Memoria de titulo

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA PARA MEDIR EL FLUJO DE
SAVIA CON UN PC
AMÉRICO ORLANDO FRANCO FLORES
MEMORIA DE TÍTULO PRESENTADA A LA
FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA DE LA
UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN, PARA OPTAR
AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL AGRÍCOLA
CHILLÁN-CHILE
2004
UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA PARA MEDIR EL FLUJO DE
SAVIA CON UN PC
AMÉRICO ORLANDO FRANCO FLORES
MEMORIA DE TÍTULO PRESENTADA A LA
FACULTAD DE INGENIERÍA AGRÍCOLA DE LA
UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN, PARA OPTAR
AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL AGRÍCOLA
CHILLÁN-CHILE
2004
II
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA PARA MEDIR EL FLUJO DE
SAVIA CON UN PC
Aprobado por:
José Fernando Reyes Aroca
Ingeniero Civil Metalúrgico, Dr.
Profesor Asociado
Profesor Guía
Jorge Jara Ramírez
Ingeniero Agrónomo, Ph. D.
Profesor Asociado
Profesor Asesor
Wilson Esquivel Flores
Ingeniero Civil Mecánico, Dr.
Profesor Asistente
Profesor Asesor
Gabriel Merino Coria
Licenciado en Física, Ph. D.
Profesor Asociado
Director de Departamento
José Fernando Reyes Aroca
Ingeniero Civil Metalúrgico, Dr.
Profesor Asociado
Decano
III
Esta Memoria de Titulo fue financiada en parte por la Dirección de
Investigación de la Universidad de Concepcion y por el Gobierno Regional a
través del FNDR con la aplicación del programa Sistema de financiamiento
de Tesis Universitarias II, y además, con fondos propios y del Centro
Desarrollo Tecnológico de la Facultad de Ingeniería Agrícola.
IV
Mis sinceros agradecimientos a Paula Meléndez Uribe y mi hijo
Nicolás Franco Meléndez por su amor y apoyo incondicional.
También quiero agradecer el apoyo, afecto y compresión de las
siguientes personas: Jorge Meléndez , Rosa Uribe, Américo, Gladys, Nelda,
Vilma, Andrea, Giuliano, Vitoco, Rojas, Ivice, K, Eduardo Herrera, Palito,
Jaime Ostria, Ricardo Orellana, Adolfo Acuña, Negra, Wala + Pereira y toda
su gran Familia, Rivera, Diego Varas y Mauricio Burgos.
En mi formación profesional quiero agradecer a mi profesor guía ++ el
Sr. Fernando Reyes, por todas sus enseñanzas y las oportunidades que
hicieron el devenir del tiempo mas enriquecedor, y con The Real “Por el
desarrollo libre del espíritu…”
Además mis agradecimientos a los profesores Wilson Esquivel y
Belisario Candia, y los funcionarios John, Jorge, David, Jonathan, Carlos,
Pato.
“Para levantar una carga muy pesada,
es preciso conocer su centro.
Asi, para que los hombres puedan embellecer
sus almas,
es necesario que conozcan su naturaleza”
(Francisco Varela)
V
ÍNDICE
Página
Resumen..................................................................................................
1
Summary..................................................................................................
2
Introducción..............................................................................................
3
Materiales y Métodos...............................................................................
6
Resultados y Discusión............................................................................
16
Conclusiones............................................................................................
18
Literatura Citada.......................................................................................
20
Tablas.......................................................................................................
22
Figuras......................................................................................................
23
VI
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1:
Página
Señales digitales enviadas desde el puerto paralelo
20
utilizando bus de datos para la lectura del conversor
análogo-digital.
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1:
Página
Esquema del medidor de flujo de savia y las pérdidas
21
de calor. Q f =Calor transferido a la savia en movimiento
Figura 4:
(W), Qr =Calor transferido radialmente (W), Qd =Calor
transferido aguas abajo desde el calentador (W),
Qup =Calor transferido aguas arriba desde el calentador
(W).
Esquema del medidor de flujo de savia utilizado en la
experiencia, d=Diámetro del tallo, Td =Diferencia de
temperatura aguas abajo (ºC), Tu =Diferencia de
temperatura aguas arriba (ºC), Tud =Diferencia de
temperatura bajo y sobre el calentador (ºC),
de
temperatura
radial
(ºC),
Tr =Diferencia
L =Distancia entre el sector donde se encuentra el
calentador y la termocupla (m), e =Ancho del
calentador, V =Voltaje que se aplica (V).
Diagrama de bloques del sistema propuesto para
determinar flujo de savia.
Diseño de la interfase del computador.
Figura 5:
Arquitectura del puerto paralelo.
23
Figura 6:
Diagrama de flujo del programa computacional.
24
Figura 7:
Diagrama
de
flujo
ampliado
del
programa
computacional.
Esquema del equipamiento usado en el monitoreo.
25
Figura 2:
Figura 3:
Figura 8:
22
22
23
26
VII
Figura 9:
Figura 10:
Figura 11:
Figura 12:
Figura 13:
Figura 14:
Figura 15:
Comportamiento de la termocupla tipo T cobreconstantan 0.13 mm.
