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문제 정의
- 본 연구의 목적은 국내에서 과수원 방제 전용기로 이용하고 있는 과수방제기(공기운반분무기)는 방제성능이 우수하고 작업이 편리하지만 다량 살포방식으로 농약이 과다 살포되고 손실이 많아 개선이 필요하다. 개선의 방법으로 정전기력을 이용한 방제장치를 개발하기 위하여 적정노즐을 개발하고, 정전기 발생장치와 대전장치를 개발하여 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 실시하였다. 각각의 실험요인인 정전대전방식 및 인가전압별로 각 처리별 피복면적비를 관행 (conventional)과 비교하여 각 요인에 대한 효과와 교호작용(interaction)을 조사하였다. 그 결과 R2 값은 0.
- 목표물은 크기가 5X 7cm의 철재 부착판을 수평, 수직 및 45° 각도로 설치하였다. 감수지 (water sensitive paper)는 분무액이 직접 닿지 않는 위치인 부착판의 뒷면에 플라스틱 집게로 부착하여 뒷면의 피복면적비를 측정하도록 하였다.
- 부착효과 분석은 부착된 애적을 100배로 확대하여 입경과 입자 수를 측정하여 피복면적비를 산출하였다. 감수지의 분석위치 분할은 그림 9와 같이 감수지(50X 70mm)를 6지점으로 분할하여 측정하였다.
- 본 연구의 목적은 국내에서 과수원 방제 전용기로 이용하고 있는 과수방제기(공기운반분무기)는 방제성능이 우수하고 작업이 편리하지만 다량 살포방식으로 농약이 과다 살포되고 손실이 많아 개선이 필요하다. 개선의 방법으로 정전기력을 이용한 방제장치를 개발하기 위하여 적정노즐을 개발하고, 정전기 발생장치와 대전장치를 개발하여 성능을 평가하였다.
- 5mm, 길이 20mm의 스테인레스로 M3 볼트의 끝에 부착하고, 누전을 방지하기 위하여 플라스틱으로 제작한 ②의 원통에 조립한 후 코로나가 방전될 때 필요한 공기를 공급하기 위해 홈을 제작한 ③의 커버를 조립하고, 몸체에 가공한 구멍에 부착한 후 노이즈를 제거하기 위하여 황동으로 제작한 ④를 조립하여 고정하였다. 고전압을 인가하기 위하여 볼트 머리 부분에 전선을 연결하고 에폭시본드로 절연 후 실리콘 처리를 함으로써 물의 유입을 차단하여 누전을 줄이도록 제작하였다.
- 과수 방제기용 정전대전 살포시스템 개발을 위한 기본연구로 관행 과수방제기용 노즐과 정전대전 노즐의 분무특성을 분석하고, 직류 및 펄스정전기 발생장치를 제작하여 성능을 비교 분석하였으며, 직류유도대전, 펄스유도대전, 펄스코로나방전 대전장치를 제작하고 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 관행 과수방제기 노즐의 단점인 분무량이 많고 파손이 잘되는 문제점을 개선하기 위하여 노즐의 형상을 디스크형에서 콘형으로 변경하고 분무특성을 분석하여 정전대전에 적합한 노즐을 선발하였다. 노즐조합은 그림 1과 같이 분구, 중자, 걸름망 및 몸체로 구성되었고,노즐 분구의 규격은 구경이 각각 0.
- 그림 4에 나타낸 펄스유도대전장치의 유도대전 전극은 직경이 16mm인 1개의 황동 링으로 플라스틱 몸체의 노즐 끝에서부터 16mm 지점에 위치하게 하고 고전압 전선은 링에서 연장된 황동 봉의 끝에 연결하도록 설계하였다. 대전전극이 몸체내부에 집적된 분무액에 접촉으로 인한 정전기 누전을 방지하기 위해 대전장치의 몸체내부에서 분무액이 쉽게 밖으로 흘러나오도록 배출구를 설치하였다.
- 2mm, 무정전)과 비교 실험하였다. 노즐과 목표물간의 거리는 1.2m, 분무압력은 1.966MPa로 5회이상 반복실험 하였다. 피복면적비 분석은 그림 8에 나타낸 칼라영상현미경 시스템(MW-200 삼성, 한국)을 이용하였다.
