TECNOLOGA DE PRODUCCIN

artculo

Debido a la importancia de los sensores en el invernadero, este artculo analiza diferentes tipos, funcionamiento y algunas caractersticas bsicas de los mismos.

Sensores para el control climtico en invernadero

A. PERDIGONES, I, PERALTA, J. NOLASCO, M.A. MUOZ Y V. PASCUAL
Dpto. Ingeniera Rural & Dpto. Produccin Vegetal: Fitotecnia. UPM

El control climtico en invernaderos es posible gracias al uso de sensores capaces de medir diferentes variables climticas: temperatura, humedad, radiacin solar, velocidad y direccin del viento, concentracin de CO2, precipitaciones, etc. Un sensor es un dispositivo que produce una seal utilizable en funcin del valor de una magnitud fsica, propiedad o condicin especfica que se desea 44

medir. Cada medida debe ser registrada y manejada por el personal de la explotacin a travs de un controlador u ordenador, de forma que el propio usuario pueda verificar y modificar las consignas segn las condiciones climticas requeridas en cada momento. Sensores de temperatura - Resistencias metlicas. La resistencia elctrica de un con-

ductor metlico aumenta con la temperatura, por lo que es posible realizar sensores metlicos de temperatura siempre que se puedan relacionar fcilmente las respectivas variaciones. Las resistencias metlicas ms comunes son las de platino (sensores Pt100), con un valor de 100 ohmios a 0C y 138,5 ohmios a los 100C. El cambio de resistencia se mide con un circuito elctrico que

179-SEPTIEMBRE 2004 HORTICULTURA

revista

artculo
consiste en un elemento sensitivo, una fuente de tensin auxiliar y un instrumento de medida. Su rango de medida suele ser de -40 a 60 C, con una precisin de 0,1C. Una ventaja de las sondas Pt100 a cuatro hilos es que la distancia entre sensor y sistema de adquisicin de datos no influye en la medida. Esto es una ventaja en invernaderos, ya que el sensor puede estar a 20 30 m de distancia respecto al cuadro de medida. - Termistores. Algunos materiales semiconductores modifican su resistencia elctrica en funcin de la temperatura. Existen dos tipos: termistores de resistencia negativa (NTC), en los que la resistencia elctrica decrece al aumentar la temperatura, y los de resistencia positiva (PTC), en los que la resistencia elctrica crece al aumentar la temperatura. - Termopares. Un termopar suministra una seal de tensin elctrica que depende directamente de la temperatura; a diferencia de las termoresistencias, no necesitan una fuente de alimentacin externa para su funcionamiento. Se basan en el efecto Seebeck: cuando dos conductores metlicos de materiales distintos se unen en un punto, aparece una fuerza electromotriz si la temperatura en ese punto de unin es diferente a la temperatura medida en los extremos libres de ambos metales. Los termopares responden ms rpido a los cambios de temperatura respecto a las termorresistencias, pero la precisin en la medida es inferior. En el rango habitual de temperaturas en inver-

INVERNADEROS

El control climtico en invernaderos es posible gracias al uso de sensores capaces de medir diferentes variables climticas: temperatura, humedad, radiacin solar, velocidad y direccin del viento, concentracin de CO2, precipitaciones, etc.

naderos es conveniente emplear termopares tipo T (Cu-CuNi) para mejorar la precisin en la medida. Sensores de humedad - Higrmetro de cabello. Son higrmetros convencionales que se basan en la propiedad de algunos materiales de presentar diferente elasticidad con la humedad. Este material se une a un muelle en tensin que modifica la posicin del cursor de un potencimetro. Midiendo la resistencia entre el cursor y un extremo del potencimetro se conocer la HR del ambiente. Sin embargo, su uso en invernaderos no es adecuado por sus limitaciones en el rango de medida. - Psicrmetro. Se basa en la medida de las temperaturas de un termmetro seco y un termmetro hmedo. El primero determina la temperatura del ambiente y el segundo marca una temperatura diferente a la anterior, ya que va en funcin de la cantidad de agua evaporada y, por tanto, de la presin relativa del vapor de agua en la atmsfera. Unas tablas de conversin de diferencia de temperaturas en la

