KR102426011B1 - 독립형 탄소 분석 멀티 유니트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 독립형 탄소 분석 멀티 유니트에 관한 것으로서, 상세하게는 광합성 측정용으로 챔버를 자연광 투과율이 99.8% 이상인 불소 필름으로 제작하고 , 토양 호흡 측정용으로 챔버의 재질을 폴리카보네이트, 알루미늄, 스테인레스 재질로 제작함으로써 챔버 구조의 가공성이 용이하고, 경량이며 재질의 손상이 없으며, 내구성이 강화되어 반영구적으로 사용하도록 하고, 또한 챔버의 측면에 액츄에이터를 설치하여 커버를 수직 승하강시켜 챔버 내부에 원활한 공기 흐름을 만들어 냄으로써 바람에 의해 파손되거나 개폐동작에 저항을 받을 우려가 전혀 없고, 수분 및 습도에 강한 소형 액츄에이터가 사용되므로 전력 소비가 상대적으로 적고, 챔버의 부피와 무게가 가볍기 때문에 야외에서 챔버 설치 및 유지 보수가 용이하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트에 관한 것이다.

Description

독립형 탄소 분석 멀티 유니트{STAND-ALONE CARBON ANALYSIS MULTI UNIT}
본 발명은 독립형 탄소 분석 멀티 유니트에 관한 것으로서, 상세하게는 광합성 측정용으로 챔버를 자연광 투과율이 99.8% 이상인 불소 필름으로 제작하고 , 토양 호흡 측정용으로 챔버의 재질을 폴리카보네이트, 알루미늄, 스테인레스 재질로 제작함으로써 챔버 구조의 가공성이 용이하고, 경량이며 재질의 손상이 없으며, 내구성이 강화되어 반영구적으로 사용하도록 하고, 또한 챔버의 측면에 액츄에이터를 설치하여 커버를 수직 승하강시켜 챔버 내부에 원활한 공기 흐름을 만들어 냄으로써 바람에 의해 파손되거나 개폐동작에 저항을 받을 우려가 전혀 없고, 수분 및 습도에 강한 소형 액츄에이터가 사용되므로 전력 소비가 상대적으로 적고, 챔버의 부피와 무게가 가볍기 때문에 야외에서 챔버 설치 및 유지 보수가 용이하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트에 관한 것이다.
대기의 중요한 온실가스 중에 하나인 이산화탄소의 농도는 산업혁명 이전에 대기 중 농도가 약 270ppm에서 현재 약 380ppm로 급격히 증가하였다(Aber and Melillo, 1991). 최근 인위적인 이산화탄소의 방출량은 연간 약 71억 톤이며, 이는 생태계에 의한 흡수 및 배출 과정과 연결되어 지구 규모의 탄소순환에 불가역적인 변화를 초래하는 주요 원인으로 인식되고 있다(Maier and Kress, 2000; Rastogi et al., 2002). 이러한 문제를 해결하기 위해 1997년 12월, 교토 기후변화협약에서 지구온난화 방지를 위한 온실가스 배출량의 의무감축에 대한 구체적 방안이 합의되었다. 이 회의에서 38개 선진국은 2008년부터 2012년까지의 온실가스 감축목표를 1990년 배출량기준으로 5.2% 감축하기로 합의하였다. 하지만 산업부문의 배출량감축은 자국의 국내경기를 위축시키는 요인이 되기 때문에, 각국은 가능한 한 산업부문에서의 의무감축량을 경감하려 하거나, 녹색식물의 CO2 흡수기능을 이용하여 의무감축량의 부담을 줄이려 하고 있다. 이러한 이유로 현재의 삼림생태계나 숲에 대하여 국제적으로 인정받을 수 있는 정확한 탄소수지 산출은 대단히 중요한 과제로 대두되고 있다.
육상생태계는 지구규모의 탄소순환 모델에 있어서 중요한 구성분이고 지구의 기후시스템에 아주 중요한 역할을 한다(IPCC, 2007). 최근의 연구에 따르면, 중ㅇ고위도 지역의 북방림은 대기 이산화탄소의 중요한 흡수원으로 밝혀졌고(Dixon et al., 1994; Fang et al., 2005), 냉온대지역의 낙엽활엽수림 또한 큰 흡수원으로서 주목을 받고 있다(Saigusa et al., 2002). 지구 탄소순환에 있어서 육상생태계의 주요 기능적인 역할은 다양한 녹색식물들의 광합성으로 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 유기탄소화합물의 형태로 생체 내에 저장시키며 생장시키는 것과, 그 반면에 녹색식물의 호흡 및 임상에 공급된 낙엽낙지 및 지하부의 뿌리 식물사체 등의 다양한 형태의 유기물의 토양 미생물과 토양 동물의 분해과정을 거쳐 이산화탄소를 대기로 방출시키는 것이다. 이러한 육상생태계로부터의 자연 발생적 현상인 이산화탄소의 흡수와 방출은 그 유동속도가 커서, 최근의 급격한 지구온난화 및 기후변화와 더불어 대기의 이산화탄소의 평형에 큰 영향을 주고 다양한 생태계에 교란을 초래 할 수도 있어(Oikawa, 1991; Nakane, 2001), 전 지구규모의 탄소수지 및 탄소순환에 대한 육상생태계가 보유하고 있는 그 고유의 기능과 역할이 심각하게 변화 할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 특히, 녹색식물의 광합성은 가장 큰 CO2 플럭스(flux)를 수행함으로서 이의 정확한 추정은 이산화탄소 수지의 정확도에 크게 좌우하게 된다.