Relación de lectura digital y tensión de la termocupla
del sistema de adquisición de datos propuesto
utilizando tarjeta de interfase.
Flujos de calor del sensor de flujo de savia obtenidos
con el data logger y el sistema propuesto para el día
juliano 68. Qa =Calor aplicado con el calentador (W),
Qd =Calor transferido aguas abajo desde el calentador
(W), Qup =Calor transferido aguas arriba desde el
calentador (W), Qr =Calor transferido radialmente (W).
Comparación de los flujos de calor (Q) del sensor de
flujo de savia obtenidos con el data logger y el sistema
propuesto.
Flujo de savia estimado (F) por el data logger y el
sistema propuesto, y transpiración instantánea (T)
utilizando el método lisimétrico para el día juliano 68.
Flujo de savia (F) acumulada obtenida con el data
logger, sistema propuesto y la transpiración (T)
acumulada determinada con el método lisimétrico para
el día juliano 68.
Transpiración diaria registrada utilizando el método
lisimétrico, y estimada utilizando data logger y el
sistema propuesto.
26
27
27
28
28
29
29
DISEÑO Y EVALUACIÓN DE UN SISTEMA PARA MEDIR EL FLUJO DE
SAVIA CON UN PC
DESIGN AND EVALUATION OF A SYSTEM TO MEASURE THE SAP FLOW
WITH A PC
Palabras índice adicionales: Flujo de Savia, Instrumentación Agrícola,
Automatización de riego.
RESUMEN
Se diseñó y evaluó un sistema que permite medir la transpiración de plantas
de tallo herbáceo en forma automática y en tiempo real. El sistema propuesto
está compuesto por un sensor de flujo de savia, una interfase electrónica y
un programa computacional desarrollado en lenguaje de programación C++.
El sistema usa un transductor de flujo de savia basado en termopares y una
interfase diseñada para procesar la información del transductor a través de la
puerta paralela del PC. Con el propósito de evaluar la respuesta del sistema,
se emplearon plantas de maíz (Zea mays L.) de 11 semanas de desarrollo en
invernadero. El sistema fué calibrado utilizando un data logger como
referencia y evaluado comparando sus resultados con los arrojados por
mediciones diferenciales del peso de la planta.
La metodología evaluada ofrece una posibilidad económica para determinar
en forma continua el caudal de agua requerido para reemplazar las pérdidas
hídricas de las plantas debido a la transpiración. Esta metodología es factible
de implementarse de preferencia en cultivos de alta rentabilidad manejados
2
en invernaderos, donde el control de la cantidad de agua aplicada permite
optimizar la productividad y disminuir los riesgos de enfermedades.
Finalmente, el sistema propuesto ofrece una opción para automatizar el
control de riego, a un costo relativamente bajo, puesto que emplea
dispositivos electrónicos convencionales.
SUMMARY
A system to measure the transpiration of herbaceous plants in real time, was
designed and evaluated. The proposed system includes a sap flow sensor,
an electronic interface and a computational C++ code. The system uses a
transducer based on thermocouples and an interface designed to process the
data from the transducer with the parallel port of the PC. In order to evaluate
the performance of the system, maize plants (Zea mays L.) eleven weeks old
growing in a greenhouse were used. The system was calibrated with respect
to a data logger set up and evaluated by comparing its results with those
obtained using differential plant weighting.
The evaluated methodology offers a low cost possibility to determine water
losses of crops due to transpiration. This methodology can be implemented
mainly for high return crops growing in greenhouses, where the amount of
water applied permits optimization of the productivity and minimization of
plant diseases.
3
Finally, the system is an option to automatize irrigation control at a relatively
low overall cost, since a conventional computer and electronic devices are
utilized.
INTRODUCCIÓN
Los sistemas de riego modernos tratan de optimizar la cantidad de agua
suministrada para satisfacer los requerimientos hídricos ideales de las
plantas. Con el objeto de estimar los requerimientos de agua se emplean
modelos matemáticos o también mediciones indirectas de transpiración. Los
modelos matemáticos tienen dificultades para reproducir el complejo
fenómeno de la transpiración, lo cual hace necesario disponer de
instrumentos de alto costo para alimentar dichas ecuaciones, como es el
caso del modelo de Penman-Monteith (Allen et al.,1998). Existen otros
modelos que requieren pocos datos, pero tiene un uso limitado a la zona en
que se aplican, o requieren de una calibración local.
Algunas de las metodologías indirectas más utilizadas para estimar los
requerimientos de agua de un cultivo son: gravimétrico, tensiométrico,
neutrómetro, TDR (Time Domain Reflectometry), los cuales miden en forma
directa la cantidad de agua presente en el suelo. Otra metodología utilizada
consiste en medir la evaporación desde una superficie libre de agua en una
bandeja de medidas estándares. Un instrumento de gran exactitud es el
lisímetro, el cual se basa en un balance hídrico y se puede utilizar para
calibrar la bandeja de evaporación relacionándola a un cultivo de referencia.
4
El lisímetro es un instrumento costoso y de difícil manejo, por lo cual sólo se
utiliza con fines de investigación en estaciones experimentales para
mediciones discontinuas.
