KR20190120932A - 토양의 전기 전도도 측정 장치 - Google Patents

토양의 전기 전도도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 토양의 전기 전도도 측정 장치는, 토양 내에 삽입되는, 제1 환형 코일 및 상기 제1 환형 코일과 일정 거리 이격되어 배치되는 제2 환형 코일; 상기 제1 환형 코일에 교류 전류를 인가하는 구동부; 상기 제1 환형 코일에 인가되는 교류 전류에 의하여 상기 제1 환형 코일과 상기 제2 환형 코일을 통과하는 전류가 발생하면, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 환형 코일에 유도되는 유도 전류를 검출하는 검출부; 토양의 수분 함량을 측정하는 수분 함량 측정부; 및 상기 검출된 유도 전류 및 상기 측정된 수분 함량을 기초로 토양의 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부를 포함한다.

Description

토양의 전기 전도도 측정 장치{Apparatus for measuring electrical conductivity of soil}
본 발명은 토양의 전기 전도도를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
토양의 전기 전도도는 작물에 대한 염류 장애를 판단하는 데 매우 중요한 화학적 지표이다. 토양 내 수분에 녹아 있는 염류(Ca, Mg, Na, K, Cl NO3, HCO3, CO3 등)의 양이 많을수록 전기 전도도가 높게 나타난다. 토양 내 수분에 염류가 많으면, 뿌리 주변의 물의 삼투압 상승으로 물이 존재하여도 뿌리가 물을 흡수하지 못하여 작물의 생육이 제한되고 심한 경우 시들어 죽게 된다. 따라서 토양의 전기 전도도를 측정하여 염류의 농도를 파악하는 것을 통해 적절한 염류 농도를 조절하는 것이 요구된다.
토양의 전기 전도도를 측정하는 대표적인 방법으로, 별개로 분리된 4개의 전극을 토양 내에 소정 간격으로 삽입 후, 양 끝에 배치된 2개의 전극에 전류를 흘려보내어, 중간에 배치된 2개의 전극 간의 전압을 측정하는 과정을 통해 토양의 전기 전도도를 측정한다.
그런데 토양 속의 수분은 산성 또는 알칼리성의 극성을 가지고 있어 전극이 산 또는 알칼리와 반응하여 부식되는 것을 방지하기 위해, 전극으로 백금(Pt)과 같은 고가의 재료를 사용해야 하므로 센서의 가격이 비싼 단점이 있다. 또한 측정 시 토양에 삽입된 전극이 수분과 접촉하여 수분과 전극 사이에 형성되는 분극 현상이나 표면의 오염 등 여러 요인으로 인해 측정 후 전극의 표면 상태가 달라지게 된다. 이로 인하여 측정값에 오차가 발생할 수 있기 때문에 전기 전도도를 측정할 때마다 일정한 전기 전도도의 표준 용액으로 캘리브레이션을 수행한 후 측정해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 토양의 전기 전도도를 측정하는 것은 엄밀히 말하면 토양 내 수분의 전기 전도도를 측정하는 것인데, 토양의 수분 함량이 낮은 경우에는 두 전극 사이에 존재하는 공극이 저항으로 작용하여 이 저항에 의해 전기 전도도가 실제보다 낮게 측정되는 등 정확한 측정값이 얻어지지 않는다. 따라서 토양 내 수분의 보다 정확한 전기 전도도 값을 얻기 위해서는 대상 토양의 수분 함량과 연계하여 측정하여야 하지만 아직까지는 이를 위한 구체적인 기술적 수단이 제시되지 못하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 토양 내 수분과 직접 접촉하는 전극을 사용하지 않으므로 고가의 전극이나 측정시 캘리브레이션 과정이 필요 없고, 토양의 수분 함량을 함께 측정함으로써 토양의 수분 함량과 연계하여 보다 정확히 전기 전도도를 측정할 수 있는 토양의 전기 전도도 측정 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 토양의 전기 전도도 측정 장치는, 토양 내에 삽입되는, 제1 환형 코일 및 상기 제1 환형 코일과 일정 거리 이격되어 배치되는 제2 환형 코일; 상기 제1 환형 코일에 교류 전류를 인가하는 구동부; 상기 제1 환형 코일에 인가되는 교류 전류에 의하여 상기 제1 환형 코일과 상기 제2 환형 코일을 통과하는 전류가 발생하면, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 환형 코일에 유도되는 유도 전류를 검출하는 검출부; 토양의 수분 함량을 측정하는 수분 함량 측정부; 및 상기 검출된 유도 전류 및 상기 측정된 수분 함량을 기초로 토양의 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부를 포함한다.
