artículoTECNOLOGÍA DE PRODUCCIÓN

44 revista179-SEPTIEMBRE 2004 HORTICULTURA

A. PERDIGONES, I, PERALTA,J. NOLASCO, M.A. MUÑOZY V. PASCUALDpto. Ingeniería Rural& Dpto. Producción Vegetal:Fitotecnia. UPM

Sensores parael control climáticoen invernadero

Debido a la importancia de los sensoresen el invernadero, este artículo analiza

diferentes tipos, funcionamientoy algunas características básicas

de los mismos.

El control climático en inver-naderos es posible gracias al usode sensores capaces de medir di-ferentes variables climáticas: tem-peratura, humedad, radiación so-lar, velocidad y dirección del vien-to, concentración de CO

2, precipi-

taciones, etc. Un sensor es un dis-positivo que produce una señalutilizable en función del valor deuna magnitud física, propiedad ocondición específica que se desea

medir. Cada medida debe ser re-gistrada y manejada por el perso-nal de la explotación a través deun controlador u ordenador, de for-ma que el propio usuario puedaverificar y modificar las consignassegún las condiciones climáticasrequeridas en cada momento.

Sensores de temperatura- Resistencias metálicas. La

resistencia eléctrica de un con-

ductor metálico aumenta con latemperatura, por lo que es posiblerealizar sensores metálicos de tem-peratura siempre que se puedanrelacionar fácilmente las respecti-vas variaciones. Las resistenciasmetálicas más comunes son las deplatino (sensores Pt100), con unvalor de 100 ohmios a 0ºC y 138,5ohmios a los 100ºC.

El cambio de resistencia semide con un circuito eléctrico que

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consiste en un elemento sensitivo,una fuente de tensión auxiliar yun instrumento de medida.

Su rango de medida suele serde -40 a 60 ºC, con una precisiónde 0,1ºC. Una ventaja de las son-das Pt100 a cuatro hilos es que ladistancia entre sensor y sistema deadquisición de datos no influye enla medida. Esto es una ventaja eninvernaderos, ya que el sensorpuede estar a 20 ó 30 m de distan-cia respecto al cuadro de medida.

- Termistores. Algunos ma-teriales semiconductores modifi-can su resistencia eléctrica enfunción de la temperatura. Existendos tipos: termistores de resisten-cia negativa (NTC), en los que laresistencia eléctrica decrece al au-mentar la temperatura, y los de re-sistencia positiva (PTC), en losque la resistencia eléctrica creceal aumentar la temperatura.

- Termopares. Un termoparsuministra una señal de tensióneléctrica que depende directamen-te de la temperatura; a diferenciade las termoresistencias, no nece-sitan una fuente de alimentaciónexterna para su funcionamiento.Se basan en el efecto Seebeck:cuando dos conductores metálicosde materiales distintos se unen enun punto, aparece una fuerza elec-tromotriz si la temperatura en esepunto de unión es diferente a latemperatura medida en los extre-mos libres de ambos metales.

Los termopares respondenmás rápido a los cambios de tem-peratura respecto a las termorre-sistencias, pero la precisión en lamedida es inferior. En el rangohabitual de temperaturas en inver-

naderos es conveniente empleartermopares tipo T (Cu-CuNi) paramejorar la precisión en la medida.

Sensores de humedad- Higrómetro de cabello. Son

higrómetros convencionales que sebasan en la propiedad de algunosmateriales de presentar diferenteelasticidad con la humedad. Estematerial se une a un muelle entensión que modifica la posicióndel cursor de un potenciómetro.Midiendo la resistencia entre elcursor y un extremo del potenció-metro se conocerá la HR del am-biente. Sin embargo, su uso en in-vernaderos no es adecuado por suslimitaciones en el rango de medida.

- Psicrómetro. Se basa en lamedida de las temperaturas de untermómetro seco y un termómetrohúmedo. El primero determina latemperatura del ambiente y el se-gundo marca una temperatura di-ferente a la anterior, ya que va enfunción de la cantidad de aguaevaporada y, por tanto, de la pre-sión relativa del vapor de agua enla atmósfera.

Unas tablas de conversión dediferencia de temperaturas en la

presión relativa del vapor deagua, en forma de tanto por cientode humedad, permiten llevar acabo la medida de la HR del am-biente. La desventaja es que hayque mantener permanentementehúmeda la mecha del segundo ter-mómetro.

- Sensores capacitivos. For-mados por dos electrodos entrelos que se encuentra un polímerohigroscópico sintético (dieléctri-co). Este material puede absorberel agua en el aire, de manera quela capacidad del sensor varía li-nealmente con la HR. Al aumen-tar la humedad del aire también lohace la capacidad del sensor capa-citivo. Su principal inconvenientees que a humedades altas (100%HR) el dieléctrico se satura y tar-da en volver a medir correctamen-te si no se encuentra bien ventila-do. Actualmente son los más reco-mendados por sus grandes venta-jas, fundamentalmente porque sepueden conectar fácilmente aequipos de control automático.