토양으로부터 방출되는 이산화탄소는 일반적으로 토양호흡이라고 하는 생리학적 대사활성의 지표(Anderson, 1982; Landsberg and Gower, 1997)로서, 토양호흡은 주로 토양 내의 종속영양 미생물과 토양 동물에 의한 낙엽, 낙지, 뿌리 등의 식물 사체와 토양 속의 유기물의 분해과정을 통해 발생되는 미생물호흡(heterotrophic respiration)과 그리고 생장하는 뿌리자체의 유기호흡과 뿌리에 공생하는 균근 미생물의 호흡의 합인 뿌리호흡(root respiration)으로 구성된다(Gough and Siler, 2004; Jassal and Black, 2006). 매년, 대기 중의 이산화탄소의 약 10%에 이르는 많은 양의 이산화탄소가 토양으로부터 발생되며, 화석연료 소비에 따른 이산화탄소의 방출보다 약 10배 이상인 것으로 알려져 있다(Raich and Schlesinger, 1992; Bowden et al., 1993). 특히, 온대지역의 삼림생태계 내에서 뿌리호흡과 미생물호흡을 포함한 전체토양호흡은 전체생태계호흡의 약 60~90%를 차지한다(Law et al., 2001). 이처럼 토양호흡은 전 지구탄소순환에서 두 번째로 큰 플럭스이자 대기 중에 이산화탄소를 공급하는 주요 탄소 경로인 것이다(Hanson et al., 2000; Bond-lamberty et al., 2004). 따라서 토양호흡에 대한 정량적 평가는 지구온난화 및 장래의 대기 이산화탄소 농도를 예측하는데 있어서 유용한 정보를 제공하고 생태계의 탄소순환 동태를 파악하는데 있어서 결정적 요소이다.
또한, 식물호흡은 광합성에 의해서 저장된 에너지를 회수하고 세포의 생장과 유지에 사용되는 탄소 골격을 얻기 위해서 탄수화물이나 기타물질이 산화되는 일련의 경로를 말한다.
특히, 고등 식물은 정상적인 대사를 위해서 산소를 필요로 하는 산소성 생물로서, 이들은 생장과 유지에 필요한 에너지와 탄소를 광합성 산물을 산화함으로써 획득한다.
즉, 광합성은 물과 이산화탄소를 원료로 빛에너지를 사용하여 생명체가 요구하는 탄수화물을 만들게 되는데 이 탄수화물을 생물체의 생활에너지로 전환하는 과정을 호흡이라 하며, 이런 호흡은 세포의 세포질과 미토콘드리아에서 일어나고 있다.
한편, 식물은 이산화탄소를 흡수하고 산소를 내보내는 광합성만을 한다고 생각하는 경우가 종종 있지만, 실제로는 식물도 동물과 마찬가지로 하루 24시간 내내 호흡을 한다.
식물도 동물처럼 호흡을 통해 양분을 분해함으로써 생활에 필요한 에너지를 얻으며, 이 과정에서 산소를 흡수하고 이산화탄소를 방출한다.
낮에 식물이 광합성을 할 때도 호흡은 일어나는데, 이때 호흡 과정에서 생기는 이산화탄소는 광합성에 바로 사용되므로 밖으로 나오지 않고 또 광합성의 결과 생성된 산소를 호흡에 바로 이용하기 때문에 산소가 흡수되는 것을 확인할 수 없다.
즉, 낮에는 광합성이 호흡보다 더 활발하게 일어나기 때문에 외관상 이산화탄소가 흡수되고 산소가 방출되므로 낮에는 호흡을 하지 않는 것처럼 보이지만, 실제적으로는 낮에도 식물들은 호흡을 하는 것이다.
그리고, 밤에는 광합성은 일어나지 않고 호흡만 일어나 산소를 흡수하고 이산화탄소를 내보내게 되므로, 식물의 호흡은 쉽게 확인된다.
물론 낮이더라도 빛을 계속 쬐지 못하거나 빛이 약하면 호흡이 광합성보다 우세해져 이산화탄소를 방출하게 되므로 식물의 호흡은 확인이 가능하다.
한편, 식물에서 광합성은 엽록체를 가진 세포가 있는 녹색 부위(주로 잎)에서만 일어나지만, 호흡은 잎, 줄기, 뿌리, 꽃 등을 가리지 않고 식물체의 모든 살아 있는 세포에서 일어난다.
이러한 식물의 호흡작용을 통해, 식물로부터 배출되는 이산화탄소량을 측정하여 삼림 전체의 이산화탄소를 정량적으로 평가하는 연구활동을 수행하게 된다.
식물의 잎에 대한 호흡속도를 측정하기 위해서는 잎이 광합성 작용을 하면서 흡수하는 이산화탄소의 농도가 변화되는 속도를 통해 잎의 호흡속도를 측정하게 된다.