Las complicaciones para determinar requerimientos hídricos de las plantas
ha motivado el desarrollo de nuevas tecnologías, como es el caso del
medidor de flujo de savia (Sakuratani,1981). Este instrumento mide el flujo de
savia mediante un balance de calor practicado a una sección del tallo, al cual
se le aplica una fuente de calor externa, mediante una resistencia eléctrica
colocada en forma envolvente alrededor del tallo. Si se conoce la potencia
calórica del calefactor y los diferentes flujos de calor, es posible establecer
un balance térmico para estimar la magnitud del flujo ascendente de savia.
Este instrumento permite estimar el flujo de savia que pasa por el xilema y es
transportado hacia las hojas para luego ser transpirado, por lo que constituye
una manera de estimar la transpiración. El instrumento estima en forma
independiente la transpiración, lo cual es una característica muy interesante,
ya que mide los requerimientos reales de la planta sin incluir la evaporación
desde el suelo. El medidor de flujo de savia no necesita calibración y es
capaz de medir los requerimientos de las plantas en forma individual, de
modo que es posible discriminar la cantidad de agua necesaria para cada
planta. Este instrumento se adapta a tallos visibles o expuestos, utilizándose
en investigaciones agrícolas, principalmente en cultivos hilerados (Jara et al.,
1998; Rios, 1999; Gonzalez, 2000; Jeldres, 2000).
5
Existen numerosos trabajos donde se muestra la configuración del medidor
de flujo de savia, con algunas pequeñas diferencias en cuanto al número de
termocuplas y la distancia a la que se instalan en el tallo, al igual que en el
voltaje aplicado según la planta y la resistencia del calentador. Uno de los
más usados es el utilizado por Steinberg et al. (1989), en el cual la potencia
aplicada fue de 0.9 W para Ficus benjamina con un diámetro de 45.2 mm,
obteniendo errores menores al 4%. También Steinberg et al. (1990), obtuvo
errores menores al 5% para Taxodium distichum y Ficus retusa, en donde el
diámetro del tronco varió desde 32 a 45 mm y la potencia eléctrica empleada
fue de 0.4 W.
La configuración del instrumento empleado en el presente trabajo sigue las
mismas características de los medidores usados en plantas herbáceas. Las
principales diferencias se observan respecto de la arquitectura planteada por
Steinberg et al. (1989), en donde el calentador tiene forma de tubo y se
introduce en el tronco, mientras que en este caso se emplea un calentador
plano que envuelve el tallo. Steinberg et al. (1990), utiliza un conjunto de
termocuplas cuyas lecturas son promediadas (termopilas), lográndose un
valor más representativo. Este mismo esquema es empleado por Hinckley et
al. (1994), en Populus de 11 a 15 metros de alto y 8.3 a 15 centímetros de
diámetro. Devit y Berkowitz (1993), encontraron errores entre 8% a 20% en
este mismo medidor de flujo de savia para tres especies ornamentales en
períodos cortos de medición, lo cual se debe a la inestabilidad del
instrumento al amanecer y atardecer.
Estos valores son mayores a los
6
obtenidos por Steinberg et al. (1990), Gutiérrez et al. (1993) y Kjelgaard et al.
(1997), donde el error fue siempre menor al 10% para períodos más largos.
En nuestro caso se propone desarrollar y evaluar un sistema de medición
que permita utilizar un sensor de flujo de savia, en conjunto con un
dispositivo de interfase con el PC y un programa computacional, evitando así
el uso de costosos equipos de adquisición de datos (data logger). El
programa computacional sincroniza los distintos módulos de la interfase
electrónica con el objeto de monitorear el flujo de savia de la planta en
tiempo real y, de esta manera, permitir la automatización del riego.
MATERIALES Y MÉTODOS
Sensor de Flujo de Savia
El método de balance de calor se basa en el régimen permanente del flujo de
agua que pasa a través del tallo. Mediante el sistema radical, la planta toma
agua y sustancias minerales del suelo que luego son conducidas hacia
arriba. No toda el agua que transporta el xilema es transpiración estomática,
ya que parte de ella es transpiración cuticular. La transpiración cuticular es
importante sólo, en cierta forma, en plantas con una cutícula muy delgada,
pero en general abarca menos del 10% de la transpiración total. Además, el
flujo en el floema es varias veces menor que en el xilema (Hess, 1980), por
lo cual, tiene un efecto reducido en el balance de calor. De esta forma, casi la
totalidad del flujo de savia que pasa por una sección del tallo es transpirada a
través de las hojas.
7
El método de balance de calor adaptado por Steinberg et al. (1990), consiste
en aplicar calor a una sección del tallo y cuantificar las pérdidas que se
producen. El esquema del instrumento y los flujos de calor se muestran en la
Figura 1. El sensor está compuesto por un calentador, termocuplas, aislante
térmico, y aislante para la radiación solar (Jeldres, 2000). El calor se
transfiere tanto aguas arriba como aguas abajo por conducción. Además, el
movimiento de la savia en el xilema produce pérdidas por convección y,
finalmente, existe una pérdida radial a través del aislante. Como nos
encontramos en un sistema de régimen permanente:
Qa  Qr  Qup  Qd  Q f
[1]
Donde :
Qa :
Calor aplicado con el calentador (W).
