BR102021009521A2 - Sensor de umidade do solo utilizando resistores elétricos preenchido com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore - Google Patents

Abstract

A presente invenção apresenta um sensor de umidade do solo para manejo da irrigação baseado no princípio da resistência elétrica, com o objetivo de facilitar a medição direta da água no solo com resíduos industriais da mineração. Existe vários métodos para estimar a quantidade de água disponível no solo, destacam-se os métodos da resistência elétrica (Boyoucus), da tensiometria, da moderação de nêutrons e da reflectometria no domínio do tempo (TDR), entretanto, são modelos comerciais com custos elevados.
O sensor de umidade proposto tem um apelo ambiental uma vez que utiliza resíduos da mineração que, embora tenha composição diferente do método da resistência elétrica padrão, este permite obter a estabilização das leituras e medir a Condutividade Elétrica com precisão equiparável.

Description

SENSOR DE UMIDADE DO SOLO UTILIZANDO RESISTORES ELÉTRICOS PREENCHIDO COM AREIA FINA E ENCAPSULADO COM GESSO E PÓ DE MÁRMORE 1. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 1.1. CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção trata de um sensor de umidade do solo utilizando resistores elétricos preenchido com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore com aplicação na área de manejo de água e solo, visando estimar a quantidade de água disponível no solo e calcular a necessidades hídricas diárias das plantas.

1.2. DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

[002] Embora a irrigação seja apontada como uma das alternativas para o desenvolvimento socioeconômico das regiões áridas e semiáridas, esta é limitada pela baixa disponibilidade hídrica. Assim, faz-se necessário aumentar a eficiência do uso da água através do planejamento da irrigação, o qual permite saber quanto e quando irrigar, evitando as perdas por escoamento e/ou por percolação, além de melhorar o rendimento das plantas.

[003] Contudo, existe vários métodos para estimar a quantidade de água disponível no solo e calcular a necessidades hídricas diárias das plantas. Dentre eles: os que se baseiam na estimativa da evapotranspiração da cultura ou na medição da variação do status da água no solo. Nesse último destacam-se os métodos da resistência elétrica (Boyoucus), da tensiometria, da moderação de nêutrons e da reflectometria no domínio do tempo (TDR).

[004] Entre os métodos, existem diversos modelos comerciais de sensores de resistência elétrica para determinação da umidade no solo para monitoramento da água de irrigação, tendo como vantagens o baixo custo, a capacidade de operar em uma larga faixa de umidade do solo, a fácil automação de coleta de dados e não necessitarem de ajuste depois de instalado no solo. Todavia, dificilmente se consegue adquirir equipamento de leituras e sensores no mercado brasileiro e, na maioria das vezes, não há vida útil longa e não apresentam boa precisão para tensões mais elevadas (30 a 500 kPa), tendo baixa eficiência para irrigação localizada que normalmente, opera em tensões menores que 30 kPa.

[005] Deste modo, levando-se em conta a necessidade de monitorar a umidade do solo em áreas irrigadas, um sensor de umidade do solo baseado no princípio da resistência elétrica foi desenvolvido, cujo o objetivo é facilitar a medição direta da água no solo com materiais alternativos.

1.3. DESCRIÇÃO DETALHADA DO INVENTO

[006] Com o intuito de solucionar tais problemas desenvolveu-se a presente invenção, foi confeccionado um sensor com telas inox de 30 meches cortadas com 23 mm de altura e de diâmetro 20 mm, compondo os eletrodos dos sensores. Para confeccionar o anel, utilizou-se solda eletrônica para unir as duas extremidades da tela retangular e, também, para unir o fio aos anéis. O fio usado foi de 2 x 0,5 mm2 de 1 m de comprimento para cada sensor com revestimento bicolor, com um fio ligado a cada anel. Utilizou-se resina de poliéster na fabricação da base do sensor, deixando o anel (eletrodo) concêntrico e com a altura (parte externa) de 19 mm e os 4 mm restantes ficando fixo na resina. A união do fio com os anéis de tela ficou dentro da resina, para uniformizar a área externa e mais segurança no manuseio. No processo de montagem do eletrodo foi usado molde para sustentação do anel e, também, uma estrutura de madeira que servia de suporte para aplicara resina.

[007] A invenção poderá ser melhor compreendida através da seguinte descrição detalhada, em consonância com as figuras no apêndice, onde:

[008] A FIGURA 1 representa o molde foi formado por dois canos concêntricos (um dentro do outro), servindo para ajustar o eletrodo no centro da base formada de resina;

[009] A base do sensor foi construída de gesso com abertura correspondendo às dimensões da base de resina desejada. Essa forma foi feita utilizando um bastão com o diâmetro desejado e copos descartáveis como forma, justamente para facilitar a construção do sensor. Neste formato, ocorria a secagem da resina e a fixação dos eletrodos e, a mesma tinham iguais diâmetros da forma externa e de encapsulamento do sensor. Devido ser material poroso, o gesso foi usado como impermeabilizante para evitar a penetração da resina nos poros e facilitar a remoção da forma. O desmolde foi realizado destruindo a forma de gesso.

