BR102020024523A2 - SOIL MOISTURE SENSOR - Google Patents
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Abstract
sensor de umidade do solo. a presente invenção se insere no campo da eletroquímica com aplicação na área de ciências do solo e descreve um sensor resistivo usado para medir a umidade do solo. neste sentido, os objetivos da invenção são alcançados por meio de um sensor de umidade do solo caracterizado por compreender: uma haste (1) com duas extremidades condutoras, sendo a haste (1) feita a partir de uma chapa de material isolante elétrico (3) com uma camada de grafite (2) disposta sobre a mesma e um furo posicionado no topo da haste para conectar um fio de material condutor (4) à camada de grafite (2) da haste (1).soil moisture sensor. the present invention is part of the field of electrochemistry with application in the field of soil science and describes a resistive sensor used to measure soil moisture. in this sense, the objectives of the invention are achieved by means of a soil moisture sensor characterized by comprising: a rod (1) with two conductive ends, the rod (1) being made from a sheet of electrical insulating material (3 ) with a layer of graphite (2) disposed thereon and a hole positioned at the top of the rod for connecting a wire of conductive material (4) to the layer of graphite (2) of the rod (1).
Description
[1] A presente invenção se refere a um sensor resistivo usado para medir a umidade do solo com aplicações desde prevenção de catástrofes, como rompimento de barreiras, até aplicações em sistemas de irrigação.[1] The present invention refers to a resistive sensor used to measure soil moisture with applications ranging from disaster prevention, such as breaking barriers, to applications in irrigation systems.
[2] A presente invenção se insere no campo da eletroquímica com aplicação na área de ciências do solo.[2] The present invention is part of the field of electrochemistry with application in the field of soil science.
[3] Segundo dados de 2015 da FAO 2015, a escassez hídrica levará à redução da produção e rendimento agrícola e, investimentos em tecnologias como a desse sensor podem mitigar os impactos da crescente escassez de água. Dados de 2014 da ANA mostram redução nas taxas pluviométricas em algumas regiões desde 2012, chegando a comprometer a oferta de água para abastecimento humano. A irrigação é a principal atividade consumidora de água no Brasil, responsável por 68% do consumo de água potável (ANA, 2019). Além disso também existe um problema econômico, que é a outorga do direito de uso de água. O controle da quantidade de água utilizada em irrigação também pode gerar economia, principalmente aos pequenos produtores que não dispõe de recursos para aquisição de equipamentos mais sofisticados.[3] According to 2015 data from FAO 2015, water scarcity will lead to reduced agricultural production and income, and investments in technologies such as this sensor can mitigate the impacts of growing water scarcity. 2014 data from ANA show a reduction in rainfall in some regions since 2012, compromising the supply of water for human supply. Irrigation is the main water-consuming activity in Brazil, accounting for 68% of drinking water consumption (ANA, 2019). In addition, there is also an economic problem, which is the granting of the right to use water. Controlling the amount of water used in irrigation can also generate savings, especially for small producers who do not have the resources to purchase more sophisticated equipment.
[4] Atualmente existe uma grande variedade de sensores utilizados para medir a umidade do solo. Os principais tipos são os resistivos, capacitivos e por indução. Para que um sensor de umidade possa ser considerado como sendo de boa qualidade, ele deve preencher certos requisitos, como por exemplo: ter uma longa vida útil, boa sensibilidade e resposta rápida.[4] Currently, there is a wide variety of sensors used to measure soil moisture. The main types are resistive, capacitive and induction. In order for a humidity sensor to be considered of good quality, it must fulfill certain requirements, such as having a long service life, good sensitivity and fast response.