한편, 이러한 토양호흡 및 광합성 측정을 위해 본 출원인에 의해 국내 등록특허 제10-1348077호인 식물의 잎 호흡 및 광합성량 측정용 자동 공기수집 챔버장치와 제10-1773981호인 밀폐순환법 적용 챔버의 개폐감지 작동을 이용한 식물의 호흡과 광합성량 자동 모니터링 시스템이 개시되어 있다.
상기 식물의 잎 호흡 및 광합성량 측정용 자동 공기수집 챔버장치는 도 2에 도시된 바와 같이 식물의 잎 호흡 및 광합성량에 따른 공기를 수집하여 그 공기에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정장치로 내보내는 식물의 잎 호흡 및 광합성량 측정용 자동 공기 수집 챔버장치에 있어서, 지면으로부터 측정하고자 하는 식물의 나뭇잎 높이까지 설치된 타워(미도시); 상기 타워의 상단부에 설치되며, 상하 방향으로 관통된 개구공이 형성되되 일측에는 상기 개구공과 외부를 통하게 하는 출입공이 형성된 챔버(100); 상기 챔버의 일측에 설치되며, 동력을 발생하는 구동부(200); 상기 챔버의 개구공 상부와 하부를 각각 개폐하는 한 쌍의 개폐도어(300); 상기 구동부와 개폐도어를 연결하며, 구동부의 동력에 의해 개폐도어로 하여금 개구공을 개폐시키는 링커(400); 상기 챔버 내의 공기가 이산화탄소 농도 측정장치로 배출되는 관로를 제공하는 공기배출튜브(500); 상기 챔버 내에 설치되며, 챔버 내로 흡입력을 발생하는 공기순환펌프(600); 상기 공기순환펌프를 통해 외기가 챔버 내로 흡입되는 관로를 제공하는 공기흡입튜브(700):를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 밀폐순환법 적용 챔버의 개폐감지 작동을 이용한 식물의 호흡과 광합성량 자동 모니터링 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 하나 이상의 개방부가 구비되며 내부에 식물이 수납되는 챔버 본체, 구동수단을 통해 상기 챔버 본체의 개방부를 개폐하는 도어를 포함하여 구성되며, 식물의 잎과 가지 및 줄기에 선택적으로 설치되어 내부에 밀폐 공간을 조성하는 공기수집 챔버(10)와; 상기 공기수집 챔버와 흡입튜브와 배출튜브를 통해 연결되어 상기 공기수집 챔버 내부의 공기를 공급받아 이산화탄소 농도를 측정하고 다시 상기 공기수집 챔버로 복귀시키는 이산화탄소 농도 측정기(30)와; 상기 도어의 구동수단을 제어함과 아울러 상기 이산화탄소 농도 측정기에서 분석된 이산화탄소 농도를 데이터 로거를 통해 저장 및 상기 이산화탄소 농도 측정기와 상기 공기수집 챔버를 제어하는 제어부(40)와; 상기 공기수집 챔버의 밀폐를 감지하는 밀폐 센서(20)를 포함하고, 제어부는 밀폐 센서의 센싱 결과 상기 공기수집 챔버가 밀폐되지 않은 것으로 판단되면 이때 측정한 이산화탄소 농도의 데이터를 필터링하여 상기 공기수집 챔버가 밀폐된 상태에서 측정한 이산화탄소농도의 데이터만을 취급하도록 하는 제어한다.
그러나, 이러한 종래의 식물의 잎 호흡 및 광합성량 측정용 자동 공기수집 챔버장치와 밀폐순환법 적용 챔버의 개폐감지 작동을 이용한 식물의 호흡과 광합성량 자동 모니터링 시스템은 챔버가 투명 아크릴로 제작되기 때문에 햇빛과 시간 경과에 따른 경화로 광투과성의 효율이 떨어지고, 챔버의 부피 및 중량이 많이 나가고, 야외현장에서 챔버의 경화로 깨짐 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술은 외벽에서 구동모터와 힌지축으로 커버를 끌어올리는 방식으로 제작하는 데, 이는 커버의 자체무게를 지탱하기가 어렵고, 90도로 열었을 때 바람의 영향으로 파손되는 경우가 많이 발생하며, 커버를 구동시키는 모터와 샘플펌프 사용으로 인해 전력 소비가 크며, 챔버의 부피 및 무게가 상당히 커서 식물에 실제 설치가 불가능할 대가 많이 발생하고, 야외에서 모터가 사용되기 때문에 바람 등에 의해 부하가 많이 발생하고, 수분 및 습도에 취약하여 빈번한 고장이 발생하여 이를 유지 보수하는 데 많은 시간과 비용이 소비되는 문제점이 있다.
또, 종래 기술은 적외선 이산화탄소 농도 분석기 1대에 여러 대(6대~8대이상)의 챔버를 연결해서 사용하기 때문에 전선, 튜브, 데이터선이 복잡하게 얽혀 설치가 어렵고, 컨트롤 시스템 박스에는 많은 솔레노이드 밸브와 유량계 및 건조제 등의 부품 구성들로 부피가 크고 내부 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.
