Juan Manuel Barrios Díaz

Calibración y caracterización de un sensor de bajo costo para estimar la humedad del suelo

29/11/2017

INTRODUCCIÓN

Consideraciones:

El agua se ha convertido en un recurso escaso y esprimordial para la producción de alimentos.

La generación de nuevos métodos para laadministración y cuidado del vital recurso es cada díamás necesaria.

INTODUCCIÓN

La humedad del suelo:

• Determinación

• Monitoreo

• Sensores

• Sistemas electrónicos

INTODUCCIÓN

Informes de la humedad del suelo:

• Eficiencia de riego

• Control de drenaje

• Detectar lixiviación de nutrientes

• Evaluar la demanda de agua de los cultivos

• Efectividad de la lluvia

• Controladores de riego

INTRODUCCIÓN

Ventajas buscadas:

• Bajo costo

• Facilidad para almacenamiento de datos

• Posibilidad de monitoreo contínuo

• Funcionamiento en un amplio rango de tipos de suelos

INTRODUCCIÓN

Factores que influyen en la lectura de los sensores:

• Tipo de suelo

• Contenido de humedad

• Composición química

• Densidad aparente

• Temperatura

• Estratificación del suelo

• La mezcla de diferentes tipos de materiales

• Composición química y concentración de las sales disueltas

OBJETIVO

Evaluar la respuesta a la humedad del suelo por unlote de sensores de bajo costo, marca Grove® modeloSEN92355P.

Materiales y Métodos

La investigación fue desarrollada con una muestra compuesta desuelo proveniente de un invernadero tipo baticenital de 1,500m2, ubicado en la Facultad de Ingeniería Agrohidráulica de laBUAP, campus Teziutlán, Puebla, México (19° 52' 31'' latitudnorte y 97° 22' 02'' longitud oeste, y altitud de 1,675 m).

Materiales y Métodos

La muestra de suelo fue caracterizada físicamente de acuerdoa procedimientos establecidos en la Norma Oficial MexicanaNOM-021-RECNAT-2000 para textura, densidad aparente,conductividad eléctrica y determinación gravimétrica de lahumedad del suelo.

Materiales y Métodos

Clasificación general: Andosol húmicoTextura: Franco arenosaDensidad aparente: 0.8 g cm-3

Conductividad eléctrica: 0.5 dS m-1.

Preparación de las muestras de suelo

1. Muestra:

Secada al aire

Homogeneizada

Tamizada

Preparación de las muestras de suelo

2. Humedecimiento:

Relaciones suelo/agua: 0, 25, 50, 75 y 100 %

Preparación de dos muestras: 10 tratamientos

Reposo por por 24 horas

Repeticiones

Sensores

El lote de 10 sensores fue de la marca Grove® modeloSEN92355P, el cual utiliza nominalmente un voltajede 3.3 a 5.0 V y corriente de 35 mA.

Sensores

Suministro de energía al sensor

• Fuente de alimentación de corriente directa a 3.5 V en una solución de cloruro de potasio 0.1 M.

• Ajuste mediante potenciómetro integrado alcircuito eléctrico.

• Medición del voltaje de salida del sensor fue con un multímetro profesional auto rango STEREN® MUL-285.

Calibración de los sensores

Determinar la relación entre el contenidogravimétrico de humedad y el voltaje de salida queproporciona el sensor, medido con el voltímetro.

Calibración de los sensores

W5W4W3W2W1

V1V2V3V4V5

Contenido gravimétrico de humedad

Donde:

W = Contenido gravimétrico de humedad (%)

PSH = Peso de la muestra de suelo húmedo (g)

PSS = Peso de la muestra de suelo seco (g)

W =PSH-PSS

PSS

æ

èç

ö

ø÷100

Relación entre contenido gravimétrico de humedad (W) y el voltaje de salida (V) del sensor marca Grove modelo

SEN92355P

W = 3.8 V2 + 5.8137 V + 32.485R² = 0.99

0

20

40

60

80

100

120

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Co

nte

nid

o g

ravim

étr

ico

de

hu

me

da

d

(W, %

)

Voltaje de salida del sensor (V)

Calibración de los sensores en un suelo de textura frnaca

W = 2.1094e0.6661V

r² = 0.94

0

5

10

15

20

25

30

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Co

nte

nid

o d

e h

um

ed

ad

(%

)

Voltaje de salida (V)

Caracterización de los sensores

Determinar el coeficiente de variación delvoltaje de salida de un lote de 10 sensorespara verificar su grado de precisión.

Caracterización de los sensores

W3

S1

VS1

S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10

VS2VS3VS4VS5VS6VS7VS8VS9VS10

Coeficiente de variación

Donde:

CV = Coeficiente de variación (%).

σ = Desviación estándar.

= Promedio.

CV =s

X_

æ

è

çç

ö

ø

÷÷100

X_

Coeficiente de variación (%) del Voltaje de salida (V) de un lote de 10 sensores marca Grove® modelo SEN92355P

0.0 0.0

5.6

4.0 4.0

4.7

3.3

1.3

2.7

1.4

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

32.5 32.5 71.2 76.9 79.3 79.8 88.3 93.0 97.7 104.3

Co

efi

cie

nte

de

va

ria

ció

n (

%)

Vo

ltaje

de

sa

lid

a (

V)

Contenido gravimétrico de humedad (%)

Voltaje de salida (V) Coeficiente de Variación (%)

Conclusiones

La respuesta de los sensores marca Grove® modeloSEN92355P es aceptable para monitorear la variacióndel contenido de humedad en un suelo andosolhúmico debido a que el coeficiente de variación delvoltaje de salida promedio fue de 2.4 %, consideradocomo muy adecuado para realizar medicionescontinuas que posibilitan el monitoreo en tiemporeal y la automatización del riego de cultivos eninvernadero.

Esquema general del sistema electrónico demonitoreo de la humedad del suelo.

a) b) c)

Juan Manuel Barrios Díaz

Facultad de Ingeniería AgrohidráulicaBenemérita Universidad Autónoma de Puebla

jbarriosdia@hotmail.com

Gracias