[5] Um dos principais problemas encontrados no desenvolvimento de sensores de umidade está relacionado à vida útil destes sensores. Isso porque os sensores de umidade funcionam com base em um sinal analógico fornecido por um circuito ligado a chapas de um material condutor (geralmente metálico). A umidade do solo é medida justamente por meio da resistência entre as chapas, entretanto, a corrente elétrica que percorre as chapas acaba resultando em um processo de eletrólise que culmina na corrosão das chapas e na consequente perda de material e área de contato com o solo.[5] One of the main problems encountered in the development of humidity sensors is related to the useful life of these sensors. This is because humidity sensors work based on an analog signal provided by a circuit connected to plates of a conductive material (usually metallic). Soil moisture is measured precisely through the resistance between the sheets, however, the electric current that runs through the sheets ends up resulting in an electrolysis process that culminates in the corrosion of the sheets and the consequent loss of material and area of contact with the ground. .
[6] Os sensores de umidade de baixo custo, devido ao processo de desgaste mencionado anteriormente, acabam funcionando por períodos inferiores a 20 dias, a depender da aplicação.[6] Low-cost humidity sensors, due to the aforementioned wear process, end up working for periods of less than 20 days, depending on the application.
[7] Tendo isto em vista, a presente invenção apresenta uma solução para aumentar a vida útil dos sensores de umidade, através do desenvolvimento e avaliação de sensores não metálicos a base de grafite condutor de alta performance, que possibilitem a realização das medidas necessárias durante longos intervalos de tempo.[7] With this in mind, the present invention presents a solution to increase the useful life of humidity sensors, through the development and evaluation of non-metallic sensors based on high performance conductive graphite, which allow the performance of the necessary measurements during long time intervals.
[8] Um documento que descreve matéria relacionada a tal tecnologia é o documento Li, Fu Sheng, et al. "Research of Sensing Probe Material in Wet and Dry Soil." Advanced Materials Research, vol. 807-809, Trans Tech Publications, Ltd., Sept. 2013, pp. 1715-1718, Crowdsourced determination of movable device location, que apresenta uma análise das propriedades condutoras de uma sonda (haste condutora) de solo úmido e seco em diferentes estruturas sob diferentes condições de umidade. Porém, o documento utiliza um material contínuo de grafite em concentrações diferentes, o que acarreta pouca capacidade de diferenciar solo seco de úmido.[8] A document that describes matter related to such technology is the document Li, Fu Sheng, et al. "Research of Sensing Probe Material in Wet and Dry Soil." Advanced Materials Research, vol. 807-809, Trans Tech Publications, Ltd., Sept. 2013, p. 1715-1718, Crowdsourced determination of movable device location, which presents an analysis of the conductive properties of a probe (conducting rod) of wet and dry soil in different structures under different humidity conditions. However, the document uses a continuous material of graphite in different concentrations, which leads to little ability to differentiate dry from wet soil.
[9] O documento Fiedler, Sabine et al. "Soil Redox Potential: Importance, Field Measurements, And Observations" Advances in Agronomy, Volume 94 Copyright 2007, Elsevier Inc. descreve matéria relacionada a potencial de redução do solo. Mais especificamente, em como as medidas obtidas são relacionadas como registros de voltagem obtidos ao longo do tempo a partir de um sistema de eletrodos inseridos no solo. Contudo, este documento utiliza um sistema com eletrodos montados de forma a oxidar o carbono com finalidade de medir potencial redox do solo.[9] The Fiedler, Sabine et al. "Soil Redox Potential: Importance, Field Measurements, And Observations" Advances in Agronomy, Volume 94 Copyright 2007, Elsevier Inc. describes matter related to soil reduction potential. More specifically, how the measurements obtained are related to voltage records obtained over time from a system of electrodes inserted into the soil. However, this document uses a system with electrodes mounted to oxidize carbon in order to measure soil redox potential.
[10] A presente invenção se refere a um sensor resistivo usado para medir a umidade do solo com aplicações desde prevenção de catástrofes, como rompimento de barreiras, até aplicações em sistemas de irrigação e compreende: uma haste com duas extremidades condutoras, sendo a haste feita a partir de uma chapa de material isolante elétrico com uma camada de grafite disposta sobre a mesma e um furo posicionado no topo da haste para conectar um fio de material condutor à camada de grafite da haste.[10] The present invention refers to a resistive sensor used to measure soil moisture with applications from disaster prevention, such as breaking barriers, to applications in irrigation systems, and comprises: a rod with two conductive ends, the rod being made from a sheet of electrically insulating material with a layer of graphite disposed thereon and a hole positioned at the top of the rod for connecting a wire of conductive material to the graphite layer of the rod.