Qr :
Calor transferido radialmente (W).
Qup : Calor transferido aguas arriba desde el calentador (W).
Qd :
Calor transferido aguas abajo desde el calentador (W).
Qf :
Calor transferido a la savia en movimiento (W).
El tipo de sensor empleado en el presente estudio posee la
configuración de termocuplas indicada en la Figura 2. El balance térmico
aplicado a una sección del tallo de la planta permite expresar el flujo de savia
como:
8
 V 2 K A Td  Tu 
 3600
F  

 K r Tr 
L
 R
 Cp Tud
[2]
Donde
F:
Flujo másico de savia (g h-1).
K:
Conductividad térmica de plantas herbáceas (W m-1 ºC-1).
A:
Área transversal del tallo (m2).
Tu : Diferencia de temperatura en la savia en el sector donde se encuentra
el calentador, a una distancia longitudinal L aguas arriba (ºC).
Td : Diferencia de temperatura en la savia en el sector donde se encuentra
el calentador, a una distancia longitudinal L aguas abajo (ºC).
L :
Distancia entre el sector donde se encuentra el calentador y una
distancia longitudinal L aguas arriba y aguas abajo (m).
Kr :
Conductancia radial (W ºC-1).
Tr : Diferencia de temperatura desde la superficie externa del tallo en el
sector donde se encuentra el calentador y una distancia determinada
por el espesor del aislante (ºC).
V:
Voltaje aplicado (V).
R:
Resistencia del calentador (Ω).
Cp :
Calor específico del agua (4.19 J g-1 ºC-1).
Tud : Diferencia de temperatura bajo y sobre el calentador (ºC).
9
3600 : Número de segundos en una hora.
La conductancia radial ( K r ) se determina durante un periodo de cero o casi
cero flujo de savia, utilizando la siguiente ecuación:
 V 2 K A Td  Tu   1

K r  

L
 R
 Tr
[3]
Donde:
K r : Conductancia radial ( J s-1 ºC-1)
Tr : Diferencia de temperatura entre el calentador y la parte exterior de la
primera capa de aislante (ºC)
Circuito de Interfase con el Computador
La estructura general conceptual de la interfase requerida debe permitir
monitorear, en forma digital, los diferenciales de temperatura entregados por
las termocuplas, junto con el nivel de voltaje suministrado al calentador del
sensor. Con este propósito se ha diseñado un sistema de medición, cuya
arquitectura se presenta en la Figura 3. El sensor de flujo de savia entrega
valores de tensión correspondientes a temperaturas diferenciales, las que
son alimentadas mediante un módulo de multiplexión (Mux1) al amplificador
diferencial. El calentador del sensor es alimentado por una fuente de voltaje
10
dual cuya salida puede ser variada entre el día y la noche a objeto de
controlar la potencia calórica entregada a la planta. Este voltaje es leído a
través de un segundo multiplexor (Mux2). Tanto las señales provenientes del
sensor de flujo como el voltaje de alimentación, son convertidos
secuencialmente en valores digitales mediante el conversor análogo digital,
cuya salida es adquirida a través de la puerta paralela del computador (PC).
Basándose en el modelo funcional de interfase propuesto y esquematizado
en la Figura 3, se implementó un circuito cuyo diseño se muestra en detalle
en la Figura 4. Se emplearon componentes integrados del tipo DIP (“Dual-Inline Package”). El multiplexor modelo MC14052B, ubicado a continuación del
sensor, es del tipo dual de cuatro canales, con alimentación de 5 voltios, el
cual emplea dos señales de control provenientes del puerto paralelo, lo que
permite la transmisión de un par de señales de voltaje provenientes del
sensor, correspondiendo a un diferencial de temperatura.
Un segundo multiplexor, del mismo modelo anteriormente mencionado, se
utilizó para la selección entre la señal de nivel de voltaje suministrado al
calefactor del sensor, respecto de las señales amplificadas provenientes de
las termocuplas. Para la amplificación de la señal de temperatura diferencial
se utilizo un amplificador diferencial INA111 con alimentación de ±12 V,
ajustado para una ganancia G igual a:
G 
Donde:
Vout
Vin
[4]
11
G:
Razón del voltaje salida y el de entrada del amplificador diferencial.
Vout : Voltaje de salida del amplificador.
Vin :
Voltaje de entrada del amplificador.
El circuito de control de voltaje debe permitir conmutar la potencia
suministrada al calefactor entre dos niveles diferentes, utilizando una señal
del puerto paralelo. Para esto se tiene un releí RAS1210 de doble contacto y
un tiro con alimentación de 12 V. La señal de control proveniente del PC
acciona un transistor bipolar MPS-A13, el cual conmuta al releí entre uno y
otro voltaje de alimentación.
