TENSIÓMETRO ELECTRÓNICO
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TENSIÓMETRO ELECTRÓNICO CHRISTIAN CAMILO CHAVES COTRINO LUIS GERARDO MARTIN MARTIN PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA BOGOTA D.C NOVIEMBRE 2012
Transcript of TENSIÓMETRO ELECTRÓNICO
TENSIÓMETRO ELECTRÓNICO
CHRISTIAN CAMILO CHAVES COTRINO
LUIS GERARDO MARTIN MARTIN
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA
BOGOTA D.C
NOVIEMBRE 2012
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TENSIÓMETRO ELECTRÓNICO
T.G. 1179
AUTORES:
CHRISTIAN CAMILO CHAVES COTRINO
LUIS GERARDO MARTIN MARTIN
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
DIRECTOR:
ING. CARLOS COTRINO BADILLO, M. Sc.
ASESOR:
ING. CLAUDIA LILIANA LAVERDE CUBILLOS
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
BOGOTÁ
COLOMBIA
NOVIEMBRE 2012
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
RECTOR MAGNÍFICO: P. JOAQUÍN EMILIO SÁNCHEZ GARCÍA S.J.
DECANO ACADÉMICO: Ing. LUIS DAVID PRIETO MARTÍNEZ
DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: P. SERGIO BERNAL RESTREPO S.J.
DIRECTOR DEL DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA: Ing. JORGE LUIS SÁNCHEZ
TÉLLEZ M. Sc. M.Ed.
DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JAIRO ALBERTO HURTADO LONDOÑO Ph.D.
DIRECTOR DEL PROYECTO DE GRADO: Ing. CARLOS COTRINO BADILLO, M. Sc.
ASESOR DEL PROYECTO DE GRADO: Ing. CLAUDIA LILIANA LAVERDE CUBILLOS
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NOTA DE ADVERTENCIA
Artículo 23 de la Resolución N° 13 de Julio de 1946
“La Universidad no se hace responsable por los conceptos emitidos por sus alumnos en sus trabajos de tesis.
Solo velará por qué no se publique nada contrario al dogma y a la moral católica y porque las tesis no
contengan ataques personales contra persona alguna, antes bien se vea en ellas el anhelo de buscar la verdad
y la justicia”
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A mi papá Nestor Chaves Monguí y a mi mamá Maria Aracely Cotrino Cardenas doy muchas gracias por
todo el apoyo y paciencia que tuvieron conmigo durante este largo e importante proceso en mi vida,
gracias a sus concejos, a su ánimo, acompañamiento y entendimiento en los momentos más difíciles y
desafiantes durante la carrera. Sin ellos esto no habría sido posible.
A mi hermana Karen Viviana y mi sobrinito David Alejandro por estar pendientes de mi proceso y darme
las motivaciones para ser un ejemplo a seguir. A mis primos Leonardo, Alejandro y Oscar, que siendo
ingenieros me apoyaron y me dieron ejemplo de superación y esfuerzo al trabajar con temple e intelecto
en cada uno de sus proyectos. A mi novia Jhohana Martin que estuvo siempre ahí cuando conmigo en las
buenas y en las malas y me motivo e inspiro en salir adelante.
A Luis Martín, mi compañero de tesis que estuvo siempre pendiente del trabajo de grado y fue un apoyo
gigante para poder superar las adversidades. Por compartir alegrías, tristezas, logros y decepciones, sin
duda, un apoyo incondicional e importante para lograr mis objetivos.
A mis amigos que estuvieron conmigo durante toda la carrera: Pedro, Luis, Diana, Carlos, Sergio, Manuel,
Andrés, Germán, Nicolás, Esteban, Espejo y todos aquellos que me ayudaron cuando tuve dudas y con sus
ideas me abrieron nuevos caminos y puntos de vista para abordar y darle solución a problemas.
Finalmente a todo el equipo administrativo, técnico y profesional de la facultad, que con sus
conocimientos, excelente actitud y colaboración me dieron las herramientas para lograr crecer como
ingeniero y como ser humano.
Muchas Gracias a todos.
CHRISTIAN CAMILO CHAVES COTRINO
6
A mi familia compuesta por mi señor padre Luis Alfredo Martin, mi madre Alicia Martin y mi hermano
Jorge Armando Martin, agradezco su apoyo incondicional durante todo este tiempo en el desarrollo no
solo de este proyecto sino a lo largo de toda mi carrera; dando voces de aliento en los momentos difíciles,
compartiendo y animando en situaciones de alegría ya que sin esto no hubiera llegado donde ahora me
encuentro, que es culminar esta etapa de mi vida.
A mis amigos y compañeros de carrera que siempre me dieron su voz de apoyo en momentos alegres y
algunos su colaboración en situaciones complicadas, como es el caso de Laura, Daniela, Diana, Espejo,
Martos, Johan y camilo; sin ellos realizar este proyecto y estar en la universidad no habría sido lo mismo.
También mi compañero de tesis Christian Chaves me brindo su apoyo y colaboración en los momentos
que mas lo necesitaba.
Ante todo un sincero agradecimiento a las personas del área profesional como el Ing. Carlos Cotrino que
nos brindo una guía a nivel teórico; y del área técnica que son todos los que conforman el laboratorio de
ingeniería electrónica por que me otorgaron las instrumentos para desarrollar el proyecto.
A todos ustedes gracias por que me han hecho crecer como persona y a ser formado con un ingeniero
integral.
LUIS GERARDO MARTIN MARTIN
7
AGRADECIMIENTOS
Durante el desarrollo y terminación del proyecto, varias personas fueron determinantes para lograr con
éxito los objetivos planteados:
El Ing. Carlos Cotrino Badillo, que estuvo siempre dispuesto a responder nuestras preguntas y nos dio
muchos consejos sobre el desarrollo y aplicación del proyecto, además fue la persona que nos dio los
contactos para avanzar en la investigación.
El Ing. Camilo Otalora, que nos facilitó los componentes en montaje superficial de varios de los circuitos
que diseñamos y solucionarnos algunas dudas que se presentaron.
El Agrónomo Roberto Villalobos Rebolledo de la Universidad Nacional de Colombia, que fue clave para
el conocimiento y entendimiento de los suelos así como de conceptos que nos abrieron camino a un
desarrollo más aplicado al área de interés y fue la persona que nos brindo la oportunidad de trabajar en el
laboratorio de la Universidad Nacional para las pruebas y comparaciones de nuestro dispositivo.
A todos ellos nuestros más sinceros agradecimientos, por su apoyo, tiempo y dedicación.
8
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................11
1.1 OBJETIVOS ....................................................................................................................................12 1.1.1 OBJETIVO GENERAL ..............................................................................................................12 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................12
2. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................................13 2.1 AGRICULTURA DE PRECISION .......................................................................................................13 2.2 HUMEDAD EN EL SUELO ...............................................................................................................13 2.3 TIPOS DE SUELOS ..........................................................................................................................15 2.4 SUELOS EN COLOMBIA .................................................................................................................17 2.5 CAPACIDAD DE CAMPO ................................................................................................................20 2.6 PRINCIPIO DE MEDICIÓN Y SENSOR DE HUMEDAD .....................................................................20 2.7 SENSOR DE TEMPERATURA ..........................................................................................................22
2.7.1 Compensación de juntura fría ..............................................................................................24 2.7.2 Compensación por Hardware...............................................................................................26 2.7.3 Compensación por Software ................................................................................................26 2.7.4 Polinomios de Seebeck .........................................................................................................27
3. ESPECIFICACIONES ...............................................................................................................................30 3.1 DESCRIPCION GENERAL Y DIAGRAMA DE BLOQUES ....................................................................31
4. DESARROLLOS ......................................................................................................................................33 4.1 MICRO-CONTROLADOR ................................................................................................................33 4.2 FUENTE DE ALIMENTACION .........................................................................................................34 4.3 SENSOR DE TENSION MATRICIAL DEL SUELO ...............................................................................38 4.4 SENSOR DE TEMPERATURA ..........................................................................................................40 4.5 RELOJ EN TIEMPO REAL ................................................................................................................42 4.6 BUS DE DATOS ......................................................................................................................43 4.7 SELECCIÓN DEL SUELO .................................................................................................................44 4.8 MEMORIA DE ALMACENAMIENTO ..............................................................................................45 4.9 INSTALACIÓN Y REMOCIÓN..........................................................................................................46
5. ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................................................................48 5.1 PRUEBA DEL FILTRO .....................................................................................................................48 5.2 PRUEBA DEL CIRCUITO DE TEMPERATURA ..................................................................................50
5.2.1 Termopar sumergido en agua con hielo. .............................................................................50 5.2.2 Termopar calentado usando un ventilador de aire caliente. ...............................................51 5.2.3 Termopar a temperatura ambiente. ....................................................................................53
5.3 PRUEBAS DEL CIRCUITO DE INDICACION DE ESTADO DEL SUELO...............................................54 5.4 PRUEBAS DEL TENSIOMETRO CON RESISTENCIAS .......................................................................56 5.5 PRUEBAS EN CAMPO ....................................................................................................................57 5.6 PRUEBAS DE LA INTERFAZ CON EXCEL .........................................................................................60 5.7 COSTOS Y FUENTES DE FINANCIACIÓN ........................................................................................64
6. CONCLUSIONES ....................................................................................................................................65 7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................66 8. ANEXOS ................................................................................................................................................68
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LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Porcentajes de humedad del suelo a diferentes profundidades. ................................................... 14
Figura 2. Contenido de humedad vs Tensión del suelo ................................................................................ 17
Figura 3. Clase 2 ......................................................................................................................................... 18
Figura 4. Clase 1 ......................................................................................................................................... 18
Figura 5. Clase 4 ......................................................................................................................................... 18
Figura 6. Clase 3 ......................................................................................................................................... 18
Figura 7. Clase 6 .......................................................................................................................................... 19
Figura 8. Clase 5 .......................................................................................................................................... 19
Figura 9. Régimen de humedad del suelo .................................................................................................... 19
Figura 10. Sensor Watermark 200SS ........................................................................................................... 21
Figura 11. Construcción del Sensor ............................................................................................................ 21
Figura 12. Termopar tipo J usado ................................................................................................................. 23
Figura 13. Circuito de termopar con juntura referenciada a 0°C ................................................................. 24
Figura 14. Ley de metales intermedios ....................................................................................................... 25
Figura 15. Circuito de termopar con adición de junturas parasitas ............................................................. 25
Figura 16. Curvas características de diversos tipos de termopares .............................................................. 28
Figura 17. Diagrama generalizado del tensiómetro electrónico. ................................................................. 30
Figura 18. Diagrama de bloques del sistema ............................................................................................... 31
Figura 19. Arduino usado ............................................................................................................................. 34
Figura 20. Señal rectangular generada por el switcheo en el convertidor Buck ......................................... 34
Figura 21. Inserción del filtro pasa bajas, para eliminar las componentes de switcheo y sus armónicos y
pasar la componente DC de a la salida ................................................................................................... 35
Figura 22. Convertidor Buck usando un transistor Q1 y un diodo D1 como switches ............................... 35
Figura 23. Esquemático de la Fuente .......................................................................................................... 37
Figura 24. Circuito Impreso ........................................................................................................................ 37
Figura 25. Filtro Construido ........................................................................................................................ 38
Figura 26. Resultados de simulación del filtro ............................................................................................ 39
Figura 27. Señal a la salida del filtro ........................................................................................................... 39
Figura 28. Esquemático divisor de voltaje para el sensor ............................................................................ 40
Figura 29. Circuito amplificador del termopar ............................................................................................. 41
Figura 30. Esquemático del RTC ................................................................................................................. 42
Figura 31. Interacción de dispositivos con I^2 C ......................................................................................... 43
Figura 32. Circuito de la Memoria Externa ................................................................................................. 45
Figura 33. Localización del sensor Watermark ........................................................................................... 46
Figura 34. Localización del sensor Watermark en cultivos ........................................................................ 47
Figura 35. Señal cuadrada generada por el micro-controlador.................................................................... 48
Figura 36. Señal en la salida de primer filtro .............................................................................................. 49
Figura 37. Salida del segundo filtro con acople CC y AC .......................................................................... 49
Figura 38. Señal final para la excitación del sensor .................................................................................... 50
Figura 39. Mediciones a 0°C ....................................................................................................................... 51
Figura 40. Mediciones de alta temperatura ................................................................................................. 52
Figura 41. Mediciones de temperatura ambiente ........................................................................................ 53
Figura 42. Indicación de suelo saturado ...................................................................................................... 54
Figura 43. Indicación de capacidad de campo ............................................................................................ 55
10
Figura 44. Indicación de iniciación de riego ............................................................................................... 55
Figura 45. Indicación de suelo seco ............................................................................................................ 56
Figura 46. Tensiómetros De la Universidad Nacional ................................................................................ 57
Figura 47. Laboratorio y Configuración del Experimento ........................................................................... 58
Figura 48. Datos de los tensiómetros en la muestra 1 .................................................................................. 58
Figura 49. Datos de los tensiómetros en la muestra 2 .................................................................................. 59
Figura 50. Datos de los tensiómetros en la muestra 3 .................................................................................. 59
Figura 51. Comportamiento del Suelo ......................................................................................................... 60
Figura 52. Interfaz con Excel ....................................................................................................................... 60
Figura 53. Proceso de Actualización ............................................................................................................ 61
Figura 54. Esquemático del Tensiómetro .................................................................................................... 62
Figura 55. PCB del Tensiómetro ................................................................................................................. 63
Figura 56. Prototipo Final ............................................................................................................................ 63
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Tipo de suelos en el mundo ........................................................................................................... 15
Tabla 2. Clasificación según el tipo de textura ........................................................................................... 16
Tabla 3. Coeficientes de Seebeck de materiales comunes, resaltando materiales de termopar tipo J. ......... 23
Tabla 4. Coeficientes de seebeck para hallar temperatura a partir del voltaje ............................................ 28
Tabla 5. Coeficientes de seebeck para hallar voltaje a partir de temperatura ............................................. 29
Tabla 6. Especificaciones ............................................................................................................................. 31
Tabla 7. Rangos de Tensión y Temperatura ................................................................................................ 31
Tabla 8. Valores de inductancia y condensador recomendados .................................................................. 36
Tabla 9. Mensajes y rango de mediciones ................................................................................................... 44
Tabla 10. Tensión Matricial del Suelo a 21°C ............................................................................................. 56
Tabla 11. Resultados con Caja de Resistencias ........................................................................................... 57
Tabla 12. Costos ........................................................................................................................................... 64
Tabla 13. Horas de Ingeniería ...................................................................................................................... 64
11
1. INTRODUCCIÓN
La modernización de los procesos agroindustriales hacen más competitivo el mercado, además, teniendo
en cuenta los acuerdos económicos de Colombia con otros países es necesario que el país incursione de
manera activa haciendo uso de todos estos avances para optimizar el uso de los recursos naturales, como
el agua, y aumentar el rendimiento de las cosechas.
