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어떤 수전위 센서가 나에게 적합할까요?

기본적으로 물의전위를 측정하는 방법은 크게 두 가지, 즉 장력계와 증기압 측정 방법뿐입니다. 장력계는 습식 범위에서 작동하며, 물의 끓는점을 지연시키는 특수장력계의 범위는 0에서 약 -0.2MPa까지입니다. 증기압 방식은 약 -0.1MPa에서 -300MPa(0.1MPa는 99.93% RH, -300MPa는 11%)까지의 건조한 범위에서 작동합니다.

과거에는 이러한 범위가 겹치지 않았지만 최근 장력계와 온도 감지 기술의 발전으로 인해 상황이 바뀌었습니다. 이제 뛰어난 방법과 최고의 장비를 갖춘 숙련된 사용자라면 실험실에서 전체 수전위 범위를 측정할 수 있습니다.

하지만 2차 측정 방법을 살펴봐야 하는 이유가 있습니다. 증기압 방법은 현장에서 유용하지 않으며, 장력계의 정확도를 높이기 위해서는 지속적이고 세심한 유지 관리가 필요합니다( 자동 충전 버전의 장력계를 사용할 수 있지만).

또한 석고 블록, 압력판 및 여과지와 같은 전통적인 방법도 있으므로 이해해야 합니다. 이 섹션에서는 각 방법의 장점과 한계에 대해 간략하게 설명합니다.

압력 플레이트

압력판은 1930년대에 LA 리차드에 의해 도입되었습니다. 실제로 시료의 수전위를 측정하지는 않습니다. 대신 시료에 압력을 가하고 다공성 세라믹 플레이트를 통해 과도한 물이 흘러나오도록 하여 시료를 특정 수분 전위로 가져옵니다. 시료가 평형을 이루면 시료의 수분 전위는 가해진 압력과 같아집니다.

압력판은 일반적으로 토양 수분 특성 곡선을 만드는 데 사용됩니다. 토양 샘플이 압력 하에서 특정 수분 전위에 도달하면 연구자는 플레이트에서 샘플을 제거하고 건조시켜 수분 함량을 측정할 수 있습니다. 압력판 장치에서 다양한 압력에서 이러한 측정을 수행하여 토양 수분 특성을 생성할 수 있습니다.

압력판의 정확도는 다른 보조 측정 방법을 교정하는 데 자주 사용되기 때문에 중요합니다.

압력판에는 평형 문제가 있습니다.

압력판으로 정확한 수분 방출 곡선을 만들려면 시료가 지정된 압력에서 완전히 평형을 이루었는지 확인해야 합니다. Gee 등(2002), Cresswell 등(2008), Bittelli와 Flury(2009)를 비롯한 여러 검토자들은 이 가정에 문제가 있다고 지적했습니다.

특히 낮은 수전위에서는 압력판의 세라믹 기공 막힘, 시료 내 흐름 제한, 토양 수축으로 인한 플레이트와 토양 사이의 수압 접촉 손실, 플레이트의 압력이 해제될 때 물의 재흡수 등으로 인해 오류가 발생할 수 있습니다. 낮은 수위에서는 낮은 수리 전도도로 인해 평형에 도달하는 데 몇 주 또는 몇 달이 걸릴 수 있습니다. Gee 등(2002)은 15bar 압력판에서 9일 동안 평형을 이룬 샘플의 수전위를 측정한 결과, 예상했던 -1.5MPa가 아닌 -0.5MPa로 나타났습니다. 특히 수분 방출 곡선을 구성하여 수력 전도도를 추정하고 플랜트 가용 수량을 결정할 때 -0.1MPa(-1bar) 미만의 전위에서 압력판을 측정하면 상당한 오차가 발생할 수 있습니다(Bittelli and Flury, 2009).