Tanto las señales de las termocuplas como el voltaje de entrada al calefactor
son convertidas a valores digitales de 12 bits, mediante un conversor
análogo-digital modelo MAX191, cuyo rango decimal es de 0 a 4095, para un
rango de voltaje análogo de 0 a 5 V. La lectura de este conversor se efectúa
desde el puerto paralelo cuya arquitectura se muestra en Figura 5. El puerto
paralelo posee un bus de datos que nos permite la salida de las señales de
control (8 bits), un bus de estado que posibilita la lectura de 5 bits y un bus
de control mediante el cual se puede trasmitir en forma bi-direccional hasta 4
bits de información digital. En este caso, la lectura del conversor análogodigital se lee mediante tres pasos de lectura de cuatro bits cada uno, a través
de los buses de control y estado individualizados en la Figura 5.
12
Programa Computacional
El programa computacional se encarga de controlar el sistema mediante la
coordinación del flujo de señales lógicas de entrada y salida a través de la
puerta paralela. Esta rutina cuenta con algoritmos que permiten poner niveles
lógicos de voltaje en los pines de salida y leer los valores lógicos desde los
pines de entrada de la puerta paralela, posibilitando actuar sobre los
multiplexores, la fuente de voltaje dual y realizar la lectura del conversor
análogo digital.
El programa realiza una secuencia para la lectura de las variables del sensor
y realiza el cálculo de flujo de savia a intervalos predefinidos. Al mismo
tiempo, controla la potencia suministrada al calefactor de manera de reducir
el calor en las horas nocturnas para evitar dañar el tallo en la planta. El
programa computacional se desarrolló en el lenguaje de programación C++
debido a que, además de ser un lenguaje de nivel medio, permite una
sencilla comunicación con los dispositivos de hardware del computador. En
la Figura 6 se presenta un diagrama de bloques del programa computacional
propuesto para la implementación del sistema de medición en tiempo real.
En la construcción del código computacional, se empleó el lenguaje de
programación C, con un compilador Borland C++ 2.0 debido a su
versatilidad y capacidad de comunicación con las puertas del PC. La
estructura del programa computacional, cuyo diagrama general se ilustra en
la Figura 7, consta de varios bloques funcionales que se detallan a
continuación. En primer lugar se declaran las
variables y archivos
13
necesarios para la obtención del flujo de savia. Luego se efectúa la lectura
de la puerta, utilizando el bus de datos para controlar la operación de
captura, permitiendo leer secuencialmente 4 bits por el bus de control, luego
4 bits adicionales por el bus estado y luego los últimos 4 bits (nuevamente
por el bus de control) necesarios para completar la lectura del conversor
análogo digital (12 bits). Esta operación se repite tres veces (una para cada
diferencial de temperatura) y una cuarta vez para obtener la lectura de voltaje
del calefactor. La Tabla 1 nos muestra las señales de salida digitales
necesarias, que permiten la lectura del puerto paralelo.
Las lecturas se realizan a través de las variables de registro TU, TD, TR y
VOLT, para luego ser almacenadas en el archivo de texto DATOS.TXT
(Figura 7). El cálculo de la conductancia radial, K r , se realiza mediante la
Ecuación [3], en la cual se introduce la secuencia de 72 grupos de datos
diarios (medidas cada 20 minutos). Una vez calculados los 72 valores de
conductancia, se ordenan en forma descendente y se elige como K r el
promedio de los tres menores. Una vez obtenido K r , el flujo de savia se
puede calcular mediante la Ecuación [2], para cada uno los datos del día.
Luego, utilizando el método trapezoidal se calcula el área bajo la curva del
flujo de savia versus tiempo, obteniéndose la transpiración estimada T (g
día-1), que es el consumo total de agua de la planta para un determinado
período de tiempo. El registro de consumo de agua queda almacenado en el
archivo de texto FLUJO.TXT.
14
Instalación del Sensor de Flujo de Savia
Para instalar el sensor de flujo de savia (Figura 2), se usó la parte baja del
tallo de maíz, siendo necesario para este fin descubrir las hojas. Se marcó un
punto donde se insertó la primera termocupla; posteriormente se colocó el
calentador dejando la primera termocupla en el centro, enseguida se
marcaron dos puntos a una distancia  L arriba y abajo del borde del
calentador, donde se insertaron las termocuplas que permiten medir el
diferencial de temperatura aguas arriba y aguas abajo. Para medir el tercer
diferencial de temperatura, que es el radial, se ubicó una termocupla sobre el
calefactor, en el centro de éste. Posteriormente, se colocó un aislante
térmico de cinta adhesiva de manera que cubriera todo el sector de las
mediciones. Para impedir la ganancia o pérdida de calor del sensor, se
envolvió con un aislante térmico de poliuretano, en donde se insertó al centro
del espesor del aislante la segunda termocupla del diferencial de temperatura
radial. Luego, se envolvió con un papel aluminio todo el sector del sensor a
efecto de evitar la contaminación por la radiación solar incidente.
Se utilizaron termocuplas de cobre-constantan de 0.13 mm de diámetro,
debido a su alta linealidad en el rango de temperatura de trabajo. Además,
se eligió un diámetro pequeño para disminuir la inercia térmica de la unión y,
por consiguiente, la constante de tiempo de la respuesta del sensor.
