TDR과 커패시턴스가 핵심을 놓칠 수 있는 이유

Why TDR vs. capacitance may be missing the point

어떤 토양 수분 함량 센서가 어떤 용도에 가장 적합한지 고려할 때 간과하기 쉽습니다, 무엇을 측정하는가라는 당연한 질문을 간과하기 쉽습니다.

기여자

어떤 토양 수분 함량 센서가 어떤 용도에 가장 적합한지 고려할 때, 무엇을 측정하는가라는 당연한 질문을 간과하기 쉽습니다. 넓은 측정 주파수 스펙트럼(유전체 분광법이라고 함)에서 유전 유전율을 살펴보는 연구자에게는 시간 영역 반사 측정(TDR 센서) 대 정전용량 센서 기술이 적합한 질문입니다. 이러한 데이터에는 수분 함량 및 전기 전도도와 함께 부피 밀도를 측정할 수 있는 능력과 같은 중요한 정보가 있습니다. 이것이 원하는 측정이라면 현재로서는 단 하나의 기술만 가능합니다: TDR입니다. 전도성 막대를 따라 이동하는 전기 펄스의 반사율에는 광범위한 주파수가 포함되어 있습니다. 디지털화하면 이러한 주파수를 고속 푸리에 변환으로 분리하여 추가 정보를 분석할 수 있습니다.

그러나 대다수 과학자의 목표는 단순히 토양 수분 함량을 순간적으로 또는 시간에 따라 정확하게 모니터링하는 것이므로 복잡하고 비용이 많이 드는 TDR 센서 시스템이 필요하지 않을 수 있습니다.

두 기술의 이론적 배경

커패시턴스 센서와 TDR 센서 기술은 둘 다 주변 매체의 유전 유전율을 측정하기 때문에 종종 함께 그룹화됩니다. 실제로 개인이 이 두 가지를 혼동하여 특정 프로브가 실제로는 커패시턴스 센서 기술을 사용하는데도 TDR 센서 기술을 기반으로 수분 함량을 측정한다고 착각하는 경우가 드물지 않습니다. 다음은 두 기술의 차이점에 대한 설명입니다.

커패시턴스 센서 기술은 매체를 유전체로 사용하는 커패시터의 충전 시간을 측정하여 매체의 유전체 유전율을 결정합니다. 먼저 커패시터를 시작 전압 Vi 에서 전압 Vf 까지 충전하는 데 걸리는 시간(t)과 인가 전압( Vf.

Equation 1
방정식 1

여기서 R은 직렬 저항이고 C는 커패시턴스입니다. 커패시터의 충전은 그림 1에 설명되어 있습니다:

A graph illustrating the charging of the capacitor
그림 1. 커패시터 충전

저항과 전압 비율이 일정하게 유지되는 경우 커패시터의 충전 시간 t는 다음에 따라 커패시턴스와 관련이 있습니다.

Equation 2
방정식 2

병렬 플레이트 커패시터의 경우 커패시턴스는 커패시터 플레이트 사이의 매체의 유전 유전율(k)의 함수이며 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

Equation 3
방정식 3

여기서 A는 플레이트의 면적이고 S는 플레이트 사이의 간격입니다. A와 S도 고정된 값이기 때문에 커패시터의 충전 시간은 주변 매체의 유전 유전율의 단순 선형 함수(이상적으로는)입니다.

Equation 4
방정식 4

토양 프로브는 평행 플레이트 커패시터는 아니지만, 방정식 3에 표시된 관계는 플레이트 형상에 관계없이 유효합니다. 시간 영역 반사 측정법(TDR 센서)은 매체에 둘러싸인 전송 라인을 따라 전자기파가 전파되는 데 걸리는 시간을 측정하여 매체의 유전 유전율을 결정합니다. 전자기 펄스가 전송 라인의 길이를 이동하여 돌아오는 통과 시간(t)은 다음 방정식에 의해 매체의 유전 유전k와 관련이 있습니다.

Equation 5
방정식 5

여기서 L은 전송 라인의 길이이고 c는 빛의 속도(진공 상태에서 3 x 108m 초)입니다. 따라서 유전 유전율은 다음과 같이 계산됩니다.

Equation 6
방정식 6

따라서 TDR 센서를 따라 전자기파가 전파되는 시간은 통과 시간의 제곱과 고정 값(c/2L)의 함수일 뿐입니다. c와 L은 각각 상수와 고정 길이이기 때문에 이론적으로 TDR 센서 측정은 커패시턴스 센서에 비해 토양 및 환경 조건에 덜 민감하게 영향을 받습니다. 그러나 높은 염도로 인해 반사율 파형이 감소하거나 온도가 엔드포인트를 변경하는 경우 TDR 센서 출력의 해석은 상당한 오류의 원인이 될 수 있습니다.

빈도에 따라 정확도가 달라집니다.

An oscillating voltage must be applied to a TDR sensor or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

METER에서 제조한 정전용량 센서는 고주파를 사용하여 토양 염분이 판독값에 미치는 영향을 최소화합니다. 그러나 사용되는 주파수는 일반적으로 50~100MHz로 TDR에 비해 상당히 낮습니다. 커패시턴스 프로브의 고주파는 토양의 모든 수분을 '감지'하는 동시에 구형 커패시턴스 프로브에 존재하는 토양 염분으로 인한 대부분의 오류를 피할 수 있을 만큼 충분히 높습니다. 정전용량 센서의 회로는 부피에 따른 수분 함량의 극히 작은 변화를 해결하도록 설계할 수 있기 때문에 NASA는 화성에서 수분 함량을 측정하는 데 정전용량 센서 기술을 사용했습니다. 커패시턴스 센서는 많은 회로를 필요로 하지 않기 때문에 비용이 저렴하여 달러당 더 많은 측정이 가능합니다.

커패시턴스 센서도 TDR 센서와 마찬가지로 설치가 비교적 쉽습니다. 측정 단자가 TDR 센서보다 짧기 때문에 구멍에 삽입하기가 덜 어려울 수 있습니다. 커패시턴스 센서는 에너지 요구량이 더 낮은 경향이 있으며 데이터 로거의 소형 배터리 팩으로 현장에서 수년간 지속될 수 있습니다.

잘못된 설치 방법으로 인한 오류

요약하면, 측정 이론은 다소 다르지만 TDR 센서와 커패시턴스 센서 모두 유전체 유전율을 측정하여 체적 수분 함량을 얻습니다. 역사적으로 볼 때 TDR과 커패시턴스 모두 널리 사용되고 있지만, 극심한 가격 차이로 인해 커패시턴스에 비해 TDR의 가치가 더 크다고 인식하는 사람들도 있습니다. 일반적으로 두 기법 모두 체적 수분 함량을 합리적으로 측정할 수 있으며, 측정 오류는 기법 자체의 한계보다는 잘못된 설치 방법 때문인 경우가 더 많습니다.

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정확도를 높이기 위한 설치 팁

잘못된 설치는 토양 수분 데이터에서 가장 흔한 오류의 원인이지만, 매번 완벽한 설치를 보장하는 기술이 있습니다. 센서 설치 전문가인 크리스 챔버스가 더 스마트한 토양 수분 센서 설치가 필요한 이유와 이를 달성하는 방법을 설명합니다. 알아보세요:

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