ES2571755B1 - Sonda de monitorización continua y en tiempo real de parámetros químicos de interés directamente en terrenos y sistema para la monitorización continua y en tiempo real de dichos parámetros químicos de interés - Google Patents

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Abstract

Sonda de monitorización continua y en tiempo real de parámetros químicos de interés directamente en terrenos y sistema para la monitorización continua y en tiempo real de dichos parámetros químicos de interés.#La sonda de monitorización (1) comprende; un sustrato (2) de FR4 con dos caras; dos pistas (3) de cobre dispuestas en una de las caras del sustrato (2), con un terminal de contacto eléctrico (7) al exterior de la sonda (1); una región conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, con una terminal de contacto eléctrico (8) al exterior de la sonda (1), ocupando la totalidad de la otra cara del sustrato (2); una capa de material pasivante (5) que cubre parcialmente las pistas (3) de cobre y deja descubiertas dos zonas libres (12, 13) de dichas pistas (3), correspondiendo una de dichas zonas libres (12) al terminal de contacto eléctrico (7) de las dos pistas (3) de cobre; y dos elementos sensores ESI (4) sensibles a al menos uno de los parámetros de interés a monitorizar en el terreno, depositados en la otra de las zonas libres (13) de las dos pistas (3) de cobre.

Description

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DESCRIPCION
Sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros qwmicos de interes directamente en terrenos y sistema para la monitorizacion continua y en tiempo real de dichos parametros qwmicos de interes
CAMPO TECNICO DE LA INVENCION
La presente invention esta comprendida en el campo tecnico de la monitorizacion y medicion de parametros de interes en terrenos, y de forma particular en cultivos agricolas.
Mas concretamente, la invencion se dirige a una sonda para la obtencion de information analrtica sobre la composition de suelos de forma continua y en tiempo real, in situ, esto es, directamente en el terreno o cultivo agricola, y a un sistema para la obtencion de dicha informacion por medio de dicha sonda.
ESTADO DE LA TECNICA
La correcta utilization de recursos como el agua y los fertilizantes en la agricultura, fuente principal de sustento de la poblacion mundial, es de gran importancia tanto desde el punto de vista economico (optimization de procesos productivos) como medioambiental (reduction del impacto negativo de los cultivos intensivos). Poder racionalizar el uso de estos recursos aplicando conceptos de la denominada agricultura de precision pasa por la obtencion de informacion util que permita conocer el estado del medio y los cambios que se producen en este en el menor tiempo posible, surgiendo asi lo que hoy en dia se denominan cultivos inteligentes o smartfields.
Para el agricultor, el registro sistematico de informacion le sirve para implementar sistemas de calidad con el objetivo de estandarizar la gestion de procesos productivos, mejorando el flujo de informacion y la toma de decisiones para reducir las perdidas o ineficiencias. Ademas, conocer el estado historico y el actual del medio permite discernir la necesidad o no de fertirrigacion, minimizando costes de produccion.
Para la sociedad, la optimizacion de recursos en agricultura tambien es de vital importancia ya que esta no solo consume gran parte de los recursos hidricos disponibles sino que
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tambien contamina las aguas, especialmente las subterraneas generando un impacto ambiental insostenible.
Tradicionalmente, la obtencion de information analrtica se ha llevado a cabo mediante el muestreo puntual (grab sampling) de zonas accesibles. Posteriormente estas se transportan a un laboratorio equipado para su medida. Todo esto comporta que se alargue el tiempo de analisis y que se obtengan resultados de forma discontinua. Las principales limitaciones de este abordaje clasico son la necesidad de muestreo, conservation y transporte de las muestras, que incrementa drasticamente el coste economico y solo proporciona informacion discreta tanto desde un punto de vista temporal como espacial. Al mismo tiempo, para la monitorizacion de los diferentes parametros resulta imprescindible la utilization de instrumentacion sofisticada caracterizada por un elevado coste de adquisicion y por la necesidad permanente de personal cualificado. Todos estos factores causan que los procedimientos sean lentos, introduciendo una gran demora en la obtencion de la informacion, ademas de resultar muy costosos.
Asi, desde un punto de vista practico y para satisfacer las necesidades del cliente, son necesarias nuevas estrategias analrticas que sean capaces de proporcionar informacion de forma rapida y continua, por ejemplo mediante la simplification del procedimiento analrtico. Ademas, se ha de ser capaz de subministrar solo la informacion que el cliente necesita para aquel problema analrtico concreto, de forma entendible, a un coste asequible y correlacionable con la informacion que se obtendria con el metodo de referencia.
En el ambito de la monitorizacion de parametros en cultivos agricolas, es de gran importancia la obtencion de informacion continua y en tiempo real, in situ, esto es, en el terreno. Conocer el estado del medio, los cambios que se producen en este junto con el historico entre diferentes cosechas, ayuda a conocer las necesidades reales del cultivo sin malbaratar recursos. Es decir, permite saber con certeza las acciones que se deben tomar. Asi, para cubrir esta gran demanda de informacion, se hace necesario el desarrollo de una nueva instrumentation analrtica robusta, portatil y economicamente asequible.
Los costes mas importantes en una explotacion agricola son el riego y la fertilization, siendo este ultimo el mas considerable. Hasta ahora, el abonado de los campos se hace de forma periodica sin conocer si realmente es necesario. Asi, se acostumbra a fertilizar en exceso con los costes que ello conlleva. Ademas, esto no solo representa un sobrecoste economico
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de production sino que lleva aparejado un impacto medioambiental negativo. En los ultimos anos, la excesiva fertilization de los campos junto con el abocamiento indiscriminado de purines ha provocado la contamination de los acwferos subterraneos, especialmente por nitratos, inutilizandolos para su uso como fuentes de agua para consumo humano.