15
Evaluación del Sistema Propuesto
La implementación y evaluación experimental del sistema se realizó en un
invernadero ambientalmente acondicionado, ubicado en dependencias de la
Facultad de Ingeniería Agrícola en el Campus Chillán de la Universidad de
Concepción. Las plantas de maíz fueron cultivadas en recipientes de plástico
de 20 cm de diámetro y un volumen de 10 litros; además, fueron regadas y
fertilizadas para asegurar un desarrollo adecuado que posibilitara las
evaluaciones. Las mediciones se desarrollaron durante el período en que las
plantas presentaban una altura de 1.7 m. y un diámetro del tallo entre 23-28
mm.
El calculo de la transpiración se llevó a cabo utilizando tres métodos distintos
en forma paralela, tal y como se representa en la Figura 8. El primero de los
métodos correspondió a la técnica lisimétrica, en la cual se colocó el
recipiente con la planta en una balanza electrónica marca Gibertini modelo
TMB 25 AR, con una resolución de 0.1 g, que además posee una interfase
serial para la conexión al PC, lo cual permitió realizar mediciones cada 20
minutos. El segundo método, que corresponde a la metodología habitual, es
por medio de un sistema de adquisición de datos (data logger Campbel
Scientific 20X), programado para la toma de datos cada 20 minutos y su
posterior registro en memoria, desde la cual se recolectaron y procesaron
mediante una planilla electrónica, para obtener el valor de la transpiración. El
tercer método corresponde al sistema desarrollado en esta investigación, el
cual consiste en una tarjeta de interfase electrónica comunicada con un PC
16
en tiempo real. De esta manera, las lecturas del sensor de flujo de savia que
corresponden a
diferenciales de temperaturas y el voltaje aplicado al
calentador, se almacenan directamente en el computador y se utilizan para el
cálculo de la transpiración.
Una vez generados los datos, se procedió a realizar un análisis estadístico,
para evaluar el comportamiento del sistema propuesto. Con este propósito se
elaboraron gráficas y se calculó el índice de diferencia relativa ( RD ), definido
como:
i n
 Dobs  Dest 
i 1
RD 
i
i
2
[5]
n
Dobs
Donde:
Dobsi :i-ésimo dato observado.
Desti : i-ésimo dato estimado.
Dobs: Promedio de los n datos observados.
n:
Número total de datos
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Calibración
Para correlacionar la lectura digital con la tensión de la termocupla, se realizó
una experiencia de medición diferencial de temperatura, utilizando una
termocupla del tipo T cobre-constatan 0.13 mm. cuya relación característica
entre tensión y temperatura se muestra en la Figura 9. Luego se conectó a la
17
tarjeta de interfase con el PC y junto con ello se conectó en paralelo un
equipo de adquisición de datos (data logger) programado para leer las
tensiones diferenciales en mV de la respectiva termocupla. Esta experiencia
permitió correlacionar la lectura digital de 12 bit equivalente a un rango de 0
a 4095 decimal, con la tensión de la termocupla tipo T cobre-constatan de
rango de trabajo –0,1 a 3,5 mV.
Los resultados de la calibración se muestran en la Figura 10, concluyéndose
que perfectamente podría reemplazarse los costosos equipos de adquisición
de datos (data logger) por una tarjeta de interfase.
Evaluación del Sistema
La evaluación de los flujos de calor definidos en la Ecuación [1], para un día
de medición obtenidos con el data logger y el sistema propuesto se muestran
en la Figura 11. En la Figura 12 se observa una estrecha aproximación entre
las dos estimaciones para los distintos flujos de calor siendo este un valor
satisfactorio. Para la misma experiencia, en la Figura 13 se muestra el valor
de la transpiración instantánea estimada por los tres métodos: lisimétrico,
data logger y sensor de flujo de savia, sistema propuesto de tarjeta de
interfase y sensor de flujo de savia. Las curvas correspondientes al data
logger, al sistema propuesto y el método lisimétrico son muy similares,
observándose en las dos primeras un retraso en el tiempo, debido al efecto
de resistencia al transporte de agua en la planta. Se observa este mismo
comportamiento en las investigaciones realizadas por Devit y Berkowitz
18
(1993) y Gutiérrez et al. (1993). En la Figura 14 se muestra el volumen de
agua acumulada, correspondiente a la misma experiencia de las figuras
anteriores, lográndose valores semejantes al final del día con los tres
métodos utilizados.
El funcionamiento global del sistema propuesto de tarjeta de interfase se
compara favorablemente con las mediciones obtenidas mediante el método
lisimétrico y el equipo de adquisición de datos (data logger), tal como se
ilustra en la Figura 15. La diferencia relativa ( RD ) del data logger con
respecto al lisimétrico para los ocho días de medición fue de 6.63%, mientras
que el RD del sistema propuesto con respecto al lisimétrico fue de 7.74%.
Estos valores son semejantes a los obtenidos por las investigaciones de
Steinberg et al. (1990), Gutiérrez et al. (1993) y Kjelgaard et al. (1997).
CONCLUSIONES
El diseño del circuito de interfase cumplió satisfactoriamente las tareas de
procesamiento de las señales capturadas por el sensor de flujo de savia,
lográndose una transferencia confiable de los datos digitales al PC. El
programa computacional de control, lectura y procesamiento de los datos
logró una buena estimación del valor de transpiración de la planta de maíz.
