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
Gracias