1. Introducción
2. Generalidades de los sensores
3. Medida de la temperatura
4. Medida de la humedad
5. Medida de la radiación
6. Medida de la concentración de CO2
7. Medida del viento y la lluvia
8. Sensores remotos
9. Consideraciones prácticas
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
IMAGEN
Uso de sensores de clima en cultivos bajo invernadero. / [Sánchez-Guerrero, M.C.; Lorenzo, P.;
Fernández, P.; Medrano, E.]. – Almería. Consejería de Agricultura, Ganadería, Pesca y Desarrollo
Sostenible. Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera, 2020. 1-29 p. Formato
digital (e-book) - (Ingeniería y Tecnología Agroalimentaria)
Sensor – Microclima invernadero – Radiación – Temperatura – Humedad – CO2.
Este documento está bajo Licencia Creative Commons.
Reconocimiento-No comercial-Sin obra derivada.
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es
Uso de sensores de clima en cultivos bajo invernadero.
© Edita JUNTA DE ANDALUCÍA. Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera.
Consejería de Agricultura, Ganadería, Pesca y Desarrollo Sostenible.
Almería, Abril de 2020.
Autoría:
Mª Cruz Sánchez-Guerrero Cantó 1
Pilar Lorenzo Mínguez 1
Pablo Fernández del Olmo 1
Evangelina Medrano Cortés 1
---------------------------------------------
1 IFAPA, Centro La Mojonera
Este trabajo ha sido cofinanciado por el proyecto de
“Nuevas tecnologías en la horticultura protegida: Eficiencia
en el uso de los recursos naturales y la energía procedente
de fuentes renovables” (PP.AVA.AVA2019.039), de la
convocatoria de Proyectos Sectoriales de investigación e
innovación tecnología (AVA2019), cofinanciados por el
Fondo Europeo de Desarrollo Regional.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
1.- Introducción
3/29
El crecimiento exponencial de la población mundial implica un incremento en la demanda de alimentos. Según la
Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO), en el año 2050 será necesario
producir un 70% más. La cada vez más reducida disponibilidad de superficie agrícola, el agotamiento de los recursos
naturales finitos, la escasez de agua, el cambio climático y la disminución generalizada de la mano de obra agrícola
dibujan un escenario que obliga a una transformación de la agricultura basada en la implantación de soluciones
tecnológicas de vanguardia.
Figura 1. Esquema general del proceso de
funcionamiento en un sistema de control del clima
en invernadero. Medir variables a controlar
(interior) y perturbaciones (exterior), comparar con
valores consigna y ordenar actuación de equipos de
climatización.
El éxito productivo de los cultivos de invernadero se basa, en
parte, en la posibilidad de realizar un adecuado control de
los factores que determinan el crecimiento y el desarrollo
de los mismos, entre los que se encuentran los parámetros
microclimáticos: radiación, temperatura, humedad y
concentración de CO2.
Es fundamental conocer los valores que adquieren estos
parámetros en el interior de los invernaderos para actuar en
lo posible y adaptarlos a las necesidades de las plantas.
Adicionalmente, parámetros meteorológicos externos como
radiación, velocidad y dirección del viento así como lluvia,
deben conocerse para hacer un buen uso de las instalaciones
de control en los invernaderos.
Una medida fiable de las variables climáticas es
fundamental para realizar un adecuado y eficiente control
climático en los invernaderos.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
4/29
La gestión de clima en los invernaderos puede considerarse como un sistema de entradas y salidas con
perturbaciones (Bontsema, 1995)1. Las entradas del sistema serían las variables de control (equipos de climatización
o actuadores), las variables de perturbación (clima exterior, cultivo, estado de elementos estructurales como la
cubierta), y las salidas del sistema corresponderían a las variables a controlar (radiación, temperatura, humedad,
concentración de CO2).
De cara al futuro (inmediato), la instalación de sensores inteligentes de clima es clave para implementar la
agricultura de precisión e internet de las cosas (IoT) aplicado a la agricultura. En el caso de la agricultura de
precisión, la capacidad de estos sensores para registrar las variables climáticas y enviar los datos en tiempo real,
permite en el momento en el que se está realizando una labor, alcanzar los valores paramétricos y las condiciones
de cultivo requeridos para el desarrollo óptimo del cultivo. Tiene como objetivo por tanto, el uso de la cantidad
adecuada de recursos en el momento concreto y el lugar exacto, maximizando su rentabilidad y evitando el
desaprovechamiento de medios.
Un invernadero diseñado con tecnología IoT monitorea y controla el clima de manera inteligente, manteniendo el
cultivo en condiciones óptimas sin precisar una supervisión manual permanente. Por ejemplo, es capaz de detectar
en qué momento es necesario ventilar o activar el sistema de riego.
1) Bontsema, J. 1995. Control principles. En: Greenhouse climate control. An integrated approach. J.C. Bakker, G.P.A. Bot, H. Challa,
N.J. Van de Braak (Eds.). Wageningen Pers. Holanda. Pp.: 224-231.
Figura 2. Proceso completo de monitoreo y control en agricultura inteligente.
