토양 수분 센서 - 작동 원리. 일부 센서가 연구용이 아닌 이유
TDR, FDR, 커패시턴스, 저항: 일반적인 토양 수분 감지 방법과 그 장단점, 고유한 응용 분야를 비교합니다.
Deciding how to measure soil moisture can be complicated, but METER’s easy, plug and play soil sensors simplify the process. When choosing a METER soil moisture sensor, the first thing to know is that all METER soil sensors have the same research-grade accuracy with minimum sensitivity to salts (<10 dS/m bulk EC), temperature gradients, and soil texture. Among the thousands of peer-reviewed publications using METER soil sensors, no soil moisture sensor or water potential sensor emerges as the favorite. Thus sensor choice should be based on your needs and application. Use the following considerations to help identify the perfect soil moisture sensor or water potential sensor for your research. Explore the links for a more in-depth look at soil moisture definitions, terms, and topics.
토양에 있는 물의 양(또는 비율)의 증감을 측정하려면 수분 함량 센서(토양 수분 센서)가 필요합니다. 토양은 물, 공기, 미네랄, 유기물, 때로는 얼음으로 구성되어 있습니다(그림 1). 구성 요소 중 물은 전체의 몇 퍼센트를 차지합니다. 토양 수분 함량을 직접 측정하려면 질량으로서의 물의 양을 다른 모든 것의 총 질량과 비교하여 질량 기준(중량 측정 수분 함량)으로 백분율을 계산할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 노동 집약적이기 때문에 대부분의 연구자들은 토양 수분 센서를 사용하여 체적 수분 함 량(VWC)이라는 자동화된 부피 기반 측정을 수행합니다.
METER 토양 수분 센서는 고주파 커패시턴스 기술을 사용하여 토양의 체적 수분 함량을 측정하므로 토양의 총 부피와 비교하여 부피 기준으로 물의 양을 측정합니다. 일반적으로 토양 수분 센서가 필요한 분야는 유역 특성화, 관개 일정 관리, 온실 관리, 시비 관리, 식물 생태학, 물 균형 연구, 미생물 생태학, 식물 질병 예측, 토양 호흡, 수문학, 토양 건강 모니터링 등입니다. 체적 수분 함량에 대해 자세히 알아보세요.
식물이 이용할 수 있는 물, 식물의 수분 스트레스 또는 물의 이동(물이 움직이고 어디로 갈지)에 대한 이해가 필요한 경우 토양 수분 센서와 함께 수분 전위 토양 센서가 필요합니다. 수분 전위는 토양에 있는 물의 에너지 상태, 즉 물이 토양 표면에 얼마나 단단히 결합되어 있는지를 측정한 값입니다. 이 장력은 뿌리가 물을 흡수할 수 있는지 여부를 결정하고 식물 성장에 물을 사용할 수 있는지 여부를 알려주는 범위를 제공합니다. 또한 물은 항상 높은 수위에서 낮은 수위로 이동하므로 연구자들은 수위를 사용하여 물 이동의 역학을 이해하고 예측할 수 있습니다. 여기에서 수위에 대해 자세히 알아보세요.
"연구자를 위한 수자원 잠재력에 대한 전체 가이드"를 다운로드하세요.
토양에서 토양 입자 사이의 빈 공간(기공)은 모세관 시스템으로 간단히 생각할 수 있으며, 관련 입자의 크기와 공간적 연관성에 따라 직경이 결정됩니다. 이러한 튜브의 크기가 작을수록 표면 연결로 인해 물이 더 단단히 고정됩니다.
점토는 같은 수분 함량의 모래보다 물을 더 단단히 붙잡는데, 그 이유는 점토의 기공이 작아서 물이 결합할 수 있는 표면적이 더 넓기 때문입니다. 그러나 모래도 결국에는 표면에 얇은 물막만 남을 정도로 건조해지면 물이 단단히 결합할 수 있습니다. 원칙적으로 물은 표면에 가까울수록 더 단단히 결합됩니다. 모래 토양에서는 물이 느슨하게 결합되어 있기 때문에 물의 양이 빠르게 고갈되고 보충됩니다. 점토 토양은 물을 너무 단단히 묶어두기 때문에 물의 이동이 느립니다. 그러나 여전히 사용 가능한 물이 있습니다.
