본 연구는 다구역 양액재배에 적용할 수 있는 연속식 양액 자동조제공급 시스템 개발을 위한 목적으로 수행되었다. 기존의 정량펌프에 비해 정밀성 및 반복 구동회수에 대한 내구성이 우수하고 구동시간에 따라 토출량을 정밀 제어할 수 있는 원소별 농후액 공급조절장치를 개발하였으며, 개발된 원소별 농후액 공급조절장치의 시간당 토출량 실험 결과 결정계수는$R^2$＝0.9999이었고 3초~5초 구동시간동안의 회귀식에 의한 토출량과 실제 토출량 편차를 비교한 결과 최대 -1.23%로 나타나 회귀식에 의한 구동시간에 따른 토출량 제어가 가능함이 확인 되었다. 원소별 농후액 공급조절장치의 원소별 토출량 증감을 통하여 조성이 다른 양액을 조제할 수 있었으며, 생육단계에 따른 원소별 농도의 증감 조절에 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 원수유입량 편차 실험 결과 목표 원수유입량과 실제 원수유입량간의 편차는 2.73% 이내로 나타났다. 세척 과정을 통해 EC가 1.4~l.6mS/cm인 경우에는 0.5~0.6mS/cm, 2.4~2.5mS/cm인 경우에는 0.9~l.0mS/cm 정도로 낮추어 급액 후 잔류 양액의 영향을 줄일 수 있었다. 개발된 다구역 재배용 양액 자동조제공급 시스템의 성능을 평가하기 위하여 오이용 야마자키액 조성의 배양액 180$\ell$를 조제, 공급하였을 때 양액에 포함된 N $O_3$$^{-}$, 와 P $O_4$$^{3-}$ 이온에 대하여 실험실에서 조제한 양액의 이온 농포와의 비교 실험을 3회에 걸쳐 실시한 결과, 개발된 시스템으로 조제한 양액중에 포함된 N $O_3$$^{-}$ 이온과 P $O_4$$^{3-}$ 이온은 실험실에서 조제된 양액에 비하여 각각 2.36%, 5.15% 낮게 나타났다.
본 연구는 다구역 양액재배에 적용할 수 있는 연속식 양액 자동조제공급 시스템 개발을 위한 목적으로 수행되었다. 기존의 정량펌프에 비해 정밀성 및 반복 구동회수에 대한 내구성이 우수하고 구동시간에 따라 토출량을 정밀 제어할 수 있는 원소별 농후액 공급조절장치를 개발하였으며, 개발된 원소별 농후액 공급조절장치의 시간당 토출량 실험 결과 결정계수는$R^2$＝0.9999이었고 3초~5초 구동시간동안의 회귀식에 의한 토출량과 실제 토출량 편차를 비교한 결과 최대 -1.23%로 나타나 회귀식에 의한 구동시간에 따른 토출량 제어가 가능함이 확인 되었다. 원소별 농후액 공급조절장치의 원소별 토출량 증감을 통하여 조성이 다른 양액을 조제할 수 있었으며, 생육단계에 따른 원소별 농도의 증감 조절에 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 원수유입량 편차 실험 결과 목표 원수유입량과 실제 원수유입량간의 편차는 2.73% 이내로 나타났다. 세척 과정을 통해 EC가 1.4~l.6mS/cm인 경우에는 0.5~0.6mS/cm, 2.4~2.5mS/cm인 경우에는 0.9~l.0mS/cm 정도로 낮추어 급액 후 잔류 양액의 영향을 줄일 수 있었다. 개발된 다구역 재배용 양액 자동조제공급 시스템의 성능을 평가하기 위하여 오이용 야마자키액 조성의 배양액 180$\ell$를 조제, 공급하였을 때 양액에 포함된 N $O_3$$^{-}$, 와 P $O_4$$^{3-}$ 이온에 대하여 실험실에서 조제한 양액의 이온 농포와의 비교 실험을 3회에 걸쳐 실시한 결과, 개발된 시스템으로 조제한 양액중에 포함된 N $O_3$$^{-}$ 이온과 P $O_4$$^{3-}$ 이온은 실험실에서 조제된 양액에 비하여 각각 2.36%, 5.15% 낮게 나타났다.