Despliegue de
sensores
Registro de
variables climáticas
Transmitiendo
información
Análisis y gestión
de decisionesAcción de control
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
2.- Generalidades de los sensores
Figura 3. Esquema general del flujo de señal en un sensor. Ejemplo para un sensor de radiación infrarroja.
Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (temperatura, radiación,
presión, etc.) en valores medibles de dicha magnitud. Consta típicamente de tres partes (Figura 3): Selector,
transductor y detector (Gieling y Schurer, 1995)2; la información buscada se filtra y se traduce a una forma
medible (voltaje, intensidad de corriente o movimiento) que varía con los cambios del fenómeno, y se detecta la
señal de salida. Esta señal será transportada y acondicionada para facilitar su registro en un dispositivo de
almacenamiento de datos, de manera que pueda ser procesada posteriormente para ser utilizada en los equipos de
control. El acondicionamiento modifica la señal de salida del sensor para facilitar su registro. Este proceso puede
incluir los siguientes pasos: convertir las señales eléctricas, amplificar la señal, filtrarla para reducir ruidos y
transformarla mediante funciones matemáticas para obtener el valor directo del parámetro que se desea
cuantificar. Con frecuencia es necesario determinar la relación entre las señales de entrada y salida a través de la
calibración.
2) Gieling, Yh.H., Schurer, K. 1995. Sensors and measurement. En: Greenhouse climate control. An integrated approach. J.C. Bakker,
G.P.A. Bot, H. Challa, N.J. Van de Braak (Eds.). Wageningen Pers. Holanda. Pp.: 224-231.5/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Es muy importante conocer las especificaciones técnicas que ofrece el fabricante, por ejemplo, conocer el rango en
el que la medida es fiable, puesto que su exactitud no estará garantizada si las condiciones donde se piensa ubicar
están fuera del mismo. También se deben considerar otras características como su repetitividad, reproducibilidad,
resolución, no linealidad y el error máximo tolerable en función de las necesidades de trabajo.
El error de medida de un instrumento está determinado principalmente por los siguientes términos (Gieling y
Schurer, 1995)2: (los errores se propagan generalmente de forma aditiva, de manera que el error total de un
instrumento es la suma de los errores de sus componentes)
✓ Exactitud: grado en que una cantidad medida difiere de su valor real (%). A veces se le llama precisión.
✓ Sensibilidad: Es el menor cambio en la señal de entrada que dará lugar a un cambio en la medida.
✓ Estabilidad: Cambios originados por el tiempo o por la temperatura. Si la estabilidad de un instrumento es
baja, entonces requiere calibraciones más frecuentes.
✓ Ruido: Cambios en la salida que no se deben a cambios en el parámetro medido. El envejecimiento del
cableado, las soldaduras y empalmes suelen disipar corriente eléctrica y por tanto modificar la señal de
salida.
✓ Tiempo de respuesta: Velocidad con que un instrumento responde a un cambio de señal. Es el tiempo
mínimo que debemos esperar para realizar dos medidas consecutivas.
La elección de un sensor de clima para invernaderos dependerá de la función que se espera de él, de manera que
una mera información aproximada de las condiciones del cultivo no requiere el mismo grado de precisión de la
medición que si esta se usa para la automatización de los procesos de climatización que requiere una tecnología de
sensores de alta calidad que realice mediciones fiables y representativas.
Los invernaderos representan ambientes desafiantes respecto de la medición: exposición a la radiación, elevados
niveles de temperatura y humedad, riesgo de condensación, acumulación de polvo y suciedad, etc. Los instrumentos
a utilizar en estas condiciones deben estar diseñados especialmente para operar en dichos ambientes.
6/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
3.- Medida de la temperatura
La temperatura se puede medir por medio de transductores en base al efecto de la temperatura sobre respuestas de:
expansión (termómetro de líquido en vidrio, termómetro bimetálico), eléctrica (termómetro de resistencia,
termistor, termopar) o radiativa (termómetro de infrarrojo). En aplicaciones de control climático de invernaderos los
más utilizados son los de respuesta eléctrica, generalmente los sensores de resistencia (Pt100, Pt1000) y termistores.
Su grado de inexactitud no debe superar ± 0,5 ºC.
3.1. Termómetro de resistencia (RTD)
Se basa en la medida de la resistencia eléctrica de un conductor metálico que aumenta
casi linealmente con la temperatura (Figura 5). El conductor más utilizado es el
platino: Pt100, Pt500, Pt1000, donde los valores numéricos corresponden al valor de
resistencia (en ohmios) a la temperatura de referencia, 0 ºC. Es uno de los métodos
más precisos de medida de temperatura. Poseen una elevada robustez. Su rango de
medida suele ser de -40 a 60 ºC, con una precisión de 0,1 ºC. En las sondas Pt100 con
transmisor integrado la distancia entre sensor y sistema de adquisición de datos no
afecta a la medida, lo que es una gran ventaja en condiciones de invernadero donde
ésta es considerable.3.2. Termistor
Similar al termómetro de resistencia metálico pero está compuesto de
un material semiconductor (normalmente un óxido metálico). En este
caso, la relación entre la resistencia y la temperatura es exponencial y
normalmente son del tipo NTC (Negative Temperature Coefficient), en
los que la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura
(Figura 5). Este tipo de sensor tiene mayor sensibilidad que los
termómetros de resistencia de platino. El tiempo de respuesta para un
cambio de temperatura depende del tamaño del termistor.