상기 전기 전도도 산출부는, 수분 함량에 의존하는, 유도 전류와 전기 전도도 간의 관계 그래프를 이용하여 상기 토양의 전기 전도도를 산출할 수 있다.
상기 수분 함량 측정부는, 상기 제1 및 제2 환형 코일 주변에 배치되며, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체; 교류 전원을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 커패시턴스 측정 회로; 및 상기 측정된 커패시턴스를 기초로 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함할 수 있다.
상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 커패시턴스에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 도선 구조체는, 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 더 포함하고, 상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량의 증가에 따라 상기 측정되는 커패시턴스가 감소하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 수분 함량 측정부는, 상기 제1 및 제2 환형 코일 주변에 배치되며, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선 및 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체; 상기 제1 및 제2 도선에 교류 전원을 인가하고, 상기 접지용 도선을 통해 누설되는 누설 전류를 측정하기 위한 누설 전류 측정 회로; 및 상기 측정된 누설 전류를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함할 수 있다.
상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 누설 전류에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
상기 도선 구조체는 코일 구조로 형성될 수 있다.
상기 도선 구조체는 상기 제1 환형 코일과 상기 제2 환형 코일 사이에 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 토양 내 수분과 직접 접촉하는 전극을 사용하지 않으므로 고가의 전극이나 측정시 캘리브레이션 과정이 필요 없고, 토양의 수분 함량을 함께 측정함으로써 토양의 수분 함량과 연계하여 보다 정확히 전기 전도도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양의 전기 전도도 측정 장치의 구성을 나타낸다.
도 2은 제1 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
도 3은 제1 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)에서의 수분 함량과 커패시턴스의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도선 구조체(210)의 구조의 일 예를 보여준다.
도 5는 제2 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
도 6은 제2 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)에서의 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도선 구조체(210′)의 구조의 일 예를 보여준다.
도 8은 제3 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
도 9는 제3 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)에서의 수분 함량과 누설 전류의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실제로 제작된 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 및 도선 구조체(210)의 사진이다.
도 11은 토양의 수분 함량에 따른, 유도 전류와 토양의 전기 전도도 간의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양의 전기 전도도 측정 장치의 구성을 나타낸다. 본 실시예에 따른 토양의 전기 전도도 측정 장치는 액체의 전기 전도도 측정에 사용되는 전자기 유도식 전기 전도도 측정 원리를 이용한다.
본 실시예에 따른 전기 전도도 측정 장치는, 제1 환형 코일(110), 제2 환형 코일(120), 구동부(130), 검출부(140), 전기 전도도 산출부(150), 수분 함량 측정부(200)를 포함할 수 있다.
제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)은 서로 일정 거리 이격되어 토양 내에 삽입된다. 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)은 예컨대 에나멜 코팅 등의 절연체로 피복되어, 토양 및 토양 내 수분과 접촉되지 않을 수 있다.
구동부(130)는 제1 환형 코일(110)에 교류 전류(iOSC)를 인가한다. 제1 환형 코일(110)에 흐르는 교류 전류(iOSC)에 의해 제1 환형 코일(110) 속에는 교류 자기장이 생성되고, 이 교류 자기장은 제1 환형 코일(110)을 통과하는 전류(iG)를 발생시키며, 발생 전류(iG)는 제2 환형 코일(120)을 통과하게 된다. 이처럼 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)을 통과하는 발생 전류(iG)는 매질의 전기 전도도, 즉 토양의 수분의 전기 전도도가 클수록 커진다. 제2 환형 코일(120)을 통과하는 발생 전류(iG)로 인해 제2 환형 코일(120) 속에는 자기장이 형성되고, 이 자기장으로 인해 제2 환형 코일(120)에는 유도 전류(iIND)가 유도된다.
