잎의 습도 센서를 페인팅하고 보정해도 효과가 없는 이유

Why painting and calibrating your leaf wetness sensor won’t work

센서 표면의 상대 습도 (RH)가 항상 90% 이상이면 (RH)가 90% 이상이면 페인트 칠한 잎 습도 센서에 오탐이 등록됩니다.

기여자

잎의 습도 및 식물 질병 연구 분야의 리더들이 수행한 많은 연구에 따르면 정확한 측정을 위해 잎의 습도 센서를 페인트칠하고 보정해야 한다고 합니다(예: Gillespie and Duan, 1987; Lau et al., 2000; Sentelhas et al., 2004).

표준 저항 그리드 잎 습도 센서는 물방울이 그리드에서 두 손가락 사이의 간격을 메우고 유효 저항을 낮출 수 있을 만큼 충분히 큰 경우에만 습기가 감지됩니다. 연구원들은 이 사실을 오래 전에 인지하고 센서가 이슬이 맺힐 때 나타나는 작은 물방울을 감지할 수 있는 방법을 고안하려고 노력해 왔습니다. 센서 위에 천을 깔아놓는 방법부터 현재의 표준 방법인 라텍스 페인트로 센서 표면을 칠하는 방법까지 다양했습니다. 물이 실제로 흔적을 연결하는 대신 라텍스 페인트 자체의 저항이 젖었을 때 변화하여 프로브의 출력이 달라집니다.

페인트 방식은 오탐을 생성합니다.

하지만 이 방법에는 많은 연구자들이 인지하지 못하는 한 가지 큰 결함이 있습니다. 라텍스 페인트가 물을 흡수하여 저항 변화를 일으키기 위해서는 본질적으로 흡습성이 있어야 합니다. 대부분의 흡습성 재료와 마찬가지로 라텍스 페인트는 물의 상태와 무관하며 액체 물처럼 수증기를 쉽게 흡수합니다. Gillespie와 Duan(1987)과 Sentelhas 등(2004)은 라텍스 페인트를 구워 일부 흡습성 요소를 제거하여 센서가 수증기에 덜 민감하게 만들면 이러한 효과를 최소화할 수 있다고 제안했습니다. 그러나 이러한 특수 프로토콜로도 수증기의 영향을 완전히 제거할 수는 없습니다.

표준 저항 그리드 잎 습도 센서를 라텍스 페인트로 칠하고 Gillespie와 Duan(1987)에 따라 구워 현장 데이터를 수집했습니다. 공기 온도와 상대 습도(RH)는 잎 습도 센서에 인접하여 측정했으며, 잎 습도 센서 자체의 온도는 센서 표면의 상대 습도(RH)를 계산할 수 있도록 미세 와이어 열전대를 사용하여 측정했습니다. 그림 1은 RH에 대한 센서 저항을 그래프로 나타낸 것입니다. 이 특정 센서의 경우 건식 저항은 약 7000kΩ이며, 일반적으로 이 기준값보다 낮은 저항은 습식 센서로 간주됩니다. 이 그래프를 보면 조심스럽게 처리하고 구운 센서도 상대 습도 약 70% 이상에서는 오탐 결과를 내기 시작한다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 실제로 그림 1을 보면 상대 습도가 90% 이상일 때 항상 페인트 프로브에 의해 오탐지가 등록되는 것을 알 수 있습니다.

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
그림 1. 센서 표면 상대 습도(RH)의 함수로서 도장 및 구운 저항형 잎 습도 센서의 그리드 저항. 데이터는 2005년 여름과 가을에 60일 동안 수집되었습니다. 강우 및 이슬 이벤트 기간과 그 이후의 기간은 데이터 세트에서 신중하게 제거되었으므로 기준 수준인 7000kΩ보다 낮은 저항은 잘못된 액체 수분 이벤트입니다.

일부 연구자들은 그림 1에서 보이는 흡습성 효과에 대응하기 위해 각 페인트 센서를 개별적으로 보정합니다. 일반적인 보정 방법 중 하나는 물 웅덩이 위에 있는 등온 용기에 각 센서를 밀봉한 후 100% RH 조건에서 평형 상태의 센서 저항을 기록하는 것입니다. 그런 다음 이 값을 새로운 기준값으로 삼습니다. 상상할 수 있듯이 이 작업은 지루하고 시간이 많이 걸리는 작업입니다.

새로운 방법으로 페인팅이나 보정이 필요 없습니다.