Figura 4. Termómetro Pt100,
con tubo protector (termopozo)
frente a efectos corrosivos.
0 100 200 300
Temperatura (ºC)
Resi
stenc
ia
Pt 100Pt 100
Termistor Termistor NTCNTC
0 100 200 300
Temperatura (ºC)
Resi
stenc
ia
0 100 200 300
Temperatura (ºC)
Resi
stenc
ia
Pt 100Pt 100Pt 100Pt 100
Termistor Termistor NTCNTC
Termistor Termistor NTCNTC
Figura 5. Relación generalizada entre
temperatura y resistencia al paso de corriente en
dos tipos de sensores: Pt100 y termistor NTC
7/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Figura 6. Esquema de un termopar tipo T
3.3. Termopar
Es un transductor térmico, capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica. A diferencia de las
termorresistencias, no necesitan una fuente de alimentación externa para su funcionamiento. Su principio de
medida se basa en el efecto Seebeck: cuando dos conductores metálicos distintos se unen en un punto, se genera
una fuerza electromotriz si la temperatura en ese punto (unión caliente o de medida) es diferente a la temperatura
medida en los extremos libres de ambos metales (referencia). Se mide el voltaje, que será proporcional a la
diferencia de temperatura. Requiere la lectura de la unión de referencia (típicamente con termistor o Pt100 situado
en el registrador de datos).
Hay diferentes tipos de termopares, según el tipo de metales que se combinan, el más utilizado en medidas
ambientales es el Tipo T (Cobre-Constantan). Son sensores baratos y responden más a los cambios de temperatura
que las termorresistencias, aunque su precisión es inferior. La distancia entre el sensor y el dispositivo de lectura
puede ser grande sin afectar a la señal.
Varios termopares pueden ser conectados en serie, de manera que sus salidas se suman proporcionando una mayor
señal, lo que recibe el nombre de termopila.
Uniones de
referencia
Figura 7. Configuración esquemática de una
termopila
8/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
9/29
3.4. Ejemplo de medida de temperatura
Para evaluar el efecto de la incorporación de un sistema de calefacción mediante mangas solares pasivas (mangas
de polietileno llenas de agua) sobre la temperatura del aire del invernadero, en relación a otro invernadero de
referencia, se utilizaron termistores integrados en aspiropsicrómetros (HortiMax). Así mismo se midió la
temperatura en el interior de las mangas de polietileno para medir la acumulación térmica en el agua durante el
día, mediante termistores sumergidos (Model 108, Campbell Sci.). Como se muestra en la figura 8, los datos
permitieron confirmar las diferencias térmicas nocturnas generadas entre ambos invernaderos y su relación con el
calor acumulado en el agua durante el día (Baeza y col., 2015)3.
Figura 8. Aspiropsicrómetro (arriba) y termistor (abajo) para medida de temperatura del aire y del agua respectivamente. Evolución
durante 24 horas de la temperatura del aire registrada en el interior de dos invernaderos: con calefacción pasiva y sin calefacción
pasiva (CP y R respectivamente), así como del agua contenida en las mangas de CP.
3) Baeza E.J., Medrano E., Lorenzo P., Sánchez-Guerrero M.C., Sánchez, M.J., Porras M.E., Torrecillas M. 2014. Influencia de un
acumulador de calor pasivo sobre el microclima y la bioproductividad bajo invernadero. SERVIFAPA. Junta de Andalucía, IFAPA.
Consejería de Agricultura, Pesca y Desarrollo Rural. 18 Pp.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
4 - Medida de la humedadEn el control de clima de invernaderos los dos
aspectos más importantes de la humedad
corresponden a la humedad relativa (HR, %),
utilizada para prevenir problemas de enfermedades,
y el déficit de presión de vapor (DPV, kPa) y el
déficit hídrico (DH, g/m3), por ser mejores
indicadores para el control de procesos fisiológicos
como la transpiración.
El vapor de agua en el aire ejerce una presión
llamada Presión de Vapor. La presión parcial alcanza
la saturación cuando se igualan las moléculas de agua
que se evaporan y las que retornan a la fase líquida.
Al aumentar la temperatura el aire puede contener
más agua en forma de vapor y por tanto, aumenta la
presión de saturación. Cuando el aire no está
saturado su presión de vapor es menor que la presión
de saturación.
Figura 9. Invernadero con sistema de nebulización para el
control del déficit de presión de vapor en el aire.
La HR es la relación en porcentaje entre la presión de vapor de agua en el aire respecto a la presión que tendría en
condiciones de saturación a una temperatura dada. El DPV es la diferencia entre la presión de vapor de saturación y
la presión de vapor del aire a una temperatura dada, el DH son los g de vapor de agua que faltan para llegar a la
saturación en un m3 de aire, por lo que expresan el grado de insaturación del aire. Cuando se conoce la
temperatura, es posible transformar la medida de humedad a cualquiera de sus expresiones.