Hasta ahora el cultivador debe aprender a reconocer el momento preciso en que el suelo se ha secado lo
suficiente para regar. Incluso con años de experiencia, y una intuición agrícola bien desarrollada, resulta
difícil elegir el momento oportuno para realizar el riego, y para determinar la cantidad precisa de agua y
así maximizar la cosecha; en caso contrario se incurrirá en un desperdicio del recurso hídrico o una
pérdida del cultivo y por lo tanto en pérdidas financieras.
Así como ha evolucionado la tecnología, han avanzado los procesos, las teorías y las técnicas que se
utilizan para el progreso del agro, en la actualidad ha nacido un nuevo concepto que se conoce como
“agricultura de precisión”1, para el estudio y manejo de la variabilidad espacio-tiempo de un cultivo, con
el fin de aumentar los ingresos del productor agropecuario, y hacer un uso sostenible de los recursos
naturales.
No se debe olvidar que desde hace varios años, la falta de planeación y manejo que se presenta en el sector
agropecuario ha ocasionado un deterioro paulatino de los ingresos del productor agrícola; aunque a nivel
gubernamental se promueve e incentiva el desarrollo rural para generar un ambiente más competitivo, se
hace necesaria la inclusión de tecnologías de medición y control2.
Teniendo en cuenta los conceptos mencionados, se desarrollan herramientas tecnológicas para recopilar
información en tiempo real sobre lo que suceda o pueda suceder en los suelos y en los cultivos, para
poder realizar una toma de decisiones de manera oportuna que permita obtener un incremento
significativo en los rendimientos por unidad de área.
Es por esto que se tuvo el objetivo de diseñar e implementar un tensiómetro electrónico, para medir la
tensión matricial del suelo3 uno de los conceptos más importantes a tener en cuenta, que es la fuerza que
las raíces de las plantas deben emplear para extraer agua del suelo. Para entender mejor este concepto,
desde el punto de vista de la extracción de agua por las plantas, interesa conocer la energía con que el agua
está retenida. El agua del suelo está sometida a la acción de una serie de factores que tienden a retenerla o
expulsarla. La tensión representa la energía necesaria para separar la unidad de peso, de masa, o de
volumen de agua de la matriz del suelo. Hay que tener en cuenta que lo que importa son las variaciones de
tensión y no los valores absolutos, además, que el agua se mueve de mayor a menor tensión, y finalmente
que la tensión se puede medir como trabajo dividido por masa, o como trabajo dividido por volumen, es
decir, presión.
La equivalencia entre la presión y la tensión, permite una más fácil comprensión de la situación de agua en
el suelo. El agua está sometida a una presión que tiene varios componentes, unos que tienden a expulsar el
agua del suelo (presión positiva) y otros que tienden a retenerla (presión negativa). La suma algebraica de
estos componentes es la tensión total, y el agua del suelo tenderá a desplazarse desde los puntos de mayor
tensión a los de menor tensión.
Éste dispositivo deberá almacenar y transmitir la información de un sensor de humedad y de temperatura
en tiempo real, para que a partir de un micro-controlador, se pueda generar la medición de tensión y
1 Ver BLACKMORE, Simon. “Agricultura de precisión”.
2 Ver SEGURA, Luis. TORRES, Sandra. VELEZ, Juana. “ejercicio EAD agricultura de precisión”
3 Ver SHOCK, C.C. FLOCK, R. FEIBERT, E. SHOCK, C.A. PEREIRA A. Jensen, L. “El control del riego
mediante la tensión matricial del suelo”.
12
asimismo, hacer la interpretación del estado del suelo usando indicaciones visuales y una interfaz de fácil
alcance en Microsoft Excel.
Este instrumento se usa en gran variedad de cultivos como por ejemplo aquellos de tipo hidropónicos, los
cuales se basan en la técnica de cultivar plantas sin utilizar el suelo común, sustituyéndolo por otros
soportes de cultivo y aplicando técnicas de fertilización alternativas con el uso de agua y sustratos sólidos
para el sustento de las plantas. También se emplea en cultivos que utilizan sistemas de riego por goteo, el
cual consiste en aplicar agua a una zona determinada del suelo, no en su totalidad. Y también se puede
usar para otro tipo de cultivos incluyendo también la siembra de árboles frutales y plantas de mayor
tamaño.
Como el agua es uno de los más importantes recursos en este tipo de cultivos y se debe racionalizar su
uso, el tensiómetro electrónico tiene un campo de aplicación muy amplio, con la ventaja de que se adapta
a cualquier condición topografía, a pequeñas áreas de terreno y además es sencillo en su aplicación.
En este documento se describen los procedimientos realizados durante el diseño, detallando el
funcionamiento de cada uno y los componentes seleccionados, las investigaciones hechas y la
documentación consultada.
Al final, se muestran los resultados obtenidos y las comparaciones con otros tensiómetros del mercado en
cuanto a mediciones y precio se refiere.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar un tensiómetro electrónico para la medición de humedad en el suelo.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar y construir un dispositivo que almacene la información de un sensor de humedad en
tiempo real. Implementar un sistema para la transmisión de datos obtenidos del sensor de humedad, hacia
un computador personal.
Interpretar la información obtenida del sensor con la ayuda de software de fácil alcance como
Microsoft Excel.
Comparar la información obtenida del equipo diseñado con la de uno ya establecido.
13
2. MARCO TEÓRICO
2.1 AGRICULTURA DE PRECISION
La agricultura de precisión o siembra de precisión es el manejo de la variabilidad espacial y temporal con
el objetivo de incrementar los retornos económicos y reducir el impacto ambiental. Esto no implica
necesariamente una estrategia de manejo específica o algún nivel de uso de la tecnología.4
Las principales razones para adoptar la agricultura de precisión son económicas y ambientales, por lo
tanto menores desperdicios implican más dinero y menos contaminación.
Este concepto es usado por grandes y pequeños agricultores, donde estos últimos sin saberlo, ya la están
aplicando en la medida en que conocen las principales variables que influencian sus cultivos y hacen que
tomen decisiones correctas dependiendo del área que manejan sus cultivos. Por otro lado, los grandes
agricultores, tienen sus fincas y cultivos bastante tecnificados con dispositivos de alta tecnología, que
refuerzan la comprensión, el control, e inversión de los insumos.
Lo anterior no quiere decir que para ser parte del grupo de personas que usan la agricultura de precisión,
se deben tener dispositivos de alta gama en tecnología, basta con solo tener un computador a la mano o
poder tomar los datos manualmente que determinan la eficiencia de los cultivos.
Los primeros resultados que se obtienen por el uso de este tipo de manejos son en gran medida la
reducción de insumos lo que contribuye con la obtención de un mayor margen de ganancia. También se
pueden obtener cultivos de mayor calidad lo que implica que se podrá competir con buenos precios y
generar utilidades más altas.
2.2 HUMEDAD EN EL SUELO
Las plantas necesitan una cantidad adecuada de humedad, la cual varía de acuerdo con la especie y al
estado de crecimiento o desarrollo. El suelo es capaz de almacenar una cantidad limitada de agua y de
esta, solo una parte es utilizada para el sustento de las plantas, por lo tanto en necesario para tener estas en
su estado óptimo, conocer el contenido de agua por unidad de masa o volumen de suelo y el estado
energético de la misma.
Los niveles de humedad del suelo determinan el momento del riego, es evidente que con solo saber el
aspecto del terreno se puede determinar esta humedad, aunque no es una forma muy eficiente de hacerlo.
La aplicación de riego en el momento exacto y en la cantidad apropiada es fundamental para obtener un
buen rendimiento de los cultivos. El exceso de agua reduce el crecimiento al arrastrar los nutrientes a una
profundidad mayor al alcance de las raíces de los cultivos, y al desplazar el aire contenido en el interior
del suelo provoca la escasez de oxígeno en las raíces.
4 BLACKMORE, Simon. “Agricultura de precisión”. revista nacional de agricultura. Junio 2007.
14
La falta de agua también es perjudicial para los cultivos, por lo que se debe controlar regularmente el nivel
de humedad del suelo para determinar cuándo regar y qué cantidad de agua se debe aplicar.
La figura 15 muestra a modo de ejemplo el esquema de un árbol con el porcentaje de humedad del suelo a
diferentes profundidades.
5 Figura tomada de SUDZUKI, Fusa. “Utilización de la humedad ambientalpor prosopis tamarugo phil.”
http://www.fao.org/docrep/006/AD315S/AD315S05.htm#pan1.2
Figura 1. Porcentajes de humedad del suelo a diferentes profundidades.
15
2.3 TIPOS DE SUELOS
Gracias a la erosión y a la actividad de los seres vivos, la porción externa de la corteza rocosa terrestre, su
superficie, se convierte en aquello que conocemos como “suelos”.
