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사용 목적에 맞는 최고의 토양수분 센서를 선택하는 방법 2022-05-20 Read : 3724

시중에 많은 다른 종류의 토양수분센서들이 존재하므로 사용 목적에 맞는 제품을 선택하는 것은 어렵고 혼란스럽다. 바람직한 제품을 선택하기 위해서 토양수분 센서가 실제로 무엇을 측정하는지 이해하는 것은 매우 중요하다. 

 

Variety of soil water content sensors

토양수분센서가 실제로 무엇을 측정하는가? 

 

  놀랍게도 수분을 직접 측정하는 토양수분센서가 실제로는 존재하지 않는다. 대신, 토양 수분과 관련된 토양의 다른 성질의 변화를 감지한다. 토양수분과 함께 변하고 쉽게 측정 가능한 일반적인 토양의 성질에는 유전율(dielectric permittivity), 열전도도(thermal conductivity), 중성자 밀도(density of neutron flux)가 있다. 여기서는 유전율을 측정하는 센서에 관해서 논의하고자 한다. 

 

  유전율을 측정하는 센서는 가장 일반적으로 사용되는 토양 수분 센서이다. 이런 센서들은 토양 주변의 전율(Permittivity) 를 측정하기 위해서 다음과 같이 다른 기술을 사용하고 있다. 

 

  Time domain reflectometry

  Time domain transmissivity

  Frequency domain reflectometry

  Time of charge capacitance

  Transmission line oscillation

  Coaxial impedance dielectric reflectometry

  Coaxial differential amplitude reflectometry

 

  위에 언급된 기술의 종류에 상관없이 같은 측정 원칙이 적용된다. 즉, 토양 수분 함량(부피비)의 변화에 대한 유전율 변화이다. 유전율을 이해하는 가장 간단한 방법은 저장된 전기적인 에너지에 관한 개념이다. 센서는 토양 전기장을 만든다. 이 때, 토양에서 자유롭게 움직이고 있는 물분자는 극성을 가지고 있으므로 토양에 있는 물분자들은 전기장에서 한방향으로 서기 위해서 회전한다. ​ 

 

Rotation of unbound water molecules

 

  물분자들의 회전은 정렬된 물분자들 속에 잠재적인 에너지로 저장되는 에너지를 필요로 한다. 토양에 수분이 많을수록 더 많은 에너지가 저장되고 토양의 유전율이 더 높아진다. 

토양의 다른 성분들(광물, 유기물, 공기)도 역시 전기적인 에너지를 저장하지만 물분자는 다른 성분보다 10배 이상 저장한다. 그러므로, 센서의 주변에서 물분자의 움직임이 유전율의 변화에 영향을 주는 주요한 요인이다. 

토양수분 센서는 유전율의 변화 즉, 토양수분의 변화에 따라 전기적인 신호가 출력되도록 제작되었다. 어떤 센서는 유전율을 결정하고 나서 토양 수분으로 변환시킨다. 반면, 어떤 센서는 센서의 전기적 신호를 토양수분으로 바로 변환시킨다. 어떤 방법을 사용하던 간에 토양속의 수분은 유전율에 영향을 주고, 유전율은 센서의 전기적인 출력 신호에 영향을 준다. 이것은 센서의 정확도를 비교할 때 중요하게 기억해야 할 내용이다.   

 

무엇이 좋은 토양수분 센서를 결정하는가? 

 

이상적인 고성능 토양수분 센서는 아래 내용을 만족시키는 것이다. 

 

1. 정확도와 분해능이 요구 수준에 맞는가?

2. 필요한 만큼 지속되는가?

3. 최소한의 교정 또는 교정을 안해도 되는가?

4. 보유한 예산에 맞는가?

5. 설치와 측정하기가 쉬운가?

 

  이런 성질들은 서로 상반적인 관계이다. 예를 들어, 내구성이 좋고 정확도가 뛰어난 센서는 그렇지 않은 센서보다 더 비싸다. 센서 제조사들은 이런 상반되는 요소들 사이에 균형점을 찾도록 제작한다. 당신의 목적에 맞는 가장 적절한 센서를 결정하려면 위의 요소들 사이에 무엇이 가장 중요한지 결정해야 한다. 그리고 나서, 그 중요도에 맞는 센서를 선택한다.

 

제조사의 규격은 무엇을 의미하는가?

 

  토양수분 센서의 규격을 이해하기 위해서, 토양수분, 유전율, 유전율에 따라 변하는 전기적인 신호 사이의 관계에 대해서 생각하면 도움이 된다. 3가지 요소 사이의 관계는 토양수분의 정확도와 분해능을 결정하고 센서의 동작 범위를 결정한다.  

 

정확도

 

토양수분 측정의 정확도는 아래 몇가지 요소에 따라 결정된다. 

 

  >전기적인 측정의 정확도

  >전기적인 측정에 대한 온도의 영향

  >토양의 유전율과 토양 전기 전도도에 대한 온도의 영향

  >다른 유전율 값을 평가하는 센서의 정확도

  >전기적인 측정값이나 유전율 값을 토양수분 값으로 변환시키는 함수의 정확도

  >센서 주변 토양이 교정 함수와 일치하는 범위(extent) 

 

  모든 토양수분 센서가 유전율 측정에 대한 정확도 규격을 공개한다면 센서들 간에 성능을 비교하기가 매우 쉬울 것이다. 하지만, 많은 사용자들이 유전율과 토양수분 사이의 관계를 완전하게 이해하지 않고 있고 그 차이점들이 토양수분 측정에 오차를 만든다.

