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문제 정의
- 본 연구에서는 벼 수확량 측정 시스템을 개발하는데 있어서, 유량계측과 더불어 요구되는 벼 수분을 계측하기 위하여 벼 수확동시 실시간 수분계측 센서를 개발하고자 하였다.
제안 방법
- 곡립을 파쇄하는 파쇄롤러의 회전속도비는 피동롤러대 구동롤러의 비를 2:1(12 : 24rpm) 로 설정하여 서로 다른 회전속도로 곡립의 파쇄가 잘 되도록 하였으며, 롤러 간극을 0.5~2 m 범위내에서 .조절이 되도록 하여 곡립 파쇄시 일정한 압력이 유지 되도록 하여 곡립의 파 쇄정도의 차이에 의한 측정 오차를 줄일 수 있도록 하였다.
- 그리고, 롤러는 전극의 역할을 할 수 있는 재질로 제작하였으며, 다른 부위와 절연이 되도 록 하고 열처리를 하여 마모 및 녹이 슬지 않도록 하였다. 또한, 피동롤러와 구동롤러의 표 면에는 곡립의 파쇄성능을 증가시키기 위하여 서로 다른 무늬(▥, ▦)를 너링 가공하였으며 롤러의 직경은 60mm, 두께는 15mm 로 하였다.
- 그리하여, 이러한 결과를 바탕으로 센서 시작기의 전자회로부를 구성하여 신호를 처리할 수 있도록 하였다.
- 또한, 센서의 캘리브레이션은 곡물의 수분영역을 저수분, 중간수분 및 고수분 영역으로 나누어 실시하여 정밀도를 높일 수 있도록 하였다.
- 그리고, 롤러는 전극의 역할을 할 수 있는 재질로 제작하였으며, 다른 부위와 절연이 되도 록 하고 열처리를 하여 마모 및 녹이 슬지 않도록 하였다. 또한, 피동롤러와 구동롤러의 표 면에는 곡립의 파쇄성능을 증가시키기 위하여 서로 다른 무늬(▥, ▦)를 너링 가공하였으며 롤러의 직경은 60mm, 두께는 15mm 로 하였다.
- 센서의 캘리브레이션은 수매용의 대안벼로 표준시료를 제조하여 센서의 출력신호와 표 준건조법에 의해 측정된 수분함량을 비교하여 실시하였으며, 캘리브레이션 정밀도를 높이기 위하여 곡물의 수분영역을 저수분(12.5~18%), 중간수분(18~23%) 및 고수분 영역(23~ 30%)으로 나누어 실시하여 결과를 도출하였다. 이러한 수분 영역의 분류는 곡물의 수분 변화에 따른 전기저항이 LOG 함수 형태를 보이는 것에 의하여 출력신호의 특성상 임의로 구분하였다.
- 수분 센서 시작기는 1회에 1립씩 곡립을 롤러로 투입 및 파쇄한뒤 곡립의 전기저항 을 측정하여 함수율을 계측하는 구조로 제작하였으며, 시작기의 전체 크기는 자탈형 콤바인 에의 부착을 고려하여 (WXHXD : 280mmX280mX220mm) 크기로 제작하였다.
- 나. 수분계측의 오차를 줄이기 위하여 1회 측정후 브러시 및 스크레이퍼로 롤러표면을 청 소하여 잔유물을 제거하며, 곡립 파쇄시 일정한 압력을 주기 위하여 피동롤러가 2mm 범위내에서 유동될 수 있도록 하였다.
- 수분센서의 전자회로부는 롤러에서 파쇄된 곡립의 전기저항을 측정하고 신호를 처리 할 수 있도록 로그(Log)앰프, 신호증폭 변환부, 기준전압 발생부, 온도센서 신호 증폭부, 전 원부로 구성하였다.
- 수분센서의 캘리브레이션은 대안벼를 가지고 센서의 출력신호와 표준건조법에 의해 측 정된 수분함량을 비교하여 실시하였으며, 이를 위하여 항온항습기, 포화염용액 및 포화염용 액조, 정밀 전자저울 등을 이용하여 다수의 표준시료를 제작하였다.
- 수분의 측정 범위는 전기저항 방식의 특성을 고려하여 13-29% 로 하였고, 외기온 5~4 0℃ 범위에서는 곡립의 온도에 따라 수분함량이 변하는 것이 보정이 되도록 회로를 구성하였다. 온도보정의 원리는 온도가 1℃ 상승하거나 하락할 때 수분함량이 0.