검출부(140)는 제2 환형 코일(120)에 유도되는 유도 전류(iIND)를 검출한다. 예컨대 검출부(140)는 저항을 구비하여 저항 양단의 전압을 측정함으로써 유도 전류(iIND)를 검출할 수 있고, 필요에 따라 전압을 증폭할 수도 있다. 발생 전류(iG)는 토양의 수분의 전기 전도도가 클수록 커지므로, 유도 전류(iIND) 역시 발생 전류(iG)와 마찬가지로 토양의 수분의 전기 전도도가 클수록 커지는 값이 된다. 따라서 유도 전류(iIND)와 전기 전도도 간의 상관 관계를 이용하면, 유도 전류(iIND)를 측정하는 것을 통해 토양의 전기 전도도를 측정할 수 있다.
절연체로 피복된 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)은 토양 및 토양 내 수분과 접촉하지 않으므로, 부식이나 오염의 염려가 없어 이로 인한 측정 오차가 발생하지 않으며, 측정시 별도의 캘리브레이션이 필요 없는 장점이 있다.
수분 함량 측정부(200)는 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 주변의 토양의 수분 함량을 측정한다.
기존의 토양 내 수분 함량을 측정하는 대표적인 기법으로는 텐시오미터법과 TDR 법이 있다. 기존의 수분 함량 측정 기법은 센서의 구조가 복잡하고 가격이 비싸며 측정 범위가 제한되는 단점이 있다. 이에 본 발명의 실시예에서는 구조가 단순하고 비용이 저렴하며 원하는 영역에 걸쳐 토양 내 수분 함량을 측정할 수 있는 수분 함량 측정부(200)를 개시한다.
도 2은 제1 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)는, 도선 구조체(210), 커패시턴스 측정 회로(220), 및 수분 함량 산출부(230)를 포함할 수 있다.
도선 구조체(210)는 수분 함량을 측정할 토양 내에 삽입되기 위한 것으로, 서로 평행하고 인접하게 연장되도록 배치되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선(211, 212)을 포함한다.
절연 피복으로 인해 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이에는 유전체가 존재하므로, 도선 구조체(210)는 제1 및 제2 도선(211, 212)을 양 전극으로 하는 일종의 커패시터로 볼 수 있다. 이러한 도선 구조체(210)의 커패시턴스, 즉 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 커패시턴스는 도선 구조체(210)의 구조(크기, 모양 등)에 따라 일정 값을 갖게 된다.
이러한 도선 구조체(210)가 수분과 접촉하게 되면, 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이와 그 주변에 수분이 존재하게 되어, 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 유전체의 유전율이 변화하는 결과를 가져오며, 접촉되는 수분이 많아질수록 유전율은 더 커지게 된다. 커패시턴스는 유전율에 비례하므로, 접촉되는 수분이 많아질수록 도선 구조체(210)의 커패시턴스는 커지게 된다.
본 발명의 실시예에서는 이러한 원리를 이용하여, 도선 구조체(210)를 토양 내에 삽입하고 도선 구조체(210)의 커패시턴스를 측정함으로써 토양 내 수분 함량을 측정한다. 즉, 토양 내 수분 함량에 따라 토양에 삽입된 도선 구조체(210)에 접촉되는 수분의 양이 달라지는데, 수분 함량이 증가할수록 도선 구조체(210)의 커패시턴스는 커진다. 이러한 관계를 이용하여, 도선 구조체(210)의 커패시턴스를 측정하는 것을 통해 토양 내 수분 함량을 측정할 수 있다. 발명자는 토양 샘플에 수분 함량을 변화시켜 가면서 도선 구조체(210)의 커패시턴스를 측정하는 실험을 실시한 결과, 수분 함량과 커패시턴스는 비례하는 관계를 보임을 확인할 수 있었다. 도 3은 토양 내 수분 함량과 커패시턴스의 비례 관계를 나타내는 그래프이다.
