제7장 환경계측 원예과학과

환경계측 계측(measurement): 센서(Sensor): 미지의 측정량을 미리 정해 놓은 표준과 비교하는 것 센서(Sensor): 생물학적,화학적, 물리학적 변화를 전기 신호로 변화시키는 기능을 지님 제어를 위해 제어대상의 변화량(제어량)을 측정이 필요 정밀한 환경제어를 위해 환경요소를 정확히 파악하고 각 환경 요소에 대한 정확한 계측 방법을 선정하는 것이 중요

요소 측정항목 센서 원리 계측기 기상요소 광복사 열전퇴 흡수열량 일사계, 순복사계 광전지 광기전력 광합성유효복사계, 광양자계 포토트랜지스터 광학필터 분광복사계 온도 측온저항체 저항 저항온도계 열전대 기전력 열전온도계 습도 건습구습도계 노점온도 수분응축 노점습도계 감습저항체 전기저항식습도계 풍속 풍배 또는 풍차 회전속도 삼배형 풍향풍소계 열선 열저항 열선풍속계 이산화탄소 적외선가스분석 흡수열 적외선 가스분석계 열전도 열전도도 열전도식 가스분석계 전기전도도 이온의 전기전도도 용액전기전도도식 가스분석계

요소 측정항목 센서 원리 계측기 토양 또는 배지 요소 토양수분 텐시오미터 흡인압력 감습저항체 저항 전기저항식 토양수분계 열전도 열전도율 열전도식 토양 수분계 지온 온도와 동일함 근권부 전기전도도 이온의 전기전도도 EC 미터 pH 기전력 pH 미터(유리전극) 용존산소 전해전류 격막전극

온도 온도측정의 원리 - 열팽창(thermal expansion) - 열기전력(thermoelectricity) - 저항(resistance) - 복사(radiation)

1.열팽창온도계 온도 변화에 따라 고체 또는 액체가 팽창하는 성질을 이용한 온도계 - 바이메탈온도계: 열팽창계수가 다른 두 종류의 금속판을 접합시킨 바이메탈을 이용 유리봉 상온도계: 가는 유리관에 수은(높은 정밀도)이나 착색한 알코올(0℃이하 온도측정) 등을 봉입한 것, 온도에 따른 체적변화로 온도를 구함

2.열기전력 온도계 서로 다른 두 종류의 금속도체 A, B의 양끝이 접합된 가운데 양접점 p,q간에 온도차가 존재하면 그 사이에 열기전력이 발생하여 회로 속에 열 전류 I 가 흐름  Seebeck effect (T.J. Seebeck, 1821) - 열전대(thermocouples): 열전현상(제벡효과)을 이용하여 온도를 측정하는 센서

2.열기전력 온도계 - 기준접점이 필요(온도가 아닌 온도차로 계측하므로) 항온조 또는 온도보상회로 이용 - T형 열전대 (구리-콘스탄탄) 많이 사용

2.열기전력 온도계 열전대온도계 장점 - 응답이 빠름 - 넓은 온도범위에서 측정가능, - 소선을 사용하여 작은 장소의 온도 측정가능 - 군락 내외의 온도, 기온, 엽온, 지온 등을 측정 - 연속기록 가능

3. 저항온도계 물체의 전기저항이 온도에 따라 변화되는 것을 이용한 온도계 전기저항과 온도 사이에는 일정한 관계가 있기 때문에 기준온도 필요없이 저항측정값에서 온도를 직접 구할 수 있음 - 측온저항체 - 서미스터(반도체이용) - 서모스탯(반도체이용)

측온저항체 측온저항체(resistance temperature detector, RTD): 백금,니켈, 구리 등과 같은 순금속을 사용, 온도상승에 따른 금속의 전기 저항이 증가하는 성질을 이용

서미스터 서미스터(thermally sensitive resistor, thermistor):세라믹과 같은 반도체로 제작된 저항체 양온도 특성: 온도상승저항상승 음온도 특성: 온도상승저항감소 종류 - NTC: negative temperature coefficient, 음온도 - PTC: positive temperature coefficient, 양온도 - CTR: critical temperature resistor, 급격한음온도 일반적인 서미스터: NTC PTC와 CTR: 스위치에 사용 NTC