모든 토양에 일률적으로 적용되는 단일 교정 함수는 없기 때문에, 제조사들은 보통 하나 또는 몇 가지의 대표적인 토양을 선택하고 토양 수분 정확도 규격을 제공한다. 예를 들어, 1% 토양 수분 정확도는 무엇을 의미할까? 교정 작업을 한 조건하에서 1%를 보장한다는 것이다. 그런 조건들은 실내에서, 최소한의 온도 변화 조건에서, 하나 또는 몇 개의 대표 토양 형식에서의 확률일 가능성이 높다. 

 

  >당신의 실험 환경이 그런 조건이라면 센서의 정확도는 규격에 부합할 것이다.

  >만약 자연 환경(더 많이 변화하는 조건)에서라면 스스로 교정하지 않고 사용한다면 정확도는 규격에 맞지 않을 가능성이 높다.  

 

  또 하나 고려해야할 것은 토양수분 센서의 유전율의 정확도는 토양이 건조함에따라 감소한다는 것이다. 토양에 수분 함량이 적을 때, 토양의 전체 유전율에 영향을 주는 정도는 더 적어지고 센서의 감지 능력 아래로 떨어진다. 건조한 토양에서, 온도가 토양 수분의 변화보다 센서 출력에 더 영향을 준다. 

 

Tip : 낮은 토양 수분에서 높은 정확도를 보장하는 규격에 주의해야 한다.  

 

Note : 정확도는 절대적인 정확도(수분의 부피/건조토양의 부피) 또는 측정치의 백분율(%)로 명시되어 있을 것이다. 측정치의 정확도 백분율을 절대적인 정확도로 변환하려면 측정 범위의 상한값과 하한값에 정확도를 곱해준다. 예를 들어, 켐벨사의 CS655 의 토양에서 유전율의 측정 범위는 1부터 40이고 이에 대한 유전율의 정확도는 ±(3% of reading + 0.8) 이다. 센서 유전율이 1이면 정확도는 ±(1 x 0.03 + 0.8) = ±0.83 이고 센서 유전율이 40이면 정확도는  

±(40 x 0.03 + 0.8) = ±2 가 된다.

정확도에 관한 마지막 조언 : 제조사는 센서 설치 후에 센서가 경험할 수 있는 운영 환경보다 더 넓은 조건을 포함하는 규격을 명시해야 한다. 설치 환경에 맞는 교정을 한 후에 사용하면 표시된 규격보다 더 좋은 정확도를 얻을 수 있다. 

 

분해능

 

  분해능이란 토양 수분이 얼마만큼 변해야 센서가 변화를 감지할 수 있는지 이다. 대부분 센서의 전기적인 출력의 측정 품질에 따라 결정된다.(이것은 센서 내부의 전자장치나 데이터로거 같은 외부 장치에서 측정이 일어난다.) 분해능은 수학적인 연산부터 디지털 데이터의 형식에서 발생하는 에러의 영향을 받는다. 최고의 성능을 가진 토양수분 센서들은 높은 정확도와 높은 분해능을 동시에 갖는다.            

 

범위

 

  서로 다른 종류의 토양수분 센서의 측정범위를 비교할 때, 그 범위가 어떻게 정의되었는지 그리고 그 한계점은 무엇인지 이해하는 것은 매우 중요하다. 

  0-100% : 센서가 공기에서 물까지 유전율 변화에 응답한다는 의미이다. 

  Dry to saturation : 숫자가 주어지지 않았지만 다양한 토양에서 알려진 것보다 더 넓은 범위의 유전율에 대해서 교정(calibration)되었다. 

  0 – XX% : 건조에서 포화상태까지의 토양 조건에서 시험되었다는 것을 의미한다.

  X – XX% : 이 경우에는 센서가 가장 잘 측정할 수 있는 범위를 명시한 것이다. 이 경우에는 경쟁사 제품보다 더 좋지 않아 보일 수 있으나 센서 유전율은 건조한 토양에서 덜 정확하므로 이 규격은 보다 더 정확한 성능의 대표값을 기대할 수 있다.    

 

Note : 볼륨 방식의 토양 수분센서는 백분율 보다는 수분의 비율로 표현된다. 그 비율을 백분율로 변환하려면 100 을 곱해준다. 

센서의 측정범위가 건조에서 포화된 상태까지 측정한다면 충분히 좋은 센서다. 대부분의 광물 토양(mineral soils)은 최대 토양수분 함량이 40-50% 이다. 일부 점토(clay)와 유기 토양(organic soils)들은 최대 60-70%의 토양 수분 함량을 가진다. 당신이 측정하고자 하는 토양의 종류에 맞는 센서를 선택해야 한다. 

 

요약

 

  이상적인 토양수분 센서는 존재하지 않는다. 모두 각각 장점과 단점이 있다. 당신의 목적에 맞는 최고의 센서는 당신이 가장 중요하게 생각하는 것을 제공할 수 있는 센서다. 많은 종류의 센서가 존재한다. 센서가 실제 측정하는 것을 이해한다면 센서를 비교하고 목적에 맞는 것을 선택하는 것이 더 쉬워 질 것이다. ​ 

 

홍경하 팀장 / 엔지니어링 사업부