도선 구조체(210)의 구조는 토양에서 수분 함량을 측정하고자 하는 영역(넓이, 깊이 등)에 따라 자유롭게 형성될 수 있다. 가장 간단한 예로 도선 구조체(210)를 일직선 구조로 형성할 수 있고, 측정하고자 하는 영역에 걸쳐 지그재그 형태로 형성할 수도 있으며, 코일 형태로 형성할 수도 있다. 도선 구조체(210)의 길이가 길수록 토양 및 수분과의 접촉 면적이 넓어지므로 측정값의 정확도와 신뢰도는 더 높아질 수 있다. 도 4는 도선 구조체(210)의 구조의 일 예로서, 원통형의 코일 구조로 형성된 모습을 보여준다.
다시 도 2를 참조하면, 커패시턴스 측정 회로(220)는 교류 전원을 이용하여 도선 구조체(210)의 커패시턴스, 즉 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 커패시턴스를 측정한다.
본 실시예에서는 커패시턴스 측정 회로(220)의 일 예로 자동평형 브릿지를 사용하는 회로를 예로 들었으나, 커패시턴스 측정은 다른 측정 방법들, 예컨대 브릿지 방법, 공진 방법, I-V(전압전류) 방법 등 다양한 방법을 사용할 수 있다.
커패시턴스 측정 회로(220)는, 교류 전원(221), 제1 전압계(222), 저항(R), 연산증폭기(223), 제2 전압계(224)를 포함할 수 있다. 교류 전원(221)은 제1 도선(211)의 일단과 접지 사이에 연결되어 교류 전압을 공급하고, 제1 도선(211)의 타단은 오픈된다. 제1 전압계(222)는 제1 도선(211)의 일단과 접지 사이에 연결되어, 제1 도선(211)의 전압(V1)을 측정한다. 제2 도선(212)의 일단은 오픈되고, 저항(R)의 일단은 제2 도선(212)의 타단에 연결된다. 연산증폭기(223)는 반전 단자가 저항(R)의 일단에 연결되고, 비반전 단자는 접지와 연결되며, 출력 단자는 저항(R)의 타단과 연결된다. 제2 전압계(224)는 연산증폭기(223)의 출력 단자와 접지 사이에 연결되어, 연산증폭기(223)의 출력 단자의 전압(V2)을 측정한다.
제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 임피던스 Z는 제1 전압계(222)의 전압(V1), 제2 전압계(224)의 전압(V2), 및 저항(R)으로부터 다음 수학식을 통해 측정될 수 있다.
Figure pat00001
임피던스 Z를 알면 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 커패시턴스를 알 수 있다.
수분 함량 산출부(230)는 커패시턴스 측정 회로(220)를 통해 측정된 커패시턴스를 이용하여 도선 구조체(210)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 수분 함량 산출부(230)는 전술한 바와 같이 토양 내 수분 함량이 커패시턴스에 비례하는 것을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
수분 함량과 커패시턴스의 비례 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(230)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 커패시턴스 측정 회로(220)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값이 저장될 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 수분 함량(W1) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C1)과, 제2 수분 함량(W2) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C2)을 알면, 비례 관계를 이용하여 임의의 측정된 커패시턴스 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(210)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(210)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(210)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 커패시턴스 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(210)를 토양 내에 삽입하여 커패시턴스를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 커패시턴스 값과 수분 함량 100%에 대응하는 커패시턴스 값을 기초로, 측정된 커패시턴스 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)는, 도선 구조체(210′), 커패시턴스 측정 회로(220), 및 수분 함량 산출부(230′)를 포함할 수 있다.