참고: 토양 질감 분석기를 PARIO 토양 텍스처 분석기를 사용하여 토양 유형 및 텍스처 식별을 자동화하세요.
토양 수분 센서는 모든 토양 유형과 질감에서 수분 비율을 측정하는 데 효과적입니다. 토양 수분 센서와 토양 전위 토양 센서, 두 가지 유형의 토양 센서를 모두 사용하는 이중 측정은 연구자에게 전체 토양 수분을 파악하고 물을 줄 시기와 양을 결정하는 데 훨씬 더 효과적입니다. 수분함량 데이터는 일일 수분 흡수에 따른 미묘한 변화를 보여주며, 뿌리 영역을 최적의 수준으로 유지하기 위해 얼마나 많은 물을 뿌려야 하는지도 알려줍니다. 수분 전위 데이터는 특정 토양 유형과 질감에 대한 최적의 수준을 결정합니다. 여기에서 작동 방식에 대해 자세히 알아보세요.
또한 수분 함량과 수분 전위를 이중으로 측정하면 아래 그림 5와 같은 현장 토양 수분 방출 곡선 (또는 토양 수분 특성 곡선)을 생성하여 수분 전위와 수분 함량 간의 관계를 자세히 파악할 수 있습니다(그림 5). 과학자와 엔지니어는 실험실이나 현장에서 이러한 곡선을 평가하여 수리 전도도 및 총 수분 가용성과 같은 토양에 대한 많은 정보를 이해할 수 있습니다. 여기에서 토양 수분 방출 곡선에 대해 자세히 알아보세요.
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연구자는 실험이 얼마나 오래 진행될지 알아야 기대에 부합하는 토양 수분 센서를 선택할 수 있습니다. METER의 10HS 토양 수분 센서와 EC-5 토양 수분 센서에는 오버몰딩 기술이 적용되어 일반적인 사용 환경에서 약 3~5년(따뜻하거나 습한 조건에서는 더 짧음) 동안 사용할 수 있습니다. 견고한 TEROS 11, TEROS 12, TEROS 10 및 TEROS 54 토양 센서는 업그레이드된 폴리우레탄(에폭시) 충전재를 사용하여 표준 센서보다 2배 더 오래 사용할 수 있도록 제작되었습니다. 실험실 테스트 결과, 이 센서는 회로 기판에 물이 침투하기 전까지 10년 이상 지속되는 것으로 나타났습니다. 연구 환경이 따뜻하고 일반적으로 습한 열대 지방이라면 항상 수명이 긴 센서를 선택하세요.
METER의 토양 수분 센서는 온도에 대한 민감도가 매우 낮지만 설치 깊이가 얕고 위치가 노출된 경우 온도 영향을 고려해야 합니다. TEROS 11 및 TEROS 12 토양 수분 센서와 TEROS 54 토양 수분 프로파일 프로브에는 토양 수분과 함께 온도를 측정하는 서미스터가 내장되어 있습니다. 따라서 모든 측정 지점에서 추가 온도 센서가 필요하지 않습니다. TEROS 54 프로파일 프로브는 여러 깊이에서 토양 수분 함량과 토양 온도를 플러그 앤 플레이 방식으로 측정하므로 각 데이터 로거 포트에서 더 많은 측정을 할 수 있습니다.
수분 함량과 더불어 벌크 전기 전도도(EC)를 측정하려는 연구자는 TEROS 12 토양 수분 센서를 선택해야 합니다. 이 센서를 사용하면 토양의 염분과 비료에 대한 벌크 EC 반응을 측정할 수 있습니다. EC를 측정하려면 센서의 스테인리스 스틸 전극과 토양이 잘 접촉해야 합니다.
