- Associação Brasileira de Horticultura

Uso de Controladores Automáticos de Irrigação na Aplicação da Tensiometria
Irrigas.
Adonai Gimenez Calbo1; Waldir Aparecido Marouelli1; Henoque Ribeiro da Silva1
Embrapa-Hortaliças, Caixa Postal 218, Brasília, DF, 70359-970. E-mail: [email protected]
1
RESUMO
O sensor Irrigas está disponível em algumas tensões críticas para o manejo da irrigação de
diferentes culturas, através de um simples teste de permeabilidade ao ar. Sensores Irrigas mais
uma fonte de gás sob pressão permitem fazer o manejo automatizado da irrigação com ou sem o
uso de energia elétrica. Quando requerido, a leitura contínua da tensão da água no solo, usando o
Irrigas, pode ser efetuada pela chamada tensiometria gasosa que faz uso da expressão T=P-Pb,
onde T é a tensão da água no solo, P é a pressão de gás aplicada e Pb é a pressão de
borbulhamento ou tensão crítica da cápsula porosa do Irrigas. Neste trabalho descrevem-se dois
controladores com e sem energia elétrica para aplicar a automatização da irrigação utilizando-se o
princípio da tensiometria gasosa. Para automatização utilizando-se eletricidade, fez-se uso de uma
válvula solenóide, enquanto no sistema sem eletricidade a válvula diferencial recebeu um
dispositivo magnético. Esta nova opção de automatização é, presumivelmente, superior aos
controladores tensiométricos atualmente utilizados, porque o Irrigas é o sensor de tensão de água
mais robusto disponível no mercado.
Palavras-chave: ar comprimido, eletricidade, pressostato, substrato, tensiômetro, tensiostato.
ABSTRACT
Automatic irrigation controllers using Irrigas gaseous tensiometry.
Irrigas sensor is presently available in a few critical soil-water tensions for irrigation handling of
several crops through a simple air permeability test. Automation is an additional feature that can be
added, even without the availability of electricity, if compressed air is available. For continuous soilwater tension monitoring, Irrigas can be applied in the gaseous tensiometric mode using the
expression T=P-Pb, where T is the soil-water tension, P is the applied gas pressure and Pb is the
porous cup air-entry pressure, with absolute value equal to the porous cup critical soil-water tension.
In this article two automatic irrigation controllers are described to operate with a gas pressure
adjusting device which enables the use of Irrigas gaseous tensiometry for irrigation management.
1
The electrical controller is designed to operate with electricity driven systems while the second
differential controllers is designed to operate with magnetic devices. Solenoid valves are electrical
controllers which are energized to control ON and OFF water flow, whereas the magnetic valve
operates ON and OFF to control irrigation water supply without electric energy. These automation
choices are, presumably, superior to currently used tensiostats, because Irrigas is the most robust
soil-water tension sensor available in the market.
Keywords: compressed air, electricity, pressostat, substratum, tensiometer, tensiostat.
O Irrigas é um sensor de tensão da água no solo para o sistema gasoso de manejo de
irrigação recentemente patenteado pela Embrapa (Calbo, 2000). Neste sistema gasoso uma
cápsula porosa com tensão crítica apropriada é instalada na profundidade das raízes próximo à
planta. À medida que o solo seca a tensão da água aumenta e eventualmente fica maior que a
tensão crítica do Irrigas. Nessa condição, a cápsula porosa do Irrigas se torna permeável ao ar e
através de testes simples, de permeação por pressurização do ar, verifica-se que é chegado o
momento adequado da irrigação (Calbo & Silva, 2001).
Atualmente o Irrigas está disponível em diversas versões com tensões críticas (10, 25 e 40
kPa) para atender a maioria das aplicações agrícolas. Como a tensão critica é, em módulo igual a
pressão de borbulhamento das cápsulas porosas, pode-se também montar Irrigas de outras
tensões com cápsulas porosas especiais, embora de custo mais elevado.