In recent, multi-sector nutriculture in which each sectors are managed with different compositions and supplying amounts of nutrient solution is being prevalent especially in large-scale greenhouses. This study was carried out to develop an automatic mixing and supplying system of nutrient solution ...
In recent, multi-sector nutriculture in which each sectors are managed with different compositions and supplying amounts of nutrient solution is being prevalent especially in large-scale greenhouses. This study was carried out to develop an automatic mixing and supplying system of nutrient solution for the multi-sector greenhouse which can control various compositions of nutrient solution and supplying amounts for each sector. The stock solution control device could control discharge of the stock solution with device actuating time. The experimental result showed high correlation between the discharge and the actuating time. The system could make nutrient solution of various compositions and showed possibility of changing compositions of nutrient solution according to changes of growth stages or environments. Undesirable remnant nutrient-solution effect on the next supply was decreased by lowering RC of the previous nutrient solution remaining in the tank and supply pipe through rinse process. To evaluate performance of the developed system, experiments that compare N $O_3$$^{[-10]}$ , and P $O_4$$^{3-}$ concentrations of nutrient solution made in laboratory level with those made by the developed system were conducted. The experimental results showed that the deviations for N $O_3$$^{[-10]}$ , and P $O_4$$^{3-}$ concentrations of nutrient solution composited by the developed system were -2.36％ and -5.15％, respectively.
In recent, multi-sector nutriculture in which each sectors are managed with different compositions and supplying amounts of nutrient solution is being prevalent especially in large-scale greenhouses. This study was carried out to develop an automatic mixing and supplying system of nutrient solution for the multi-sector greenhouse which can control various compositions of nutrient solution and supplying amounts for each sector. The stock solution control device could control discharge of the stock solution with device actuating time. The experimental result showed high correlation between the discharge and the actuating time. The system could make nutrient solution of various compositions and showed possibility of changing compositions of nutrient solution according to changes of growth stages or environments. Undesirable remnant nutrient-solution effect on the next supply was decreased by lowering RC of the previous nutrient solution remaining in the tank and supply pipe through rinse process. To evaluate performance of the developed system, experiments that compare N $O_3$$^{[-10]}$ , and P $O_4$$^{3-}$ concentrations of nutrient solution made in laboratory level with those made by the developed system were conducted. The experimental results showed that the deviations for N $O_3$$^{[-10]}$ , and P $O_4$$^{3-}$ concentrations of nutrient solution composited by the developed system were -2.36％ and -5.15％, respectively.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 우리나라 실정에 적합한, 구역별로 원소별 성분 농도와 급액량 제어가 가능한 연속식의 다구역 재배용 양액 자동조제공급 시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 비료별로 따로 조제된 각 농후액의 토출량을 조절함으로써 원소별로 농후액의 증감조절이 가능한 원소별 농후액 공급조절장치를 개발하였다. 이 방식은 기존의 양액재배에서 주로 농후액을 A액, B액, 산, 알칼리의 4개로만 나누어 사용하는 방법에서 나타나는 문제점인 원소들간 화학반응과 불순물 등에 의한 침전물의 생성을 줄일 수 있다.
가설 설정
1회 조제는 총 3회의 농후액 공급으로 이루어지며, 1일 동안 5번 배지에 공급하는 것으로 가정하였다. 1회 조제시간은 10초간 농후액 공급, 50초간 휴식의 과정을 3회 반복하여 총 3분 정도 소요되는 것으로 산정하였다.
제안 방법
실린더를 설치하였다. 8개의 액제정밀계량장치에는 5가지 다량원소 농후액, Fe-EDTA 농후액, 미량원소 농후액 그리고 산 조절액이나 알칼리 조절액을 넣을 수 있도록 하였다.
개발된 농후액 공급조절장치의 성능평가를 위하여 8개 액제정밀계량 실린더의 농후액 토출량 편차를 각 각 살펴 보았으며 하나의 솔레노이드 밸브를 선정하여 시간과 토출량 사이의 관계를 조사하였다. 또한 상용 정량펌프의 문제점인 사용시간이 경과함에 따라 토출량이 변화하는 내구성 여부도 조사하였다.