또, 종래 기술은 적외선 이산화탄소 농도 분석기에서 챔버까지 1대 또는 2대의 외부 공기펌프가 반드시 설치되어야 하고, 야외 현장에서 여러대의 챔버들 사이에 대단위의 샘플공기 튜브 연결이 필요하며, 만약에 야외 현장에서 1대의 챔버 또는 적외선 이산화탄소 농도 분석기가 문제 및 고장이 발생하면 전체 챔버 측정이 중단되는 문제점이 있다.
또, 종래 기술은 적외선 이산화탄소 농도 분석기(IRGA)로 LI-820 또는 LI-840를 주로 사용하는 데, 이는 고가이므로 제한적으로 1대만 사용할 수밖에 없고, 부피가 크며, 반드시 샘플펌프와 유량계를 필요로 하기 때문에 제작 단가가 높고, 야외현장에서 사용시 습도, 수분, 먼지에 매우 취약하여 고장율이 높으며, 적외선 이산화탄소 농도 분석기가 1대라서 여러 대의 챔버와 연결된 샘플공기 튜브를 통해서 순차적으로 순번 측정하기 때문에 측정 시간이 지연되고, 순차적 측정을 위해 데이터 로거를 별도로 프로그램밍해서 사용하여야만 하고, 고가의 메모리형 데이터 로거를 사용하여 데이터를 오로지 현장에서 덤프, 다운 받는 구조인 관계로 유지 관리 및 배선이 어려운 문제점이 있다.
또, 종래 기술은 AC220 전원으로 구동되는 데, 야외 현장에서 전원공급이 어렵고, 펌프형이므로 챔버 내의 공기흐름 및 압력의 문제점 발생하고, 내부 구성품 중 하나가 오류 또는 고장나면 전체 측정시스템 정지하며, 유지관리를 위해서 반드시 야외 현장에 가야만하는 불편한 문제점이 있다.
국내 등록특허 제10-1348077호 국내 등록특허 제10-0177398호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광합성 측정용으로 챔버를 자연광 투과율이 99.8% 이상인 불소 필름으로 제작하고 , 토양 호흡 측정용으로 챔버의 재질을 폴리카보네이트, 알루미늄, 스테인레스 재질로 제작함으로써 챔버 구조의 가공성이 용이하고, 경량이며 재질의 손상이 없으며, 내구성이 강화되어 반영구적으로 사용하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 챔버의 측면에 액츄에이터를 설치하여 커버를 수직 승하강시켜 챔버 내부에 원활한 공기 흐름을 만들어 냄으로써 바람에 의해 파손되거나 개폐동작에 저항을 받을 우려가 전혀 없고, 수분 및 습도에 강한 소형 액츄에이터가 사용되므로 전력 소비가 상대적으로 적고, 챔버의 부피와 무게가 가볍기 때문에 야외에서 챔버 설치 및 유지 보수가 용이하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 챔버가 각각 독립형으로 제작되고, 각 챔버 내부에 이산화탄소 농도 측정을 위해 NDIR 센서가 내장되어 있어 서로 연결할 필요가 없어 컴팩트화되고, 컨트롤 시스템과 샘플펌프가 불필요하여 선과 튜브 연결이 생략되어 야외현장 설치시 간단하게 설치할 수 있으며, 유지 보수가 용이하며, 제작 단가를 낮출 수 있도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 독립형 챔버마다 이산화탄소 농도 측정을 위해 NDIR 센서가 내장되어 있어 상시 측정이 가능하고, 특히 동시에 같은 시각에 여러 지역 및 다지점에서 자동측정 가능하며, 독립형 챔버가 사용되어 고장시에도 전체 챔버에 영향을 미치지 않아 전체 시스템이 다운되는 것을 방지하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 NDIR 센서에 측정된 데이터를 무선 송신이 가능한 데이터 로거와, 무선 인터넷망에 연결되는 WiFi 무선 라우터를 각 챔버마다 설치하고, NDIR 센서에 측정된 데이터를 데이터 로거와, WiFi 무선 라우터를 통해 클라우드 서버로 전송하여 관리자가 실시간으로 PC 및 스마트폰으로 데이터를 확인할 수 있고, 원격으로 시스템을 모니터링할 수 있도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 소비전력이 낮은 구성품을 사용하고, 컨트롤 시스템과 샘플펌프가 필요없어 적은 소비 전력으로 배터리와 태양광 모듈만으로도 운영이 가능하도록 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
상면 또는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되는 챔버 본체와; 상기 챔버 본체의 상면을 개폐하는 커버와; 상기 챔버 본체에 고정되고, 상기 커버와 결합되어 상기 커버를 수직으로 승하강시키는 액츄에이터와; 상기 챔버 본체의 내측에 설치되어 내부 공기를 순환시키는 순환팬과; 상기 챔버 본체의 내측에 설치되어 이산화탄소를 측정하는 이산화탄소 센서 모듈과; 상기 챔버 본체의 외측에 설치되고, 상기 이산화탄소 센서 모듈과 전기적으로 연결되어 상기 이산화탄소 센서 모듈에서 측정된 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 로거와; 상기 챔버 본체의 외측에 설치되어 상기 데이터 로거와 무선 통신을 통해 상기 데이터 로거에서 전송되는 데이터를 무선 인터넷망을 통해 클라우드 서버로 전송하는 와이파이 무선 라우터; 및 상기 챔버 본체의 인근에 설치되어 상기 액츄에이터와, 순환팬과, 이산화탄소 센서 모듈과, 데이터 로거 및 와이파이 무선 라우터에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 독립형 탄소 분석 멀티 유니트는 상기 배터리 인근에 설치되어 상기 배터리를 태양광으로 충전시키는 태양광 모듈을 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 독립형 탄소 분석 멀티 유니트는 상기 배터리에 1개 이상의 챔버 본체가 연결된다.
