Embrapa desenvolve novo sensor de umidade de solo

Em um ano que o assunto é a falta de água para as mais diversas atividades, uma notícia como esta é de trazer enorme alegria. E por que não orgulho, já que é uma tecnologia nacional, disponível em breve para todos os brasileiros?
Bem, a Embrapa anunciou o desenvolvimento deste novo sensor de umidade de solo, que é mais resistente à salinidade. Com estes sensores, pode-se fazer uma irrigação mais controlada, na medida certa, o que beneficiará a plantação, os reservatórios de água, e o próprio agricultor.

Novos sensores evitam desperdício de água na agricultura e jardinagem

A Embrapa desenvolveu dois tipos de sensores para determinar a umidade do solo no campo e em jardins e, assim, evitar irrigação desnecessária, excesso e falta de água. São sensores que podem ser produzidos com diferentes especificações adaptados a diferentes necessidades e custo competitivo no mercado. Desenvolvidos pela Embrapa Instrumentação (SP), eles foram licenciados para comercialização por empresas brasileiras e norte-americanas.
À frente da equipe responsável pelo desenvolvimento, o pesquisador Adonai Gimenez Calbo diz que os sensores podem até operar sem uso de energia elétrica. Eles ajudarão produtores rurais e donas de casas que cultivam plantas em vasos e em mini-hortas. Os instrumentos servem para qualquer tipo de cultura e podem ser adaptados a todas as regiões do país.
Os sensores contarão com versões para a agricultura e também para jardins e hortas domésticas. Os sensores da Embrapa não sofrem com a salinidade, o que ocorre com a maioria das tecnologias convencionais. Os instrumentos podem ser produzidos com materiais de baixo custo, como vidro e cerâmica.
Um dos tipos é denominado sensor Diédrico e é formado por duas placas, uma de vidro e outra de cerâmica; ambas de vidro ou ambas de cerâmica. Esse sensor pode ser de leitura visual, pneumática ou elétrica e funciona como um termômetro que, em vez de temperatura, mede a força com que a umidade é retida no solo e nos substratos.

Sensor Diédrico, duas versões

Calbo explica que o sensor Diédrico é baseado no princípio de retenção de água por capilaridade e mede a tensão da água, ou seja, a força com que está retida no solo. Ele conta que esse sensor, usado no modo visual para medir a tensão da água ou a umidade do solo, apresenta sensibilidade para aferir ampla faixa de tensão de água. "Essa característica é utilizada para indicar o momento correto para irrigar, nos mais diversos tipos de solos e substratos. Com uma irrigação certa, as plantas aproveitam melhor os nutrientes e crescem bem", afirma.
A tecnologia será oferecida em duas versões, sensor fixo e sensor portátil, pela Tecnicer Tecnologia Cerâmica Ltda, empresa licenciada para produção em escala industrial e comercialização.
O sensor fixo, com haste porosa, é para instalação no solo e possibilita leituras entre 10 e 60 cm de profundidade. É indicado para utilização no campo, em casa de vegetação e em jardinagem. Pode ser utilizado por produtores rurais, profissionais do ensino, da pesquisa e público em geral.
A versão portátil, de base cerâmica e sem haste porosa, é destinada para leituras na superfície do solo e pode ser usada em casa de vegetação e em jardinagem. O instrumento é pequeno; cabe na palma da mão e ainda possibilita a medição em menos de um minuto e não usa bateria. É adequado para utilização em campo, casa de vegetação e em jardinagem e, além de ser destinado ao mesmo público do sensor fixo, pode ser usado em ambiente doméstico.
De acordo com Calbo, comparado a outros tensiômetros e sensores de umidade convencionais, o sensor Diédrico se distingue pela simplicidade e por não sofrer interferências de fatores como temperatura, salinidade, densidade do solo, do teor de substâncias ferromagnéticas.

