SENSOR DE PULSO DE CALOR DE PONTEIRA SIMPLES

O sensor de ponteira simples é composto por dois elementos distintos, encapsulados em um mesmo corpo, sendo que um é um elemento aquecedor e o outro um sensor de tempe- ratura. O sensor de ponteira simples, conhecido como SHPP, opera de forma similar ao sensor DHPP. No entanto, os elementos estão montados muito próximos, geralmente dentro de uma agulha, preenchida com resina epóxi com baixa resistividade térmica (bom condutor térmico), podendo este conjunto ser revestido com gesso para absorver a água do solo, ou estar em con- tato direto com o solo, sendo que neste caso o solo serve como material poroso. A Figura 8 mostra um exemplo de montagem do sensor SHPP construído com termopar e resistor dentro da agulha hipodérmica, sendo esta envolvida por uma cerâmica porosa.

Figura 8 - Detalhes de montagem do sensor SHPP, modelo 299 da Campbell [32]

Os sensores da TMAS produzidos pela Orbital Technologies [31][29] adotaram a so- lução que o solo serve como material poroso e portanto ficaram bem compactos (Figura 10(A)).

O sensor SPHP, modelo 229 da Campbell [32], construído com termopar e um ele- mento de aquecimento na mesma mecânica porosa de gesso, apresentou uma variação de temperatura de 2,3 °C na escala total de 0%≤ θ ≤ 100%. No entanto, a variação deste sensor para aplicação em agricultura é de 1,5°C ( 5%≤ θ ≤ 35%). Logo, para ter resolução de 1% em θv, precisa medir a temperatura com resolução de 0,05 ºC. Além disto, esse sensor precisa de uma energia de 2,55 J para aquecer a resistência (corrente do pulso de aquecimento= 50 mA; resistência do aquecedor=34 Ω; duração do pulso = 30 s => E=34*0,05^2*30=> E=2,55 J). A curva de resposta deste sensor pode ser vista na Figura 9.

Figura 9 - Resposta do sensor 229 da Campbell para diferentes concentrações de umidade de solo [32]

(A)

(B)

Figura 10 - (A) Sensor TMAS da Orbital Technologies (B) Sensor 229 da Campbell encapsulado com gesso

O sensor de umidade SHPP, com material poroso, baseado na variação de tensão de uma ponte de Wheatstone construída com dois resistores de baixo coeficiente térmico (R1 e R2) e dois resistores termosensíveis (R3 e R4) feitos com nanoestruturas de PbS é apresenta- do em [33]. O elemento de aquecimento foi construído com oito resistores SMD de precisão com baixo coeficiente térmico (R5 a R12), ao redor dos resistores termosensíveis, para aque- cer o substrato de maneira uniforme. A Figura 11 (A) apresenta o diagrama esquemático do sensor e a Figura 11 (B) mostra o sensor montado em cima da cerâmica porosa.

(A) (B)

Figura 11 - (A) Diagrama Esquemático do Sensor de Umidade de Solo baseada em configuração de Ponte Re- sistiva. (B) Sensor completo montado em cima do bloco de cerâmica porosa [33]

O protótipo de laboratório deste sensor apresentou uma variação de 2,4mV (que repre- senta uma variação de 2,83 °C) na saída da ponte para uma mudança de umidade de água do solo de 5% para 40%. A medida é realizada aplicando um pulso de calor de 290 mW durante 30s (8,7 J) e medindo a variação de temperatura causada pela troca de calor entre o elemento aquecedor e o corpo poroso. O circuito interrogador é de baixíssimo consumo e foi desenvol- vido um circuito de energy harvesting que capta a energia utilizando um TEG (efeito seeback) para alimentar o circuito do sensor e do interrogador. O sistema de energy harvesting gerou energia de 34,1 J (durante um dia ensolarado) que é suficiente para operar o sistema completo por 5 dias sem captação de energia pelo TEG, realizando uma medição por dia. O consumo médio do sistema completo constituído por circuito de energy harvesting, sensor e interroga- dor, é de somente 20,1 µA, sendo que o circuito de gerenciamento baseado no LTC3109 con- some 0,9 µA.