- 정전대전 전극의 부착위치 결정에 중요한 인자인 분무각을 노즐끝에서 3cm 이 내의 지점과 분무입자의 이동경로의 가장 바깥 가장자 리가 이루는 각으로 정의하였다. 노즐의 분무량은 노즐 에서 분무압력 및 분무형상이 안정된 후부터 메스실린 더에 1분간 분무하여 측정하였다. 분무입경은 그림 3에나타낸 자동입자즉정기(MMLVERN 2600C, 영국)로 분 무 입경이 형성된 노즐끝에서부터 30cm 거리의 분무 중심부에서 측정하였으며, 체적평균직경 (VMD)으로 나타내었다.
- 적합한 노즐을 선발하였다. 노즐조합은 그림 1과 같이 분구, 중자, 걸름망 및 몸체로 구성되었고,노즐 분구의 규격은 구경이 각각 0.51, 0.59, 0.67, 0.83mm인 노즐을 공시노즐로 선정하였다.
- 대전전극이 몸체내부에 집적된 분무액에 접촉으로 인한 정전기 누전을 방지하기 위해 대전장치의 몸체내부에서 분무액이 쉽게 밖으로 흘러나오도록 배출구를 설치하였다. 대전 전극의 직경은 노즐에서 분무되는 약액이 전극에 접촉되지 않도록 하기 위하여 노즐의 최대 분무각인 53° 보다 큰 60°로 제작하였다. 대전장치의 몸체와 대전전극을 조립한 후 대전 전극에서의 누전방지를 위하여 에폭시본드로 밀폐시켰으며, 황동봉과 전선의 접합부위는 에폭시본드로 1차 처리후 실리콘으로 처리하여 누전이 완전히 차단되도록 제작하였다.
- 대전 전극의 직경은 노즐에서 분무되는 약액이 전극에 접촉되지 않도록 하기 위하여 노즐의 최대 분무각인 53° 보다 큰 60°로 제작하였다. 대전장치의 몸체와 대전전극을 조립한 후 대전 전극에서의 누전방지를 위하여 에폭시본드로 밀폐시켰으며, 황동봉과 전선의 접합부위는 에폭시본드로 1차 처리후 실리콘으로 처리하여 누전이 완전히 차단되도록 제작하였다.
- 대전전극이 몸체내부에 집적된 분무액에 접촉으로 인한 정전기 누전을 방지하기 위해 대전장치의 몸체내부에서 분무액이 쉽게 밖으로 흘러나오도록 배출구를 설치하였다. 대전 전극의 직경은 노즐에서 분무되는 약액이 전극에 접촉되지 않도록 하기 위하여 노즐의 최대 분무각인 53° 보다 큰 60°로 제작하였다.
- 무풍상태인 실내에서 인가전압을 3.0~4.5kV까지 0.5kV 씩 변화시키면서, (1)대전방식 : 직류유도대전, 펄스유도대전, 펄스코로나 방전대전, hybrid 대전, (2)노즐직경 : ø0.51, 0.59, 0.67, 0.83mm, (3) 감수지 부착각도 : 0, 45, 90° 별로 부착효과 실험을 실시하여 관행(노즐직경 ø1.2mm, 무정전)과 비교 실험하였다. 노즐과 목표물간의 거리는 1.
- 인버터(Inverter)에 의해서 직류전류가 주파수 및 펄스폭 변동이 가능한 sine wave 형태로 출력되며, 저전압(12V)을 고전압(4kV)으로 승압시키는 변압기(Transformer)로 구성된다. 변압기는 절연내력이 10kV 이상으로, 1차, 2차간 그리고 2차권선 간의 충분한 절연거리를 유지하고 코일을 감아서 제작하였다.
- 칼라영상 현미경시스템은 이미지를 획득하여 1,000배까지 확대가 가능하고 감수지에 부착된 입자의 크기와 개수를 측정할 수 있는 이미지 분석시스템이다. 부착효과 분석은 부착된 애적을 100배로 확대하여 입경과 입자 수를 측정하여 피복면적비를 산출하였다. 감수지의 분석위치 분할은 그림 9와 같이 감수지(50X 70mm)를 6지점으로 분할하여 측정하였다.
