[시설원예기계자재] 온실환경관리용 센서 및 응용

[청풍명월]

온실환경관리용으로 사용되는 센서는 환경요인을 정확히 계측하고, 온실내 고온, 과습등 온실이라는 특수한 환경에 대한 내구성과 안정성이 있어야 하며, 가격도 저렴하여야 한다. 공업용 센서를 직접 온실환경관리용 센서로 적용하는 것은 센서의 오작동, 수명단축 등 예기치 못한 문제가 발생될 수 있으며, 외국의 센서를 고가로 구입해서 사용하기보다 우리 실정에 맞는 센서 개발이 요구되고 있다.

1. 센서의 설치

우리 인간과 동물은 감각기관을 통해서 환경의 정보를 받아들이고, 감각기관에 의해 자신의 신체 외부의 상황을 파악하고 있다. 자동화한 기계와 장치는 센서에 의해서 대상의 정보를 수집 해석하여 주변 상황을 파악한다. 이와같이 센서는 기계의 감각기관이라고 할 수 있으며, 자동화를 위해서는 필수적인 요소이다. 센서에 대한 정의는 여러 가지로 표현할 수 있지만 일반적으로 '대상물이 어떤 정보를 갖고 있는가 감지하는 장치'라고 할 수 있다.

	환경설정
	양액제어
그림 1. 온실환경관리용 센서의 설치장면

2. 센서의 선정기준

센서의 선정기준

검토사항	의 미	항 목
측정조건	시스템이나 기계장치 전체에 대해 검토하고, 센서의 필요성과 사용목적을 명확히 한다.	측정의 목적, 측정량 측정범위, 입력신호 요구정도, 측정시간
특 성	여러가지 센서의 특성과 요구되는 특성을 맞춘다.	정도, 안정성 응답성, 직선성 아나로그, 디지탈 출력신호
사용조건	센서의 특성을 최대한으로 발휘하기 위한 분위기와 환경을 고려한다.	설치장소, 접촉식 비접촉식, 외부신호
입수보수	종류와 가격이 다른 센서 중에서 최적의 것을 선정한다. 입수하기 쉽고, 보수 가 용이하고, 장시간 운전에 좋은 것을 선정한다.	가격, 납기 서비스, 보증기간 표준품, 특수사양

실용적인 원예시설에 있어서 주로 미기상 환경의 자동계측 및 제어의 대상이 되는 주요환경 요인은 빛, 온도, 물, 탄산가스 등이다.

3. 센서의 종류 및 활용

가. 광센서

광센서란 자외광에서 적외광까지의 광파장 영역의 광선을 검지하여 이것을 전기신호로 출력하는 전자 장치로 이 원리에는 광도전 효과, 광기전력 효과, 광전자 방출효과 등의 광전 변환 효과가 이용되고 있다.

그림 2. 광센서

반도체에 빛이 닿으면 자유전자와 자유정공이 증가하고 광량에 비례하는 전류증가(반도체의 저항 변화)가 일어나는 현상을 광도전 효과라 하는데 이것을 이용한 것으로는 Cds, CdSe-PbS센서가 있다. 광기전력 효과형(접합형 광센서)의 대표적인 센서는 포토다이오로 빛이 pn에 접합에 조사되면 전자-정공쌍이 다수 발생하며 전극간에 기전력이 발생되는 원리를 이용한 것이다. 광전자 방출형 광센서는 광이 물질의 표면에 흡수될 때 그 표면으로부터 광전자를 방출하는 것을 이용한 것으로 광전관과 광전자 증배관이 있다.

그림 3. 온도센서

나. 온도센서

온도 측정 방법에는 여러 가지의 현상과 효과를 이용한 것이 있지만, 피측정물, 환경에 직접 센서를 쬐어 측정하는 접촉형 온도센서와 피측정물에서 방사되는 적외선을 떨어진 장소에서 측정하는 비접촉형 온도센서로 구분된다. 여기서는 접촉형 온도센서 중에서 많이 사용되는 열전대, 측온저항체, 서미스터를 비교해 보면 표 1과 같다.