서미스터

서모스탯(thermostat) 반도체의 일종으로 온도 변화에 의한 저항 변화가 크고, 고감도로 소형화가 가능한 특성을 지님 응답성이 빠르고 대량생산이 가능하여 가격이 저렴 정밀하게 제작하기 어렵고 호환성이 부족 냉방과 난방의 제어 장치로서도 활용됨

4. 복사온도계 원리:모든 물체는 절대온도의 4제곱에 비례하여 복사에너지를 방출함 적외선온도계: 대표적인 복사온도계 - 물체가 고유의 복사에너지를 방출시 물체 온도가 높을수록 분자의 활동이 활발해져 더 많은 복사 에너지 발생 다른 온도계와는 달리 감지부를 물체에 접촉시키지 않고 온도를 측정  잎이나 토양의 표면온도 측정에 적합 내부 온도 측정 불가능, 방사율이 큰 물체는 물체 자체의 온도를 정확히 측정할 수 없음

광 일사, 태양복사 (solar radiation): 태양으로부터 지표면에 도달하는 복사(radiation,물체 표면에서 방출되는 모든 전자파) 직달일사(direct solar radiation): 평행광의 형태로 지표면에 직접 도달하는 일사 산란/천공 일사(diffuse/sky solar radiation): 대기층 내에서 천공으로 산란되었다가 지표면에 도달하는 성분 전천일사(total solar radiation)=직달일사+산란일사 알베도(albedo): 지표면에 도달한 일사 중 반사되는 비율

1. 전천일사계 전천일사계(전단파방사계, 일사계): pyranometer, 전천 일사량 측정 단위: W/m2 측정일사는 단파복사에 해당(300-3000nm): 덮개 유리가 장파복사를 투과시키지 않음 변환방법에 따라 - 열형 - 양자형 - 화학반응형

2. 순복사계 순복사 열전퇴(빛이 흡수되어 열이 발생하 폴리에틸렌덮개:단,장파 모두 잘 투과시킴 =전체복사에너지-반사되거나 방출된 복사에너지 열전퇴(빛이 흡수되어 열이 발생하 면 온도차이가 나고 그 온도 차이에 의하여 생기는 열기전력을 측정)를 이용하여 수열판의 상하 양면의 온도 차로 순복사를 검출하는 열형 계측기 통풍형, 방풍형, 통풍방풍형(가장널리이용) 폴리에틸렌덮개:단,장파 모두 잘 투과시킴

3. 광합성유효복사계 광합성유효복사(photosynthetically active radiation, PAR): 녹색식물의 광합성 영역인 400-700 nm에서의 복사를 의미 측정 파장이외의 복사를 차단하기 위해 필터를 사용 단위: W/m2

4. 광양자계 Quantum sensor 단위시간,단위면적당 입사한 광양자의 수, 즉 광양자속을 측정할 수 있는 계측기 광합성유효광양자속(photosynthetic photon flux, PPF): 광합성 유효복사에 해당하는 광양자속 식물의 생육과 관련이 있는 광의 지표 널리 사용되고 있음 단위: μmol/m2/s 또는 mmol/m2/s

5. 분광복사계 분광복사계(파장별 복사계): 광을 일정한 파장별로 나누어 그 강도를 파장별로 표시할 수 있도록 한 계측기 측정방법 - 필터를 이용하여 특정 파장범위를 측정 - 회절격자(빛의 회절을 이용해서 스펙트럼을 얻는 장치)나 프리즘을 이용하여 연속적으로 복사스펙트럼 측정 빛의 회절

6. 직달.산란 일사계 2대의 일사계 사용 직달일사=전천일사-산란일사 1대: 전천일사 측정 1대: 차광장치 설치, 산란일사 측정 직달일사=전천일사-산란일사

습도 공기 중에 포함되어 있는 수증기(water vapor)와 관계가 있음 습도를 나타내는 척도 - 상대습도 - 절대습도 - 비습: 단위부피인 공기 중에 있는 수증기의 질량을 수증기가 포함한 공기의 질량으로 나눈 값 - 혼합비: 대기 중에 공존하는 수증기와 건조공기의 질량비 - 노점 - 포차

