Um Novo Sensor de Umidade do Solo
Maria Bernadete de M. França1,2, Flavio José de Oliveira Morais1 , José Antonio
Siqueira Dias1
1
Departamento de Microeletrônica – Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação –
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) – Campinas – SP - Brazil
2
Departamento de Engenharia Elétrica – Centro de Tecnologia e Urbanismo –
Universidade Estadual de Londrina (UEL) - Londrina – PR – Brazil
{mbmfranca,flaviojm,siqueira}@demic.fee.unicamp.br
Abstract. To know the soil moisture is important for several areas such as
agronomy, geosciences and building construction. For this purpose, various
sensors have been developed over time. Some more or less suitable for each
area, depending on the characteristics, especially accuracy, sensitivity and the
convenience of installation. In order to develop a soil moisture sensor with
good accuracy, low cost, small and handy, which can be integrated into a
control system of irrigation was proposed design presented here. Sensors
based on the principle of thermal conductivity were implemented and tested.
The results indicate that the technique is promising.
Resumo. Conhecer a umidade do solo é importante para várias áreas como
agronomia, geociências e construção civil. Para tanto, vários sensores foram
desenvolvidos ao longo do tempo. Alguns mais ou menos indicados para cada
área, dependendo das características de cada um, principalmente da sua
exatidão e sensibilidade, além da praticidade de instalação. Com o intuito de
desenvolver um sensor de umidade do solo com boa exatidão, de baixo custo,
pequeno e prático, que possa ser integrado a um sistema de controle de
irrigação, foi proposto o projeto aqui apresentado. Sensores baseados no
princípio da condutividade térmica foram implementados e testados. Os
resultados indicam que a técnica é promissora.
1. Introdução
Um dos itens essenciais na caracterização do solo é sua umidade. Seu conceito está
ligado a relação entre a massa de água presente em um determinado volume e a massa
de partículas sólidas no mesmo volume [DrDTc 1994]. Esta característica do solo é de
vital importância na agricultura, por exemplo, quando há necessidade de irrigação. O
processo de irrigação tem causado danos ao solo com o decorrer do tempo, afetando
inclusive a produtividade. Portanto, deve ser controlado, garantindo que somente a
quantidade necessária de água seja aplicada [Rende e Biage 2002]. Para isto, é
necessário que a umidade do solo seja medida e utilizada no controle do processo de
irrigação.
Existem vários modelos de instrumentos para medição de umidade no solo. O
TDR (Time-Domain Reflectometry) tem extensa aplicação tanto nas ciências naturais
quanto na engenharia. Pode-se citar ainda o sensor HEATER [Ham e Benson 2004], a
sonda de nêutrons [Teixeira 2004], o tensiômetro [Thalheimer 2003] e a sonda
capacitiva ECH2O [Saito et al 2009]. Estes métodos fornecem valores da umidade do
solo, que podem ser usados pelo pessoal técnico na tomada de decisão quanto ao
momento da aplicação da irrigação, ou esta é feita de acordo com observações das
condições climáticas.
Segundo Christofidis (2001), da área irrigada no Brasil, 50% é por inundação,
21% por pivô central, 9% por carretel enrolador, 14% por aspersão convencional e 6%
com irrigação localizada. Os sistemas de irrigação por aspersão aplicam água sobre a
superfície do solo, na forma de chuva artificial. Neste sistema de irrigação obtém-se
elevada uniformidade de distribuição de água, com fácil controle do volume de água
aplicado, talvez por isso ele seja bastante utilizado. Em tempos que a escassez de água
de boa qualidade é uma realidade mundial, torna-se importante os estudos e
desenvolvimentos de sistemas de irrigação automatizados, visando uma maior eficiência
e racionalização no uso da água.
Portanto, é importante que novas tecnologias sejam avaliadas e difundidas,
visando dar suporte às necessidades de uma agricultura cada vez mais competitiva,
sabendo que a água é um dos principais fatores do desenvolvimento das culturas e a
irregularidade do regime pluviométrico, de algumas regiões, pode tornar-se uma
restrição ao desenvolvimento agrícola [Alencar et al 2007].
Em Dias (2012), foi desenvolvido um sensor de alta sensibilidade para medição
de umidade do solo baseado na técnica de transferência de calor utilizando um único
transistor de junção bipolar como elemento aquecedor e sensor. Neste trabalho obtevese resultados de sensibilidade maior que sensores comerciais a pulso de calor de uma e
duas pontas.
Roque et al (2011), apresentou uma nova técnica que possibilita a geração local
de energia elétrica, que pode ser aproveitada como fonte de alimentação para um
circuito eletrônico, a partir da conversão da energia mecânica, obtida de um aspersor,
em energia elétrica. Testes experimentais foram feitos e a ideia foi comprovada através
do fornecimento de tensão elétrica suficiente para polarizar um diodo LED a partir de
um motor DC, interligado ao eixo móvel de um aspersor de irrigação. Pretende-se
implementar junto ao sensor aqui apresentado, um bloco responsável pelo fornecimento
da tensão elétrica aplicada ao mesmo e, a técnica apresentada por Roque et al (2011)
será melhor investigada, podendo ser implementada.