- 정전대전 농약살포용 노즐 특성을 구명하기 위하여 관행 과수 방제기용 노즐과 새로운 노즐구경에 대한 분무압력별 분무각, 분무량, 입경 및 유효도달거리를 측정하였다. 분무각은 분무형상을 디지털카메라로 사진 촬영한 후 그림 2와 같이 컴퓨터 이미지 분석처리기법을 이용하여 Threshold 값 80%로 처리하여 분무가 형성 된 외부의 각도를 측정하였다. 정전대전 전극의 부착위치 결정에 중요한 인자인 분무각을 노즐끝에서 3cm 이 내의 지점과 분무입자의 이동경로의 가장 바깥 가장자 리가 이루는 각으로 정의하였다.
- 노즐의 분무량은 노즐 에서 분무압력 및 분무형상이 안정된 후부터 메스실린 더에 1분간 분무하여 측정하였다. 분무입경은 그림 3에나타낸 자동입자즉정기(MMLVERN 2600C, 영국)로 분 무 입경이 형성된 노즐끝에서부터 30cm 거리의 분무 중심부에서 측정하였으며, 체적평균직경 (VMD)으로 나타내었다. 유효분무거리는 자체 제작한 균등살포율 측정장치(패터네이터)를 이용하여 페터네이터 상부에서 노즐까지 3분간 분무하여 12cm 간격으로 측정용 기에 집적하고, 전자저울로 무게를 즉정하여 분석하였다
- 분무입경은 그림 3에나타낸 자동입자즉정기(MMLVERN 2600C, 영국)로 분 무 입경이 형성된 노즐끝에서부터 30cm 거리의 분무 중심부에서 측정하였으며, 체적평균직경 (VMD)으로 나타내었다. 유효분무거리는 자체 제작한 균등살포율 측정장치(패터네이터)를 이용하여 페터네이터 상부에서 노즐까지 3분간 분무하여 12cm 간격으로 측정용 기에 집적하고, 전자저울로 무게를 즉정하여 분석하였다
- 적정 인가전압을 구하기 위하여 인가전압별 피복면적비를 측정하였다. 피복면적비의 측정은 목표물(감수지)을 수평, 45°, 90° 각도로 뒷면에 부착하고 측정 대차를 무풍상태에서 일정한 속도로 주행 시켰으며 측정 결과는 표 2에 나타내었다.
- 정전대전의 성능은 주로 분무되는 약액에 대한 대전전류(mean deposition current)의 비율인 대전양으로 표시한다. 전류의 측정을 위해 측정저항과 내부입력 임피던스가 1013Ω인 미소전류측정계(Electrometer, Keithley, model 614, 영국)를 사용하여 그림 6과 같은구성으로 제작하였다.
- 전압과 파형 측정은 디지털 오실로스코프 (Tektronix, model TOS360A, 미국)를 이용하였으며, 인가전압은 수 kV의 고압이므로 고압 측정용인 배율이 1,000 : 1의 고전압 프로브(Tektronix, model P6015A)로 측정하였다. 정전대전의 성능은 주로 분무되는 약액에 대한 대전전류(mean deposition current)의 비율인 대전양으로 표시한다.
- 정전기 발생장치의 출력전압의 측정을 위하여 정전기발생장치의 출력단자와 대전장치 사이에서 분무 전과 분무 중에 대전장치로 인가되는 전압과 파형을 측정하였다. 전압과 파형 측정은 디지털 오실로스코프 (Tektronix, model TOS360A, 미국)를 이용하였으며, 인가전압은 수 kV의 고압이므로 고압 측정용인 배율이 1,000 : 1의 고전압 프로브(Tektronix, model P6015A)로 측정하였다.
- 정전대전 농약살포용 노즐 특성을 구명하기 위하여 관행 과수 방제기용 노즐과 새로운 노즐구경에 대한 분무압력별 분무각, 분무량, 입경 및 유효도달거리를 측정하였다. 분무각은 분무형상을 디지털카메라로 사진 촬영한 후 그림 2와 같이 컴퓨터 이미지 분석처리기법을 이용하여 Threshold 값 80%로 처리하여 분무가 형성 된 외부의 각도를 측정하였다.
