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문제 정의
- 본 연구는 기존의 단일 주파수를 이용하는 방법을 개선하여 서로 다른 2개의 주파수에서의 정전용량 변화를 이용하여 수분 측정 정확도를 향상시킴과 아울러 다짐밀도의 영향을 보정할 수 있는 측정 방법을 개발하기 위하여 수행되었다.
- 본 연구는 기존의 단일 주파수변화를 이용하는 토양 용적수분함량 측정의 정확도를 향상시키고 토양의조성비 및 입도 분포가 서로 다른 토양 시료에 대해서도 정확한 측정이 가능한 측정방법을 개발하기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 수직 평판형 정전용량 센서를 설계 .
제안 방법
- 센서의 토양 수분함량 변화에 따른 정전용량 변화를 검출하기 위하여 고주파 발진회로의 주파수 변화를 검출하는 회로를 제작하였다. 고주파 발진회로는 Kim 등(2001)에 의해 제안된 수정발진자를 응용한 회로를 개선하여 5MHz와 20MHz의 발진회로를 각각 설계 . 제작하였다.
- 그림 5에서 보는바와 같이 토양 센서의 정전용량은 마이크로프로세서(PIC1674B)에 의해 구동되는 릴레이에 의해 5MHz의 발진회로와 20MHz의 발진회로에 차례로 연결되어 각각의 주파수 변화를 주파수카운터 (Intel 82542)로 읽어들인 다음 마이크로프로세서의 메모리(EEPROM)에 저장하거나 LCD에 표시하도록 하도록 프로그램 하였다.
- 고주파의 2개 주파수 변화를이용하여 기존의 단일 주파수 변화를 이용하는 방법과 비교하기 위하여 5MHz와 20MHz의 측정주파수를 선정하였다. 선행연구에서 제안된 토양 수분측정용 고주파 발진회로(Kim, et. al, 2001)를 개선하여 5MHz 와 20MHz의 발진회로를 각각 설계 . 제작하였다.
- 센서 내 토양의 다짐밀도를 변화시켜 가면서 실험을 수행하기 위하여 그림 2에서 보는 바와 같은 부피 189cm2의 시료 용기를 제작하여 토양 시료를 채운 후 센서를 용기에 삽입하여 측정하도록 하였다.
- 제작하였다. 센서 내 토양의 수분함량 변화에 의한 정전용량 변화를 발진주파수 변화로 측정하기 위하여 주파수카운터 회로와 관련 신호처리 회로를 제작하였다. 각각의 발진회로에서 토양 수분의 증가에 따라 발진주파수는 거의 다항 함수적으로 감소하였으며 기존의 연구결과와 동일한 경향을 나타내었다.
- 센서가 매설된 토양 시료용기를 제작된 2개의 수분 측정용 발진회로에 각각 연결하여 센서의 정전용량변화에 따른 각 발진회로의 주파수 변화를 측정하여 토양 수분함량으로 나타낼 수 있는 회로를 제작하였다. 그림 5에서 보는바와 같이 토양 센서의 정전용량은 마이크로프로세서(PIC1674B)에 의해 구동되는 릴레이에 의해 5MHz의 발진회로와 20MHz의 발진회로에 차례로 연결되어 각각의 주파수 변화를 주파수카운터 (Intel 82542)로 읽어들인 다음 마이크로프로세서의 메모리(EEPROM)에 저장하거나 LCD에 표시하도록 하도록 프로그램 하였다.
- 제작된 토양 센서의 정전용량 변화를 이용하여 토양 수분함량을 측정할 수 있는 회로를 설계, 제작하였다. 센서의 토양 수분함량 변화에 따른 정전용량 변화를 검출하기 위하여 고주파 발진회로의 주파수 변화를 검출하는 회로를 제작하였다. 고주파 발진회로는 Kim 등(2001)에 의해 제안된 수정발진자를 응용한 회로를 개선하여 5MHz와 20MHz의 발진회로를 각각 설계 .
- 수행되었다. 이를 위하여 수직 평판형 정전용량 센서를 설계 . 제작한 후 고주파 정전용량을 측정하고 분석한 결과 토양 수분함량 측정 센서로서의 사용 가능한 것으로 나타났다.
- 제작된 토양 센서의 수분 센서로서의 적용 가능성을 검토하기 위하여 토양 수분의 유전율 범위에 해당되는 표준 물질(Weast, et. al, 1985)을 이용하여 센서의 정전용량을 임피던스 분석기(HP4195)로 측정한 결과 그림 4에서 보는바와 같다. 수분을 함유한 토양의 유전율은 대략 3~35 정도이며(Wobschall, 1977) 전체 측정주파수 범위에서 유전율이 증가함에 따라 센서의 정전용량은 증가 할 뿐만 아니라 센서의 주파수 안정도도 매우 양호한 것으로 나타났다.