Muchos instrumentos miden la humedad del aire aunque en condiciones de invernadero se utilizan normalmente dos
tipos de sensores con diferente principio de medida: Psicrómetro e higrómetros eléctricos de resistencia o de
capacitancia. 10/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
4.1. Psicrómetro
Figura 10. Esquema de un psicrómetro que mide diferencia de
temperatura entre el sensor de bulbo húmedo (Tw) y el sensor
de bulbo seco (T).
Está basado en la medida de temperatura del aire. Consta de dos termómetros idénticos, llamados bulbos, uno de los
cuales mide la temperatura del aire (bulbo seco) y el otro está cubierto con una mecha que lo mantiene siempre
mojado (bulbo húmedo) al estar unida a un depósito de agua destilada. Un ventilador mantiene un flujo de aire
constante en los bulbos, mínimo de 2 m/s.
Bajo condiciones atmosféricas no saturadas se
produce evaporación en la mecha que enfría al bulbo
húmedo. Cuanto más seco esté el aire más agua
absorberá de la mecha el flujo de aire y más enfriará
el bulbo húmedo, de manera que mayor será la
diferencia térmica con respecto al bulbo seco. La
presión de vapor del aire se calcula a partir de la
diferencia entre la temperatura de ambos sensores,
de acuerdo a la siguiente expresión:
e = es (Tw) – K (T - Tw)
donde e y es son la presión de vapor actual y la de
saturación, respectivamente, y K es una constante
psicrométrica. T y Tw son las temperaturas de los
bulbos seco y húmedo respectivamente.
Es muy importante la adecuada posición relativa entre ambos termómetros: no debe fluir aire desde el bulbo húmedo
al bulbo seco.
11/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
El elemento sensor de los psicrómetros es pues un
termómetro y pueden utilizarse termopares, termistores
y termómetros de resistencia. La exactitud de la
medida de la humedad dependerá de la de los sensores
de temperatura utilizados y es más elevada a altos
niveles de humedad relativa. Una diferencia de 1 ºC
corresponde aproximadamente a un 10 % de HR.
Las desventajas de este tipo de sensor son su elevado
precio y la necesidad de un frecuente mantenimiento.
Se debe chequear periódicamente (p.e. semanalmente)
el depósito de agua, para rellenarlo o limpiarlo cuando
sea necesario. Cualquier contaminación visible de la
mecha del termómetro húmedo debería ser considerada
una clara indicación de la necesidad de sustituirla para
asegurar su adecuada absorción de agua y un mojado
correcto del bulbo húmedo. Un registro continuo de HR
del 100 % es un indicio de agotamiento del agua en el
depósito que resulta en el secado de la mecha y por
tanto del sensor de bulbo húmedo.
Figura 11. Aspiropsicrómetro. En condiciones de uso uno de los
sensores (bulbo húmedo) estará cubierto con una mecha
mojada permanentemente al estar introducida en el depósito
con agua.
Un método sencillo para testar este instrumento consiste en retirar la mecha del bulbo húmedo y asegurar que los dos
bulbos estén limpios y secos; la lectura de HR debe ser 100 %, lo que significa que ambos sensores miden la misma
temperatura.
Depósito de agua
Bulbo seco
Bulbo húmedo (cubierto con
mecha húmeda)
Ventilador
extractor
12/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
4.2. Higrómetro eléctrico: de resistencia y de capacitancia
Figura 13. Dispositivo de protección para
sensores eléctricos.
Basados en la variación de las propiedades eléctricas de ciertos materiales higroscópicos al absorber agua.
Generalmente se emplean la resistencia eléctrica y la capacitancia.
El higrómetro de capacitancia (de estado-sólido) mide el cambio en esta
propiedad eléctrica provocado por la absorción de agua de un material
dieléctrico. Es un pequeño sensor que consta de dos electrodos entre los que
se encuentra un polímero higroscópico sintético (dieléctrico). Este material
puede absorber el agua del aire, de manera que la capacitancia del sensor
aumenta linealmente con la humedad relativa. Tienen un alto grado de
sensibilidad a niveles bajos de humedad, donde proveen una respuesta
relativamente rápida. Su principal inconveniente es que a valores de
humedad superiores al 85 % el sensor tiene una tendencia a saturar y la
respuesta se transforma en no lineal. Tarda en volver a medir
correctamente si no se encuentra bien ventilado; aunque no requieren un
mínimo de velocidad de viento, se debe evitar el estancamiento del aire a
su alrededor.
El higrómetro de resistencia consta de electrodos metálicos separados entre los que se coloca una película conductora
compuesta por cloruro de litio. A medida que aumenta la humedad del aire la película de cloruro de litio absorbe más
vapor de agua lo que hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado el contacto estrecho entre esta película
de cloruro de litio y los dos electrodos de metal, también decrece la resistencia entre los terminales de los electrodos.
La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse con la humedad relativa. Su tiempo de respuesta es alto (5-
10 minutos para alcanzar el equilibrio) y la fiabilidad es baja a valores extremos de humedad relativa.
Figura 12. Esquema de higrómetro eléctrico
de resistencia..
Este tipo de sensores son susceptibles de ser contaminados por partículas como el polvo, por lo que se protegen con una
cápsula porosa de material inerte como el teflón.