Por lo tanto, disponer de information continua e historica sobre la concentration (tendencias) de diferentes analitos de interes en el suelo permitiria mejorar los procesos productivos y minimizaria los problemas ambientales derivados. Idealmente, la informacion que se necesita es de concentracion/tendencia en el agua del suelo. Ademas, conocer estas concentraciones/tendencias en distintas profundidades del suelo podria ayudar a comprender los procesos responsables de la movilizacion de estas especies a traves del perfil del suelo en funcion de factores tales como la composition de este, la existencia de raices, la humedad, la temperatura, etc.
En el contexto de la presente invention se hara referencia indistintamente al suelo o terreno a monitorizar.
Unos dispositivos instrumentales candidatos potenciales para la monitorizacion ambiental son los sensores quimicos. Estos tienen la ventaja de que son capaces de proporcionar informacion en tiempo real, y que ademas es posible su miniaturization e implementation en equipos portables alimentados por baterias, por lo que pueden ser utilizados fuera del laboratorio.
Un sensor quimico se puede definir como un dispositivo robusto, portatil y facil de utilizar que proporciona informacion continua sobre la concentracion del analito de interes en el medio. Se pueden distinguir dos partes: el elemento de reconocimiento, que interacciona selectivamente con el analito de la muestra, y el transductor que transforma la respuesta en una senal medible normalmente de dominio electrico. Estas partes pueden estar fisicamente separadas o integradas en el transductor propiamente dicho. La informacion que se transmita sera de tipo cuantitativo ya que la magnitud de esta estara relacionada con la concentracion (o actividad) de la especie de interes.
Los sensores quimicos, ademas de proporcionar una respuesta rapida, ser economicos y suficientemente selectivos, tambien son capaces de simplificar drasticamente las etapas del procedimiento analrtico, reduciendolas al reconocimiento del analito y la transduction de la
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senal generada por este reconocimiento.
Existen varios tipos de sensores qdmicos (electricos, opticos, masicos y termicos). Entre estos, los sensores electroqdmicos resultan especialmente atractivos debido a su simplicidad tanto instrumental como operacional y a su bajo coste. Ademas, ya han alcanzado un estadio comercial y se pueden utilizar para un gran numero de aplicaciones en el ambito clmico, industrial, medioambiental y agricola.
Dentro de los sensores electroqdmicos se pueden distinguir los sensores voltamperometricos, conductimetricos y potenciometricos, siendo estos ultimos uno de los mas interesantes.
La expresion teorica que relaciona cuantitativamente senal y actividad/concentracion en la tecnica potenciometrica es la ecuacion de Nernst (Ec. 1). La sensibilidad teorica para iones monovalentes es de 59.16 mv/decada de concentration a 25°C.
EM = k + • log[af] (Ec. 1)
zit
donde EM es el potencial subministrado per el electrodo indicador, k es una constante, R es la constante de los gases (8.314 J/Kmol), T la temperatura, F es la constante de Faraday (9.6487 104 C mol-1), Zj y a\ son la carga y la actividad del ion principal (o analito) respectivamente.
En los sensores potenciometricos, la senal medida, usando un voltimetro de alta impedancia, se corresponde con la diferencia de potencial entre el electrodo indicador y el electrodo de referencia. Es decir, el electrodo de referencia representa la mitad de la celda y tiene la misma importancia operativa que el electrodo indicador.
Los electrodos selectivos de iones (ESI) son un tipo de sensores potenciometricos y estan constituidos por membranas que se caracterizan por generar un potencial electrico de membrana en funcion de la actividad/concentracion de una determinada especie existente en el medio en contacto con ellas. No obstante, tambien pueden modificar el potencial generado en presencia de otras especies (interferentes) aunque en menor medida, es decir, las senales generadas por la membrana son selectivas pero no espedficas.
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Los sensores potenciometricos estan caracterizados por dar information sobre la actividad o concentration de especies en forma ionica y no del contenido total de estas especies. Este hecho es de gran importancia ya que la informacion que proporcionan estos dispositivos esta directamente relacionada con las formas bioaccesibles de nitrogeno, fosforo, carbono, etc. Asi, la monitorizacion de iones como nitrato, potasio, calcio, cloruro, fosfato, o bicarbonato en suelo permite conocer la concentracion de las especies que estan realmente disponibles para su consumo por las raices del cultivo. Por el contrario, las tecnicas de referencia empleadas actualmente proporcionan informacion del contenido total, lo cual no da la informacion que realmente se necesita.
Estos sensores tambien se utilizan en la determination de los parametros de interes en disoluciones obtenidas por extraction directa o secuencial de muestras discretas tomadas del suelo pero el proceso es muy laborioso y conlleva un coste de mano de obra elevado. La concentracion medida en estas condiciones depende, en cualquier caso, de la disolucion de extractante utilizada y altera las condiciones reales de absorcion de los nutrientes por parte de los cultivos.
La presente invention resuelve los problemas anteriores mediante una sonda y sistema de monitorizacion que permite obtener de forma rapida informacion continua e historica sobre la concentracion (tendencias) de diferentes analitos de interes en el suelo, y en particular informacion sobre la concentracion de las especies que estan realmente disponibles para su consumo por parte de las raices de un cultivo, permitiendo asi mejorar los procesos productivos y minimizando los problemas ambientales derivados del uso excesivo de la fertilizacion.
Asimismo, la sonda y sistema de la invencion conforman una instrumentation analrtica robusta, portatil y economicamente asequible.
RESUMEN DE LA INVENCION
Para la monitorizacion continua de los analitos o parametros de interes directamente en terrenos, se propone el uso de lo que se han denominado "sondas de nutrition”. Estas sondas tienen que funcionar correctamente a la intemperie, total o parcialmente enterradas en el suelo. Por lo tanto, la sonda se ha disenar para que las zonas sensibles desde un punto de vista electrico esten totalmente aisladas de la humedad, derivada no solo de la
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humedad climatica sino tambien de la provocada por el riego del cultivo. Ademas, para el correcto funcionamiento de la sonda de nutricion a medio y largo plazo tambien se han de tener en cuenta el impacto de la fauna bacteriana y microbiologia propia del suelo en la respuesta/operatividad de la sonda.
