BR112020022876B1 - Dispositivos e métodos para análise de solo in situ - Google Patents
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Abstract
A invenção se refere ao campo da análise de solo, em particular, à análise técnica de solos agrícolas ou hortícolas. Em particular, a invenção se refere a um dispositivo de sensor para análise de solo in situ, a um método para análise de solo in situ e a um dispositivo configurado para realizar o método de análise de solo, em que o dito dispositivo, em conjunto e em interação com um ou mais dos ditos dispositivos de sensor, representa um sistema para análise de solo in situ. O dispositivo de sensor tem um conjunto de sensor que compreende um ou mais sensores que são configurados individualmente ou cumulativamente para a medição in situ simultânea de pelo menos duas das seguintes propriedades de solo de um solo a ser analisado e para fornecer os respectivos dados de medição correspondentes: (a) espectro de impedância, (b) temperatura, (c) espectro de absorção NIR- VIS-UV em uma faixa espectral de NIR (faixa espectral infravermelha próxima) a UV (faixa espectral ultravioleta), e (d) caráter ácido ou básico, em particular o valor de pH. Nesse caso, a distância entre em cada caso dos dois dos sensores do conjunto de sensor, que é definida em relação aos (...).
Description
[0001] A presente invenção refere-se ao campo da análise de solos, em particular - mas sem isso ser uma limitação - à análise técnica de solos usados para fins agrícolas ou hortícolas. Em particular, a invenção se refere a um dispositivo de sensor para análise de solo in situ, um método para análise de solo in situ e um dispositivo que é disposto para realizar o método de análise de solo, pelo qual este dispositivo, em conjunto e em cooperação com um ou mais dos ditos dispositivos de sensor constituem um sistema para análise de solo in situ.
[0002] No campo da análise de solos, utilizam-se principalmente os métodos de análise laboratorial, que se baseiam na recolha de uma ou mais amostras de um solo a analisar, transportando-as para um laboratório adequado onde são processadas e analisadas. Depois disso, um relatório de análise correspondente é preparado e enviado a um destinatário ou cliente. Como regra geral, o tempo entre a recolha da amostra e a notificação do resultado da análise demora, pelo menos, vários dias, mas principalmente semanas, particularmente em épocas de grande procura, como por exemplo na primavera (para a Europa Central). Em um laboratório padrão típico para análise de solo, teor de água, teor de micro e macronutrientes, condutividade elétrica, tipo de solo, valor de pH, bem como quantidades disponíveis e totais ou concentrações de nitrogênio, fósforo e carbono podem ser determinados por meio de métodos de análise baseados em laboratórios padronizados Uma amostra de solo típica para um fazendeiro inclui, por exemplo, os parâmetros de tipo de solo, teores de nitrogênio, de fósforo, de potássio, de magnésio, de boro, de cobre, de zinco, de manganês e de ferro, bem como o valor de pH do solo e possivelmente uma declaração sobre seu requisitos relativos à cal. Embora os métodos usados em tais análises laboratoriais sejam muito precisos, eles não podem ser usados "in situ", ou seja, não sem a coleta prévia de uma amostra e não no local, no solo a ser analisado, por exemplo em uma área de uso agrícola ou hortícola, quer porque o equipamento técnico necessário para o efeito não seja móvel, quer porque a análise requer condições ambientais padronizadas que só podem ser alcançadas em um laboratório.
[0003] Como alternativa à análise de solo em laboratório, alguns métodos de análise in situ ou semi in situ de solo já estão disponíveis hoje. No entanto, a gama de análises disponível limita-se à análise do teor de água, do valor do pH, da condutividade elétrica e do tipo de solo do solo da amostra de solo. No entanto, outros parâmetros, como em particular os parâmetros altamente relevantes para agricultores e horticultores no que diz respeito ao teor de potássio, magnésio, cobre, manganês, zinco, bromo, ferro, fósforo disponível, húmus, bem como o teor de nitrogênio total e o teor de carbono total não pode ser analisado in situ no momento. Além disso, por si só, nenhum dos métodos de análise in situ conhecidos até o momento permite que os resultados da medição ou da análise sejam documentados de maneira confiável, do ponto de vista legal, como pode ser exigido em muitos países como uma base para uma verificação de regulamentos legais, como regulamentos legais de fertilizantes, etc.
[0004] Em posição a esse antecedente, é um objetivo da presente invenção fornecer dispositivos e métodos melhorados para a análise de solo in situ. Em particular, é um objetivo da invenção fornecer dispositivos e métodos para análise de solo in situ, que, em comparação com as soluções conhecidas até agora, permitem analisar propriedades adicionais do solo e/ou alcançar uma qualidade melhorada dos resultados da análise.
[0005] A solução deste objetivo é alcançada de acordo com o ensino das reivindicações independentes. Várias modalidades e outros desenvolvimentos da invenção são o assunto das reivindicações dependentes.
[0006] Um primeiro aspecto da invenção refere-se a um dispositivo de sensor para análise de solo in situ. O dispositivo de sensor compreende um conjunto de sensor com um ou mais sensores que são configurados individualmente ou cumulativamente para medição in situ simultânea de pelo menos dois, preferencialmente pelo menos três, ou todas, das seguintes propriedades de solo de um solo a ser analisado e para fornecer respectivos dados de medição correspondentes: (a) espectro de impedância, (b) temperatura, (c) espectro de absorção em uma faixa espectral que se estende de NIR (faixa espectral infravermelha próxima) a UV (faixa espectral ultravioleta), NIR-VIS-UV, e (d) caráter ácido ou básico, em particular valor de pH. A distância entre cada dois sensores do conjunto de sensor, definida em relação aos seus respectivos transdutores de mensuração, não ultrapassa um valor de 10 cm, preferencialmente 5 cm e com particular preferência 3 cm.
[0007] No sentido da invenção, a expressão "análise de solo in situ" pretende ser entendido como significando uma análise de um solo, em particular de um solo em uma área que é usada para fins agrícolas ou hortícolas, em que uma medição das propriedades desejadas do solo é realizada no local, no próprio solo, sem a necessidade de coletar amostras o solo. Em particular, uma análise de solo in situ pode ser realizada de tal forma que um dispositivo de sensor correspondente seja disposto sobre ou acima do solo a ser analisado, ou seja introduzido nele, pelo menos parcialmente, de modo que os componentes de sensoriamento do dispositivo de sensor possam medir a propriedade relevante do solo, em que o solo, pelo menos substancialmente, permanece inalterado no lugar. Com o propósito de uma análise de solo adicional além da mera aquisição de dados de medição, uma avaliação dos dados de medição que foram gerados por meio de uma ou mais medições in situ também pode ser realizada "in situ", ou seja no local da medição, mas sem que seja obrigatório. Em contrapartida, as análises de solo que se baseiam no fato de que primeiro é coletada uma amostra do solo a ser analisado, a qual, no mesmo local ou em outro local, é então submetida a uma medição e, se aplicável, a uma análise posterior, não são análises de solo in situ no sentido da invenção.
[0008] A expressão medição "simultânea" in situ de várias propriedades do solo pretende ser entendida como significando um processo de medição "in situ" no qual os períodos de medição para a medição de pelo menos duas das propriedades do solo a serem medidas se sobrepõem pelo menos parcialmente. Em particular, portanto, as medições de várias propriedades do solo que, de fato, ocorrem exatamente simultaneamente são também medições simultâneas no sentido da invenção, como são as medições nas quais, por exemplo, um primeiro período de medição para a medição de uma primeira propriedade do solo não coincide exatamente com um segundo período de medição para uma segunda propriedade do solo, mas há pelo menos um intervalo de tempo dentro do qual ambas as propriedades são medidas simultaneamente. Nesse contexto, um período de medição para uma propriedade do solo é definido como um período de tempo durante o qual os componentes de sensoriamento correspondentes estão ativos para realizar uma respectiva medição da própria propriedade do solo ou de uma quantidade que é usada para determiná-la indiretamente.
[0009] No sentido da invenção, a expressão "espectro de impedância" pretende ser entendido como significando um espectro que representa uma resistência de corrente alternada (impedância Z) de um material, neste caso de uma porção de solo a ser medida, em função da frequência (w) de uma tensão de medição alternada que é aplicada à porção de solo, por exemplo, por meio de eletrodos, o que pode ser feito, em particular, por meio de uma função matemática Z (w). Nesse contexto, a resistência da corrente alternada de um elemento bipolar da rede (neste documento, a porção do solo) é definida como a razão entre a tensão elétrica e a corrente elétrica.
[0010] No sentido da invenção, um espectro de absorção pretende ser entendido como significando um espectro eletromagnético que contém linhas espectrais "escuras", ou seja, incisões na faixa espectral, que surgem quando a radiação eletromagnética de banda larga irradia ou passa através da matéria e os quanta de radiação (fótons) de certos comprimentos de onda ou faixas de comprimento de onda são absorvidos pela matéria. Nesse contexto, um ou mais mecanismos de absorção diferentes podem ocorrer, principalmente na dependência do comprimento de onda. Em particular, transições eletrônicas entre diferentes níveis de energia de átomos, moléculas ou cristais ou outros sólidos (por exemplo, no contexto de luminescência), bem como excitações de outros graus de liberdade, em particular de graus de liberdade rotacional ou vibracional de moléculas e em sólidos, são possíveis. Por meio de uma comparação dos espectros de absorção obtidos, em particular dos espectros de reflexão, com os correspondentes espectros de referência, podem-se tirar conclusões qualitativas e/ou quantitativas sobre a composição do material da matéria medida.
[0011] No sentido da invenção, a expressão "transdutor de mensuração" ou, para abreviar, "transdutor" pretende ser entendido como significando uma parte de um dispositivo de medição, isto é, um sensor, que responde diretamente a uma mensuração. Assim, o transdutor é o primeiro elemento de uma cadeia de medição. Em particular, o transdutor pode - mas sem que isso seja uma limitação - ser implementado na forma de um ou mais eletrodos, um receptor óptico ou um sensor de temperatura. A distância entre dois transdutores deve ser entendida como a distância mais curta entre eles.