13/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
14/29
4.3. Ejemplo de medida de humedad
Figura 14. Aspiropsicrómetro instalado en invernadero con sistema de nebulización con cultivo de tomate. Evolución a lo largo de un
día (52 días después del trasplante) del déficit de presión de vapor (DPV) en el aire del invernadero con nebulización y testigo.
La aplicación de nebulización en invernadero implica la medida del contenido de vapor de agua en el aire. En un
estudio realizado en el IFAPA La Mojonera para evaluar la respuesta de un cultivo de tomate a este sistema de
refrigeración, se llevó a cabo el seguimiento del microclima generado en comparación con un invernadero de
referencia. La humedad se midió en términos de déficit de presión de vapor (DPV) mediante un aspiropsicrómetro
(DGT-Volmatic) instalado en los invernaderos con y sin nebulización. La figura 14 muestra el efecto de la
nebulización en el mantenimiento del DPV en torno al valor de la consigna programada (1,5 kPa) mientras que en el
invernadero testigo alcanzaba valores altos que repercuten negativamente en el cultivo.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
5.- Medida de la radiación
Actualmente existe en el mercado una gran variedad de sensores de radiación que son sensibles a diferentes regiones
del espectro de energía de la radiación. La respuesta espectral no es la misma para los diferentes procesos
fisiológicos, así que el instrumento de medida elegido debe tener la sensibilidad espectral adecuada (Jones, 1983)4.
En los invernaderos las medidas de radiación más usuales son:
• Radiación global de onda corta (300 – 2500 nm)
• Intensidad de luz (380 – 760 nm)
• Radiación fotosintéticamente activa (400-700 nm)
Figura 15. Espectro de energía de la radiación solar que llega al
sistema Tierra - Atmósfera
La radiación solar es el conjunto de ondas
electromagnéticas procedentes del sol. Es un
término amplio que incluye diferentes tipos
caracterizados por su longitud de onda.
La mayor parte de la radiación que llega a la
Tierra está comprendida entre 300 y 2.500 nm,
diferenciándose tres categorías en función del
rango de longitud de onda que abarca: radiación
ultravioleta –UV- (por debajo de 380 nm), luz
visible (380-770 nm, intervalo que incluye la
radiación fotosintéticamente activa -PAR- 400-
700 nm) y la radiación infrarroja cercana –NIR-
(780-2.500 nm).
4) Jones, H.G. 1983. Plants and microclimate. Cambridge University Press, Cambridge. 323 pp.
15/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Las técnicas más comunes para la medida de radiación implican detectores fotoeléctricos (fotodiodo), o detectores
térmicos. Los sensores fotoeléctricos se basan en la propiedad de los materiales semiconductores (ej. Silicio) de
generar una corriente eléctrica cuando se exponen a la radiación. El detector fototérmico consta de dos
transductores de temperatura (termopila o termistor), uno de ellos unido a una superficie con pintura negra
altamente absorbente y otro, de referencia, unido a una superficie protegida de la radiación o pintada de blanco. La
diferencia de temperatura entre ambas superficies es función de la diferencia en la radiación absorbida. Este tipo de
detector tiene generalmente un tiempo de respuesta mayor que los detectores fotoeléctricos, si bien el coste de
éstos es menor que el de los fototérmicos.
Figura 16. Esquema de sensores de radiación con detector fotoeléctrico (izquierda) y térmico (derecha).
16/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
5.1. Piranómetro (solarímetro)
Es el tipo de sensor de radiación mayoritario en aplicaciones de invernadero. Mide la energía de la radiación global
recibida sobre una superficie horizontal. Incluye la radiación recibida directamente del disco solar y también la
difusa tras ser dispersada al atravesar la atmósfera.
Figura 17. Piranómetros termoeléctricos: puntual (arriba) y
lineal (abajo). Detector: termopila
La mayoría de piranómetros están basados en sensores termoeléctricos. La superficie del sensor normalmente está
protegida del clima mediante cúpulas de vidrio o polietileno, cuya transmisividad limitan la respuesta del sensor a
longitudes de onda de 300 – 2500 nm (radiación global de onda corta).
Algunos piranómetros están basados en fotocélulas; utilizan una célula de silicio (p.e.) que absorbe radiación y
genera una corriente eléctrica. Aunque tienen una respuesta espectral más estrecha que la radiación solar (mide
entre el 70 y 90 % de la radiación total de onda corta), permiten una exactitud satisfactoria para muchas
propuestas.
Figura 18. Piranómetro fotoeléctrico. Detector: célula de
silicio
17/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
5.2. Sensor cuántico
Mide la radiación PAR que es la utilizada por las plantas en el proceso de fotosíntesis.
Este tipo de medida no es muy habitual en invernaderos comerciales. Consta de una
fotocélula de silicio con un difusor y un filtro óptico (400-700 nm). Tiene buena
linealidad y estabilidad.
5.3. Sensor Fotométrico o Luxómetro
Mide la luz visible por el ojo humano, por lo que no es el sensor más adecuado para su
aplicación en invernaderos. Sin embargo, su medida podría utilizarse para obtener
valores aproximados de la PAR por detectar longitudes de onda próximas. Consta de
una fotocélula de silicio con un difusor y filtros ópticos. La intensidad de la luz visible
se mide en las unidades lux o foot candle (1 lux ≈ 0,1 fc).Figura 19. Sensor cuántico
(arriba) y luxómetro (abajo).