Asimismo, dada la complejidad y variabilidad de la composition de los suelos, asi como la dureza de las condiciones ambientales en que se realizan las medidas continuas e in situ con las sondas, los niveles de exactitud y precision obtenidos no pueden ser los exigibles en condiciones controladas de laboratorio. Asi, se puede considerar que las medidas en campo proporcionan information continua y en tiempo real sobre la evolution de la concentracion de la especie de interes en el suelo, y por tanto la sonda de la invencion debe considerarse como un dispositivo de diagnostico o cribado (screening). Esta informacion muestra la variation de dicha concentration por lixiviacion a traves del perfil del suelo o por absorcion por el cultivo con un nivel de precision equiparable al de otros sistemas analrticos de aplicacion medioambiental disenados para la adquisicion de informacion in situ y en tiempo real. Esta informacion semicuantitativa permite tomar en tiempo real medidas correctivas necesarias, en terminos de fertirrigacion, para optimizar el coste de produccion y limitar el impacto medioambiental negativo
La invention proporciona una solution a los problemas mencionados en el apartado anterior por medio de una sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno segun la reivindicacion 1, un sistema de monitorizacion continua y en tiempo real segun la reivindicacion 8, y un metodo para la monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno segun la reivindicacion 12. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas de la invencion.
Asi, en un primer aspecto inventivo, la invencion presenta una sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno que comprende,
un sustrato con al menos dos caras,
al menos una pista de material conductor dispuesta en al menos una de las al menos dos caras del sustrato, con un zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico al exterior de la sonda,
una region conductora con funciones de electrodo de referencia, con una zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico al exterior de la sonda,
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al menos una capa de material pasivante dispuesta de modo que cubre parcialmente la al menos una pista de material conductor y deja descubiertas al menos dos zonas libres de la misma, correspondiendo una de dichas zonas libres al terminal de contacto electrico de la al menos una pista de material conductor, y
al menos un elemento sensor sensible a al menos uno de los parametros de interes a monitorizar en el terreno, depositado en al menos una de las zonas libres de la al menos una pista de material conductor.
Esta sonda permite la monitorizacion continua de los parametros o analitos de interes (nitrato, potasio, calcio, cloruro, fosfato, bicarbonato, etc.) directamente en terrenos, de forma economica y sencilla. La sonda permite la medida de una gran variedad de parametros de interes, con solo seleccionar el elemento sensor adecuado, esto es, sensible al parametro de interes a medir, y funciona correctamente a la intemperie, total o parcialmente enterrada en el suelo.
En el contexto de la invencion, la al menos una pista de material conductor puede ser de cualquier metal o composite polimerico conductor, o en general de cualquier sustancia conductora sobre la que pueda depositarse y adherirse adecuadamente el al menos un elemento sensor. Un alguna realization la al menos una pista de material conductor es una lamina de metal, concretamente un laminado flexible compuesto por lamina de cobre forjado (laminado) y electrodepositado.
La zona donde se deposita el elemento sensor o membrana puede identificarse en la presente invencion como transductor o soporte conductor interno del elemento sensor o membrana. Dicha zona es un segmento de la pista de material conductor no recubierto por la capa de material pasivante.
El sustrato puede estar realizado con un amplio abanico de materiales tanto rigidos como flexibles. Entre otros materiales para el sustrato pueden citarse los siguientes:
- Materiales rigidos. Materiales laminados como BT-epoxi, materiales epoxi compuestos, CEM-1,5, Cianato Ester, FR-2 o FR-4.
- Materiales flexibles: poliester (PET), poliimida (PI), naftalato de polietileno (PEN), polieterimida (PEI), junto con varios fluoropolimeros (FEP) y copolimeros de peliculas de poliimida.
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En una realization particular de la sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, el sustrato es FR4, la al menos una region conductora con funciones de electrodo de referencia tiene propiedades biocidas y el al menos un elemento sensor es un electrodo selectivo de iones (ESI). Preferentemente la pista de material conductor y la region conductora con funciones de electrodo de referencia son de cobre.
En otra realizacion, la al menos una pista de material conductor, y la al menos una region conductora con funciones de electrodo de referencia, son metalicos, como el cobre, plata, oro, etc...; o no metalicos, como por ejemplo tintas y composites de grafito, polimeros conductores o nanomateriales conductores, como por ejemplo nanoparticulas metalicas, nanotubos de carbono, o grafeno.
El FR4 es un material economicamente asequible y de production en masa, consistente en hojas de un material compuesto de tela de fibra de vidrio tejida con un aglutinante de resina epoxi. Este material se caracteriza por ser resistente a la llama y por un porcentaje de absorcion del agua inferior al 0.1%. Ademas, es capaz de retener las cualidades de aislamiento electrico tanto en condiciones secas como humedas. Sobre el FR4 se disponen la al menos una pista de material conductor.
La mecanizacion del substrato FR4, es decir, la definition de sus estructuras conductoras, se pude llevar a cabo mediante ablation laser o por ataque quimico.
Ventajosamente, la election de este material para el sustrato proporciona una sonda estructuralmente resistente para su utilization en campo y un buen funcionamiento a la intemperie, total o parcialmente enterrada en el terreno, dado su bajo coeficiente de absorcion de agua, y sus buenas cualidades de aislamiento electrico en condiciones humedas.
La region conductora que actua como electrodo de referencia, tienen propiedades biocidas, esto es, actua como bactericida, evitando que las bacterias del terreno degraden partes sensibles de la sonda como son los elementos sensores, hecho de gran importancia para el buen funcionamiento de la sonda a corto y largo plazo.