- Higrómetro óptico de pun-to de rocío o sensor de espejoenfriado. Considerado el métodomás preciso de medición del pun-to de rocío. Contiene un pequeñoespejo metálico cuya superficie esenfriada hasta que el agua de lamuestra de gas condense. El espe-jo es iluminado por una fuente deluz y su reflexión es detectada porun fototransistor. Cuando la con-densación se produce, la luz refle-jada sufre una dispersión, dismi-nuyendo la intensidad captada porel detector. Un sistema de controlse encarga de mantener la tempe-ratura del espejo para mantener una

■■■■■ El control climático en invernaderoses posible gracias al uso de sensores capacesde medir diferentes variables climáticas:temperatura, humedad, radiación solar,velocidad y dirección del viento,concentración de CO2, precipitaciones, etc.

Empresas internacionales relacionadas con sensorespara control climático 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 España: 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

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delgada capa de condensación; unatermorresistencia embebida en elespejo mide su temperatura y latemperatura del punto de rocío.La precisión en la medida es muyalta, pero su desventaja es su ele-vado coste y la necesidad de pre-cisión en la medicción.

Sensores de radiación- Piranómetro. Se usa para

medir la radiación solar global enunidades de energía (W/m2). Unsensor de este tipo suele medir enun campo entre 0 y 1500 W/m2, yen el rango espectral entre 300 y2800 nm. Algunos están basadosen un detector fotovoltáico cubier-to por una protección de aluminioanodizada.

El sensor puede ser una ter-mopila, de manera que la radia-ción es absorbida y convertida encalor. Ese flujo de calor es induci-do por una diferencia de tempera-tura a lo largo de la termopila.Las termopilas producen un volta-

je de salida cuando la temperaturade sus uniones activas es superiora la de los contactos de referen-cia, siendo su configuración la determopares conectados en serie.

Las termopilas utilizadas pa-ra detección de flujo radiante tie-nen sus contactos de referencia encontacto térmico con bloques me-tálicos termostatizados de graninercia térmica, mientras que lasuniones sensibles se instalan muyaisladas de la zona de referencia ybien expuestas a la radiación.

Cuando se conoce la tempe-ratura de referencia se puede de-terminar el flujo radiante median-te la diferencia térmica entre lasuniones activa y fría. La radiaciónsolar calienta la zona oscura, a laque están conectadas las unionessensibles, y la termopila produceun voltaje en función de esta tem-peratura, que es a su vez, funciónde la radiación incidente.

El piranómetro es el sensoradecuado para medir energía inci-

dente para la evaluación energéti-ca de un sistema, por ejemplo eninvernaderos o en paneles sola-res.

- Luxómetro. El luxómetromide luz visible por el ojo huma-no, por lo que no es adecuado pa-ra invernaderos, pero a veces seutiliza como piranómetro usandotablas de conversión.

- Sensor quantum. Mide laradiación PAR (radiación fotosin-téticamente activa: 400-700 nm).Ésta se puede medir como unida-des de energía (W/m2) o como den-sidad del flujo de fotones fotosin-téticos, cuyas unidades son quanta(fotones) por unidad de tiempo yde superficie. La unidad más habi-tual es el micromol de quanta porseg. y m2 (mmol·s-1·m-2). Al moltambién se le llama Einstein (E).

1 mmol·s-1·m-2 = 1 mE·s-1·m2

= 6.02 x 1017 fotones·s-1·m-2 =6.02 x 1017 quanta·s-1·m-2

Formado por un detector fo-tovoltaico (fotodiodo) cubierto de

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protección de aluminio anodi-zada. Se usan filtros de cristal decolores para limitar la radiaciónque detecta en el rango corres-pondiente a la radiación PAR.Existe una relación entre nº de mo-léculas que cambian fotoquími-camente y nº de fotones absorbidosdentro de determinado rango deenergía fotónica.

Los fotodiodos se basan enmateriales semiconductores. Su re-sistencia varía en función de laluz incidente, de forma que la co-rriente aumenta según aumente elflujo luminoso. Toda radiación in-cidente absorbida produce pareselectrón - hueco que se acumulanen diferentes zonas, produciendouna diferencia de potencial entreellas (voltios). El sensor quantumo de radiación PAR no es habitualen invernaderos comerciales, perosí en invernaderos de investigación,ya que mide específicamente laradiación aprovechada para la fo-tosíntesis de las plantas.

Sensores de velocidady dirección del viento

- Anemómetros de cazoletas.Las cazoletas semiesféricas uni-das a un eje giran impulsadas porlas corrientes de aire, de formaque la velocidad del viento seconvierte en el giro de dicho eje.Para convertirlo en señal eléctricase suele usar como eje de giro el ejede una dinamo tacométrica o alter-nador.

Al girar por la acción delviento, la dinamo genera una ten-sión (voltios) proporcional a lavelocidad del viento. El sensor

necesita un valor mínimo de velo-cidad del viento para funcionar,normalmente entre 0,5 y 1 m/s.Este tipo de anemómetros sonmuy utilizados y recomendablespara medir la velocidad del vientoen el exterior del invernadero, ge-neralmente con un rango entre 1,5y 50 m/s.

