Una vez perfeccionado, el bajo coste de este sensor podrá hacerlo más apropiado para instalaciones a gran escala con el fin de gestionar el consumo de agua individual de plantas o árboles

La reflectrometría del dominio de frecuencia (RDF) o más conocido en sus siglas en inglés, Frequency Domain Reflectometry (FDR), es una técnica establecida para la determinación de la humedad del suelo usando el cambio en la capacitancia eléctrica de sondas insertadas en el suelo dependientes de la presencia de agua.

Se emplearon dos técnicas FDR para medir la humedad del suelo, la primera pasando una frecuencia fija a través del suelo mediante sondas aisladas y posteriormente midiendo la amplitud de la señal reflejada. La segunda usa la capacitancia del suelo como el componente controlador en un oscilador de frecuencia variable. En este caso, la capacitancia medida se ve afectada también por la temperatura del suelo. Además, debido a la naturaleza sensible de la electrónica de monitorización, puede afectar a las medidas la temperatura de los componentes críticos de los circuitos. Los experimentos muestran que estos dos efectos son complementarios, la temperatura del suelo añadida a la capacitancia medida, mientras que la temperatura de los componentes electrónicos puede disminuir efectivamente la capacitancia medida.

Ambos parámetros aumentan durante el día y caen por la noche y muestran una zona de diferencia significativa. Además, la influencia de la compensación de temperatura es alta en el rango medio de valores de humedad del suelo. Los efectos de la temperatura son menos significativos para condiciones extremas muy secas o muy húmedas. Esta comunicación muestra este fenómeno empleando resultados a partir de un sensor recientemente desarrollado de cuatro sondas FDR de capacitancia de bajo coste.

La sonda de capacitancia FDR (Choi et al, 2015; Jaria and Madramootoo, 2013; Al-Asadi and Mouazen, 2014) se basa en que la constante dieléctrica del agua y el aire difieren en un factor de 80. De este modo la presencia de agua en el suelo entre las placas de la sonda producen un cambio significativo en su capacitancia. Cuanto más alta es la concentración de agua, más alta es la capacitancia. Esta capacitancia se puede medir por métodos eléctricos. Como la sonda está aislada eléctricamente no hay un flujo de corriente directa dentro del suelo y así el efecto de la conductividad de los iones de las sales del suelo se minimiza. Sin embargo, los diferentes tipos de suelo muestran diferentes propiedades (Tran et al., 2015; Hanson y Peters, 2000) e incluso la temperatura del suelo (Liu et al., 2015; Afa y Anaele, 2010).

Una sonda aislada se enterró horizontalmente 3 cm en un suelo arcilloso con alto contenido en silicio, típico de la Vega Baja del Segura (Alicante). La sonda consta de una placa de policlorobifenilo (PCB) de 20 mm por 60 mm con dos dientes a doble cara paralelos de 7 mm de ancho, aislados por dos capas de barniz marino en la parte de PCB, pero no en la base de los dientes, unidos en la parte anterior. Los dos dientes están separados 6 mm, siendo el área efectiva de la placa de 500 mm². Usando un CD4052B CMOS dual 4 con un interruptor análogo, se conectaron 4 sondas a un amplificador de bajo coste. Las cuatro sondas se instalaron a 4 profundidades. El conjunto cuesta menos de 12 euros incluyendo la caja intemperie IP56, las sondas FDR, un sensor DS18B20 de temperatura, un amplificador operacional LM358, interfaces electrónicos y microcontrolador, alimentados con cuatro baterías AA trabajando durante 4 meses.

Se usaron dos métodos eléctricos para determinar la capacitancia efectiva de la sonda. El primero incluye a la sonda como componente capacitivo de un filtro de paso bajo. Un microcontrolador Arduino conectado a 5 v y 16 MHz se empleó para obtener una onda cuadrada de frecuencia fija de 125 kHz en el filtro, seguida por un seguidor de ganancia de unidad y un detector de picos. La diferencia de potencial resultante se tomaba después de un período de estabilización de 20 ms. Los valores se tomaron con un conversor análogo-digital (ADC) de 10 bit que se escaló linealmente para obtener 256 valores (8 bits) para un almacenamiento eficiente y transmisión. Se refirieron a lecturas del sensor del suelo (SS).

Figura 1. Sensor de humedad FDR.

Imagen 2. Caja intemperie IP56 donde van incluidos los compenentes electrónicos.

El segundo método usa la sonda como elemento capacitivo en un circuito oscilador, cargando y descargando repetidamente el condensador a medida que pasa la diferencia de potencial entre dos umbrales. El tiempo que tarda la diferencia de potencial en aumentar y en caer entre dos umbrales se mide en cuatro semiondas, suministrando un indicador de la capacitancia. Estos tiempos se han definido como tiempo de carga (Tc) y tiempo de descarga (Td) respectivamente.