표 1. 접촉형 온도센서의 비교

표 1. 접촉형 온도센서의 비교

구 분	열전대	백금 측온저항체	서미스터
검출원리	서로 다른 2종류의 금속 회로에 상대편 접합부에 온도차가 발생하면 그에 대응하는 기전력이 발생하는 현상을 이용한다.	백금의 고유저항이 온도의 상승과 함께 증가하는 성질을 이용한다.	일종의 소결 반도체로 고유저항이 온도의 상승과 함께 감소하는 성질을 이용한다.
구조예	2종류의 금속 한쪽 끝을 용접한다.	마이카판 또는 세라믹의 권취에 백금선을 감는다.	비드상의 서미스터에 글라스를 봉입한다.
장점	좁은 장소에서 온도측정 가능, 응답속도가 빠르다. 진동, 충격에 강하다. 고온영역에서 측정가능	정도가 좋다.	좁은 장소에서 온도측정가능, 변화율이 크다. 고유저항이 큰 도선을 연장하여도 오차가 적다.
단점	변화율이 적다. 온도차 검출방식이므로 냉접적 온도의 보정이 필요하다.	응답속도가 느리다. 진동, 충격에 약하다. 고가이다. 고온영역에서 측정불가능 (일반적으로 300℃까지)	변화율이 비직선적이다. 고온영역에서 측정불가능 (일반적으로 300℃까지)

다. 습도센서

습도센서는 대기중에 포함된 수증기의 양을 측정하는 것으로 온실환경관리용 센서는 작물생육에 영향을 주는 상대습도를 측정하게 된다. 상대습도를 측정하는 방법으로는 기계적 팽윤성을 이용한 방법과 증발에 의한 습구의 온도 강하를 이용한 건습구 온도계, 적외선 및 마이크로파의 감쇠를 이용한 전자파식 센서, 노점 온도계, 그리고 전기저항식 습도 검출소자 등이 이용되고 있다.
기계적 팽윤성을 이용한 검출소자는 정확도가 떨어지고 이력(hysteresis)이 크며, 전자파식 센서는 수증기의 양에 따라 복사에너지의 흡수율이 비례적으로 증가하는 현상을 이용한 것으로 감도나 반응속도가 뛰어나지만 가격이 비싸고, 노점온도계는 비교적 정확하게 습도를 측정할 수 있으며, 부식성이 강한 가스 등 오염물질이 포함되어 있어도 측정이 가능하나 구조가 복잡하고 가격이 비싸다.

그림 4. 습도센서

라. 탄산가스(CO2) 센서

탄산가스는 생물이 호흡할 때, 탄소나 그 화합물이 완전연소할 때, 발효 등에 의하여 생성되는 무색, 무취의 기체로 식물은 탄산가스와 물을 원료로 태양에너지를 이용하여 탄수화물을 합성하므로 탄산가스는 광합성에 절대적으로 필요하며, 탄산가스가 충분하게 공급되지 않으면 광합성이 원활하게 이루어질 수가 없다.
일반적으로 특정 성분의 가스에 대한 정량분석을 수행하는 방법으로 습식분석법, 자외선흡광법, 가스 크로마토 그라프법(gas chromatography), 열전도도법, 전기화학법, 적외선흡광법, 광화학법, 질량분석법 등을 들 수 있다.

그림 5. 탄산가스센서

이중에서 습식분석법은 시료채취 및 처리과정이 복잡하여 많은 시간이 소요되며, 측정자의 숙련도에 따른 차이가 나타날 수 있고, 연속적인 측정도 불가능하다. 자외선 흡광법의 경우, 감도는 좋으나 타성분의 가스에 의한 방해가 심하기 때문에 널리 사용되지 못하고 있으며, 가스 크로마토 그라프법도 선택성과 감도는 우수하지만 분리관(column)에 의한 분리 과정을 거쳐야 하므로 연속 측정이 불가능하다. 또한 전기화학법은 탄산가스의 경우 산소와 탄소가 포화결합 형태를 이루고 있기 때문에 계측이 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 광화학법은 탄산가스의 농도에 따라 색깔이 변화하는 시약의 성질을 이용한 것으로, 이 방법은 가장 저렴하고 간단한 방법으로 많이 사용되고 있으나, 연속계측 및 전기신호의 인출이 불가능하다.
온실환경관리 자동제어용으로 적합한 탄산가스의 계측방식으로, 적외선 흡광법의 일종인 비분산적외선법과 열전도도법, 그리고 질량분석법이 있다. 비분산적외선 방식은 비대칭 구조를 갖거나 3원자 이상의 분자가 자신의 고유 진동에너지 양자(vibration energy quanta)에 해당하는 에너지를 선택적으로 흡수하는 현상을 이용한 것이다. 현재 가장 널리 보급되어 있는 탄산가스 계측방식이다.
열전도도식은 열선 또는 서미스터 같은 소자에 질소(N2)가스, 표준가스를 흘려 소자에 규정된 전류가 통하면 소자는 발열과 방열이 평형을 이루는 온도에서 안정된다. 이 때의 저항에 따라서 측정 대상이 되는 시료 가스를 흘리면 소자 주위의 가스 조성의 변화에 따라 열 전도도가 변화하기 때문에 소자의 온도변화가 발생하고, 이로 인하여 전기적인 저항이 변화한다. 이러한 저항 변화에 의해 구성된 브리지의 평형이 깨어지게 되고, 이때 검류계 지침이 움직여 탄산가스 농도에 비례하는 값을 지시하게된다. 이 분석기는 넓은 범위에서 탄산가스 농도를 측정할 수 있으며, 또한 가스의 물성을 이용한 측정방식이므로 센서의 안정성, 내구성이 우수하다는 장점을 보유하고 있다. 그러나 저농도인 300ppm 근방의 표준 대기를 측정할 때에는 주변 온습도 및 다른 가스 성분의 영향을 받으므로 정밀한 계측이 어렵다.
질량분석식 가스 측정기는 10-6torr 이하의 고진공 상태에서 시료분자나 원자를 이온화하여 이들을 전장이나 자장, 또는 전자장내에서 운동시킬 때 나타나는 특이한 운동양상으로부터 시료의 질량대 하전비(m/e)를 측정하는 것이다. 이러한 원리를 응용하여 CO2, O2, H2O 등의 성분을 동시에 연속 측정할 수 있는 계기가 개발되고 있다.

