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문제 정의
- 이상의 연구에서 농산물의 충격특성을 측정하기 위한 장치로 고속사진기로 촬영하여 충격특성을 분석하거나 가속도계 또는 하중변환계를 사용하여 가속도-시간 또는 충격력-시간 특성 곡선을 디지털스토리지 오실로스코프로 측정하고 충격 력-시간, 가속도-시간 특성곡선을 오실로그래프로 출력하여 구적계로 충격 특성자료를 분석하였다 청과물의 충격 특성 시험은 짧은 시간(1~10 ms) 동안 발생하는 충격특성 자료를 측정 수집해야 하므로 본 연구에서는 최근 보편화 되어있는 디지털스토리 지 오실로스코프의 신호증폭, 측정 모니터링 및 측정 데이터 저장 및 전송기능을 이용하여 사용이 간편한 충 격특성 측정장치 및 자료수집시스템을 구성하였으며, 자유낙 하 충격체에 가속도계를 장착하여 과실의 충격특성을 시험할 수 있는 충격시험 장치를 개발하고, 과일을 대표하는 사과, 배, 복숭아의 낙흐)높이에 따른 내부과육조직과 외피조직의 기계적 특성을 구명하고자 하였다.
제안 방법
- 층격낙하높이는 각 조직의 파괴가 발생하는 높이로부터 점차 그 높이를 증가시켜 4 cm에서 24 cm 사이의 낙하 높이에서 청과물의 충격특성 변이를 측정하였다. 각 조직의 충격 특성시험은 각 낙하 높이에서 10회 반복 측정하였다. 과실의 조직 파괴특성을 시험하기 위하여 표피조직과 과육조직에 각각 플런저와 평판으로 충격하중을 가하고, 다음 관계식을 사용하여 각 조직의 파괴요인을 측정하였다.
- 각 조직의 충격 특성시험은 각 낙하 높이에서 10회 반복 측정하였다. 과실의 조직 파괴특성을 시험하기 위하여 표피조직과 과육조직에 각각 플런저와 평판으로 충격하중을 가하고, 다음 관계식을 사용하여 각 조직의 파괴요인을 측정하였다.
- 충격 특성치의 계산은 측정 자동화 프로그램을 개발하여 측정한 가속도-시간 특성 데이터에서 파괴점을 찾고 수치적 분법을 사용하여 계산하였다. 극한강도는 충격시험장치 에서 측정한 가속도-시간 곡선으로부터 파괴가 시작되는 점 (rupture point)의 가속도를 측정하여 극한강도를 다음식 (1)로 계산 하였다.
- 가속도 측정장치의 calibratione 한국 표준연구원에서 Bouch Levy Reciprocity calibartion method로 검증하였다. 낙하물체가 시료에 충격력을 가하는 동안 발생되는 가 속도-시간 특성곡선은 디지털오실로스코프 Gould OS4020 (Gould Instrument Systems Inc., Valley View, Ohio, USA, 이하 OS4020)를 사용하여 측정 저장하였다. 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020 의 AAD변환기는 분해능 8 bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte으로 10 msec 미만의 시간에 발생되는 과실조직의 파괴과정 중 발생 흐}는 특성신호를 측정 변환 저장하는데 적합하였다.
- 또한 파괴요인으로 파괴력이 측정되었다. Fletcher등(1985) 은 충격속도가 25 cm/s 이상으로 증가하면 사과의 표피 파괴력이 급속히 감소하는 것을 발견하였다.
- 과실에 일정 낙하높이에서의 충격하중을 가하고 충격특성을 측정하기 위하여 그림 2와 같이 충격시험 장치를 구성하였다. 시료에 충격하중을 가하기 위하여 낙하물체를 직경 1 mm 강선 2줄을 따라 수직으로 낙하하게 하였으며, 낙하물체의 가속도를 측정하기 위하여 가속도계를 부착하였다(그림 1). 가이드용 강선의 낙하물체에 대한 영향을 최소화하기 위하여 낙하물체에 직경 2 mm의 구멍에 가이드용 강선이 통과하여 자유낙하하게 하였다.
