Sensor de umidade do solo, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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WELLINGTON ALVES DE FREITAS

DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM

DISPOSITIVO CAPACITIVO PARA MANEJO

DE IRRIGAÇÃO

LAVRAS - MG

WELLINGTON ALVES DE FREITAS

DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM DISPOSITIVO

CAPACITIVO PARA MANEJO DE IRRIGAÇÃO

Tese apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, área de concentração em Engenharia e Manejo de Irrigação, para a obtenção do título de Doutor.

Orientador Dr. Jacinto de Assunção Carvalho

LAVRAS - MG

WELLINGTON ALVES DE FREITAS

DESENVOLVIMENTO E AVALIAÇÃO DE UM DISPOSITIVO

CAPACITIVO PARA MANEJO DE IRRIGAÇÃO

Tese apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós- Graduação em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas, área de concentração em Engenharia e Manejo de Irrigação, para a obtenção do título de Doutor.

APROVADA em 28 de março de 2014.

Dr. Alberto Colombo UFLA

Dra. Fátima Conceição Rezende UFLA

Dr. Jarbas Honório de Miranda USP - ESALQ

Dr. Mozart Martins Ferreira UFLA

Dr. Jacinto de Assunção Carvalho Orientador

LAVRAS - MG 2014

AGRADECIMENTOS

Ao Soberano Deus, pela oportunidade de contemplar sua obra e por permitir o conhecimento de sua palavra proporcionando uma vida mais harmoniosa. Aos meus pais, em especial a minha mãe, pelo amor, confiança e apoio. As minhas queridas irmãs Elisângela, Edneide e Milene, pelo carinho e incentivo que sempre me deram. Ao professor Dr. Jacinto de Assunção Carvalho, pelo voto de confiança, por me orientar desde o curso de graduação favorecendo meu crescimento profissional e pessoal. Aos graduandos, Ewerton Ferreira Dilelis e Maria Eduarda Guarrido Viana, pela ajuda concedida nos experimentos de campo. Ao professor Dr. Marcelo de Oliveira Silva do DEX/UFLA, pela ajuda nas análises estatísticas. À Universidade Federal de Lavras e ao Departamento de Engenharia, pela oportunidade de realização deste trabalho. À CAPES, pela bolsa concedida.

Meus sinceros agradecimentos.

GENERAL ABSTRACT

The need to provide food for the population in quantity and quality compatible with the growing demand, has been exerting strong pressure on natural resources, among which soil and water are noteworthy. Considered as one of the leaders in agricultural exports, Brazil arouses the attention of the international community when it refers to the sustainable use of water resources. Irrigated agriculture is the major user in this area, and has been the target of criticism regarding the waste and the lack of water management in irrigation systems. This situation is exacerbated both by the lack of information from some farmers, as well as the cost of instruments and sensors for its management. The proposal of this work is to develop and evaluate a Capacitive Device (CD) capable of estimating soil moisture for irrigation scheduling purposes. Structurally, the work was developed in four stages and presented in four chapters. In chapter one the CD was developed, as a cylindrical capacitor with copper electrodes in which electrical signals were applied. We used scanning electron microscopy to determine the microstructure and the constituent elements of the dielectric material. The values of voltage output were related to the corresponding gravimetric moisture through the RC (Resistor-Capacitor) circuit. This procedure was performed using two different soils: dark red oxisol and yellowish oxisol. In Chapter two the CD was compared to Tensiometers (TS) in the management of irrigation during the growing of the romaine lettuce, which was subjected to low soil water tension. Chapter three analyzed the behavior of the CD compared to the Granular Matrix Sensors (GMS) throughout the growing cycle of corn. Chapter four was structured in a way to describe the behavior of the CD, using the Watermark ®^ reader. For this experiment, wheat plants were grown. In the last three chapters, the following were evaluated: the variation of the soil water tensions alongside the cycle of the crops (for all devices); the estimate of the quantity of water applied; the number of irrigations; the grain yield (wheat and corn); the commercial fresh mass; the total chlorophyll content (lettuce) and the efficiency of water use. Given these results, it is noted that the CD has good potential for irrigation management, however, it is recommended to analyze the feasibility of reusing both electrometric sensors, since over time, corrosion due to microbial activity affecting the readings of soil water tension can occur sharply on the metal surface of the electrodes.

Keywords: Soil moisture. Capacitance. RC circuit. Biocorrosion.