- 설계 . 제작된 토양 센서의 정전용량 변화를 이용하여 토양 수분함량을 측정할 수 있는 회로를 설계, 제작하였다. 센서의 토양 수분함량 변화에 따른 정전용량 변화를 검출하기 위하여 고주파 발진회로의 주파수 변화를 검출하는 회로를 제작하였다.
- , 1998)에서 사용되었던 수직평판형 정전용량 센서를 개선하여 그림 2에서 보는바와 같이 제작하였다. 토양 수분의 감지부가 되는 전극부는 유전율이 2.61 이고 두께가 540um인 테프론에 두께 12um의 구리 전극을 증착시켜 수직으로 구성하였으며 전극이 부착된 테프론 면의 반대쪽에 L자 형태의 알루미늄 판을 붙여 센서의 ground effect와 fringing field effect 를 제거하도록 하였다 (Baster, 1990). 제작된 센서의 이론적인 정전용량은 아래와 같이 표시되며(Kim, et.
- 1에서 보는 바와 같다. 토양 시료의 비중은 type I의 경우 2.69, type II의 경우 2.73으로 분석되었으며 여러 수준의 토양 함수비를 조성하기 위하여 완전히 건조된 토양 시료에 증류수를 첨가하여 잘 혼합한 다음 항온항습기에서 약 1 주일 동안 함수비를 조절하였다. 공기 오븐 건조법(24-hours, 1050)을 이용하여 용적수분함량을 결정하였으며 식 ⑴과 같이 표시된다.
- 토양 용적수분함량 측정 모델을 개발하기 위하여 5MHz의 주파수 변화와 20MHz의 주파수 변화를 동시에 고려하여 다음 식(4)와 같은 모델을 개발하고 평가하였다. 전술한 바와 같이 토양의 유전상수는 함유하고 있는 수분뿐만 아니라 인가되는 교류 주파수의 함수이며 주파수 변화에 따라 그 특성이 다르게 나타나게 된다.
- 토양 함수비 측정 센서는 본 연구의 선행연구(Kim, et. al., 1998)에서 사용되었던 수직평판형 정전용량 센서를 개선하여 그림 2에서 보는바와 같이 제작하였다. 토양 수분의 감지부가 되는 전극부는 유전율이 2.
대상 데이터
- 제작한 후 고주파 정전용량을 측정하고 분석한 결과 토양 수분함량 측정 센서로서의 사용 가능한 것으로 나타났다. 고주파의 2개 주파수 변화를이용하여 기존의 단일 주파수 변화를 이용하는 방법과 비교하기 위하여 5MHz와 20MHz의 측정주파수를 선정하였다. 선행연구에서 제안된 토양 수분측정용 고주파 발진회로(Kim, et.
- 한편, 가격적인 측면에서 비교적 저렴한 상용 IC의 주파수 한계는 약 25MHz 정도이고 (Ruth, 1999) 30MHz 이상의 주파수에서는 전기적인 노이즈를 제거할 수 있는 별도의 회로가 고려되어야 한다(Hardy, 1978). 따라서 본 인구에서는 수분 측정 주파수로서 5MHz와 20MHz의 2개의 주파수를 선정하였다
- 본 연구에서 사용된 토양은 입도 분포가 서로 다른 2가지 종류의 토양으로서 서울대학교 농업생명과학대학 내 실험포장에서 채취한 것으로서 입도 분포는그림 1에서 보는 바와 같다. 토양 시료의 비중은 type I의 경우 2.
- 나타낸다. 실험에 사용된 토양 시료 용적수분함량 범위는 type I의 경우 0.002 ~0.437cm3cm'3, type D 의 경우 0.011 〜OSllcm'mT의 범위를 각각 나타내었으며 실험은 주위온도 20±l°C에서 수행되었다.
데이터처리
- 용적수분함량 측정 모델을 개발하기 위한 중회귀분석은 통계소프트웨어인 SAS version 6.2를 이용하였으며 회귀모델의 평가 및 비교는 결정계수(F), 예측표준오차(SEC), 검증표준오차(SEP), bias를 이용하여 분석하였다. 표 3은 회귀분석 결과를 나타낸 것으로서 대체적으로 본 연구에서 제안한 2개 주파수를 이용하는 모델(식(4))의 결과가 단일 주파수를 이용한 모델보다 양호한 결과를 나타내는 것으로 분석되었다.