여기에서 또, 상기 독립형 탄소 분석 멀티 유니트는 각각의 상기 챔버 본체가 원거리에 이격 설치된 경우 무선 중계기를 더 포함한다.
여기에서 또, 상기 챔버 본체는 토양호흡 측정시에는 합성수지 또는 금속재질로 형성되고, 상면에 상기 커버와 밀폐를 위해 본체용 가스켓이 부착된다.
여기에서 또, 상기 챔버 본체는 광합성 측정시에는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 내부에 식물 잎을 수납하도록 2개로 분할되어 좌우로 절첩되는 바디 프레임과; 95% 이상의 광투과율을 가지도록 투명 합성수지 재질로 형성되어 상기 바디 프레임의 외측면에 감싸지는 필름과; 95% 이상의 광투과율을 가지도록 투명 합성수지 재질로 원판 형태로 형성되되, 상기 바디 프레임의 절첩에 따라 함께 절첩되도록 중앙부가 일직선으로 절개되어 각각 반달 형태로 형성되어 상기 바디 프레임의 저면에 수평하게 결합되고, 중앙에 식물 줄기과 관통하는 관통홀이 구비되는 하부 커버와; 상기 바디 프레임의 상면과 분할 부위에 결합되어 상기 챔버 본체 내부를 밀폐시키는 본체용 가스켓과; 상기 하부 커버의 절개 부위에 결합되어 상기 하부 커버를 밀폐시키는 하부 커버용 가스켓; 및 탄성 재질로 원판 형태로 형성되고, 중앙부에 통공이 형성되어 상기 하부 커버의 관통홀에 결합되어 식물의 줄기가 관통시 밀착되어 상기 챔버 본체 내부를 밀폐시키는 관통홀용 가스켓을 포함한다.
여기에서 또, 상기 챔버 본체는 절첩이 가능하도록 일측 분할 부위에 경첩이 구비되고, 밀폐 고정이 가능하도록 타측 분할 부위에 후크가 구비된다.
여기에서 또, 상기 커버는 상기 챔버 본체와 밀폐를 위해 저면에 링 형태의 커버용 가스켓이 구비된다.
여기에서 또, 상기 이산화탄소 센서 모듈은 원통형으로 형성되고, 저면에 복수의 에어홀이 형성된 케이스와; 상기 케이스 내부에 삽입 고정되는 NDIR(Non-dispersive infrared absorption, 비분산형 적외선) 센서로 이루어진다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 독립형 탄소 분석 멀티 유니트에 따르면, 광합성 측정용으로 챔버를 자연광 투과율이 99.8% 이상인 불소 필름으로 제작하고 , 토양 호흡 측정용으로 챔버의 재질을 폴리카보네이트, 알루미늄, 스테인레스 재질로 제작함으로써 챔버 구조의 가공성이 용이하고, 경량이며 재질의 손상이 없으며, 내구성이 강화되어 반영구적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 챔버의 측면에 액츄에이터를 설치하여 커버를 수직 승하강시켜 챔버 내부에 원활한 공기 흐름을 만들어 냄으로써 바람에 의해 파손되거나 개폐동작에 저항을 받을 우려가 전혀 없고, 수분 및 습도에 강한 소형 액츄에이터가 사용되므로 전력 소비가 상대적으로 적고, 챔버의 부피와 무게가 가볍기 때문에 야외에서 챔버 설치 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 챔버가 각각 독립형으로 제작되고, 각 챔버 내부에 이산화탄소 농도 측정을 위해 NDIR 센서가 내장되어 있어 서로 연결할 필요가 없어 컴팩트화되고, 컨트롤 시스템과 샘플펌프가 불필요하여 선과 튜브 연결이 생략되어 야외현장 설치시 간단하게 설치할 수 있으며, 유지 보수가 용이하며, 제작 단가를 낮출 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 독립형 챔버마다 이산화탄소 농도 측정을 위해 NDIR 센서가 내장되어 있어 상시 측정이 가능하고, 특히 동시에 같은 시각에 여러 지역 및 다지점에서 자동측정 가능하며, 독립형 챔버가 사용되어 고장시에도 전체 챔버에 영향을 미치지 않아 전체 시스템이 다운되는 것을 방지할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 NDIR 센서에 측정된 데이터를 무선 송신이 가능한 데이터 로거와, 무선 인터넷망에 연결되는 WiFi 무선 라우터를 각 챔버마다 설치하고, NDIR 센서에 측정된 데이터를 데이터 로거와, WiFi 무선 라우터를 통해 클라우드 서버로 전송하여 관리자가 실시간으로 PC 및 스마트폰으로 데이터를 확인할 수 있고, 원격으로 시스템을 모니터링할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 소비전력이 낮은 구성품을 사용하고, 컨트롤 시스템과 샘플펌프가 필요없어 적은 소비 전력으로 배터리와 태양광 모듈만으로도 운영할 수 있다.