개발된 원수 유입량 계측시스템의 성능은 목표 원수 유입량과 실제 원소 유입량 사이의 편차를 비교하는 방법으로 조사하였다. 실제 원수유입량의 편차를 알아보기 위하여 목표 원수유입 량을 150ℓ와 160ℓ , 170ℓ로 설정하여 원수유입량 편차 실험을 수행하였다.
있다. 따라서, 개발된 시스템의 조제 성능을 평가하기 위하여 오이용 야마자키액 180ℓ를 조제, 공급하였을 때 양액에 포함된 6개의 다량원소중 질산 이온과 인산 이온에 대해서 실험실에서 조제된 이온 농도와의 비교 실험을 3회에 걸쳐 수행하였고, 분석기기로는 이온 크로마토그래피(DX500, Dionex, USA)를 사용하였다.
또한 상용 정량펌프의 문제점인 사용시간이 경과함에 따라 토출량이 변화하는 내구성 여부도 조사하였다.
반복 구동회수에 대한 내구성 시험을 위하여 시간에 따른 농후액 공급조절부의 토출량 변화를 측정하여 상용의 정량펌프 2개의 측정값과 비교하였다.
한다. 본 연구에서는 부자식 레벨 트랜스미터 (float-type level transmitter)를 사용하여 혼합탱크 내 수위를 계측함으로써 간접적으로 원수 유입량을 계측하였다.
본 연구에서는 부피가 작으면서도 여러 원소의 농후액을 정확한 양 만큼 공급할 수 있도록 하나의 몸체에 8개의 액제정밀계량 실린더를 설치하였다. 8개의 액제정밀계량장치에는 5가지 다량원소 농후액, Fe-EDTA 농후액, 미량원소 농후액 그리고 산 조절액이나 알칼리 조절액을 넣을 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 비순환식 양액재배를 대상으로 하여 비료염을 양액 조성표의 비율대로 투입하므로 제어대상을 각 성분의 농도로 하는 방식을 사용했고, 배양액을 공급하는 방식은 넓은 재배면적에도 적용이 가능하고 혼합탱크가 차지하는 공간을 줄일 수 있는 연속식을 사용하였다. 제어대상을 각 성분 농도로 하는 방식은 필요에 따라 특정 성분의 농도와 전체 농도의 증감이 모두 가능하지만 원수 유입량과 농후액 토출량을 정확히 계측할 필요가 있다.
또한, 다구역 재배에서는 구역별로 배양액의 조성이 다를 수 있기 때문에 이전에 급액하고 혼합탱크나 관내에 남은 양액이 다음 급액때 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 이것을 방지하기 위하여 이전 구역에 공급했던 양액을 원수로 씻어내어 가능한 낮은 농도가 되게 하여 그 부작용을 최소화 시키는 세척(rinse) 과정을 도입 하였다. 따라서, 목표 배지 급액량에서 세척에 필요한 양을 뺀 나머지 양만을 농후액과 혼합하여 배지로 공급하고 세척과정에서 남은 양의 원수를 공급하게 된다.
시간과 토출량 사이의 관계는 구동시간을 3초부터 15초까지 변화시키면서 토출량을 측정하는 방법을 사용하였다.
시험을 위하여 1일 조제횟수와 1회 조제 시 필요한 시간으로부터 소요시간을 계산하였다. 1회 조제는 총 3회의 농후액 공급으로 이루어지며, 1일 동안 5번 배지에 공급하는 것으로 가정하였다.
실제 원수유입량의 편차를 알아보기 위하여 목표 원수유입 량을 150ℓ와 160ℓ , 170ℓ로 설정하여 원수유입량 편차 실험을 수행하였다.
된다. 앞서 언급한 배양액 조제 및 공급 알고리즘을 구현하여 양액 자동조제공급 제어기를 구동하기 위하여 Microsoft 사의 Visual C++ 6.0을 이용하여 양액자동조제용 소프트웨어를 개발하였다.