Um novo avanço no uso do sistema gasoso de controle de irrigação foi o desenvolvimento
da tensiômetria a gás (Calbo & Silva, 2003), para medir de forma contínua a tensão da água no
solo e em outros meios. Em tese, dependendo do tipo de instrumento, a faixa de tensão medida
por um tensiômetro a gás é entre zero e a tensão crítica da cápsula porosa do Irrigas. Em outras
palavras, o tensiômetro a gás, diferentemente dos tensiômetros comuns, contendo água em sua
cavidade, pode ser usado para tensões superiores a 100 kPa, bastando para isto empregar
cápsulas porosas com pressão de borbulhamento (tensão crítica) maiores do que 100 kPa, já
disponíveis no mercado.
Por enquanto, a maior dificuldade é obter Irrigas com tensão crítica menor que 10 kPa.
Marouelli et al. (2003) obtiveram bons resultados no manejo da irrigação de hortaliças cultivadas
em substratos com o uso de Irrigas com cápsulas porosas experimentais de 7 kPa. Essas
cápsulas, no entanto, eram mecanicamente muito frágeis e serviram apenas para finalidades
experimentais. Com base na teoria da tensiometria a gás, Calbo & Silva (2004) descrevem um
procedimento aproximado no qual se usa o Irrigas de 10 kPa e uma cuba de 50 cm de
2
profundidade para controlar a irrigação entre 5 e 10 kPa. A automatização do processo poderá
facilitar o manejo da irrigação em condições onde as irrigações são realizadas em regime de alta
freqüência, como é o caso do cultivo em substratos ou outros meios que retêm volume reduzido de
água. Neste trabalho descrevem-se controladores diferenciais para aplicação da tensiometria
Irrigas no manejo da irrigação automatizado, com e sem o uso de energia elétrica.
MATERIAL E MÉTODOS
Controlador diferencial elétrico para irrigação O controlador (Fig. 1) foi desenvolvido para promover a
irrigação quando a tensão da água no substrato elevar-se
acima de um valor pré-especificado. A válvula diferencial
de pressão ligada ao tubo flexível do Irrigas é constituída
de duas câmaras separadas por uma membrana flexível.
Estas duas câmaras são alimentadas por uma fonte de ar
sob pressão ajustada, através de capilares, cujo fluxo
potencial medido a 70% da tensão crítica da cápsula
porosa do Irrigas (Pb) é de no máximo 20 ml/min. Em
substrato seco a cápsula porosa fica permeável ao ar, e
desse modo a pressão na câmara de medição fica menor
que
a
pressão
na
câmara
de
referência.
Em
conseqüência, a membrana flexível pressiona o contator
contra os eletrodos causando o fechamento do circuito
elétrico. Neste instante ocorre a abertura da válvula
solenóide e a passagem de água para irrigação.
Conforme a irrigação é aplicada a água se redistribui no substrato até atingir a cápsula
porosa do Irrigas. Umedecida, a cápsula se torna impermeável ao ar que entra pelo capilar e, em
conseqüência, aumenta a pressão na câmara de medição até esta se tornar igual àquela da
câmara de referência. A força exercida pela membrana flexível, então, diminui para zero, abrindo o
circuito elétrico e interrompendo a irrigação.
Ajuste da tensão da água A tensão da água na qual a irrigação é iniciada foi determinada pelo método de tensiometria a gás
3
(Calbo & Silva, 2003) utilizando-se a expressão:
T = P – Pb
Eq. 1
Onde T é a tensão da água no solo, P é a pressão de ar ajustada e Pb é a tensão crítica da
cápsula porosa do Irrigas.
Controlador diferencial magnético Para aplicações sem uso da energia elétrica, o controlador da Fig. 1 foi modificado com a
substituição do contator por um imã fixado à membrana e dos eletrodos por uma válvula
magnética, que abrem dando passagem para água de irrigação (Fig. 2).