상대습도 상대습도 계측기 종류 - 검습물질 - 건습구온도계 - 노점온도계 전자식 습도센서 서미스터 센서 - 전자파 습도센서

1. 검습물질 모발. 다공성 세라믹 수분의 양에 따라 신축이 이루어지거나 흡착이 쉽게 이루어지는 다공성 구조

2. 건습구온도계 물의 증발속도가 주변 공기의 습도에 의존하는 것을 이용하는 방법 건구 및 습구온도계로 구성 대기의 수증기압과 건습구온도 사이에는 일정한 관계가 성립  상대습도 구할 수 있음

아스만통풍건습계 열전대를 이용한 건습구습도계

3. 노점습도계 냉각식 노점습도계: 염화리튬노점습도계: 습공기 중에 표면을 잘 닦은 금속을 놓아 두고 그것을 냉각시키면 어느 온도에 도달하면서부터 금속 표면에 물방울이 생김, 이 온도는 습공기의 노점온도와 같음 염화리튬노점습도계: 염화리튬(LiCl) 포화용액의 수증기압과 온도 간에 일정한 관계가 있음

4. 전자식 습도센서 저항변화형 습도센서: 용량변화형 습도센서: 습도의 변화에 따라 센서의 저항값이 변화되고, 그 변화를 전기 신호로 나타내는 센서, 감습재료에 따라 무기물의 세라믹을 사용하는 것과 유기물의 고분자재료를 사용하는 것으로 나뉨 용량변화형 습도센서: 습도 변화에 따라 센서 단자간의 정전용량이 변화하는 형태의 습도센서

5. 서미스터센서 습도계 2개의 서미스터이용, 1개의 서미스터는 밀폐형의 온도보상부, 다른 1개는 개방형의 습도감지부로하여 브리지 회로구성 대기 수증기량의 변화, 열전도율이 변화되고 습도감지부의 저항치 변화에 의해 브리지회로의 저항균형이 흐트러지게 되고 이 불균형 전압으로부터 절대습도 구함

6. 전자파습도센서 수증기의 양에 따라 복사에너지의 흡수율이 비례적으로 증가하는 센서 (적외선습도계)

풍속 바람: 공기의 유동, 풍속과 풍향을 갖는 벡터(vector)로 표시가능 계측기 종류 단위: m/s - 회전형 - 열형 - 도플러효과형 - 풍압형

1. 회전형 풍속계 풍배나 풍차의 회전속도가 풍속에 비례하는 원리를 이용한 계측기 낮은 풍속시 회전이 불량할 수 있음 풍배형 풍차형

2. 열형 풍속계 기온보다 고온인 물체에 바람이 닿으면 풍속에 비례하여 물체의 온도가 저하됨 백금이나 니켈로된 열선을 공기흐름 중에 두어 온도변화에 의한 저항변화를 계측하거나 열선을 일정한 온도로 유지하는데 필요한 전류를 계측함으써 풍속을 계측함

3. 도플러효과형 풍속계 도플러효과? 어떤 파동의 파동원과 관찰자의 상대 속도에 따라 진동수와 파장이 바뀌는 현상

3. 도플러효과형 풍속계 바람이 불어가는 방향에서는 빠르게, 바람이 불어오는 방향에서는 느리게 음파가 전파됨, 그 차이를 검출하여 풍속 측정 장점: 회전형 풍향풍속계와는 달리 기동풍속 없이 0 m/s에서부터 측정가능, 풍속변화에 대한 응답속도가 빠름, 분해능이 2 cm/s 단점: 가격이 비쌈

4. 풍압형 풍속계 바람이 물체에 닿으면 풍속의 제곱에 비례하여 압력이 발생 낮은 풍속에서는 압력차가 작아 오차가 크지만, 10 m/s이상의 강풍에서는 정확도가 높아 풍동내에서의 풍속측정이나 기준풍속계로 이용

토양수분 토양수분: 토양수분 측정시 사용되는 개념 토양내에 존재하는 수분, 단독으로 존재하지 않으며, 토양 입자와 결합하며 피막을 형성하면서 존재 토양수분 측정시 사용되는 개념 - 함수율 - 토양수분장력

토양수분 함수율 습량기준(%)=(젖은토양-건조토양)/젖은토양*100 건량기준(%)=(젖은토양-건조토양)/건조토양*100 건/습량 기준 토양수분함수율: 상대적비교만 가능 #건조토양: 105-110℃에서 열풍건조 수분율(%)=(젖은토양-건조토양)/채취토양의 체적*100 =건량기준함수율*가비중 (가비중: 토양 1 cm3 당 건조 토양의 무게) 토층내 함수량=∑(수분율*토층의 두께)  수분율/토층내 함수량: 절대치이므로 수분유지나 관수계획에 이용 가능