[0012] O dispositivo de sensor, de acordo com o primeiro aspecto da invenção, é caracterizado pelo fato de que, por um lado, é capaz de detectar pelo menos duas propriedades diferentes do solo de uma maneira baseada em sensor e, pelo menos substancialmente, de uma maneira que é não destrutiva, que, além disso, são selecionadas de forma que exista uma correlação clara entre eles, o que permite alcançar, por meio da fusão de dados, uma maior precisão de medição a partir dos dados de medição obtidos por meio de medição quando comparado com as medições individuais, e assim uma maior qualidade da análise do solo. Além disso, os transdutores de mensuração dos sensores estão concentrados em uma área muito pequena (por exemplo, em uma área < 100 cm2, preferencialmente < 25 cm2, particularmente preferencialmente < 9 cm2), de modo que a porção de solo submetida à medição possa ser assumida, em boa aproximação, como homogênea, o que é usado para melhorar ainda mais a precisão da medição, em particular no que diz respeito ao fato de que a correlação entre os resultados de medição individuais são fortemente dependentes da distância e, como regra, apenas permite uma melhoria significativa da qualidade da análise do solo a ser alcançada por meio da fusão de dados se as distâncias forem pequenas.
[0013] Além disso, as medições ocorrem simultaneamente, para que os erros de medição dependentes do tempo possam ser minimizados. Tal erro de medição poderia ocorrer de outra forma, por exemplo, se uma medição de impedância levou a um aquecimento local do solo, o que levaria a leituras de temperatura distorcidas no caso de uma medição de temperatura subsequente feita em um momento diferente. Além disso, a combinação dos diferentes métodos de medição mencionados acima permite que as propriedades do solo sejam alcançadas pela combinação dos dados de medição das medições individuais, o que vai além das possibilidades anteriores para medições in situ. Além disso, uma medição simultânea reduz o tempo total necessário para o processo de medição em comparação com medições individuais puramente sequenciais.
[0014] Como não há necessidade de coleta de amostras de solo ou de entrega a um laboratório ex situ, os resultados da análise de solo podem ser disponibilizados no menor tempo possível, em particular também no local, imediatamente durante o curso de medição, de modo que nenhum atraso significativo seja necessário até que os resultados da análise sejam disponibilizados.
[0015] A seguir, modalidades preferenciais do dispositivo de sensor serão descritas, cada uma das quais, na medida em que isto não seja expressamente excluído ou tecnicamente impossível, pode ser combinada de qualquer maneira desejada entre si, bem como com os outros aspectos da invenção que são descritos no presente documento.
[0016] Em algumas modalidades, o conjunto de sensor compreende um sensor de impedância para detecção in situ de um espectro de impedância do solo a ser analisado. Esse compreende (i) um primeiro elemento de suporte; (ii) duas esteiras condutoras que estão dispostas no primeiro elemento de suporte, mas que são eletricamente isoladas deste e uma da outra, pelo menos uma das quais contém um polímero ou material compósito eletricamente condutor e resistente à corrosão; (iii) e um dispositivo de controle. O dispositivo de controle é configurado para aplicar uma tensão de CA entre as duas esteiras condutoras, para variar sua frequência ao longo de uma faixa de frequência predeterminada, e durante o curso disso, durante a operação do dispositivo de sensor, quando este é introduzido no solo a ser analisado, de forma que as esteiras condutoras fiquem em contato elétrico com o solo a ser analisado, para detectar um espectro de impedância do solo a ser analisado em resposta à tensão de CA aplicada a ele através das esteiras condutoras e fornecer o espectro de impedância sob a forma dos dados de medição correspondentes. Dessa forma, o dispositivo de sensor é capaz de registrar um espectro de impedância do solo a ser analisado, com a ajuda do qual, em particular, vários tipos de solo, texturas de solo, condutividades, teor de água, concentrações de íons e tipos de íons podem ser determinados.
[0017] A construção particular das esteiras condutoras no elemento de suporte, bem como a escolha particular do material para estas, permitem tanto um contato elétrico particularmente bom com o solo circundante a ser alcançado, quanto uma alta resistência, em particular resistência à abrasão e à corrosão, com relação ao solo e, portanto, uma longa vida útil do dispositivo de sensor.
[0018] As esteiras condutoras podem, em particular, ser enroladas no primeiro elemento de suporte, preferencialmente de modo que as duas esteiras condutoras corram paralelas uma à outra, o que é uma solução particularmente precisa e ótima em termos de aproveitamento do espaço. No presente documento, o termo "condutividade elétrica" pretende ser entendido como significando uma quantidade física que indica quão bem uma substância é capaz de conduzir corrente elétrica. Adequadamente, no sentido da invenção, a expressão "eletricamente condutora" pretende ser entendido como significando uma condutividade elétrica que (a 25 °C) é de pelo menos 106 S/m, isto é, uma que seja pelo menos igual à condutividade dos metais.
[0019] Em algumas outras modalidades, o primeiro elemento de suporte é eletricamente condutor, em particular metalicamente condutor, pelo menos em uma área que é coberta pelas esteiras condutoras, e o dispositivo de controle é ainda configurado para aplicar um potencial de terra a esta pelo menos uma área durante a detecção do espectro de impedância do solo a ser analisado. Dessa forma, uma distorção de sinal do espectro de impedância registrado por acoplamento eletromagnético externo pode ser reduzida ou mesmo evitada. Nesse contexto, o potencial de terra pode ser, em particular, o potencial de terra (potencial zero) de uma fonte de alimentação do dispositivo de sensor, por exemplo, de uma bateria utilizada para esse fim.
[0020] Em algumas outras modalidades, a faixa de frequência predeterminada inclui a faixa de 100 Hz a 1 MHz, o que torna possível determinar um espectro que, devido à sua largura e posição dentro do espectro eletromagnético, permite que conclusões particularmente boas sejam tiradas sobre um grande número de diferentes propriedades do solo.
[0021] Em algumas outras modalidades, o primeiro elemento de suporte é construído como um espigão que, pelo menos em parte, é oco, para a pelo menos introdução parcial no solo a ser analisado. Além disso, uma camada isolante é aplicada à superfície do espigão, na qual, por sua vez, as duas esteiras condutoras são dispostas, em particular enroladas. O dispositivo de controle está localizado no interior de uma parte oca do primeiro elemento de suporte. A construção do primeiro elemento de suporte na forma de um espigão serve para permitir que o primeiro elemento de suporte seja pelo menos parcialmente introduzido (apunhalado) no solo para ser analisado, e para assim colocar as esteiras condutoras, que servem como o transdutor de mensuração do sensor de impedância, em contato com o solo. Por meio do isolamento, as esteiras condutoras são eletricamente desacopladas uma da outra e do espigão, que em particular - como foi descrito acima - pode ser conectado ao potencial de terra. Além disso, no interior da parte oca do primeiro elemento de suporte, o dispositivo de controle é protegido de influências indesejáveis, em particular do solo ou de outras partes do ambiente, em particular de poeira, umidade e substâncias que causam corrosão.
[0022] Em algumas outras modalidades, o conjunto de sensor compreende um sensor de temperatura para detectar uma temperatura do solo a ser analisado, pelo que este, juntamente com o sensor de impedância, é construído como um conjunto de sensor de impedância/temperatura integrado, que é configurado para detectar, simultaneamente e in situ, um espectro de impedância, bem como uma temperatura do solo a ser analisado e para disponibilizá-lo respectivamente na forma de dados de medição correspondentes. Dessa forma, não só são determinadas pelo menos duas grandezas de medição diferentes, o que, como foi explicado acima, permite alargar um espectro de propriedades do solo que podem ser determinadas, bem como melhorar a qualidade da análise, mas também é possível uma densidade de integração particularmente alta, o que permite que o conjunto de sensor seja construído de uma maneira particularmente economizadora de espaço.
[0023] Em particular, o sensor de temperatura, ou partes do mesmo, pode, assim como o dispositivo de controle, estar localizado no interior de uma porção oca do primeiro elemento de suporte, a fim de ser protegido ali, como o dispositivo de controle, de influências externas indesejáveis.
[0024] O primeiro elemento de suporte e/ou pelo menos uma das esteiras condutoras pode, em particular, também servir como uma sonda de medição de temperatura (isto é, transdutor de mensuração) e, para este propósito, pode ser conectado ao sensor de temperatura de uma maneira condutora de calor. Preferencialmente, o primeiro elemento de suporte ou, conforme o caso, a pelo menos uma esteira condutora é, portanto, construída com o uso de um material com boa condutividade térmica, em particular um metal, como por exemplo, alumínio ou um polímero ou material composto com boa condutividade térmica.
[0025] Em algumas modalidades, o sensor de temperatura é integrado no dispositivo de controle, por exemplo, em um PCB comum ou um circuito integrado comum, o que novamente é vantajoso em termos de uma integração elevada e, portanto, de economia de espaço do dispositivo de sensor, em particular também com uma vista para alcançar um arranjo dos transdutores de mensuração dos vários sensores do dispositivo de sensor que, na medida do possível, é otimizado em termos de sua densidade.
[0026] Em algumas modalidades, o sensor de temperatura está localizado no interior de uma porção eletricamente condutora do primeiro elemento de suporte, de modo que o sensor de temperatura seja pelo menos parcialmente blindado de qualquer interação eletromagnética gerada pelas esteiras condutoras quando a tensão CA é aplicada ao mesmo, como resultado, a precisão da medição pode ser aumentada e efeitos de interferência indesejáveis podem ser neutralizados.
[0027] Em algumas modalidades, o conjunto de sensor compreende um conjunto de espectrômetro de absorção para detecção in situ de um espectro de absorção do solo a ser analisado. Isso compreende pelo menos dois espectrômetros de absorção MEMS (isto é, espectrômetros de absorção, que são pelo menos parcialmente fabricados por meio da tecnologia MEMS e, em particular, que contêm componentes MEMS), em particular construídos com base em um interferômetro Fabry-Perot, a cobertura espectral dos quais difere pelo menos para algumas porções do espectro eletromagnético, pelo qual um espectro de absorção do solo a ser analisado pode ser detectado cumulativamente pela totalidade dos espectrômetros de absorção MEMS, cujo espectro de absorção tem porções na faixa NIR, bem como na faixa VIS e também na faixa UV. Em particular, a cobertura espectral pode se estender da faixa NIR à faixa UV sem interrupção e pode, em particular, incluir a faixa de 350 nm a 1.700 nm para tornar possível uma medição particularmente alta diferenciadora em uma faixa espectral que, como regra, é de relevância particular para análise de solo.