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La al menos una region conductora que actua como electrodo de referencia esta dispuesta en una de las caras, en algunas de ellas, o en todas ellas. En una realization, la al menos una region conductora ocupa preferentemente la totalidad de una de las caras del sustrato. Ventajosamente esto permite una mejor funcion como electrodo de referencia, lo cual es de gran importancia para el funcionamiento de la sonda.
En una realizacion de la invention, la sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno comprende dos elementos sensores ESI.
Ventajosamente esta realizacion aporta una versatilidad mayor en el sentido de que cada elemento sensor puede ser sensible al mismo o a distintos parametros de interes.
En otra realizacion de la invencion la sonda de monitorizacion comprende mas de un elemento sensor, dispuestos a la misma altura con respecto a la configuration dimensional de la sonda. Ventajosamente esta realizacion aporta una versatilidad mayor en el sentido de que cada elemento sensor puede ser sensible al mismo o a distintos parametros de interes. Ventajosamente, en el caso de ser al menos dos de los elementos sensores sensibles al mismo parametro de interes, la realizacion permite un mayor numero de medidas y por tanto una mayor grado de precision del parametro de interes medido en el area de trabajo de los elementos sensores.
En aun otra realizacion de la invencion, la sonda de monitorizacion comprende mas de un elemento sensor, y estos estan dispuestos a diferentes alturas.
Ventajosamente, esta realizacion permite la monitorizacion a diferentes profundidades del terreno.
En otra realizacion de la invencion, la sonda de monitorizacion comprende mas de un elemento sensor, y cada elemento sensor es sensible a un mismo parametro de interes del terreno.
Ventajosamente, esta realizacion permite la realizacion de un mayor numero de medidas y por tanto una mayor grado de precision del parametro de interes medido en el area de trabajo de los elementos sensores.
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En otra realization de la invention, la sonda de monitorizacion comprende mas de un elemento sensor, y cada elemento sensor es sensible a un parametro de interes distinto del suelo.
Ventajosamente, esta realizacion aporta una mayor versatilidad a la sonda de monitorizacion dado que con la misma sonda puede obtenerse information de distintos parametros de interes.
Por ultimo, en todavia otra realizacion de la invencion, la sonda de monitorizacion comprende un receptaculo adaptado para alojar una portion de suelo del terreno a monitorizar, cerca del al menos un elemento sensor de la sonda de monitorizacion.
Esta realizacion permite mantener la porcion de suelo que aloja el receptaculo proxima al al menos un elemento sensor. De esta forma, la porcion de suelo en contacto con la membrana no puede ser arrastrada por el agua de fertirrigacion o lluvia.
Adicionalmente, el receptaculo comprende en una zona sustancialmente inferior del mismo una zona porosa a liquidos para permitir la evacuation de agua de lluvia o de fertirrigacion.
En un segundo aspecto de la invencion se proporciona un sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno que comprende, al menos una sonda de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno segun el primer aspecto inventivo, y
al menos un circuito electronico en conexion con la sonda de monitorizacion, para la adquisicion y adaptation de al menos dos senales electricas producidas por dicha sonda de monitorizacion.
Ventajosamente este segundo aspecto de la invencion, permite la monitorizacion continua de los parametros o analitos de interes (nitrato, potasio, calcio, cloruro, fosfato, bicarbonato, etc.) directamente en terrenos, por medio de la adquisicion y adaptacion de al menos dos senales electricas producidas por la sonda, de forma economica, versatil y sencilla.
En una realizacion del sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, la conexion del al menos un circuito electronico con la al menos una sonda es electrica y se realiza a traves de los terminales de contacto de la
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sonda.
Ventajosamente, esta realization permite una rapida, economica y sencilla conexion de la sonda de monitorizacion con el circuito electronico de adquisicion y adaptation de las dos senales electricas producidas por dicha sonda de monitorizacion.
En una realizacion del sistema de monitorizacion la conexion del al menos un circuito electronico con la al menos una sonda es a traves de una conexion inalambrica (p.ej. XBee, ZBee, Bluetooth, Wi-fi, RFID, etc.).
Ventajosamente, esta realizacion permite una conexion entre la sonda y el circuito electronico de adquisicion y adaptacion de las dos senales electricas producidas por dicha sonda de monitorizacion, mas sencilla y economica, y sin la necesidad de establecer una conexion cableada entre ambos elementos.
En otra realizacion de la invention, el sistema de monitorizacion comprende un dispositivo registrador de datos en conexion con el circuito electronico para la adquisicion y adaptacion de las senales electricas producidas por la sonda de monitorizacion. Alternativamente, el registro de los datos se hace en un equipo registrador de datos, como un ordenador, en el cual se almacena toda la information procedente del circuito electronico para la adquisicion y adaptacion de las senales electricas producidas por la sonda de monitorizacion. Del mismo modo, tanto el dispositivo registrador de datos como el ordenador, estan adaptados para recibir senales de diferentes sondas secuencial o simultaneamente. Estas realizaciones aportan como ventaja la posibilidad de registrar localmente todos los datos de mediciones realizadas por la sonda, asi como la posibilidad de acceder a dichos datos desde cualquier dispositivo con acceso a internet.
En una realizacion, la conexion del al menos un circuito electronico para la adquisicion y adaptacion de las senales electricas con el dispositivo registrador de datos se realiza mediante cables o de forma inalambrica (p.e. XBee, ZBee, Bluetooth, Wi-fi, RFID, etc.).
La conexion por cables permite una rapida, economica y sencilla conexion del circuito electronico de adquisicion y adaptacion de las senales electricas con el dispositivo registrador de datos.
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Por otra parte, la conexion inalambrica permite una conexion entre el circuito electronico de adquisicion y adaptation de las dos senales electricas producidas por dicha sonda de monitorizacion y el dispositivo registrador de datos, mas sencilla y economica, y sin la necesidad de establecer una conexion cableada entre ambos elementos.