LISTA DE FIGURAS

CAPÍTULO 1

Figura 1 Matriz energética brasileira, ano 2010 ........................................... 25 Figura 2 Participação na produção nacional de cereais, leguminosas e oleaginosas, segundo as Grandes Regiões e Unidades da Federação ....................................................................................... 26 Figura 3 Demandas consuntivas dos recursos hídricos no Brasil em 2010 ................................................................................................ 29 Figura 4 Evolução da área irrigada no Brasil ............................................... 30 Figura 5 Agricultura irrigada no mundo e no Brasil ..................................... 30 Figura 6 Área irrigada nas diferentes regiões administrativas brasileiras .... 31 Figura 7 Áreas afetadas pela salinidade no distrito irrigado de Sinaloa, México............................................................................................ 32 Figura 8 Sonda de nêutrons instalada em uma bacia de calibração (a) e área cultivada com pimentão (b) .................................................... 38 Figura 9 Esquema de instalação da sonda e pontos de medição ................... 40 Figura 10 Sensor de matriz granular Watermark®^ .......................................... 41 Figura 11 Unidade de comunicação inteligente com SMG e dois termopares instalados em campo: plantio do algodão (a) e com cultivo de amendoim (b) ................................................................ 41 Figura 12 Molécula de água ........................................................................... 42 Figura 13 Representação esquemática da distribuição desordenada das moléculas dipolares de água (a) e após a polarização (b) num material dielétrico ........................................................................... 43 Figura 14 Variação da constante dielétrica em função da frequência de um campo elétrico alternado .......................................................... 44 Figura 15 Polarização eletrônica .................................................................... 45

Figura 30 Arranjo experimental. Gerador de sinais (a), cabo tipo PP com resistor (b), osciloscópio digital (c), dispositivo capacitivo (d) e recipiente contendo amostra de solo (e) ...................................... 62 Figura 31 Caracterização microestrutural do bloco de gesso ......................... 65

CAPÍTULO 2

Figura 1 Espectrofotômetro Beckman DU – 640B (a), aparato experimental utilizado no preparo das amostras (b) para determinação do teor de clorofila ................................................... 99 Figura 2 Representação esquemática da instalação dos tensiômetros ......... 100 Figura 3 Croqui da área experimental......................................................... 101 Figura 4 Área experimental. Início (a) e término aos 35 DAT (b) ............. 102 Figura 5 Desenvolvimento da alface romana com manejo da irrigação por meio de DC (a) e pelo TS (b) no final do experimento .......... 114

CAPÍTULO 3

Figura 1 Croqui da área experimental – casa de vegetação 01.................... 129 Figura 2 Croqui da área experimental – casa de vegetação 02 ................... 129 Figura 3 Fotos da área experimental durante a condução do experimento com a cultura do milho ................................................................. 131 Figura 4 Dispositivo capacitivo em contato com a matriz do solo ao término do experimento com a cultura do milho.......................... 151 Figura 5 Amostra de cilindro de cobre após término do experimento ........ 151 Figura 6 Amostras de cobre após 3 meses de exposição, submetida a 60 % de umidade do solo (a) e condição de saturação (b) .............. 152 Figura 7 Pontos de observação e análise nos cilindros de cobre após a condução do experimento............................................................. 153 Figura 8 Liga de Ni-Cu contendo Aeromonas salmonicida ........................ 154

Figura 2 Fotos da área experimental durante a condução do experimento

CAPÍTULO 2

Gráfico 1 Valores diários máximos, médios e mínimos da umidade relativa do ar registrado durante a condução do experimento ...... 106 Gráfico 2 Valores diários máximos, médios e mínimos da temperatura do ar registrado durante a condução do experimento ................... 107 Gráfico 3 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 15 kPa ...... 108 Gráfico 4 Comportamento da tensão de água no solo observado nos TS durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 15 kPa ...... 109 Gráfico 5 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 30 kPa ...... 110 Gráfico 6 Comportamento da tensão de água no solo observado nos TS durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 30 kPa ...... 111 Gráfico 7 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 60 kPa ...... 111 Gráfico 8 Comportamento da tensão de água no solo observado nos TS durante o ciclo da cultura da alface no tratamento de 60 kPa ...... 112 Gráfico 9 Número de irrigações registrado em função da tensão de água no solo e dispositivos ................................................................... 113 Gráfico 10 Massa fresca comercial da alface romana em função das diferentes tensões de água no solo ............................................... 115 Gráfico 11 Volume de água aplicado durante o ciclo da cultura da alface romana em função da tensão de água no solo .............................. 116

CAPÍTULO 3 Gráfico 1 Valores diários máximos, médios e mínimos da umidade relativa do ar registrados durante a condução do experimento .... 135