또한, 베이커와 프라이드먼(2009)은 이론적으로 토양 매트릭스가 양압 하에서는 흡입할 때와 다르게 배수된다는 것을 입증했습니다. 이들은 흡입을 통해 달성한 평형 수분 함량은 자연 조건에서 발생하는 수분 함량과 크게 다를 것이라고 가정합니다. 추가 테스트가 필요하지만 일화적인 증거가 이 아이디어를 뒷받침하는 것으로 보입니다. 궁극적으로 압력판은 일부 애플리케이션의 경우 습식 범위(0 ~ -0.5 MPa)에서 충분한 정확도를 가질 수 있지만 다른 방법이 더 나은 정확도를 제공할 수 있으며, 이는 모델링 또는 교정을 위해 데이터를 사용할 때 특히 중요할 수 있습니다.

증기압 방법

WP4C 이슬점 습도계는 현재 이 기술을 사용하는 몇 안 되는 상용 기기 중 하나입니다. 기존의 열전대 습도계와 마찬가지로 이슬점 습도계는 밀폐된 챔버에서 샘플을 평형화합니다.

챔버의 작은 거울은 이슬이 맺히기 시작할 때까지 냉각됩니다. 이슬점에서 WP4C 은 거울과 시료의 온도를 0.001◦C 정확도로 측정하여 시료 위 증기의 상대 습도를 측정합니다.

장점

이 이슬점 습도계의 최신 버전은 -5 ~ -300 MPa에서 ±1%의 정확도를 가지며 비교적 사용하기 쉽습니다. 대부분의 시료 유형은 5~10분 안에 분석할 수 있지만 젖은 시료는 더 오래 걸립니다.

제한 사항

높은 수전위에서는 포화 증기압과 시료 챔버 내부의 증기압 사이의 온도 차이가 사라질 정도로 작아집니다.

온도 측정의 해상도 제한으로 인해 증기압 방식이 장력계를 대체할 수는 없을 것입니다.

이슬점 습도계의 측정 범위는 -0.1 ~ -300 MPa이지만, 특수 기술을 사용하면 -0.1 MPa를 초과하여 측정할 수 있습니다. 장력계는 여전히 0 ~ -0.1 MPa 범위의 측정값에 가장 적합한 옵션입니다.

장력계와 바람/신들러 기법

는 HYPROP 는 바람/쉰들러 증발법을 사용하여 수전위 범위의 토양에서 수분 방출 곡선을 만드는 독특한 실험실 기기입니다.

Hyprop 는 두 개의 정밀 미니 장력계를 사용하여 포화 상태의 ^250cm3 토양 샘플 내에서 다양한 수준의 수분 전위를 측정하는 동시에 샘플이 실험실 저울 위에 놓여 있습니다. 시간이 지남에 따라 시료가 건조되고 기기는 변화하는 수분 전위와 변화하는 시료 무게를 동시에 측정합니다. 무게 측정값을 통해 수분 함량을 계산하고 수분 함량 변화와 연관된 수분 전위의 변화를 플롯합니다.

결과가 확인되고 선택한 모델(예: 반 제누흐텐/무알렘, 바이모달 반 제누흐텐/무알렘 또는 브룩스 및 코리)에 따라 건조 범위 및 포화도 값이 계산됩니다.

장점

Hyprop 는 정확도가 높고 습한 범위에서 완벽한 수분 방출 곡선을 생성합니다. 곡선을 완성하는 데 3~5일이 걸리지만 기기는 무인으로 작동합니다.

제한 사항

Hyprop의 범위는 장력계의 범위로 제한되지만, 미니 장력계는 비등 지연 기능으로 인해 -250kPa(-0.25MPa) 이상으로 측정하는 데 사용되었습니다.

250kPa 이하에서는 장력계가 캐비테이션됩니다. 고급 사용자는 세라믹 장력계 컵의 공기 유입 지점에 곡선에 최종 지점을 추가할 수 있습니다(-880kPa; -0.88MPa).

장력계

물의 포텐셜은 시료의 물과 순수한 자유 물로 이루어진 기준 풀의 물 사이의 포텐셜 에너지 차이를 측정한 것입니다. 장력계는 이 정의를 실현한 것입니다.

장력계 튜브에는 (이론적으로) 순수한 자유 물이 들어 있습니다. 이 저장소는 투과성 멤브레인을 통해 토양 샘플에 연결됩니다. 열역학 제2법칙에 따라 물은 멤브레인의 양쪽에서 에너지가 같아질 때까지 저장소에서 토양으로 이동합니다. 그러면 튜브에 진공이 생깁니다. 장력계는 음압 게이지(진공계)를 사용하여 진공의 강도를 측정하고 수위를 압력으로 설명합니다.