Sin el suelo sería imposible la existencia de plantas superiores y, sin ellas, ni nosotros ni el resto de los
animales podríamos vivir. A pesar de que forma una capa muy delgada, es esencial para la vida en tierra
firme. Cada región del planeta tiene unos suelos que la caracterizan, según el tipo de roca de la que se ha
formado y los agentes que lo han modificado.
Los suelos son clasificados de acuerdo con su estructura y composición en órdenes, subórdenes, grandes
grupos, subgrupos, familias y series. Se ha visto que las características del suelo varían enormemente de
un lugar a otro; los científicos han reconocido estas variaciones en los diferentes lugares y han establecido
distintos sistemas de clasificación.
Según una sección en la página de internet de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín6, las
diferencias que presentan los suelos se utilizan para clasificarlos en diez órdenes principales, como se
observa en la tabla 1.
Los alfisoles (suelos ricos en hierro y aluminio) y molisoles (suelos de pastizales) son los mejores suelos
agrícolas.
6 Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. “Sistema de clasificación de suelos”.
Tabla 1. Tipo de suelos en el mundo
16
También se conoce otro tipo de clasificaciones del suelo, como es la clasificación según el tipo de textura,
en la tabla 2 se encuentra esta clasificación, con los valores de capacidad de campo normal para cada tipo
de suelo.
En este documento se usará solo la clasificación de suelos arenoso (Sandy), franco (Loam), y arcilloso
(Clay), ya que es la clasificación para la cual el Tensiómetro está diseñado.
El suelo arenoso es ligero y filtra el agua rápidamente, tiene baja materia orgánica por lo que no es muy
fértil. El suelo franco es aquel en el cual las cantidades de los componentes del suelo se encuentran en
porciones optimas o muy próximos a ellas, son suelos de elevada producción agrícola, debido a su textura
relativamente suelta, heredada de la arena, a su fertilidad procedente de los limos incluidos y al mismo
tiempo con adecuada retención de humedad por la arcilla presente.
El suelo limoso es estéril, pedregoso y filtra el agua con rapidez, la materia orgánica que contiene se
descompone muy rápido, y finalmente el suelo arcilloso, el cual es un terreno pesado que no filtra casi el
agua. Es pegajoso, plástico en estado húmedo y posee muchos nutrientes y materia orgánica.
La figura 2 indica el porcentaje de humedad de cada tipo de suelo de acuerdo a la tensión matricial del
suelo.
Tabla 2. Clasificación según el tipo de textura
17
2.4 SUELOS EN COLOMBIA
“Colombia es un país de alta diversidad en suelos, múltiples aspectos de su geografía la explican, entre
ellos sus regiones contrastantes, con diferentes paisajes y formas de la tierra, sus materiales integrantes y
los diferentes pisos climáticos.
La riqueza de la zona cafetera central en gran parte esta vinculada con suelos asociados al vulcanismo de
la cordillera central, mientras que otros, muy alterados y viejos, caracterizan las sabana de la altiplanicie
de los llanos orientales.
En la región del caribe colombiano con la alternancia de zonas secas y húmedas, sobre materiales
sedimentarios, se presentan suelos fértiles que en grades planicies, ofrecen su riqueza agrícola y ganadera
a sus pobladores.
Por otra parte en la media y alta guajira, la resequedad del clima determina suelos vinculados a
ecosistemas áridos, muchas veces con exceso de sales, compactos y con pocos materiales orgánicos.”7
El Instituto Geográfico Agustín Codazzi, en su documentación7 afirma que en Colombia, los suelos para
aplicaciones para riegos y drenajes, se dividen en 6 clases.
7 IGAC. “El ABC de los suelos para no expertos”.
Figura 2. Contenido de humedad vs Tensión del suelo
18
Clase 1 (Figura 4), son suelos excelentes para agricultura, sin limitaciones significativas y alta capacidad
de pago es decir que genera buenas utilidades para aumentar la inversión. Que teniendo en cuenta la
clasificación por textura, corresponde a suelo Franco.
Clase 2 (Figura 3), son tierras buenas para riego, con limitaciones moderadas y mediana capacidad de
pago. Textura Franco-Arenosa.
Clase 3 (Figura 5), son tierras para riego, con limitaciones moderadamente severas y aceptable capacidad
de pago. Textura Franco- Arcillosa.
Clase 4 (Figura 6), son tierras con severas limitaciones para riego y que requieren practicas especiales en
cuanto al manejo de suelos y aguas por ejemplo riego por aspersión, y especialmente están referidas a
áreas con erosión o encharcamiento. Según la textura corresponde a suelo arenoso.
Clase 5 (Figura 8), son tierras no susceptibles para riego (excesiva salinidad, baja drenabilidad, nivel
freático alto), a menos que se haga practicas intensivas de manejo con las cuales puedan ser regadas.
Corresponde al suelo arcilloso.
Clase 6 (Figura 7), son tierras no aptas para riego por excesiva pendiente, superficiales, mal drenaje,
salinidad, sodio. Por la textura corresponde también a un tipo de suelo arcilloso.
Figura 4. Clase 1 Figura 3. Clase 2
Figura 6. Clase 3 Figura 5. Clase 4
19
La humedad del suelo es un componente clave en el acoplamiento entre la tierra y la atmósfera y de gran
importancia en la transferencia entre la biosfera y la atmósfera, así como en procesos biogeoquímicos y
ecológicos, y en los balances hídrico y energético terrestre y atmosférico.
En Colombia, el ciclo anual de distribución de ésta es principalmente regido por la oscilación de la Zona
de Convergencia Intertropical (ZCIT), y otros mecanismos de gran escala y de la interacción suelo-
atmósfera. A escala interanual, el fenómeno El Niño/Oscilación del Sur (ENSO) es el principal modulador
de la hidrología Colombiana.
En la Figura 98 se presenta un mapa de Colombia que muestra el régimen de humedad del suelo.
8 DUQUE ESCOBAR, Gonzalo. Aspectos Geofísicos de los Andes de Colombia. Noviembre 2007
Figura 8. Clase 5 Figura 7. Clase 6
Figura 9. Régimen de humedad del suelo
20
2.5 CAPACIDAD DE CAMPO
Esta es la cantidad máxima de agua que se puede retener entre partículas del suelo y que está disponible
para el uso por las plantas. Si se aplica una cantidad mayor de agua la misma se perderá por efecto de la
fuerza de gravedad hacia niveles más profundos en el suelo o por escorrentía (agua de lluvia que discurre
por un terreno). El agua que se mueve fuera del alcance de las raíces lleva disuelta consigo elementos
nutritivos. También la humedad puede perderse por evaporación, lo cual ocurre como consecuencia de las
altas temperaturas causadas por los factores climatológicos.
La capacidad de campo es una constante característica de cada suelo y depende fundamentalmente de la
textura, cantidad de materia orgánica y grado de compactación de éste. Si se satura un suelo, la cantidad
de agua que queda retenida en los poros sin ser arrastrada por el peso de la gravedad, es la Capacidad de
Campo o Capacidad de Retención. La capacidad de campo se valora por el porcentaje en volumen de agua
existente con respecto al suelo seco.
2.6 PRINCIPIO DE MEDICIÓN Y SENSOR DE HUMEDAD
Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los
más abundantes, debido a que muchas magnitudes físicas afectan al valor de la resistencia eléctrica de un
material.
Para hacer la medición de la tensión matricial del suelo, Se usa el sensor Watermak200SS, un sensor de
humedad de estado sólido que utiliza para su funcionamiento el principio de resistencia eléctrica variable.
Consiste de un par de electrodos de alta resistencia a la corrosión, que se encuentran empotrados en un
relleno granular y situados debajo de una placa de yeso, la cual proporciona algo de aislamiento para el
efecto de los niveles de salinidad que se encuentran normalmente en los cultivos agrícolas. Encima de la
placa se encuentra más material matricial granular envuelto por un tubo de malla que permite la entrada y
salida del agua del sensor.
Disuelto en agua, el yeso es un conductor de electricidad bastante eficaz. Por eso, cuando el sensor
contiene mucha agua, la corriente eléctrica fluye bien. Cuando hay mucha agua en el suelo, también hay
mucha agua en el sensor. Mientras va secándose el suelo, el sensor también se seca, y la resistencia al
flujo de electricidad aumenta.
La resistencia al flujo de electricidad expresada en Ohms y la temperatura del suelo se utilizan para
calcular de forma aproximada la tensión de humedad en el suelo en centibares (cb).
21
El sensor Watermark200SS de Irrometer usado, se encuentra en la figura 10.
Este sensor de estado sólido, sensa la resistencia eléctrica, la cual varía al mismo tiempo que varía el
contenido de agua. Consiste de un par de electrodos con altos niveles anticorrosión incrustados dentro de
una matriz granular, material que actúa como el suelo en la forma en que se mueve el agua dentro de él.
La matriz se encuentra encerrada en un material hidrofílico que establece buena conductividad hidráulica
con el suelo a su alrededor y es mantenida en su lugar por un armazón durable de acero inoxidable y tapas
de plástico.
En la figura 119 Se pueden observar los detalles de construcción del sensor.
9 Imagen tomada de Wang D. McCann I.R. Kincaid D.C. “Operational characteristics of the watermark model 200 soil
water potential sensor for irrigation management”, Vol. 8 No.5. Septiembre 1992
Figura 10. Sensor Watermark 200SS
Figura 11. Construcción del Sensor
22
Para caracterizar las mediciones de tensión matricial del suelo se usan dos modelos matemáticos tomados
de la hoja de especificaciones del fabricante del sensor (ver anexo C), uno no lineal, en un rango desde
10cb hasta 100 cb, y otro lineal desde 100 cb hasta 200 cb. Este cambio se hace ya que el modelo no lineal
tiene mejor precisión de la medición en el rango mencionado, la cual se pierde después de 100 cb. A partir
de este momento, se usa el modelo lineal ya que la aproximación que se obtiene de las mediciones, es
precisa en su rango correspondiente. Cabe hacer la aclaración que la utilización del modelo no lineal se
adecúa mas en la aplicación de cultivos usando técnicas de riego por goteo y cultivos hidropónicos, ya que
son estos los que mayor saturación de agua se presenta y se requiere mayor precisión a bajos niveles de
tensión, mientras que el modelo lineal además de también presentar un rango completo, se usa en
actividades agrícolas mas generales.
Según lo anterior se mide la tensión matricial del suelo en el rango desde 0 cb hasta 100 cb usando el
modelo no lineal10
:
( ( ) )
( )
Y también, se obtendrá el valor de la tensión matricial del suelo en el rango desde 100 cb hasta 200 cb a
partir de las siguientes ecuaciones que corresponde al modelo lineal:
( ) ( ) ( )
Dónde:
( )
( )
2.7 SENSOR DE TEMPERATURA
El termopar es uno de los sensores más sencillos y utilizados en la industria para determinar la
temperatura de un proceso. Es un transductor formado por la unión de dos metales distintos que produce
una diferencia de potencial dependiendo su variación de temperatura.
El termopar Tipo J (Hierro / Constantán (aleación de Ni - Cu)): con una amplia variedad de aplicaciones,
está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de 0º C a
+760º C con una tolerancia de y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la
oxidación. En la figura 12 se observa el termopar usada en el tensiómetro, este tiene recubrimiento en
acero inoxidable para su protección en la intemperie.
10
CAMPBELL SCIENTIFIC INC. introduction manual “model 253 and 253-L (watermark 200) soil Moisture
sensor”.
23
Para entender el funcionamiento de un termopar, se debe saber que un alambre simple de cualquier
material producirá un voltaje cuando hay una diferencia de temperatura entre sus dos extremos.