Gráfico 2 Valores diários máximos, médios e mínimos da temperatura do ar registrados durante a condução do experimento ................. 136 Gráfico 3 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 20 kPa ...... 137 Gráfico 4 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 20 kPa ................................................................................................ 137 Gráfico 5 Comparação entre as leituras médias dos DC e SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 20 kPa ...................... 138 Gráfico 6 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 40 kPa ...... 139 Gráfico 7 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 40 kPa ................................................................................................ 140 Gráfico 8 Comparação entre as leituras médias dos DC e SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 40 kPa ...................... 140 Gráfico 9 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 80 kPa ...... 141 Gráfico 10 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 80 kPa ................................................................................................ 142 Gráfico 11 Comparação entre as leituras médias dos DC e SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 80 kPa ...................... 142 Gráfico 12 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 120 kPa .... 143 Gráfico 13 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do milho no tratamento de 120 kPa ................................................................................................ 143

Gráfico 6 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 20 kPa ................................................................................................ 182 Gráfico 7 Comportamento das leituras médias observado nos DC e SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 20 kPa ........ 183 Gráfico 8 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 40 kPa ........ 184 Gráfico 9 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 40 kPa ................................................................................................ 184 Gráfico 10 Comportamento das leituras médias observado nos DC e SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 40 kPa ........ 185 Gráfico 11 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 80 kPa ........ 185 Gráfico 12 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 80 kPa ................................................................................................ 186 Gráfico 13 Comportamento das leituras médias observado nos DC e SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 80 kPa ........ 187 Gráfico 14 Comportamento da tensão de água no solo observado nos DC durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 140 kPa ...... 187 Gráfico 15 Comportamento da tensão de água no solo observado nos SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 140 kPa ................................................................................................ 188 Gráfico 16 Comportamento das leituras médias observado nos DC e SMG durante o ciclo da cultura do trigo no tratamento de 140 kPa ...... 189

Gráfico 17 Número de irrigações registrado durante a condução do experimento para cada tratamento de tensão de água no solo e dispositivo .................................................................................... 190 Gráfico 18 Volume de água aplicado durante a condução do experimento para cada tratamento de tensão de água no solo e dispositivo ..... 191 Gráfico 19 Eficiência do uso da água pela cultura do trigo em função dos tratamentos de tensão de água no solo ......................................... 194

Tabela 2 Resultado da análise química do LVd da área experimental ............. 168 Tabela 3 Pontos da curva característica de retenção de água do solo da área experimental ...................................................................................... 169 Tabela 4 Volume de água aplicado durante a condução do experimento para os diferentes tratamentos de tensão de água no solo e dispositivo ......................................................................................... 191 Tabela 5 Resumo da análise de variância: produtividade de grãos, número de grãos por espiga, massa seca da parte aérea e eficiência de uso da água em função dos tratamentos de tensão de água no solo e dos dispositivos utilizados no manejo da irrigação ........................... 192

SUMÁRIO

• Figura 9 Indícios de formação de biofilme no cilindro de cobre
• CAPÍTULO
• Figura 1 Croqui da área experimental.........................................................
  • com a cultura do trigo...................................................................
  • CAPÍTULO 1 Introdução Geral
• 1 INTRODUÇÃO
• 2 REFERENCIAL TEÓRICO
• 2.1 Agricultura Brasileira
• 2.2 Irrigação no Brasil
• 2.3 Manejo da irrigação
• 2.4 Umidade do solo
• 2.5 Métodos de determinação da umidade do solo
• 2.6 Sensores Capacitivos
• 3 MATERIAL E MÉTODOS
• 3.1 Construção do dispositivo capacitivo
• 3.2 Calibração dos dispositivos capacitivos
• 3.2.1 Solos utilizados para calibração
• 3.2.2 Correlação tensão elétrica de saída x umidade do solo
• 3.2.3 Correlação capacitância x umidade do solo
• 3.2.4 Avaliações
• 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
• 4.1 Caracterização química e microestrututal do bloco de gesso
• 4.2 Correlação tensão elétrica de saída x umidade do solo
• 4.3 Correlação capacitância x umidade do solo
• 5 CONCLUSÕES
  • REFERÊNCIAS
  • tensiômetro, para monitoramento da umidade do solo CAPÍTULO 2 Comparação de dispositivo capacitivo e
• 1 INTRODUÇÃO
• 2 REFERENCIAL TEÓRICO
• 3 MATERIAL E MÉTODOS
• 3.1 Adubação
• 3.2 Teor de clorofila total
• 3.3 Construção e instalação dos tensiômetros
• 3.4 Delineamento experimental
• 3.5 Sistema de irrigação
• 3.6 Instalação do experimento
• 3.7 Transplantio e manejo inicial
• 3.8 Manejo da irrigação
• 3.9 Cultivar de alface
• 3.10 Práticas culturais
• 3.11 Controle fitossanitário e adubação
• 3.12 Avaliações