[11] O material isolante elétrico da chapa pode ser selecionado entre: acrílico, fenolite, vidro ou cerâmica.[11] The electrical insulating material of the sheet can be selected from: acrylic, phenolite, glass or ceramic.
[12] A Figura 1A apresenta um esquema da haste condutora do sensor de umidade à base de grafite, de acordo com uma construção preferencial da presente invenção.[12] Figure 1A shows a schematic of the lead rod of the graphite-based moisture sensor, according to a preferred construction of the present invention.
[13] A Figura 1B mostra uma fotografia da haste condutora do sensor de umidade à base de grafite, de acordo com uma construção preferencial da presente invenção.[13] Figure 1B shows a photograph of the lead rod of the graphite-based moisture sensor, according to a preferred construction of the present invention.
[14] A Figura 1C mostra uma região de ligação entre o fio de material condutor e a camada de grafite da haste, de acordo com uma construção preferencial da presente invenção.[14] Figure 1C shows a connection region between the wire of conductive material and the graphite layer of the rod, according to a preferred construction of the present invention.
[15] A Figura 2 apresenta um esquema simplificado de circuito montado para monitoramento do sensor, de acordo com uma configuração da presente invenção.[15] Figure 2 presents a simplified circuit diagram assembled for monitoring the sensor, according to a configuration of the present invention.
[16] A Figura 3 mostra um esquema de circuito elétrico desenvolvido para avaliação dos sensores, de acordo com um exemplo de aplicação da presente invenção.[16] Figure 3 shows an electrical circuit diagram developed for the evaluation of sensors, according to an example of application of the present invention.
[17] A Figura 4 mostra um conjunto de gráficos que representam os dados recebidos de um experimento desenvolvido de acordo com um exemplo de aplicação da presente invenção.[17] Figure 4 shows a set of graphs that represent the data received from an experiment developed according to an example application of the present invention.
[18] A Figura 5 apresenta um gráfico comparativo entre a umidade teórica e a umidade lida pelos sensores de grafite, de acordo com um exemplo de aplicação da presente invenção.[18] Figure 5 presents a comparative graph between the theoretical humidity and the humidity read by the graphite sensors, according to an example of application of the present invention.
[19] A Figura 6 apresenta um gráfico com a leitura dos dados dos sensores de grafite, de acordo com um exemplo de aplicação da presente invenção.[19] Figure 6 presents a graph with the reading of data from graphite sensors, according to an example of application of the present invention.
[20] A presente invenção se insere na área de eletroquímica e descreve um sensor resistivo usado para medir a umidade do solo.[20] The present invention falls within the field of electrochemistry and describes a resistive sensor used to measure soil moisture.
[21] A presente invenção descreve um sensor ambiental a base de material condutor não-metálico de alta performance, compreendendo: uma haste (1) com duas extremidades condutoras, sendo a haste (1) feita a partir de uma chapa de material isolante elétrico (3) com uma camada de grafite (2)disposta sobre a mesma e um furo posicionado no topo da haste para conectar um fio de material condutor (4) à camada de grafite (2) da haste (1).[21] The present invention describes an environmental sensor based on high performance non-metallic conductive material, comprising: a rod (1) with two conductive ends, the rod (1) being made from a sheet of electrical insulating material (3) with a layer of graphite (2) disposed thereon and a hole positioned at the top of the rod for connecting a wire of conductive material (4) to the layer of graphite (2) of the rod (1).