최근에 개발된 잎 습도 센서(PHYTOS 31, METER)는 표면 습도를 측정하는 다른 방법을 사용합니다. 이 센서는 금속 그리드 핑거 사이의 저항을 측정하는 대신 센서 표면의 유전 상수를 측정합니다. 유전체 방식을 사용하면 물방울이 인접한 흔적을 연결할 만큼 충분히 클 필요가 없으므로 물방울의 크기에 관계없이 프로브 표면에 있는 액체 물의 양을 측정할 수 있습니다. 따라서 센서를 페인팅할 필요가 없습니다.

광범위한 테스트 결과 약 98.5% RH 이하에서는 흡습 효과가 나타나지 않으며, 98.5%와 포화도 사이에서는 오탐으로 등록될 만큼 충분히 크지 않은 것으로 나타났습니다. 또한 유전체 잎 습도 센서는 공장 출고 전에 개별적으로 조정되어 각 센서가 정확히 동일한 판독값을 나타내므로 사용자가 보정할 필요가 없습니다. 그림 2와 그림 3은 일반적인 야간 이슬 이벤트가 시작되는 동안 각각 페인트 저항 그리드 센서와 유전체 잎 습도 센서로 수집한 데이터를 보여줍니다. 그림 2를 보면 페인트 칠한 센서의 흡습성 반응으로 인해 페인트 칠 후 센서를 개별적으로 보정하지 않으면 잎의 습도 지속 시간(이 경우 1.5시간 이상)이 상당히 과대평가될 수 있음을 알 수 있습니다. 그림 3은 사용자가 페인팅하거나 보정하지 않은 유전체 잎 습도 센서로 수집한 동일한 이슬 이벤트의 데이터를 보여줍니다. 유전체 잎 습도 센서는 잎의 습도 지속 시간을 5분 정도 과소평가합니다.

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
그림 2. 저녁 이슬이 내리기 시작했을 때 도장된 구운 저항 그리드 잎 습도 센서의 그리드 저항과 표면 상대 습도. 점선 가로선은 센서의 건조 저항을 나타내며, 이 임계값보다 작으면 표면 습도를 나타냅니다. 실선인 수직선은 100% 습도가 존재하며 센서 표면에 이슬이 맺히기 시작하는 시점을 나타냅니다. 점선과 실선 수직선 사이의 회색 영역은 그리드 센서가 액체 수분의 존재(표면 습도)를 출력하지만 아무것도 존재하지 않는 시간을 나타냅니다.
A graph showing sensor output and surface relative humidity of an out-of-the-box dielectric leaf wetness sensor over the onset of evening dew
그림 3. 저녁 이슬이 내리기 시작했을 때 즉시 사용 가능한 유전체 잎 습도 센서의 센서 출력 및 표면 상대 습도. 점선 가로선은 센서의 건조 기준 출력을 나타내며, 이 임계값보다 크면 표면 습도를 나타냅니다. 실선인 수직선은 습도가 100%가 되는 시점과 센서 표면에 이슬이 맺히기 시작하는 시점을 나타냅니다. 점선과 실선 수직선 사이의 회색 영역은 유전체 센서가 액체 수분의 존재(표면 습도)를 출력하지만 아무 것도 존재하지 않는 시간을 나타냅니다.

위에 제시된 데이터는 새로운 유전체 잎 습도 센서가 도장하지 않거나 도장하고 보정하지 않은 저항 그리드 잎 습도 센서보다 더 정확한 결과를 제공하며 도장 및 굽기 또는 개별 보정의 번거로움이 없다는 설득력 있는 주장을 뒷받침합니다.

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참조

Gillespie, T. J., and R-X. Duan. "표면 습도 지속 시간에 대한 원통형 및 평판 센서의 비교." 농업 및 산림 기상 학 40, 1 호 (1987): 61-70. 기사 링크.

라우, 유와 F., 마크 L. 글리슨, 나르제스 쯔리바, S. 엘윈 테일러, 폴 N. 힌츠. "이슬 기간 동안 전자 습도 센서의 성능에 대한 코팅, 배치 각도 및 나침반 방향의 영향." 식물 질병 84, 2 호 (2000): 192-197. 기사 링크 (오픈 액세스).

센텔하스, P. C., J. E. B. A. 몬테레이로, T. J. 길레스피. "전자 잎 습도 지속 시간 센서 : 페인트해야하는 이유." 국제 생물 기상학 저널 48, no. 4 (2004): 202-205. 기사 링크.

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