이론/모형
- 73으로 분석되었으며 여러 수준의 토양 함수비를 조성하기 위하여 완전히 건조된 토양 시료에 증류수를 첨가하여 잘 혼합한 다음 항온항습기에서 약 1 주일 동안 함수비를 조절하였다. 공기 오븐 건조법(24-hours, 1050)을 이용하여 용적수분함량을 결정하였으며 식 ⑴과 같이 표시된다.
성능/효과
- 5MHz와 20MHz의 발진주파수 변화를 독립변수로 하여 용적수분함량을 측정하기 위한 중회귀모델을 분석한 결과 기존의 단일 발진주파수 변화를 독립변수로한 3차의 다항식 모델의 결과보다 양호한 결과를 나타내는 것으로 분석되었다. 2종류의 토양 시료를 대상으로 하여 분석한 결과 본연구에서 제안한 2개의 주파수를 이용한 중회귀모델의 결정계수는 0.966, 검증표준오차는 0.027(cm3/cm3), bias는0.001(cm3/cm3)로 나타나 정확도가 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서는 2종류의 토양시료만을 대상으로 하였으므로 앞으로 보다 많은 여러 종류의 토양 시료를 대상으로 하는 보완연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 각각의 발진회로에서 토양 수분의 증가에 따라 발진주파수는 거의 다항 함수적으로 감소하였으며 기존의 연구결과와 동일한 경향을 나타내었다. 5MHz와 20MHz의 발진주파수 변화를 독립변수로 하여 용적수분함량을 측정하기 위한 중회귀모델을 분석한 결과 기존의 단일 발진주파수 변화를 독립변수로한 3차의 다항식 모델의 결과보다 양호한 결과를 나타내는 것으로 분석되었다. 2종류의 토양 시료를 대상으로 하여 분석한 결과 본연구에서 제안한 2개의 주파수를 이용한 중회귀모델의 결정계수는 0.
- 같다. 각 발진주파수에서 센서 내 토양의 용적수분함량이 증가함에 발진주파수는 거의 다항 함수적으로 감소하는 것으로 나타났으며 본 연구의 선행연구(Kim, 2001)와 거의 동일한 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 기존의 여러 연구자들에 의해 보고된 토양 용적수분함량과 유전상수의 3차 다항식 관계(Topp et al.
- 수분을 함유한 토양의 유전율은 대략 3~35 정도이며(Wobschall, 1977) 전체 측정주파수 범위에서 유전율이 증가함에 따라 센서의 정전용량은 증가 할 뿐만 아니라 센서의 주파수 안정도도 매우 양호한 것으로 나타났다. 반면 공기에서의 정전용량은 약 5pF 정도로서 식(1)에 의한 이론적인 값인 0.25pF 보다 크게 나타났는데 이러한 이유로는 센서의 리드선의 영향과 표유용량의 영향 때문이며 전반적으로 50MHz까지 정전용량은 매우 안정한 값을 나타내어 토양수분 측정 센서로 충분히 사용 가능 할 것으로 판단되었다.
- 이를 위하여 수직 평판형 정전용량 센서를 설계 . 제작한 후 고주파 정전용량을 측정하고 분석한 결과 토양 수분함량 측정 센서로서의 사용 가능한 것으로 나타났다. 고주파의 2개 주파수 변화를이용하여 기존의 단일 주파수 변화를 이용하는 방법과 비교하기 위하여 5MHz와 20MHz의 측정주파수를 선정하였다.
후속연구
- 001(cm3/cm3)로 나타나 정확도가 향상되는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서는 2종류의 토양시료만을 대상으로 하였으므로 앞으로 보다 많은 여러 종류의 토양 시료를 대상으로 하는 보완연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 전술한 바와 같이 토양의 유전상수는 함유하고 있는 수분뿐만 아니라 인가되는 교류 주파수의 함수이며 주파수 변화에 따라 그 특성이 다르게 나타나게 된다. 따라서 단일 주파수를 이용하여 수분함량 측정 모델을 개발하는 것 보다 2개 혹은 그 이상의주파수들을 이용한 중회귀 모델을 고려하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
- 이러한 결과와 관련하여 Tomer(1995)는 정전용량형 센서를 이용할 경우 토양의 유전율이 토양의 조성과 특성에 영향을 받을 수 있다고 지적한 바 있다. 따라서 보다 정밀한 토양 용적수분함량을 측정하기 위해서는 토양의 조성 및 입도 분포와 같은 특성에 따른 영향들을 고려해야 할 것으로 판단된다.
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