[0028] Em algumas modalidades, o conjunto de espectrômetro de absorção compreende ainda um carreador móvel, em particular um carreador rotativo e/ou deslocável em translação, no qual os espectrômetros de absorção são dispostos de tal forma que, quando o carreador é movido em relação a uma superfície de medição virtual no qual o solo a ser analisado repousa durante a operação de medição do dispositivo de sensor, eles possam medir espectrometricamente uma área do solo a ser varrida pelos espectrômetros de absorção, a fim de detectar um espectro de absorção que é integrado sobre a área a ser varrida. Dessa forma, podem ser obtidos resultados mais utilizáveis do ponto de vista estatístico e mais precisos, permitindo a varredura da maior área possível de solo, preferencialmente à menor distância possível. No caso de um carreador rotativo, o espectro de absorção medido pode ser integrado ou calculado em média, em particular sobre o ângulo de rotação do carreador, e no caso de um movimento de translação, em particular ao longo da distância desse movimento de translação. Dessa forma, as características não específicas do solo, por exemplo pequenas pedras ou ramos etc., têm em média apenas uma influência reduzida, em particular uma influência pequena, nos resultados de medição obtidos, os quais influenciam, além disso, podem pelo menos amplamente ser eliminados, em particular por meio de filtragem direcionada, por exemplo, por meio de valores limite.
[0029] Em algumas modalidades, pelo menos uma fonte de radiação eletromagnética também é disposta no carreador móvel, cuja fonte de radiação eletromagnética é configurada, durante a operação de medição, para irradiar, com radiação eletromagnética, a área do solo a ser varrida pelos espectrômetros de absorção durante o movimento do carreador em relação à superfície de medição, a fim de gerar o espectro de absorção a ser medido. Dessa forma, é possível, por um lado, fazer a varredura de uma área ampliada do solo devido ao movimento, mas por outro lado deixar o posicionamento relativo da fonte de radiação para os espectrômetros de absorção inalterados, o que em particular pode resultar em uma maior precisão de medição e pode ajudar a reduzir ou evitar a necessidade de ajuste.
[0030] Em algumas modalidades, o conjunto de espectrômetro de absorção compreende ainda um dispositivo de obturador móvel. Isso é configurado para mover temporariamente uma tela para um espaço definido entre os espectrômetros de absorção e a superfície de medição, pelo que uma referência de calibração, como por exemplo Spectralon em particular, é disposta no lado da tela que está voltado para os espectrômetros de absorção, para a calibração de pelo menos um, preferencialmente todos, os espectrômetros de absorção. Isso permite que o dispositivo de sensor se calibre automaticamente (por exemplo, por meio de corrente escura e calibração de referência), por exemplo, após um certo número predeterminado de procedimentos de medição, em particular também no contexto da própria análise de solo in situ.
[0031] Em algumas modalidades, o conjunto de espectrômetro de absorção também tem um sistema óptico que, em uma faixa de comprimento de onda correspondente ao espectro de absorção a ser detectado, é pelo menos substancialmente transparente, sistema óptico esse que está disposto no espaço entre os espectrômetros de absorção e a superfície de medição, a fim de separá-los espacialmente. No seu lado voltado para a superfície de medição, o sistema óptico é dotado de um nanorrevestimento hidrofílico, que em particular também pode ter uma maior resistência a arranhões em comparação com o material que compõe o corpo do sistema óptico. A fim de obter a maior resistência possível aos arranhões, o sistema óptico pode, em particular, ser também produzido a partir de vidro de safira. A separação espacial serve, em particular, para proteger os espectrômetros de absorção, bem como, se aplicável, o dispositivo de obturador contra influências externas indesejadas (em particular contra poeira, umidade, efeitos mecânicos), por exemplo, do solo a ser analisado.
[0032] Em algumas modalidades, o conjunto de sensor compreende um conjunto de medição de potencial para detecção in situ de um caráter ácido ou básico, em particular um valor de pH, do solo a ser analisado. Isso compreende o seguinte: (i) um segundo elemento de suporte; (ii) um eletrólito/eletrodo de referência de metal que está disposto no ou sobre o segundo elemento de suporte; (iii) um eletrodo de óxido de metal que está disposto sobre uma superfície do segundo elemento de suporte, cuja superfície se destina a entrar em contato com o solo a ser analisado durante uma operação de medição; (iv) um diafragma de íons que está disposto no segundo elemento de suporte entre o eletrodo de óxido de metal e o eletrólito/eletrodo de referência de metal e que está em contato com o eletrólito/eletrodo de referência de metal; (v) um eletrodo de calibração resistente à corrosão que é disposto na superfície do segundo elemento de suporte fornecido para contatar o solo a ser analisado e cujo eletrodo de calibração resistente à corrosão é eletricamente isolado do eletrodo de óxido de metal; e (vi) um dispositivo de medição. O dispositivo de medição é configurado: (a) a fim de determinar um estado atual do eletrodo de óxido de metal, para medir uma resistência elétrica que surge entre o eletrodo de calibração e o eletrodo de óxido de metal e/ou para medir uma capacitância elétrica que surge entre eles quando estes dois eletrodo estão, cada um, em contato com o solo a ser analisado; e (b) a fim de determinar um caráter ácido ou básico, em particular um valor de pH, do solo a ser analisado, para medir uma diferença de potencial elétrico que surge entre o eletrodo de referência e o eletrodo de óxido de metal, levando em consideração uma calibração de medição previamente determinada com base no estado atual determinado do eletrodo de óxido de metal, quando estes dois eletrodos estão, cada um, em contato com o solo a ser analisado.
[0033] A medição do caráter ácido ou básico do solo por meio do conjunto de medição de potencial pode, portanto, ser realizada em operação de tal forma que, de acordo com a característica subsidiária (b) acima, uma diferença de potencial elétrico que surge entre o eletrodo de referência e o eletrodo de óxido de metal seja medido. Essa diferença de potencial depende do caráter ácido ou básico do solo que está em contato com os dois eletrodos durante o processo de medição, de modo que a diferença de potencial elétrico possa ser usada para a medição do caráter ácido ou básico do solo. O potencial medido corresponde, ou pelo menos varia em linha com, o potencial redox entre os dois eletrodos, sendo que a equação redox química associada é a seguinte:
[0034] redox xMe + yH2O ↔ MexOy + y2H+ + y2e-
[0035] No presente documento, a abreviatura "Me" significa metal. A diferença de potencial é, portanto, dependente das propriedades eletroquímicas particulares de sensores baseados em metal/óxido de metal, em particular sensores de pH, em que o sistema de óxido de metal/metal pode, em particular, ser Sb2O3/Sb, IrO2/IR, TIO2/TI ou RuO2/Ru. Esses materiais exibem uma dependência direta de oxidação ou redução, embora ao mesmo tempo tenham uma boa condutividade elétrica em relação à concentração de íons de hidrogênio circundante (valor de pH) no solo. Seu potencial redox pode, portanto, ser correlacionado ao eletrodo de referência e o caráter ácido ou básico ou ao valor de pH do solo que podem ser determinados a partir dele. Além disso, o material do eletrodo de óxido de metal é preferencialmente escolhido de modo a ter uma boa resistência à abrasão e ao impacto (em relação ao solo), o que é o caso dos sistemas de materiais mencionados acima.
[0036] A diferença de potencial redox é determinada medindo-se as correntes iônicas que fluem entre os dois eletrodos através do diafragma de íons, pelo que, preferencialmente, para fins de mensurabilidade e precisão de medição aumentadas, um conversor de impedância ou amplificador é fornecido adicionalmente a fim de converter ou amplificar as correntes, que possivelmente são muito fracas, antes de serem medidas. O tamanho do diafragma de íons também é preferencialmente escolhido como o maior possível em relação ao tamanho do (segundo) elemento de suporte, a fim de fornecer a maior área de seção transversal possível para a corrente iônica fluir através do diafragma de íons.
[0037] No entanto, como regra, os óxidos de metal têm apenas resistência à corrosão limitada a ácidos ou bases, de modo que, quando usados para análise de solo, os eletrodos de óxido de metal frequentemente se degradam com o tempo, o que pode levar, em particular, a uma redução na espessura da camada do eletrodo de óxido de metal com consequente alteração na resistência elétrica, logo a intensidade da corrente e, por sua vez, os resultados da medição. Portanto, o dispositivo de medição é ainda configurado de acordo com o recurso subsidiário (a) para determinar um estado atual, em particular uma espessura da camada de corrente, do eletrodo de óxido de metal medindo-se uma resistência elétrica (ou condutividade) que surge entre o eletrodo de calibração e o metal eletrodo de óxido de metal e/ou uma capacitância elétrica que surge entre eles enquanto ambos estão em contato com o solo a ser analisado, que então conecta eletricamente os dois eletrodos. A medição pode, em particular, ser realizada ciclicamente. A condutividade e/ou capacidade do solo pode ser determinada, se não for conhecida a priori, em particular por meio do sensor de impedância do dispositivo de sensor mencionado acima, de modo que, consequentemente, a condutividade ou a resistência elétrica ou a capacidade da camada de óxido de metal possa ser determinada pelo dispositivo de medição por meio da medição mencionada acima, em que a condutividade ou capacidade do eletrodo de óxido de metal se correlaciona diretamente com a espessura de sua camada de óxido de metal. Assim, a medição pode ser recalibrada se necessário, em particular também de forma preventiva, cíclica, por meio do dispositivo de medição com base na medição do estado do eletrodo de óxido de metal, a fim de garantir a precisão da medição mesmo ao longo dos longos períodos de tempo e apesar da degradação do óxido de metal.
[0038] Em algumas modalidades, o eletrodo de calibração é produzido a partir de um material que contém um polímero e/ou material composto eletricamente condutor e resistente à corrosão. Esses materiais podem oferecer vantagens como, em particular, baixo peso, alta resistência à corrosão e longa durabilidade e estabilidade como referência de calibração.
[0039] Em algumas modalidades, o segundo elemento de suporte é construído como um espigão para, pelo menos, a introdução parcial no solo a ser analisado, por meio do qual uma camada isolante é aplicada à superfície do espigão, em cuja camada isolante o eletrodo de óxido de metal, o diafragma de íons e/ou o eletrodo de calibração são dispostos. Isso permite que uma implementação particularmente compacta seja alcançada. Além disso, o eletrólito/eletrodo de referência de metal pode ser vantajosamente disposto dentro do (segundo) elemento de suporte, ou seja, o espigão e, assim, ser protegido contra influências externas indesejadas.
[0040] Em algumas modalidades, o dispositivo de sensor compreende ainda um dispositivo de comunicação para a transmissão de dados de medição adquiridos para uma contraparte que é externa em relação ao dispositivo de sensor, para avaliação. A contraparte pode, em particular, ser um dispositivo de avaliação separado ou uma plataforma de computação remota, por exemplo, em um ambiente de nuvem, ou um servidor back-end ou uma rede de computadores distribuída. Dessa forma, o processamento adicional dos dados de medição para a determinação dos resultados finais da análise do solo pode ser terceirizado a partir do dispositivo de sensor, o que pode ser útil, em particular, se cálculos complexos e demorados forem necessários que podem ser realizados mais rapidamente ou melhor por sistemas de computação central ou especializados do que localmente pelo próprio dispositivo de sensor.