마. 액온센서

배양액 또는 배지의 온도관리를 위한 것으로 근부의 생육적온 조절로 겨울철의 저온, 여름철의 고온에 의한 생육장해 방지를 위해 사용되는 것으로 측온저항체 혹은 반도체 센서가 많이 실용화되고 있다. 온도센서의 정밀화, 응답성등 특성상 문제는 거의 없으나 취급상 6개월~1년마다 교정할 필요가 있으며 파손이 쉬운점 등 약간의 문제가 남아 있다.

바. EC센서

EC(전기전도도)란 전기를 통하는 정도를 말하는데, 단면적 1㎠, 거리 1㎝에 상당하는 전극사이에 용액이 갖는 전기저항의 역수로 정의된다.
즉 단면적 A㎝의 전극을 L㎝ 뛰어서 그 전극사이에 용액을 채워서 전극사이의 저항을 측정하면, R = P&L/A가 성립된다. 여기서 R : 저항(Ω), L : 거리(㎝), A : 단면적(㎝), P : 비저항(Ω.㎝)이며, 전도도 K는 P의 역수로서 K = 1/P = L/(A&P)로 되고 단위는 S/㎝(S=Siemens)를 사용한다.
용액의 전도도는 온도를 변화시키면 2%/℃정도 변화하는 성질이 있기 때문에 측정시의 온도를 명기할 필요가 있다. 일본의 JIS규격에서는 25℃에서 고정도 측정의 경우는 ±0.1℃, 현장에서는 ±0.5℃에서 측정하도록 명기하고 있다.
EC로는 이온의 개별적인 농도를 알 수는 없으나 전체 농도를 아는데는 편리하다. 이온의 종류에 관계없이 이온 농도가 높을수록 EC값이 크다. 식물은 일반적으로 2~4mS/㎝의 범위에서 재배하는 것이 좋다. 이 이상일 경우에는 위조, 생육억제, 열과등의 현상이 일어나기 쉽다.

그림 6. 액온센서



그림 7. EC 센서

측정법은 검출부인 전도도 셀이 피검액에 접촉하고 있는가 그렇치 않는가에 따라 접촉법과 비접촉법으로 구분되고 있다. 접촉법은 측정원리에 따라 2극법과 4극법으로 세분화된다. 양액은 주로 2극접촉법으로 측정하고 염수나 해수등과 같이 비교적 전도도 영역이 높은 것은 비접촉법으로 측정하는 것이 일반적이다.

사. pH센서

산도(pH)라는 것은 수용액 중의 수소이온(H+)농도의 지수를 나타낸 것으로 비료성분 등을 전혀 함유하지 않은 순수한 물의 경우 25℃의 온도에서 산도(pH)는 7이 된다.