Cuando un extremo de un material conductor es expuesto a una temperatura mas alta que el otro extremo,
los electrones en el extremo mas caliente son termalmente mas energizados que los electrones en el otro
lado. Esos electrones mas energizados comienzan a difundirse hacia el extremo mas frio, ahora, esta re
distribución de electrones crea una carga negativa en el extremo mas frio y una carga positiva igual en el
mas caliente generando así un voltaje electrostático. Al fenómeno anterior se le llama el efecto Seebeck;
un solo alambre no forma un termopar, pero el efecto Seebeck es la propiedad fundamental que gobierna
la operación de los mismos.
La medición directa del voltaje de Seebeck en un conductor es imposible. Otro alambre del mismo metal
produce un voltaje de Seebeck idéntico resultando una red de voltaje de 0V en los puntos de medición.
Los coeficientes de Seebeck, también llamados sensitividad termoeléctrica de algunos materiales comunes
a se muestra en la siguiente tabla11
:
11
Tomada de http://www.efunda.com/designstandards/sensors/thermocouples/thmcple_theory.cfm?search_string=seebeck
Figura 12. Termopar tipo J usado
Tabla 3. Coeficientes de Seebeck de materiales comunes, resaltando materiales de termopar tipo J.
24
Para poder medir el voltaje de Seebeck en un conductor, se debe usar un segundo material conductor que
genere un voltaje diferente ante una misma temperatura. La diferencia de voltaje generada por los dos
materiales se puede medir y relacionar con la temperatura correspondiente, asi que es claro, que basado en
el principio de Seebeck, los termopares solo miden diferencias de temperatura y necesitan tener una
referencia para encontrar el mediciones absolutas.
Como se necesita que los dos materiales se encuentren a la misma temperatura y generen distintos valores
de voltaje, se deben unir creando una juntura. Esta juntura se forma uniendo metales diferentes, aleaciones
de metales o materiales semiconductores. Según el tipo de materiales que se use el termopar, este es
clasificado. Como se mencionó anteriormente, se usa para el Tensiómetro Electrónico un termopar tipo J.
El termopar mide cambios de temperatura, pero estos mismos son desconocidos, para saber cuáles son, se
debe agregar una nueva juntura la cual se mantenga siempre a una temperatura de referencia, por lo
general a 0°C. En la figura 1312
se muestra como se le agrega la juntura de referencia.
2.7.1 Compensación de juntura fría
En la practica, si se quiere hacer la medición de la temperatura en la juntura de el termopar, el usar una
referencia de 0°C no es muy eficiente, además al introducir instrumentos de medición, como estos
manejan otro tipo de materiales conductores, generan por lo tanto nuevas junturas, llamadas junturas
parasitas.
Es por esa razón que se hace la compensación de juntura fría. Este término viene de la práctica tradicional
de mantener la juntura de referencia a 0°C usando un agua con hielo. Actualmente se usan como
referencia las tablas de valores de voltajes de los termopares del Instituto Nacional de Estándares y
Tecnología de Estados Unidos (Anexo J), las cuales fueron estandarizadas usando la configuración
anterior.
12
Texas Instruments. Precision Analog Applications Seminar, “Thermocouple Application”
Figura 13. Circuito de termopar con juntura referenciada a 0°C
25
Al no ser práctico tener siempre a cero grados la referencia, lo que se hace es mantener todas las junturas y
la referencia a una misma temperatura la cual es medida por un sensor de lectura directa de temperatura y
sustraer las contribuciones termoeléctricas contribuidas por las junturas parasitas, este proceso es conocido
como la compensación de juntura fría. Al tener varios metales dentro de un mismo circuito de termopar,
pero estos a la misma temperatura o en una región isotérmica no se tendrá ningún efecto en la salida, en la
figura 14 se puede evidenciar mejor lo descrito.
Considerando el circuito de la figura 15 se han agregado nuevas junturas, pero estas en una región
isotérmica y así el problema del circuito se reduce a la siguiente ecuación:
( ) ( ) ( )
Donde es el voltaje de la medición, es la temperatura del termopar en y es la
temperatura de referencia.
Figura 14. Ley de metales intermedios
Figura 15. Circuito de termopar con adición de junturas parasitas
26
Ahora, como la juntura es del mismo tipo que la juntura pero en la dirección contraria, entonces:
( ) ( ) ( )
Como es el voltaje que el termopar en cuestión esta generando, este voltaje se puede renombrar
luego la ecuación se re-escribe de la forma.
( ) ( ) ( )
Por lo tanto, haciendo la medición de y ( ), y conociendo las relaciones de voltaje a
temperatura del termopar, se puede determinar la temperatura de la juntura del termopar.
Para hacer la compensación de juntura fría existen dos técnicas: Compensación por hardware y
compensación por software. Ambas técnicas requieren que la temperatura de referencia sea medida por un
sensor de lectura directa, ya que la salida de estos sensores depende únicamente de la temperatura en el
punto de medición. Los termistores o RTD’s son muy usados para este tipo de compensaciones.
Para el Tensiómetro Electrónico se usa un LM35 de Texas Instruments (datasheet en el anexo A) el cual
es un sensor semiconductor de alta precisión que no necesita calibración, ya que esta directamente
calibrado en grados Celsius. Tiene una salida lineal de impedancia baja y trabaja en rangos de -55°C a
150°C.
2.7.2 Compensación por Hardware
En la compensación por Hardware, una fuente de voltaje variable es insertada al circuito para eliminar los
voltajes generados por las junturas parasitas. Esta fuente variable genera un voltaje de compensación de
acuerdo a la temperatura ambiente y así adiciona el voltaje correcto para cancelar los voltajes generados
por las junturas parasitas, cuando esto pasa, la única señal que mide el sistema de medida usado es el
voltaje de la juntura del termopar.
La desventaja más grande de esta técnica, es que cada tipo de termopar debe tener un circuito de
compensación específico que agregue el voltaje correcto, lo que hace que el circuito sea más costoso y
además, la compensación es menos precisa.
2.7.3 Compensación por Software
La compensación por Software es más sencilla, ya que a partir de la lectura directa de la temperatura de
referencia tomada por el sensor de precisión, por medio de software se puede añadir el voltaje necesario
para eliminar los voltajes generados por las junturas parasitas.
Retomando la ecuación 3 donde el voltaje medido es igual a la diferencia del voltaje del termopar a la
temperatura del mismo y a la temperatura de referencia, existen dos métodos para conocer el voltaje de un
termopar conociendo el valor medido VMEAS y la temperatura de referencia TRef.
El primer método es más preciso, pero el segundo requiere menos pasos computacionales.
27
El primer método es llamado suma directa de voltaje y usa dos pasos de conversión de voltaje a
temperatura y de temperatura a voltaje. De la ecuación 6 se puede encontrar el voltaje que el termopar
produciría con una referencia en la juntura de cero grados como se muestra en la siguiente ecuación:
( ) ( ) ( )
Y así se siguen los siguientes pasos:
1- Se mide la temperatura de referencia con el sensor de lectura directa.
2- Se transforma esa temperatura al voltaje que generaría un termopar a esa misma temperatura
asumiendo una referencia de cero grados, esta transformación se puede hacer mirando la tabla
estandarizada de termopares teniendo en cuenta el tipo de la misma o mediante el uso de los
polinomios de Seebeck.
3- Se adiciona ese voltaje al medido,
4- Se transforma el nuevo voltaje a temperatura usando nuevamente los polinomios de Seebeck o
mediante las tablas estandarizadas. Esa será la temperatura del termopar.
El segundo método es llamado adición de temperatura, este método representa una aproximación más fácil
aprovechando el hecho de que los voltajes de salida de los termopares son aproximadamente lineales en
desviaciones pequeñas de temperatura. El método es como sigue:
1- Se mide la temperatura de referencia mediante el sensor de temperatura directa.
2- Se convierte el voltaje medido a temperatura usando los polinomios de Seebeck o
mediante las tablas.
3- Se suman las dos temperaturas y el resultado será la temperatura del termopar.
2.7.4 Polinomios de Seebeck
De acuerdo a la figura 16 los voltajes de salida de los termopares son no lineales, luego los coeficientes de
Seebeck pueden variar por un factor de tres o moverse sobre el rango operativo de temperatura de otros
termopares. Por lo tanto se debe hacer una aproximación de la curva de temperatura vs voltaje usando
polinomios.
Los polinomios son de la forma:
( )
Donde es el voltaje del termopar en voltios, T es la temperatura en °C y de hasta son los
coeficientes respectivos a cada tipo de termopar.
28
Teniendo en cuenta la ecuación (8), para hacer la conversión de voltaje a temperatura, en la tabla 4 se
encuentran los coeficientes para el tipo de termopar usado.
Figura 16. Curvas características de diversos tipos de termopares
Tabla 4. Coeficientes de seebeck para hallar temperatura a partir del voltaje
29
Análogamente, para hacer la conversión de temperatura a voltaje, se usa el polinomio de la forma:
( )
La tabla 5 muestra los coeficientes para la conversión a voltaje para el termopar tipo J.
Tabla 5. Coeficientes de seebeck para hallar voltaje a partir de temperatura
30
3. ESPECIFICACIONES
El proyecto consta de un sensor Watermark 200SS de tipo resistivo el cual mide la tensión matricial del
suelo. Además posee un sensor de temperatura (termopar tipo J), el cual es usado para medir la
temperatura del suelo justo donde se entierra el tensiómetro. Asimismo, tendrá un display LCD donde se
pueden visualizar las mediciones que se obtengan, estas vienen de la señal generada por los sensores, las
cuales son convertidas a voltajes y digitalizadas por un microcontrolador; siendo este una plataforma de
hardware libre basado en una placa con un microcontrolador Atmega328P-PU (Datasheet en el anexo G),
con puertos de entrada y salida. Este dispositivo también es utilizado para la configuración y
programación del display LCD.
Se usó un pulsador en los momentos en que se vayan a observar los datos de las mediciones, lo que hace
que solo se encienda el display LCD en estos casos, para ahorrar energía lo más posible. En este se
muestra el dato en centibares y en una escala seco-humedo para que sea mas fácil su interpretación, al
mismo tiempo se puede observar la fecha, la hora y la temperatura del suelo.
Por otro lado se colocaron cuatro indicadores luminosos tipo led para dar alertas sobre el estado del suelo
y que le permita al agricultor tomar decisiones rápidamente.
Adicionalmente se tiene una fuente con una batería de 9V recargable, a la cual se le incluirá un
convertidor buck para mantener el voltaje necesario en todos los componentes sin importar la descarga y
deterioro de las baterías, que proporciona un tiempo de duración de 168 horas de funcionamiento.
Toda la información obtenida es visualizada en el display y adicionalmente en un computador personal
donde se registra en una hoja de cálculo y se puede observar comportamientos en gráficas. La transmisión
al computador se hace a través de puerto USB.
Para conservar y proteger la electrónica, se utilizó una cubierta de acrílico de 20x6x15 (cm) y
adicionalmente una caja de poliestileno y posee una almacenamiento de memoria de 64kbits.
En la figura 17 se observa un diagrama generalizado con los componentes a usar:
Figura 17. Diagrama generalizado del tensiómetro electrónico.
31
Las características anteriormente mencionadas se describen en las tablas 6 y 7.
3.1 DESCRIPCION GENERAL Y DIAGRAMA DE BLOQUES
El tensiómetro electrónico es un dispositivo esencial para el agricultor, con él, se puede saber con
exactitud la cantidad de agua necesaria para mantener un cultivo en óptimas condiciones y ahorrar los
recursos naturales.
En términos generales se describe el desarrollo del tensiómetro en el siguiente diagrama de bloques.
Figura 18. Diagrama de bloques del sistema
Tabla 7. Rangos de Tensión y Temperatura
Tabla 6. Especificaciones
32
Sensor de humedad: Es la base principal del tensiómetro, el cual toma la señal que indica la
tensión matricial del suelo en cb.
Sensor temperatura: Este dispositivo indica la temperatura del suelo en °C, es conveniente su
utilización porque las ecuaciones dependen de la temperatura, aunque es bien sabido que la
variación de la misma en el suelo no cambia significativamente, se usará en definitiva para obtener
mayor precisión.