Sensor IG, para agricultura e jardinagem

O outro tipo de instrumento, batizado de sensor IG, foi desenvolvido em três versões. Em miniatura, funciona em conjunto com um irrigador comercial, que a empresa Acqua Vitta Floral está adaptando para possibilitar rega automática. O sensor em solo seco se torna permeável ao ar e libera automaticamente o gotejamento, a partir de um reservatório hermético – que pode ser uma garrafa rígida de plástico transparente. É mais indicado para uso em vasos e mini-hortas. O sensor IG é instalado entre as raízes das plantas.
O sensor IG utilizado no regador doméstico automático é formado por um bloco de cerâmica poroso contendo, em seu interior, partículas de dimensões adequadas, que podem ser esferas de vidro, por exemplo. O diâmetro das esferas de vidro determina a faixa de umidade do solo medida em uma escala de tensão ou força com que a água está retida. "Quando o solo está seco, o ar atravessa o sensor e isto pode ser utilizado para acionar a irrigação. Caso o solo esteja úmido, a água retida entre as esferas interrompe a passagem do ar e, consequentemente, a irrigação", explica o pesquisador.
Os sensores IG de uso agrícola para leitura em apenas uma profundidade serão fabricados com comprimento de dez centímetros e com especificações técnicas diferenciadas para o manejo de irrigação de frutas, hortaliças, entre outras aplicações agrícolas.
A terceira versão é o IG Dual para leitura em duas profundidades. O aparelho pode, por exemplo, ter 15 ou 30 cm de comprimento e é destinado para instalação vertical nas profundidades de 30 e 60 cm. As duas versões, para uma e duas profundidades, seguem o mesmo modo de funcionamento do IG para irrigação doméstica, mas são destinados ao uso agrícola.
Calbo esclarece que o sensor IG pode ser usado no modo elétrico ou óptico. "Neste caso, o instrumento mede a reflexão da luz sobre a água contida sobre e entre as esferas de vidro. A água funciona como um filme de borracha que, conforme o solo seca se molda aos contornos das esferas de vidro, o que causa mudanças na reflexão da luz", diz. O diretor da Tecnicer, Luis Fernando Porto, acredita que o sensor IG e o sensor Diédrico chegarão ao mercado a preços acessíveis que variam entre R$10,00 e R$150,00. A empresa, que conquistou um prêmio do governo federal em 2014 entre as 20 mais inovadoras do país, está trabalhando para aperfeiçoar os sensores e disponibilizá-los até o final do primeiro semestre deste ano.
Para ajudar os consumidores a aumentar o controle do uso da água na irrigação de lavouras e jardins, a Embrapa licenciou outras duas empresas para a produção do Sensor IG em escala comercial, a R4S e a Hidrosense. "Com quatro empresas licenciadas para o sensor IG no Brasil e uma nos Estados Unidos, esperamos que o esforço da Embrapa e seus parceiros chegue, efetivamente, aos usuários que necessitam de tecnologia, num momento em que a discussão sobre o uso da água é tão premente", avalia o chefe-adjunto de Pesquisa & Desenvolvimento da Embrapa Instrumentação, João de Mendonça Naime.

Sem desperdício

As tecnologias poderão ajudar produtores rurais como Josué Luiz Pereira, que utiliza de 400 a 500 mil litros de água diariamente para produzir 960 caixas/dia de hortaliças, sem saber, no entanto, se as plantas estão recebendo uma irrigação adequada ou não.
É muito provável que para cultivar brócolis, alface, couve, rúcula, salsinha e cebolinha em seus cinco hectares, no sítio Rancho Primavera, na periferia de São Carlos, Josué esteja usando água em excesso, duas a três vezes além do necessário, como avalia Calbo.
"Geralmente é isso que ocorre, quando não se usa nenhum método ou tecnologia - irrigar em excesso até a superfície do solo ficar encharcada para se ter certeza que não falta água para a planta", explica o pesquisador da Embrapa.
A falta ou excesso de água no solo pode trazer implicações graves ao produtor. Calbo lembra que água demais pode levar à falta de oxigênio na raiz da planta e ainda causar doenças. Com irrigação insuficiente, a água pode ficar retida fortemente no solo e inibir o crescimento e reduzir a produtividade.
"Os aparelhos poderão ajudar na economia de água e tempo, além de influenciar na forma de manejo da irrigação das hortaliças", explica o produtor Josué Luiz Pereira, ao tomar conhecimento da tecnologia.
<5>Interesse internacional
Os sensores de Diedro e IG também foram considerados valiosos por uma empresa internacional. A Irrometer Company Inc, com sede na Califórnia, nos Estados Unidos, assinou contrato com a Embrapa para produção das duas tecnologias.
"Espera-se assim, que em breve, as empresas licenciadas desenvolvam e disponibilizem comercialmente os sensores Diédrico e IG", diz o cientista Carlos Manoel Vaz, que atua na versão óptica do sensor IG. Ele apresentou os aparelhos nas reuniões anuais das Sociedades Americanas de Ciência do Solo, de Agronomia e das Culturas em Cincinnati e Long Beach, nos EUA, em 2014 e 2015, respectivamente, com excelente repercussão e interesse da comunidade científica e de empresas.
Em tempos de escassez dos recursos hídricos, a tecnologia vem como uma importante aliada na hora de economizar água para irrigar, seja no campo ou na cidade.