[22] A fabricação das hastes condutoras que serão utilizadas para projetar sensores de umidade do solo pode ser realizada através do emprego de diversos materiais metálicos e não-metálicos. Em um exemplo específico, preferencialmente um grafite condutor de alta performance é utilizado, podendo ser ainda utilizado grafeno, ouro, platina, aço inox, dentre outros materiais condutores. O processo de aplicação desse material para a fabricação dos sensores pode ser feita de forma manual em chapas de material não-condutor (ou isolante elétrico), como por exemplo acrílico, fenolite, vidro, cerâmica, etc., de modo que o grafite (2) se funde ao isolante elétrico 3 deixando uma fina camada de grafite (2) disposta sobre o mesmo.[22] The fabrication of the conductive rods that will be used to design soil moisture sensors can be carried out through the use of various metallic and non-metallic materials. In a specific example, preferably a high performance conductive graphite is used, and graphene, gold, platinum, stainless steel, among other conductive materials, can also be used. The process of applying this material for the manufacture of sensors can be done manually on sheets of non-conductive (or electrically insulating) material, such as acrylic, phenolite, glass, ceramics, etc., so that graphite ( 2) merges with the
[23] Em seguida, as chapas são levadas a uma máquina de usinagem onde são cortadas preferencialmente no formato de uma haste com duas extremidades condutoras, conforme apresentado na Figura 1B.[23] Next, the sheets are taken to a machining machine where they are preferably cut in the shape of a rod with two conductive ends, as shown in Figure 1B.
[24] Como pode ser visto na Figura 1A, a haste com duas extremidades condutoras (1) do sensor possui uma camada de grafite (2) disposta sobre a chapa de acrílico (3).[24] As can be seen in Figure 1A, the rod with two conductive ends (1) of the sensor has a graphite layer (2) arranged on the acrylic sheet (3).
[25] Em uma concretização preferencial, um furo é feito no topo da haste para conectar um fio de cobre (4) à camada superficial de grafite (2), impedindo que a água entre em contato com o metal condutor do fio (4) e evite, assim, a corrosão. Esta maneira de conexão preferencial é demonstrada na Figura 1C.[25] In a preferred embodiment, a hole is drilled at the top of the rod to connect a copper wire (4) to the surface layer of graphite (2), preventing water from coming into contact with the conductive metal of the wire (4) and thus prevent corrosion. This preferred connection way is demonstrated in Figure 1C.
[26] Na modalidade construtiva, o monitoramento dos sensores é feito por meio de um circuito de monitoramento que compreende um micro controlador (5), preferencialmente um micro controlador Arduino, que propicie a criação de um ambiente de desenvolvimento de objetos interativos utilizando o conceito de IoT para coleta e acompanhamento de dados, uma matriz de contato ("protoboard"), um módulo de Relógio de Tempo Real (RTC) e um ou mais resistores R de até 10 kΩ.[26] In the constructive mode, the monitoring of the sensors is done through a monitoring circuit that comprises a micro controller (5), preferably an Arduino micro controller, which provides the creation of an environment for the development of interactive objects using the concept for data collection and tracking, a contact matrix ("breadboard"), a Real Time Clock (RTC) module and one or more resistors R up to 10 kΩ.
[27] Como pode ser visto na Figura 2, um exemplo de esquema elétrico de circuito de monitoramento produzido de acordo com o acima descrito é apresentado. Neste exemplo, uma porta analógica A do micro controlador (5) é usada para medir a tensão do sensor de umidade, e um resistor R, conecta uma das extremidades condutoras da haste (1) a um ponto do micro controlador 5 com tensão V1. É utilizada uma tensão de 5V por conta do Arduino, mas a rigor não há limitação na tensão e teoricamente pode ser empregado tanto tensão DC ou AC, enquanto que a outra das extremidades condutoras da haste (1) é conectada do terra.[27] As can be seen in Figure 2, an example of an electrical schematic of a monitoring circuit produced according to the above is presented. In this example, an analog port A of the microcontroller (5) is used to measure the voltage of the humidity sensor, and a resistor R, connects one of the conducting ends of the rod (1) to a point of the
[28] O princípio de funcionamento dos sensores de umidade resistivos da presente invenção baseia-se na aplicação de uma diferença de potencial (tensão) entre as duas extremidades condutoras (1) que foram cravadas no solo. Deste modo, a porção de solo úmido existente entre as duas extremidades condutoras (1) fornece um valor de resistência elétrica que varia de acordo com o volume de água ali contido.[28] The operating principle of the resistive humidity sensors of the present invention is based on the application of a potential difference (voltage) between the two conductive ends (1) that were embedded in the ground. In this way, the portion of wet soil existing between the two conductive ends (1) provides an electrical resistance value that varies according to the volume of water contained therein.