Tratamiento de la señal: Se recibe la señal proporcionada por los sensores y se le hace una
conversión a voltaje, siendo esta la forma más sencilla de digitalizar una señal.
Procesamiento de Datos: La señal en voltaje es pasada por un Conversor análogo-digital, que
digitaliza la señal en palabras binarias las cuales se adecúan para que representen un valor de
acuerdo a una unidad de medida.
Almacenamiento de Datos: Los datos son almacenados para luego poder ser visualizados.
Transmisión de datos: Este bloque es el encargado de transmitir los datos por comunicación USB
al computador personal y al lector “display”.
Display: Los datos son enviados a un visualizador para ser interpretados por el usuario.
Computador personal: Además de tener un visualizador, en el tensiómetro como tal, los datos
también van ser enviados a un computador para ser visualizados y asimismo tener algún registro.
Para poder interpretar de manera clara los datos proporcionados por el tensiómetro, se hará la
medición de la tensión matricial de humedad en el suelo en unidades de presión: centibares (cb).
Este Tensiómetro podría ser integrado a un procedimiento de automatización logrando así un menor
consumo de agua, ya que un programa de riego basado en un umbral de tensión matricial del suelo
puede reducir el número de riegos en una temporada evitando el riego en exceso, también:
Menor consumo de energía.
Menor estrés para los cultivos, lo cual puede reducir los problemas de plagas y
enfermedades.
Evitar la filtración profunda de nutrientes.
Evitar la contaminación de las aguas subterráneas
Menor desgaste en los equipos de riego.
33
4. DESARROLLOS
4.1 MICRO-CONTROLADOR
La construcción del Tensiómetro Electrónico está basada en un micro-controlador Atmega328p mediante
la plataforma de hardware Arduino13
. Esta plataforma se diseñó para la creación de prototipos basada en
software y hardware flexibles y fáciles de usar. Toma información del entorno a través de sus pines de
entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y
otros actuadores.
El micro-controlador, en la placa Arduino® se programa mediante lenguaje de programación basado
en Wiring y el entorno de desarrollo basado en Processing, permite realizar varios tipos de tareas entre las
mas importantes, encender y mostrar información en un display, ahorrar consumo de potencia gracias a su
característica de sleep mode y da la posibilidad de transmitir datos obtenidos en tiempo real a través de
USB hacia cualquier computador personal.
Tiene un total de seis pines análogos, los cuales son usados para tomar los datos proporcionados por los
sensores y adicionalmente, tiene la posibilidad de usar dispositivos que funcionan con el bus de
comunicaciones . También contiene catorce pines digitales de entrada/salida de los cuales seis pueden
ser usados como salidas PWM, conexión USB y un Jack de poder para su alimentación.
Para poder alimentar el micro-controlador se puede usar la conexión USB o una fuente de poder externa,
estas son seleccionadas automáticamente. La fuente externa puede ser tomada de un adaptador AC/DC o
una batería. Se utiliza como alimentación una fuente reductora de tensión (Buck) a partir de una batería de
9V.
El micro-controlador tiene la opción de usar pines de polarización para circuitos externos, dos de tierra o
GND uno de 5V y otro de 3.3V, estos están regulados y son usados para la polarización de los circuitos
externos a usar en el Tensiómetro.
En cuanto a la comunicación, es muy fácil que el Arduino pueda interactuar con un computador, otro
Arduino® u otros micro-controladores. El Atmega328p provee comunicación serial UART TTL
(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), que es un componente clave del subsistema de
comunicación serial de los computadores y que es una de las características más comunes de la mayoría de
los micro-controladores del mercado.
El control UART toma los bytes de datos y transmite los bits individuales de manera secuencial. En el
destino, un segundo UART toma los bits y los re-ensambla en bytes completos. Se le llama TTL
(transistor-transistor logic) ya que ambos niveles lógicos 0 y 1 son representados por 0V y 5V
respectivamente.
En la figura 19 se observa el harware Arduino con el micro-controlador Atmega328p y en el anexo H se
muestra como es el circuito esquemático completo del mismo.
13
Ver página web oficial de Arduino. “www.arduino.cc”
34
4.2 FUENTE DE ALIMENTACION
El Tensiómetro Electrónico necesita una fuente de alimentación portátil.
La fuente Buck14
es un convertidor de voltaje DC-DC que a partir de un voltaje de entrada DC, crea a la
salida otro voltaje DC pero de menor magnitud (reductor de tensión), tiene ventajas sobre otros métodos
de reducción de voltaje, lo que lo hace una opción excelente para ahorrar energía y obtener los mejores
resultados.
Este convertidor esta compuesto básicamente de conmutadores, que en la práctica son elementos
semiconductores como transistores y diodos; también inductores y capacitores.
En la figura 21 visualiza cómo es la topología básica del circuito. Estos conmutadores generan una forma
de onda rectangular (Figura 20) que se controla para mantener el voltaje constante a cambios en la
entrada.
14
ERICKSON, Robert. MAKSIMOVIC, Dragan. “Fundamentals of power electronics”. Second Edition. 2004
Figura 20. Señal rectangular generada por el switcheo en el convertidor Buck
Figura 19. Arduino usado
35
Con las graficas anteriores se puede observar que cuando el switch se encuentra en la posición 1, el voltaje
( ) es igual al voltaje y cuando se encuentra en la posición 2, ( ) es igual a cero. Se puede
observar que en la figura 20 se encuentra el término , el cual es el periodo de switcheo, el inverso de la
frecuencia que en este tipo de convertidores puede estar entre 1kHz y 1MHz, dependiendo esta de la
velocidad del switcheo de los semiconductores a usar. También se encuentra el termino D, el ciclo útil,
que representa el tiempo en el cual la señal se encuentra en alto (posición 1) y es un numero entre 0 y 1, el
complemento , esta definido como ( ).
Ahora, como se quiere calcular el valor de la componente DC de ( ), se procede a calcular el valor
promedio de la señal rectangular anterior a partir de la siguiente ecuación:
⟨ ⟩
∫ ( )
( )
⟨ ⟩
( ) ( )
De lo anterior se deduce que la componente DC es igual al voltaje de entrada multiplicado por el ciclo útil
de la señal rectangular.
Al circuito se le agrega un filtro pasa bajas mostrado en la Figura 21, este filtro es diseñado no solo para
pasar la componente DC de ( ), sino también rechazar las componentes de ( ) en la frecuencia de
switcheo y sus armónicos.
Para ajustar el ciclo útil D y regular el voltaje de salida del convertidor se suele usar un sistema de
realimentación, que a partir del voltaje de salida, genera una señal de control que es empleada por uno de
los switches usados. En la Figura 22 se puede observar el circuito usando un transistor Q1 y un diodo D1
como switches, donde la señal de control anteriormente mencionada es la usada en el gate del transistor
Q1.
Figura 21. Inserción del filtro pasa bajas, para eliminar las componentes de switcheo y sus armónicos y pasar la componente DC de ( ) a la salida
Figura 22. Convertidor Buck usando un transistor Q1 y un diodo D1 como switches
36
Los cálculos anteriores (ecuaciones 10 y 11) son necesarios hacerlos siempre que se vaya a diseñar
sistemas de potencia, es decir con corrientes y voltajes altos, pero para aplicaciones de bajo consumo, y
con los avances tecnológicos, varios fabricantes han logrado hacer este tipo de convertidores en circuitos
integrados incluyendo los switches, los sistemas de control y arquitecturas mas robustas, pudiendo en
algunos casos programar un voltaje de salida deseado con solo cambiar el valor de un par de resistencias.
Es por lo anterior que se usó para el diseño del tensiómetro un circuito integrado de Texas Instruments, el
TPS62125 (ver datasheet en el anexo B), un convertidor Buck de 300mA con histéresis ajustable, que
proporciona una eficiencia mayor al 90%, además, a entradas entre 3V-17V, permite programar un voltaje
fijo en la salida entre 1.2V y 10V.
Como el micro-controlador tiene un regulador interno de 5V, al conectar en el Jack de alimentación un
voltaje externo, este debe ser mayor a 5V, los fabricantes recomiendan 7V ya que de lo contrario no
estaría bien polarizado el micro-controlador o puede no funcionar correctamente. Por esa razón, se diseñó
la fuente de modo que su voltaje de salida fuera de 7,5V, para el cálculo de este voltaje, siguiendo las
especificaciones del fabricante se usó las siguientes ecuaciones:
(
) ( )
(
) ( )
Asi, con las ecuaciones 12 y 13 se selecciónaron resistencias de 1800Ω y 220Ω para asi tener un voltaje de
7.5V.
Para la selección de los componentes del filtro de la fuente, tambien se siguieron a cabalidad las
recomendaciones del fabricante, ya que este debe satisfacer la condición de cumplir con las
especificaciones de la aplicación y los criterios de estabilizacion de los componentes de su respectivo lazo
de control. La tabla 8 muestra los componentes apropiados y recomendados por el fabricante.
Como se requiere un voltaje de salida de 7.5V se usó un inductor de 22µH y un par de condensadores de
10µf.
Tabla 8. Valores de inductancia y condensador recomendados
37
En cuanto al capacitor de entrada, este se coloca debido a que por la naturaleza de funcionamiento de la
fuente, con una corriente de entrada de tipo pulso, se necesita un filtrado del voltaje de entrada y
minimizar la interferencia de otros circuitos causada por los altos picos de voltaje. Se usa tambien un
capacitor ceramico de 10µf.
En la figura 23 y 24 se puede visualizar el circuito esquemático de la fuente usado y el circuito impreso.
Figura 23. Esquemático de la Fuente
Figura 24. Circuito Impreso
38
4.3 SENSOR DE TENSION MATRICIAL DEL SUELO
Para el correcto funcionamiento del sensor, se le debe brindar una excitación AC con una amplitud de
1.5V pico, para evitar la polarización de los electrodos. Es por esa razón que se genera una señal cuadrada
de 500Hz usando el micro-controlador ATMEGA328p. La señal sinusoidal es muestreada a una taza de
8.35KHz, cumpliendo el requerimiento de que la máxima taza de lectura es de 10000 veces por segundo.
Como se sabe que la onda cuadrada está compuesta por la suma de componentes sinusoidales, basta con
filtrar la frecuencia fundamental de la señal cuadrada usando un filtro activo pasa bajas.
Para el diseño del filtro se uso una herramienta llamada Filtro Pro de Texas Instruments, un asistente el
cual permite diseñar filtros activos de diferentes tipos y respuestas para topologías Sallen Key y Multiple
Feedback.
En este asistente, se escoge el tipo de filtro, las bandas de paso y rechazo, la ganancia, el tipo de respuesta
y la topología del circuito.
Se construyó un filtro pasa bajo con frecuencia de corte de 500Hz, de ganancia unitaria, con tipo de
respuesta chebyshev de segundo orden ya que este tiene un comportamiento más aproximado a un filtro
ideal, la respuesta en la región de corte tiene una respuesta más rectangular e índice de descenso a la
banda de supresión más abrupto. También el filtro se diseñó con topología sallen key, ya que ésta es más
flexible con la tolerancia de los componentes y es más simple que otras topologías.
En las siguientes figuras se observa el filtro construido, la señal cuadrada generada y la señal filtrada,
donde, para efectos de simulación, la resistencia R7 corresponde a una resistencia de precisión para que a
partir de un divisor resistivo se sepa el valor de resistencia eléctrica del sensor y R8 es el sensor como tal
en el caso de medir 1.2kΩ.
Figura 25. Filtro Construido
39
Como se observa en la figura 26, la señal en la salida del filtro tiene un DC.
Además de eso, la señal aún presenta distorsión causada por armónicos de alta frecuencia, por lo tanto se
vuelve a filtrar usando un filtro pasivo pasa bajo por su sencillez y economía en su implementación, una
vez más con una frecuencia de corte de 500Hz. Usando la ecuación:
( )
Los componentes seleccionados son una resistencia de y un condensador de 0.1µf para lograr una
señal sinusoidal pura.