토양 수분 측정 전용으로 많은 과학자들이 TEROS 10을 선호합니다. 이 센서는 설치가 쉽고 저렴하며 신뢰성이 높아 센서가 대량으로 필요한 대규모 프로젝트에 적합합니다. 어려운 토양(딱딱하거나 바위가 많은 토양), 화분용 토양, 토양이 없는 매체에서는 토양 접촉을 잘 유지하고 토양이나 기질의 공기 간극을 보정하기 위해 TEROS 시리즈 센서를 사용하는 것이 좋습니다.
모든 METER 토양 수분 센서는 METER 데이터 로거와 플러그 앤 플레이 방식으로 작동합니다. 또한 SDI-12 프로토콜을 사용하는 타사 로거와도 통합할 수 있습니다. 원격 사이트에서 데이터를 쉽게 수집하려면 ZL6 를 사용하여 원격 사이트에서 데이터를 쉽게 수집하거나 수동으로 데이터를 다운로드할 수 있습니다.
20분 분량의 이 웨비나에서는 콜린 캠벨 박사가 토양 수분 함량 측정 방법의 차이점을 설명합니다. 그는 과학적 측정 이론과 각 방법의 장단점을 살펴봅니다. 또한 다양한 유형의 현장 연구에 적용할 수 있는 기술과 최신 센싱이 단순한 센서 이상의 의미를 갖는 이유에 대해서도 설명합니다.
배우기:
연구 지역 내에서 토양 수분 변동성은 토양 질감, 식생 피복의 양과 유형, 지형, 강수량 및 기타 기상 요인, 관리 관행, 토양 수리 특성(토양을 통과하는 물의 이동 속도)의 차이로 인해 발생합니다. 연구자들은 토양 수분의 다양성을 파악하기 위해 얼마나 많은 샘플 위치가 필요한지 파악하기 위해 지형적 특징의 다양성을 고려해야 합니다. 과학자들은 종종 다양한 깊이에서 토양 수분을 측정하여 토양 변동성의 영향을 이해하고 토양 프로필을 통해 물이 어떻게 이동하는지 관찰합니다. 변동성이 큰 대규모 연구 지역이나 현장에는 많은 수의 토양 수분 센서가 필요한 경우가 많습니다. 토양 수분 센서 또는 EC-5 토양 수분 센서 또는 TEROS 10 토양 수분 센서는 대규모 토양 센서 네트워크가 필요한 과학자에게 경제적인 선택입니다. 최신 센서인 TEROS 11 토양 수분 센서와 TEROS 12 토양 센서는 영향력이 더 큰 부피(1리터)를 가지고 있어 변동성을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
METER의 고품질 연구용 센서는 우수한 데이터를 생성하지만, 사용자는 설치를 준비할 때 현장 상황을 이해해야 합니다. 모든 유전체 프로브는 프롱 사이에 가장 민감합니다.
프로브와 토양 사이의 접촉이 끊어지거나 센서 측정 부피 내에서 토양이 압축되면 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 표면에 물이 고여 있거나 프로브 설치 구멍을 따라 우선 경로로 흐르는 경우에도 측정 오류가 발생할 수 있습니다. 이는 특정 현장이나 토양 유형에 가장 적합한 설치 방법을 선택할 때 고려해야 할 문제이며, 토양 수분 센서의 바늘 모양, 크기 및 내구성이 어려운 토양에서 중요하다는 것을 의미합니다. 새로운 TEROS Borehole Installation ToolTEROS 시리즈 센서와 함께 사용하면 공극, 토양 교란, 우선적 흐름을 제거할 수 있습니다. 동영상을 통해 작동 원리를 알아보세요.