[29] Neste sentido, em uma configuração preferencial da presente invenção, por meio de um conversor analógico-digital (ADC) compreendido no circuito de monitoramento, a resistência do solo é convertida em sinal analógico, onde 0 representa um circuito aberto e 1023 um curto circuito. A fórmula utilizada para a conversão é:onde:
Sa = sinal analógico
Rs = resistência do solo, em kΩ
R = resistência do circuito, em kΩ[29] In this sense, in a preferred configuration of the present invention, by means of an analog-to-digital converter (ADC) included in the monitoring circuit, the ground resistance is converted into an analog signal, where 0 represents an open circuit and 1023 an analog signal. short circuit. The formula used for the conversion is: Where:
Sa = analog signal
Rs = ground resistance, in kΩ
R = circuit resistance, in kΩ
[30] Preferencialmente, os valores máximos de sinal analógico obtidos durante um determinado intervalo de tempo podem ser comparados a dados experimentais ou teóricos para que seja definido um valor limite de umidade.[30] Preferably, the maximum analog signal values obtained during a given time interval can be compared to experimental or theoretical data in order to define a threshold humidity value.
[31] Em uma modalidade preferencial, a porcentagem de umidade do solo pode ser calculada por meio da seguinte fórmula:onde:
P = massa total do solo úmido, em gramas
Ps = massa do solo seco, em gramas
Pa = massa de água, em gramas
h = umidade do solo[31] In a preferred embodiment, the percentage of soil moisture can be calculated using the following formula: Where:
P = total mass of wet soil, in grams
Ps = dry soil mass, in grams
Pa = mass of water, in grams
h = soil moisture
[32] Deste modo, na configuração exemplificativa acima, é estabelecida uma base de comparação dos dados lidos a partir do sensor de umidade a base de grafite com os dados de umidade fornecidos a partir da massa do conjunto. Usando os valores máximos de sinal analógico detectado ao longo do tempo Vs, ou seja, os valores máximos de condutividade, calcula-se nestes pontos, a partir da Equação 2 , um valor de umidade do solo mínima Um a ser considerado como um parâmetro para solo saturado de água.[32] In this way, in the example configuration above, a basis for comparing the data read from the graphite-based moisture sensor with the moisture data provided from the mass of the set is established. Using the maximum values of analog signal detected over time Vs, that is, the maximum values of conductivity, it is calculated at these points, from
[33] Por fim, com os dados obtidos conforme a configuração acima, o sinal analógico lido a partir do circuito de monitoramento (5) do sensor de grafite pode ser convertido em valores de porcentagem de umidade do solo pela equação a seguir:onde:
Us = Umidade do solo, em porcentagem
Vs = valor máximo de sinal analógico detectado, em bits
Um = valor de umidade do solo mínima para solo saturado de água, em porcentagem[33] Finally, with the data obtained according to the configuration above, the analog signal read from the graphite sensor monitoring circuit (5) can be converted into soil moisture percentage values by the following equation: Where:
Us = Soil moisture, in percentage
Vs = maximum detected analog signal value, in bits
Um = minimum soil moisture value for water saturated soil, in percentage
[34] Em outra configuração preferencial da presente invenção, a resistência do solo medida pode ser utilizada para fornecer um potencial hídrico do solo.[34] In another preferred embodiment of the present invention, the measured soil strength can be used to provide a soil water potential.
