Una forma sencilla de medir la humedad y el pH del suelo con compensación de temperatura

Este artículo explica cómo puede medir la humedad del suelo y la medición del pH, y cómo usarlo, por ejemplo, para lograr un crecimiento efectivo de las plantas.

El circuito que se muestra en la Figura 1 es una solución completa de suministro único, baja potencia y alta precisión para medir la humedad del suelo y el pH, incluida la compensación de temperatura. Los valores medidos de cada uno de los sensores analógicos de las tres secciones de medición independientes se alimentan a un convertidor de analógico a digital (ADC), que luego los envía en forma digital a un microcontrolador para el procesamiento posterior de la señal. Un buen ejemplo de un ADC adecuado es el Σ-Δ ADC AD7124 de 24 bits de Analog Devices, Inc. (ADI), una interfaz analógica de bajo ruido totalmente integrada para aplicaciones de medición de alta precisión. Sus entradas se pueden configurar como entradas diferenciales o unipolares/pseudodiferenciales. Además, el AD7124 tiene una etapa amplificadora programable para garantizar que las señales de pequeña amplitud se puedan interconectar directamente.

Medición de pH

Debido a que un sensor de pH generalmente tiene una salida de alta impedancia (aproximadamente 1 GΩ) y, por lo tanto, no puede controlar las entradas del ADC, también se necesita un amplificador operacional de alta precisión para amortiguar la salida del sensor. Debido a la alta impedancia de salida del sensor, una corriente de polarización de entrada de amplificador operacional baja es importante para minimizar los errores de compensación. En este diseño de circuito, se utiliza el amplificador operacional de riel a riel ADA4661-2. La salida del sensor de pH es bipolar y entrega una señal máxima de ±414 mV. El generador de compensación interno del AD7124 se puede usar para establecer el voltaje de modo común de sus entradas en A_VDD/2, dando así A_VDD/2 ± 414 mV a la salida del sensor.

El comportamiento de ruido de los componentes también tiene un efecto sobre la resolución del sistema de medición. El ruido efectivo del AD7124 (modo de máxima potencia, ganancia = 1, tasa de datos de salida = 25 SPS) es V_{RUIDO, EFECTO} = 570 nV, lo que da como resultado un valor pico a pico de V_{RUIDO, PP} = 3,76 µV (6,6 × V_{RUIDO, EFECTO}). El componente de ruido del ADA4661-2, V_{RUIDO, PP} = 3 µV, se suma a eso, lo que produce un ruido total de V_{RUIDO, PP, TOTAL} = 4,8 µV. Para el rango máximo de voltaje de entrada del ADC de 6,6 V, esto da como resultado una resolución sin ruido de:

Medición de la humedad del suelo

Los sensores de humedad del suelo comúnmente utilizados en la actualidad suelen ser capacitivos y miden el contenido de agua a través de la constante dieléctrica. Debido a que el agua tiene una constante dieléctrica mucho más alta que otros elementos en el suelo, el sensor puede detectar un cambio en el contenido de agua a través de un cambio de capacitancia. El circuito que se muestra en la Figura 1 usa un sensor de 3 cables (alimentación, tierra y salida de voltaje). Para minimizar el consumo de energía, el sensor está en modo de suspensión la mayor parte del tiempo y solo se activa a través de V_SENSOR si se requiere una medida.

En cuanto al comportamiento del ruido, se obtiene una resolución libre de ruido algo más alta en comparación con la medición de pH porque el sensor está conectado directamente al ADC:

Medición de temperatura

Debido a los procesos de recubrimiento y envejecimiento de los electrodos, el comportamiento de un sensor de pH cambia con el tiempo. Para mantener una precisión máxima, la calibración regular es esencial. Para ello, a menudo se miden líquidos conocidos y se comparan con los valores de pH proporcionados en las tablas de referencia del NIST para las temperaturas correspondientes, que deben incluirse en el software. La medición de temperatura se realiza con un detector de temperatura de resistencia (RTD) de 3 hilos, como se muestra en la Figura 2. Debido a la fuente de corriente de excitación programable del AD7124, el RTD se puede conectar directamente al ADC (I_SALIDA1YO_SALIDA2).

Conclusión

Con los circuitos que se muestran, la humedad del suelo y el pH se pueden medir con relativa facilidad. Debido a la fuerte dependencia de la temperatura del sensor de pH, se requiere una compensación de temperatura a través de una medición de temperatura adicional.