En otra realization, el circuito electronico para la adquisicion y adaptacion de las al menos dos senales electricas producidas por la sonda de monitorizacion esta fisicamente comprendido en la propia sonda.
En un tercer aspecto de la invencion se proporciona un metodo para la monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a. Proveer un sistema de monitorizacion segun el segundo aspecto inventivo,
b. instalar la sonda en el terreno a monitorizar, y
c. recolectar los datos procedentes del terreno siendo monitorizado por medio del dispositivo registrador de datos o un sistema local de almacenamiento de datos.
Ventajosamente este tercer aspecto de la invencion, permite la monitorizacion continua de los parametros o analitos de interes (nitrato, potasio, calcio, cloruro, fosfato, bicarbonato, etc.) directamente en terrenos, por medio de la adquisicion y adaptacion de al menos dos senales electricas producidas por la sonda, de forma economica, versatil y sencilla, registrando a nivel local todos los datos de mediciones realizadas por la sonda de monitorizacion.
En una realizacion del metodo para la monitorizacion continua de parametros de interes directamente en terreno la instalacion de la sonda en el terreno a monitorizar comprende las siguientes etapas:
. Realizar un orificio en el terreno de dimensiones suficientes para albergar a la sonda, y con una profundidad dependiente del perfil del terreno en el que se desea monitorizar los parametros de interes,
. Obtener un fango viscoso mediante la mezcla de una fraction tamizada de terreno a monitorizar y agua,
. Introducir la sonda en el orificio realizado en el terreno,
. Rellenar el orificio con la sonda en su interior, con el fango viscoso, y . Cubrir la zona del orificio con la sonda rellena con el fango viscoso, con una portion
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de tierra del propio terreno.
En otra realization de la invention, la fraction tamizada del terreno a monitorizar tiene un tamano de particula comprendido preferentemente entre 15 y 200 micras.
Ventajosamente, este rango de tamanos de parricula permite que el contacto entre el agua del suelo y el elemento sensor, o membrana, sea adecuado. Parriculas de tamano superior podrian provocar una reduction de la zona de elemento sensor expuesto a la disolucion.
Todas las caracteristicas y/o las etapas de metodos descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, description y dibujos) pueden combinarse en cualquier combination, exceptuando las combinaciones de tales caracteristicas mutuamente excluyentes.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Para complementar la descripcion que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invencion, de acuerdo con un ejemplo preferente de realizacion practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1A Esta figura muestra un ejemplo de una sonda de monitorizacion de la invencion, con un detalle en seccion de la misma.
Figura 1B Esta figura muestra un ejemplo de una sonda de monitorizacion de la invencion comprendiendo un receptaculo adaptado para alojar una portion de suelo del terreno a monitorizar cerca del al menos un elemento sensor.
Figura 2 Esta figura muestra diagramas de bloques de distintas configuraciones para la comunicacion de datos de la sonda de monitorizacion de la invencion con el circuito de adquisicion de datos y/o el dispositivo registrador de datos.
Figura 3 Esta figura muestra una representation esquematica del sistema de monitorizacion de la invencion con envio remoto de la information obtenida.
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Figura 4 Esta figura muestra un ejemplo de realization de la sonda de monitorizacion de la invention en la que se aprecian dos pistas de material conductor sin elemento sensor.
Figura 5 Esta figura muestra rectas de calibration obtenidas en disolucion con unas sondas de monitorizacion realizadas segun la invencion.
Figura 6 Esta figura muestra la respuesta de una de las sondas realizadas segun la invencion, al ser calibradas en el terreno.
Figura 7 Esta figura muestra un diagrama de bloques de un circuito electronico de adaptation y captation de las senales electricas producidas por una sonda de monitorizacion segun la invencion.
Figura 8 Esta figura muestra la secuencia para la instalacion en campo de una sonda segun la invencion.
Figuras 9A-9C Esta figura muestra tres ejemplos A), B) y C) de graficos obtenidos por un registrador de datos conectado a un sistema de monitorizacion segun la invencion.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
La sonda de monitorizacion (1) segun la invencion, como se puede apreciar en la realizacion de la figura 1, comprende, un sustrato (2) con dos caras, una pluralidad de pistas de material conductor (3) dispuestas en una de las dos caras del sustrato (2), con un zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (7) al exterior de la sonda (1), y una region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, con una zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (8) al exterior de la sonda (1).
Asimismo, la sonda comprende una capa de material pasivante (5) dispuesta de modo que cubre parcialmente la pluralidad de pistas de material conductor (3) y deja descubiertas al menos dos zonas libres (12, 13) de dichas pistas de material conductor (3), correspondiendo una de dichas zonas libres (12) al terminal de contacto electrico (7) de la pluralidad de pistas de material conductor (3).
La sonda tambien comprende una pluralidad de elementos sensores (4) sensibles a al
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menos uno de los parametros de interes a monitorizar en el terreno, depositados en la otra de las zonas libres (13) de la pluralidad de pistas de material conductor (3).
En una realization particular, el sustrato (2) es FR4, la pluralidad de pistas conductoras (3) y la region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, son de cobre, y el elemento sensor (4) es un electrodo selectivo de iones o ESI.
En otra realizacion, la region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, ocupa la totalidad de la otra cara del sustrato (2).
En estas realizaciones, cada uno de los elementos sensores (4) requiere una pista conductora (3) para poder extraer la senal, junto con la senal que igualmente se extraera de la region conductora (6), hacia el correspondiente circuito electronico (9) de adquisicion y adaptation de las dos senales electricas producidas por dicha sonda (1) de monitorizacion.
En estas realizaciones, el cobre de la region conductora (6) cumple varias funciones. La primera funcion de esta region es la de actuar como electrodo de referencia (Cu/CuO), siendo este de igual importancia en el funcionamiento del sensor que el propio elemento sensor ESI.