5.4. Unidades
La radiación solar, medida como la energía recibida por
unidad de superficie, se expresa en W/m2 (= J/m2.s).
Cuando se integran los valores durante un periodo de
tiempo, al expresar cantidades de energía mayores, se
utilizan las unidades de MJ/m2 o bien kWh/m2 (1 MJ ≈
280 Wh), este tipo de medida acumulada es utilizada en
algunos controladores de riego.
La PAR se puede medir como unidades de energía
(W/m2), pero generalmente se mide como densidad de
flujo de fotones fotosintéticos cuya unidad más habitual
es el mol/m2.s
Figura 20. Equivalencias aproximadas de unidades de medida de
radiación global, PAR y radiación visible.
18/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
19/29
5.5. Ejemplo de medida de radiación
Figura 21. Radiación global (Rg) en el exterior e interior de los invernaderos con sombreado móvil (SM) y fijo (SF) a lo largo de un
día nublado (A) y despejado (B). Se indica el valor de la integral diaria obtenida en cada caso.
0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00
Hora solar
Exterior
SM
SF
0
200
400
600
800
1000
0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00
Hora solar
Rg
, W
m-2
A) B)
10 MJ m-2
d-1
11 MJ m-2
d-1
8 MJ m-2
d-1
4 MJ m-2
d-1
25 MJ m-2
d-1
12 MJ m-2
d-1
En un estudio realizado en el IFAPA La Mojonera para evaluar de manera comparativa el uso en invernadero de
sombreado móvil y fijo, se midió de manera continua la incidencia de radiación global en el exterior y en el interior
de los invernaderos mediante piranómetros (Sky instruments). La figura 21 pone de manifiesto la ventaja del sistema
móvil de sombreado al permitir su aplicación sólo cuando las condiciones térmicas lo requieren; esta ventaja fue más
evidente en días nublados, en los que no hubo necesidad de sombrear ni siquiera al mediodía solar. Como resultado
del sombreado selectivo la integral diaria de radiación incidente sobre el cultivo SM aumentó respecto al SF: +100% en
el día nublado y +20% en el día despejado (Sánchez-Guerrero y col., 2012)5.
5) Sánchez-Guerrero M.C., Lorenzo P., Medrano E. 2012. Evaluación comparativa del uso en invernadero de sombreado móvil y fijo:
efecto sobre el clima y su repercusión en el cultivo de pimiento. SERVIFAPA. Consejería de Agricultura y Pesca, Instituto de
Investigación y Formación Agraria y Pesquera. 14 pp.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
6.- Medida de la concentración de CO2
La concentración de CO2 existente en el aire de los invernaderos varía dependiendo de la actividad fotosintética del
cultivo que se desarrolla en su interior (proceso por el que las plantas asimilan CO2 del aire) y de la capacidad de
ventilación de la estructura que determinará su grado de renovación del aire y por tanto de reposición del gas
absorbido por el cultivo. Su medida es imprescindible cuando se aplica la técnica del enriquecimiento carbónico por
la que se aporta CO2 para evitar el agotamiento y aproximar su concentración a niveles óptimos para el cultivo. Las
unidades habituales de medida son partes por millón (ppm) y µmol/mol (10-6 mol CO2 por mol de aire).
La mayoría de analizadores de CO2 utilizados se
basan en tecnología NDIR (infrarrojo no
dispersivo). El dióxido de carbono y otros gases
compuestos por dos o más átomos diferentes
absorben la radiación infrarroja (IR) de una forma
única y característica.
El aire se bombea lentamente a través de una
pequeña celda cilíndrica (Figura 22); la radiación
IR emitida por la fuente (F) se transmite a través
de la celda donde el CO2 del aire absorbe
radiación hasta el detector. Un filtro ubicado
delante del detector (D) deja pasar sólo la
longitud de onda de absorción de CO2. La
absorción de IR es proporcional al número de
moléculas de CO2 presente en la celda.
Figura 22. Componentes básicos de un analizador de gas por IR
(IRGA). Fuente de IR (F), celda de muestra, filtro y detector (D).
Figura 23. Sensor de CO2 con tecnología NDIR, instalado en
invernadero dentro de una caja de medición. Detalle del sensor.
20/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
21/29
Ejemplos de medida de CO2
Figura 25. Sensor de CO2 ubicado en el interior del invernadero.
Evolución a lo largo de un día de la concentración de CO2 (C) en el
aire de dos invernaderos con diferente estrategia de
enriquecimiento carbónico: Optimización dinámica y Referencia
(vinculada a la ventilación).
La medida de la concentración de CO2 en el aire en
el interior de los invernaderos con cultivos
hortícolas, realizada en diferentes estudios en el
IFAPA La Mojonera con sensores de tecnología NDIR,
ha permitido detectar situaciones de agotamiento
de CO2 en las que la concentración es inferior a la
del exterior (Figura 24) que afectan negativamente
a la actividad fotosintética de los cultivos y por
tanto limitan su producción por debajo de su
potencial
En otro estudio, sobre la aplicación de una
herramienta de gestión para la optimización
dinámica del aporte de CO2 en invernadero
mediterráneo (Convenio entre el IFAPA y Hortimax
Growing Solutions S.L., asociado al proyecto
AVA2019.039), se compara la evolución de la
concentración de CO2 en el aire resultante de
aplicar diferente estrategia de enriquecimiento
carbónico, instalados en una posición central del
invernadero y próximos a las hojas jóvenes con
mayor actividad fotosintética (Figura 25).