Ahora la señal solo cuenta con un voltaje DC, el cual, luego de usar un circuito de buffer usando un
amplificador operacional LM358 para desacoplar impedancias, es depurado con un condensador de 220nf,
en la figura 25 se puede observar lo anteriormente descrito.
En la figura 27 se observa la señal a la salida del filtro.
Figura 26. Resultados de simulación del filtro
Figura 27. Señal a la salida del filtro
40
Luego de generar la excitación AC del sensor de tensión matricial del suelo, se hizo el uso de medio
puente resistivo, para así poder calcular la resistencia proporcionada por el sensor. Este medio puente
resistivo se trata básicamente de un divisor de voltaje sencillo, donde conociendo el valor de voltaje de
entrada y salida, así como el valor de una resistencia de referencia, se puede calcular la resistencia que el
sensor proporciona.
Se usó para este medio puente resistivo, una resistencia de precisión de en serie con el sensor
(Figura 28). Para saber el valor de la resistencia del sensor, se optó por tomar el valor RMS de la señal
sinusoidal en la entrada y en la salida del puente resistivo y calcular la resistencia del sensor usando la
siguiente ecuación:
( )
Donde es la resistencia que proporciona el sensor y son los voltajes RMS de las
señales sinusoidales en la entrada y la salida del puente resistivo.
Conociendo el valor de la resistencia se procede a hacer el cálculo de la tensión en el suelo, teniendo en
cuenta las ecuaciones 2 y 3.
Cabe anotar que el sensor estará enterrado en el suelo, donde se recomienda que sea instalado entre 15, 30
y 90 cm de profundidad15
, este, puede detectar las condiciones reales del mismo y posteriormente
mediante procesos de adquisición, conversión y transporte de información, se logra conocer, sin necesidad
de exploraciones más exhaustivas, el estado real del suelo y así proceder a realizar la tarea específica.
4.4 SENSOR DE TEMPERATURA
Como se evidenció en la ecuación 2 hay un diferencial de temperatura, donde se incluye la temperatura
del suelo justo donde se esta midiendo la tensión matricial del suelo.
Para medir esta temperatura, se usa un termopar tipo J.
15
Compañía IRROMETER Inc. “Longitudes y profundidades del suelo”.
Figura 28. Esquemático divisor de voltaje para el sensor
41
El termopar tipo J (Hierro / Constantán (aleación de Ni - Cu)): con una amplia variedad de aplicaciones,
está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de 0º C a
+760º C con una tolerancia de y una sensibilidad 41µV/° C aprox. Posee buena resistencia a la
oxidación, fue el sensor de temperatura escogido para el tensiómetro.
En cuanto a la compensación de juntura fría, en el Tensiómetro se usa el método de compensación por
Software de suma directa de voltajes, ya que por ser un instrumento de medición requiere precisión.
Asimismo las conversiones de voltaje a temperatura y viceversa, se hacen utilizando los polinomios de
Seebeck, ya que como el comportamiento de los termopares es no lineal, estos polinomios son una técnica
de linealización efectiva del comportamiento del termopar.
Para la forma en que se introdujeron los polinomios en la programación del micro-controlador del
tensiómetro, referirse al anexo I.
Conociendo la forma en que se comporta el termopar, el sensor de precisión de lectura directa usado
LM35 (ver datasheet en el anexo A) y los niveles de precisión del ADC del Atmega328p son de +/-2LSB,
se usa en el tensiómetro un amplificador especial para los voltajes VMEAS del termopar. Este
amplificador es el INA333 (datasheet en anexo F), un amplificador de instrumentación con salida rail-to-
rail que usa técnicas de auto compensación (zero drift / voltaje de drift 0.1µV/˚C, G≥100) para asegurar
excelente precisión sobre todo el rango de temperatura industrial, al cual se le configuró una ganancia de
1000, con un resistor de R12=100Ω entre sus pines correspondientes. En la figura 29 se muestra el circuito
usado para la amplificación del voltaje medido del termopar usando el INA333.
Figura 29. Circuito amplificador del termopar
42
Donde las resistencias R21, R1 y R23 son de 10kΩ y R28 es de 33kΩ mientras que R29 es de 6.8kΩ.
Se diseñó el circuito ya que se debe colocar al INA333 un voltaje de referencia de la mitad del valor de
polarización del mismo, y también se debe colocar un circuito en la entrada del termopar que le
proporciona una corriente BIAS para su correcto funcionamiento cuando se usa con una fuente de
alimentación sencilla. Como el LM35 ya viene calibrado por el fabricante en °C, solo se le agregó una
pequeña ganancia de 3.14, lo anterior con el fin de que los voltajes que entran en los pines análogos del
micro-controlador, sean comparables y usen todo el rango su ADC.
Se hizo el cálculo de la ganancia de ambos sensores de temperatura teniendo en cuenta también el valor
pico de la señal sinusoidal generada para la excitación del sensor de tensión del suelo, ya que se requiere
que se use todo el rango de resolución del ADC y así tener mediciones más precisas de temperaturas y de
resistencia eléctrica, para una medición de tensión matricial del suelo lo mas correcta posible.
Como el valor pico de la señal sinusoidal es de 1.5V, valor tomado como referencia máxima de los
sensores de temperatura, y el rango de resolución del micro-controlador llega hasta los 5V, 1024
incrementos ya que es ADC de 10 bits, pues se pierde resolución, por lo tanto, se le aplica al micro-
controlador un voltaje de referencia en su pin AREF de 1.68V, mediante un divisor de voltaje, el cual es el
encargado de darle una referencia al ADC y así aumentar la resolución de manera considerable de
4.9mV/bit a 1.6mV/bit.
4.5 RELOJ EN TIEMPO REAL
El Tensiómetro se diseñó de tal forma que muestre y almacene los datos cuando se tomen las mediciones,
por lo tanto se necesita de un circuito que proporcione la fecha y la hora en la cual se tomaron las
mediciones de temperatura y de tensión matricial del suelo.
Este circuito se logra usando un integrado conocido como DS1307 (datasheet en anexo D), es un RTC
(Real-Time Clock) serial que funciona mediante el puerto de comunicaciones de bajo consumo. En la
figura 30, se encuentra el circuito usado para este fin.
Figura 30. Esquemático del RTC
43
Este circuito tiene un oscilador de cristal de cuarzo con un valor 32.768KHz, para que el reloj realice su
conteo, además posee una batería de 3.3V la cual le sirve como fuente de alimentación al circuito cuando
no se encuentra el arduino conectado a un PC o el jack de poder con la fuente externa. Las resistencias son
todas de 10kΩ y son usadas como resistencias de pull-up para el bus .
La hora y la fecha se programan de acuerdo a la configuración regional donde se encuentre el dispositivo
en funcionamiento, en este caso se encuentra en la zona horaria UTC-05:00 Bogotá, Lima, Quito. El
software toma la hora y la fecha del computador personal y la mantiene.
4.6 BUS DE DATOS
El protocolo es un bus de comunicaciones en serie. Su nombre viene de Inter-Integrated
Circuit (Inter-Circuitos Integrados). La principal característica de es que utiliza dos líneas para
transmitir la información: una para los datos SDA y por otra la señal de reloj SCL. También es necesaria
una tercera línea, pero esta sólo es la referencia (tierra o GND). Como suelen comunicarse circuitos en una
misma placa que comparten una misma tierra esta tercera línea no suele ser necesaria.
Cada dispositivo conectado al bus tiene un código de dirección seleccionable mediante software, habiendo
permanentemente una relación Master/ Slave entre el micro y los dispositivos conectados.
El bus permite la conexión de varios Masters, ya que incluya un detector de colisiones, además, el
protocolo de transferencia de datos y direcciones posibilita diseñar sistemas completamente definidos por
software, donde los datos y direcciones se transmiten con palabras de 8 bits.
El bus , facilita la comunicación entre micro-controladores, memorias y otros dispositivos con cierto
nivel de "inteligencia". Fue diseñado por Philips y permite el intercambio de información entre muchos
dispositivos a una velocidad aceptable, de unos 100 Kbits por segundo, aunque hay casos especiales en los
que el reloj llega hasta los 3,4 MHz.
La metodología de comunicación de datos del bus I2C es en serie y sincrónica. Una de las señales del bus
marca el tiempo (pulsos de reloj) y la otra se utiliza para intercambiar datos.
En la figura 3116
se puede entender la forma de conexión de los dispositivos que interactúan en el bus.
16
Figura tomada de http://www.comunidadelectronicos.com/articulos/i2c.htm
Figura 31. Interacción de dispositivos con I^2 C
44
4.7 SELECCIÓN DEL SUELO
El Tensiómetro Electrónico fue diseñado para trabajar en tres tipos de suelos, el Arenoso, el franco y el
arcilloso, por lo tanto el agricultor, previo estudio del suelo en el cual se va a instalar el tensiómetro,
deberá escoger el tipo de suelo en el dispositivo.
Esta selección se hace a través del movimiento de un switch que se encuentra visible y de fácil acceso para
cualquier persona en la parte frontal de Tensiómetro, esta diseñado de tal manera, que no permita errores
de selección, es decir, si el agricultor selecciona dos o mas tipos de suelos al mismo tiempo, el tensiómetro
le indicará a través de su display LCD que solo deberá seleccionar uno. Asimismo, si no se ha
seleccionado ninguno, el tensiómetro le indicará al usuario que por favor seleccione un tipo de suelo.
Con base en esta selección, el tensiómetro esta diseñado de tal forma que indique si es necesario regar o
no el cultivo, esto se logra mediante la inclusión de dos ayudas visuales que le indica al agricultor que se
debe hacer de acuerdo a las lecturas que haga el dispositivo: un mensaje que se podrá visualizar en el
display, y un diodo LED indicador de las condiciones del cultivo.
Por ejemplo, si se tiene una tensión de 5cb, en el suelo arenoso, el dispositivo indicará que el suelo esta
saturado con el mensaje “exceso de agua” por lo tanto no se debe efectuar el riego y al mismo tiempo se
encenderá un diodo LED de color azul.
Ahora bien, si en este mismo tipo de suelo se tiene una lectura de 20cb, el dispositivo indicará que el suelo
se encuentra en su condición óptima mediante el mensaje “Condición Ideal” y se encenderá un diodo LED
de color verde. Posteriormente si el dispositivo tiene una lectura de por ejemplo 40cb en un suelo franco,
el tensiómetro mostrará que el suelo esta llegando a secarse mostrando en el display el mensaje “Iniciar
Riego” y al mismo tiempo se encenderá un diodo LED de color amarillo.
Finalmente si alguna lectura del tensiómetro es mayor de 60cb en un suelo arcilloso, el tensiómetro
indicará que el suelo esta peligrosamente seco con el mensaje “Extremadamente Seco Favor Regar” y se
encenderá un LED de color rojo.
En la tabla 9 se encuentran los mensajes a mostrar dentro del respectivo rango de mediciones, recordando
que cada estado tiene su indicación a través de diodos LED: Exceso de Agua, color azul. Condición Ideal,
color verde. Iniciar riego, color amarillo. Extremadamente seco favor regar, color rojo.
Tabla 9. Mensajes y rango de mediciones
45
4.8 MEMORIA DE ALMACENAMIENTO
Una de las características del Tensiómetro Electrónico es que almacena las mediciones realizadas en el
momento en el que se oprime el pulsador de toma de muestra. Se diseño de tal manera que se almacenara
la fecha y hora en la cual se realiza la medición, así como también la temperatura del suelo y la tensión en
centibares (cb).
Para este fin, se usa para el tensiómetro una memoria EEPROM de 64Kb de referencia 24LC64 de
Microchip, (datasheet en el anexo E) la cual se usa mediante el bus de datos , está construida mediante
tecnología CMOS de baja potencia y solo funciona para aplicaciones con fuente de alimentación sencilla,
además, cuenta con protección anti escritura.