[0041] No entanto, em outras modalidades, é igualmente possível fornecer o equipamento que é necessário para a avaliação dos resultados de medição no próprio dispositivo de sensor. Mas mesmo neste caso, pode ser útil fornecer o dispositivo de comunicação mencionado acima no dispositivo de sensor, pelo menos para permitir atualizações remotas do software usado para a avaliação e/ou controle do dispositivo de sensor.
[0042] Em algumas modalidades, o dispositivo de comunicação é configurado para transmitir os dados de medição sem fio por meio de comunicação com base na tecnologia de rádio LoRa e/ou Internet das Coisas de Banda Estreita, NB-IoT, tecnologia de rádio. Em particular, essas tecnologias são particularmente vantajosas se o dispositivo de sensor se destina a ser usado em locais onde outra cobertura de dados de rádio, por exemplo, via rádio móvel convencional, está ausente ou não é suficientemente fornecida. As tecnologias de rádio mencionadas acima permitem a transmissão de dados sem fio em distâncias de até 30 km, que é aproximadamente o dobro do alcance máximo (terminal - estação base) das tecnologias de rádio móvel convencionais. O consumo de energia é normalmente muito baixo, de modo que essas tecnologias podem ser aplicadas de forma útil, em particular também em dispositivos móveis alimentados com bateria. Além disso, pelo menos o uso da tecnologia LoRa é possível sem licença em muitos países, o que tem um efeito positivo correspondente nos custos operacionais.
[0043] O dispositivo de comunicação pode, em particular, também ser configurado para receber dados, em particular dados que se relacionam com o resultado de uma análise de solo, cujos dados foram determinados externamente ao dispositivo, de modo que as informações correspondentes possam ser disponibilizadas ao usuário in situ, no próprio dispositivo de sensor, em uma interface homem-máquina adequada, por exemplo, um dispositivo de exibição ou um dispositivo de saída óptico ou acústico.
[0044] Em algumas modalidades, o dispositivo de sensor compreende ainda um dispositivo de armazenamento seguro para armazenar, protegido contra acesso não autorizado, uma identificação de dispositivo única do dispositivo de sensor e/ou pelo menos uma chave criptográfica para criptografar dados de medição e/ou metadados transmitidos por meio do dispositivo de comunicação. Os metadados podem, em particular - sem isso ser uma limitação - representar uma localização, um ponto no tempo e/ou um modo de medição de uma medição realizada in situ com o dispositivo de sensor, bem como a identificação do dispositivo ou uma identificação do usuário. Em particular, dessa forma, a comunicação através do dispositivo de comunicação, em particular aquele que é protegido contra ataques de “homem do meio", bem como uma identidade de dispositivo protegida contra modificações não autorizadas, pode ser realizada.
[0045] Em algumas modalidades, o dispositivo de comunicação é ainda configurado para gravar, em uma cadeia de blocos que age como uma contraparte externa, dados de medição e/ou metadados a serem transmitidos, ou para fazer com que outra contraparte externa grave, em uma cadeia de blocos, os dados de medição e/ou metadados transmitidos a ele. Essas modalidades são vantajosas em particular no que diz respeito à documentação dos resultados da medição de uma forma fiável do ponto de vista jurídico. Além disso, essas modalidades também permitem que uma proteção de comunicação seja alcançada, em particular no que diz respeito a uma proteção contra falsificação subsequente dos resultados de medição ou resultados de análise de solo obtidos.
[0046] Em algumas modalidades, o dispositivo de sensor é configurado para realizar uma autenticação de um usuário do dispositivo de sensor e para permitir a transmissão de dados de medição e/ou metadados para uma contraparte externa apenas se a autenticação tiver sido bem-sucedida. Essa medida também pode ser usada para proteger a comunicação e documentação dos resultados da medição contra ataques, em particular no que diz respeito à falsificação dos dados de medição. Mediante o uso de uma ou mais das medidas de proteção mencionadas acima, os requisitos para a obtenção de uma documentação dos resultados da medição, que seja confiável, do ponto de vista legal, e que, conforme o caso, pode ser exigida por lei, podem assim ser cumpridos.
[0047] Em algumas modalidades, o dispositivo de sensor compreende ainda um dispositivo de determinação de posição para determinar uma posição atual do dispositivo de sensor e para fornecer metadados correspondentes que caracterizam a posição. Em particular, isso torna possível também fornecer, juntamente com os dados de medição, uma localização da medição por meio de metadados correspondentes. Além disso, um monitoramento do dispositivo de sensor no que diz respeito à sua posição espacial pode ser implementado desta forma, o que também fornece uma proteção adicional contra o uso indevido, em particular o uso indevido por pessoas não autorizadas.
[0048] Em algumas modalidades, o dispositivo de sensor é construído como uma unidade portátil. Isso significa, em particular, que as dimensões e o peso do dispositivo permitem que um usuário humano o carregue facilmente, sem problemas indevidos, por exemplo, para um local de medição em terras agrícolas. Idealmente, as dimensões do dispositivo de sensor em cada direção são, portanto, alguns decímetros no máximo, por exemplo, <50 cm) e o peso é preferencialmente inferior a 25 kg, idealmente inferior a 10 kg. Dessa forma, o dispositivo de sensor pode ser usado de uma maneira muito flexível e sem o auxílio de veículos ou outros dispositivos de manobra.
[0049] Um segundo aspecto da invenção se refere a um método para análise de solo que compreende:
[0050] (i) receber dados de medição relativos a pelo menos duas, preferencialmente pelo menos três, ou todas as seguintes propriedades de solo de um solo a ser analisado: (a) espectro de impedância, (b) temperatura, (c) espectro de absorção em uma faixa de espectro que se estende de NIR a UV, NIR-VIS-UV, (d) caráter ácido ou básico, em particular valor de pH; e (ii) determinar pelo menos uma das propriedades do solo ou pelo menos uma propriedade do solo derivada das mesmas com base em uma combinação dos dados de medição recebidos por meio de fusão de dados, a fim de obter um respectivo resultado de medição para o pelo menos uma propriedade do solo a ser determinada. Com a ajuda desse método é, portanto, possível vincular os resultados da medição com respeito às ditas propriedades do solo no âmbito da fusão de dados, sendo que deve ser novamente apontado que as ditas propriedades do solo são selecionadas de tal forma que, em pelo menos para algumas combinações, exista uma correlação entre elas, que pode ser usada no âmbito da fusão de dados para obter resultados mais precisos ou adicionais em relação à análise do solo. Em particular, a fusão de dados pode ser implementada com base em lógica difusa e/ou em uma ou mais redes neurais artificiais.
[0051] Em algumas modalidades deste, os dados de medição são adquiridos por um dispositivo de sensor de acordo com o primeiro aspecto da invenção, em particular de acordo com uma ou mais das modalidades descritas da mesma. O método segue então a medição real in situ para a aquisição dos dados de medição, pelo que, para este propósito, o dispositivo de sensor pode, em particular, como descrito acima, transmitir os dados de medição, bem como, se aplicável, metadados adicionais, por meios de seu dispositivo de comunicação por meio de um enlace de comunicação correspondente para um dispositivo central ou espacialmente distribuído que realiza o método.
[0052] Em algumas modalidades, o método é realizado em pelo menos um nó central de uma rede, em particular um ambiente de nuvem ou uma rede de computadores distribuída, em que pelo menos um nó central, a fim de receber os respectivos dados de medição, está configurado para estar em conexão de comunicação com uma pluralidade de dispositivos de sensor, em particular de acordo com o primeiro aspecto da invenção, para adquirir os respectivos dados de medição. Isso permite, em particular, um uso poderoso e variável de recursos para a execução do método. Além disso, alterações, em particular atualizações de software usado para a execução do método, podem ser implementadas centralmente, sem ter que ser distribuídas a cada um dos respectivos dispositivos de sensor, de modo que o sistema geral possa ser facilmente desenvolvido posteriormente, bem como atualizado.
[0053] Um terceiro aspecto da invenção se refere a um programa de computador que é configurado, quando é executado em uma plataforma de processador, para realizar o método de acordo com o segundo aspecto da invenção, em particular de acordo com uma ou mais das modalidades descritas da mesma. A plataforma do processador pode conter um único ou uma pluralidade de processadores e pode ser implementada de maneira local e centralizada, por exemplo, em um único computador ou, inversamente, também através de uma rede de computadores distribuída descentralizada. Em particular, a plataforma do processador e o programa de computador também podem estar presentes no próprio dispositivo de sensor, a fim de permitir que ele execute o método.
[0054] O programa de computador pode, em particular, ser armazenado em um carreador de dados não volátil. Preferencialmente, este é um carreador de dados sob a forma de um carreador óptico de dados ou um módulo de memória flash. Isso pode ser vantajoso se o programa de computador como tal se destinar a ser negociado independentemente de uma plataforma de processador na qual um ou mais programas devem ser executados. Em uma implementação diferente, o programa de computador pode ser fornecido como um arquivo em uma unidade de processamento de dados, em particular em um servidor, e pode ser transferido por download por meio de uma conexão de dados, por exemplo, a Internet, ou uma conexão de dados dedicada, como um proprietário ou uma rede local. Além disso, o programa de computador pode compreender uma pluralidade de módulos de programa individuais que interagem.
[0055] Um quarto aspecto da invenção se refere a um dispositivo para análise de solo, em que o dispositivo está disposto para realizar o método de acordo com o segundo aspecto da invenção, em particular de acordo com uma ou mais das modalidades descritas da mesma. O dispositivo pode, em particular, compreender a dita plataforma de processador e, portanto, pode, em particular, compreender uma única unidade de processamento de dados, como um computador, ou uma rede de computadores distribuída descentralizada.
[0056] Em particular, para algumas modalidades, o próprio dispositivo pode compreender, para adquirir os dados de medição, um dispositivo de sensor de acordo com o primeiro aspecto da invenção, em particular de acordo com uma ou mais das modalidades descritas da mesma. Isto é particularmente vantajoso se a análise dos dados de medição para obtenção de resultados adicionais relativos à análise do solo for realizada in situ, ou seja, no local, no próprio dispositivo de sensor, o que em particular também torna possível a operação offline, bem como a determinação de tais resultados que é independente da qualidade de um enlace de comunicação para uma plataforma de processador externo.
[0057] As características e vantagens explicadas em relação ao segundo aspecto da invenção aplicam-se de forma semelhante ao terceiro e ao quarto aspectos da invenção.
[0058] Outras vantagens, características e possíveis aplicações da presente invenção tornam-se claras a partir da seguinte descrição detalhada em conexão com as Figuras.