도 1은 일반적인 광합성 측정장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 2는 종래의 식물의 잎 호흡 및 광합성량 측정용 자동 공기수집 챔버장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 밀폐순환법 적용 챔버의 개폐감지 작동을 이용한 식물의 호흡과 광합성량 자동 모니터링 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 구성을 나타낸 개요도이다.
도 6은 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 토양호흡 측정에 사용되는 멀티 챔버의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 A-A 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 광합성 측정에 사용되는 멀티 챔버의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 9는 도 8의 분해 사시도이다.
도 10은 도 8의 B-B 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 구성을 나타낸 개요도이고, 도 6은 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 토양호흡 측정에 사용되는 멀티 챔버의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 7은 도 6의 A-A 부분 단면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 광합성 측정에 사용되는 멀티 챔버의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 9는 도 8의 분해 사시도이고, 도 10은 도 8의 B-B 부분 단면도이다.
도 4 내지 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트(100)는 챔버 본체(110)와, 커버(120)와, 액츄에이터(130)와, 순환팬(140)과, 이산화탄소 센서 모듈(150)과, 데이터 로거(160)와, 와이파이 무선 라우터(170) 및 배터리(180)로 구성된다.
먼저, 챔버 본체(110)는 상면 또는 상하면이 개방된 원통형으로 형성된다.
챔버 본체(110)는 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이 토양호흡 측정용과 광합성 측정용으로 나뉜다.
토양호흡 측정용에 사용되는 챔버 본체(110)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 폴리카보네이트와 같은 투명 합성수지 또는 알루미늄, 스테인레스와 같은 불투명 금속재질로 형성되고, 상면에 커버(120)와 밀폐를 위해 본체용 가스켓(G1)이 부착된다. 이때, 본체용 가스켓(G1)은 자석 가스켓이 적용되어 커버(120)의 커버용 가스켓(G2)과 부착되어 밀폐력을 증대시킨다.
광합성 측정용에 사용되는 챔버 본체(110)는 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 바디 프레임(111)과, 필름(113)과, 하부 커버(115)와, 본체용 가스켓(G1)과, 하부 커버용 가스켓(G3) 및 관통홀용 가스켓(G4)으로 구성된다.
바디 프레임(111)은 경량 금속이나 합성수지 재질로 상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 내부에 식물 잎을 수납하도록 2개로 분할되어 좌우로 절첩된다. 이때, 챔버 본체(110)는 절첩이 가능하도록 일측 분할 부위에 경첩(111a)이 구비되고, 밀폐 고정이 가능하도록 타측 분할 부위에 후크(111b)가 구비된다.
필름(113)은 95% 이상의 광투과율을 가지도록 투명 합성수지 재질로 형성되어 바디 프레임(111)의 외측면에 감싸진다. 이때, 필름(113)은 99% 이상의 광투과율을 가지는 불소 필름이 사용되는 것이 바람직하고, 바디 프레임(111)과 리벳, 볼트 등에 의해 고정된다.
하부 커버(115)는 필름(113)과 동일 재질로 원판 형태로 형성되되, 바디 프레임(111)의 절첩에 따라 함께 절첩되도록 중앙부가 일직선으로 절개되어 각각 반달 형태로 형성되어 바디 프레임(111)의 저면에 수평하게 결합되고, 중앙에 식물 줄기과 관통하는 관통홀(115a)이 구비된다.
본체용 가스켓(G1)은 바디 프레임(111)의 상면과 분할 부위에 결합되어 챔버 본체(110) 내부를 밀폐시킨다. 이때, 본체용 가스켓(G1)은 자석 가스켓이 적용된다.
하부 커버용 가스켓(G3)은 하부 커버(115)의 절개 부위에 결합되어 하부 커버(115)를 밀폐시킨다. 이때, 하부 커버용 가스켓(G3)은 상호 치합되는 구조를 갖는 것이 바람직하고, 자석 가스켓이 적용된다.
관통홀용 가스켓(G4)은 실리콘, 고밀도 스폰지와 같은 탄성 재질로 원판 형태로 형성되고, 중앙부에 통공(H)이 형성되어 하부 커버(115)의 관통홀(115a)에 결합되어 식물의 줄기가 관통시 밀착되어 챔버 본체(110) 내부를 밀폐시킨다.
그리고, 커버(120)는 챔버 본체(110)의 상부에 결합되어 밀폐시키도록 동일 재질로 원판 형태로 형성되어 챔버 본체(110)의 상면을 개폐한다. 이때, 커버(120)는 챔버 본체(110)의 본체용 가스켓(G1)과 접촉되어 챔버 본체(110)를 밀폐시도록 저면에 링 형태의 커버용 가스켓(G2)이 구비되고, 커버용 가스켓(G2)은 자석 가스켓이 적용된다. 또한, 커버(120)는 광합성 측정용에 사용되는 챔버 본체(110)에 적용시 원판 형태의 프레임에 필름이 결합된 형태이다.