En la figura 32 se muestra el circuito empleado para el correcto funcionamiento de la memoria donde las
resistencias R9 y R10 son de 10kΩ. Los pines 1, 2,3 y 7, están a tierra ya que de esta forma se le configura
la dirección que se usara en el bus y se le deshabilita la protección contra escritura, respectivamente.
Para detalles en la programación de la memoria en el micro-controlador, referirse al anexo I.
El Tensiómetro viene con un switch en su parte frontal llamado memoria, este switch tiene la función de
que almacena los datos y también descarga y borra la información almacenada. Es decir, si switch se
encuentra en la posición “1”, cuando el agricultor oprima el botón rojo de toma de medida, el Tensiómetro
almacenará los datos y realizará sus funciones normales.
Cuando el switch se encuentre en la posición “0”, el agricultor deberá conectar el Tensiómetro su
computador personal, ya que en este caso el Tensiómetro estará listo para hacer la descarga de
información. Es en esta oportunidad que el agricultor debe ejecutar en su computador personal la interfaz
digital del Tensiómetro, esta interfaz le servirá para descargar los datos y observar en una grafica generada
automáticamente, el comportamiento del cultivo a través del tiempo. Una vez se oprima el botón rojo de
toma de medida, aparecerá un mensaje en el display indicando que se está descargando la información,
posteriormente, se borrará automáticamente la memoria para que esté el Tensiómetro listo para nuevas
mediciones.
Figura 32. Circuito de la Memoria Externa
46
4.9 INSTALACIÓN Y REMOCIÓN
La forma en la cual el sensor de humedad se introduce en el suelo tiene alta importancia. Para adquirir
mediciones representativas del suelo, se recomienda evitar puntos muy altos, cambios de pendiente o
depresiones donde se puedan formar charcos de agua y debe ser localizado en el sistema radical(lugar de
mayor población de raíces) de los cultivos.
Se recomienda antes de la instalación, humedecer el sensor durante toda la noche en el agua de riego, por
lo tanto es mejor siempre instalar un sensor húmedo, si el tiempo lo permite, es buen hábito dejar que el
sensor seque uno o dos días después de haberlo humedecido y para mejorar la respuesta del sensor, se
recomienda repetir el proceso de mojado y secado del sensor dos veces.
Posteriormente, hay que realizar un hoyo de la profundidad requerida. Rellenar el hoyo con agua e
introducir el sensor en el mismo hasta el fondo. Se debe lograr un ajuste perfecto del sensor con el suelo
ya que la efectividad del mismo depende de este ajuste.
El método ideal de hacer el hoyo es usando una herramienta que en la parte mas profunda crea el hoyo al
diámetro del sensor y a medida que aumenta la altura, el hoyo se va ensanchando. Si este es el caso, se
debe rellenar con cuidado y apisonarlo, para prevenir espacios con aire que pueden permitir que el agua se
canalice hacia el sensor y se tengan lecturas erróneas.
La remoción del sensor se recomienda que sea realizada después de que se haya realizado el último riego
y que el suelo todavía se encuentre húmedo. Nunca tratar de sacar el sensor halando por los cables. Al
quitar con cuidado el sensor, se previene el daño de su membrana y del sensor como tal.
Cuando el sensor sea retirado, se debe mantener en una bolsa plástica, limpio y seco. En las siguientes
figuras17
se puede observar como seria la posición del sensor.
17
Figuras tomadas de IRROMETER CO. “Moisture sensor agricultural Irrigation design manual”.
Figura 33. Localización del sensor Watermark
47
Figura 34. Localización del sensor Watermark en cultivos
48
5. ANALISIS DE RESULTADOS
Se realizaron pruebas a cada parte del circuito. Para el filtro se mostraran las señales generadas en cada
etapa del circuito y la señal en la salida. Las pruebas del circuito de temperatura, del reloj en tiempo real y
de la selección de suelos, se mostrarán usando la interfaz de Arduino. Al final, se mostrarán los
experimentos a los cuales fue sometido el Tensiómetro y la respectiva comparación con los otros
tensiómetros con principio de funcionamiento distinto que se consiguen en el mercado.
5.1 PRUEBA DEL FILTRO
Para la realización de la prueba se tomó un osciloscopio y se procedió a medir la señal cuadrada generada
por el micro-controlador para ser filtrada y convertida en sinusoidal.
En la figura 35 se puede observar dicha señal.
Posteriormente se midió la señal a la salida del filtro, en la figura 36 se puede observar que la señal
filtrada se satura, esto se debe a que los cambios en la transición de la señal cuadrada generan unos picos
los cuales fueron filtrados con el condensador C8 de 1µf.
Figura 35. Señal cuadrada generada por el micro-controlador
49
Por lo anterior, se volvió a filtrar la señal y se obtuvo finalmente la señal sinusoidal necesitada, aunque
esta presenta un voltaje DC. En la siguiente figura se puede observar la señal con el DC con acoplamiento
CC y AC para ver la señal con mejor resolución. Se comprueba que los resultados son muy acertados con
respecto a la simulación, con la excepción de las amplitudes, las cuales con menores debido a que los
componentes usados presentan tolerancias, es decir no son precisas en su valor nominal.
Figura 36. Señal en la salida de primer filtro
Figura 37. Salida del segundo filtro con acople CC y AC
50
Finalmente se quita ese voltaje DC de la señal generada mediante la utilización de un condensador de
220nf, en la figura 38, se puede visualizar la señal sinusoidal generada para la excitación del sensor
Watermark.
5.2 PRUEBA DEL CIRCUITO DE TEMPERATURA
Para comprobar que si se esta midiendo la temperatura correcta en el punto de la juntura del termopar, se
usó como referencia el termómetro digital Fluke 51 II, así mismo se usó la interfaz de Arduino para
mostrar los voltajes tomados y amplificados por el INA333 y el LM35, también, la compensación de
juntura fría y el voltaje final el cual corresponde a el voltaje en la juntura.
Para ver con más claridad los cambios en la temperatura, se hicieron tres mediciones:
Con el termopar sumergido en agua con hielo.
Con el termopar calentado usando un ventilador de aire caliente.
Con el termopar a temperatura ambiente.
5.2.1 Termopar sumergido en agua con hielo.
Para la realización de esta prueba se procedió a introducir el termopar en agua con hielo para tener una
temperatura constante y se realizaron las mediciones usando la interfaz de Arduino. En la figura 39 se
muestran los datos obtenidos.
Figura 38. Señal final para la excitación del sensor
51
Como se puede observar la temperatura en la juntura mostrada no es de 0°C, a pesar de que “termocupla”
si muestra 0, esto se debe a que por la programación del micro-controlador (anexo I), se está restando en el
cálculo un valor de 0.835, el cual es el voltaje de referencia en el INA333.
5.2.2 Termopar calentado usando un ventilador de aire caliente.
Para esta prueba se procedió a calentar el termopar con un ventilador de aire caliente para llevarlo a una
temperatura más alta y se obtuvo las siguientes mediciones mostradas en la figura 40.
Figura 39. Mediciones a 0°C
52
En esta ocasión se puede observar que ahora el voltaje que amplifica el INA333 es positivo, y el del LM35
se mantiene igual como sebe ser, ya que es necesario que la temperatura del LM35 sea siempre la misma
para poder hacer bien la compensación de juntura fría.
El voltaje y la temperatura calculados a partir de los polinomios de Seebeck es correcto lo que indica que
estos están bien programados en el micro-controlador.
Se observa que la temperatura en la juntura del termopar se mantuvo alrededor de los 35.7°C, lo que
indica que la compensación de juntura fría se realizó satisfactoriamente.
Con respecto a la comparación con el instrumento de referencia FLUKE, se logró identificar cierta
similitud en las mediciones, pero se presentó la dificultad de que el termómetro FLUKE, al tener la juntura
de su termopar tipo K a la vista y por otro lado la juntura del termopar del Tensiómetro recubierto por
acero inoxidable, el termómetro es más sensible a cambios de temperatura es decir, es mas rápido,
mientras que el termopar del Tensiómetro es mucho más lento porque el recubrimiento demora por la
conducción el calor. Por lo cual se debe decir que el método usado, aunque sirve para hacer las
mediciones del termopar más lento, no sirve muy bien para hacer la comparación de instrumentos. Se debe
tener una temperatura constante y controlada.
Figura 40. Mediciones de alta temperatura
53
5.2.3 Termopar a temperatura ambiente.
Se colocó el termopar a temperatura ambiente y se procedió a leer y convertir las mediciones para obtener
la temperatura en la juntura. En la figura 41 se muestran los valores arrojados por la interfaz de arduino.
En la figura se puede observar el voltaje medido en la salida del INA333, el cual es un voltaje en
milivoltios.
Luego se puede ver la temperatura medida por el LM35, recordando que mide la temperatura en las
junturas del circuito en el board para hacer la compensación, y su valor correspondiente en voltaje. Con
esos dos datos se puede comprobar que se hace correctamente la utilización de los polinomios de Seebeck
para convertir la temperatura medida por el sensor, a un voltaje representativo de termopar referido a 0°C.
Después se ve el voltaje de compensación que resulta de ser la suma entre el voltaje representativo del
LM35 y el voltaje en la salida del INA333, este voltaje corresponde al que se genera en la juntura del
termopar.
Finalmente se observa la temperatura en la juntura del termopar.
Se hizo la toma de 5 muestras, donde se ve una ligera variación pero que conserva un comportamiento
muy similar.
Figura 41. Mediciones de temperatura ambiente
54
Haciendo la comparación de la temperatura medida por el Tensiómetro y la temperatura del termómetro
FLUKE, se ve una diferencia de 0.4°C, ya que el instrumento de referencia siempre mantuvo su
temperatura en 22.4°C.
5.3 PRUEBAS DEL CIRCUITO DE INDICACION DE ESTADO DEL SUELO
En este caso, como se explicó en la sección de especificaciones, se implementó en el Tensiómetro cuatro
diodos LED indicadores del estado del suelo así como un mensaje en el display el cual de acuerdo a la
indicación lumínica, le indicará al agricultor cual es la decisión mas indicada para tomar.
La prueba se hizo remplazando el sensor Watermark por una serie de resistencias que sirven para simular
el comportamiento del mismo teniendo en cuenta que es de tipo resistivo. Según el valor de estas
resistencias, se tiene un valor de tensión matricial del suelo distinto y se puede configurar el sensor para
que muestre las indicaciones esperadas.
Se hizo también la prueba teniendo como referencia el tipo de suelo franco usando el switch 2 en la
posición 1. En las siguientes figuras se observa el mensaje y la indicación del Tensiómetro teniendo en
cuenta la variación de resistencia.
En la figura 42, se optó por simular el sensor usando una resistencia de 1kΩ siendo este el valor minimo
del sensor cuando el suelo se encuentra totalmente saturado de agua. Como se observa, el mensaje
proporcionado es de “exceso de agua” y se enciende un LED de color azul indicando que el suelo se
encuentra saturado.
En la figura 43 se usó para hacer la prueba una resistencia de 3.3kΩ, en este caso, el cual el suelo estaría
en su capacidad de campo para el tipo de suelo franco, se indica en el display el mensaje de “condición
ideal” y se enciende el LED de color verde. La figura 44 muestra este comportamiento del Tensiómetro.
Figura 42. Indicación de suelo saturado
55
Ahora bien, para la tensión en la cual se debe iniciar el riego, que según el tipo de suelo franco es entre
31cb a 50cb, se uso una resistencia de 5.6kΩ (37.7cb). En la figura 44 se ve la indicación proporcionada
por el Tensiómetro, el mensaje “iniciar riego” y el encendido del diodo LED de color amarillo.