La evaluación experimental del sistema para medir el flujo de savia con PC,
entregó resultados con un 7.74% de error de estimación de la transpiración,
semejante al error logrado usando costosos equipos de adquisición de datos,
19
siendo
éste
un
valor
satisfactorio
para
propósitos
prácticos
de
automatización.
El prototipo diseñado presenta un nivel de confiabilidad que le permite
estimar de buena manera la transpiración de una planta de maíz creciendo
en invernadero, al mismo tiempo permite incorporar la tecnología necesaria
para establecer una comunicación remota, con el propósito de permitir un
uso más versátil del dispositivo.
20
LITERATURA CITADA
1.
Allen, R.G., L.S. Pereira, D. Raes. and M. Smith 1998. Crop
Evapotranspiration: Guidelines for computing crop water
requirements. Irrigation and Drainage Paper 56. FAO. Roma,
Italia. 300p.
2.
Devitt D.A., M. Berkowitz. 1993. Estimating Transpiration for three
woody ornamental tree species using stem-flow gauges and
Lysimetry. Hortscience 28: (4)320-322.
3.
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invernadero. Memoria de Título Ing. Civ. Agríc Universidad. de
Concepción. Fac. Ing. Agríc. Chillán, Chile.
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Gutierrez M. V., R.A. Harrington, F.C. Meizer, and J.H. Fownes 1994.
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gradients on transpiration estimates from the heat balance
method in two tropical woody especies. Tree Physiology 14:
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6.
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evapotranspiration and its components in a corn (Zea Mays L.)
field. Agric. For. Meteorol. 92: 131-145.
8.
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para estimar transpiración en Eucaliptus nitens. Memoria de
Título Ing. Civ. Agríc Universidad. de Concepción, Fac. Ing.
Agríc. Chillán, Chile.
9.
Kjelgaard J.F., C.O. Stockle, G.S. Campbell, 1997, Measuring sap flow
the heat balance approach using constant and variable heat
inputs. Agric. For. Meteorol. 85: 239-250.
10. Ríos D.C., 1999. Evaluación de transpiración en lilium sp bajo cultivo
forzado. Memoria de Título Ing. Civ. Agríc Universidad de
Concepción, Fac. Ing. Agríc. Chillán, Chile.
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11. Sakuratani T., 1981, A heat balance method for measuring water flux in
the stem of intact plants. J. Agric. Meteorol 37(1): 9-17.
12. Steinberg S., CHM. Van Bavel, and M.J. Mcfarland, 1989. A gauge to
measure mass flow rate of sap in stems and trunks of woody
plants. J. Am. Soc. Hort. Scie. 114: (3)466-472.
13. Steinberg S., CHM. Van Bavel, M.J. Mcfarland, 1990. Improved sap flow
gauge for woody and herbaceous plants. Agron. J. 82: 851-854.
22
TABLAS
Tabla 1. Señales digitales enviadas desde el puerto paralelo utilizando
bus de datos para la lectura del conversor análogo-digital.
Lectura Nº1
dTup
Lectura Nº2
dTd
Lectura Nº3
dTr
Lectura Nº4
Voltaje
Control de Conversor
Voltaje
A/D
D0
D1
X
0
X
1
X
0
X
1
X
0
X
1
X
0
X
1
Multiplexor Nº1
A
B
D2
D3
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
Multiplexor Nº2
A
B
D4
D5
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
X = 0 para hora 20:00 hasta 07:00 Voltaje de Salida Baja
X = 1 para hora 07:00 hasta 20:00 Voltaje de Salida Alta
NC = No Conectado
D6
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
D7
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
NC
Valor
Decimal
0+X
2+X
4+X
6+X
8+X
10+X
16+X
18+X
23
FIGURAS
Qd
PAPEL DE
ALUMINIO
AISLANTE
TERMICO
Qf
Qr
Qr
CALENTADOR
Qup
Figura 1. Esquema del medidor de flujo de savia y las pérdidas de calor.
Q f =Calor transferido a la savia en movimiento (W), Qr =Calor
transferido radialmente (W), Qd =Calor transferido aguas abajo
desde el calentador (W), Qup =Calor transferido aguas arriba desde
el calentador (W).
24
Figura 2. Esquema del medidor de flujo de savia utilizado en la experiencia,
d=Diámetro del tallo, Td =Diferencia de temperatura aguas abajo
(ºC), Tu =Diferencia de temperatura aguas arriba (ºC),
Tud =Diferencia de temperatura bajo y sobre el calentador (ºC),
Tr =Diferencia de temperatura radial (ºC), L =Distancia entre el
sector donde se encuentra el calentador y la termocupla (m),
e =Ancho del calentador, V =Voltaje que se aplica (V).
Figura 3. Diagrama de bloques del sistema propuesto para determinar flujo
de savia.
25
Figura 4. Diseño de la interfase del computador.
Figura 5. Arquitectura del puerto paralelo.
26
DECLARACIÓN DE
VARIABLES
ESCRITURA Y
LECTURA PUERTA
PARALELA
GUARDAR DATOS
EN ARCHIVO
CALCULAR
¿CALCULADO
Kr ?
