Faixa de actuação
3.6 Sensores para medição da radiação solar
Dada a importância da radiação solar para o crescimento das plantas a sua monitorização é fundamental. Para as plantas a radiação que interessa medir situa-se
na faixa dos [400, 700]nm, que representa a radiação que influencia directamente a fotossíntese [Teixeira83].
A radiação óptica é entendida como parte do espectro electromagnético na gama de comprimentos de onda entre os 100nm e 1nm sendo esta banda de radiação óptica ainda dividida em três sub-bandas: Ultravioletas (UV), Radiação Visível (Luz), e os Infravermelhos (IV). As bandas de UV e IV encontram-se divididas em três subgrupos A, B e C e a gama visível nas suas cores relevantes. Como se pode verificar na tabela 3.1 (de acordo com o standard DIN5031, parte 7)
Gama dos comprimentos de onda Designação
100nm-280nm UV-C 280nm-315nm UV-B 315nm-380nm UV-A 380nm-440nm Luz- Violeta 440nm-495nm Luz- Azul 495nm-558nm Luz-Verde 558nm-640nm Luz- Amarelo 640nm-750nm Luz-Vermelho 750nm-1,4μm IV-A 1,4μm-3μm IV-B 3μm-1nm IV-C
Tabela 3.1- Subdivisão do espectro da radiação óptica de acordo com o Standard DIN5031, parte 7
A expressão luz refere-se à radiação óptica que o olho humano consegue percepcionar [Chappell78].
De acordo com o tipo de estufa pode ser necessário a medição da radiação na faixa dos ultravioletas e infravermelhos, tendo em conta, que a primeira radiação danifica as plantas enquanto que a segunda fornece uma medida das perdas por irradiação.
O Sol é a principal fonte de radiação, e tem aproximadamente a distribuição espectral de um corpo negro, com uma temperatura de 6000 oK. Esta radiação vai
sofrendo consecutivas alterações em determinadas bandas, à medida que penetra na atmosfera, relativas à absorção por parte da água (H20), e do dióxido de carbono
(CO2) [Santos98].
A sensibilidade espectral ou resposta relativa, constitui uma das características mais importante na escolha de um sensor de radiação.
A sensibilidade está dividida em dois tipos, a sensibilidade espectral, S(λ), e a sensibilidade total, St.
A sensibilidade espectral representa a sensibilidade do transdutor face ao comprimento de onda, supondo o raio incidente monocromático. A sensibilidade total é a sensibilidade do transdutor que recebe um sinal óptico que não é monocromático.
As grandezas referentes à radiação dividem-se em grandezas fotométricas, relativas à radiação visível (afectadas do índice v), e grandezas energéticas, relativas ao conteúdo energético da radiação.
Resumo das principais grandezas energéticas e fotométricas
Grandezas Energéticas Símbolo Unidade fotométricas Grandezas Símbolo Unidade
Potência radiada Φ W Fluxo luminoso Φv lm
Energia Q J Energia luminosa Qv lm.s
Intensidade I W/sr Intensidade luminosa Iv lm/sr =cd
Radiância L W/ m2. sr Luminância Lv cd/ m2
Irradiação E W/ m2 Iluminação Ev lm/m2= lux
Tabela 3.2- Resumo das principais grandezas energéticas e fotométricas
A potência radiada (Φ) e o fluxo luminoso (Φv) descrevem a potência total
radiada para o espaço por uma fonte luminosa. Estes valores relacionam-se com a fonte. As suas unidades são o Watt (W) para a potência radiada e lumen (lm) para o fluxo luminoso.
A energia e a energia luminosa são produto do fluxo luminoso pelo tempo t. As unidades são o Joule (J) para a energia e o lm por segundo para a energia luminosa,
Intensidade energética (I) e intensidade luminosa (Iv) medem a potência radiada numa determinada direcção sobre um ângulo sólido unitário (em steradiano, sr) e também se relacionam com a fonte luminosa. As unidades são o W/sr para a intensidade energética e o lm/sr = candela (cd) para a intensidade luminosa.