[009] A FIGURA 2 representa o eletrodo que foi construído com dimensões de 20 x 5 mm, posteriormente, o eletrodo foi identificado, determinando-se a constante de célula por meios da medição da Condutividade Elétrica (CE) utilizando-se condutivímetro de bancada (faixa de medição entre 20 a 2000 dS m-1, com precisão de 1% FS e sem compensação da temperatura).

[010] Para medir essas constantes foram usadas quatro soluções salinas com condutividades elétricas de 1,41; 4,73; 9,20 e 11,91 dS m-1 e esses valores foram empregados para correlacionar as leituras de condutividade elétrica obtidas dos sensores com as leituras reais de condutividade elétrica das quatros soluções salinas.

[011] No processo de encapsulamento, para os materiais interno e externo distintos, inicialmente foi colocado o material interno entre os eletrodos e, em seguida, o espaço poroso do material foi preenchido com uma solução saturada de gesso (CE = 2,20 dS m-1), para facilitar o equilíbrio entre a CE interna e a CE do material de revestimento. Já para o material interno e externos, misturou-se ao gesso em pó, preparou-se a pasta saturada e aplicou-se ao mesmo tempo, preenchendo os eletrodos e o encapsulamento.

[012] Para o revestimento interno e externo, o gesso foi misturado a 30% de um material inerte, areia ou pó de mármore, com finalidade de elevar a porosidade para melhorar a resposta em baixa tensão. O volume de água adicionado foi o do gesso em base volume, com acréscimo em água de metade do volume do material inerte (pó de mármore). O encapsulamento foi feito usando formas de PVC com os diâmetros iguais o da base do eletrodo, e alturas padronizadas de 3,0 cm, ficando o sensor com a altura final de 3,0 cm. Após 10 min, as formas de PVC eram retiradas e os sensores prontos colocados em estufa a 60 °C até a completa secagem. Assim, o sensor foi confeccionado com eletrodo de 20 x 5 mm e preenchido com areia fina e encapsulado com gesso + pó de mármore. O estudo de confiabilidade e precisão do sensor foi realizado no Laboratório de Irrigação e Drenagem da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Para este estudo, foram confeccionados 4 sensores.

[013] A TABELA 1, apresenta os atributos químicos do material de solo utilizado para calibrar os sensores. Para a calibração do sensor encapsulado, após sua montagem, este foi colocado em anéis com 50 mm de diâmetro e 50 mm de altura, e preenchido com solo classificado como Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico argissólico, de textura franca arenosa. Com o sensor instalado no solo, os anéis foram saturados por 24 h e, mediu-se a condutividade elétrica de cada sensor e, em seguida, foram submetidos a diferentes tensões.

[014] A TABELA 2, apresenta os atributos físicos do material de solo utilizado para calibrar os sensores

[015] A FIGURA 3, representa as tensões que o sensor foi submetido foram as seguintes: 2; 4; 5; 10; 20; 40; 60; 80 kPa. As três primeiras em mesa de tensão, que se constitui de funis de inox e material inerte de granulometria areia fina ou silte (pós de mármore). Já, as demais tensões foram usadas as panelas de pressão e placas de Richards, que consiste de placa porosa com uma de suas faces interligada ao ambiente e outra para aplicar tensão (pressão) em kPa no interior da panela retirando a umidade, equivalente ao potencial matricial que o solo e o sensor ficam submetido.

[016] Para avaliar a confiabilidade do sensor, foram realizadas leituras de CE nas diferentes tensões e tratamentos. Os valores de CE foram convertidos em CE relativas medidas quando os mesmos estavam saturados (tensão zero) antes da submissão a dada tensão. Realizou-se uma comparação entre as repetições de cada tratamento e a partir de que tensão houve variação da CE. A substituição da medida da resistência pela medida da CE deveu-se a não estabilização das leituras quando utilizava multímetros de corrente contínua, o que não aconteceu com condutivímetros, mesmo portáteis, que tinham fundo de escala de 20 dS m-1, necessitando apenas fazer uma modificação que consistiu em substituir a célula de carga por duas garras (jacaré) para conectar aos fios dos sensores.

Claims (3)

1. "Sensor de umidade do solo utilizando resistores elétricos preenchido com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore" caracterizado por resistores elétricos preenchidos com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore (1).
2. "Sensor de umidade do solo utilizando resistores elétricos preenchido com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por telas inox de 30 meches cortadas com 23 mm de altura e de diâmetro 20 mm (1) e a base do sensor foi construída de gesso com abertura correspondendo às dimensões da base de resina desejada (2).
3. "Sensor de umidade do solo utilizando resistores elétricos preenchido com areia fina e encapsulado com gesso e pó de mármore" de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por eletrodos que permite a medição da Condutividade Elétrica com confiabilidade de até 96,41%, obtendo melhor desempenho entre a resistência elétrica e a umidade do solo quando comparada com a literatura especializada para os métodos os métodos eletromagnéticos.

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