presin relativa del vapor de agua, en forma de tanto por ciento de humedad, permiten llevar a cabo la medida de la HR del ambiente. La desventaja es que hay que mantener permanentemente hmeda la mecha del segundo termmetro. - Sensores capacitivos. Formados por dos electrodos entre los que se encuentra un polmero higroscpico sinttico (dielctrico). Este material puede absorber el agua en el aire, de manera que la capacidad del sensor vara linealmente con la HR. Al aumentar la humedad del aire tambin lo hace la capacidad del sensor capacitivo. Su principal inconveniente es que a humedades altas (100% HR) el dielctrico se satura y tarda en volver a medir correctamente si no se encuentra bien ventilado. Actualmente son los ms recomendados por sus grandes ventajas, fundamentalmente porque se pueden conectar fcilmente a equipos de control automtico. - Higrmetro ptico de punto de roco o sensor de espejo enfriado. Considerado el mtodo ms preciso de medicin del punto de roco. Contiene un pequeo espejo metlico cuya superficie es enfriada hasta que el agua de la muestra de gas condense. El espejo es iluminado por una fuente de luz y su reflexin es detectada por un fototransistor. Cuando la condensacin se produce, la luz reflejada sufre una dispersin, disminuyendo la intensidad captada por el detector. Un sistema de control se encarga de mantener la temperatura del espejo para mantener una

Empresas internacionales relacionadas con sensores para control climtico en invernaderos

Thiesclima: www.thiesclima.com Lufft: www.lufft.de Control Llevant I.C: comercial@sensovant.com, www.ctv.es Wika: www.wika.es Progres-Spain: www.progres-spain.com SIR, S.A.: www.sirsa.es Instrumentos de Medida: www.idm-instrumentos.es Ortrat: www.ortrat.es Casella Espaa: www.casella-es.com Toscano: www.tei.es Grafinta: www.grafinta.com Vaisala: www.vaisala.com Kipp & Zonen: www.kippzonen.com Hukseflux www.hukseflux.com Skye Instruments Ltd: www.skyeinstruments.com Campbell Scientific: www.campbellsci.co.uk Honeywell: www.honeywell.com Licor: www.licor.com Hanna instruments: www.hannainst.com

HORTICULTURA 179-SEPTIEMBRE 2004

revista

45

TECNOLOGA DE PRODUCCIN

artculo
je de salida cuando la temperatura de sus uniones activas es superior a la de los contactos de referencia, siendo su configuracin la de termopares conectados en serie. Las termopilas utilizadas para deteccin de flujo radiante tienen sus contactos de referencia en contacto trmico con bloques metlicos termostatizados de gran inercia trmica, mientras que las uniones sensibles se instalan muy aisladas de la zona de referencia y bien expuestas a la radiacin. Cuando se conoce la temperatura de referencia se puede determinar el flujo radiante mediante la diferencia trmica entre las uniones activa y fra. La radiacin solar calienta la zona oscura, a la que estn conectadas las uniones sensibles, y la termopila produce un voltaje en funcin de esta temperatura, que es a su vez, funcin de la radiacin incidente. El piranmetro es el sensor adecuado para medir energa incidente para la evaluacin energtica de un sistema, por ejemplo en invernaderos o en paneles solares. - Luxmetro. El luxmetro mide luz visible por el ojo humano, por lo que no es adecuado para invernaderos, pero a veces se utiliza como piranmetro usando tablas de conversin. - Sensor quantum. Mide la radiacin PAR (radiacin fotosintticamente activa: 400-700 nm). sta se puede medir como unidades de energa (W/m2) o como densidad del flujo de fotones fotosintticos, cuyas unidades son quanta (fotones) por unidad de tiempo y de superficie. La unidad ms habitual es el micromol de quanta por seg. y m2 (mmols-1m-2). Al mol tambin se le llama Einstein (E). 1 mmols-1m-2 = 1 mEs-1m2 = 6.02 x 1017 fotoness-1m-2 = 6.02 x 1017 quantas-1m-2 Formado por un detector fotovoltaico (fotodiodo) cubierto de