La segunda funcion que cumple el cobre de la region conductora (6) es la funcion biocida o bactericida, evitando que las bacterias del terreno degraden partes sensibles de la sonda como son las membranas de los elementos sensores ESI, hecho este de gran importancia para el buen funcionamiento de la sonda de monitorizacion (1) a corto y largo plazo.
Finalmente, la tercera y ultima funcion de esta region conductora (6) es la de actuar de tierra/masa para el sistema de monitorizacion, apantallando las senales suministradas por la sonda (1) y generando senales poco afectadas por el ruido electrico.
En un ejemplo de realizacion, las pistas conductoras (3) comprenden al menos dos capas de material conductor depositadas sucesivamente sobe el sustrato (2).
Por otra parte, la sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno segun alguna de las realizaciones anteriores se conecta con un circuito electronico (9) para la adquisicion y adaptacion de las dos senales electricas
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producidas por dicha sonda (1) de monitorizacion, conformando el sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno.
La conexion electrica del circuito electronico (9) con la sonda (1) se realiza a traves de los terminales de contacto (7,8) de la sonda (1).
En otra realization, el sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno comprende adicionalmente un dispositivo registrador de datos (10) en conexion con el circuito electronico (9) para la adquisicion y adaptation de las senales electricas producidas por la sonda (1) de monitorizacion.
En las figuras 2A a 2E pueden verse distintas realizaciones para la comunicacion de datos desde la sonda (1) de monitorizacion con el circuito de adquisicion de datos (9) y/o el dispositivo registrador de datos (10) u ordenador para almacenamiento de datos.
La figura 2 A) muestra una realizacion en la que la sonda (1) de monitorizacion se comunica por cable con el circuito de adquisicion de datos (9), y este a su vez con el dispositivo registrador de datos (10) tambien por cable. A su vez, el dispositivo registrador de datos (10) dispone de un modulo de comunicaciones (11) para la transmision de los datos registrados, preferentemente de forma inalambrica, a un ordenador o sistema local de almacenamiento de informacion.
La figura 2 B) muestra una realizacion alternativa en la que la comunicacion entre el circuito de adquisicion de datos (9) y el dispositivo registrador de datos (10) es inalambrica.
La figura 2 C) muestra una realizacion en la que el circuito de adquisicion de datos (9) dispone de un emisor (19) para comunicacion directa, esto es, sin la intervention de un dispositivo registrador de datos, e inalambrica con un equipo receptor de datos, como un ordenador tipo PC, que dispone a tal efecto de un receptor (20).
La figura 2 D) muestra una realizacion con una pluralidad de sondas (1) de monitorizacion, en la que, algunas de las sondas (1) se comunican por cable con un circuito de adquisicion de datos (9), y estos a su vez tambien por cable o inalambricamente con un dispositivo registrador de datos (10). A su vez, el dispositivo registrador de datos (10) dispone de un modulo de comunicaciones (11) para la transmision de los datos registrados,
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preferentemente de forma inalambrica.
La figura 2 E) muestra una realization tambien con una pluralidad de sondas (1) de monitorizacion, en la que de las sondas (1) se comunican por cable con un circuito de adquisicion de datos (9), y estos a su vez de forma directa e inalambrica con un equipo receptor de datos, como un ordenador tipo PC. Para ello cada circuito de adquisicion de datos (9) dispone de un emisor (19) y el equipo receptor de datos de un receptor (20).
Por ultimo, en otra realizacion de la invention, como puede apreciarse en la figura 1B, la sonda de monitorizacion comprende un receptaculo (14) adaptado para alojar una portion de suelo del terreno a monitorizar, cerca del elemento sensor (4) de la sonda (1) de monitorizacion. Esta realizacion permite mantener la porcion de suelo que aloja el receptaculo proxima al al menos un elemento sensor, asegurando la estabilidad de la zona de medida evitando que se pierda el contacto elemento sensor-suelo por arrastre de este ultimo durante el proceso de fertirrigacion o por agua de lluvia.
Asimismo, dicho receptaculo (14) puede comprender en una zona sustancialmente inferior del mismo una zona porosa (15) a liquidos para permitir la evacuation del agua de lluvia o de fertirrigacion.
Ensayo con sondas de monitorizacion (medida de Nitrato y Potasio) - Preparacion.
En el ejemplo de realizacion mostrado en la figura 4, la sonda de monitorizacion (1) comprende, un sustrato (2) de FR4 con dos caras, dos pistas (3) de cobre dispuestas en una de las dos caras del sustrato (2), con un zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (7) al exterior de la sonda (1), y una region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, con una zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (8) al exterior de la sonda (1), ocupando la totalidad de la otra cara del sustrato (2).
Asimismo, en este ejemplo de realizacion la sonda comprende una capa de material pasivante (5) dispuesta de modo que cubre parcialmente las dos pistas (3) de cobre y deja descubiertas dos zonas libres (12, 13) de las dos pistas de cobre (3), correspondiendo una de dichas zonas libres (12) al terminal de contacto electrico (7) de las dos pistas (3) de cobre; y dos elementos sensores ESI (4) sensibles a al menos uno de los parametros de interes a monitorizar en el terreno, depositados en la otra de las zonas libres (13) de las dos
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pistas (3) de cobre.
En el extremo de la sonda (1), concretamente en los terminales de contacto (7, 8), se soldaron los cables electricos que comunican cada uno de los elementos sensores ESI (4) de la sonda (1) y la region conductora (6) que actua como electrodo de Referencia, con el circuito electronico (9) de adquisicion y adaptation de las senales electricas.
En la sonda (1) se depositaron en las zonas libres (13) los elementos sensores ESI (4), en este ensayo, sensibles a potasio y nitrato. Se dejo secar el conjunto durante 24h, y se procedio a la verification del funcionamiento de la sonda (1).