- 코로나 방전을 촉진시키기 위하여 원통내부에 침형의 방전소자를 설치하는 구조의 코로나 방전형 대전 장치를 그림 5와 같이 설계 제작하였다. 코로나를 발생시키는 침은 그림 5의 (b)와 같이 ①의 침은 직경 1.
- 그림 5와 같이 설계 제작하였다. 코로나를 발생시키는 침은 그림 5의 (b)와 같이 ①의 침은 직경 1.5mm, 길이 20mm의 스테인레스로 M3 볼트의 끝에 부착하고, 누전을 방지하기 위하여 플라스틱으로 제작한 ②의 원통에 조립한 후 코로나가 방전될 때 필요한 공기를 공급하기 위해 홈을 제작한 ③의 커버를 조립하고, 몸체에 가공한 구멍에 부착한 후 노이즈를 제거하기 위하여 황동으로 제작한 ④를 조립하여 고정하였다. 고전압을 인가하기 위하여 볼트 머리 부분에 전선을 연결하고 에폭시본드로 절연 후 실리콘 처리를 함으로써 물의 유입을 차단하여 누전을 줄이도록 제작하였다.
- 966MPa로 5회이상 반복실험 하였다. 피복면적비 분석은 그림 8에 나타낸 칼라영상현미경 시스템(MW-200 삼성, 한국)을 이용하였다. 칼라영상 현미경시스템은 이미지를 획득하여 1,000배까지 확대가 가능하고 감수지에 부착된 입자의 크기와 개수를 측정할 수 있는 이미지 분석시스템이다.
- 측정하였다. 피복면적비의 측정은 목표물(감수지)을 수평, 45°, 90° 각도로 뒷면에 부착하고 측정 대차를 무풍상태에서 일정한 속도로 주행 시켰으며 측정 결과는 표 2에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 뒷면 피복 면적 비가 관행 노즐은 10.
대상 데이터
- 3m/s로 하였다. 목표물은 크기가 5X 7cm의 철재 부착판을 수평, 수직 및 45° 각도로 설치하였다. 감수지 (water sensitive paper)는 분무액이 직접 닿지 않는 위치인 부착판의 뒷면에 플라스틱 집게로 부착하여 뒷면의 피복면적비를 측정하도록 하였다.
- 구성을 나타내었다. 실험에 사용한 이동대차는 속도 조절이 편리한 최대 출력 150W, 회전수 1800ipm, 감속비 90 : 1인 DC 기어드모터로 구동되고, 주행속도는 DC 파워서플라이를 이용하여 전동기에 입력되는 입력전압을 0~24V까지 변경시켜 주행속도를 0~2m /s까지 조절이 가능하도록 하였으며, 전후진 주행만 가능하도록 제작하였다. 이동대차의 속도는 과수방제기의 작업속도인 0.
데이터처리
- 각 조건에 따른 피복면적비의 통계적 차이를 알아보기 위해서 통계패키지 SAS를 이용하여 분산분석(GLM Procedure)을 실시하였다. 각각의 실험요인인 정전대전방식 및 인가전압별로 각 처리별 피복면적비를 관행 (conventional)과 비교하여 각 요인에 대한 효과와 교호작용(interaction)을 조사하였다.
성능/효과
- 1) 노즐의 분무특성을 분석한 결과 분무압력 1.96MPa 에서 분무량은 관행 ø1.2mm 노즐의 경우 1.97l/min이었으며, 정전대전용 ø0.59mm 노즐은 O.56l/min로 나타나 정전대전 살포할 경우 살포량이 3/4정도인 노즐의 효율이 높은 것으로 판단된다.
- 2) 평균분무입경(VMD)은 관행 ø1.2mm 노즐로 분무시 137.75~131.54μm가 사용되고 있다. 정전대전 살포용노즐은 압력이 증가할수록 136.
- 3) 정대전장치별 대전양 측정실험결과 DC 유도대전과 펄스코로나방전 대전의 대전성능이 낮았고, 펄스유도 대전장치의 대전성능이 우수하였으며, 전압별로는 4.0kV이상에서는 성능향상이 적은 것으로 나타났다.
