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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.11.2013.tde-13022014-083519
Documento
Autor
Nome completo
Conan Ayade Salvador
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Piracicaba, 2013
Orientador
Banca examinadora
Botrel, Tarlei Arriel (Presidente)
Duarte, Sergio Nascimento
Kamogawa, Marcos Yassuo
Paterniani, Jose Euclides Stipp
Silva, Leonardo Duarte Batista da
Título em português
Desenvolvimento e avaliação de um sistema de controle de nitrato em soluções nutritivas
Palavras-chave em português
Automação
Controlador eletrônico
Eletrodo de íon específico
Fertirrigação
Hidroponia
Inovação Tecnológica
Resumo em português
O crescimento populacional e a consequente demanda adicional de alimentos exigem uma agricultura cada vez mais intensa e tecnificada. Essa conjuntura tem contribuído para se buscar a maximização do rendimento das culturas, além da otimização do uso de recursos, em especial, fertilizantes e água. Nos sistemas que aplicam a fertirrigação, como é o caso do cultivo hidropônico, realizam-se o manejo químico da solução nutritiva mediante monitoramento da concentração salina com condutivímetro portátil. Essa prática comum entre os produtores pode ocasionar desequilíbrios nutricionais, tendo em vista que a leitura fornecida por esse aparelho não distingue os nutrientes especificamente. Contudo, o desenvolvimento e a disponibilização de novos sensores, como os eletrodos de íon específico, permite explorar novas estratégias de monitoramento e controle de nutrientes em soluções. Diante do exposto, o objetivo desse trabalho foi desenvolver e avaliar um sistema eletrônico de controle automático da concentração de nitrato em solução nutritiva por meio de um sensor de íon seletivo. O sistema desenvolvido constou, basicamente, de um Sistema de Aquisição, Processamento e Acionamento (SIAPEA), o qual realizava o processamento do sinal de sensores e o acionamento de atuadores (válvulas solenoides); um sensor seletivo a íons de nitrato; um sensor de pH; e, um sistema de injeção de solução concentrada comandada por pulsos elétricos enviados pelo SIAPEA. Além da comunicação com computador, via serial RS-232, o SIAPEA possuía uma interface amigável com o usuário, por meio de LCD, para exibição dos resultados, e botões de navegação. Assim, possibilitava-se ao usuário alterar a concentração de ajuste desejada para a solução nutritiva. Construiu-se uma bancada hidropônica para os testes do sistema, com quatro perfis, um reservatório de 120 L e bombas para circulação da solução, sendo que, para a inserção do sensor de nitrato na bancada, montou-se uma unidade de leitura. O ajuste automático da concentração da solução foi baseado em uma lógica de controle proporcional, a qual é fundamentada na diferença entre as entradas e saídas do controlador, sendo que cada ciclo de ação do controlador (medição da concentração da solução nutritiva e injeção de solução concentrada) tinha uma duração de 20 s. O valor inicial de concentração de nitrato na solução nutritiva era cerca de 524 mg L-1, sob vazão constante de 0,1 L s-1, injetando-se solução concentrada de nitrato de potássio de 30000 mg L-1 na tubulação de retorno, próximo ao reservatório, e realizando a medição à jusante do bombeamento. Realizaram-se ensaios para valores finais da concentração de 780, 1002 e 1445 mg L-1, sendo coletadas amostras de 15 mL em tempos definidos, para se determinar a concentração de nitrato no espectrofotômetro. Os resultados obtidos comprovaram a eficiência da lógica de controle aplicada na automação, além do desempenho satisfatório do sistema em manter a concentração do nitrato no intervalo desejado. Para aquelas concentrações finais desejadas os tempos requeridos pelo sistema para os respectivos ajustes foram cerca de 12, 22 e 35 min, após o início dos testes.
Título em inglês
Development and evaluation of a system to control nitrate in nutrient solutions
Palavras-chave em inglês
Automation
Electronic control
Fertigation
Hydroponics
Specific ion electrode
Technology Innovation
Resumo em inglês
The population growth and the consequent demand for food require an increasingly intensive and technified agriculture. This scenario has contributed to find the maximization of crop yield, besides the optimization of the use of the resources, as water and fertilizers. In the systems which apply fertigation, as in the case of hydroponic, the chemical management of the nutrient solution is done by monitoring the salinity with portable conductivity meters. Although it is a common practice among farmers, it can cause nutritional imbalances, considering that the reading provided by this device does not distinguish specific nutrients. Nevertheless, the development and availability of new sensors, such as specific ion electrodes, allows exploring new strategies for monitoring and control nutrient solutions. Given the above, the objective of this study was to develop and evaluate an electronic automatic control of nitrate concentration in nutrient solution by means of an ion-selective sensor. The developed system consisted basically of a System for Acquisition, Processing and Actuation (SIAPEA), which performed the signal processing sensors and drive actuators (solenoid valves); ion-selective nitrate sensor; pH sensor; and a system to inject concentrated solution commanded by electrical pulses sent by SIAPEA. Besides communication with computer via serial RS-232, the SIAPEA had a user-friendly interface through LCD to display the results, and navigation buttons. Thus, the user was enabled to change the concentration of desired adjustment to the nutrient solution. A hydroponic bench was constructed to test the system, with four flat bottomed gently sloped channels, a 120 L reservoir and pumps to circulate solution, and, for the insertion of the nitrate sensor on the bench, a reading unit was mounted. The automatic adjustment of the concentration of the solution was based on a proportional control logic, which is based on the difference between the inputs and outputs of the controller, with each cycle controller action (measurement of nutrient solution concentration and injection of concentrated solution) had 20 s of duration. The initial concentration of nitrate in the nutrient solution was about 524 mg L-1 under a constant flow of 0.1 L s-1, injecting concentrated solution of potassium nitrate to 30,000 mg L-1 in the return pipe, near the reservoir, and performing the measurement downstream of the pumping. Assays were performed for different final values of concentration of 780, 1002 and 1445 mg L-1, collecting samples of 15 mL at defined times to determine the concentration of nitrate in a spectrophotometer. The results proved the efficiency of the logic of control applied in automation, beyond the proper performance of the system to maintain the concentration of nitrate in the desired range. For those desired final concentrations, the times required by the system for the respective adjustments were approximately 12, 22 and 35 min after the start of the tests.
 
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Data de Publicação
2014-02-27
 
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