A radiância (L) e a luminância (Lv) são medidas da superfície da fonte de luz. Tal como a intensidade energética e luminosa, estes valores são características da fonte de luz e também relacionadas com a área unitária da fonte. As unidades são o W/m2 .sr para a radiância e cd/m2 para a luminância.
A irradiação (E) e iluminação (Ev) são medidas relativas ao detector e as unidades são o W/m2 para a irradiação e lm/m2 = lux para a iluminação [Santos98]. Os sensores usados para medir a intensidade luminosa, como é o caso da radiação solar são denominados de sensores fotoeléctricos. Existem essencialmente dois tipos de detectores: os fotocondutores resistivos (fotoresistências) e os fotocondutores semicondutores.
3.6.1 Fotoresistências
As fotoresistências ou células fotocondutivas, Light Dependent Resistor vulgarmente conhecidas por LDR são dispositivos resistivos caracterizados por uma variação da sua resistência quando sujeitas à influência de um fluxo incidente.
O mecanismo de funcionamento apoia-se na fotocondução, resultante de um efeito fotoeléctrico interno que consiste na libertação de cargas eléctricas no material fotocondutor sob a influência da radiação incidente com o correspondente aumento da sua condutividade.
Dependendo da resposta espectral desejada para o dispositivo os materiais utilizados para a construção de LDR's podem ser variados. O material mais comum é no entanto o sulfito de cádmio (CdS) que apresenta uma forte resposta foto-
condutiva cuja sensibilidade espectral está limitada entre os 300nm e os 880nm com um máximo nos 550nm, resultando similar à sensibilidade do olho humano.
Fig. 3.31 LDR típica e respectiva característica resistência R(Ω) vs iluminação Ev(lux)
Da análise da Fig. 3.31, podemos verificar que a relação da resistência com a radiação incidente é uma relação exponencial. Outras características são: tempos de resposta elevados, grande sensibilidade à temperatura. De notar que estas características são alteradas ao longo do tempo e apresentam uma grande variação da sua resistência.
3.6.2 Fotodíodo
Os fotodíodos podem ser classificados como fotocondutores, apesar de apresentarem funcionamento e desempenho diferentes.
O fotodíodo pode operar em dois modos: o modo fotocondutivo e o modo fotovoltaico. Quando a junção p-n de um fotodíodo é polarizada inversamente, o fotodíodo opera no modo fotocondutivo, comportando-se como uma fonte de corrente controlada pelo fluxo incidente na junção, apresentando uma relação bastante linear entre o fluxo incidente e a fotocorrente gerada. Em situação de ausência de luminosidade, existe uma corrente de fugas que é independente da tensão inversa aplicada e que é principalmente devida à geração térmica de portadores de carga. A característica fotocorrente/irradiação típica de um fotodíodo está representada na seguinte Fig. 3.32.
10 102 10 102 103 103 104 104 - E(lux)
Fig. 3.32 Característica corrente (µA) vs irradiação (mW/cm2) típica de um fotodíodo
Quando não existe qualquer polarização externa, o fotodíodo funciona no modo fotovoltaico apresentando aos seus terminais uma tensão proporcional ao fluxo incidente na sua junção, como se pode verificar na Fig. 3.32 Esta acção é utilizada em células solares para produzir conversores luz-tensão para alimentações a energia solar.
Os fotodíodos possuem pequenas dimensões, são robustos e apresentam uma resposta linear face ao fluxo incidente sendo o seu custo bastante reduzido. A sua sensibilidade espectral depende do material semicondutor utilizado no seu fabrico.
Actualmente, a maior parte dos sensores de radiação são baseados em fotodíodos fabricados com materiais que oferecem a resposta relativa desejada face aos comprimentos de onda de interesse. São também muitas vezes aplicados filtros sobre a junção para que incida sobre esta apenas a radiação duma determinada gama de comprimentos de onda.