Estes dois últimos trabalhos foram realizados no Departamento de
Microeletrônica da Unicamp e, com o intuito de manter a linha de pesquisa, foi
idealizado o projeto do sensor de umidade no solo apresentado neste artigo.
2. Objetivos
O presente artigo apresenta uma aplicação da conhecida ponte de Wheatstone resistiva
na determinação da umidade do solo, através do princípio da condutividade térmica do
solo. Estes sensores foram elaborados de forma a poderem ser integrados a um sistema
de irrigação microcontrolado, autossuficiente quanto à bateria de alimentação. Sendo
assim, todo o sistema eletrônico deverá ser de baixo consumo, para garantir a eficiência
do sistema completo. A construção dos sensores, assim como alguns resultados, serão
apresentados nas seções 3 e 4.
3. Materiais e Métodos
Para implementar a ponte de Wheatstone foram utilizados quatro resistências iguais de
220 Ω, que inicialmente, é condição necessária para manter a ponte equilibrada, ou seja,
Vo2 – Vo1 = 0. Dois resistores da ponte (Rpp1 e Rpp2) são do tipo SMD, de alto coeficiente
térmico (3.900 ppm/˚C) e os outros, do tipo axial com precisão de 0,1%. A ponte foi
polarizada com uma tensão +V capaz de fornecer uma potência de aproximadamente
100 mW a cada um dos resistores. Quando aplicada essa potência, os resistores de alto
coeficiente térmico variam seus valores iniciais, desbalanceando a ponte, ou seja, Vo2 –
Vo1 ≠ 0. Esse desbalanceamento da ponte, devido a variação da temperatura nos
resistores Rpp1 e Rpp2, é afetado pelo meio onde encontra-se a estrutura. Dessa forma, ela
pode ser utilizada para inferir a umidade no solo, visto que a umidade pode alterar o
comportamento da temperatura nos resistores.
Um sistema de medição foi implementado para fazer as medições do
desbalanceamento da ponte, utilizando dois multímetros com interface GPIB, uma
interface GPIB-USB e um microcomputador. Foi desenvolvido um VI (Virtual
Instrument) com o software LabView®, responsável pela aquisição das tensões lidas
pelos multímetros e armazenamento em arquivos, que podem ser carregados em
planilhas do Microsoft Excel®. A Figura 1 apresenta um diagrama que representa o
sistema de medição descrito.
Figura 1. Diagrama do sistema de medição.
Os resistores Rpp1 e Rpp2 foram montados em uma placa de 1 cm2. Para que essa
estrutura pudesse ser utilizada em ambiente úmido, foi necessário um encapsulamento
capaz de fazer o isolamento elétrico da placa e manter uma boa condutividade térmica.
Para tanto, foi utilizado o epóxi Epotherm 180® da empresa Transene® que reúne as
características necessárias para o projeto. Na Figura 2 são apresentadas fotos da placa
com e sem o encapsulamento epóxi.
Para a montagem do sensor apresentado na Figura 2(b) foram gastos
aproximadamente U$ 5,00 com os quatro resistores, a placa e o epoxi utilizado no
encapsulamento.
Para a validação dos sensores, dez estruturas iguais à mostrada na Figura 2(a)
foram desenvolvidas e posteriormente encapsuladas com epóxi. Todas foram testadas
em exposição ao ar e em algumas amostras de solo com umidades distintas. Serão
apresentados neste trabalho os dados de apenas um dos sensores.
(a)
(b)
Figura 2. Foto do sensor desenvolvido, (a) sem encapsulamento, (b) com
encapsulamento epóxi.
Os testes foram realizados em um intervalo de 30 s, sendo adquirido um total de
36 pontos em cada um. Um intervalo mínimo de 60 min foi considerado entre um ensaio
e o outro para que o equilíbrio térmico inicial fosse garantido antes de iniciar o próximo
ensaio.
4. Resultados e Discussões
O sensor escolhido foi ensaiado quatro vezes em contato com o ar para verificação da
sua repetibilidade e os resultados são apresentados na Figura 3(a). Depois, foram
preparadas quatro amostras de solos deformados com umidades de aproximadamente
40% (solo saturado), 20%, 10% e aproximadamente 5% (solo seco). O sensor foi
disposto na vertical em contato com cada solo e os ensaios de 30s foram realizados. Os
resultados encontram-se nos gráficos apresentados na Figura 3(b).
(a)
(b)
Figure 3. Resultados dos ensaios com o sensor para diversas situações: (a)
Ensaios de repetibilidade do sensor exposto ao ar, (b) Resposta do sensor para
valores diferentes de umidade do solo (>40%, 20%, 10% e <5%).
É importante citar que os valores da umidade das amostras utilizadas nos ensaios
foram determinados através de ensaios gravimétricos. As amostras de solo foram
condicionadas em recipientes de volume aproximado de 100 ml e o sensor foi disposto
em uma profundidade de 7 cm. E ainda, que o tempo de ensaio foi escolhido de forma a
verificar se o mesmo responde rapidamente ao pulso de calor aplicado, podendo ser
estendido para um tempo maior.