[35] Testes experimentais para simular o uso dos sensores de grafite em situações reais de solo úmido e seco foram realizados conforme procedimento abaixo.[35] Experimental tests to simulate the use of graphite sensors in real wet and dry soil situations were performed according to the procedure below.
[36] O sensor utilizado possui uma camada de grafite depositada sobre uma chapa de acrílico e, no topo, um furo que conecta um fio de cobre à camada superficial de grafite.[36] The sensor used has a layer of graphite deposited on an acrylic sheet and, on top, a hole that connects a copper wire to the surface layer of graphite.
[37] O circuito utilizado para fazer o monitoramento dos sensores pode ser visto na Figura 3.[37] The circuit used to monitor the sensors can be seen in Figure 3.
[38] Este circuito possui um micro controlador Arduino, uma protoboard, um conjunto de relés e resistores.[38] This circuit has an Arduino microcontroller, a breadboard, a set of relays and resistors.
[39] Nos testes, os relés foram utilizados para evitar a geração de um campo elétrico que pudesse influenciar a medição dos sensores colocados próximos uns dos outros, de forma que quando um sensor mandasse os dados, os demais estariam desligados.[39] In the tests, the relays were used to avoid the generation of an electric field that could influence the measurement of sensors placed next to each other, so that when one sensor sent the data, the others would be turned off.
[40] Ademais, também foram utilizados para os testes experimentais uma balança digital para medir a massa do conjunto água + solo e um desumidificador para acelerar o processo de evaporação da água do solo.[40] In addition, a digital balance was also used for the experimental tests to measure the mass of the water + soil set and a dehumidifier to accelerate the process of evaporation of water from the soil.
[41] O experimento foi isolado do meio externo através de uma caixa de vidro vedada com plástico e durex.[41] The experiment was isolated from the external environment through a glass box sealed with plastic and tape.
[42] Ao longo de 50 dias, 3 sensores à base de grafite e 1 sensor comercial, que possui duas trilhas de cobre com uma fina camada de estanho por cima e uma camada de fenolite por baixo, foram expostos à uma mistura de 268 gramas de solo e 430 ml de água da torneira. Após 29 dias o conjunto foi reabastecido com 300 ml de água.[42] Over 50 days, 3 graphite-based sensors and 1 commercial sensor, which has two copper tracks with a thin layer of tin on top and a layer of phenolite on the bottom, were exposed to a mixture of 268 grams. of soil and 430 ml of tap water. After 29 days the set was replenished with 300 ml of water.
[43] Os dados recebidos ao longo de 50 dias podem ser observados na Figura 4.[43] The data received over 50 days can be seen in Figure 4.
[44] A balança digital foi tarada com a massa do conjunto experimental supracitado, de modo que, conforme a água evapora do sistema, a massa ao longo do tempo é dada de forma negativa.[44] The digital balance was tared with the mass of the aforementioned experimental set, so that, as water evaporates from the system, the mass over time is given in a negative way.