delgada capa de condensacin; una termorresistencia embebida en el espejo mide su temperatura y la temperatura del punto de roco. La precisin en la medida es muy alta, pero su desventaja es su elevado coste y la necesidad de precisin en la mediccin. Sensores de radiacin - Piranmetro. Se usa para medir la radiacin solar global en unidades de energa (W/m2). Un sensor de este tipo suele medir en un campo entre 0 y 1500 W/m2, y en el rango espectral entre 300 y 2800 nm. Algunos estn basados en un detector fotovoltico cubierto por una proteccin de aluminio anodizada. El sensor puede ser una termopila, de manera que la radiacin es absorbida y convertida en calor. Ese flujo de calor es inducido por una diferencia de temperatura a lo largo de la termopila. Las termopilas producen un volta-

46

179-SEPTIEMBRE 2004 HORTICULTURA

revista

artculo
proteccin de aluminio anodizada. Se usan filtros de cristal de colores para limitar la radiacin que detecta en el rango correspondiente a la radiacin PAR. Existe una relacin entre n de molculas que cambian fotoqumicamente y n de fotones absorbidos dentro de determinado rango de energa fotnica. Los fotodiodos se basan en materiales semiconductores. Su resistencia vara en funcin de la luz incidente, de forma que la corriente aumenta segn aumente el flujo luminoso. Toda radiacin incidente absorbida produce pares electrn - hueco que se acumulan en diferentes zonas, produciendo una diferencia de potencial entre ellas (voltios). El sensor quantum o de radiacin PAR no es habitual en invernaderos comerciales, pero s en invernaderos de investigacin, ya que mide especficamente la radiacin aprovechada para la fotosntesis de las plantas.

INVERNADEROS

El piranmetro es el sensor adecuado para medir la energa incidente y realizar de este modo una evaluacin energtica de un sistema, por ejemplo en invernaderos o en paneles solares

Sensores de velocidad y direccin del viento - Anemmetros de cazoletas. Las cazoletas semiesfricas unidas a un eje giran impulsadas por las corrientes de aire, de forma que la velocidad del viento se convierte en el giro de dicho eje. Para convertirlo en seal elctrica se suele usar como eje de giro el eje de una dinamo tacomtrica o alternador. Al girar por la accin del viento, la dinamo genera una tensin (voltios) proporcional a la velocidad del viento. El sensor

necesita un valor mnimo de velocidad del viento para funcionar, normalmente entre 0,5 y 1 m/s. Este tipo de anemmetros son muy utilizados y recomendables para medir la velocidad del viento en el exterior del invernadero, generalmente con un rango entre 1,5 y 50 m/s. - Anemmetros de hilo caliente. Pueden utilizarse para medir la velocidad del viento en el interior del invernadero, ya que permiten medir velocidades pequeas (< 0,5 m/s). Generalmente su uso est limitado a la investigacin en relacin con estudios sobre ventilacin. Se basan en evaluar el enfriamiento que se produce en una resistencia introducida en el torrente de un fluido. Si se hace pasar por ella todo el flujo del fluido (aire), sta se enfriar proporcionalmente a la velocidad de ese fluido. - Veletas. Para determinar la direccin del viento en el exterior.