Figura 24. Concentración de CO2 en el interior de un invernadero con
cultivo desarrollado de pimiento, a lo largo de un día despejado a) y
un día nublado b). Rg representa la radiación solar exterior.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
7.- Medida del viento y la lluvia
7.1. Sensores de viento
7.1.1. Anemómetro. Mide velocidad de viento. El más usado, de cazoletas, está compuesto por un conjunto giratorio
formado por un eje y tres brazos con cazoletas adosadas, formando un ángulo de 120º entre sí. El número de
rotaciones es medido en metros y se divide entre el lapso de tiempo para dar un valor de velocidad. El sensor necesita
un mínimo de velocidad del viento para comenzar a funcionar (0,5 - 1 m/s). Las cazoletas giran en un eje vertical y
aceptan vientos de cualquier dirección excepto la del mástil. Las cazoletas tienden a sobreestimar la velocidad del
viento debido a su respuesta no lineal y por su sensibilidad parcial a la componente vertical del viento. Si bien con el
tiempo también pueden ver limitada su capacidad de giro por la acumulación de suciedad en los rodamientos.
El viento en el exterior de los invernaderos a menudo es responsable del deterioro
de las estructuras, como ventanas y sistemas de sombreado; los equipos de control
incorporan influencias de la velocidad y dirección del viento como medidas de
protección. También la detección de lluvia es importante en el control de la
ventilación, utilizada como alarma de protección para cerrar las ventanas en
presencia de lluvia, por lo que no se requiere medida de la precipitación (con
pluviómetro) sino su detección. Estos sensores generalmente forman parte de
estaciones meteorológicas compatibles con los controladores de clima.
7.1.2. Veleta. Mide la dirección del viento, mediante el ángulo que forma la dirección
del origen del viento desde el norte, a contar en el sentido de las agujas del reloj. Es un
sistema mecánico, perfectamente balanceado y paralelo al suelo.
7.2. Sensor de lluvia
En este el detector de lluvia al impactar las gotas se cierra un circuito electrónico
(normalmente una placa impresa de cobre) y genera una señal.
Figura 26. Estación meteorológica
Figura 27. Detector de lluvia.
22/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
8.- Sensores remotos
Hasta hace poco años, la recepción de los parámetros registrados por los sensores de clima se realizaba mediante su
conexión a un receptor a través de cableado eléctrico. En la actualidad y debido a la utilización masiva de internet se
ha desarrollado una serie de sensores climáticos inalámbricos o remotos. En este caso, los sensores emiten una señal
bien a un receptor o bien directamente a la nube, en ambos casos disponen de una tarjeta telefónica para poder emitir
la señal. En el caso de los sensores que emiten a un receptor, estos se deben instalar en un radio de unos 500 m. Para
la recepción de las señales de los sensores remotos, previamente se debe estar dado de alta en la compañía que
suministra el producto y se accederá a los datos mediante unas claves personalizadas, este servicio lo cobrará
anualmente la compañía.
La ventaja de los sensores inalámbricos es la no dependencia del estado del cableado eléctrico, sobre todo en
invernadero donde suele haber grandes distancias entre el sensor y el receptor de la señal y proliferan roedores que
deterioran el cableado. Otra de sus ventajas es la posibilidad del cambio de ubicación del sensor de una forma sencilla,
sin necesidad de ampliar el cableado.
Figura 28. Sensores remotos que emiten la señal directamente a la nube.
Figura 29. receptor de
la señal de sensores
remotos
23/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Para la emisión de la señal se requiere energía que puede ser suministrada mediante pilas convencionales (Tipo AA) o
bien mediante placas solares que alimentan baterías. Los sensores que utilizan pilas convencionales tienen la ventaja
de ser bastante ligeros y fáciles de trasladar y el inconveniente de tener que reponer la pila cada 3-4 meses
aproximadamente. Por el contrario los que utilizan placas solares tienen una mayor autonomía pero son más pesados y
su reubicación es un poco más complicada.
Los sensores inalámbricos pueden llegar a consistir en estaciones meteorológicas compactas que registran una amplia
gama de parámetros: temperatura, humedad, radiación solar, radiación PAR, concentración de CO2, lluvia y velocidad
de viento.
Otra de las ventajas es la visualización de los datos, ya que se puede acceder a través de cualquier dispositivo
conectado a internet.
Figura 30. Estación climática instalada en el interior del
invernadero con suministro de energía mediante un panel
solar fotovoltaico
Figura 31. Estación climática alimentada con pilas
Tipo AA que emite la señal de datos a un receptor
24/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Figura 32. Datos registrados por la estación climática instalada en el interior del invernadero con suministro de energía mediante un
panel solar fotovoltaico.