도 2와 같은 수분 함량 측정부(200)에서, 만일 측정하고자 하는 토양 내에 어떤 요인으로 인해 도전 경로가 형성되어 토양이 접지와 연결되면, 토양 내 수분을 통해 전류가 누설되는 현상이 나타난다. 이때 누설 전류의 양은 토양 내 수분 함량에 비례하게 되며, 커패시턴스 측정 회로(220)에서 측정되는 커패시턴스는 도선 구조체(210)의 실제 커패시턴스가 아니라 누설 전류로 인하여 잘못 측정된 값으로 나타난다. 커패시턴스 측정 회로(220)에서 측정되는 커패시턴스는 이처럼 제1 및 제2 도선(211, 212) 사이의 커패시턴스의 실제 커패시턴스 값은 아니지만, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류가 증가함으로 인하여 커패시턴스는 감소하는 값으로 측정된다.
본 실시예에는 이러한 현상이 나타나도록 인위적으로 제1 및 제2 도선(211, 212) 주위의 토양에 도전 경로를 형성하여 접지와 연결시킨 것으로, 도 1의 도선 구조체(210)에, 제1 및 제2 도선(211, 212)과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선(213)을 더 포함시켜 도선 구조체(210′)를 형성한 것이다. 그러면 제1 및 제2 도선(211, 212)에 접촉되는 수분이 접지용 도선(213)에도 접촉하게 되어 접지용 도선(213)을 통해 누설 전류가 흐르게 된다. 접지용 도선(213)은 토양 및 토양 내 수분과 도전될 수 있도록, 피복되지 않거나, 교류에서 저항이 비교적 작은 에나멜 코팅 등으로 피복될 수 있다. 따라서 제1 및 제2 도선(211, 212)에 교류 전원이 인가되면 접지용 도선(213)을 통해 누설 전류가 발생하며, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류는 증가하고 커패시턴스 측정 값은 감소하게 된다. 실시예에 따라서는, 제1 및 제2 도선(211, 212)을 에나멜 코팅 등으로 피복된 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 사이에 배치함으로써, 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)이 접지용 도선(213)의 역할을 수행하도록 할 수도 있다.
발명자는 토양 샘플에 수분 함량을 변화시켜 가면서 커패시턴스 측정 회로(220)로 도선 구조체(210′)의 커패시턴스를 측정하는 실험을 실시한 결과, 수분 함량이 증가함에 따라 커패시턴스 측정 값은 선형적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 도 6은 토양 내 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 나타내는 그래프이다.
수분 함량 산출부(230′)는 커패시턴스 측정 회로(220)를 통해 측정된 커패시턴스를 이용하여 도선 구조체(210′)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 도 1의 수분 함량 산출부(230)와 반대로, 수분 함량 산출부(230′)는 토양 내 수분 함량이 증가함에 따라 커패시턴스 측정 값은 선형적으로 감소하는 관계를 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
이러한 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(230′)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 커패시턴스 측정 회로(220)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 커패시턴스 값이 저장될 수 있다. 도 6을 참조하면, 제1 수분 함량(W1′) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C1′)과, 제2 수분 함량(W2′) 및 그에 대응하는 커패시턴스 값(C2′)을 알면, 수분 함량과 커패시턴스 측정 값의 관계를 이용하여 임의의 커패시턴스 측정 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(210′)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(210′)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(210′)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 커패시턴스 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(210′)를 토양 내에 삽입하여 커패시턴스를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 커패시턴스 측정 값과 수분 함량 100%에 대응하는 커패시턴스 측정 값을 기초로, 측정된 커패시턴스 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
도 5의 도선 구조체(210′) 역시 도 1의 도선 구조체(210)와 마찬가지로 일직선 형태, 지그재그 형태, 코일 형태 등 다양한 구조로 형성될 수 있다. 도 7은 도선 구조체(210′)가 원통형의 코일 구조로 형성된 예를 보여준다.
도 8은 제3 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)의 구성을 나타낸다.
본 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)는, 도선 구조체(210′), 누설 전류 측정 회로(240), 및 수분 함량 산출부(230˝)를 포함할 수 있다.