- 4) 관행 01.2mm 노즐로 살포할 경우 10.2%였으나, 정전대전에 의한 피복면적비 향상효과는 인가전압 4.0kV로 00.59mm 노즐을 이용한 직류유도 대전, 펄스유도 대전, 펄스코로나방전 대전의 경우에는 각각 17.9%, 43.4%, 31.6%로 관행노즐에 비해서 피복면적비가 각각 1.7, 4.3, 3.1 배 증가하는 것으로 나타났다.
- 5) 분무량, 뒷면 피복면적비와 송풍풍속을 고려할 때 정전 대전 농약살포 시스템은 노즐 ø0.59mm, 펄스 유도 대전방식을 이용한 인가전압이 4.0kV에서 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 각각의 실험요인인 정전대전방식 및 인가전압별로 각 처리별 피복면적비를 관행 (conventional)과 비교하여 각 요인에 대한 효과와 교호작용(interaction)을 조사하였다. 그 결과 R2 값은 0.93 으로 나타났고, 유의확률이 0.01%로 유의수준 5%에서 반복간에 유의성이 있고, 대전방식과 인가전압에 따라서는 피복면적비의 차이가 있는 것으로 나타났다.
- 그림에서 알 수 있듯이 직류유도대전과 코로나 방전대전의 성능이 낮았고, 펄스유도 대전장치의 대전성능은 우수하였다. 전압별로는 4.
- 분무각은 분무압력이 0.986MPa 일때는 42~43°, 1.966MPa일때는 48~53°로 노즐 구경별로 차이가 적었고, 관행살포노즐인 ø1.2mm의 45~52°와 유사한 분무각으로 과수방제기에 적용할 경우 구조를 변경하지 않고도 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 평균분무입경(VMD)은 관행노즐 ø1.
- 5%로 적은 것은 분무량이 너무 적고 유효 도달거리도 짧기 때문인 것으로 판단된다. 오리피스 직경 ø0.59mm 노즐의 경우 4.5kV에서 52.7%로 정전대전 효과가 가장 높게 나타났으며, 관행의 01.2mm 노즐로 정전대전 없이 살포하는 경우와 비교하면 1.970min에서 0.56l/min로 71.6%나 줄어들면서도 피복면적비는 10.2%에서 52.7%로 5.2배 증가하는 것을 알 수 있다. 오리피스 직경 00.
- 54μm가 사용되고 있다. 정전대전 살포용노즐은 압력이 증가할수록 136.02 μm에서 95.87 μm로 작아지는 경향으로 나타나, 정전대전 살포에 적합한 VMD 를 100~120 μm로 정하였을 때, 정전대전 살포의 분무압력 1.96MPa이 적정한 것으로 판단된다.
- 2mm의 45~52°와 유사한 분무각으로 과수방제기에 적용할 경우 구조를 변경하지 않고도 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 평균분무입경(VMD)은 관행노즐 ø1.2mm의 137.75~ 131.54μm에 비하여 새로 개발한 노즐은 압력이 증가할수록 136.02μm에서 95.87μm의 범위로 작아지는 경향을 보였다. 분무량은 1.
- 표 3에 나타낸 바와 같이 송풍을 하지 않은 상태에서 펄스유도 대전방식으로 감수지 부착각도 45°, 분무압력 20kg/cm2 살포거리 1.2m에서 노즐구경과 인가전압별로 살포한 분무액이 감수지에 부착되는 피복면적비를 측정한 결과 인가전압이 증가할수록 피복면적비가 증가하는 것으로 나타났다. 오리피스 직경 0 0.
- 피복면적비의 측정은 목표물(감수지)을 수평, 45°, 90° 각도로 뒷면에 부착하고 측정 대차를 무풍상태에서 일정한 속도로 주행 시켰으며 측정 결과는 표 2에 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 뒷면 피복 면적 비가 관행 노즐은 10.2%였으나 분무량을 1/4로 줄여서 살포한 정전대전에서는 직류유도 대전의 경우 4.0kV에서 17.9%, 펄스유도 대전은 4.5kV에서 52.7%로 관행의 5.2배, 펄스코로나 방전대전은 4.5kV에서 40.4% 로 4배 증가하였다.
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