토양이 너무 바위가 많거나 단단해서 센서가 닿기 어려운 토양이라면 TEROS 21 수분 전위 센서를 사용하는 것을 고려해 보세요. 수분 함량은 토양 수분 방출 곡선을 사용하여 수분 전위 데이터에서 계산할 수 있으며, TEROS 21을 다시 채우거나 포장할 수 있습니다. TEROS 설치 도구와 함께 사용되는 10, 11 또는 12개의 토양 수분 센서는 어려운 토양에 대해 만장일치로 권장됩니다.
정확도를 높이려면 토양별 보정을 고려하세요. METER의 토양 수분 센서는 수분 함량의 강력한 함수인 토양의 유전 상수를 측정하여 토양의 체적 수분 함량을 측정합니다. 그러나 모든 토양이 동일한 전기적 특성을 갖는 것은 아닙니다. 토양 부피 밀도, 광물학, 질감 및 염분의 변화로 인해 현재 METER 센서의 일반적인 광물 보정은 대부분의 광물 토양에서 약 ± 3~4%, 토양이 없는 성장 기질(화분 토양, 돌 울, 코코 열매 등)에서 약 ± 5%의 정확도를 제공합니다. 그러나 토양별 보정을 통해 토양 및 토양이 없는 기질에 대해서는 정확도가 ± 1 ~ 2%로 증가합니다. 토양 수분 센서 사용자는 체적 수분 함량 측정의 정확도를 최대한 높이기 위해 토양별 보정을 수행하거나 토양별 보정 서비스를 사용할 것을 권장합니다.
TEROS 11 및 12 | TEROS 54 | TEROS 10 | EC-5 | 10HS | |
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조치 | TEROS 12: 체적 수분 함량, 온도, 전기 전도도
TEROS 11: 체적 수분 함량, 온도 |
체적 수분 함량, 온도
6개의 수심에서 |
체적 수분 함량 | 체적 수분 함량 | 체적 수분 함량 |
영향력 규모 | 1010 mL | 세그먼트당 351cm3 | 430 mL | 240 mL | 1320 mL |
측정 출력 | 디지털 SDI-12 | 디지털 SDI-12 | 아날로그 | 아날로그 | 아날로그 |
현장 수명 | 10년 이상 | 10년 이상 | 10년 이상 | 3~5년* | 3~5년* |
내구성 | 최고 | 최고 | 최고 | 보통 | 보통 |
설치 | 높은 정확도를 위한 설치 도구 | 높은 정확도를 위한 설치 도구 | 높은 정확도를 위한 설치 도구 | 수작업으로 설치 | 수작업으로 설치 |
정확한 수분 포텐셜 측정은 올바른 기기를 선택하고 능숙하게 사용하는 것이 관건입니다. 이상적인 세계에서는 습식부터 건식까지 전체 범위의 수전위를 간단하고 정확하게 측정하는 하나의 기기가 존재할 것입니다. 현실 세계에는 각각 범위가 잘 정의된 다양한 기기가 존재합니다. 그림 7은 METER의 TEROS 21 매트릭스 전위 센서가 플랜트 가용 수위 범위(현장 용량에서 공기 건조까지)에서 수위를 측정하는 데 유용하다는 것을 보여줍니다. TEROS 22 매트릭스 전위 센서는 TEROS 21과 유사하지만 설치 과정이 더 쉽습니다(트렌치 필요 없음). TEROS 21과 TEROS 22 모두 전체 습도 범위에서 측정할 수 있습니다. 실험실 및 현장 테스트 결과, 이 센서들은 적어도 영구 시들음점만큼 건조한 상태에서도 허용 가능한 정확도로 수전위를 측정할 수 있는 것으로 나타났습니다. 장력계는 대부분의 물 이동이 발생하는 습한 범위에서 수전위를 측정하는 데 훨씬 더 높은 정확도를 제공합니다. 오직 장력계만이 높은 수전위 범위를 직접 측정할 수 있습니다.