또한, 액츄에이터(130)는 챔버 본체(110)에 고정되고, 커버(120)와 결합되어 커버(120)를 수직으로 승하강시킨다. 이때, 액츄에이터(130)는 DC 전원으로 동작되는 리니어 전기 실린더가 적용되는 것이 바람직하다.
이어서, 순환팬(140)은 DC 전원으로 동작되고, 챔버 본체(110)의 내측에 설치되어 내부 공기를 순환시키고, 소비 전력을 최소화시키도록 3000RPM 이하로 회전된다.
계속해서, 이산화탄소 센서 모듈(150)은 챔버 본체(110)의 내측에 설치되어 이산화탄소를 측정하도록 원통형으로 형성되고, 저면에 복수의 에어홀(151a)이 형성된 케이스(151)와, 케이스(151) 내부에 삽입 고정되고, DC 전원으로 동작되어 이산화탄소를 측정하는 NDIR(Non-dispersive infrared absorption, 비분산형 적외선) 센서(153)로 이루어진다.
이어서, 데이터 로거(160)는 DC 전원으로 동작되고, 챔버 본체(110)의 외측에 설치되며, 이산화탄소 센서 모듈(150)과 전기적으로 연결되어 일정 시간마다 이산화탄소 센서 모듈의 NDIR 센서(153)에서 측정된 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 무선으로 전송한다.
그리고, 와이파이 무선 라우터(170)는 DC 전원으로 동작되고, 챔버 본체(110)의 외측에 설치되어 데이터 로거(160)와 무선 통신을 통해 데이터 로거(160)에서 전송되는 데이터를 무선 인터넷망을 통해 클라우드 서버(S)로 전송한다. 이때, 와이파이 무선 라우터(170)는 와이파이 에그(WiFi egg)가 적용되는 것이 바람직하다. 또한, 클라우드 서버(S)에는 관리자의 PC 또는 스마트폰을 통해 원거리에서 접속하여 데이터를 실시간으로 확인하거나 다운로드할 수 있고, 전원, 통신 작동 여부를 확인할 수 있으며, 동작 시간에 대한 스케쥴 관리, 시스템 온/오프, 리부팅 등의 원격 제어 신호를 데이터 로거(160)로 전송하여 수행할 수도 있다.
또한, 배터리(180)는 챔버 본체(110)의 인근에 설치되어 액츄에이터(130)와, 순환팬(140)과, 이산화탄소 센서 모듈(150)과, 데이터 로거(160) 및 와이파이 무선 라우터(170)에 전원을 공급한다. 이때, 배터리(180)는 대용량 1개를 사용하거나 소용량 2개 이상을 병렬 연결하여 사용하는 것이 바람직하고, 배터리(180)는 외부로 미노출되도록 배전함 내부에 수납되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 배터리(180) 인근에 설치되어 배터리(180)를 태양광으로 충전시키는 태양광 모듈(190)을 설치하는 것이 바람직하고, 도 4에 도시된 바와 같이 독립형으로 사용하거나 도 5에 도시된 바와 같이 배터리(180)에 2개 이상의 챔버 본체(110)가 연결되어 멀티형으로 사용되는 데, 단독형 또는 멀티형으로 사용시 각각의 챔버 본체(110)가 원거리에 이격 설치되거나 와이파이 무선 라우터(170)의 범위가 좁은 경우 무선 중계기(AP)가 설치되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 독립형 탄소 분석 멀티 유니트의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 챔버 본체(110)를 토양호흡 또는 광합성 측정에 맞게 지면에 설치하거나 식물의 잎이 내부에 삽입되도록 가지에 설치한다.
가지에 설치하는 경우 챔버 본체(110)의 후크(111b)를 해제하여 챔버 본체(110)를 벌린 상태에서 하부 커버(115)의 관통홀(115a)에 결합된 관통홀용 가스켓(G4)의 통공(H) 내부에 가지를 위치시킨 다음 챔버 본체(110)를 닫은 상태에서 후크(111b)를 결합한다.
이러한 상태에서 챔버 본체(110)가 설치된 인근 지면에 배터리(180)가 수납된 배전함을 설치하고, 배터리(180)에 액츄에이터(130), 순환팬(140), 이산화탄소 센서 모듈(150), 데이터 로거(160) 및 와이파이 무선 라우터(170)를 연결시켜 전원을 공급한다.
또한, 배터리(180) 인근에 태양광 모듈(190)을 설치하여 배터리(180)를 충전시킨다.
시스템이 동작되면, 일정 시간 간격(예를 들어, 60초)으로 챔버 본체(110) 내의 이산화탄소 농도을 측정하게 이산화탄소 센서 모듈(150)에서 측정하게 되는 데, 액츄에이터(130)를 동작시켜 커버(120)를 수직으로 하강시켜 챔버 본체(110)를 밀폐시킴과 동시에 순환팬(140)을 동작시켜 내부 공기를 순환시킨다. 이때, 측정 시간은 커버(120)로 밀폐한 상태에서 5~10초이다.