제2 실시예에 따른 수분 함량 측정부(200)에 관한 설명에서 기술된 바와 같이, 제1 및 제2 도선(211, 212)에 교류 전원이 인가되면 접지용 도선(213)을 통해 누설 전류가 발생하며, 수분 함량이 증가함에 따라 누설 전류는 비례하여 증가하게 된다. 본 실시예는 이를 이용한 것으로, 접지용 도선(213)을 흐르는 누설 전류를 측정하는 것을 통해 토양 내 수분 함량을 측정한다.
누설 전류 측정 회로(240)는 도선 구조체(210′)의 제1 및 제2 도선(211, 212)에 교류 전원을 인가하고, 접지용 도선(213)을 통해 누설되는 누설 전류를 측정한다.
누설 전류 측정 회로(240)는, 교류 전원(241), 제1 전류계(242), 제2 전류계(243), 저항(R)을 포함할 수 있다. 교류 전원(241)은 제1 전류계(242)의 일단과 접지 사이에 연결되어 교류 전압을 공급한다. 제1 전류계(242)는 타단이 제1 도선(211)의 일단에 연결되어, 제1 도선(211)으로 공급되는 전류(IA1)를 측정한다. 제2 전류계(243)는 일단이 제2 도선(212)의 타단에 연결되고, 저항(R)은 제2 전류계(243)의 타단과 접지 사이에 연결되어, 제2 전류계(243)는 제2 도선(243)을 통해 나오는 전류(IA2)를 측정한다.
접지용 도선(213)을 통해 흐르는 누설 전류(Ileak)의 크기는 다음 수학식과 같이 제1 전류계(242)의 전류(IA1)와 제2 전류계(243)의 전류(IA2)의 차이로 측정할 수 있다.
Figure pat00002
도 9는 토양 내 수분 함량과 접지용 도선(213)을 통해 흐르는 누설 전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 수분 함량과 누설 전류는 비례하는 관계로 나타난다.
수분 함량 산출부(230˝)는 누설 전류 측정 회로(240)를 통해 측정된 누설 전류를 이용하여 도선 구조체(210′)가 삽입된 토양 내 수분 함량을 산출한다. 수분 함량 산줄부(230˝)는 토양 내 수분 함량이 누설 전류에 비례하는 것을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
수분 함량과 누설 전류의 비례 관계를 이용해 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있도록, 수분 함량 산출부(230˝)에는 알려진 제1 및 제2 수분 함량에 대응하여 누설 전류 측정 회로(240)를 통해 사전에 측정된 제1 및 제2 누설 전류 값이 저장될 수 있다. 도 9를 참조하면, 제1 수분 함량(W1˝) 및 그에 대응하는 누설 전류 값(Ileak ,1)과, 제2 수분 함량(W2˝) 및 그에 대응하는 누설 전류 값(Ileak ,2)을 알면, 비례 관계를 이용하여 임의의 측정된 누설 전류 값에 대응하는 수분 함량을 산출할 수 있다.
도선 구조체(210′)가 공기 중에 노출되어 있으면 수분 함량은 0%이고, 도선 구조체(10′)가 물에 잠겨 있을 때는 수분 함량이 100%라 할 수 있다. 따라서, 일정 구조의 도선 구조체(210′)를 공기 중에 노출한 상태와 물에 담근 상태에서 각각 측정한 누설 전류 값들을 저장하여 두고, 그 구조를 유지한 상태로 도선 구조체(210′)를 토양 내에 삽입하여 누설 전류를 측정하면, 수분 함량 0%에 대응하는 누설 전류 값과 수분 함량 100%에 대응하는 누설 전류 값을 기초로, 측정된 누설 전류 값을 이용하여 토양 내 수분 함량을 산출할 수 있다.
토양에서 전기 전도도가 측정되는 바로 그 부분의 수분 함량을 측정하기 위해서는, 수분 함량 측정부(200)의 도선 구조체(210, 210′)는 발생 전류(iG)가 흐르는 부분의 토양의 수분 함량을 측정하는 것이 좋다. 이를 위해 도선 구조체(210, 210′)는 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)의 주변에 배치될 수 있으며, 바람직하게는 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 사이에 배치될 수 있다.
