. 이때에도 토양의 수분을 측정하는 채널/루틴과 토양의 전기 전도도를 측정하는 채널/루틴이 별개로 실행될 수도 있고, 동시에 하나의 채널/루틴에 의하여 얻어지는 전기 신호를 분석하여 토양의 수분과 전기 전도도를 동시에 얻을 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회로의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 실시예와 도면에 소개된 길이, 높이, 크기, 폭 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200: 토양 모니터링 센서 110: 제1 프로브
112: 제1 전극 114: 제2 전극
112a: 제1 전극 배선 114a: 제2 전극 배선
120: 판정 회로
130: 제1 공진 회로 132: 제1 오실레이터
140: 제2 공진 회로 142: 제2 오실레이터
250: 온도 센서

Claims (13)

  1. 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브;
    상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로;
    상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로; 및
    상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호 및 상기 제2 전기 신호에 대한 신호 처리를 통하여 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제3 주파수 성분을 가지는 제3 주파수 성분 신호를 생성하고, 상기 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 대응하는 값을 가지는 출력 신호를 출력하고, 상기 출력 신호가 나타내는 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이의 크기에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 판정 회로;
    를 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 전도체를 포함하며, 상기 토양에 접촉하여 상기 토양의 상태에 대한 정보를 감지하는 토양 모니터링 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나에 결합된 온도 센서;
    를 더 포함하고,
    상기 판정 회로는 상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성하는 토양 모니터링 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 프로브의 내부에 배치되고 상기 제1 프로브의 첨단부에 돌출되어 상기 토양과 접촉하며 상기 제1 공진 회로, 상기 제2 공진 회로, 및 상기 판정 회로 중 적어도 하나 이상의 접지 노드와 전기적으로 연결됨으로써 접지극으로서 기능하고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 프로브의 외부에서 상기 토양과 접촉하며, 상기 제1 전극이 상기 토양과 접촉하는 면적은 상기 제2 전극이 상기 토양과 접촉하는 면적보다 넓은 토양 모니터링 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에는 절연체가 충전되어 있거나, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이가 이격되어 상기 제1 프로브 내부에 빈 공간이 형성되는 토양 모니터링 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판정 회로는
    상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 의해 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양과 상기 제1 전극 사이에서 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하고, 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 모니터링 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 판정 회로는
    상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고,
    상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 토양 모니터링 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 판정 회로는
    상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 토양의 상태를 판정하는 토양 모니터링 센서.
  8. 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브;
    상기 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로;
    상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로; 및
    상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 판정 회로;
    를 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 전도체를 포함하며, 상기 토양에 접촉하여 상기 토양의 상태에 대한 정보를 감지하고,
    상기 판정 회로는
    상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수의 차이를 구하는 연산기(operator);
    상기 연산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및
    상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter);
    를 포함하는 토양 모니터링 센서.
  9. 제1 오실레이터가, 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 제2 전극과 연결되는 제1 공진 회로를 경유하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 제1 교류 신호를 인가하는 단계;
    상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 제2 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지는 제2 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호인 제2 교류 신호를 인가하는 단계;
    판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 프로브 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
    상기 판정 회로가 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계;
    상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호 및 상기 제2 전기 신호에 대한 신호 처리를 통하여 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수 간의 차이에 대응하는 제3 주파수 성분을 가지는 제3 주파수 성분 신호를 생성하는 단계;
    상기 판정 회로가 상기 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 대응하는 값을 가지는 출력 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 판정 회로가 상기 출력 신호가 나타내는 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이의 크기에 기반하여 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 상기 제1 전극이 접촉하는 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 단계;
    를 포함하는 토양 모니터링 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 프로브의 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 하나에 결합된 온도 센서에 의하여 상기 토양의 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 온도 센서에 의하여 측정된 온도에 기반하여 상기 제1 판정 값을 보상함으로써 상기 토양의 상태에 대한 제2 판정 값을 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 토양 모니터링 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 판정 값을 생성하는 단계는
    상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 의해 상기 제1 전극을 둘러싸고 상기 제1 전극에 접촉하는 상기 토양과 상기 제1 전극 사이에서 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 단계;
    를 포함하는 토양 모니터링 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 판정 회로가 상기 토양의 상태에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 단계는
    상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 전극이 접촉하는 상기 토양의 상기 제1 전극에 인접한 영역에서 함유하는 수분에 대한 상기 제1 판정 값을 생성하는 토양 모니터링 방법.
  13. 제1 오실레이터가, 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되며 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 제1 프로브의 상기 제1 전극 및 제2 전극과 연결되는 제1 공진 회로를 경유하여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 제1 교류 신호를 인가하는 단계;
    상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 제2 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지는 제2 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호인 제2 교류 신호를 인가하는 단계;
    판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 프로브 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
    상기 판정 회로가 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계;
    상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계; 및
    상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 프로브의 외부를 둘러싸는 상기 제1 전극이 접촉하는 상기 토양의 상태에 대한 제1 판정 값을 생성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계는,
    연산기(operator) 회로가 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 구하는 단계;
    상기 연산기(operator) 회로의 출력단에 연결되는 저역 통과 필터(Low Pass Filter)가 상기 연산기 회로의 출력 신호의 고주파 성분을 제거하는 단계; 및
    상기 저역 통과 필터의 출력단에 연결되는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)가 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트함으로써 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 디지털 값으로 생성하는 단계;
    를 포함하는 토양 모니터링 방법.
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