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Sensores para la agricultura de regadío (I)

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  • Sensores agricultura regadío (I)

Sobre el blog

Miguel Angel Monge Redondo
Ingeniero Técnico Agrícola por la UPM. Autor del libro: Diseño agronómico e hidráulico de riegos agrícolas a presión. Nominado mejor Blog y Post premios iAgua 2018
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Es impensable hoy por hoy realizar cualquier proceso productivo sin tomar mediciones. Medir equivale a conocer y, cuando se conocen los valores de los diferentes parámetros que intervienen en un proceso, pueden aplicarse las modificaciones y las correcciones oportunas para controlarlo y optimizarlo.

La agricultura de regadío se basa fundamentalmente en el control y en el manejo del agua. Es de sobra conocida la problemática de la escasez de agua y el impacto que la agricultura de regadío ejerce sobre esta escasez. Por ello, el control y la optimización del agua son de suma importancia en el proceso de modernización de cualquier sistema de riego.

Durante décadas se han perfeccionado los equipos que bombean el agua, los materiales que la transportan y los dispositivos que controlan y distribuyen esta agua en el terreno. Actualmente nos encontramos en una fase de intervención por diferentes medios en el conocimiento del proceso de infiltración del agua en el suelo y en su aprovechamiento por las plantas con la finalidad de optimizar este preciado recurso.

La tecnología ha contribuido decisivamente en todo el proceso orientado a la modernización y mejora de los sistemas de riego, habiendo puesto a disposición de los regantes herramientas de manejo y de control de riegos impensables hasta hace unos pocos años.

Hace veinte años tuve la oportunidad de asistir al desarrollo de sistemas de control y de comunicación que se ensayaron en el Centro Nacional de Tecnología en Regadíos del Ministerio de Agricultura de España. Estos sistemas, basados en la captura de datos y en la comunicación inalámbrica, tenían la finalidad de gestionar de manera eficiente el uso del agua para el riego. Eran prácticamente prototipos que saltaron de la industria a la agricultura y que se adaptaron, a veces con mucho esfuerzo y muchas horas de trabajo, a los requerimientos de la agricultura de regadío.

La tecnología en veinte años ha cambiado mucho. Los equipos y sistemas de control y de comunicación se han perfeccionado, han aumentado su eficiencia, se han reducido los costes y ha disminuido su complejidad de uso, lo que permite que puedan ser utilizados por un cada vez un mayor número de regantes.

Y vuelvo al principio de esta introducción: un sistema de control se basa en mediciones. El objetivo de esta entrada no es otro que revisar los diferentes dispositivos que se utilizan para realizar las medidas de las variables que nos ayudarán a controlar y optimizar el agua de riego.

Obtención manual de datos

Para la toma manual de datos emplearemos un equipo portátil que almacene los valores de las mediciones y uno o varios sensores que tomen las medidas.

En la imagen siguiente vemos la unidad registradora de datosdatalogger- que almacenaría los datos en este caso de mediciones de humedad. El sensor envía los valores de lectura de humedad del suelo mediante un cable a la unidad registradora que almacena estos valores y que, posteriormente, pueden descargarse en un dispositivo electrónico (computadora, tableta, celular…)

Obtención automática de datos

Otra opción sería emplear equipos que tomen los datos de forma automática y los almacenen para poder leerlos más tarde. Muchos equipos tienen además la posibilidad de enviar los datos para poder leerlos y analizarlos a distancia, sin necesidad de desplazarse al lugar donde está instalado el dispositivo para recoger esos datos. Para ello lo que se suele hacer es emplear un registrador de datos o datalogger, que se conecta a los sensores de medida, recogiendo los valores del sensor periódicamente y almacenándolos para, posteriormente, enviarlos vía radio donde se encuentre la unidad de control (PC del usuario, puesto de control de la comunidad de regantes, oficinas de la confederación hidrográfica, etc.)

En la imagen anterior vemos un datalogger conectado a varios sensores (sensor de lluvia, sensor de humedad y sensor de temperatura del aire). Se aprecia -cara oscura- el panel solar compacto e integrado en la tapa de la caja que alberga el equipo electrónico. Dentro se encuentra además el sistema de transmisión vía radio.

Todos los registradores inalámbricos utilizan señales de radio para transmitir los datos que capturan los sensores. Algunos usan bandas de frecuencia libres, mecanismo similar al que emplearía por ejemplo un walky talky, y otros usan bandas de frecuencia comerciales, mecanismo similar al que emplearía un teléfono móvil o celular.

Las bandas libres se pueden usar de forma gratuita mientras que las bandas comerciales están operadas por empresas de telecomunicaciones que cobran por su uso.

1. Sensores de suelo

Hay numerosos parámetros físicos y químicos que pueden medirse en el suelo y que afectan al buen desarrollo de la planta.

En esta entrada me voy a centrar en las medidas relacionadas directamente con el riego y que son el conocimiento de la humedad del suelo, de su temperatura y la conductividad eléctrica.

a) Sensores de humedad.

Básicamente existen dos tipos de sensores según la tecnología que utilicen: tecnología tipo TDR o bien tipo FDR.