도 10은 실제로 제작된 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 및 도선 구조체(210)의 사진으로, 코일 구조로 형성된 도선 구조체(210)가 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 사이에 배치된 모습을 보여준다. 이처럼 도선 구조체(210)를 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 사이에 배치하면, 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120) 사이의 토양의 수분 함량을 측정할 수가 있어, 토양에서 전기 전도도가 측정되는 바로 그 부분의 수분 함량을 측정할 수가 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전기 전도도 산출부(150)는 검출부(140)를 통해 검출된 유도 전류(iIND)와, 수분 함량 측정부(200)를 통해 측정된 수분 함량을 기초로 토양의 전기 전도도를 산출한다.
앞서 설명한 바와 같이 유도 전류(iIND)는 토양의 전기 전도도가 클수록 커지는 상관 관계가 있으며, 유도 전류와 토양의 전기 전도도의 상관 관계는 토양의 수분 함량에도 의존한다. 이것은 앞에서 설명한 바와 같이 토양의 수분 함량이 낮은 경우에는 전기 전도도가 실제 값보다 낮게 측정되기 때문이다.
도 11은 유도 전류(iIND)와 토양의 전기 전도도 간의 상관 관계를 나타내는 그래프로서, 토양의 몇몇 수분 함량 값에 따른 관계 그래프를 보여준다. 도 11을 참조하면, 토양의 전기 전도도가 커질수록 유도 전류(iIND)는 증가하며, 다만 증가 기울기는 점차 감소하는 양상을 보인다. 그리고 유도 전류(iIND)와 토양의 전기 전도도 간의 관계 그래프는 토양의 수분 함량에 따라 다르게 나타난다. 즉, 토양의 수분의 전기 전도도가 동일한 경우 토양의 수분 함량이 클수록 유도 전류(iIND)는 크게 나타난다. 따라서 유도 전류(iIND)가 동일하더라도, 토양의 수분 함량이 많은 경우는 수분 함량이 적은 경우보다 토양의 수분의 전기 전도도는 작은 것으로 볼 수 있다.
전기 전도도 산출부(150)는 이처럼 수분 함량에 의존하는, 유도 전류와 전기 전도도 간의 관계 그래프를 이용하여 토양의 전기 전도도를 산출할 수 있다. 이러한 관계 그래프는 사전에 전기 전도도 산출부(150)에 저장될 수 있다. 가령 측정된 유도 전류(iIND)가 I1일 때, 측정된 수분 함량이 10wt%인 경우 전기 전도도는 EC3으로 얻어지고, 측정된 수분 함량이 20wt%인 경우 전기 전도도는 EC1으로 얻어진다. 또한 측정된 유도 전류(iIND)가 I2일 때, 측정된 수분 함량이 30wt%인 경우 전기 전도도는 EC4로 얻어지고, 측정된 수분 함량이 40wt%인 경우 전기 전도도는 EC2로 얻어진다.
이처럼 전기 전도도 산출부(150)는 제1 환형 코일(110)과 제2 환형 코일(120)에 의한 유도 전류(iIND) 뿐만 아니라 측정 대상 토양의 수분 함량을 기초로 토양의 전기 전도도를 측정하므로, 토양 내 수분의 전기 전도도를 보다 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
또한, 토양 내 수분 함량 측정을 위해 토양 내에 삽입되는 도선 구조체(210, 210′)는 두 가닥 또는 세 가닥의 도선으로 이루어지므로, 도선 구조체(210, 210′)를 원하는 크기와 형태로 형성할 수가 있어 좁은 영역은 물론이고 원하는 만큼의 다양한 영역의 토양의 수분 함량을 측정할 수 있다.