A válvula diferencial de pressão ligada ao tubo
flexível do Irrigas também é constituída de duas
câmaras separadas por uma membrana flexível. Estas
duas câmaras são alimentadas por uma fonte de
pressão ajustada (cilindro de ar comprimido), através
de capilares com fluxo potencial menor que 20 ml/min a
0,7 Pb. Com a cápsula porosa do Irrigas em substrato
seco, a pressão na câmara de referência se torna
maior que a pressão na câmara de medição, fazendo
com que o imã se aproxima da válvula magnética, que
sob a ação do campo magnético abre a passagem de
água para irrigação.
A irrigação é finalizada quando a redistribuição
da umidade no solo impregna a cápsula porosa do
Irrigas, tornando-a impermeável ao ar. Desse modo se
acumula na câmara de medição fazendo com que o
imã se afaste da válvula magnética, interrompendo a
passagem da água de irrigação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Ajuste da tensão de irrigação O ajuste da tensão de irrigação, no sistema gasoso de tensiometria Irrigas, é realizado no
regulador de pressão (Fig. 1,2). Para operação no modo diferencial, a pressão de ar aplicada na
4
cápsula porosa deve ser igual ou menor que 0,7 Pb. A razão disto é o fenômeno da histerese, isto
é, a pressão de ar para iniciar a permeação de uma cápsula porosa é maior que a pressão do ar
em que a permeação do gás é obliterada pelo enchimento dos poros com a água. Usando-se
pressões maiores que 0,7 Pb poderá ocorrer mau funcionamento, ou seja, a pressão na câmara de
medição poderá não voltar a se aproximar da pressão na câmara de referência, o que é necessário
para terminar a irrigação.
Capilares O sistema de capilares possibilita que uma única fonte de pressão ajustada de ar seja utilizada
para alimentar um número indeterminado de válvulas pressostáticas. A montagem deste sistema
pode ser feita com capilares de vidro, que não deformam nem se oxidam, ou de outros de
materiais como tubos de cobre e fio flexível (multifio) que são menos estáveis, porém não quebram
e são mais práticos. No ajuste dos fluxos erros da ordem de 20% são aceitáveis. O uso de
registros de agulha para o ajuste do fluxo de ar não é recomendado, em razão da facilidade com
que podem ser, não intencionalmente, desajustados.
A velocidade de resposta das válvulas diferenciais aumenta com o fluxo potencial de ar
através dos capilares. Porém, capilares de fluxo muito elevado não devem ser usados por
causarem pelo menos dois problemas: Primeiro, o gradiente de pressão formado entre a câmara
de referência e a câmara de medição diminui com o aumento do fluxo de ar de modo que se o
fluxo de ar empregado for muito alto não se consegue o ajuste de irrigação. Segundo, com o uso
de fluxo de ar muito elevado consome o gás comprimido do cilindro rapidamente. O consumo de
gás é irrelevante quando se usa um compressor de ar.
Para cápsulas porosas de 10 a 25 kPa um fluxo de ar potencial da ordem de 10 ml/min é
adequado. Para maior praticidade todos os capilares empregados no sistema devem ser
padronizados. Com o uso de ar seco e limpo dificilmente ocorre entupimento de capilares. No caso
de testes rápidos de borbulhamento, para verificar se os capilares estão entupidos ou com fluxo
excessivo, nunca coloque a ponta do capilar em água. Isto poderá deixá-lo obstruído por um longo
tempo, podendo, contudo, ser desentupido com ar sob alta pressão.
Velocidade de resposta A velocidade de resposta das válvulas diferenciais é tanto: a) menor quanto maior for a pressão
ajustada, visto que o ar é compressível; b) maior quanto menor o volume das câmaras de
referência e de controle; c) tanto maior quanto maior for o fluxo de ar potencial e d) maior quanto
menor a variação de volume de ar causado pela movimentação da membrana entre as câmaras
de referência e de medida.