콜린 캠벨 박사의 웨비나(아래) "물 잠재력 201: 올바른 기기 선택하기"에서는 수전위 측정의 어려움과 다양한 수전위 기기를 선택하고 사용하는 방법 등 수전위 기기 이론을 다룹니다.
METER의 TEROS 21 및 TEROS 22 매트릭스 전위 센서는 수분 함량 센서와 수분 방출 곡선이 알려진 다공성 기판으로 구성됩니다. 다공성 물질이 주변 토양과 평형을 이룬 후 수분 센서는 다공성 물질의 수분 함량을 측정하고, 수분 방출 곡선을 사용하여 수분 함량을 수분 포텐셜로 변환합니다.
물의 포텐셜은 시료의 물과 순수한 자유 물로 이루어진 기준 풀의 물 사이의 포텐셜 에너지 차이를 측정하는 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 부압 게이지(압력 변환기)를 사용하여 진공의 강도를 측정하고 수전위를 압력으로 설명합니다.
장력계는 아마도 가장 오래된 유형의 수전위 측정기이지만(초기 개념은 적어도 1908년 리빙스턴으로 거슬러 올라갑니다), 매우 유용할 수 있습니다. 실제로 습한 범위에서 고품질의 장력계를 능숙하게 사용하면 정확도가 뛰어날 수 있습니다. 또한 앞서 언급했듯이 장력계는 토양 이질성의 영향을 받지 않습니다.
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 METER는 정밀한 독일 엔지니어링, 세심한 제작, 디테일에 대한 광적인 관심 덕분에 현대적인 클래식 텐셔미터를 제작합니다. 이 장력계는 뛰어난 정확도와 최대 -85kPa의 범위를 제공합니다.
장력계 선택은 용도에 따라 결정해야 합니다. TEROS 31은 스팟 측정 또는 컬럼 실험에 사용되는 소형 실험실용 장력계입니다. TEROS 31은 현장에서 스팟 점검을 위해 사용할 수 있지만 캐비테이션이 발생하면 실험실에서 다시 채워야 하므로 불편합니다. TEROS 32는 현장 장력계입니다. 외부 리필 튜브가 장착되어 있어 리필을 위해 장력계를 지상에서 제거할 필요가 없습니다.
센서 선택은 데이터 수집 요구사항에 따라 달라집니다. TEROS 32는 원격으로 실시간에 가까운 연속 데이터를 제공합니다. ZENTRA Cloud. ZL6 데이터 로거 및 ProCheck 핸드헬드 리더와 플러그 앤 플레이 방식으로 설계되어 대규모 센서 네트워크에 가장 적합한 제품입니다. TEROS 31은 또한 ZL6 및 ZENTRA Cloud 및 ProCheck와도 연동됩니다. TEROS 31과 TEROS 32는 모두 Campbell Scientific(또는 유사한) 데이터 로거와 인터페이스할 수 있습니다.
TEROS 32 장력계는 일반적으로 현장에서 비스듬히 설치됩니다. 이 장력계를 설치하기 위해 특별히 크기가 지정된 METER 필드 오거를 사용하는 것이 좋습니다. 또한 장력계 샤프트를 보호하기 위해 관개 밸브 커버 박스를 사용하는 것이 좋습니다.
필요한 샤프트 길이는 설치 깊이에 따라 결정됩니다. 예를 들어 1m 깊이에서 측정하고 비스듬히 설치하려는 경우 샤프트의 길이를 계산하려면 해당 각도를 알아야 합니다. 일반적으로 원하는 설치 깊이보다 10~20cm 더 길어야 합니다. 또한 리필 튜브에 접근할 수 있어야 합니다. 장력계가 더 깊게 매설될수록 튜브가 표면에 도달하기 위해 더 길어야 합니다. 마지막으로, 장력계 케이블 길이는 데이터 로거와의 근접성에 따라 달라집니다.