[45] O sinal analógico demonstrado nos gráficos da Figura 4 e recebido pelos sensores no experimento representa de maneira direta a variação da resistência do solo úmido pelo tempo, sendo que o sinal analógico relacionando a resistência do circuito com a resistência do solo pode ser calculado conforme a Equação 1 descrita anteriormente.[45] The analog signal shown in the graphs of Figure 4 and received by the sensors in the experiment directly represents the variation of the wet soil resistance over time, and the analog signal relating the circuit resistance to the soil resistance can be calculated according to
[46] A seguir é calculada a porcentagem da umidade do solo com a massa de água e a massa do solo seco através da Equação 2, a fim de utilizar o gráfico da massa do conjunto da Figura 4 como referência para umidade real do solo. Assim, obtém-se uma base comparativa dos dados lidos a partir dos sensores de grafite com os dados reais de umidade fornecidos pela massa do conjunto.[46] Next, the percentage of soil moisture is calculated with the mass of water and the mass of dry soil through
[47] A partir dos dados de sinal analógico coletados nos gráficos da Figura 4 e do emprego da Equação 2, os valores máximos de condutividade Vs para cada sensor podem ser obtidos e relacionados com uma umidade de solo mínima Um para que esse valor máximo de condutividade, que representa solo saturado de água, seja alcançado.[47] From the analog signal data collected in the graphs of Figure 4 and using
[48] A Tabela 1 correlaciona esses valores para os sensores de grafite da seguinte forma: [48] Table 1 correlates these values for graphite sensors as follows:
[49] Sendo assim, é possível calcular o valor de porcentagem de umidade do solo Us para cada ponto de leitura de sinal analógico ao longo do tempo pelos sensores de grafite com a Equação 3 acima.[49] Therefore, it is possible to calculate the percentage value of soil moisture Us for each analog signal reading point over time by the graphite sensors with
[50] A Figura 5 mostra um gráfico que compara a umidade teórica e a umidade lida pelo sensor de grafite (2) ao longo de um período de 29 dias, descartando o período onde houve perda de dados.[50] Figure 5 shows a graph that compares the theoretical humidity and the humidity read by the graphite sensor (2) over a period of 29 days, discarding the period where there was data loss.
[51] O trecho inicial do gráfico da Figura 5 mostra um trecho onde a curva teórica (umidade teórica) e a curva do sensor de grafite (umidade sensorial) não coincidem, o que se deve ao fato do sensor de grafite atingir seu valor máximo de condutividade, ou seja, a partir de determinado ponto a quantidade de água no solo não interfere mais na leitura do sensor. É demonstrado ainda que, após a umidade teórica atingir o ponto dos 116% de umidade (valor calculado na tabela 1 para o sensor 2) e começar a baixar, as curvas passam a apresentar um padrão de comportamento com alto grau de correspondência.[51] The initial section of the graph in Figure 5 shows a section where the theoretical curve (theoretical humidity) and the graphite sensor curve (sensory humidity) do not match, which is due to the fact that the graphite sensor reaches its maximum value of conductivity, that is, from a certain point the amount of water in the soil no longer interferes with the sensor reading. It is also demonstrated that, after the theoretical humidity reaches the point of 116% humidity (value calculated in table 1 for sensor 2) and starts to decrease, the curves start to present a behavior pattern with a high degree of correspondence.
[52] Portanto, os resultados obtidos pelos sensores de grafite demonstram que tais sensores representam um avanço tecnológico e podem ser ótimos substitutos a sensores comerciais, uma vez que conferem maior duração ao equipamento e resistência ao processo de corrosão que atinge os sensores usuais, bem como uma alta precisão na medição de umidade como visto no gráfico da Figura 5.[52] Therefore, the results obtained by graphite sensors demonstrate that such sensors represent a technological advance and can be great substitutes for commercial sensors, since they provide longer duration to the equipment and resistance to the corrosion process that affects the usual sensors, as well as as a high accuracy in moisture measurement as seen in the graph of Figure 5.
[53] Neste exemplo foram testados e comparados dois tipos de sensores: o sensor de grafite e um sensor comercial do tipo 2.[53] In this example, two types of sensors were tested and compared: the graphite sensor and a
[54] O sensor comercial de tipo 2 é um Watermark 200 SS, que possui dois anéis de eletrodos concêntricos e uma camada de gesso para estabilização contra mudanças de salinidade disposta entre os anéis.[54] The
[55] O experimento foi conduzido utilizando-se de 15 amostras de ambos os tipos de sensores depositadas em vasos de plantas em ambiente controlado, onde a cada 2 dias o solo era irrigado.[55] The experiment was conducted using 15 samples of both types of sensors deposited in potted plants in a controlled environment, where the soil was irrigated every 2 days.