- 시료의 부피는 Amchemedes의 원리를 이용하여 시료를 증 류수에 잠기게 하여 측정하였으며, 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 표 1과 같다
- 농산물의 손상에 밀접한 충격요인으로 다음과 같이 파괴에너지, 멍드는데 소요된 에너지, 측정된 최대 힘, 청과물 내부에 발생된 응력, momentum. 역적(impulse) 및 파괴변형도로 추정하고 청과물의 충격특성을 이들 요인으로 나타내었다.
- 일정 낙하높이의 충격하중에 대한 과실의 조직의 파괴특성을 시험하기 위하여 극한강도(ruptuue force), 파괴에너지 (rupture energy) 및 극한변형도(rupture deformation)를 파괴 요인으로 설정하고 표피조직에는 반경 4 mm 플런저로 내부 과육조직에는 아크릴 평판으로 충격하중을 가하고 충격시험 장치로 가속도-시간 곡선을 측정하여 파괴요인을 분석하였다.
- 충격 특성치의 계산은 측정 자동화 프로그램을 개발하여 측정한 가속도-시간 특성 데이터에서 파괴점을 찾고 수치적 분법을 사용하여 계산하였다. 극한강도는 충격시험장치 에서 측정한 가속도-시간 곡선으로부터 파괴가 시작되는 점 (rupture point)의 가속도를 측정하여 극한강도를 다음식 (1)로 계산 하였다.
- 충격특성시험을 위하여 그림 2와 같이 가속도계, signal conditioner, 디지털스토리지 오실로스코프 GPIB 인터페이스 및 마이크로컴퓨터로 측정, 수집, 전송 및 분석장치를 구성하였다: 충격시험에 사용한 가속도계는 가속도 50 g의 EGA3 -1000(Measurement Specialties, Inc. Hampton, VA, USA) 이며 가속도계의 출력신호 처리에 EMI signal conditioner (Thom EMI 1050, Thom EMI Datatech Ltd, UK)를 사용하였다. 가속도 측정장치의 calibratione 한국 표준연구원에서 Bouch Levy Reciprocity calibartion method로 검증하였다.
- 층격낙하높이는 각 조직의 파괴가 발생하는 높이로부터 점차 그 높이를 증가시켜 4 cm에서 24 cm 사이의 낙하 높이에서 청과물의 충격특성 변이를 측정하였다. 각 조직의 충격 특성시험은 각 낙하 높이에서 10회 반복 측정하였다.
- 그림 3은 낙하물체가 시료에 접촉하기 직전에 측정시작 트리거 신호를 발생시키는 회로도이다. 트리거 발생장치는 고속응답 photo-interrupter인 Sharp64 lA17(Sharp Co. Japan), schmitt trigger 74LS14(Texas Instru- ment, Texas, USA)와 Flip-Flop 74LS74> 사용하여 회로를 구성하였다.
- 5 cm의 원통형 시편을 만들어 사용하였다(L/D=L5). 표피조직에 대한 충격시험은 그림 2에서 보는 바와 같이 과실의 꼭지에 방향에 수직한 방향으로 충격하중을 가하여 시험하였다.
대상 데이터
- 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020 의 AAD변환기는 분해능 8 bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte으로 10 msec 미만의 시간에 발생되는 과실조직의 파괴과정 중 발생 흐}는 특성신호를 측정 변환 저장하는데 적합하였다. OS4020에 저장된 충격특성자료는 OS4020에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이 스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다. PC GPIB 인터페이스를 통하여 OS4020의 작동제어, 충격시험자료의 전송 및 분석에 사용하였다.
- OS4020에 저장된 충격특성자료는 OS4020에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이 스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다. PC GPIB 인터페이스를 통하여 OS4020의 작동제어, 충격시험자료의 전송 및 분석에 사용하였다. OS4020의 GPIB 제어, 자료전송 및 분석 프로그램은 BASIC으로 작성하였다.