TEROS 21 & TEROS 22 매트릭스 전위 센서 | TEROS 31 장력계 | TEROS 32 장력계 | |
---|---|---|---|
비용 | $$ | $$$ | $$ |
정확성 | (판독값의 10% + 2kPa) -100 ~ -5kPa에서 ±(10%) | ±0.15 kPa | ±0.15 kPa |
범위 | 0 ~ -100,000kPa(1.70 ~ 6.00pF) | -85 ~ +50kPa(비등 지연 시 최대 -150kPa) | -85 ~ +50 kPa |
전력 요구 사항 | 3.6-15V, 10mA | 3.6-~28.0-VDC | 3.6-~28.0-VDC |
측정 출력 | 디지털 SDI-12 | DDI 직렬, SDI-12 통신 프로토콜 | DDI 직렬, SDI-12 통신 프로토콜 |
수분 전위 결정에 사용되는 방법 | 보정 방법: 세라믹 매트릭스의 커패시턴스, 6포인트 보정 | 직접 방식: 압전 압력 센서, 휘트스톤 풀 브리지 | 직접 방식: 압전 압력 센서, 휘트스톤 풀 브리지 |
데이터 로거 호환성 | ZL6 로거(및 ZENTRA Cloud ), EM60 로거, 캠벨 사이언티픽 | ZL6 로거(및 ZENTRA Cloud ), EM60 로거, 캠벨 사이언티픽 | ZL6 로거(및 ZENTRA Cloud ), EM60 로거, 캠벨 사이언티픽 |
최고의 대상... | - 장기 연구 연구 - 자연 환경 모니터링-TEROS 22는 차세대 버전입니다. 의 TEROS 21 더 쉬운 설치(트렌치 필요 없음) |
- 실험실의 컬럼 및 스팟 측정 - 작은 점 측정 |
- 장기 현장 연구 - 바도세 지역 수문학 |
커컴, 메리 베스. 토양과 식물 물 관계의 원리. 아카데믹 프레스, 2014.(도서 링크)
테일러, 스털링 A. 및 게일린 L. 애쉬 크로프트. 물리적 에다 폴로지. 관개 및 비 관개 토양의 물리학. 1972.(도서 링크)
힐렐, 다니엘. 토양 물리학의 기초. 아카데믹 프레스, 2013.(책 링크)
데인, 제이콥 H., G. C. 토프, 게일런 S. 캠벨. 토양 분석 물리적 방법의 방법. No. 631.41 S63/4. 2002.(도서 링크)
아래 웨비나를 시청하여 자세히 알아보세요:
토양 수분 측정에 대해 자세히 알아보세요. 아래 웨비나에서 콜린 캠벨 박사가 놀랍고 문제가 되는 토양 수분 데이터를 해석하는 방법에 대해 설명합니다. 또한 다양한 토양, 현장 및 환경 상황에서 예상할 수 있는 사항에 대해서도 설명합니다.
6개의 짧은 동영상을 통해 토양 수분 함량과 토양 수분 잠재력에 대해 알아야 할 모든 것과 이를 함께 측정해야 하는 이유를 알아보세요. 또한 토양 수리 전도도의 기본 사항을 숙지하세요.
저희 과학자들은 수십 년 동안 연구자와 재배자들이 토양-식물-대기 연속체를 측정할 수 있도록 지원해 온 경험을 가지고 있습니다.
TDR, FDR, 커패시턴스, 저항: 일반적인 토양 수분 감지 방법과 그 장단점, 고유한 응용 분야를 비교합니다.
농업 및 잔디밭의 관개 일정을 관리하려면 정확하고 신뢰할 수 있으며 비용이 저렴한 토양 수분 센서가 필요합니다. 많은 센서가 이 중 한 가지 영역에서 부족하기 때문에 한계가 있습니다. 지금까지는 말이죠.
저희는 ATMOS 41과 고품질의 연구용 비계량 센서를 비교 테스트하고 센서 간 변동성에 대한 시계열 테스트를 수행했습니다. 결과는 다음과 같습니다.
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