[0059] Nos desenhos:
[0060] A Figura 1 mostra esquematicamente um dispositivo de sensor de acordo com uma modalidade da invenção;
[0061] A Figura 2 mostra esquematicamente um dispositivo de sensor construído de forma modular de acordo com uma outra modalidade da invenção, em que um módulo de operação/de rádio é fornecido além de um módulo de medição;
[0062] A Figura 3A mostra esquematicamente um conjunto de sensor de impedância/temperatura integrado para um dispositivo de sensor de acordo com uma modalidade da invenção e a Figura 3B mostra um diagrama de circuito equivalente simplificado para este;
[0063] A Figura 4 mostra esquematicamente um conjunto de medição de potencial, em particular um conjunto de sensor de pH, para um dispositivo de sensor de acordo com uma modalidade da invenção;
[0064] A Figura 5 mostra esquematicamente um conjunto de espectrômetro de absorção para um dispositivo de sensor de acordo com uma modalidade da invenção;
[0065] A Figura 6 mostra uma vista geral esquemática de um sistema geral para análise de solo, de acordo com uma modalidade da invenção; e
[0066] A Figura 7 mostra uma vista geral, a título de exemplo, de várias correlações entre as mensurações individuais que podem ser detectadas pelos sensores do dispositivo de sensor de acordo com a Figura 1 ou 2, e por meio dos quais várias propriedades do solo podem ser determinadas dentro do escopo de uma fusão de dados de acordo com o método que está de acordo com a invenção.
[0067] Nas Figuras, as mesmas referências numéricas são usadas para os mesmos elementos ou elementos mutuamente correspondentes da invenção.
[0068] O dispositivo de sensor 1 mostrado na Figura 1, de acordo com uma modalidade da invenção, é construído como um módulo que, por sua vez, compreende vários conjuntos, em particular conjuntos de sensores, em um alojamento comum 2. Um primeiro desses conjuntos é um conjunto de sensor de impedância/temperatura combinado 3, que é pelo menos parcialmente construído em um primeiro elemento de suporte semelhante a uma haste ou semelhante a um espigão e que é configurado para cravar no solo a ser analisado. Um outro dos conjuntos é um conjunto de medição de potencial 4, em particular um conjunto de sensor de pH, que é formado por meio de um segundo elemento de suporte que, como o primeiro elemento de suporte, tem uma forma semelhante a uma haste ou espigão e é, da mesma forma, construído para cravar no solo a ser analisado. Entre estes dois conjuntos 3 e 4, bem como na vizinhança imediata dos mesmos, um conjunto de espectrômetro de absorção 5 é disposto como mais um dos conjuntos, em que o conjunto de espectrômetro de absorção 5 tem uma janela de medição que é posicionada de tal forma que, quando o primeiro e o segundo elementos de suporte são cravados no solo a ser analisado, ele repousa no solo ou acima do mesmo. Consequentemente, os três conjuntos de sensores estão concentrados em uma pequena área, preferencialmente em uma área total inferior a 100 cm2, de modo que a influência das heterogeneidades do solo a ser analisado nos resultados de medição possa ser mantida baixa, e em particular reduzida ao mínimo. O dispositivo de sensor 1 é construído como uma unidade móvel, em particular como uma unidade portátil, preferencialmente que pesa menos de 25 kg e que tem uma extensão máxima inferior a 1 m, preferencialmente um máximo de 0,5 m. Além disso, o dispositivo de sensor 1 tem um dispositivo de fornecimento de energia (não mostrado), que pode ser construído em particular na forma de um dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica recarregável, como por exemplo uma bateria de íon-lítio.
[0069] Os conjuntos individuais, em particular os conjuntos de sensores 2, 3 e 4 do dispositivo de sensor, 1 também podem ser construídos, cada um, como módulos individualmente removíveis ou substituíveis, o que, em particular, torna possível gerar diferentes configurações de sensores de uma forma simples e dinâmica, como bem como individualmente para manter ou substituir os conjuntos de sensores individuais, dependendo de seu estado de envelhecimento ou facilidade de manutenção.
[0070] Por conseguinte, pela medição, o dispositivo de sensor 1 permite a utilização de até quatro tipos de sensores diferentes e seus diferentes princípios de medição, a fim de obter dados de medição correspondentes, com base nos quais, com o auxílio de correlação ou fusão de dados, uma determinação das propriedades do solo, que vai além da medição direta das propriedades do solo, possa ser obtida in situ com uma precisão que, em qualquer caso, é suficientemente alta para muitas aplicações. Em particular, por exemplo, a impedância do solo a ser medida, a temperatura do solo, seu espectro de absorção em toda a faixa espectral UV-VIS-IR, assim como seu valor de pH podem ser medidos simultaneamente e no menor espaço possível. É precisamente esse arranjo adjacente dos transdutores de mensuração dos vários conjuntos de sensores 2, 3 e 4 que torna possível realizar uma correlação bem-sucedida dos dados de medição com o objetivo de determinar as propriedades do solo com a precisão necessária para aplicações, em particular aplicações agrotécnicas. Além disso, o arranjo denso dos transdutores de mensuração também permite a geração de mapas de solo de ultra-alta resolução, ou seja, mapas de solo com uma grade de área de célula de grade inferior a 100 cm2. A detecção simultânea das diferentes grandezas a serem medidas também torna possível representar dependências dinâmicas e verdadeiras entre os valores de medição individuais. Em particular, artefatos de medição também podem ser reconhecidos e removidos já in situ por meio de software de avaliação apropriado, por exemplo, com base em inteligência artificial, a fim de aumentar ainda mais a qualidade dos resultados de medição originais.
[0071] A Figura 2 mostra um dispositivo de sensor 1 construído de forma modular, de acordo com uma outra modalidade da invenção, que além de um módulo de sensor 6a também tem um módulo operacional/de rádio 6b que pode ser acoplado ao módulo de sensor 6a por meio de uma conexão liberável. Os dois módulos 6a e 6b são mostrados na Figura 2, por um lado, como módulos separados (canto inferior esquerdo) e, por outro lado, na condição conectada (canto superior direito). Os alojamentos dos dois módulos 6a e 6b são preferencialmente construídos de tal forma que, quando os dois módulos estão conectados um ao outro, uma alça de transporte ou manipulação 10 seja formada na região de conexão, cuja alça de transporte ou manipulação 10 possa ser facilmente agarrada, em particular ao redor, por uma mão humana, que em particular também é adequada para remover, do solo, um dispositivo de sensor 1 que foi cravado no solo para análise. Conforme mostrado na Figura 2, a alça pode ser construída em particular como uma redução da seção transversal do dispositivo de sensor 1 na região de conexão entre os dois módulos 6a e 6b. O módulo de operação/de rádio 6b está equipado com um dispositivo de posicionamento 7, com o auxílio do qual é possível determinar a posição do dispositivo de sensor 1, em particular durante um processo de medição, e gerar dados de posição correspondentes como metadados pertencentes à medição, por exemplo, em cooperação com um sistema de reconhecimento de posição baseado em satélite, como por exemplo GPS, GALILEO ou GLONASS, ou com o auxílio de posicionamento móvel assistido por rádio.
[0072] Além disso, o módulo de operação/de rádio 6b está equipado com um dispositivo de comunicação 8, que, em particular, pode ser configurado para realizar a comunicação de dados com uma contraparte externa por meio de tecnologia de rádio móvel (por exemplo, 3G, LTE, 5G) ou outra tecnologia de rádio, como LoRa e/ou NB-IoT, em particular, a fim de enviar dados de medição obtidos por meio do dispositivo de sensor 1 para um centro de processamento de dados externo para avaliação posterior e, por sua vez, conforme o caso, receber os resultados das análises de solo decorrentes dessa avaliação, a fim de enviá-los ao próprio dispositivo de sensor 1 em uma interface homem-máquina 9. Tal interface homem-máquina 9 pode ser fornecida, em particular na forma de um dispositivo de exibição no dispositivo de sensor 1, preferencialmente, no que diz respeito a uma solução que economiza tanto espaço quanto possível, como uma exibição de controle, cuja exibição de controle permita entradas de usuário, bem como a saída de informações, como é o caso, por exemplo, de uma tela sensível ao toque.
[0073] A Figura 3A mostra um conjunto de sensor de impedância/temperatura integrado 3 para um dispositivo de sensor de acordo com uma modalidade da invenção, cujo conjunto de sensor de impedância/temperatura integrado 3 foi cravado em um solo 11 para ser analisado e que pode, em particular, ser fornecido em um dispositivo de sensor 1 como mostrado na Figura 1 ou na Figura 2. Para acompanhar isso, a Figura 3B mostra um diagrama de circuito equivalente simplificado para o ramo de medição de impedância do conjunto de sensor de impedância/temperatura 3.
[0074] O conjunto de sensor 3 da Figura 3A compreende um primeiro elemento de suporte 12 na forma de um espigão, que, em particular, pode ser produzido a partir de metal, preferencialmente de um metal resistente à corrosão. O espigão pode, em particular, ter uma forma substancialmente cilíndrica e pode ser afunilado na sua face de extremidade que se destina a cravar no solo, para facilitar a ação de cravar. Uma camada de passivação 13 é aplicada ao primeiro elemento de suporte 12 em uma região de superfície que normalmente entra em contato com o solo circundante na condição cravada, em que a camada de passivação 13 pode, em particular, conter um ou mais materiais poliméricos e que atua como isolador elétrico. Na camada de passivação 13, duas esteiras condutoras 14 são enroladas, paralelas uma à outra e sem se tocarem, em torno do primeiro elemento de suporte 12. As duas esteiras condutoras 14 são, assim, eletricamente isoladas do elemento de suporte 12 por meio da camada de passivação 13. Na sua extremidade oposta à ponta que pode ser cravada no solo, o conjunto de sensor de impedância/temperatura 3 compreende uma placa de circuito impresso (PCB) 15 que está disposta no interior do elemento de suporte 12 e que é protegida por meio de um tampa de metal 16 (alojamento de metal) localizada acima dela, sendo a placa de circuito impresso (PCB) 15 na qual um dispositivo de controle 15a, um pré-amplificador de sinal 15b e um sensor de temperatura 15c são fornecidos na forma de um circuito integrado ou um componente de sensor semicondutor. A tampa de metal 16 serve não apenas para proteção mecânica, mas também como uma blindagem eletromagnética para o sensor de temperatura 15c, o dispositivo de controle 15a e o pré-amplificador de sinal 15b, que estão localizados no interior. Além de servir para controlar o conjunto de sensor 3, o dispositivo de controle 15a também serve para medir a impedância e para fornecer dados de medição correspondentes, e é eletricamente conectado a cada uma das duas esteiras condutoras 14 por meio do pré-amplificador de sinal 15b. O sensor de temperatura 15c também pode ser conectado às esteiras condutoras 14, em que, neste caso, elas servem, em adição ou alternativamente ao primeiro elemento de suporte 12, como um transdutor de mensuração para o sensor de temperatura 15c, enquanto, em qualquer caso, elas sirvam como eletrodos de medição para a medição de impedância.