[56] Os sensores de grafite deste experimento não possuem leitor manual como o do sensor comercial de tipo 2 e, portanto, seus dados são tratados a partir de um circuito como o demonstrado na Figura 2, com um micro controlador Arduino, uma protoboard, um módulo RTC e resistores de 10 kΩ. Em outros testes estes sensores são compatíveis com os leitores da Watermark, ou seja, funcionam em equipamento que já existe no mercado e dependendo da aplicação, não precisariam de equipamento próprio.[56] The graphite sensors in this experiment do not have a manual reader like the
[57] Os dados dos sensores de grafite foram coletados em intervalos de 1 minuto e armazenados em um micro cartão SD, enquanto que as leituras do sensor comercial de tipo 2 foram coletadas manualmente em um intervalo de tempo de dois dias com o próprio leitor do equipamento, antes e depois da irrigação do solo.[57] Data from the graphite sensors were collected at 1 minute intervals and stored on a micro SD card, while the
[58] Ambos os sensores apresentam o mesmo princípio de funcionamento, diferindo entre si apenas com relação a informação fornecida pelos mesmos por meio da resistência entre os eletrodos. Para o sensor de grafite, um conversor analógico-digital (ADC) presente no circuito projetado é o responsável por converter a resistência em bits de sinal analógico de acordo com a equação 1 demonstrada anteriormente. Já no sensor comercial de tipo 2, a resistência é utilizada para fornecer o potencial hídrico do solo medido em kPa.[58] Both sensors have the same working principle, differing only in relation to the information provided by them through the resistance between the electrodes. For the graphite sensor, an analog-to-digital converter (ADC) present in the designed circuit is responsible for converting the resistance into analog signal bits according to
[59] A Figura 6 mostra os dados coletados dos sensores de grafite ao longo de 6 dias com intervalos de reposição de água.[59] Figure 6 shows data collected from graphite sensors over 6 days with water replenishment intervals.
[60] Os picos de leitura verificados na Figura 6 acontecem nos dias de reposição de água, sendo os momentos onde o solo apresenta a maior umidade e, por consequência, maior propensão a conduzir corrente elétrica. Outros picos de condutividade fora dos períodos de reposição de água podem ser associados à elevação da umidade no local nesses horários.[60] The reading peaks verified in Figure 6 occur on the days of water replacement, being the moments when the soil presents the highest humidity and, consequently, the greatest propensity to conduct electric current. Other conductivity peaks outside of water replenishment periods may be associated with rising humidity at the site at these times.
[61] Os dados dos sensores comerciais foram coletados pelo próprio equipamento do produto. A título de comparação, foi utilizado o mesmo equipamento para coletar os dados dos sensores de grafite, uma vez que eles possuem o mesmo princípio de funcionamento. Os resultados comparativos para os valores de potencial hídrico do solo, em kPa, medidos com o leitor do sensor comercial do tipo 2 podem ser visualizados na tabela 2 abaixo: [61] Data from commercial sensors was collected by the product's own equipment. By way of comparison, the same equipment was used to collect data from the graphite sensors, since they have the same working principle. The comparative results for the soil water potential values, in kPa, measured with the
[62] Conforme demonstrado na Tabela 2, o sensor comercial de tipo 2 não capta variações no período de 2 dias sem irrigação do solo, enquanto o sensor de grafite se mostra capaz de ser sensível a esse intervalo de irrigação, possuindo uma variação média de 5 kPa no período sem reposição de água.[62] As shown in Table 2, the
Claims (2)
uma haste (1) com duas extremidades condutoras, sendo a haste (1) feita a partir de uma chapa de material isolante elétrico (3) com uma camada de grafite (2) disposta sobre a mesma e um furo posicionado no topo da haste para conectar um fio de material condutor (4) à camada de grafite (2) da haste (1).Soil moisture sensor characterized by comprising:
a rod (1) with two conductive ends, the rod (1) being made from a sheet of electrically insulating material (3) with a layer of graphite (2) disposed thereon and a hole positioned at the top of the rod for connect a wire of conductive material (4) to the graphite layer (2) of the rod (1).
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