장점

장력계는 아마도 가장 오래된 유형의 수전위 계기이지만(초기 개념은 적어도 1908년 리빙스턴으로 거슬러 올라갑니다), 여전히 매우 유용할 수 있습니다. 실제로 습한 범위에서 고품질의 장력계를 능숙하게 사용하면 정확도가 뛰어날 수 있습니다.

제한 사항

장력계의 범위는 진공을 견디는 튜브 내부의 물의 능력에 의해 제한됩니다. 물은 본질적으로 비압축성이지만, 가장자리나 모래와 같은 수면의 불연속성은 물의 강한 결합이 파괴되고 캐비테이션(저압 비등)이 발생하는 핵 형성 지점을 제공합니다. 대부분의 텐시오미터는 플랜트에서 사용할 수 있는 범위의 중간인 -80kPa 정도에서 캐비테이션이 발생합니다.

그러나 독일의 METER Group Ag는 정밀한 독일 엔지니어링, 세심한 제작, 디테일에 대한 광적인 관심 덕분에 현대적인 고전인 장력계 를 제작합니다. 이 장력계는 정확도가 매우 뛰어나며 (신중한 작업자를 통해) -250kPa까지 확장할 수 있는 범위를 제공합니다.

2차 방법: 수분 특성 활용하기

수분 함량은 수분 포텐셜보다 측정하기 쉬운 경향이 있으며, 두 값은 서로 연관되어 있으므로 수분 함량 측정을 통해 수분 포텐셜을 구할 수 있습니다.

특정 토양 매트릭스에 물이 흡착 및 탈착될 때 수분 전위가 어떻게 변화하는지를 보여주는 그래프를 수분 특성 또는 수분 방출 곡선이라고 합니다.

물을 담을 수 있는 모든 매트릭스에는 지문처럼 고유하고 독특한 수분 특성이 있습니다. 토양에서는 구성과 질감의 작은 차이도 수분 특성에 큰 영향을 미칩니다.

일부 연구자들은 특정 토양 유형에 대한 수분 특성을 개발하고 그 특성을 사용하여 수분 함량 판독값에서 수분 전위를 결정합니다. 행렬 전위 센서는 열역학 제2법칙을 활용하여 더 간단한 접근 방식을 취합니다.

행렬 전위 센서

매트릭스 전위 센서는 수분 특성이 알려진 다공성 물질을 사용합니다. 모든 에너지 시스템은 평형을 지향하기 때문에 다공성 물질은 주변의 토양과 수분 전위 평형을 이루게 됩니다.

다공성 물질의 수분 특성을 사용하여 다공성 물질의 수분 함량을 측정하고 다공성 물질과 주변 토양 모두의 수분 전위를 결정할 수 있습니다. 매트릭스 전위 센서는 다양한 다공성 물질과 여러 가지 방법을 사용하여 수분 함량을 측정합니다.

정확도는 사용자 지정 보정에 따라 달라집니다.

매트릭스 전위 센서는 정확도는 좋지만 우수하지는 않습니다. 최악의 경우, 이 방법은 토양이 더 젖어 있는지 건조해지는지 여부만 알려줄 수 있습니다. 센서의 정확도는 다공성 물질을 위해 개발된 수분 특성의 품질과 사용된 물질의 균일성에 따라 달라집니다. 정확도를 높이려면 기본 측정 방법을 사용하여 사용되는 특정 재료를 보정해야 합니다. 이 방법의 감도는 수분 전위가 변화함에 따라 수분 함량이 얼마나 빨리 변하는지에 따라 달라집니다. 정확도는 수분 함량 측정의 품질에 따라 결정됩니다.

정확도는 온도 민감도에 영향을 받을 수도 있습니다. 이 방법은 등온 조건에 의존하기 때문에 달성하기 어려울 수 있습니다. 센서와 토양 사이의 온도 차이로 인해 상당한 오류가 발생할 수 있습니다.