Kr
CALCULAR
F
y
T
Figura 6. Diagrama de flujo del programa computacional. K r : Conductancia radial
(W ºC-1), F : Flujo másico de savia (g h-1), T : Transpiración estimada (g
dia-1).
27
DECLARACIÓN DE VARIABLES
GRADIENTE TEMPERATURA AGUAS ARRIBA: TU
GRADIENTE TEMPERATURA AGUAS ABAJO: TD
GRADIENTE TEMPERATURA RADIAL: TR
VOLTAJE DEL CALEFACTOR: VOLT
CONDUCTANCIA RADIAL: KK KR
FLUJO DE SAVIA: F
MATRICES DE DATOS: FF[72], D[72,4], KMP[72]
ENTRADA/SALIDA PUERTO:DATA, CONTROL,
ESTADO, CONTROL2
VARIABLE DE CONTROL: SEN
VARIABLES DE TIEMPO: TIEMPO, AÑO, MES, DIA,
HORA, MIN, SEC
PARÁMETROS: A, L, CP=4.19, R=54, K=0.54, C=0,
FLAG=0
ARCHIVO: DATOS
ARCHIVO: FLUJO
ESCRITURA: DATA
LECTURA DE PUERTA:
CONTROL, ESTADO, CONTROL2
CONVERSIÓN:
TU, TD, TR, VOLT
GUARDAR:
TU, TD, TR, VOLT
C AÑO, MES , DIA, HR, MIN, SEG
C=C+1
RECOPILAR DATOS DEL 1º DIA
C=71 y FLAG=0
si
UTILIZAR
ECUACIÓN
3
OBTENER
VARIOS
(CONDUCTANCIA)
PARA
KK
ORDENAR DE MENOR A MAYOR
PROMEDIO DE 3 MENORES = KR :
FLAG=1
no
OBTENER FLUJO DE SAVIA PARA C/U DE
LOS DATOS UTILIZANDO LA ECUACIÓN 2
CALCULAR DIARIAMENTE T EL AREA
BAJO LA CURVA DE FLUJO DE SAVIA V/S
TIEMPO
UTILIZANDO
METODO
TRAPEZOIDAL.
GUARDAR: F Y
HORA, MIN, SEC
T
, AÑO, MES, DIA,
Figura 7. Diagrama de flujo ampliado del programa computacional.
28
Figura 8. Esquema del equipamiento usado en el monitoreo.
25
T (ºC) = 25.461*Tensión_Termocupla (mV)
Temperatura (ºC)
20
15
10
5
0
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-5
Tensión Termocupla (mV)
Figura 9. Comportamiento de la termocupla tipo T cobre-constantan 0.13
mm.
29
Tensión Termocupla (mV)
0.4
Tensión_Termocupla = 0.0002*Lectura_digital - 0.0916
R2 = 0.997
n = 216
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
Lectura digital (Binario)
Figura 10. Relación de lectura digital y tensión de la termocupla del sistema
de adquisición de datos propuesto utilizando tarjeta de interfase.
Flujos de Calor Sensor (W)
0.38
0.25
0.13
0.00
00:00
03:00
06:00
09:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora del día
Qa_Sistema
Qd_Sistema
Qup_Sistema
Qr_Sistema
Qa_Datalogger
Qd_Datalogger
Qup_Datalogger
Qr_Datalogger
Figura 11. Flujos de calor del sensor de flujo de savia obtenidos con el data
logger y el sistema propuesto para el día juliano 68. Qa =Calor
aplicado con el calentador (W), Qd =Calor transferido aguas abajo
desde el calentador (W), Qup =Calor transferido aguas arriba desde
el calentador (W), Qr =Calor transferido radialmente (W).
30
0.28
0.24
n = 286
RD =2.9%
Q Sistema (W)
0.2
0.16
0.12
0.08
0.04
0
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.24
0.28
Q Data logger (W)
Figura 12. Comparación de los flujos de calor (Q) del sensor de flujo de
savia obtenidos con el data logger y el sistema propuesto.
Flujo de Savia y Transpiración (g h -1)
12
10
8
T Lisimétrico = 54.24 g día-1
F Datalogger = 54.98 g día-1
F Sistema = 53.11 g día-1
6
4
2
0
00:00
03:00
06:00
09:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora del día
T Lisimétrico
F Datalogger
F Sistema
Figura 13. Flujo de savia estimado (F) por el data logger y el sistema
propuesto, y transpiración instantánea (T) utilizando el método
lisimétrico para el día juliano 68.
Flujo de Savia y Transpiración Acumulada (g)
31
60
50
40
30
20
10
0
00:00
03:00
06:00
09:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora del día
Lisimétrico
Datalogger
Sistema
Figura 14. Flujo de savia (F) acumulada obtenida con el data logger, sistema
propuesto y la transpiración (T) acumulada determinada con el
método lisimétrico para el día juliano 68.
Transpiración (g día -1)
130
120
110
RD = 6.63% Datalogger
100
RD = 7.74% Sistema
90
80
70
60
50
1
2
3
4
5
6
7
8
Nº de Prueba (día)
Lisimétrico
Datalogger
Sistema
Figura 15. Transpiración diaria registrada utilizando el método lisimétrico, y
estimada utilizando data logger y el sistema propuesto.