Um Novo Sensor de Umidade do Solo

Maria Bernadete de M. França1,2, Flavio José de Oliveira Morais1 , José Antonio Siqueira Dias1

1Departamento de Microeletrônica – Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação – Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) – Campinas – SP - Brazil

2Departamento 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 obteve-se 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 integrá-lo 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.

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