제한된 범위

모든 행렬 전위 센서는 유압 전도도에 의해 제한을 받습니다. 토양이 건조해지면 다공성 물질이 평형을 이루는 데 시간이 오래 걸립니다. 수분 함량의 변화도 작아지고 측정하기 어려워집니다. 젖은 상태에서는 센서의 범위가 사용 중인 다공성 물질의 공기 유입 전위에 의해 제한됩니다.

필터 용지

여과지 방법은 1930년대에 토양 과학자들이 당시 사용 가능한 방법의 대안으로 개발했습니다. 특정 유형의 여과지(휘트먼 42호 애쉬리스)가 다공성 매체로 사용됩니다. 샘플은 여과지 배지와 평형화됩니다. 샘플은 일정한 온도에서 밀폐된 챔버에서 여과지와 평형을 이룹니다. 여과지의 중량 측정 수분 함량은 건조 오븐을 사용하여 측정하고, 수분 전위는 여과지의 미리 결정된 수분 특성 곡선으로부터 유추합니다. Deka 등(1995)은 완전한 평형을 이루려면 최소 6일이 필요하다는 사실을 발견했습니다.

범위

여과지의 범위는 일반적으로 완전히 평형화될 경우 -100MPa까지 허용되는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그림에서 볼 수 있듯이 온도 구배로 인한 오차는 0에 가까운 수전위에서 매우 커집니다.

이 방법은 저렴하고 간단하지만 정확하지는 않습니다. 등온 조건이 필요한데, 이는 달성하기 어려울 수 있습니다. 작은 온도 변화에도 상당한 오류가 발생할 수 있습니다.

상용 매트릭스 전위 센서

석고 블록: 저렴하고 간단한

석고 블록은 종종 관개 이벤트의 간단한 지표로 사용됩니다. 석고 블록은 주변 토양의 변화에 반응하는 석고 블록의 전기 저항을 측정합니다. 전기 저항은 수위에 비례합니다.

장점

석고 블록은 매우 저렴하고 사용하기 매우 쉽습니다.

단점

판독값은 온도에 따라 달라지며 정확도가 매우 낮습니다. 또한 석고는 특히 식염수 토양에서 시간이 지남에 따라 용해되어 교정 특성을 잃게 됩니다. 석고 블록은 습하거나 건조한 상태만 알려줄 뿐 그 이상은 알려주지 않습니다.

세분화된 매트릭스 센서: 쉽고 저렴하지만 정확도가 제한적입니다.

석고 블록과 마찬가지로 입상 매트릭스 센서는 다공성 매질에서 전기 저항을 측정합니다. 석고 대신 합성 멤브레인과 보호용 스테인리스 스틸 메쉬로 둘러싸인 입상 석영을 사용합니다.

장점

입상 매트릭스 센서는 석고 블록에 비해 수명이 길고 습한 토양 조건에서도 작동합니다. 온도 변화를 측정하고 보정하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.

단점

측정은 온도에 따라 달라지며 정확도가 낮습니다. 또한 토양과 센서의 접촉이 양호하더라도 입상 매트릭스 센서는 물이 미세한 토양에서 입상 매트릭스의 거친 매체로 들어가는 능력이 감소하기 때문에 매우 건조한 조건으로 평형을 이룬 후에는 재습윤 문제가 발생합니다. 젖은 쪽에서는 매트릭스의 공기 유입 가능성에 의해 범위가 제한됩니다. 입상 매트릭스 센서는 매트릭스의 가장 큰 기공이 배수되기 시작할 때만 수분 함량/전위 측정을 시작할 수 있습니다. 또한 이러한 센서는 시간이 지남에 따라 용해되는 석고 펠릿을 사용하므로 장기적인 안정성이 떨어집니다.

세라믹 기반 센서

세라믹 기반 센서는 세라믹 디스크를 다공성 매체로 사용합니다. 센서의 품질은 세라믹의 특정 품질에 따라 달라집니다.

각 디스크마다 다소 독특한 수분 특성이 있기 때문에 정확도가 제한됩니다. 세라믹 소재의 균일성은 정확도를 높여주지만 범위가 크게 제한됩니다. 각 개별 센서를 맞춤 보정하면 정확도가 크게 향상되지만 시간이 많이 소요됩니다. 최근 캘리브레이션 기술의 혁신으로 더 나은 상용 캘리브레이션 옵션이 제공될 수 있습니다.