Destacar que, en funcion de los analitos/parametros de interes, se preparan las membranas utilizando diferentes ionoforos y, en caso de utilizar membranas basadas en PVC, diferentes plastificantes. Alternativamente, tambien se puede preparar la membrana o elemento sensor utilizando en su composition polimeros fotocurables, en lugar del PVC lo que permite una mayor automatizacion del proceso de deposicion.
Ensayo con sondas de monitorizacion (medida de Nitrato y Potasio) - Verificacion del funcionamiento de las sondas.
Para verificar el correcto funcionamiento de las sondas fue necesario caracterizar su respuesta sumergida en disoluciones acuosas mediante su calibration frente a disoluciones patron de diferente concentration de las especies de interes. La curva de calibracion permitio establecer el rango de trabajo con respuesta lineal y determinar el limite de detection de la sonda (1). La figura 5 presenta la recta de calibracion para ambos analitos obtenida en disolucion con la sonda (potasio y nitrato, respectivamente).
En general, todas las sondas presentaron un comportamiento muy similar al presentado en la figura 5. Como se muestra en los calibrados, los elementos sensores ESI (4) son capaces de responder a concentraciones hasta el rango de 10-6 M tanto de nitrato como de potasio, mostrando una amplia zona de respuesta lineal. Ademas, despues de un estudio de la respuesta de ambos elementos sensores ESI (4) se descarto una influencia significativa de potenciales interferentes comunes, como el cloruro y el amonio, en la respuesta de los elementos sensores ESI (4) de nitrato y potasio, respectivamente.
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A continuacion, para verificar la operatividad de las sondas en la monitorizacion de nitrato y potasio directamente en el terreno, se realizo la calibracion de una sonda (1) en suelo (terreno) proveniente de una explotacion de dtricos. Con este proposito, se inserto la sonda (1) en terreno fertil, aplicando secuencialmente disoluciones con concentraciones crecientes de KNO3. En los graficos de la figura 6 se observan los cambios de la senal generada en cada elemento sensor ESI (4) de la sonda (1) debido a los cambios en la concentracion de la disolucion del terreno.
Adaptacion de la senal para su adquisicion con un registrador de datos (datalogger).
Las sondas (1) fueron instaladas en campo y conectadas a un dispositivo registrador de datos o datalogger (10). Este es un dispositivo electronico que registra datos en tiempo real provenientes de instrumentos y sensores propios o externos conectados al dispositivo. Por lo general son pequenos, con pilas, portatiles, y equipados con un microprocesador y memoria interna para almacenamiento de datos. Estos dataloggers se comunican con un ordenador personal y utilizan software espedfico para activar el registrador de datos, visualizar estos y analizar los datos recogidos.
Uno de los principales beneficios del uso de registradores de datos es la capacidad para recopilar automaticamente information las 24 horas del dia. Tras la activation, los registradores de datos normalmente se dejan sin vigilancia para medir y registrar la informacion durante toda la duration del periodo de seguimiento. Esto permite una vision global y precisa de las condiciones objeto de seguimiento, tales como la temperatura, la conductividad electrica del suelo, la humedad relativa o, como en nuestro caso, la evolution de analitos de interes en el propio terreno.
No obstante, las senales generadas por los sensores ESI (4) poseen una impedancia de salida muy elevada, por lo que para algunos dataloggers comerciales es necesario acondicionar previamente la senal. Este acondicionamiento electronico de la senal permite compatibilizar y acoplar las impedancias de trabajo de los dispositivos implicados.
Para solucionar esta y otras limitaciones se diseno y fabrico una placa electronica acondicionadora de la senal. Esta consiste en un amplificador de instrumentation (17) por cada elemento sensor ESI (14, 15) que permite leer las senales diferenciales flotantes generadas por ellos. Debido a que el rango de trabajo de los elementos sensores ESI (14,
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15) se encuentra entre -1 y 1V, fue necesario integrar tambien un sumador de tension (18) que adecuara las senales al rango de trabajo del convertidor analogico/digital en las entradas del datalogger (0-2.5 V). De esta manera, a las senales de salida de los amplificadores operacionales del amplificador de instrumentation (17) se les suma un potencial de ajuste..
La figura 7 muestra un diagrama de bloques del funcionamiento de la electronica desarrollada para el ensayo con una sonda (1) con elementos sensores ESI (14, 15) sensibles respectivamente a nitrato y potasio. Las senales diferenciales flotantes se obtienen de los dos elementos sensores ESI (14, 15) y la senal de referencia (16), senales que se amplifican en los correspondientes amplificadores de instrumentacion (17) a cuya salida, se le aplica el sumador de tension (18). La salida del sumador de tension se conecta al datalogger (10).
El diseno del circuito impreso se realizo utilizando elementos de montaje superficial (SMD) con la finalidad de reducir las dimensiones de este y seleccionando los elementos mas adecuados para minimizar al maximo los efectos del ruido instrumental. Asi, el circuito impreso contenia dos conectores, uno conectado directamente a la sonda (1) y el segundo conectado directamente al datalogger (10).
La respuesta de las placas de acondicionamiento fabricadas se evaluo electronicamente sometiendolas a distintos niveles de tension de entrada y monitorizando el comportamiento de la salida. En todos los casos tanto la pendiente como el offset coincidieron con lo esperado de acuerdo al diseno realizado.
Puesto que tanto la sonda (1) como el circuito electronico (9) deben instalarse a la intemperie, fue necesario encapsular este circuito en una caja hermetica (Norma IP 67) para su protection contra los factores ambientales.
Instalacion de las sondas de monitorizacion en campo.
