Sensor T/H/CE de suelo CERES

1. Descripción General

El sensor de suelo mide la temperatura del suelo, la humedad del suelo, la conductividad eléctrica del suelo, la permitividad dieléctrica compleja del suelo y la conductividad eléctrica de los "poros de agua" contenidos en el agujero de suelo. Tanto la conductividad del suelo como del agua de los poros se compensan automáticamente por la temperatura.

El sensor de suelo basa sus medidas en la física y el comportamiento de una onda de radio electromagnética reflejada en el suelo. Basándose en la medición de la impedancia del suelo a través de la reflectometría en el dominio de la frecuencia, la sonda determina la permitividad dieléctrica. La compleja permitividad dieléctrica permite al sensor calcular simultáneamente la humedad del suelo y la conductividad eléctrica del suelo. El sensor utiliza una frecuencia de 50 MHz, que minimiza los efectos de textura y salinidad, lo que hace que las mediciones sean precisas en la mayoría de los sustratos hidropónicos.

La conductividad eléctrica del "agua de poro" se calcula utilizando algoritmos basados en la humedad del suelo y los valores de conductividad eléctrica del suelo.

2. Componentes Estructurales

Este sensor está diseñado para que permanezca durante muchos años enterrado en el suelo. La sonda está formada por tres componentes principales:

Conjunto de dientes de acero inoxidable de grado marino.
Nailon. La carcasa exterior está compuesta por este material.
Resina epoxi. Brinda protección electrónica interna así como un diseño de robusta construcción para las sondas.

3. Especificaciones

	Volumen de agua	Conductividad eléctrica	Temperatura
Rango	Apparent dielectric permittivity: 1 (air) to 80 (water)	0 to 25 dS/m (bulk) (0 to 25 mS/cm)	-40 to 60 ºC
Resolución	0.1 units (unitless) from 1 to 20, < 0.75 (unitless) from 20 to 80	0.01 dS/m from 0 to 10 dS/m, 0.05 dS/m from 10 to 25 dS/m	0.1 ºC
VWC	0:0008 m3/m3 (0.08% VWC) from 0 to 50% VWC
Precisión (Accuracy)	+/-1 units (unitless) from 1 to 40 (soil range), +/-20% from 40 to 80 (VWC) Using Topp equation: 0:03 m3=m3(3% VWC) typical in mineral soils that have solution electrical conductivity < 10 dS/m Using medium specifc calibration, 0:01 to 0:02 m3=m3(1to 2% WC) in any porous medium.	10% from 0 to 10 dS/m, user calibration required above 10 dS/m.	+/-1 ºC

	General
Frecuencia de medición dieléctrica	50 MHz
Tiempo de medición	1s (seconds)
Requerimientos de energía	7 to 25 VDC
Salida	RS 485
Temperatura de funcionamiento	-40 to 60 ºC

4. Comunicación del sensor de suelo

La sonda está disponible en una versión digital RS-485. El sensor incorpora un microprocesador para procesar la información de la sonda en datos útiles. Los datos se transmiten entonces digitalmente a un instrumento receptor con comunicación RS-485. El formato de comunicación RS-485 tiene dos cables de datos y tiene un protocolo de comunicación personalizado.

4.1 Direccionamiento y programación

El sensor de suelo se puede conectar en paralelo para que se puedan conectar múltiples sondas a un solo puerto de comunicaciones de un registrador de datos u otro dispositivo. Cuando se conectan múltiples sondas de esta manera, se debe asignar una dirección única a cada sonda. De esta manera, el usuario puede seleccionar qué sonda utilizar y seleccionar qué datos se transmitirán. Una vez que se conecta la sonda y se aplica alimentación, se inicia en la PC un programa de emulación de terminal como Hyperterminal. Ciertos ajustes deberán configurarse para habilitar las comunicaciones con la sonda. Las siguientes configuraciones son para Hyper Terminal, pero la mayoría de los programas de emulación de terminal deben tener configuraciones equivalentes.

La siguiente tabla proporciona información sobre la configuración.

COM Port	Debe corresponder con el puerto real en el PC donde está conectado el cable de comunicación. Por ejemplo: COM1, COM2, etc.
Velocidad de transmisión	9600
Data bits	8
Parity	Ninguno
Stop bits	1
Control de flujo	Ninguno

Además, esta configuración hará que el programa sea más fácil de usar. En Hyperterminal, esta configuración se encuentra en Archivo / Propiedades / Configuración / Configuración ASCII / Envío de ACSII:

Marque "Envia final de línea con avances de línea". Todos los comandos enviados a una versión RS-485 del sensor deben finalizar con un par "Retorno de carro" "Avance de línea".
Marque "Echo caracteres escritos localmente". El sensor no repite ningún comando. Marcar esto permite ver lo que has escrito.