그러면, 이산화탄소 센서 모듈(150)의 NDIR 센서(153)에서 이산화탄소 농도를 측정한 후 측정된 데이터를 데이터 로거(160)로 전송하면, 데이터 로거(160)는 해당 데이터를 와이파이 무선 라우터(170)로 무선 전송하여 와이파이 무선 라우터(170)에서 무선 인터넷망을 통해 클라우드 서버(S)로 전송되도록 한다.
한편, 클라우드 서버(S)로 전송된 데이터는 클라우드 서버(S)에 일자, 시간별로 분류되어 저장된다.
그리고, 관리자는 PC 또는 스마트폰을 통해 클라우드 서버(S)로 접속하여 데이터를 실시간으로 확인하거나 다운로드받을 수 있고, 전원, 통신 작동 여부를 확인할 수 있다. 이때, 클라우드 서버(S)는 해당 데이터를 관리자의 e-메일, 문자 등으로 통해 자동으로 통보할 수도 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 챔버 본체 120 : 커버
130 : 액츄에이터 140 : 순환팬
150 : 이산화탄소 센서 모듈 160 : 데이터 로거
170 : 와이파이 무선 라우터 180 : 배터리
190 : 태양광 모듈 S : 클라우드 서버

Claims (7)

  1. 상면 또는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되는 챔버 본체와;
    상기 챔버 본체의 상면을 개폐하는 커버와;
    상기 챔버 본체에 고정되고, 상기 커버와 결합되어 상기 커버를 수직으로 승하강시키며, 이산화탄소 농도을 측정하기 위해 상기 커버를 수직으로 하강시켜 상기 챔버 본체를 밀폐시키고, 측정이 종료되면 상기 커버를 수직으로 상승시켜 상기 챔버 본체를 개방시키는 액츄에이터와;
    상기 챔버 본체의 내측에 설치되어 내부 공기를 순환시키는 순환팬과;
    상기 챔버 본체의 내측에 설치되어 이산화탄소를 측정하는 이산화탄소 센서 모듈과;
    상기 챔버 본체의 외측에 설치되고, 상기 이산화탄소 센서 모듈과 전기적으로 연결되어 상기 이산화탄소 센서 모듈에서 측정된 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 무선으로 전송하는 데이터 로거와;
    상기 챔버 본체의 외측에 설치되어 상기 데이터 로거와 무선 통신을 통해 상기 데이터 로거에서 전송되는 데이터를 무선 인터넷망을 통해 클라우드 서버로 전송하는 와이파이 무선 라우터; 및
    상기 챔버 본체의 인근에 설치되어 상기 액츄에이터와, 순환팬과, 이산화탄소 센서 모듈과, 데이터 로거 및 와이파이 무선 라우터에 전원을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 독립형 탄소 분석 멀티 유니트는,
    상기 배터리에 1개 이상의 챔버 본체가 연결되고,
    상기 배터리 인근에 설치되어 상기 배터리를 태양광으로 충전시키는 태양광 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 본체는,
    토양호흡 측정시에는 합성수지 또는 금속재질로 형성되고, 상면에 상기 커버와 밀폐를 위해 본체용 가스켓이 부착되는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 본체는,
    광합성 측정시에는 상하면이 개방된 원통형으로 형성되되, 내부에 식물 잎을 수납하도록 2개로 분할되어 좌우로 절첩되는 바디 프레임과;
    95% 이상의 광투과율을 가지도록 투명 합성수지 재질로 형성되어 상기 바디 프레임의 외측면에 감싸지는 필름과;
    95% 이상의 광투과율을 가지도록 투명 합성수지 재질로 원판 형태로 형성되되, 상기 바디 프레임의 절첩에 따라 함께 절첩되도록 중앙부가 일직선으로 절개되어 각각 반달 형태로 형성되어 상기 바디 프레임의 저면에 수평하게 결합되고, 중앙에 식물 줄기과 관통하는 관통홀이 구비되는 하부 커버와;
    상기 바디 프레임의 상면과 분할 부위에 결합되어 상기 챔버 본체 내부를 밀폐시키는 본체용 가스켓과;
    상기 하부 커버의 절개 부위에 결합되어 상기 하부 커버를 밀폐시키는 하부 커버용 가스켓; 및
    탄성 재질로 원판 형태로 형성되고, 중앙부에 통공이 형성되어 상기 하부 커버의 관통홀에 결합되어 식물의 줄기가 관통시 밀착되어 상기 챔버 본체 내부를 밀폐시키는 관통홀용 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 챔버 본체는,
    절첩이 가능하도록 일측 분할 부위에 경첩이 구비되고, 밀폐 고정이 가능하도록 타측 분할 부위에 후크가 구비되는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 커버는,
    상기 챔버 본체와 밀폐를 위해 저면에 링 형태의 커버용 가스켓이 구비되는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 센서 모듈은,
    원통형으로 형성되고, 저면에 복수의 에어홀이 형성된 케이스와;
    상기 케이스 내부에 삽입 고정되는 NDIR(Non-dispersive infrared absorption, 비분산형 적외선) 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 독립형 탄소 분석 멀티 유니트.
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