HORTICULTURA 179-SEPTIEMBRE 2004

revista

47

TECNOLOGA DE PRODUCCIN

artculo
muestra de CO2 a analizar utilizando un circuito con electrovlvulas y bombas inyectoras. Un emisor (generalmente de tungsteno) introduce radiacin infrarroja en la cmara. El CO2 la absorbe y se produce un cambio de presin en la cmara de medida. Un micrfono (sensor acstico) detecta esta variacin. A mayor cantidad de CO2, mayor diferencia de presin. En el otro lado de la cmara hay dos detectores de luz cubiertos por dos filtros de diferentes propiedades. Uno de ellos slo deja pasar la luz en la longitud de onda, donde se conoce que el CO2 es capaz de absorber luz. El pequeo cambio de intensidad de luz causado por la concentracin de CO2 se mide mediante un detector y se convierte en la medida correspondiente de concentracin de CO2 gracias a un microprocesador incorporado. El segundo sirve de referencia para comprobar que no se han

Formadas por un brazo que gira sobre un eje vertical al que se incorpora un deflector. Cuando existe una corriente de aire, el viento ejerce una presin sobre el deflector que hace que el brazo gire y el extremo seale la direccin de donde procede el viento. Igual que en los anemmetros de cazoletas, la variacin de la posicin del brazo o eje se convierte en una magnitud elctrica. Un mtodo muy empleado es el potencimetro. El eje vertical sobre el que gira el brazo de la veleta se conecta a un potencimetro

de precisin, de forma que la seal de salida de este potencimetro es proporcional al ngulo que la veleta forma con el norte. Sensores de concentracin de CO2 Los ms utilizados son los analizadores de gases en el infrarrojo (IRGA). Se basan en el poder de absorcin de la radiacin infrarroja del CO2. El mtodo ms extendido consiste en introducir en una cmara de medida la

48

179-SEPTIEMBRE 2004 HORTICULTURA

revista

artculo
producido errores en la medida. El elemento sensor es el ms caro del conjunto, por lo que con frecuencia se pone un solo sensor que mide en varios puntos del invernadero, muestreando sucesivamente en cada punto. Sensores de lluvia - Pluvimetro. Medidor de precipitacin lquida que transforma la cantidad de lluvia en pulsos elctricos, correspondiendo generalmente cada pulso a 0,1 0,2 mm (segn tipo de pluvimetro) de precipitacin. Se pueden encontrar de diferentes volmenes. - Sensores de deteccin de lluvia. No miden la cantidad de agua como los pluvimetros, sino que detectan la presencia o no de lluvia. Las gotas de lluvia sern las responsables de cerrar el circuito electrnico (en general, una placa impresa de cobre) que lleva el sensor para dar la seal correspondiente. Su principal aplicacin para invernaderos consiste en poder conectar o desconectar un dispositivo (por ejemplo el motorreductor para abrir o cerrar las ventanas) en funcin de la presencia o no de lluvia. Tambin se puede utilizar para detectar la presencia de condensacin. - Cajetn de medida. Altos niveles de radiacin solar y bajas velocidades de aire en el interior del invernadero provocan alteraciones en las medidas de temperatura y humedad. Debido a esto, es una prctica comn en Holanda proteger los sensores en un cajetn ventilado, de aproximadamente 0,2 m de ancho y 0,3 m de alto. En la parte alta del cajetn se monta un ventilador que proporciona una corriente de aire superior a 2 ms-1 alrededor del sensor para favorecer la disipacin de calor y evitar que el sensor se caliente demasiado. Los sensores capacitivos no requieren un mnimo de velocidad de viento, pero

INVERNADEROS

se debe evitar el estancamiento del aire a su alrededor. El cajetn tiene una doble pared y una capa de material reflectante en el exterior. As, la radiacin y variaciones de los movimientos de aire en el interior del invernadero no afectan a las mediciones de los sensores. El cajetn se puede colocar a una altura representativa, por ejemplo en el punto de crecimiento del cultivo o en el lugar donde el ndice de rea foliar sea mayor. Se pueden usar dentro y fuera del invernadero. Para saber ms...
- Universidad Wageningen: Greenhouse climate control. 1995. Horticom Bookshop. Ref.: 2011 - Serrano Cermeo, Zoilo: Construccin de invernaderos. 2002. Horticom Bookshop. Ref.: 665 - Nelson, Paul: Greenhouse operation and management. 1998. Horticom Bookshop. Ref.: 473

HORTICULTURA 179-SEPTIEMBRE 2004

revista

49