- 수분함량의 정확한 연속 계측을 위해서 1회 측정후 롤러 표면을 충분히 청소할 수 있도록 고정솔 및 회전솔, 스크레이퍼를 설치하였으며, 청소솔 및 스크레이퍼는 마모에 대응한 재질 로 하였다. 수분센서는 벼뿐만 아니라 보리, 밀 등의 다른 곡립의 수분도 계측할 수 있는 구조로 기구부를 제작하였다.
- 수분의 측정 범위는 전기저항 방식의 특성을 고려하여 13-29% 로 하였고, 외기온 5~4 0℃ 범위에서는 곡립의 온도에 따라 수분함량이 변하는 것이 보정이 되도록 회로를 구성하였다. 온도보정의 원리는 온도가 1℃ 상승하거나 하락할 때 수분함량이 0.1% 하락하거나 상승하는 것에 따라서 보정이 되도록 하였다.
- 동일한 포장내에서도 위치별로 토성과 비옥도에 따른 수확량에 서로 차이가 있으나 현재는 비료와 농약 등을 전체 포장에 대하여 동일한 기준으로 다량 살포하고 있어 농자재의 과 다투입에 의한 환경오염이 초래되고 있다. 이러한 불합리한 영농을 배제하고 친환경적인 정밀농업을 구현하기 위해서는 작물재배 환경에 따른 포장 각 지점의 수확량을 정확히 계측 하여, 수확량과 토성이나 토양의 비옥도, 생육상태, 균평도 등과 같은 포장정보들 사이의 상 관관계를 분석하여 비료 . 농약의 적절한 투입 량을 결정하는 것이 필요하다.
- 가. 자탈 콤바인용 수분센서를 단립 파쇄 저항측정 방식으로 제작하였으며, 수분측정범위는 13-29% 이고, 측정속도는 1초에 1회의 측정 속도를 가진다.
- 5~2 m 범위내에서 .조절이 되도록 하여 곡립 파쇄시 일정한 압력이 유지 되도록 하여 곡립의 파 쇄정도의 차이에 의한 측정 오차를 줄일 수 있도록 하였다.
- 다. 측정값을 처리하는 전자회로부는 로그앰프, 신호증폭 변환부, 기준전압 발생부, 전원부 로 구성되며, 5~40℃ 범위내에서 온도보상이 가능하도록 제작하였다.
- 친환경적 정밀농업의 구현을 위하여 포장 위치별로 포장정보에 대한 변이 파악이 요구되 어, 변량처방을 위한 처방지도를 작성함에 있어 포장정보의 분석에 기준이 되는 벼 수확량 을 포장 위치별로 계측하기 위하여, 유량계측 센서와 더불어 요구되는 벼 수분센서를 설계 및 제작하여 실험한 결과는 다음과 같다.
성능/효과
- 곡물의 저항값과 전극사이의 출력값을 비교하여 캘리브레이션 한 결과를 바탕으로 출력전압과 수분량의 관계를 수식으로 작성하여 프로세서에서 처리할 수 있도록 프로그래밍 하였는데, 출력전압과 수분함량의 관계는 수분함량 y = 9.8465e°'2184x 로 지수함수 형태로 표 현되며, 이때 결정계수(iV)는 0.9884 로 높게 나타났다.
- 라. 수분 센서를 수분 영역별로 나누어 캘리브레이션 한 결과, 곡립의 전기저항과 출력전 압의 관계가 결정계수(『 ) 0.9772 - 0.9956 범위로 나타나 높은 상관관계를 나타내었으 며, 출력전압과 수분량의 관계도 상관계수가 0.9884 로 높게 나타났다.
- 수분센서 시작기의 곡물의 저항값과 전극사이의 출력값을 비교하여 캘리브레이션 한 결과 는, R2 이 0.97 이상으로 나타나 수분 영역 13~30% 범위에서는 수분센서로서의 기능을 충분히 수행할 수 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 개발된 수분센서는 자탈형 콤바인에 부착하여 유량센서 및 GPS 신호를 통합 처리하여 벼 수확량 측정 시스템으로서 역할을 수행하도록 하기 위한 것이므로 곡물 유량센서 및 속도센서, 예취폭 검출센서 등의 보조 센서와 GPS와의 통합적인 시험이 필요하며, 뿐만 아니라 크 기 및 무게도 시작기보다 가능한 한 줄이는 것이 요구된다.
- 마. 개발된 시작기는 자탈형 콤바인에 부착하기 위하여 크기 및 중량을 시작기보다 줄이는 것이 요구되며, 곡물 유량센서 및 속도센서, 예취폭 검출센서 등의 보조 센서와의 통합적인 시험이 필요하다.
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