Joana Silva (MTb 19554/SP)
Embrapa Instrumentação
instrumentacao.imprensa@embrapa.br
Telefone: (16) 2107 2901
Mais informações sobre o tema
Serviço de Atendimento ao Cidadão (SAC)
www.embrapa.br/fale-conosco/sac/

Fonte: https://www.embrapa.br/web/portal/busca-de-noticias/-/noticia/2546070/novos-sensores-evitam-desperdicio-de-agua-na-agricultura-e-jardinagem

Quem estiver interessado em comercializar estes sensores em seu lançamento, poderá procurar mais informações nas empresas mencionadas.

Escala Industrial
Tecnicer Tecnologia: http://www.tecnicerceramica.com.br/

Escala Comercial
Hidrosense: https://www.hidrosense.com.br/
Acqua Vitta Floral: http://www.acquavitta.com.br/

Sensores de efeito Hall

Assim como o ser humano possui seus sentidos para interagir com o mundo à sua volta, temos disponível uma grande gama de sensores para que nossos projetos eletrônicos possam interfacear e controlar as mais variadas aplicações. Um destes sensores é o sensor de efeito Hall, que descreveremos aqui.
Mas o que é o sensor de efeito Hall? Este sensor é um transdutor que varia sua tensão de saída em resposta a um campo magnético¹. Assim, este sensor encontra grande aplicação em vários projetos. Por exemplo, um condutor percorrido por uma corrente gera um campo magnético proporcional a esta corrente. O sensor de efeito Hall pode então, sem interromper o circuito, ser usado para medir a corrente neste condutor.
Mas esta não é a única aplicação deste sensor. Ele pode gerar uma saída digital, agindo como chave. Assim, em conjunto com um ímã, ele poderá substituir qualquer sensor de contato e operar na detecção de portas abertas, por exemplo. No entanto, a aplicação mais notável deste sensor é na medição da velocidade de rotação de motores. Neste caso, o ímã pode ser preso no eixo do motor, e o sensor de efeito Hall seria usado para gerar um sinal digital equivalente à frequência de rotação do motor.
Existem quatro tipos de sensores de efeito Hall que nos dão uma saída digital. O primeiro deles é o sensor de efeito Hall unipolar². Este tipo de sensor reage a um campo magnético positivo, ou seja, apenas quando o pólo positivo do ímã se aproximar do sensor, é que ele irá conduzir. Enquanto o ímã estiver próximo do sensor, ele continuará conduzindo, só deixando de fazê-lo, quando o ímã for afastado. Já o sensor de efeito Hall bipolar³ reage a qualquer tipo de campo magnético, mantendo sua saída acionada na presença de um pólo sul magnético, sendo desligado na presença de um pólo norte magnético. Ele é usado em aplicações onde os pólos sul e norte de ímãs se encontram muito próximos, como em um anel de ímãs em motores. O sensor de efeito Hall omnipolar⁴ também detecta qualquer tipo de campo magnético, mas trabalha basicamente como o sensor unipolar: quando há a presença de ímãs, ele é acionado, mas na sua retirada ele desaciona. Este sensor simplifica a montagem do projeto, já que não é necessário se conhecer o pólo do ímã que ficará voltado para o sensor. Por último, há o latch de efeito Hall⁵, que na presença de um ímã, aciona sua entrada, e a mantém acionada até que o ímã se aproxime novamente do sensor.

Efeito Hall

Mas o que é o efeito Hall, e como ele é usado para se medir o campo magnético? Este efeito é muito simples, na verdade. A figura abaixo ilustra seu funcionamento:

Aqui, temos uma área condutora percorrida por uma corrente I. Medindo-se a tensão entre as duas laterais desta área, obteremos uma leitura de 0V. No entanto, ao aplicarmos um campo magnético Bz sobre esta área, perceberemos o surgimento de uma pequena diferença de potencial entre estes dois pontos. Isto acontece por que os elétrons percorrendo esta área são sujeitos à uma força (chamada força de Lorentz) que os move para um dos lados do condutor, como é ilustrado na figura acima.
Para entendermos melhor como operam os sensores de efeito Hall, devemos entender sobre as especificações destes sensores:
Bop: Ponto de operação magnético; é o nível de campo magnético a partir do qual um dispositivo Hall liga. O estado resultante do dispositivo depende do design individual do dispositivo eletrônico.
Brp: Ponto de liberação magnética; é o nível de campo magnético a partir do qual um dispositivo Hall desliga (ou para alguns dispositivos Hall, o nível crescente de campo negativo dado um positivo Bop). O estado resultante da saída do dispositivo depende do design individual do dispositivo eletrônico.
Bhys: Histerese magnética. A função de transferência de um dispositivo Hall é desenhado com este offset entre os pontos de chaveamento para filtrar pequenas flutuações no campo magnético que poderiam resultar de vibrações mecânicas ou ruído eletromagnético na aplicação. BHYS = | BOP − BRP |.
Definido estes parâmetros, podemos explicar agora como cada tipo de sensor opera.

Chave de efeito Hall unipolar

Este tipo de sensor possui uma característica apresentada na figura abaixo²:

Como podemos ver, quando o fluxo magnético atinge o valot Bop, sua saída em Volts é alterada. Observe que acima temos dois tipos de sensores: aqueles que mudam para nível lógico alto e aqueles que mudam para nível lógico baixo. Quando o valor de fluxo magnético cai pra Brp, o valor da saída volta para o estado inicial.

Chave de efeito Hall bipolar

Abaixo temos o funcionamento da chave de efeito Hall bipolar³:

Este é um gráfico da variação de campo magnético no sensor. Observe que várias larguras de pulso podem ser obtidos variando-se os parâmetros listados acima. Com este sensor, pode-se gerar um sinal com mesma frequência da variação de campo magnético no sensor.

Chave de efeito Hall omnipolar

O funcionamento deste tipo de sensor pode ser demonstrado através do gráfico abaixo:

Aqui nós podemos ver que o gráfico é parecido com o sensor unipolar, porém agora temos o lado negativo do gráfico. A linha vermelha apresenta um campo magnético crescente, que quando atinge o Brp do pólo magnético norte, desaciona o sensor. Este volta a ser acionado quando o Bop de pólo sul magnético é atingido. O mesmo pode ser obtido em sentido contrário.

Circuito

O circuito de ligação de um sensor Hall pode ser visto abaixo:

Geralmente o sensor possui três pinos: VCC, GND e saída. Como podemos ver acima, a saída geralmente é coletor-aberto, e precisa de um resistor de pull-up. A Alegro nos avisa que o valor de resistência de pull-up varia entre 1 e 10 kΩ. O valor mínimo de resistência ali é função da corrente máxima de saída do sensor, e pode ser calculado pela fórmula:
\[\begin{equation}\text{Resistência de pull-up mínima} = \frac{V_{CC}}{I_{Smax}}\end{equation}\]
Isto significa que para uma corrente máxima de 20mA e uma tensão de 5V, teremos uma resistência mínima de 250Ω.
Em aplicações onde o consumo é prioridade, pode-se elevar o valor de resistência. No entanto deve-se observar que isto poderá induzir correntes de fuga para o terra, que ocorrem no condutor entre o resistor de pull-up e a saída do sensor. Estas correntes poderiam ser altas o suficiente para diminuir o valor de saída do sinal do sensor.

Capacitores de filtro

É recomendado o uso de capacitores de 0.01µF para circuitos sem estabilização chopper, e 0.1µF para circuitos com este tipo de estabilização.

Tempo de inicialização

Os sensores de efeito Hall levam menos de 1µs para inicializar sem estabilização chopper, enquanto que levam até 25µs quando são empregados com este tipo de estabilização.

Conclusão

Discutimos aqui o funcionamento dos sensores de efeito Hall e como eles podem ser empregados para a medição de várias grandezas, entre elas a mais destacada é a medição de rotação de motores em geral. Esperamos ter contribuído assim para aumentar o conhecimento relacionado a este tipo de sensores.

Referências

1) http://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect_sensor
2) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/unipolar/index.asp
3) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/bipolar/index.asp
4) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/omnipolar/index.asp
5) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/latching/index.asp

Outras referências

A) http://www.eetimes.com/design/embedded/4024586/Exploring-optical-and-magnetic-sensors
B) http://www.bristolwatch.com/hall_effect/index.htm
C) http://www.siliconchip.com.au/cms/A_30551/article.html
D) http://www.allegromicro.com/en/Products/Design/non-intrusive-current-sensing/