Para la instalacion de las sondas (1) en campo, como se puede apreciar en la figura 8, se siguieron las siguientes etapas:
a) Se realizo un orificio utilizando un tubo metalico hueco con un diametro suficiente
para que pudiera caber la sonda (1) en el orificio que este deja.
b) La profundidad de este orificio depende del perfil de terreno en que se va a practicar la monitorizacion de los parametros de interes.
c) Se tomo una fraccion del terreno de cultivo y se tamizo tomando una fraccion entre 50 y 200 ^m, se anadio agua y se removio para obtener un fango viscoso,
d) Se coloco la sonda (1) en el orificio,
e) Se cubrio la sonda (1) con el fango tamizado, y
f) Finalmente, se acabo de cubrir con tierra del propio terreno de cultivo.
10 En el ensayo mostrado en secuencia en la figura 8 se instalaron sondas a 15 y a 30 cm de profundidad.
Posteriormente se conecto la sonda (1) al circuito electronico (9) de adquisicion y adaptation de la senal electrica procedente de la sonda (1), y este a su vez al datalogger (10).
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La graficas A), B) y C) de la figura 9 muestran ejemplos de graficos obtenidos con distintos dispositivos registradores de datos (10) o dataloggers. Estos graficos muestran la respuesta a obtenida utilizando ESIs de nitrato de y potasio en diferentes tipos de cultivos e instaladas en diferentes profundidades del suelo.
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Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno que comprende,
    un sustrato (2) con al menos dos caras,
    al menos una pista de material conductor (3) dispuesta en al menos una de las al menos dos caras del sustrato (2), con un zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (7) al exterior de la sonda (1),
    una region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, con una zona adaptada para actuar como terminal de contacto electrico (8) al exterior de la sonda (1),
    al menos una capa de material pasivante (5) dispuesta de modo que cubre parcialmente la al menos una pista de material conductor (3) y deja descubiertas al menos dos zonas libres (12, 13) de la misma, correspondiendo una de dichas zonas libres (12) al terminal de contacto electrico (7) de la al menos una pista de material conductor (3), y
    al menos un elemento sensor (4) sensible a al menos uno de los parametros de interes a monitorizar en el terreno, depositado en al menos una de las zonas libres (13) de la al menos una pista de material conductor (3).
  2. 2. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun la reivindicacion 1, caracterizada porque,
    el sustrato (2) es FR4,
    la al menos una region conductora (6) con funciones de electrodo de referencia, tiene propiedades biocidas y es preferentemente de cobre, y
    el al menos un elemento sensor (4) es un electrodo selectivo de iones (ESI).
  3. 3. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la al menos una region conductora (6) ocupa preferentemente la totalidad de una de las caras del sustrato (2).
  4. 4. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cuando comprende mas de un elemento sensor (4) estan dispuestos a la misma o a diferente altura, permitiendo en este ultimo caso la monitorizacion a diferentes profundidades del terreno.
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  5. 5. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cuando comprende mas de un elemento sensor (4), cada elemento sensor (4) es sensible, a un mismo parametro de interes del terreno, o a un parametro de interes del terreno distinto.
  6. 6. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende un receptaculo (14) adaptado para alojar una porcion de suelo del terreno a monitorizar, cerca del al menos un elemento sensor (4) de la sonda (1) de monitorizacion.
  7. 7. - Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun la reivindicacion 6, caracterizada porque el receptaculo (14) comprende en una zona sustancialmente inferior del mismo una zona porosa (15) para permitir la evacuacion del agua de lluvia o de fertirrigacion.
  8. 8. - Sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno caracterizado porque comprende,
    al menos una Sonda (1) de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, y
    al menos un circuito electronico (9) en conexion con la sonda (1) de monitorizacion, para la adquisicion y adaptation de al menos dos senales electricas producidas por dicha sonda (1) de monitorizacion.
  9. 9. - Sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun la reivindicacion 8, caracterizado porque la conexion del al menos un circuito electronico (9) con la al menos una sonda (1) es, electrica a traves de los terminales de contacto (7,8) de la sonda (1), o inalambrica.
  10. 10. - Sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, caracterizado porque adicionalmente comprende un dispositivo registrador de datos (10) o un sistema local de almacenamiento de datos, en conexion con el circuito electronico (9) para la
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    adquisicion y adaptation de una senal electrica producida por la sonda (1) de monitorizacion.
  11. 11. - Sistema de monitorizacion continua y en tiempo real de parametros de interes directamente en terreno, segun la reivindicacion 10, caracterizado porque la conexion del dispositivo registrador de datos (10) con el al menos un circuito electronico (9) es por cable o inalambrica.
  12. 12. Metodo para la monitorizacion continua de parametros de interes directamente en terreno caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
    a. Proveer un sistema de monitorizacion segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a
    11,
    b. instalar la sonda (1) en el terreno a monitorizar, y
    c. recolectar los datos procedentes del terreno siendo monitorizado por medio del dispositivo registrador de datos o un sistema local de almacenamiento de datos.
  13. 13. Metodo para la monitorizacion continua de parametros de interes directamente en terreno segun la reivindicacion 12 caracterizado porque la instalacion de la sonda (1) en el terreno a monitorizar comprende las siguientes etapas:
    . realizar un orificio en el terreno de dimensiones suficientes para albergar a la sonda (1), y con una profundidad dependiente del perfil del terreno en el que se desea monitorizar los parametros de interes,
    . obtener un fango viscoso mediante la mezcla de una fraction tamizada de terreno a monitorizar y agua,
    . introducir la sonda (1) en el orificio realizado en el terreno,
    . rellenar el orificio con la sonda (1) en su interior, con el fango viscoso, y . cubrir la zona del orificio con la sonda (1) rellena con el fango viscoso, con una portion de tierra del propio terreno.
  14. 14. Metodo para la monitorizacion continua de parametros de interes directamente en terreno segun la reivindicacion 13 caracterizado porque la fraccion tamizada del terreno a monitorizar tiene un tamano de particula comprendido preferentemente entre 15 y 200 micras.
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