25/29
Este tipo de sensores se han utilizado dentro de la iniciativa FIWARE ZONE puesta en marcha de forma conjunta entre
la Junta de Andalucía y Telefónica. Dentro de las actividades realizadas se ha puesto en marcha dos Smart Agrolab en
los que ha participado IFAPA, concretamente estos sensores se han utilizado en el Smart Agrolab Almería para la
sensorización de los sistemas de cultivo hortícola bajo invernadero.
En la figura 32 se pueden observar los parámetros registrados por la estación climática con suministro de energía solar
fotovoltaica. Los datos se pueden registrar cada 15 minutos y son fácilmente exportables a una hoja de cálculo.
Proporcionan información sobre la radiación solar incidente sobre el dosel vegetal, la temperatura de punto de rocío
(línea azul) que cuanto más se aproxime a la temperatura del aire (línea roja) indicará mayor probabilidad de
condensación en la capa interna del plástico del invernadero. La temperatura de bulbo húmedo (línea morada) indica la
temperatura que habría en el invernadero al 100% de humedad relativa y el VPD (Déficit de Presión de Vapor) en verde
indica la demanda evaporativa del aire. Este tipo de estaciones tienen un precio elevado y se recomienda para
explotaciones de una extensión considerable y con alta tecnificación en cuanto al control del clima en su interior.
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
En la figura 33 se pueden observar los parámetros registrados por la estación climática con suministro de energía
mediante pilas tipo AA, este tipo de sensores tienen un precio mas bajo que los anteriores y permite poder instalar más
de uno, si bien la precisión en los registros es menor. Proporciona sobre todo una información gráfica de los parámetros
climáticos, en la figura se presenta el registro de la temperatura en el interior (naranja) y en el exterior (morado) del
invernadero, se puede observar la inversión térmica nocturna donde el aire está más frio en el interior que en el
exterior del invernadero, este fenómeno ocurre especialmente durante el invierno en noches despejadas. Son
recomendables para explotaciones de pequeño tamaño con baja tecnificación y proporcionan una información
orientativa de la evolución del clima en periodos diarios, semanales y mensuales.
Figura 33. Datos registrados por la estación climática instalada en el interior del invernadero con suministro de energía
mediante pilas tipo AA.
26/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
9.- Consideraciones prácticas
Además de una adecuada precisión en la medida de los sensores, su correcta
localización es fundamental para el control de clima y la eficiencia energética de
los sistemas aplicados.
La medida de radiación se realiza sobre una superficie horizontal. Es muy
importante asegurar la correcta colocación del sensor en dicho plano, para lo cual
algunos equipos disponen de una burbuja que indica la nivelación del sensor.
Normalmente se dispone de un único sensor por lo que su ubicación debe elegirse
con cautela. Lo ideal sería obtener datos de la radiación incidente sobre las
plantas dentro de los invernaderos, aunque generalmente se colocan en el
exterior. El sensor nunca debe estar sombreado, lo cual puede ocurrir
especialmente en invierno cuando la altura solar es baja. Por tanto, debe
instalarse alejado o por encima de cualquier estructura y obstáculo (incluido el
anemómetro que suele acompañarlo en las estaciones meteorológicas).
La medida de radiación en el interior del invernadero es complicada dada su
heterogeneidad, por efecto del sombreo de los diferentes elementos estructurales
y equipamiento del mismo. Los sensores de radiación lineales, como los tubos
solarímetros, promedian la medida en un área mayor que los sensores puntuales,
reduciendo en parte el error de muestreo.
El anemómetro y la veleta deben estar situados fuera del alcance de influencia
de obstáculos. El detector de lluvia requiere una colocación con ligera pendiente
para que el agua que incide en el sensor discurra fácilmente y caiga fuera.
Figura 34. Sensor de radiación
montado en una placa de
nivelación sobre el cultivo en el
interior de un invernadero.
Figura 35. Ubicación de una
estación meteorológica conectada
al controlador climático de
invernadero.
27/29
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Los sensores de temperatura y humedad deben estar protegidos de los rayos del sol y de excesivas turbulencias del
flujo de aire. Deben ubicarse en el interior de las llamadas cajas de medición, algunas están provistos de un ventilador
que proporciona el adecuado flujo del aire en torno al sensor.
Su localización debe ser en una zona representativa del espacio a controlar, evitando situarlas próximas a las tuberías
de calefacción, en un flujo de un ventilador o cerca de las ventanas. En cuanto a la altura, se recomienda su
colocación próxima a la zona de crecimiento de las plantas.
El sensor de CO2 no debe ubicarse cerca de una ventilación o conducto de escape. Debe muestrear el aire en el
entorno de las hojas jóvenes y por tanto más fotosintéticamente activas.
Figura 36. Diferentes tipos de protectores frente la incidencia de radiación para sensores de temperatura y humedad
28/29
Instituto de Investigación y Formación Agraria y Pesquera
Avenida de Grecia s/n
41012 Sevilla (Sevilla) España
Teléfonos: 954 994 595 Fax: 955 519 107
e-mail: [email protected]
www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/ifapa
Este trabajo ha sido cofinanciado al 80% por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional, dentro del Programa Operativo FEDER de Andalucía 2014-2020
www.juntadeandalucia.es/agriculturaypesca/ifapa/servifapa
Uso de Sensores de Clima
en Cultivos bajo Invernadero
Top Related