[0075] Consequentemente, o conjunto de sensor de impedância/temperatura 3 pode ser descrito, no que diz respeito ao seu ramo de medição de impedância, por meio do diagrama de circuito equivalente simplificado descrito na Figura 3B. Durante o processo de medição de impedância, uma tensão de medição alternada definida é aplicada pelo dispositivo de controle 15a entre uma primeira esteira condutora 14a e a segunda esteira condutora correspondente 14b das duas esteiras condutoras 14. Uma vez que, durante o processo de medição, o primeiro elemento de suporte 11 com as esteiras condutoras 14 localizadas nele é cravado no solo 11 a ser analisado, as duas esteiras condutoras 14a, 14b são colocadas em contato elétrico com o solo 11 que as rodeia então, de modo que o último conecte as duas esteiras condutoras 14a, 14b no sentido de um resistor elétrico Rel. No diagrama de circuito equivalente, as duas esteiras condutoras 14a, 14b respectivamente têm uma resistência elétrica RCT1 e RCT1, bem como uma capacitância (parasita) CDL1 e CDL2 conectadas em paralelo. Por meio da relação dada na Figura 3B, um espectro de impedância Z (w) pode ser determinado em função da frequência w da tensão de medição CA aplicada. A faixa de frequência usada para obter o espectro de impedância Z (w) pode ser selecionada na dependência da aplicação e normalmente inclui a faixa de frequência de 100 Hz a 1 MHz. O primeiro elemento de suporte 12 é idealmente conectado a um potencial de terra durante o processo de medição de impedância e, para este propósito, é conectado eletricamente, por exemplo, ao terminal neutro da fonte de alimentação do dispositivo de sensor 1, que neutraliza a distorção de sinal de Z (w) causado por acoplamento eletromagnético externo.
[0076] Com base neste espectro de impedância Z (w) obtido, uma distinção com respeito ao tipo de solo, à textura do solo, à condutividade elétrica, ao teor de água, à concentração de íons e ao tipo de íons pode ser alcançada por avaliação posteriormente, em particular por meio de modelos de mistura dielétrica (por exemplo, modelo Bruggeman, modelo Maxwell Garnett). Avaliações quantitativas também são possíveis dessa forma. Simultaneamente com a medição de impedância, uma medição de temperatura pode, adicionalmente, ser realizada por meio do sensor de temperatura, pelo qual, como já mencionado, as duas esteiras condutoras 14 e/ou o primeiro elemento de suporte 12 podem servir como um transdutor de mensuração. Já o conjunto de sensor de impedância/temperatura 3 pode, em algumas modalidades, representar, em particular, a totalidade dos sensores do dispositivo de sensor 1, ou mesmo o próprio dispositivo de sensor 1.
[0077] A Figura 4 mostra um conjunto de medição de potencial 4, em particular um conjunto de sensor de pH, de acordo com uma modalidade da invenção, que foi cravado em um solo 11 para ser analisado e que pode ser fornecido, em particular, em um dispositivo de sensor 1 de acordo com a Figura 1 ou Figura 2. O conjunto de medição de potencial 4 compreende um segundo elemento de suporte 17 na forma de um espigão, cuja forma pode, em particular, corresponder substancialmente àquela do primeiro elemento de suporte 12 do conjunto de sensor de impedância/temperatura 3. Uma camada de passivação 18, em particular uma passivação de polímero (por exemplo, de HDPE), é fornecida em uma porção de superfície do segundo elemento de suporte 17, cuja porção de superfície se destina a entrar em contato com o solo 11 a ser analisado na condição de conexão cravada.
[0078] Sobre esta camada de passivação 18, um eletrodo de óxido de metal 21, por um lado, bem como um eletrodo de calibração 22 são dispostos na forma de esteiras condutoras anulares, com o auxílio das quais, se a resistência elétrica do solo 11 for conhecida, pode ser determinado, em particular, por meio do conjunto de sensor de impedância/temperatura 3, um estado, em particular uma espessura de camada, do eletrodo de óxido de metal 21 pode ser determinado por meio de medição de resistência ou medição de condutividade entre os dois eletrodos 21 e 22, que são eletricamente acoplados via solo 11. A espessura da camada pode, então, ser usada como uma quantidade de calibração para a medição real de um caráter ácido ou básico, em particular um valor de pH, do solo 11. Em particular, a medição pode ser realizada antes de cada medição de pH ou ciclicamente em intervalos de tempo predeterminados. Dessa forma, o conjunto de medição de potencial é capaz de realizar uma autocalibração (in situ) de forma independente.
[0079] O eletrodo de óxido de metal 21, bem como o eletrodo de calibração 22 são, cada um, eletricamente isolados, pela camada de passivação 18, do segundo elemento de suporte 17, que pode, em particular, ser produzido a partir de metal, e um do outro. O eletrodo de calibração 22 pode, em particular, conter um material polimérico condutor e/ou um material compósito condutor ou ser produzido inteiramente a partir deles. O eletrodo de óxido de metal 21, bem como o eletrodo de calibração 22, cada um, compreende contatos elétricos 21a e 22a, respectivamente, que podem, em particular, ser produzidos a partir do mesmo material que o eletrodo associado 21 e 22.
[0080] A fim de medir o caráter ácido ou básico do solo por meio de uma medição de potencial, o conjunto de medição de potencial 4 compreende ainda um eletrólito/eletrodo de referência de metal 19 (por exemplo, eletrodo de AgCl/Ag), que contém, como componentes dispostos em um alojamento de metal 23 (tampa de metal) construídos como parte ou como suplemento do segundo elemento de suporte 17, um recipiente de eletrólito 19b para receber um eletrólito líquido ou pastoso 19a como um eletrodo de referência de eletrólito, bem como um eletrodo de referência de metal 19c que está em contato eletricamente condutor com o recipiente de eletrólito 19b e com o eletrólito 19a localizado no mesmo. Em particular, uma proteção mecânica robusta do eletrodo de referência 19 é obtida por meio do alojamento de metal 23.
[0081] A combinação do eletrodo de óxido de metal 21, do eletrólito/eletrodo de referência de metal 19, bem como de um diafragma de íons 20 que está disposto entre os mesmos na superfície do segundo elemento de suporte 17 e que está em contato condutor de íons com o eletrólito/eletrodo de metal de referência 19 e que também pode ser colocado em contato condutor de íons com o eletrodo de óxido de metal através do solo circundante 11 durante o processo de medição, representa um dispositivo de medição para medir o caráter ácido ou básico do solo 11 com base no reação redox química já mencionada acima: xMe + yH2O ↔ MexOy + y2H+ + y2e-
[0082] em que equilíbrio da reação é, em grande parte, também determinado pela concentração de íons de hidrogênio (H+) presente no solo 11, de modo que a concentração de íons H+ no solo e, portanto, seu valor de pH possam ser determinados por meio das correntes iônicas que ocorrem durante a medição ou a diferença de potencial que surge entre o eletrodo de óxido de metal 21 e o eletrólito/eletrodo de referência de metal 19, levando em consideração uma calibração que é baseada na medição descrita do estado do eletrodo de óxido de metal 21.
[0083] A Figura 5 mostra esquematicamente um conjunto de espectrômetro de absorção 5 para um dispositivo de sensor de acordo com a invenção, que, em particular, pode ser o dispositivo de sensor 1 de acordo com a Figura 1 ou a Figura 2. De acordo com isso, a seguir, referência é feita novamente ao dispositivo de sensor 1. O conjunto de espectrômetro de absorção 5 compreende um carreador substancialmente em forma de disco 24 que pode girar em torno de um eixo geométrico A e que é encaixado no alojamento 2 do dispositivo de sensor 1 entre os dois conjuntos de sensores 3 e 4, em que uma superfície de disco do carreador 24 está voltada para uma abertura do alojamento 2, cuja abertura serve como uma abertura de medição ou janela de medição do conjunto de espectrômetro de absorção 5. A área virtual desta abertura, que está localizada em seu limite geométrico exterior, também pode ser referida como a superfície de medição M, que, na operação de medição, normalmente chega a ficar pelo menos substancialmente paralela à superfície do solo 11 a ser analisado, ou que coincide com ele e que na Figura 5 é mostrado como uma linha tracejada. O carreador 24 é posicionado em relação a esta superfície de medição M de tal forma que fique acima da superfície do solo durante uma operação de medição, em que uma distância mínima é definida pela forma do alojamento 2. No lado do carreador 24 que está voltado para a superfície de medição, dois (ou mais) espectrômetros de absorção MEMS individuais 26a, 26b estão dispostos no carreador 24, cada um dos quais pelo menos parcialmente cobre diferentes faixas espectrais e sendo que eles cobrem cumulativamente uma faixa espectral UV-VIS-NIR, que, em particular, inclui a faixa espectral de 350 nm a 1.700 nm. O uso da tecnologia MEMS para fabricar os espectrômetros de absorção torna possível a produção de modalidades particularmente pequenas e, portanto, compactas.
[0084] Além disso, uma fonte 25 para radiação eletromagnética é fornecida no mesmo lado do carreador 24, por exemplo, uma lâmpada de halogênio cuja radiação cobre esta faixa espectral UV-VIS-NIR. A fonte 25 e os espectrômetros de absorção 26a, 26b são dispostos em relação um ao outro, ou opticamente separados um do outro por uma tela formada no carreador 24, de tal forma que a radiação da fonte 25 só possa atingir os espectrômetros de absorção 26a, 26b de forma indireta sob a forma de radiação refletida.
[0085] Além disso, o conjunto de espectrômetro de absorção 5 compreende um sistema óptico de proteção 27, que pode ser construído, em particular, na forma de um disco que consiste em um material resistente a arranhões que é pelo menos amplamente transparente na faixa espectral mencionada, por exemplo, um disco de vidro de safira, com nanorrevestimento hidrofílico que melhora a proteção contra arranhões. O nanorrevestimento torna mais fácil manter o sistema óptico limpo e também significa que é mais fácil limpá-lo e o mesmo aumenta a robustez mecânica do sistema óptico. O sistema óptico de proteção 27 está localizado entre o carreador 24 com os componentes ópticos 25, 26a, 26b localizados nele, e a superfície de medição (a uma distância de, por exemplo, cerca de 3 cm dela), que pode proteger os componentes ópticos contra influência externas danosas, em particular do solo 11 a ser analisado, como poeira e umidade, bem como danos causados mecanicamente.