- 사과, 배, 복숭아의 표피조직에 대한 충격시험에는 원형의 시료를 사용하였다. 과육조직에 대한 충격시험에서 원통형 시편채취기를 이용하여 사과와 배는 측면에서 수직방향으로 직경 1.0 cm, 길이 1.5 cm의 원통형 시편을 만들어 사용하였다(L/D=L5). 표피조직에 대한 충격시험은 그림 2에서 보는 바와 같이 과실의 꼭지에 방향에 수직한 방향으로 충격하중을 가하여 시험하였다.
- 낙하물체는 그림 1과 같이 전자석을 사용하여 공급전원의 단락으로 자유낙하를 시작하게 하였다. 낙하물체는 아크릴로 제작하였으며 두께 10 mm, 직경 50 mm의 아크릴 평판이나 길이 20 mm, 직경 8 mm, 곡률반경 4 mm의 플런저(plunger)를 장착할 수 있도록 아크릴로 제작하였다. 낙하물체의 무게는 플런저 부착 시 247, 49 g, 평판 부착 시 233.
- 충격실험의 공시재료로서 사과, 배 및 복숭아의 각 대표적 품종인 후지, 장신랑, 유명을 공시하였다. 시험에 사용한 사과와 배는 수원 원예시험장에서 시험 재배한 것이며 수확 후 50개를 구입하여 저장기간 없이 상온에서 바로 충격시험에 사용하였으며, 복숭아는 대구에서 수확된 것을 서울 가락동청 과물 시장에서 상온 저장된 외견상 손상이 없는 것을 선별하여 50개를 구입하였다.
- 충격실험의 공시재료로서 사과, 배 및 복숭아의 각 대표적 품종인 후지, 장신랑, 유명을 공시하였다. 시험에 사용한 사과와 배는 수원 원예시험장에서 시험 재배한 것이며 수확 후 50개를 구입하여 저장기간 없이 상온에서 바로 충격시험에 사용하였으며, 복숭아는 대구에서 수확된 것을 서울 가락동청 과물 시장에서 상온 저장된 외견상 손상이 없는 것을 선별하여 50개를 구입하였다.
이론/모형
- Hampton, VA, USA) 이며 가속도계의 출력신호 처리에 EMI signal conditioner (Thom EMI 1050, Thom EMI Datatech Ltd, UK)를 사용하였다. 가속도 측정장치의 calibratione 한국 표준연구원에서 Bouch Levy Reciprocity calibartion method로 검증하였다. 낙하물체가 시료에 충격력을 가하는 동안 발생되는 가 속도-시간 특성곡선은 디지털오실로스코프 Gould OS4020 (Gould Instrument Systems Inc.
- 농산물의 기계적 특성 시험에는 성숙도 등 조직 변화 측정 방법으로 내부조직 시편의 평판시험과 수확 및 처리과정의 손상에 저항하는 지표 측정방법으로 외피조직에 대한 원통형 플런저(plunger) 시험이 사용되었다.
- 이상의 가속도-시간 특성곡선 a(t)의 1차,2차 적분은 sirrpson의 수치적분법으로 계산하였다.
성능/효과
- (1) 사과(후지) 표피조직의 극한강도 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 72.9-87.7 N, 0.135-0.142 Nm, 3.25~3.83 mm 이었으며, 과육조직은 각각 57.2-67.2 N, 0.035 ~0.045 Nm, 1.34-1.51 mm 이 었다.
- (2) 배(장신랑) 표피조직의 극한강도 파괴에너지, 극한 변형도는 각각 70.8-84.1 N, 0.109-0.132 Nm, 3.22~3.46 mm 이었으며, 과육조직은 각각 47.0~59.7 N, 0.039 -0.048 Nm, 1.85-1.97 mm이었다.