Finalmente se hizo la prueba en la cual el suelo estaría peligrosamente seco, que en el caso del tipo de
suelo franco, es con una tensión mayor a 50cb, por lo tanto se debe usar una resistencia con un valor
nominal mayor a 7.25KΩ, así que basta con no poner ninguna resistencia en la bornera para tener el
circuito abierto y por lo tanto un valor muy alto de resistencia. En la figura 45, se observa el
comportamiento del Tensiómetro mostrando el mensaje “extremadamente seco favor regar” y el
encendido del LED de color rojo.
Figura 43. Indicación de capacidad de campo
Figura 44. Indicación de iniciación de riego
56
5.4 PRUEBAS DEL TENSIOMETRO CON RESISTENCIAS
Para comprobar que el tensiómetro estuviera funcionando correctamente con respecto al sensor de
humedad se hicieron pruebas usando una caja de resistencias Vector-Vid de Instrument Division, lo que se
hizo principalmente fue simular el sensor usando resistencias dentro del rango del mismo, es decir entre
1kΩ y 30kΩ y comprobar que las mediciones e indicaciones correspondieran a las mencionadas por el
fabricante del sensor.
Se usó la interfaz de arduino para poder visualizar el valor de las resistencias y así mismo el valor de la
tensión matricial del suelo correspondiente. En la tabla 10, se observa el valor de tensión y la resistencia
del sensor según el fabricante, esta tabla fue tomada del datasheet del sensor el cual fue realizada teniendo
en cuenta una temperatura de 21°C y se puede observar con más detalle en el anexo C.
Figura 45. Indicación de suelo seco
Tabla 10. Tensión Matricial del Suelo a 21°C
57
En la tabla 11 se observan los resultados obtenidos usando el Tensiómetro creado y la caja de resistencias.
Como se puede observar los valores de tensión matricial del suelo obtenidos se encuentran correctamente
dentro de los rangos proporcionados por el fabricante, si se comparan los valores de la tabla 10 con los
valores de la tabla 11 se evidencia un correcto funcionamiento del Tensiómetro.
5.5 PRUEBAS EN CAMPO
Para la realización de las pruebas en campo, se hizo el traslado del Tensiómetro hacia la Facultad de
Agronomía de la Universidad Nacional de Colombia.
Con la ayuda del Profesor Roberto Villalobos Rebolledo se construyó un escenario de aplicación común el
cual está compuesto de tres materas de 30 cm de altura con 23 cm de diámetro. Cada una se rellenó con
suelo franco, el cual se encuentra normalmente en los viveros y en cada una se insertó un tensiómetro
análogo de propiedad de la Universidad Nacional con el ánimo de hacer comparaciones del
comportamiento de estos y el Tensiómetro Electrónico. En la figura 46 se observan los tres tensiómetros
análogos usados.
Tabla 11. Resultados con Caja de Resistencias
Figura 46. Tensiómetros De la Universidad Nacional
58
En la figura 47 se observa el laboratorio en el cual se hicieron las pruebas y lo anteriormente mencionado.
Se usaron tres materas, ya que cada una contiene un nivel de humedad diferente. En la primera matera
(Muestra 1) se usó el suelo saturado, para hacer mediciones en un rango de 0cb a 17cb. En la siguiente
(Muestra 2) se hicieron mediciones de humedad entre 18cb y 32cb y en la última (Muestra 3) de 26cb a
61cb.
Al lado de cada tensiómetro proporcionado por la Universidad Nacional, se colocaron los sensores del
Tensiómetro Electrónico (temperatura y tensión) y se hicieron mediciones diarias durante un lapso de 7
días, tiempo suficiente para que las muestras de suelo tuvieran una evolución correspondiente en un rango
de 0cb a 60cb. Hay que tener en cuenta que en el momento de realizar las pruebas se contaba con dos
sensores de humedad Watermark 200S y tres tensiómetros análogos.
En las figuras 48-50 se muestra el comportamiento del suelo con los datos proporcionados por todos los
tensiómetros.
Figura 47. Laboratorio y Configuración del Experimento
Figura 48. Datos de los tensiómetros en la muestra 1
59
De las figuras anteriores se puede observar que hay diferencias marcadas entre las lecturas de los
tensiómetros de la Universidad Nacional y el Tensiómetro Electrónico, estas diferencias se deben a que las
cerámicas que conforman los tensiómetros son distintas, asimismo se puede observar que en la figura 50,
la diferencia es aún mas grande debido a que en esta muestra se usó el otro sensor Watermark200S, es
decir, en las muestras 1 y 2, se usó el mismo sensor Watermark 200S y en la muestra 3 otro similar.
También cabe resaltar que los resultados pueden variar dependiendo del cuidado en la técnica de
instalación de los sensores. En la figura 51 se muestra la unión de las graficas anteriores para así conocer
el comportamiento completo del suelo tipo franco en todo el rango.
Figura 49. Datos de los tensiómetros en la muestra 2
Figura 50. Datos de los tensiómetros en la muestra 3
60
Como se puede observar, el comportamiento del suelo según los tensiómetros es similar, pero se presentan
diferencias notables en los últimos valores. Como se mencionó anteriormente se deben a la construcción e
instalación de los sensores Watermar200S y del tipo de cerámica de los tensiómetros análogos. Se observa
un porcentaje de error en la última medida de 31.72%, este error se debe a que el tensiómetro
proporcionado por la Universidad Nacional, presentó complicaciones en el funcionamiento y por lo tanto
fallas en su medición lo cual no puede ser aceptado como confiable para este experimento.
5.6 PRUEBAS DE LA INTERFAZ CON EXCEL
La interfaz con Excel se hizo de tal forma que solo basta con oprimir dos botones por parte del usuario,
uno en el Hardware y otro en el Software.
En cuanto al software se debe ejecutar el archivo llamado “Libro1” que se encuentra en el CD-ROM
incluido con este documento, este abrirá una interfaz en Excel, la cual contiene una tabla y una gráfica. En
la figura 52 se observa esta interfaz.
Figura 51. Comportamiento del Suelo
Figura 52. Interfaz con Excel
61
El usuario, al presionar con un click el botón “Tomar Datos”, aparecerá una ventana emergente que
indicará que se esta realizando el proceso “Tomando Datos”, una vez el usuario clickee en “aceptar”, se
generará en el directorio donde se ubicaron los archivos, un nuevo archivo llamado “Datos Registrados”
en formato .txt, luego de haberse creado el archivo de texto, el usuario deberá actualizar la tabla de los
datos, para ello, deberá clickear en el botón actualizar todo, acto seguido, se le pedirá que seleccione el
archivo de texto generado. La figura 53, muestra estos dos procesos.
Inmediatamente después, se genera automáticamente la gráfica correspondiente a el comportamiento del
suelo y la tabla se rellena con los datos tomados por el Tensiómetro Electrónico.
En cuanto al Hardware, Se debe colocar el interruptor “memoria” en 1 y presionar el pulsador rojo, así, el
Tensiómetro Electrónico establecerá comunicación con el computador de escritorio y hará la transferencia
de los datos almacenados en la memoria.
Figura 53. Proceso de Actualización
62
Es necesario que primero se presione el botón en Excel “tomar datos”, luego, mientras aparece la ventana
emergente “tomando datos”, se debe presionar el botón rojo del Tensiómetro Electrónico, para de esta
forma generar correctamente el archivo de texto.
A continuación se muestra en las siguientes figuras el circuito esquemático total del Tensiómetro y su
respectivo PCB.
Figura 54. Esquemático del Tensiómetro
63
En la Figura 56 se observa el prototipo final del Tensiómetro Electrónico.
Figura 56. Prototipo Final
Figura 55. PCB del Tensiómetro
64
5.7 COSTOS Y FUENTES DE FINANCIACIÓN
COMPONENTES FABRICANTE REFERENCIA COSTO CANTIDAD FUENTE DE FINANCIACIÓN
Arduino Arduino Team UNO R3 $ 69.000 1 Propia
Sensor de Humedad Irrometer Watermark 200SS $ 63.700 2 Pontificia Universidad Javeriana
Sensor de Temperatura Watlow Termopar Tipo J $35.000 1 Propia
Cable USB Tipo AB $ 5.000 1 Propia
Display PowerTip PC1602L 16X2 $ 23.200 1 Propia
Baterias Recargables 9V GP 20R8H $ 21.500 3 Propia
LED T1 3/4 5mm $ 1.000 4 Propia
Caja de Acrílico $ 20.000 1 Propia
Componentes Generales $ 50.000 Propia
Impreso Yahiko Electrónica $ 20.000 1 Propia
Total $ 308.400
Tabla 12. Costos
Tabla 13. Horas de Ingeniería
65
6. CONCLUSIONES
El uso del tensiómetro Electrónico es necesario al momento de tecnificar la agricultura para
asegurar mayor productividad en los cultivos y eficiencia en la toma de decisiones y
aprovechamiento de los recursos naturales.
Se obtuvo un prototipo que cumple con los requerimientos planteados: mide la tensión matricial
del suelo a partir de sensores de humedad y temperatura (compensación de temperatura), tiene
visualización local de datos a través de un display LCD, almacena información hasta 2 años
(almacenando un registro diario) con 64Kbits de espacio, comunicación USB e interfaz en el PC
que permite descargar y almacenar los datos en Excel, de esta forma el usuario puede generar
gráficas y realizar la gestión de los datos.
Los resultados obtenidos a la hora de comparar el tensiómetro electrónico con los tensiómetros
análogos presentaron algunas diferencias, las cuales se le atribuyeron a las técnicas de instalación,
a los materiales de construcción y al principio de funcionamiento de cada uno de los sensores, en
este caso el sensor del tensiómetro electrónico es un GSM (Sensor matricial granular) cuya
construcción se basa en material de yeso y los tensiómetros análogos con los cuales se realizaron
los protocolos de pruebas, su principio de funcionamiento es por presión y el material de
construcción corresponde a la cerámica. Sin embargo, el comportamiento en el tiempo de la
tensión matricial en el suelo es similar y de esta forma se mantuvo la tendencia.
Los valores obtenidos entre los tensiómetros análogos colocados en una misma muestra de suelo
son diferentes porque son de varios fabricantes, por lo tanto no hay un valor absoluto de referencia
en la prueba de laboratorio estudiada para este proyecto.
Gracias al trabajo realizado y los resultados obtenidos, es posible integrar al Tensiómetro
Electrónico en un sistema de riego automatizado en el cual se puede adicionar al dispositivo la
función de generar una señal hacia un control, usando un relé para conmutar electrobombas del
sistema de riego.
En cuanto al funcionamiento del sensor del tensiómetro electrónico con el cual se trabajó, el
Watermark 200SS, se realizaron pruebas utilizando resistores dentro del rango de operación del
sensor y se obtuvieron los resultados esperados, basados en la ficha técnica del sensor.
En cuanto a la aplicación, el equipo desarrollado representa una herramienta de apoyo agronómico
dirigida a la agricultura de precisión, que le permite a los consultores, ingenieros agrónomos,
agricultores y personas en general involucradas con la producción de cultivos agrícolas, a facilitar
la toma de decisiones, mejorando así el control sobre la programación de riegos, asegurando
mayor productividad en los cultivos y optimizando el aprovechamiento de los recursos naturales.
Siendo el uso de este, el tensiómetro electrónico, una herramienta necesaria en la tecnificación de
cultivos agrícolas.
66
7. BIBLIOGRAFÍA
1. BLACKMORE, Simon. “Agricultura de precisión”. revista nacional de agricultura. Junio 2007.
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2007. http://godues.blogspot.com/2007/11/aspectos-geofsicos-de-los-andes-de.html
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8. ANEXOS
A. Datasheet LM35.
B. Datasheet TPS62125.
C. Datasheet Sensor Watermark 200SS.
D. Datasheet DS1307.
E. Datasheet 24LC64.
F. Datasheet INA333.
G. Datasheet Atmega328P.
H. Circuito Esquemático de Arduino.
I. Código de Programación del micro-controlador.
J. Tabla de voltajes y temperaturas para termopar tipo J.