Para os quatro ensaios de repetibilidade no ar (Ar1 – Ar4) obteve-se uma média
de 367,8 mV de variação da tensão da ponte. Considerando a maior e a menor variação
encontra-se um erro de 3,8% em relação à média. Isso representa um erro de
aproximadamente 1,4 mV no fundo de escala obtido para o ar. Aplicando esse mesmo
3,8% de erro para o caso do sensor no solo saturado, onde a variação da tensão foi de
77,2 mV, obtém-se um erro de aproximadamente 3 mV no fundo de escala resultante na
saturação. Dessa forma, pode-se dizer que o sensor apresenta uma boa repetibilidade nas
suas respostas, dada a mesma situação de teste.
Quanto aos resultados do sensor para as umidades de solo diferentes, observa-se
que o mesmo apresentou variação compatível com o esperado. Quanto mais seco o solo
maior sua condutividade térmica e, maior será o desbalanceamento da ponte devido à
variação dos valores dos resistores em contato com este solo. É importante também
notar que o resultado apresentado para o ar é maior que o obtido no solo seco, o que é
bastante coerente.
A estrutura de teste apresentada neste trabalho, composta pelos instrumentos de
medição e interface GPIB com o LabView, foi utilizada apenas para fins de validação da
técnica do sensor implementado. Pretende-se desenvolver um circuito que integre o
sensor a uma instrumentação eletrônica adequada, assim como blocos responsáveis pela
aquisição, armazenamento e transferência dos dados via um microcontrolador. Ainda,
um sub-sistema capaz de fornecer toda a potência elétrica necessária ao sistema
completo e com isso, o sistema poderá ser validado em campo.
5. Conclusões
De acordo com os resultados apresentados na seção anterior, verificamos que a estrutura
do sensor utilizando a ponte de Wheatstone, sendo dois dos seus resistores dotados de
um alto coeficiente térmico, montados em placa separada e encapsulados com um
material de boa isolação elétrica e boa condutividade térmica, pode ser utilizada como
um sensor de umidade do solo. Sendo assim, pode-se desenvolver o condicionamento de
sinal da tensão dessa ponte e implementar o sistema de medição completo para integrálo ao controle de um sistema de irrigação. Essa será uma próxima etapa do projeto.
Mais ensaios precisam ser realizados, principalmente em campo, para que o
sensor seja validado em condições normais de uso. Para isso, o sistema de aquisição de
dados deverá está completo.
Referências Bibliográficas
Alencar, C. A. B., Cunha, F. F., Ramos, M. M., Soares, A. A., Pizziolo, T. A. and
Oliveira, R. A. “Análise da Automação de um Sistema de Irrigação Convencional
Fixo por Miniaspersão”, Engenharia na Agricultura, v.15, n.2, 109-118, 2007.
Christofidis, D. “Os recursos hídricos e a prática da irrigação no Brasil e no mundo”,
Irrigação e Tecnologia Moderna, n. 49, p. 8- 13, 2001.
Dias, P. C. “A Novel High Sensitivity Single Probe Heat Pulse Soil Moisture Sensor
Based on a Single npn Bipolar Junction Transistor”, Dissertação de mestrado,
UNICAMP, 2012.
DrDTc, “Coleta de Amostras Deformadas de Solo”, Norma Técnica, MT –
Departamento Nacional de Estradas e Rodagens, 1994.
Ham, J. M. and Benson, E. J., “On the Construction and Calibration of Dual Probe Heat
Capacity Sensors”, Soil Science Society of America Journal, vol. 68, p. 1185 – 1190,
2004.
Rende, A. and Biage, M., “Characterization of Capacitive Sensors for Measurements of
the Moisture in Irrigated Soils”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical
Sciences, vol. 24, n. 3, p. 226-233, 2002.
Roque, W., Spengler, A. W., Morais, F. J. O., Dias, J. A. S. and Ferreira, E. C. “Gerador
de Corrente Contínua Baseado na Conversão de Energia Mecânica de um
Microaspersor para Uso em Agricultura de Precisão”, Anais do XIX Simpósio
Brasileiro de Recursos Hidrícos, 2011, Maceió-AL.
Saito, T., Fujimaki, H., Yasuda, H. and Inoue, M. “Empirical Temperature Calibration of
Capacitance Probes to Measure Soil Water”, Soil Science Society of America
Journal, Vol. 73, No. 6, p. 1931-1937, 2009.
Teixeira, C. R. T. “Desempenho do Tensiometro, TDR e Sonda de Neutrons na
Determinação da Umidade e Condutividade Hidráulica do Solo”, Tese de doutorado,
Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz – ESALQ, 2004.
Thalheimer, M., “Tensiometer Modification for Diminishing Errors Due to the
Fluctuating Inner Water Column”, Soil Science Society of America Journal, vol. 67,
p. 737-739, 2003.