Em [34], foi demonstrada uma prova de conceito de um sensor SSHP de umidade de solo baseado em um único transistor bipolar (NPN) que opera como elemento de aqueci- mento e medição de temperatura. A medição da umidade é baseada nas variações de tempera- tura, através da medição de VBE (T), que é calculada utilizando a expressão descrita por Wi- dlar [35], e o aquecimento é realizado através da junção base coletor. Esta técnica permite aplicar um pulso de calor com baixa corrente, mas este trabalho não foca no sistema de inter- rogação de baixo consumo. Foram apresentadas duas técnicas de medição e análise de dados, sendo que uma mede a variação de temperatura durante o pulso de calor e outra que mede a variação de temperatura antes e depois da aplicação do pulso de calor. Na faixa de umidade de 5% a 35%, o sensor desenvolvido com um pulso térmico de 1,5 J apresentou um intervalo ΔTmax de 6,1 °C quando a temperatura é medida antes e após o pulso de calor, e um intervalo

ΔTmax de 3,0 °C quando a temperatura é medida durante o pulso de calor. Testes iniciais de caracterização em solo indicam que a sensibilidade do sensor desenvolvido é até seis vezes maior do que o melhor resultado apresentado na literatura (o sensor BHP desenvolvido por [36]). Desta maneira, esta técnica torna-se muito promissora para aplicação em conjunto com circuito para energy harvesting, pois apresenta um boa sensibilidade e permite ter um baixo consumo de corrente.

Os sensores SHPP não enfrentam problema de deflexão da ponteira durante a sua in- serção no solo, mas podem existir variações da distância entre o elemento aquecedor e o ele- mento sensor de temperatura durante o processo de montagem. No entanto, é esperado que o erro causado por este motivo é reduzido pelo fato dos elementos estarem muitos próximos e aderidos por uma resina epóxi termicamente condutivas e eletricamente isoladas. O estudo realizado por [21] demonstrou que os sensores SHPP apresentam maior sensibilidade à varia- ção de umidade e são menos dependentes do processo de fabricação, podendo desprezar este erro causado durante a montagem.

4 PROPOSTA DO NOVO SISTEMA DE UMIDADE DE SOLO

Este capítulo apresenta a proposta do novo dispositivo de irrigação, autônomo e inde- pendente, para uso em plantações que utilizam sistema de irrigação com microaspersor. A alimentação deste dispositivo é realizada através de um circuito de energy harvesting que uti- liza o movimento do microaspersor durante a irrigação para alimentar a eletrônica embarcada e armazenar a energia excedente em um supercapacitor. A medição da umidade e da tempera- tura do solo é realizada através de um único transistor bipolar NPN encapsulado com cerâmi- ca porosa que utiliza a técnica de medição indireta para estimar a quantidade de água existente no solo.

O desenvolvimento emprega basicamente dois módulos distintos: o módulo de capta- ção e geração de energia e o módulo de gerenciamento, controle e armazenamento de energia. A Figura 12 representa de forma genérica a arquitetura do sistema de irrigação proposto.

Figura 12 - Arquitetura do dispositivo de irrigação

O conjunto mostrado na Figura 12 é representativo, de modo que não apresenta os de- talhes da solução, como suas características técnicas e seus aspectos construtivos. O módulo de captação e geração de energia está representado em amarelo e o módulo de gerenciamento, controle e armazenamento de energia está representado na cor vermelha, ou seja, o primeiro módulo é responsável pela conversão da energia cinética em energia elétrica para alimentar o

circuito eletrônico e o outro é responsável pelo armazenamento de energia, medição e contro- le. O objetivo é medir a umidade do solo da plantação durante o período da irrigação e com- parar com um valor de referência, caso haja discrepâncias em relação a um valor limite prees- tabelecido, a válvula d'água é mantida aberta para permitir a irrigação da plantação. Caso con- trário, a válvula é fechada durante o período da irrigação (no qual o agricultor liga a moto bomba) e depois aberta para a próxima irrigação/medição que será realizada apenas no dia seguinte.