[0086] Além disso, o conjunto de espectrômetro de absorção 5 compreende um dispositivo de fechamento ou de obturador 28, que é essencialmente uma tela em forma de disco que pode ser estendida (e retraída novamente), preferencialmente paralela ao sistema óptico de proteção 27, para o espaço definido entre o carreador 24 com os componentes ópticos 25, 26a, 26b e o sistema óptico de proteção 27. Em seu lado voltado para os componentes ópticos 25, 26a, 26b, esta tela é revestida com um revestimento de calibração 29, por exemplo, Spectralon. Spectralon é um material produzido a partir de PTFE sinterizado que tem uma refletância extremamente alta e uniforme nas faixas do ultravioleta (UV) e visível (VIS), bem como na faixa do infravermelho próximo (NIR) do espectro eletromagnético. O mesmo exibe comportamento de reflexão lambertiano, isto é, reflete muito difusamente ou mate. O revestimento de calibração 29 serve como uma referência de calibração com o auxílio do qual os espectrômetros de absorção 26a, 26b podem ser calibrados in situ quando, para este propósito, a tela foi estendida até o espaço entre os espectrômetros de absorção 26a, 26b e o sistema óptico de proteção sistema 27. Durante o processo de medição para análise de solo, no entanto, a tela é retraída de modo a não perturbar o caminho do feixe entre os componentes ópticos 25, 26a, 26b e o solo 11.
[0087] Além disso, o conjunto de espectrômetro de absorção 5 é configurado de tal forma que durante a operação de medição, quando a superfície do solo do solo 11 a ser analisado, pelo menos substancialmente, coincide com a superfície de medição, o carreador 24 é girado em torno do eixo geométrico de rotação A, que é, então, substancialmente perpendicular à superfície de medição, enquanto a fonte 25 e os dois espectrômetros de absorção 26a, 26b são ativados a fim de registrar um espectro de absorção nos espectrômetros de absorção 26a, 26b na faixa espectral mencionada, com base da radiação da fonte 25 refletida na superfície do solo.
[0088] A Figura 6 mostra uma vista geral esquemática de um sistema (geral) 30 para análise de solo, de acordo com uma modalidade da invenção. O sistema 30 compreende um, ou tipicamente vários, dispositivos de sensor, em particular dispositivos de sensor 1 de acordo com a Figura 1 ou 2 (dos quais apenas um é mostrado no presente documento) que servem para obter no local, isto é, in situ, dados de medição que caracterizam as propriedades de um solo a ser analisado. Esses dados de medição podem, então, ser transmitidos do respectivo dispositivo de sensor 1 por meio do dispositivo de comunicação 8 por meio de um enlace de comunicação, que pode ser construído, em particular, como uma transferência de cadeia de blocos, para uma contraparte externa de dispositivo 33, que pode ser implementada, em particular, na forma de um ou mais nós de rede (por exemplo, servidores) em uma rede de computadores ou em um ambiente de nuvem.
[0089] No exemplo mostrado, a transmissão ocorre em vários estágios, em que os dados de medição, bem como, se aplicável, quaisquer metadados associados à medição são os primeiros transmitidos através de um enlace de comunicação sem fio, que pode ser implementado, em particular, por meio de LoRa ou tecnologias de rádio NB-IoT, para uma porta de comunicação 32, que pode estar localizada, por exemplo, na fazenda de um fazendeiro que usa o sistema 30. A partir dessa porta de comunicação 32, os dados de medição e os metadados podem ser posteriormente transmitidos para a contraparte 33 para avaliação, por exemplo, da maneira clássica através de uma conexão de Internet sem fio ou com fio. Prevê-se que, preferencialmente, uma transferência de cadeia de bloco seja usada novamente, de modo que toda a comunicação entre o dispositivo de sensor 1 e a contraparte 33 seja implementada por meio de tecnologia de cadeia de bloco. Este caminho de comunicação é bidirecional, de modo que também possa ser usado na direção oposta, em particular para a transmissão, para o respectivo dispositivo de sensor 1, de dados de análise obtidos pela contraparte 33 com base nos dados de medição e metadados transmitidos para o mesmo. Dependendo da modalidade particular, os metadados adquiridos pelo respectivo dispositivo de sensor 1 podem conter, em particular, informações sobre o ponto no tempo e a localização de uma medição de solo realizada, bem como uma identificação de dispositivo única e/ou identificação do usuário.
[0090] Além disso, ou como alternativa, um enlace de comunicação adicional 35 pode ser fornecido entre a contraparte 33 e um ou mais dispositivos terminais de usuário 34, cujo enlace de comunicação adicional 35 pode ser construído, em particular, como acesso remoto, por exemplo, através de um portal da web, e pode novamente ser implementado com vantagem por meio de tecnologia de cadeia de bloco. Todos os enlaces de comunicação no sistema são, preferencialmente, criptografados com o objetivo de manter a segurança dos dados e protegê-los contra manipulação, por exemplo, por meio de métodos de criptografia assimétricos ou simétricos conhecidos. O enlace de comunicação 35 oferece uma outra forma de acessar os dados de análise obtidos. Por exemplo, o agricultor ou horticultor pode acessar os dados de análise desta forma, mesmo por um período de tempo relativamente grande após a medição ter sido realizada, por exemplo, de sua fazenda ou mesmo em movimento, por meio de um dispositivo terminal 34 correspondente, sem precisar que o dispositivo de sensor 1 esteja com ele.
[0091] A Figura 7 mostra uma vista geral, a título de exemplo, de várias correlações entre mensurações individuais que podem ser detectadas pelos sensores do dispositivo de sensor de acordo com a Figura 1 ou 2, e por meio dos quais várias propriedades do solo podem ser determinadas dentro do escopo de uma fusão de dados (ou como sinônimo no presente documento: fusão de sensor) de acordo com o método que está de acordo com a invenção. As correlações são marcadas por meio de setas rotuladas correspondentes, em que as etiquetas indicam aquelas quantidades físicas ou químicas que podem ser usadas dentro do escopo da fusão de dados, em particular para formar correlações entre as várias grandezas de medição produzidas diretamente pelos conjuntos de sensores 3 a 5, que permitem que propriedades derivadas do solo adicionais sejam determinadas e/ou que permitem que a precisão dos resultados alcançáveis seja aumentada. Em particular, uma série de parâmetros importantes para agricultura e horticultura podem ser determinados desta forma, que inclui, em particular, o teor de nitrogênio total, o teor de húmus total, a razão entre nitrogênio e matéria orgânica, a quantidade de fosfato disponível, a quantidade de potássio disponível, a quantidade de magnésio disponível, a condutividade elétrica, a umidade do solo e o valor de pH do solo.
[0092] Embora pelo menos uma modalidade exemplificativa tenha sido descrita acima, deve-se notar que há um grande número de variações para a mesma. Deve-se notar também que as modalidades exemplificativas que foram descritas representam apenas exemplos não limitativos e que não se destinam a limitar, assim, o escopo, a aplicabilidade ou a configuração dos dispositivos e métodos descritos no presente documento. Em vez disso, a descrição anterior fornecerá à pessoa versada na técnica instruções para a implementação de, pelo menos, uma modalidade exemplificativa, em que se entende que várias alterações podem ser feitas, no que diz respeito à funcionalidade e ao arranjo dos elementos descritos em uma modalidade exemplificativa, sem se desviar da matéria definida respectivamente nas reivindicações anexas, bem como dos seus equivalentes legais.
[0093] 1 Dispositivo de sensor
[0094] 2 Alojamento
[0095] 3 Conjunto de sensor de impedância/temperatura
[0096] 4 Conjunto de medição de potencial, em particular conjunto de sensor de pH
[0097] 5 Conjunto de espectrômetro de absorção
[0098] 6a Módulo de sensor
[0099] 6b Módulo operacional/de rádio
[0100] 7 Dispositivo de determinação de posição
[0101] 8 Dispositivo de comunicação
[0102] 9 Interface homem-máquina, em particular exibição operacional
[0103] 10 Alça de transporte ou alça de manipulação
[0104] 11 Solo
[0105] 12 (Primeiro) elemento de suporte, em forma de espigão
[0106] 13 Passivação, em particular passivação de polímero, do primeiro elemento de suporte
[0107] 14 Esteiras condutoras
[0108] 14a Primeira esteira condutora
[0109] 14b Segunda esteira condutora
[0110] 15 PCB integrado com dispositivo de controle e sensor de temperatura
[0111] 15a Dispositivo de controle
[0112] 15b Pré-amplificador de sinal
[0113] 15c Sensor de temperatura
[0114] 16 Alojamento de metal, em particular tampa de metal, do primeiro elemento de suporte
[0115] 17 (Segundo) elemento de suporte, em forma de espigão
[0116] 18 Passivação, em particular passivação de polímero, do segundo elemento de suporte
[0117] 19 Eletrólito/eletrodo de referência de metal
[0118] 19a Eletrodo de referência de eletrólito (eletrólito)
[0119] 19b Recipiente de eletrólito
[0120] 19c Eletrodo de referência de metal
[0121] 20 Diafragma de íons
[0122] 21 Eletrodo de óxido de metal
[0123] 21a Contato do eletrodo de óxido de metal
[0124] 22 Eletrodo de calibração
[0125] 22a Contato do eletrodo de calibração
[0126] 23 Alojamento de metal, em particular tampa de metal, do segundo elemento de suporte
[0127] 24 Carreador giratório com eixo geométrico de rotação A
[0128] 25 Fonte de radiação eletromagnética
[0129] 26a, b Espectrômetro de absorção MEMS com superfície de medição M
[0130] 27 Sistema óptico (protetor), em particular vidro de safira com nanorrevestimento hidrofílico
[0131] 28 Dispositivo de obturador
[0132] 29 Referência de calibração, em particular revestimento de calibração
[0133] 30 Sistema para análise de solo in situ
[0134] 31 Enlace de comunicação, em particular a transferência de cadeia de blocos
[0135] 32 Porta de comunicação
[0136] 33 Contraparte, em particular ambiente de cadeia de blocos/nuvem ou dispositivo de avaliação local
[0137] 34 Dispositivo terminal de usuário
[0138] 35 Acesso remoto
Claims (24)
1. Dispositivo de sensor portátil (1) para análise de solo in situ caracterizado pelo fato de que compreende: um conjunto de sensor com um ou mais sensores que são configurados individualmente ou cumulativamente para medição in situ simultânea de um espectro de impedância e pelo menos uma das seguintes propriedades de solo de um solo (11) a serem analisadas e para fornecer os respectivos dados de medição correspondentes: (a) temperatura (b) espectro de absorção em uma faixa espectral que se estende de NIR a UV, NIR-VIS-UV em que a distância entre cada dois sensores do conjunto de sensor, definida em relação aos seus respectivos transdutores de mensuração, não excede um valor de 10 cm; para medir, in situ, o espectro de impedância, o conjunto do sensor é configurado para medir uma resistência de corrente alternada de uma porção do solo a ser medida, em função da frequência predeterminada de 100 Hz a 1 MHz de uma tensão de medição alternada que é aplicada à porção de solo que está em contato elétrico com pelo menos uma trilha condutora; em que o conjunto de sensor inclui um sensor de impedância para detecção in situ de um espectro de impedância do solo (11) a ser analisado, em que o sensor de impedância compreende: um primeiro elemento de suporte (12); duas esteiras condutoras (14) que estão dispostas no primeiro elemento de suporte (12), mas que são eletricamente isoladas deste e uma da outra, pelo menos uma das quais contém um polímero ou material compósito eletricamente condutor e resistente à corrosão; um dispositivo de controle (15a), que é configurado para aplicar uma tensão de CA entre as duas esteiras condutoras (14), para variar sua frequência ao longo de uma faixa de frequência predeterminada de 100 Hz a 1 MHz e, durante o curso disso, durante a operação do dispositivo de sensor (1), quando este é introduzido no solo (11) para ser analisado de tal forma que as esteiras condutoras (14) fiquem em contato elétrico com o solo (11) a ser analisado, para detectar um espectro de impedância do solo (11) para ser analisado em resposta à tensão de CA aplicada a ele através das esteiras condutoras (14) e para fornecer o espectro de impedância na forma de dados de medição correspondentes.
2. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de sensor compreende ainda um ou mais sensores que são configurados individualmente ou cumulativamente para realizar, simultaneamente às outras medições, uma medição in situ de um caráter ácido ou básico do solo (11) a ser analisado e fornecer os dados de medição correspondentes.
3. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro elemento de suporte é eletricamente condutor, pelo menos em uma área que é coberta pelas esteiras condutoras (14), e o dispositivo de controle (15a) é ainda configurado para aplicar um aterramento de potencial para esta pelo menos uma área durante a detecção do espectro de impedância do solo (11) a ser analisado.
4. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que: o primeiro elemento de suporte é construído como um espigão que, pelo menos em parte, é oco, para pelo menos a introdução parcial no solo (11) a ser analisado, em que uma camada isolante é aplicada à superfície do espigão, e na qual, por sua vez, as duas esteiras condutoras (14) estão dispostas; e o dispositivo de controle (15a) está localizado no interior de uma porção oca do primeiro elemento de suporte (12).
5. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o conjunto de sensor compreende um sensor de temperatura (15c) para detectar uma temperatura do solo (11) a ser analisada, em que este, juntamente com o sensor de impedância, é construído como um conjunto de sensor de impedância/temperatura integrado (3), que é configurado para detectar, simultaneamente e in situ, um espectro de impedância, bem como uma temperatura do solo (11) a ser analisada e para disponibilizá-lo respectivamente na forma dos dados de medição correspondentes.
6. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o conjunto de sensor compreende um conjunto de espectrômetro de absorção (5) para detecção in situ de um espectro de absorção do solo (11) a ser analisado que compreende: pelo menos dois espectrômetros de absorção MEMS (26a, 26b), a cobertura espectral dos quais difere pelo menos para algumas porções do espectro eletromagnético, de modo que um espectro de absorção do solo (11) a ser analisado possa ser detectado cumulativamente pela totalidade dos espectrômetros de absorção MEMS (26a, 26b), cujo espectro de absorção tem porções na faixa NIR, bem como na faixa VIS e também na faixa UV.
7. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o conjunto de espectrômetro de absorção (5) compreende ainda um carreador móvel (4) no qual os espectrômetros de absorção são dispostos de tal forma que, quando o carreador (24) é movido em relação a uma superfície de medição virtual sobre a qual o solo (11) a ser analisado repousa durante a operação de medição do dispositivo de sensor (1), eles possam medir espectrometricamente uma área do solo (11) a ser varrida pelos espectrômetros de absorção para detectar um espectro de absorção que é integrado sobre a área a ser varrida.
8. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que o conjunto de espectrômetro de absorção (5) compreende ainda um dispositivo de obturador móvel (28) que está configurado para mover temporariamente uma tela para um espaço definido entre os espectrômetros de absorção e a superfície de medição, em que uma referência de calibração (29) é disposta na lateral da tela voltada para os espectrômetros de absorção, para a calibração de pelo menos um dos espectrômetros de absorção.
9. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que o conjunto de espectrômetro de absorção (5) compreende ainda um sistema óptico (27) que, em uma faixa de comprimento de onda correspondente ao espectro de absorção a ser detectado, está opticamente transparente, sendo que o sistema óptico (27) é disposto no espaço entre os espectrômetros de absorção e a superfície de medição, a fim de separar espacialmente estes uns dos outros; em que, em seu lado voltado para a superfície de medição, o sistema óptico (27) é dotado de um nano revestimento hidrofílico que melhora a proteção contra arranhões.
10. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o conjunto de sensor compreende um conjunto de medição de potencial (4) para a detecção in situ de um caráter ácido ou básico do solo (11) a ser analisado que compreende: um segundo elemento de suporte (17); um eletrólito/eletrodo de referência de metal (19) que está disposto no ou sobre o segundo elemento de suporte; um eletrodo de óxido de metal (21) que é disposto em uma superfície do segundo elemento de suporte (17), em que a superfície se destina a contatar o solo (11) a ser analisado durante uma operação de medição; um diafragma de íons (20) que é disposto no segundo elemento de suporte entre o eletrodo de óxido de metal (21) e o eletrólito/eletrodo de referência de metal (19) e que está em contato com o eletrólito/eletrodo de referência de metal (19); um eletrodo de calibração resistente à corrosão (22) que é disposto na superfície do segundo elemento de suporte (17) fornecido para contatar o solo (11) a ser analisado e cujo eletrodo de calibração resistente à corrosão (22) é eletricamente isolado do eletrodo de óxido de metal (21); e um dispositivo de medição que está configurado: a fim de determinar um estado atual do eletrodo de óxido de metal (21), para medir uma resistência elétrica que surge entre o eletrodo de calibração (22) e o eletrodo de óxido de metal (21) e/ou para medir uma capacitância elétrica que surge entre eles quando estes dois eletrodos estão, cada um, em contato com o solo (11) a ser analisado; e a fim de determinar um caráter ácido ou básico do solo (11) a ser analisado, medir uma diferença de potencial elétrico que surge entre o eletrodo de referência e o eletrodo de óxido de metal (21), levando em consideração uma calibração de medição previamente determinada com base no estado atual determinado do eletrodo de óxido de metal (21), quando esses dois eletrodos estão, cada um, em contato com o solo (11) a ser analisado.
11. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o eletrodo de calibração (22) é produzido a partir de um material que contém um polímero ou material compósito eletricamente condutor e resistente à corrosão.
12. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o segundo elemento de suporte é construído como um espigão para, pelo menos, a introdução parcial no solo (11) a ser analisado, em que uma camada isolante é aplicada à superfície do espigão, sendo a camada isolante na qual o eletrodo de óxido de metal (21), o diafragma de íons (20) e/ou o eletrodo de calibração (22) estão dispostos.
13. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um dispositivo de comunicação (8) para a transmissão de dados de medição detectados para uma contraparte que é externa em relação ao dispositivo de sensor (1), para avaliação.
14. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de comunicação (8) é configurado para transmitir os dados de medição sem fio por meio de comunicação com base na tecnologia de rádio LoRa e/ou de Internet das Coisas de Banda Estreita, NB-IoT, tecnologia de rádio.
15. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um dispositivo de armazenamento seguro para armazenar, protegido contra acesso não autorizado, uma identificação de dispositivo única do dispositivo de sensor (1) e/ou pelo menos uma chave criptográfica para criptografar dados de medição e/ou metadados transmitidos por meio do dispositivo de comunicação (8).
16. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de comunicação (8) é ainda configurado para gravar, em uma cadeia de blocos agindo como uma contraparte externa, dados de medição e/ou metadados a serem transmitidos, ou para fazer com que outra contraparte externa grave, em uma cadeia de blocos, os dados de medição e/ou metadados transmitidos a ela.
17. Dispositivo de sensor (1), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de sensor (1) é configurado para realizar uma autenticação de um usuário do dispositivo de sensor (1) e para permitir a transmissão de dados de medição e/ou metadados para uma contraparte externa apenas se a autenticação for bem-sucedida.
18. Dispositivo de sensor (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um dispositivo de determinação de posição (7) para determinar uma posição atual do dispositivo de sensor (1) e para fornecer metadados correspondentes que caracterizam a posição.
19. Método implementado por computador para análise de solo, realizado pelo dispositivo de sensor (1) como definido nas reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que compreende: receber dados de medição relativos às seguintes propriedades de solo de um solo (11) a ser analisado: (a) espectro de impedância que indica a resistência da corrente alternada de uma porção do solo a ser medida, em função da frequência (w), em que a sua frequência predeterminada inclui a faixa de 100 Hz a 1 MHz, de uma tensão alternada de medição aplicada à porção do solo; (b) temperatura (c) espectro de absorção em uma faixa espectral que se estende de NIR a UV, NIR-VIS-UV determinar pelo menos uma das propriedades do solo ou pelo menos uma propriedade do solo derivada das mesmas com base em uma combinação dos dados de medição recebidos por meio de fusão de dados, a fim de obter um respectivo resultado de medição para a pelo menos uma propriedade do solo a ser determinada.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: receber dados de medição relativos às seguintes propriedades de solo de um solo (11) a ser analisado: caráter ácido ou básico.
21. Método, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, caracterizado pelo fato de que os dados de medição são detectados por um dispositivo de sensor (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18.
22. Método, de acordo com a reivindicação 19 ou 20, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que é realizado em pelo menos um nó central (33) de uma rede, sendo que pelo menos um nó central (33), a fim de receber os respectivos dados de medição, está configurado para estar em conexão de comunicação (31) com uma pluralidade de dispositivos de sensor (1) para detectar os respectivos dados de medição.
23. Dispositivo (33) para análise de solo, sendo que o dispositivo é caracterizado pelo fato de que é disposto para realizar o método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações 19 a 22.
24. Dispositivo (1, 33), de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que compreende um dispositivo de sensor (1), conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 18, para detectar os dados de medição.
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