토양수분장력 토양수분장력: 토양이 수분을 흡착, 보유하는 힘 토양 내의 수분은 습할 때보다도 건조할 때 강한 힘으로 토양입자에 부착되어 있으므로 토양으로부터 그 수분을 흡수하는데 힘이 필요함 pF (potential force)=log10h h: 토양수분장력에 상당한 물기둥(cm) pF값은 식물 뿌리에 의한 수분 이용의 용이성을 나타냄

토양수분 계측기 종류 건토중량법 코어측정법 파라핀이용법 중성자산란법 텐시오미터법 전기저항법 열전도율법과 온도전도율법 유전율법

1. 건토중량법 채취한 토양시료를 105-110℃의 항온건조기에서 완전 건조시켜 건조 전후의 중량차이로부터 함수율과 함수비를 구하는 법 시간과 노력이 많이 필요하며 연속측정이 불가능함 가장 기본적인 방법으로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있음 수분율과 절대수분량(함수량)을 알기 위해서는 가비중을 측정해야 함

2. 코어측정법 코어(core)로 토양을 채취하여 토양 수분을 측정 체적수분함량을 측정하는데 적합

3. 텐시오미터법 가장 많이 이용되는 방법, 다공질 원통형 컵을 이용하여 토양수분장력을 측정하는 계측기 다공질 원통형 컵에 물을 가득 채워 토양에 잘 접촉하도록 매설하며 컵 주변의 토양이 물을 흡수하는 힘과 계측기 내의 부압이 평형상태에 도달할 때까지 컵으로부터 물이 빨려 나가고 그것에 대응하여 압력계의 눈금이 움직임 측정범위(pF): 0-2.8

4. 전기저항법 2개의 전극을 내장한 다공질의 흡습체(석고블럭,섬유유리,나일론 석고블럭등)를 토양 내에 매설하여 흡습체의 물과 토양수분이 평형이 되었을 때 전극 간 전기 저항을 측정하여 함수율을 간접적으로 측정 텐시오미터법으로 측정할 수 없는 범위 측정가능 두 방법을 혼용시 보다 넓은 범위의 토양수분장력을 측정할 수 있음

5. 열전도율법과 온도전도율법 토양의 열전도율은 토양수분의 증가와 함께 커지는 경향이 있음 온도전도율: 토양 수분이 많은 영역에서는 정확성이 떨어짐 (pF 3-5정도의 영역에서 사용가능) 온도전도율: 온도의 시간변화로부터 구할 수 있음, 수분량 범위 한정시 온도 전도율과 토양수분 함수관계를 이용하여 토양 수분양을 추정할 수 있음

6. 유전율법 토양수분이 증가  토양의 유전율도 거의 비례하며 증가 물의 비유전율 #유전율? 매질이 저장할 수 있는 전하량 - 2 GHz이하: 81로 일정 - 20 GHz: 40 - 100 GHz: 6 주파수 2 GHz 이하 전자파 사용이 효과적

TDR (time-domain reflectometry) 가장 보편적인 유전율법 토양내에 매설한 금속에 순간적으로 주어지 전기펄스에 전달속도와 파형의 감쇄를 기초로 토양의 물성치를 측정하는 방법 장점: - 토양의 성질,밀도,온도 및 염류농도에 영향 받지 않음 - 토양수분이외에 전기전도도(EC) 측정가능 - 측정이 용이하며 측정시간이 짧음 - 비파괴적 측정법

가스성분 대기중의 이산화탄소 계측기 종류 - 적외선가스분석법(가장 보편적) - 열전도식/전기전도식법 - 가스크로마토그래프법 - 습식분석법 - 자외선흡광법 - 전기화학법