그림 8. pH 센서

이것을 중성이라고 말하고, 이보다 pH가 낮은 경우를 산성이라 하며, 반대로 pH가 7이상인 경우를 알칼리성이라고 한다. 이와 같은 pH를 측정하는 기기가 산도측정기인데 가장 많이 이용되고 있는 유리 전극식의 경우, 전극은 통상 유리 전극, 비교 전극, 온도보상 전극의 세 종류로 구성되어 있는데 이것들이 각각 별도로 분리되어 있는 것과 한덩어리로 묶여 있는 것이 있다.
유리 전극의 선단은 대단히 얇은 유리막으로 이루어져 있는데 만약 이 부분이 건조하거나 오염되면 정확한 pH를 측정할 수 없을 뿐만 아니라 파손되기 쉽기 때문에 취급상 세심한 주의를 하지 않으면 안된다.
때때로 표준액을 체크하여 정확하게 작동되는가를 확인한 후 pH를 측정하되 pH측정은 미약한 정전기를 일으키는 기전력을 측정하는 것이기 때문에 영향을 미칠 수 있는 주위의 장애물을 사전에 제거한 후 사용하는 것이 바람직하다.
pH조정시에는 첨가되는 산이나 알칼리가 전체적으로 잘 혼합되는 데는 어느 정도의 시간이 걸리게 되므로 pH를 측정할 때에는 순환 후 약 2시간 후에 측정하는 것이 좋다.
최근에는 pH조절을 자동화시키는 예가 많아지고 있는데 이와 같은 경우 특히 주의해야 할 것은 pH전극은 때때로 보정하지 않으면 측정치가 흔들려 신빙성이 없게 되는 경우가 있을 뿐만 아니라 관리자 자신도 모르게 자동조절장치가 고장이 나거나 작동에 이상이 생기게 되면 극단적으로 되어 작물에 심각한 피해를 줄 수 있으므로 주의하여야 한다.

아. 용존산소 센서

용존산소의 전기화학적 방법중 가장 일반전인 방법으로서 격막전극법이 있다. 격막전극법의 전극부는 폴리에틸렌 테프론 등의 박막과 가소트, 아노트 전해액으로 구성되어 있다. 폴린에틸렌이나 테프톤 박막은 산소분자만은 투과하지만 다른 분자는 투과하기 어려운 특성을 갖고 있다.

그림 9. 용존산소 센서

이와같은 전극부를 수중에 침적하면 용존산소는 박막을 투과하여 전극내의 전해액 중에 확산되고 전극반응을 일으켜 환원되며 확산된 산소량에 따라 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 증폭하여 나타낸 값이 용존산소량이다.
측정오차의 주요원인으로서는 온도, 유속, 기포의 영향이 가장 큰데, 온도 영향은 박막이 산소투과율이 큰 온도계수(약 +3%/O2)를 갖고 있는 것에 의해서 생긴다. 또한 포화 용존산소량도 온도에 의해서 변하는 것도 유의할 필요가 있다.
검수의 유속은 격만전극의 출력전류에 영향을 미치는데 유속이 늦으면 측정치는 적게 되기 때문에 30㎝/sec이상의 유속중에서 측정할 필요가 있으며, 배양액의 흐름이 정지할때는 수중 각반기 등에 의한 부분적인 각반이 필요하게 된다. 기포의 격막으로의 부착은 격막에 있어서 산소투과율에 직접적으로 영향을 주기 때문에 전극부를 침적할때는 경사지게 삽입하여 기포의 부착을 방지하는 등의 배려가 필요하다. 또한 전해질의 교환은 통상 3개월정도로 생각되지만 감도가 떨어지고 스판조정이 불가능하게 되거나 지시가 불안정한 상태로 될 경우에는 반드시 교환해 주어야 한다.

자. 풍속센서

풍속 검출방법은 풍속에 의한 회전차 발전방식이 일반적으로 상용되며 이 방법은 단위시간당 Pulse 계수방식과 회전차 회전속도에 의한 마그네트 발전방식을 사용한다. Pulse 계수방식은 시간계측과 Pulse 계측을 동시에 행하고 풍속으로 환산하여야 하므로 신호처리 회로가 복잡한 문제점이 있다. 마그네트 발전방식은 영구자석의 경시변화에 대한 오차가 발생하지만 아주 미미한 정도이고 A/D변환기에 연결할시 2선만으로 배선되며, 측정범위에 제한 받지 않는다. 그러나 초기 기동토크에 의하여 미소풍속은 작동되지 않을 수도 있다.

그림 10. 풍속센서

차. 풍향센서

일반적으로 사용하는 풍향 검출방식은 Potentio meter방식이지만 이 방식은 회전 저항선의 절연지점에서의 풍향이 측정되지 않는 점과 비선형 출력이 문제시 된다. 다른 방식은 로터리엔코더에 의한 회전각도에 상당하는 Pulse를 카운팅하는 방식이다. 이 방식은 초기 set지점에서 Pulse 0이고 정역 방향회전을 판단하는 회로 및 Pulse를 계수하는 회로가 부가 되어야 하므로 복잡하다.
그외 자계에 응답하는 리드스위치와 저항을 사용하여 저항에 의한 전압 강하를 검출하는 방식의 풍향센서가 있다.