- Anemómetros de hilo ca-liente. Pueden utilizarse para me-dir la velocidad del viento en elinterior del invernadero, ya quepermiten medir velocidades pe-queñas (< 0,5 m/s). Generalmentesu uso está limitado a la investi-gación en relación con estudiossobre ventilación. Se basan enevaluar el enfriamiento que seproduce en una resistencia intro-ducida en el torrente de un fluido.Si se hace pasar por ella todo elflujo del fluido (aire), ésta se en-friará proporcionalmente a la ve-locidad de ese fluido.

- Veletas. Para determinar ladirección del viento en el exterior.

■■■■■ El piranómetro es el sensor adecuadopara medir la energía incidente y realizarde este modo una evaluación energéticade un sistema, por ejemploen invernaderos o en paneles solares

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Formadas por un brazo que girasobre un eje vertical al que se in-corpora un deflector. Cuando existeuna corriente de aire, el vientoejerce una presión sobre el deflec-tor que hace que el brazo gire y elextremo señale la dirección dedonde procede el viento.

Igual que en los anemóme-tros de cazoletas, la variación dela posición del brazo o eje se con-vierte en una magnitud eléctrica.Un método muy empleado es elpotenciómetro. El eje vertical so-bre el que gira el brazo de la vele-ta se conecta a un potenciómetro

de precisión, de forma que la se-ñal de salida de este potenció-metro es proporcional al ánguloque la veleta forma con el norte.

Sensores de concentraciónde CO2

Los más utilizados son losanalizadores de gases en el infra-rrojo (IRGA). Se basan en el po-der de absorción de la radiacióninfrarroja del CO

2. El método más

extendido consiste en introduciren una cámara de medida la

muestra de CO2 a analizar utili-

zando un circuito con electrovál-vulas y bombas inyectoras. Un emi-sor (generalmente de tungsteno)introduce radiación infrarroja enla cámara. El CO

2 la absorbe y se

produce un cambio de presión enla cámara de medida. Un micrófo-no (sensor acústico) detecta estavariación. A mayor cantidad deCO

2, mayor diferencia de presión.En el otro lado de la cámara

hay dos detectores de luz cubier-tos por dos filtros de diferentespropiedades. Uno de ellos sólodeja pasar la luz en la longitud deonda, donde se conoce que el CO

2es capaz de absorber luz. El pe-queño cambio de intensidad deluz causado por la concentraciónde CO

2 se mide mediante un de-

tector y se convierte en la medidacorrespondiente de concentraciónde CO

2 gracias a un microproce-

sador incorporado.El segundo sirve de referen-

cia para comprobar que no se han

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producido errores en la medida. Elelemento sensor es el más caro delconjunto, por lo que con frecuen-cia se pone un solo sensor quemide en varios puntos del inver-nadero, muestreando sucesiva-mente en cada punto.

Sensores de lluvia- Pluviómetro. Medidor de

precipitación líquida que transfor-ma la cantidad de lluvia en pulsoseléctricos, correspondiendo gene-ralmente cada pulso a 0,1 ó 0,2mm (según tipo de pluviómetro)de precipitación. Se pueden en-contrar de diferentes volúmenes.

- Sensores de detección delluvia. No miden la cantidad deagua como los pluviómetros, sinoque detectan la presencia o no delluvia. Las gotas de lluvia seránlas responsables de cerrar el cir-cuito electrónico (en general, unaplaca impresa de cobre) que llevael sensor para dar la señal corres-pondiente. Su principal aplicación

para invernaderos consiste en po-der conectar o desconectar un dis-positivo (por ejemplo el motorre-ductor para abrir o cerrar las ven-tanas) en función de la presenciao no de lluvia. También se puedeutilizar para detectar la presenciade condensación.

- Cajetín de medida. Altosniveles de radiación solar y bajasvelocidades de aire en el interiordel invernadero provocan altera-ciones en las medidas de tempera-tura y humedad. Debido a esto, esuna práctica común en Holandaproteger los sensores en un cajetínventilado, de aproximadamente 0,2m de ancho y 0,3 m de alto.

En la parte alta del cajetínse monta un ventilador que pro-porciona una corriente de aire su-perior a 2 m·s-1 alrededor del sen-sor para favorecer la disipación decalor y evitar que el sensor se ca-liente demasiado. Los sensorescapacitivos no requieren un míni-mo de velocidad de viento, pero

- Universidad Wageningen:Greenhouse climate control. 1995.Horticom Bookshop. Ref.: 2011

- Serrano Cermeño, Zoilo:Construcción de invernaderos. 2002.Horticom Bookshop. Ref.: 665

- Nelson, Paul: Greenhouseoperation and management. 1998.Horticom Bookshop. Ref.: 473

Para saber más...

se debe evitar el estancamientodel aire a su alrededor.

El cajetín tiene una doble pa-red y una capa de material reflec-tante en el exterior. Así, la radia-ción y variaciones de los movi-mientos de aire en el interior delinvernadero no afectan a las medi-ciones de los sensores. El cajetínse puede colocar a una altura re-presentativa, por ejemplo en elpunto de crecimiento del cultivo oen el lugar donde el índice de áreafoliar sea mayor. Se pueden usardentro y fuera del invernadero.