1. 적외선가스분석계 비분산적외선(non-dispersive infrared, NDIR) 가스분석계: 가장 많이 보급됨, 실험용 정밀계측기로 개발되었으나 농업용 및 공업용으로 개발되어 보급됨 이산화탄소의 경우 적외선영역인 4.3μm 에서 최대 흡수가 이루어짐  이때 흡수되는 빛의 양은 이산화탄소의 농도에 비례함 주의사항: 가스유실이 없을 것, 수증기와 먼지를 제거할 것, 유량의 변화나 압력의 변화를 줄일 것, 시료채취관에서의 흡수, 흡착, 투과 등이 발생하지 않을 것

2. 열전도식 가스분석계 셀 A와 B에 질소가스 또는 표준가스를 유입시키고 소자에 규정의 전류를 흐르게 하면 소자는 발열과 방열이 평형이 되는 온도에서 안정됨  셀A에 시료가스를 유입하면 가스조성변화에 대응하여 열전도도가 변하여 저항이 변화됨 브리지의 평형이 파괴되고 검류계 바늘이 움직이기 시작함

3. 가스크로마토그래프법 채취한 시료가스를 컬럼(고정상)에 주입시켜 흘림 연속측정이 불가능  여러가지 성분은 흡착능이 작은 성분부터 순차적으로 분리되어 유출됨 연속측정이 불가능 하지만 이산화탄소 이외도 여러가지 가스들 (질소, 산소, 메탄, 에틸렌 등) 을 분리 측정가능

4. 격막산소센서 백금이나 탄소와 같이 이온화되기 어려운 물질을 전극으로 하여 직류전압을 가하면 음극에서 환원반응이 일어나 산소분자가 소실됨 전류=산소분자의 소실속도*상수(Faraday)*4(산소분자)

5. 산소확산속도센서 토양공극으로부터 토양수분을 통하여 뿌리와 유사한 백금전금의 표면에 확산되어 오는 산소량을 측정하는 것  수막으로 둘러싸인 뿌리에 대한 산소공급능력 측정법으로 가장 적합 산소확산속도(oxygen diffusion rate, ODR) =(전류*10-6*60*산소분자량)/(전자수*상수(Faraday)*백금전극의 표면적) 산소확산속도: 20*10-8이하 일때 생육저해보임

전기전도도 전기전도도(electrical conductivity, EC): 단위면적(1 cm2)인 전극이 1 cm 떨어져 있을 때 평행전극 간에 채워져 있는 용액의 전기저항의 역수 수경재배: 배양액 내의 염류농도를 측정하는 지표로 사용 실제적으로 배양액의 농도는 EC로 0.5-0.7 dS/m에 상당하며, 이 범위 내에서는 배양액의 농도와 전기전도도가 비례관계에 있으므로, 전기전도도를 계측하면 배양액의 농도를 추정할 수 있음 단위: mS/cm, dS/m (S:siemens)

pH (potential hydrogen) pH: 용액 내에 유리상태로 존재하는 수소이온농도의 역수의 대수치(-log[H+])로서 산도를 나타냄 계측법 - 유색종이법: 리트머스종이 이용 - 비색법: 지시약 이용 유리전극법: pH 차이에 비례하는 기전력 발생하는 성질을 이용

용존산소 충분한 공극을 갖은 토양 내 기상의 산소농도 15~20%(v/v) 용액의 용존산소(25℃): 8.1 μmol/mol에 불과 높은 수온용해도 낮아짐가용산소증가뿌리의 호흡속도 증가 (하지만 수중에서의 산소의 확산속도는 공기 중에 10-4 정도임) 따라서 수경재배에서는 종종 뿌리의 호흡에 이용되는 산소가 부족해지는 경우가 종종 발생함 식물생산환경의 최적화를 위한 주요 과제에 해당 호흡: 에너지 발생, 생장, 생체막의 기능유지, 대사 및 이온흡수 등에 관여

용존산소의 계측 계측기의 종류 - Winkler 법: 용액에 유리한 산소를 망간-요오드적정법을 이용 화학적으로 정량화하는 방법, 화학적인 간섭을 받음 - 격막전극법: 산소분압과 전극의 기력력과의 관계를 이용하여 전기.화학적으로 용존산소량을 측정 1)폴라로그래프법: 양극과 음극 사이에 외부전압 필요 2)갈바니전지법: 양극(+ 와 -) 사이에 외부전압 불필요, 실용적인 방법으로 이용 #수중의 용존산소 측정시 산소의 격막투과율과 전해액 내의 확산 속도는 온도의 영향을 받으므로 온도보상을 해야함