[논문]수박 밀도 자동 계측시스템 개발

최규홍; 이강진; 손재룡; 김기영; 최동수

문제 정의

따라서 이 연구에서는 위와 같은 계측상의 번거러움을 해소하고 동시에 신속하고 반복 간 측정정밀도를 높일 수 있도록 밀도 계측시스템을 설계 제작하였다. 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 투명아크릴 수조( 0400 X 500), 로드셀, 프레임, 채반, 전기모터 및 제어장치로 구성하였다.
이 연구는 수박 밀도를 비파괴적이면서 신속히 판정할 수 있는 영상처리식 밀도 계측시스템과 부력식 밀도 계측시스템을 개발 . 평가하고, 수박의 밀도와 내부품질과의 상관관계를 분석하여 밀도를 이용한 수박 내부품질 판정가능성을 구명하고자 수행하였다.
이 연구는 수박 비파괴 품질판정기술 개발 일환으로 수행되었으며, 측정이 용이한 인자들과 수박 내부품질과의 상관관계를 구명하였다. 특히 밀도 측정에 의해 수박의 당도, 숙도, 공동, 피수박, 황대 등 내부결함의 판정가능성을 구명하고자 수행되었다.
이 연구는 수박 비파괴 품질판정기술 개발 일환으로 수행되었으며, 측정이 용이한 인자들과 수박 내부품질과의 상관관계를 구명하였다. 특히 밀도 측정에 의해 수박의 당도, 숙도, 공동, 피수박, 황대 등 내부결함의 판정가능성을 구명하고자 수행되었다.
이 연구는 수박 밀도를 비파괴적이면서 신속히 판정할 수 있는 영상처리식 밀도 계측시스템과 부력식 밀도 계측시스템을 개발 . 평가하고, 수박의 밀도와 내부품질과의 상관관계를 분석하여 밀도를 이용한 수박 내부품질 판정가능성을 구명하고자 수행하였다.

제안 방법

ⅲ) 수박을 절단하여 원예연구소에서 설정한 등급기준(표3 참고에 따라 내부공동, 피수박, 황대를 육안으로 판정하고, 당도는 절단한 후 단면의 5개 지점[적도1, 적도2, 구심, 꼭지, 바닥]에서 일정한 크기(3×3×3citf)의 과육으로부터 즙을 내어 굴절당도계 (Atago DBX-55)로 측정하였다.
수박의 잠기는 정도는 상부와 하부에 설치한 2개의 리미트스위치 사이의 거리를 변화시켜 조절하였다. 그리고 채반을 지지하는 수직 바(bar)를 20kg용량의 로드셀에 연결하여 무게를 측정하였다.
시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 투명아크릴 수조( 0400 X 500), 로드셀, 프레임, 채반, 전기모터 및 제어장치로 구성하였다. 대기중에서와 수중에서의 수박 무게 측정을 위해 반구형 채반 2개를 그림과 같이 설치하여 수박이 수조에 완전히 잠길 수 있는 구조로 제작하였다. 수박의 잠기는 정도는 상부와 하부에 설치한 2개의 리미트스위치 사이의 거리를 변화시켜 조절하였다.
그림 2와 그림 3는 각각 밀도 계측알고리즘과 컴퓨터 화면을 나타낸 것이다. 또한 온도에 따른 밀도 변화를 보상하기 위해 온도별 밀도표를 미리 입력 하여 밀도 측정전의 물 온도를 입력 할 수 있도록 메뉴에 포함시켰다.
수박의 내부품질인자와 계량이 가능한 물성 인자들과의 상관관계를 구명하고자 시료 각각의 당도, 무게, 길이, 직경, 체적, 밀도 등을 측정하였다. 한번 시험때 마다(수확일자별) 1 0~14개 수박을 수확하여 공시재료로 사용하였고, 시험절차는 다음과 같다.
수원시 소재 원예연구소에서 재배된 삼복꿀수박 35개를 공시재료로 하여 밀도 계측시스템과 인력에 의한 부력법으로 밀도를 측정하였고, 그림 4 과 표 2는 두 방법간 밀도측정 결과를 비교한 것이다. 그림 4에서 보는 바와 같이 계측시스템에 의해 측정된 수박 밀도는 사람이 측정했을 때 보다 낮게 측정되었고, 두 측정반복간 표준오차는 0.
밀도 측정과정은 그림 2에서 보는 바와 같이 채반에 수박을 넣고 마우스로 "시작" 메뉴의 클릭과 동시에 대기중에서 수박 무게가 측정되고, 전기 모터에 의해 수박을 물에 완전히 침수시켜 물 속에서 5초 동안 정지 안정된 상태에서 무게를 측정된 후 다시 초기의 위치로 자동 복귀된다. 이때 이미 주어진 계산식에 의한 밀도계산, 결과의 저장, 계측시스템의 구동 및 제어를 위한 프로그램은 Visual C++/Microsoft를 이용하여 개발하였다. 그림 2와 그림 3는 각각 밀도 계측알고리즘과 컴퓨터 화면을 나타낸 것이다.