La siguientes tablas ilustran el formato de los comandos empleados:

<addr>CC<CR><LF>
<addr>	3 byte address (0-999)
CC	Command
<CR>	Carriage return character (ASCII 13)
<LF>	Linefeed character (ASCII 10)

<SERIAL>
DDD	3 byte address
XX	2 byte week
YY	2 byte year
ZZZ	3 byte versión
WWWW	4 byte serial number

La siguientes tablas ilustran los comandos empleados:

	Número de serie	Dirección	Cambio de dirección	Bajo consumo	Toma de lectura	Muestra de lectura*
Descripción	Devuelve el número de serie de fábrica	Devuelve la dirección de la sonda	Cambia la dirección de la sonda	El sensor reduce el consumo de corriente en sensores con software antiguo (antes de V400). Reducir de 50mA a 20mA en espera.	Toma muestras de lectura
Nivel de acceso	Solo lectura	Solo lectura	Solo escritura	Ejecutar	Ejecutar	Ejecutar
Comando	///SN=?<CR><LF>	///AD=?<CR><LF>	<oldAddr>AD=<newAddr><CR><LF>	<addr>CL<CR><LF>	<addr>TR<CR><LF>	<addr>T3<CR><LF>
Respuesta	<SERIAL><CR><LF>	<addr><CR><LF>	<newAddr><CR><LF>	<addr>CLOK<CR><LF>	Ninguna	<addr><STC>,<STF>,<M>,<Ltg>,<CP<Wtc>,<Er>,<ErTC>,<Ei>,<EiTC>,<CStc>,<TElec>,<CR><LF>
Ejemplo	///SN=?00012184000396	///AD=?000	000AD=001 001	000CL 000CLOK		Medida en el agua: 000TR 000T3 000+20.4, +68.8,+0.794,+0.179,+0.064,+78.728,+79.669,+19.892,+21.278,+0.060,+21.5

Muestra de lectura*: La repuesta <addr><STC>,<STF>,<M>,<Ltg>,<CPWtc>,<Er>,<ErTC>,<Ei>,<EiTC>,<CStc>,<TElec>,<CR><LF> se detalla a continuación:

<STC> : temperatura del suelo en Celsius

<STF> : temperatura del suelo en Fahrenheit

<M> : Humedad (de 0 a 1 equivale de 0 a 100%)

<Ltg> : complex dielectric permittivity loss tangent

<CPWtc> : conductividad del “poro de agua” con temperatura compensada(S/m)

<Er> : parte real de la permitividad dieléctrica

<ErTC> : permitividad dieléctrica real con temperatura compensada

<Ei> : permitividad dieléctrica imaginaria con temperatura compensada

<EiTC> : Permitividad dieléctrica imaginaria con temperatura compensada

<CStc> : Conductividad del medio con temperatura compensada (S/m)

<TElec> : temperatura de la electrónica interna.

5. Mediciones, Parámetros e Interpretación de Datos

5.1 Temperatura del suelo

El usuario puede observar la temperatura del suelo tanto en Celsius como Fahrenheit. La temperatura del suelo varía en un rango de -20ºC a +65ºC.

5.2 Humedad del suelo

El sensor de suelo proporciona medidas de humedad del suelo en unidades de fracción de agua por volumen (wfv o m3m-3), es decir, un porcentaje de agua en el suelo que se muestra en forma decimal. Por ejemplo, un contenido de agua de 0.20 wfv quiere decir que un litro de muestra de suelo contiene 200ml de agua. Mediciones precisas de la humedad del suelo en un rango de 0 a 0.5 wfv. Fuera de este rango los valores no son precisos.

5.3 Conductividad eléctrica del suelo

La sonda mide la conductividad eléctrica in situ en unidades de milisiemens por centímetro en un rango de 0 a 15 mS/cm. Esta conductividad eléctrica se compensa con la temperatura del suelo. El rango se puede ampliar con calibraciones específicas.

5.4 Conductividad eléctrica del "poro de agua"

El sensor de suelo proporciona las mediciones de conductividad eléctrica del "poro de agua" que se encuentra en agujero del suelo. De esta manera, el usuario puede obtener la conductividad eléctrica del agua que se encuentra en la zona de la raíz después de irrigar el suelo. Esta medida depende de la humedad del suelo y la conductividad eléctrica del suelo, de acuerdo con el algoritmo utilizado. Esta conductividad eléctrica también se compensa con la temperatura.