Sensibilidade da válvula diferencial 5
O manejo da irrigação em substratos mantidos sob baixa tensão de água (e.g. 5 kPa) requer o uso
de válvulas mais sensíveis, enquanto para tensões maiores (e.g. 80 kPa) válvulas menos sensíveis
podem ser utilizadas. Esta sensibilidade não deve ser excessiva para evitar que vibrações ou leves
movimentos causem acionamento transitório da irrigação. Por outro lado, a sensibilidade será
grosseira se para o acionamento a válvulas requer redução de pressão acima de 5% de Pb.
A força exercida pela membrana entre as duas câmaras, para atuar sobre o contator (Fig. 1)
ou para movimentar o imã (Fig. 2), é proporcional à diferença de pressão e proporcional à área da
membrana. As válvulas pressostáticas construídas com diâmetro de 10 cm tiveram sensibilidade
de 0,1 kPa para o modelo elétrico e de 1,0 kPa para o modelo magnético.
Robustez e aplicações A possibilidade de manter o Irrigas praticamente sem manutenção, a diminuta troca de água para
este sensor fazer as medidas, e o fato de fazer medição direta de tensão de água são pontos
fortes que justificam o emprego do Irrigas em sistemas de automatização de irrigação. A aplicação
dos princípios de tensiometria a gás aumenta a flexibilidade do Irrigas. Uma aplicação particular em
que o uso de tensiometria a gás apresenta grande potencial é para o manejo de irrigação de
plantas cultivadas em substratos, onde as irrigações devem ser realizadas para tensões entre 5 e 7
kPa. Assim sendo, a partir de um Irrigas de 10 kPa pode-se fazer o ajuste de tensão da água nos
níveis interessantes para esta aplicação. Outras aplicações particularmente valiosas do sistema
seria para o manejo de irrigação controlada sob tensões superiores a 80 kPa, nas quais os
tensiostatos ou tensiômetros comuns não funcionam.
Possibilidades de aperfeiçoamento A forma de automatização apresentada neste trabalho é uma maneira muito simples de aplicar a
tensiometria gasosa para ajustar a tensão da água no solo e automatizar a irrigação. Certamente a
tensiometria gasosa oferece outras possibilidades ainda inexploradas, como por exemplo, a
operação com a cápsula porosa constantemente atravessada por um fluxo de ar, o que eliminaria
a preocupação com o fenômeno da histerese. Desse modo, ajustar-se-ia a tensão da água não só
entre zero e 0,7 Pb, mas na faixa completa, entre zero e Pb como descrito no tensiômetro a gás
(Calbo & Silva, 2003). Este tipo de sistema, no entanto ainda não foi desenvolvido, de modo que
não sabemos se será tão simples e tão efetivo quanto o sistema diferencial aqui descrito.
LITERATURA CITADA
6
CALBO, A.G. Sistema de controle gasoso de irrigação baseado na determinação de umidade
do solo por meio de capsulas porosas. 2000. BR PI 0004264-1
CALBO, A.G.; SILVA, W.L.C. Irrigas: novo sistema para o controle da irrigação. In:
CONGRESSO NACIONAL DE IRRIGAÇÃO E DRENAGEM, 11., 2001, Fortaleza. Anais...
Fortaleza: ABID, p.177-182 , 2001.
CALBO, A.G.; SILVA, W.L.C. Novo tensiômetro – rápido, contínuo e opera em tensões
superiores a 100 kPa. 32° Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, Goiânia – GO, 28 de
julho a 01 de agosto de 2003. Cd-Rom.
MAROUELLI, W.A.; CALBO, A.G.; CARRIJO, O.A. Viabilidade do uso de sensores do tipo Irrigas®
para o manejo da irrigação de hortaliças cultivadas em substratos. Horticultura Brasileira,
Brasília, v.21, n.2, p. 286, 2003.
SILVA, W.L.C.; CALBO, A. G. Nova alternativa para a irrigação do tomateiro em solo e em
substrato. In: WORKSHOP TOMATE NA UNICAMP, 2003, Campinas. Anais... Campinas:
Unicamp: Faculdade de Engenharia Agrícola, 2003. CD-Rom.
7