- (3) 복숭아(유명) 표피조직의 극한강도 파괴에너지, 극한변형 도는 각각 43.4~65.0 N, 0.147 -0.165 Nm, 3.88~7.13 mm 이었다.
- 낙하물체가 시료를 접촉하여 충격력을 가하고 조직의 파괴가 일어나는데 소요되는 시간은 예비실험결과 약 1 ~7 ms으 로 나타났으며 이 순간에 발생하는 가속도계의 출력전압은 OS4020에 트리거(trigger) 신호를 발생시키는 장치를 구성하여 측정을 시작하였으며, 측정결과는 바로 오실로스코프의 모니터로 확인할 수 있었다. 그림 3은 낙하물체가 시료에 접촉하기 직전에 측정시작 트리거 신호를 발생시키는 회로도이다.
- Nelson과 Mohsenin(1968)은 청과물이 흡수한 에너지와 멍이든 체적과의 상관관계 구명하였다. 멍이나 파괴를 발생시키는 충격에너지는 압축하중에 의한 것보다 복숭아, 배, 사과 및 감자 등에서 더 큰 것으로 나타났다. 이는 압축속도가 증가할수록 강철과 같은 공업용 물질이나 고분자 화합물의 강도가 커지는 것과 같은 것으로 해석하였다,
- 본 연구에서 개발한 과실의 충격시험 자동화 장치를 이용하여 일부 청과물에 충격하중을 가하고, 가속도계를 이용하여 시간-가속도 특성 곡선을 디지털 데이터로 신속 정확하게 측정할 수 있었으며. 충격하중에 대한 기계적 특성을 신속하고 정확하게 측정할 수 있었다.
- 사과, 배 및 복숭아 조직의 파괴에 소요된 에너지는 그림 6에 나타난 바와 같으며, 배의 표피조직이 낙하높이에 따라 완만하게 증가하는 경향을 보인 반면 사과의 표피조직, 특히 배와 사과의 과육조직의 파괴에 소요된 파괴에너지는 낙하높이의 변화에 관계없이 일정한 것으로 나타났다.
- 사과와 배의 표피조직의 극한강도는 그림 5에 나타난 바와 같이 낙하높이가 증가함에 따라서 완만하게 증가하는 것으로 나타났으나 과육조직의 경우와 복숭아 표피의 극한강도는 낙 하높이에 따른 일정한 경향이 관찰되지 않았다. 사과와 배의 표피조직과 사과의 과육조직은 낙하높이 4 cm에서 파괴점이 발견되지 않았으나 배의 과육조직의 경우 낙하높이 4 cm에 서도 조직이 파괴되었다.
- , Valley View, Ohio, USA, 이하 OS4020)를 사용하여 측정 저장하였다. 자료수집 및 저장에 사용한 OS4020 의 AAD변환기는 분해능 8 bit, 변환시간이 500 nsec이며, 메모리 용량은 4 kbyte으로 10 msec 미만의 시간에 발생되는 과실조직의 파괴과정 중 발생 흐}는 특성신호를 측정 변환 저장하는데 적합하였다. OS4020에 저장된 충격특성자료는 OS4020에 부착된 4024 IEEE 488 인터페이 스버스(General Purpose Interfac Bus, 이하 GPIB)와 PC에 장착된 GPIB를 이용하여 전송하였다.
- 그림 4는 본 연구의 충격시험장치로 측정한 사과 표피조직 의 가속도-시간 특성곡선이다. 좌측 그림에 나타난 바와 같이 조직이 파괴될 때 가속도-시간 곡선의 기울기가 급격히 감소하는 것으로 나타난 반면에 우측 그림은 표피가 파괴되지 않고 홈(dent)만 발생한 경우의 가속도-시간 곡선으로 기울기가 완만하게 감소하는 것과 좋은 대조를 보였다. 충격장치와 시료가 접촉한 이후의 가속도-속도 곡선에 일정한 주기의 정현파가 포함되어 나타났으며 이는 충격장치를 안내하는 강선의 진동으로 발생하는 것으로 사료된다.
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