6. Conexión

Network Wire
White-Brown	12VCC IN
Brown	GND
White-Green	RS-485 A
Green	RS-485 B

VIN: 12VCC

CONSUMPTION: 20mA (Standby) – 100mA (Measuring)

7. Instalación

El sensor de suelo debe instalarse horizontalmente. Se entierra a unos 15 centímetros bajo la superficie y a una distancia de unos 5 centímetros del tallo aproximadamente. Este sensor analiza la tierra por lo que es muy importante su colocación para obtener los valores esperados. Una vez instalado se debe conectar el sensor a la estación introduciendo el conector en su posición y roscando la pieza para ajustarlo.

NOTA: Si el sensor de suelo está justo debajo del riego, se puede girar para que no quede totalmente paralelo a las raíces y perpendicular al suelo permitiendo así una mejor detección de la humedad.

7.1 Advertencias al instalar el sensor

NO retire el sensor del suelo tirando del cable.
NO utilice una fuerza excesiva para conducir la sonda en el suelo ya que los dientes podrían doblarse. Si la sonda tiene dificultades para entrar en el suelo debido a las rocas, simplemente reubique la sonda en un área ligeramente adyascente.
Si bien el cable de enterramiento directo es muy duradero, es susceptible a la abrasión y los cortes producidos por las palas. El usuario debe tener mucho cuidado de NO dañar el cable o la sonda si es necesario excavar la sonda para su reubicación.
NO instale las sondas en un lugar donde puedan ser atropelladas por tractores u otros equipos agrícolas. El sensor puede ser lo suficientemente resistente como para sobrevivir al atropello de un tractor si está enterrado; sin embargo, la compactación de la columna de suelo por el peso del vehículo afectará la hidrología y, por lo tanto, los datos de humedad del suelo.
NO coloque más de una sonda en un cubo de arena húmeda mientras registra datos. Más de un sensor en el mismo compartimiento mientras está alimentado puede crear un efecto de electrólisis que puede dañar la sonda.

8. Mantenimiento. Cómo verificar el sensor

Antes de ponerse en contacto con el fabricante por un mal funcionamiento del sensor, siga los pasos de solución de problemas:

Asegúrese de que las conexiones al registrador de datos sean correctas y seguras.
Asegúrese de que las baterías de su registrador de datos no estén agotadas o debilitadas.
Revise los cables del sensor para detectar muescas o cortes que puedan causar un mal funcionamiento.
Si parece que una sonda no funciona correctamente, utilice un recipiente de plástico limpio lleno de agua destilada y asegúrese de que la sonda esté completamente sumergida.
Si no hay agua destilada disponible, el usuario puede usar agua mineral embotellada para esta prueba.
Si la sonda produce un valor de humedad del suelo de 80 +/- 5 en agua destilada (o agua mineral embotellada), la sonda NO está funcionando mal.

9. Calibración

9.1 VWC

Cada sonda se calibra en fábrica para medir la permitividad dieléctrica con precisión en el rango de 1 (aire) a 80 (agua). Numerosos investigadores han estudiado la relación entre la permitividad dieléctrica y el contenido volumétrico de agua (VWC) en el suelo. Como resultado, numerosas ecuaciones de transferencia que predicen VWC a partir de la permitividad dieléctrica medida. La sonda utiliza la ecuación de Topp (Topp et al. 1980) que encaja en la mayor parte del suelo mineral. Pero el usuario es libre de usar cualquiera de las ecuaciones de transferencia para convertir la permitividad dieléctrica sin procesar a VWC.

Reference

Topp, G.C., J.L. David, and A.P. Annan 1980. Electromagnetic, Determination of Soil Water Content: Measurement in Coaxial Transmission Lines. Water Resources Research 16:3. p. 574-582.

9.2 Conductividad y "poro de agua"

La sonda mide la conductividad eléctrica in situ en unidades de siemens por metro. La conductividad eléctrica del suelo es indicativa de sales disueltas, sólidos disueltos y fertilizantes (McBride 1994). Para muchas aplicaciones, es ventajoso conocer la conductividad eléctrica de la solución contenida en los poros del suelo, lo cual es un buen indicador de la concentración de soluto en el suelo. La sonda estima la conductividad de la solución contenida en los poros del suelo de acuerdo con el trabajo de Hilhorst (2000).