젖은 상태에서는 세라믹의 공기 유입 가능성에 따라 측정 범위가 제한됩니다. 세라믹 기반 센서는 세라믹의 가장 큰 기공이 배수되기 시작할 때만 수분 함량/전위 측정을 시작할 수 있습니다. 건식에서는 낮은 수분 전위에서 배수되는 작은 기공에 포함된 전체 다공성에 의해 범위가 제한됩니다.

두 가지 유형이 있습니다:

방열 센서

방열 센서는 세라믹의 열전도도를 측정하여 세라믹의 수분 함량을 측정합니다. 히터와 열전대가 포함된 세라믹 실린더를 사용하여 기준 온도를 측정하고 몇 초 동안 가열한 다음 온도 변화를 측정합니다. 온도 변화와 로그 시간을 비교하여 세라믹의 수분 함량을 파악합니다. 수분 함량은 세라믹 디스크의 수분 특성을 사용하여 수분 전위로 변환됩니다. 센서는 가열되기 때문에 예비 전력이 많은 시스템(예: Campbell Scientific 데이터 로거 또는 이와 동등한 제품)으로 전원을 공급해야 한다는 점에 유의하세요.

정확성

개별적으로 맞춤 보정하지 않는 한 방열 센서의 정확도는 보통 정도에 불과합니다.

범위

매우 건조한 쪽에서는 열 전도도 곡선의 감도가 매우 높기 때문에 방열 센서의 유용성이 건조한 범위(-1 ~ -50 mPa)에서 확장됩니다. 젖은 상태에서는 방열 센서가 세라믹의 공기 유입 전위에 의해 제한을 받습니다.

유전체 매트릭스 전위 센서

유전체 매트릭스 전위 센서는 세라믹 디스크의 전하 저장 용량을 측정하여 수분 함량을 결정합니다. 그런 다음 디스크의 수분 특성을 사용하여 수분 함량을 수분 전위로 변환합니다.

유전체 기술을 사용하기 때문에 이 센서는 물의 작은 변화에도 매우 민감합니다. 모든 세라믹 기반 센서와 마찬가지로 매트릭스 전위 센서도 정확도를 높이기 위해 맞춤형 보정이 필요합니다.

장점

유전체 매트릭스 전위 센서는 저전력으로 유지보수가 필요 없습니다.

단점

보정하지 않으면 센서의 정확도는 판독값의 ±40%에 불과합니다. 하지만 최근 맞춤형으로 보정된 센서 버전은 판독값의 ±10% 정확도를 보장합니다.

수전위 201: 올바른 기기 선택

콜린 캠벨 박사의 웨비나에서는 수전위 측정의 어려움과 다양한 수전위 기기를 선택하고 사용하는 방법 등 수전위 기기 이론에 대해 설명합니다.

수분 잠재력 측정 방법에 대한 추가 리소스

1. 지, 글렌든 W., 앤더슨 L. 워드, Z. F. 장, 게일런 S. 캠벨, J. 매티슨. "유압 비평형이 압력판 데이터에 미치는 영향." 바도세 구역 저널 1, 1 호 (2002): 172-178. 기사 링크.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green, N. J. McKenzie. "토양 수분 보유를 결정하기위한 압력판 장치의 적절성." 미국 토양 과학 협회 저널 72, 1 호 (2008): 41-49. 기사 링크.
3. 비텔리, 마르코, 마르쿠스 플루리. "압력판으로 결정된 수분 보유 곡선의 오류." 미국 토양 과학 협회 저널 73, no. 5 (2009): 1453-1460. 기사 링크.
4. 베이커, 라파엘, 샘 프라이드먼. "불포화 토양 역학: 물리적 기초에 대한 비판적 검토." 공학 지질 학 106, 1 (2009): 26-39. 기사 링크.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. 음타쿠와, C. E. 멀린스, E. M. 비넨달, J. 타운엔드. "토양 매트릭스 전위 측정을위한 필터-종이 기술의 사용 및 정확성." 유럽 토양 과학 저널 46, 2 (1995): 233-238. 기사 링크.

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