대상 데이터

밀도 계측시스템의 무게 측정에는 인장형 로드셀(CAS SB-20L, Max. 20kg)을 사용하였고, AD변환기의 분해능은 12bit이었다. 수박의 무게 측정범위를 4~ 10kg로 가정하면, 20kg 로드셀의 1 digit(1bit)로 발생되는 오차는 0.
따라서 이 연구에서는 위와 같은 계측상의 번거러움을 해소하고 동시에 신속하고 반복 간 측정정밀도를 높일 수 있도록 밀도 계측시스템을 설계 제작하였다. 시스템은 그림 1에서 보는 바와 같이 투명아크릴 수조( 0400 X 500), 로드셀, 프레임, 채반, 전기모터 및 제어장치로 구성하였다. 대기중에서와 수중에서의 수박 무게 측정을 위해 반구형 채반 2개를 그림과 같이 설치하여 수박이 수조에 완전히 잠길 수 있는 구조로 제작하였다.
시험에 사용된 수박은 수원 소재 원예연구소 시험포장에서 재배한 삼복꿀수박과 달고나 수박으로, 2000년 시험에서는 삼복꿀수박 87개와 달고나 수박 39개를, 2001년도에는 삼복꿀수박 74개를 공시 재료로 하였다.
수박의 내부품질인자와 계량이 가능한 물성 인자들과의 상관관계를 구명하고자 시료 각각의 당도, 무게, 길이, 직경, 체적, 밀도 등을 측정하였다. 한번 시험때 마다(수확일자별) 1 0~14개 수박을 수확하여 공시재료로 사용하였고, 시험절차는 다음과 같다.

데이터처리

그리고 통계분석(SAS 8.1)을 통하여 각 요인간 상관관계를 구명하였다.

성능/효과

표 9와 표 10은 외관인자들과 당도 예측 회귀식이다. 결론적으로 계측이 용이한 수박의 물리적인자(무게, 길이, 직경, 부피, 밀도)로 내부품질을 예측하는데는 극단적인 결함을 제외하고는 불가능한 있는 것으로 판단되었다.
002g/cnT을 나타내 물의 이론밀도 Ig/cnT 에 근접하는 결과를 보여 정확한 밀도 계측이 가능한 것으로 판단되었다. 또한 밀도 계측시스템의 측정 반복간 정밀도를 파악하기 위해 수박 6개를 임으로 선정하여 3반복 측정 시험한 결과, 표 1에서와 같이 측정표준편차가 0.001~0.004g/cm로 대체로 양호한 결과를 나타냈다.
표 5과 표 6는 2000년도산 공시 수박의 당도, 밀도 및 외관인자들간의 관계를 나타낸 것이다. 무게, 길이, 직경, 체적 등 외관인자들간에는 두 품종 모두에서 높은 상관관계를 보였으나, 이들 외관인 자와 밀도, 당도 등 내부품질인자들과는 매우 낮은 상관관계를 보였다. 다시 말해 계측이 용이한 외관인자로부터 내부품질상태를 예측하는데는 한계가 있는 것으로 판단된다.
밀도 계측시스템의 정확도를 확인하기 위해 탄력이 좋은 고무풍선에 수박 크기 정도로 물을 채워 고정채반에 넣고 밀도를 측정한 결과 1.002g/cnT을 나타내 물의 이론밀도 Ig/cnT 에 근접하는 결과를 보여 정확한 밀도 계측이 가능한 것으로 판단되었다. 또한 밀도 계측시스템의 측정 반복간 정밀도를 파악하기 위해 수박 6개를 임으로 선정하여 3반복 측정 시험한 결과, 표 1에서와 같이 측정표준편차가 0.
이 연구에서 개발된 부력식 밀도 실시간 계측시스템의 밀도측정 분해능은 O.OOlg/cnf FS 이었고, 탄력이 좋은 고무풍선에 물을 채워 밀도를 측정한 결과 1.002g/#로 물의 이론밀도 (Wl.Og/cnf)에 근접하였다. 수박을 이용한 밀도 측정시험에서 표준편차는 0.
출수일별로 수확하여 체적, 무게, 밀도 및 당도를 측정하고 통계분석한 결과, 체적, 무게 및 당도는 출수 후 35일까지는 유의차를 보였다. 그러나 35일 이후에는 뚜렷한 유의차가 나타나지 않았다.
한편, 수박 1개를 사람이 부력법으로 밀도를 5반복 측정했을 때 밀도는 최소 0.966g/cm'에서 최고 0.991g/cnf로 측정 반복간 차이가 컸고, 표준 편차 역시 O.Ollg/#로 이 연구에서 개발된 계측 시스템의 최대 측정편차 0.004g/cnf보다 2배 이상으로 높았다.

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