  • Sensores con tecnología TDR (Time Domain Reflectometry). El sensor TDR se compone de un par de varillas que se introducen en el suelo a la profundidad deseada. Funciona bajo el principio físico de que la presencia de agua en el suelo afecta a la velocidad de propagación de una onda electromagnética (la hace más lenta). El sensor envía una onda electromagnética a través de las varillas y mide el eco que sucede cuando la onda penetra en el terreno. Midiendo el tiempo de retorno se puede calcular la humedad media del terreno en el que la onda se ha propagado. Cuanto más húmedo se encuentre el suelo, más tiempo necesitará la onda electromagnética para realizar su recorrido.

Como se ha expuesto anteriormente, el sensor necesita de un registrador de datos o datalogger al que conectarse, para que las lecturas sean almacenadas y posteriormente enviadas o descargadas para su posterior análisis.


 

Sensor TDR con registrador manual de datos

 

 


  • Sensores con tecnología FDR (Frecuency Domain Reflectometry). Son aparatos similares a los anteriores, con la diferencia de que estos sensores son de tipo capacitivo. Permiten determinar el grado de humedad volumétrico a partir de la medida de la capacitancia eléctrica del suelo. La capacitancia eléctrica del suelo varía fundamentalmente según la humedad y se determina por la variación que produce en la frecuencia de una onda previamente emitida por el sensor. Los sensores van conectados con una unidad registradora de datos.

 

Diferentes modelos de sensores FDR

 


El nivel de prestaciones de estos equipos es similar a los equipos TDR.

  • Sondas. Las sondas llevan incorporados unos sensores para medir la humedad a distintas profundidades de suelo. Estos equipos se componen de:

a) Unidad controladora, que guarda las mediciones de humedad y transmite los datos al registrador

b) Sonda, encargada de medir la humedad (con sensores de tipo TDR o FDR)

c) Tubo o carcasa que contiene la sonda

La sonda se compone de varios sensores colocados a diferentes distancias. Cada sensor registra el contenido de humedad del suelo a una determinada profundidad. Es un equipo que realiza por tanto lecturas a distintas distancias en el mismo tubo y de una forma continua, por lo que permanece instalado en el terreno durante toda la campaña de riego. Puede incorporar diferentes sensores para medir otros parámetros aparte de la humedad del suelo.


 

Sonda FDR (izquierda), sonda TDR (centro) y registrador de datos (datalogger) a la derecha. La sonda se conecta al registrador mediante un cable. El registrador o datalogger se comunica vía radio con el ordenador de control

 


La ventaja principal de las sondas radica en que la instalación por lo general resulta más sencilla y con una única sonda podemos medir varios parámetros a la vez, a distintas profundidades, lo cual nos da una información muy relevante y útil.

Medir a varias profundidades nos permite ver cómo va penetrando el agua en el terreno y como la va absorbiendo las plantas    


 

Gráfica de humedad. Resaltadas las zonas de estrés hídrico

 


En la gráfica anterior vemos la evolución de la humedad de suelo a lo largo del tiempo y podemos apreciar, resaltado en los círculos rojos, los momentos en los que hay estrés hídrico por exceso –parte superior- o por defecto de agua –parte inferior-.

En la siguiente gráfica podemos apreciar la utilidad de tener sensores a varias profundidades. Por una parte, vemos como varía la humedad en cada nivel de profundidad a lo largo del tiempo. Vemos primero que la humedad llega a las capas superiores y más adelante en el tiempo va llegando a las capas inferiores. Esto nos permite medir la velocidad con la que el agua penetra en el terreno en el que se encuentra la planta, lo cual nos orienta si es conveniente acelerar o decelerar el ritmo al que le proporcionamos el agua.

Por otro lado, vemos el nivel o profundidad al que llega el agua. Esto nos permite comprobar si se está aprovechando en su totalidad o se está perdiendo por percolación.


Gráficas de humedad en el interior del terreno con series de datos diferenciados para cada profundidad

b) Tensiómetros

Los tensiómetros no miden directamente la humedad de la tierra, sino que indican el esfuerzo que debe realizar la raíz de la planta para extraer del suelo la humedad que necesita.

Es un aparato consistente en un tubo plástico que posee en un extremo una cápsula de cerámica porosa y en el otro un vacuómetro o indicador de la succión que se produce dentro del tubo plástico. El tubo se introduce en el terreno a una determinada profundidad.

Cuando la humedad del suelo es baja, se extrae humedad del interior del tubo a través de la cápsula de cerámica porosa causando una diferencia de presión registrada por el vacuómetro. Cuanto más seca está la tierra, mayor es el valor registrado por el lector del vacuómetro (mayor es el esfuerzo para extraer agua de la tierra).

Al humedecerse la tierra debido a la lluvia o a un riego, el agua vuelve al interior del tensiómetro absorbida a través de la cerámica porosa, reduciendo la presión de vacío registrada. Cuando el valor llega a 0, quiere decir que la tierra ha alcanzado su máxima capacidad de retención de humedad que se conoce como “capacidad de campo”.

Normalmente se instalan dos o tres tensiómetros a distintas profundidades, de esta forma se pueden medir las necesidades hídricas y por tanto conocer la dirección de los flujos de agua en el interior del suelo.

Fotografías y gráficas cedidas por la empresa QAMPO.

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