또한, 도선 구조체(210, 210′)를 도 4나 도 7과 같이 코일 구조로 형성하면, 좁은 영역에서 토양과 접촉하는 표면적을 크게 할 수 있고, 국소 영역을 측정하고자 할 경우 코일의 길이나 직경을 작게 하고 넓은 영역을 측정하고자 할 경우 코일의 길이나 직경을 크게 하는 등, 측정하고자 하는 영역의 크기에 따라 코일의 크기를 다르게 할 수 있다. 이러한 도선 구조체(210, 210′)와 제1 및 제2 환형 코일(110, 120)을 토양의 여러 부분에 삽입하여 전기 전도도 분포를 확인할 수 있고, 토양의 여러 깊이에 삽입하여 깊이에 따른 전기 전도도 분포를 확인할 수도 있다.
도선 구조체(210, 210′)를 코일 구조로 형성하고, 코일 내에 특정 다공성 배지를 삽입한 후 중앙의 입구만 노출시키고 나머지 부분은 외부와 차단되도록 밀폐된 구조를 만들어 토양 속에 묻어 두면, 모세관 현상에 의해 토양 내 수분이 코일 안의 다공성 배지로 흘러들어가서 토양의 전체 수분과 평형을 이루게 된다. 이를 이용하여, 측정하고자 하는 배지의 종류(암면, 코코피트, 페라이트, 흙 등)와 관계없이 토양 내 수분의 함량을 측정할 수 있고 이를 바탕으로 토양의 수분의 전기 전도도를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예는 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 집적 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 실시예는 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 실시예는 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. "매커니즘", "요소", "수단", "구성"과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 토양의 전기 전도도 측정 장치에 있어서,
    토양 내에 삽입되는, 제1 환형 코일 및 상기 제1 환형 코일과 일정 거리 이격되어 배치되는 제2 환형 코일;
    상기 제1 환형 코일에 교류 전류를 인가하는 구동부;
    상기 제1 환형 코일에 인가되는 교류 전류에 의하여 상기 제1 환형 코일과 상기 제2 환형 코일을 통과하는 전류가 발생하면, 상기 발생된 전류에 의하여 상기 제2 환형 코일에 유도되는 유도 전류를 검출하는 검출부;
    토양의 수분 함량을 측정하는 수분 함량 측정부; 및
    상기 검출된 유도 전류 및 상기 측정된 수분 함량을 기초로 토양의 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 산출부를 포함하는 전기 전도도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 전도도 산출부는, 수분 함량에 의존하는, 유도 전류와 전기 전도도 간의 관계 그래프를 이용하여 상기 토양의 전기 전도도를 산출하는 전기 전도도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수분 함량 측정부는,
    상기 제1 및 제2 환형 코일 주변에 배치되며, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체;
    교류 전원을 이용하여 상기 제1 및 제2 도선 사이의 커패시턴스를 측정하기 위한 커패시턴스 측정 회로; 및
    상기 측정된 커패시턴스를 기초로 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함하는 전기 전도도 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 커패시턴스에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 전기 전도도 측정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도선 구조체는, 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 더 포함하고,
    상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량의 증가에 따라 상기 측정되는 커패시턴스가 감소하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 전기 전도도 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수분 함량 측정부는,
    상기 제1 및 제2 환형 코일 주변에 배치되며, 서로 평행하고 인접하게 연장되는 절연 피복된 제1 및 제2 도선 및 상기 제1 및 제2 도선과 평행하고 인접하게 연장되며 접지와 연결되는 접지용 도선을 포함하는, 일정 구조로 형성된 도선 구조체;
    상기 제1 및 제2 도선에 교류 전원을 인가하고, 상기 접지용 도선을 통해 누설되는 누설 전류를 측정하기 위한 누설 전류 측정 회로; 및
    상기 측정된 누설 전류를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 수분 함량 산출부를 포함하는 전기 전도도 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수분 함량 산출부는 토양 내 수분 함량이 상기 측정되는 누설 전류에 비례하는 관계를 이용하여 상기 토양 내 수분 함량을 산출하는 전기 전도도 측정 장치.
  8. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 도선 구조체는 코일 구조로 형성된 전기 전도도 측정 장치.
  9. 제3항 또는 제6항에 있어서,
    상기 도선 구조체는 상기 제1 환형 코일과 상기 제2 환형 코일 사이에 배치되는 전기 전도도 측정 장치.
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