Calibración y caracterización de sensores capacitivos de bajo coste para la monitorización de humedad de suelo

Abstract

Resumen En este trabajo se presentan los resultados de calibración y evaluación de desempeño de dos sensores de humedad capacitivos de bajo coste: SoilWatch y Catnip. En primer lugar, el proceso de calibración se ha realizado atendiendo a la metodología propuesta en la literatura, a partir del cual se propone una curva de calibración basada en un modelo de regresión polinomial que rela-ciona las medidas de los sensores con el contenido volumétrico de humedad del suelo. Y en segundo lugar, se ha llevado a cabo un estudio detallado del efecto de la temperatura en las mediciones de estos sensores. Los resultados demuestran que las curvas propuestas prometen buenos resultados a la hora de estimar el contenido volumétrico de agua, especialmente para el sensor SoilWatch, con el que se consigue una evaluación de la humedad más precisa que la propuesta por el fabricante. Se ha demostrado además la superioridad de este sensor con respecto al Catnip, además de tener menos sensibilidad por la temperatura, aunque esta es variable. Palabras clave: Sensores de humedad, Cali-bración, Regresión, Comparación de desempeños. 1 Introducción Los sistemas de riego automático de cultivos son altamente demandados en la industria agrícola, debido a que pueden ahorrar importantes canti-dades de agua, ya que permiten reducir los costes asociados al proceso de irrigación, y combatir de forma eficiente los problemas derivados de la escasez de agua. Sin embargo, el correcto fun-cionamiento de estos sistemas está fuertemente condicionado por un sistema de monitorización del suelo en tiempo real capaz de evaluar con precisión el contenido de agua en el suelo [1]. Hoy día se dispone de un amplio abanico de alternativas en el mercado para la medida de la humedad del suelo, especialmente dispositivos de bajo coste fácilmente implementables en gran número en sistemas IoT. Entre los más comunes se encuentran los de tipo dieléctrico que basan su funcionamiento en la medición indirecta de la permitividad del medio (ϵ), la cual indica la facilidad del mismo para polarizarse como conse-cuencia de la aplicación de un campo eléctrico. Generalmente, esta magnitud se expresa adimen-sionalmente a través de la permitividad relativa ϵ r , que mide la relación entre la permitividad ab-soluta del medio y la del vacío, ϵ o = 8.854 × 10 −12 F/m. La permitividad relativa es una magnitud com-pleja, cuya parte imaginaria, ϵ ′′ , se relaciona con las pérdidas por conducción y por relajación dieléctrica en el medio, y la parte real ϵ ′ se rela-ciona a la energía almacenada. Es está ultima la que se utiliza para estimar el contenido de agua del suelo. Se representa mediante la siguiente relación: ϵ r = ϵ ′ + ϵ ′′ i = ϵ ′ + σi ϵ 0 ω + ϵ ′′ r,rel (1) donde σ representa la conductividad eléctrica del medio a frecuencia 0 , ω representa la frecuencia angular, ϵ ′′ r,rel la perdida debido a la relajación dieléctrica. Nótese que se ha usado i para repre-sentar la unidad imaginaria. De entre los tipos de sensores dieléctricos, los capacitivos están entre los más económicos y accesibles [2], permitiendo así la instalación de un gran número de ellos para una mayor representatividad espacial. 1.1 Sensores de humedad capacitivos Los sensores capacitivos basan su funcionamiento en un circuito eléctrico que permite medir cambios en la capacitancia C del medio debido a cambios en la permitividad relativa. Esta capacitancia se puede representar mediante la siguiente ecuación: C = ϵ r ϵ 0 G (2) donde G es un factor geométrico constante. Los sensores capacitivos usan la permitividad relativa