토출량 편차는 각 실린더 별로 5회씩 5초간의 토출량을 측정하여 그 편차를 조사하였다. 시간과 토출량 사이의 관계는 구동시간을 3초부터 15초까지 변화시키면서 토출량을 측정하는 방법을 사용하였다.
수위에서 정지하게 된다. 하한 수위에서의 혼합탱크내 잔량은 약 13.0ℓ인데, 이 때 잔량 농도를 최대한 신속하고 적은 세척량(clear volume)으로 낮출 수 있도록 세척량과 세척회수를 변화시키면서 실험을 수행하였다. 세척효율 실험결과 총 세척량을 일정하게 할 때 세척회수는 여러번 나누는 것이 효율적이었고, 총 세척량은 소요시간과 세척후 잔존 양액의 EC등을 고려하였을 때 30ℓ가 적당하였다.
성능/효과
6은 개발된 농후액 공급조절장치와 2가지 정량펌프의 사용기간 15개월에 상당하는 반복 구동회수에 대한 내구성시험결과를 나타낸 것이다. 개발된 농후액 공급조절장치는 별개의 두 계량실린더 사이에 약 0.4%정도의 최대 편차를 보였으며, Hanna와 Blue White 정량펌프는 동종의 각 두 펌프 사이에 각각 4.3%, 4.4%의 최대 편차를 보이고 있다. 시험결과 개발된 농후액 공급조절장치의 반복 구동회수에 대한 내구성이 우수함을 확인하였다.
Table 2에 나타내었다. 개발된 시스템으로 조제한 양액중에 포함된 질산(NO3)과 인산 이온(PO43-)의 농도는 실험실에서 조제된 양액에 비하여 각각 2.36%, 5.15% 낮게 나왔는데, 이는 원수유입량의 측정 오차(2.73%), 이온 크로마토그래피 본체 및 장비 운용시에 발생할 수 있는 오차(1%이내)등을 고려하면 설명 가능한 수치라고 사료된다.
0ℓ인데, 이 때 잔량 농도를 최대한 신속하고 적은 세척량(clear volume)으로 낮출 수 있도록 세척량과 세척회수를 변화시키면서 실험을 수행하였다. 세척효율 실험결과 총 세척량을 일정하게 할 때 세척회수는 여러번 나누는 것이 효율적이었고, 총 세척량은 소요시간과 세척후 잔존 양액의 EC등을 고려하였을 때 30ℓ가 적당하였다. Fig.
4%의 최대 편차를 보이고 있다. 시험결과 개발된 농후액 공급조절장치의 반복 구동회수에 대한 내구성이 우수함을 확인하였다.
9999로 나타났다. 아래 회귀식에 의한 예측량과 실제 토출량이 거의 일치하여 솔레노이드 밸브 구동시간에 의한 농후액 토출량의 제어가 가능함을 확인하였다.
7은 농후액 공급조절장치의 사용기간 6년(72개월)에 상당하는 반복 구동회수에 대한 내구성시험 결과를 나타낸 것이다. 최대 편차는 1.8%로 나타났으며, 토출량이 계속 증가하거나 감소하는 상황은 일어나지 않음을 알 수 있었다. 시간이 경과하면서 토출량 편차가 초기보다 증가하는 이유는 시간이 지남에 따라 A, B농후액에 의한 침전물이 발생하여 유로에 영향을 준 것으로 추정된다.
토출량 편차 실험을 밸브당 각 5회에 걸쳐 5초씩 구동하여 수행한 결과 8개의 샘플 중 7개는 최대 1%편차 내에서 토출되었으며, 나머지 1개의 샘플간의 편차는 최대 -1.23% 내에서 토출이 되었다.
후속연구
개발된 다구역 양액자동조제공급 시스템은 연속식으로서 공급용량은 공급펌프의 작용하는 부하와 공금펌프의 용량에 따라 달라지므로 공급펌프를 교체하여 공급용량을 증가시킴으로써 더 넓은 면적에 급액할 수 있으리라 사료된다.
될 수도 있다. 그러나 실제 사용시간에 따른 내구성 시험을 위해서는 많은 시간이 소요되는 관계로 본 연구에서는 수행하지 못했다.
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