그림 11. 풍속센서

카. 강우(감우)센서

강우센서로는 그릇에 집속되는 량을 임피던스형 수위검출기로 측정하거나 무게계측을 하여 측정하는 방식 및 집속기 밑에 시이소형 물받이 그릇을 설치하여 물받이의 반복 움직임 수를 측정하는 방식이 사용된다. 시설원예에 있어서 강우란 직접 비나 눈을 맞지 않도록 하는 위험경보에 사용되어진다. 따라서 시설원예용 강우센서는 눈이나 비가 오는 것만 감지하면 되므로 보다 간단한 검출용 센서를 사용하여도 된다.

타. 토양수분센서

토양수분을 계측하는 방법에는 시간제어법, 전기저항제어법 및 수분장력 제어법 등이 있다. 시간제어법은 시설내 토양의 용수량을 미리 알고 있을 경우, 상당하는 수분량을 공급할 수 있는 시간을 결정하여 관수자동화를 행하는 경우이며, 간단하고 장치비가 적은 대신에 용수량 산정에 대한 많은 연구와 정밀제어가 어렵다.

그림 12. 강우(감우)센서

그림 13. 토양수분센서

텐시오미터에 의한 수분장력제어법은 저 수분에서 정확하고 소형시설내에서는 가능하지만 대면적의 경우 한곳의 텐시오미터 측정값으로 전체 토양수분의 판정이 곤란하고, 양액재배에서의 인공배지의 경우 텐시오미터의 부압생성이 되지 않으며 전기적으로 신호화하여 컴퓨터로 계측하기가 어렵다. 그외 석고블록을 이용하는 것으로 석고블록은 극판사이의 수분밀도에 따라서 극판사이의 유전율과 전기저항이 변화하게 되는 것을 이용하여 토양수분을 계측하는 방법이 있다.

4. 계측센서의 측정범위 및 정확도

계측센서의 측정범위 및 정확도

측정항목	측정범위	설정값	정확도
온도 습도 탄산가스 양액산도 양액농도 기타	-20~50℃ 10~90% 0~3,000ppm pH 1~11 0~20㎳/㎝ 측정범위	10~30℃ 30~90% 300~2,000ppm pH 5~7 1.5~5.0㎳/㎝ 설정값	±1℃이내 ±3%이내 ±50ppm이내 pH ±0.1이내 ±0.1㎳/㎝이내 ±3%이내

5. 센서의 사용상 주의사항

센서는 일종의 물리기구이므로 그 동작은 확실하다고 확정할 수 없으며, 센서의 성능도 사용하는 방법에 따라 차이를 나타낸다. 따라서 센서의 이용상 기본이 되는 공통적인 주의사항 몇가지를 들고자 한다.
첫째, 필요한 개소에 필요한 종류와 개수만 사용하도록 한다. 정밀한 값을 얻기 위해 무조건 많이 사용하는 것은 비용 문제도 있거니와 한 두개의 센서를 사용했을 때는 고장이 나면 즉시 판단할 수 있으나, 여러개의 센서중 한 두개의 센서가 고장나면 다른 센서의 신호값과 합산 평균되어져 나타나게 되는 경우가 많으므로 정확한 값은 아니지만 어느 정도의 신호값이 계속 오게 되므로 정상 작동하는 것으로 오인하기 쉽다.
둘째, 취급이 쉽고 되도록 단순한 센서를 사용하는 것이 좋다. 센서의 구성이 복잡하지 않고 단순하면 그 만큼 확실한 동작이 기대되고 가벼운 고장이 나더라도 전문가의 손을 빌리지 않아도 수리가 가능하기 때문이다.
셋째, 센서의 설치방법을 충분히 숙지하도록 한다. 센서는 그 성능이 아무리 우수하더라도 그 설치방법이 틀리면 성능을 충분히 발휘할 수 없고 오차의 원인이 되기도 한다. 특히, 출입문 입구, 온풍난방기가 있는곳, 전자파 잡음을 받을 수 있는 곳, 직사광선을 직접 받는 곳은 피하며, 진동가능성이 있는 기계에 센서를 부착할 때는 가늘고 긴 봉 끝에 센서를 부착하지 않도록 한다. 기계의 진동이 센서의 신호에 영향을 주기 때문이다.

 

참 고 문 헌

경상대학교 농과대학. 1994. 시설원예 현대화 하우스 모델설정 및 재배효과에 관한 연구. 농촌진흥청.
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자료:농업기계화연구소