Imagen 3. Arduino Pro Mini PCB, a 5V y 16 MHz.

Las lecturas del sensor del suelo (SS) muestran un valor alto por unidad de cambio de capacitancia a bajos valores de capacitancia y un valor mucho más pequeño por unidad de cambio a valores más altos de capacitancia. Ello da una alta resolución en las unidades de medida a valores de baja capacitancia, pero cuando se convierte a su valor recíproco (rSS), muestra una respuesta lineal con Tc y Td con la sonda sustituida por condensadores. Los valores de rSS se multiplican por 8.000 para conseguir valores en un rango numérico comparable entre Tc y Td.

La figura 1 muestra las lecturas de rSS y Td readings en un ensayo de 5 días con dos episodios de riego en las mañanas de los días 4 y 5. Ambos conjuntos de datos (rSS y Td) oscilan desde lecturas entre valores de 40 y 50 indicando condiciones de suelo seco, hasta condiciones de suelo mojado con lecturas de 100-120 para el primer riego y alcanzando lecturas de 2.280, subiendo de nuevo para el siguiente inicio de riego que empieza con lecturas de alrededor de 3000. Las temperaturas del suelo se muestra que oscilan entre 16 y 45 °C aunque las temperaturas de la caja intemperie oscilan entre 20 y 45 °C. Aunque hay indicios de un efecto de la temperatura en las lecturas de rSS y Td, no son particularmente significativos.

Fig.1. Lecturas no compensadas de Td y rSS con dos episodios de riego.

La figura 2 muestra los resultados de un ensayo de 6 días durante un secado natural por evaporación. Las lecturas no compensadas de rSS y Td están ahora en valores de rangos medios (50-70 para rSS y de 60 a 90 para Td), pero muestra una variación significativa con la temperatura. Si se compensa solamente la temperatura del suelo (reduciendo el resultado por una cantidad proporcional a la temperatura) muestra una mejora significativa de los resultados. Sin embargo, está claro que para rSS, el resultado requiere todavía la compensación según la temperatura del interior de la caja que alberga la electrónica.

Fig.2. Lecturas de Td y rSS con solamente compensación de la temperatura del suelo.

La figura 3 muestra los resultados de un ensayo de 6 días con la compensación de la temperatura de la caja (donde el resultado aumenta proporcionalmente a la temperatura de la caja). Ello muestra una mejora significativa para rSS respecto a la figura 2.

Fig.3. Lecturas de Td y rSS con compensación de las temperaturas del suelo y de la caja estanca.

Este sensor FDR puede distinguir claramente entre condiciones de suelo seco y mojado, sin embargo entre extremos, las lecturas del sensor están sujetas a la variación de la temperatura. A temperaturas altas de suelo se producen lecturas que muestran condiciones de suelo mojado aunque la temperatura de los componentes electrónicos genera lecturas que muestran condiciones de suelo seco. Una vez perfeccionado, el bajo coste de este sensor podrá hacerlo más apropiado para instalaciones a gran escala con el fin de gestionar el consumo de agua individual de plantas o árboles.

Agradecimientos

Este proyecto ha recibido el apoyo tecnológico de Telenatura EBT, S.L.

Referencias bibliográficas

• Afa, J.T., Anaele, C.M. (2010). Seasonal variation of soil resistivity and soil temperature in Bayelsa State. Am. J. Eng. Appl. Sci. 3 (4), 704–709.
• Al-Asadi, R.A., Mouazen, A.M. (2014). Combining frequency domain reflectometry and visible and near infrared spectroscopy for assessment of soil bulk density.Soil Tillage Res. 135, 60–70.
• Choi, E.Y., Yoon, Y.H., Choi, K.Y., Lee, Y.B. (2015). Environmentally sustainable production of tomato in a coir substrate hydroponic system using a frequency domain reflectometry sensor. Horticulture Environment and Biotechnology, 56 (2): 167-177.
• Hanson, B.R., Peters, D.W. (2000). Soil types affects accuracy of dielectric moisture sensors. Calif. Agric. 54 (3), 43–47.
• Jaria, F., Madramootoo, C.A. (2013). Thresholds for irrigation management of processing tomatoes using soil moisture sensors in Southwestern Ontario. Trans.ASABE 56 (1), 155–166.
• Liu, B., Han, W.T., Weckler, P., Guo, W.C., Wang, Y., Song, K.X. (2015). Detection model for effect of soil salinity and temperature on FDR moisture content sensors. Applied Engineering in Agriculture, 30 (4): 573-582.
• Tran, A.P., Bogaert, P., Wiaux, F., Vanclooster, M., Lambot, S. (2015). High-resolution space-time quantification of soil moisture along a hillslope using joint analysis of ground penetrating radar and frequency domain reflectometry data. Journal of Hydrology, 523: 252-261.