Por qué no funciona pintar y calibrar el sensor de humedad de las hojas

Why painting and calibrating your leaf wetness sensor won’t work

En todo momento, cuando la humedad relativa de la superficie del sensor (HRs) es superior al 90%, se registra un falso positivo en los sensores de humedad de las hojas pintadas.

COLABORADORES

Un conjunto significativo de investigaciones realizadas por líderes en la investigación de la humedad de las hojas y las enfermedades de las plantas sugiere que debe pintar y calibrar los sensores de humedad de las hojas para obtener mediciones precisas (por ejemplo, Gillespie y Duan, 1987; Lau et al., 2000; Sentelhas et al., 2004).

Con el sensor de humedad de hojas de rejilla de resistencia estándar, la humedad sólo se detecta cuando las gotas de agua son lo suficientemente grandes como para salvar el espacio entre dos dedos de la rejilla y reducir la resistencia efectiva. Los investigadores reconocieron este hecho hace tiempo e intentaron idear métodos que permitieran a los sensores detectar las pequeñas gotas de agua típicas de la aparición del rocío. Los métodos iban desde colocar tela encima del sensor hasta el método estándar actual: pintar la superficie del sensor con pintura de látex. En lugar de que el agua puentee las trazas, la resistencia de la pintura de látex cambia cuando se moja, lo que modifica la salida de la sonda.

El método de la pintura produce falsos positivos

Sin embargo, este método tiene un gran defecto que muchos investigadores desconocen. Para que la pintura de látex absorba agua y consiga un cambio de resistencia, tiene que ser de naturaleza higroscópica. Como ocurre con la mayoría de los materiales higroscópicos, la pintura de látex es indiferente al estado en que se encuentre el agua y absorberá el vapor de agua con la misma facilidad que el agua líquida. Gillespie y Duan (1987) y Sentelhas et al. (2004) sugirieron que este efecto puede minimizarse horneando la pintura de látex para eliminar algunos de los elementos higroscópicos, haciendo que el sensor sea menos sensible al vapor de agua. Sin embargo, ni siquiera este protocolo especializado elimina por completo los efectos del vapor de agua.

Recogimos datos de campo con un sensor de humedad foliar de rejilla de resistencia estándar pintado con pintura de látex y horneado según Gillespie y Duan (1987). La temperatura del aire y la humedad relativa (HR) se midieron junto al sensor de humedad de la hoja, y la temperatura del propio sensor de humedad de la hoja se midió con un termopar de alambre fino para permitir el cálculo de la humedad relativa de la superficie del sensor (HRs). La figura 1 muestra la resistencia del sensor en función de la HR. Con este sensor en particular, la resistencia en seco es de unos 7000 kΩ, y cualquier resistencia inferior a ese valor de referencia se consideraría generalmente indicativa de un sensor húmedo. El gráfico muestra claramente que incluso el sensor cuidadosamente tratado y horneado empieza a dar falsos positivos por encima del 70% de humedad relativa. De hecho, de la figura 1 se desprende que en todo momento en que la HR supera el 90%, la sonda pintada registra un falso positivo.

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
Figura 1. Resistencia de la rejilla de un sensor de humedad foliar de tipo de resistencia horneada pintado en función de la humedad relativa (HR) de la superficie del sensor. Los datos se recogieron durante un periodo de 60 días en verano y otoño de 2005. Los periodos durante y después de los eventos de lluvia y rocío se eliminaron cuidadosamente del conjunto de datos, por lo que cualquier resistencia inferior al nivel de referencia de 7000 kΩ son falsos eventos de agua líquida.

Algunos investigadores combaten los efectos higroscópicos que se aprecian en la Figura 1 calibrando individualmente cada sensor pintado. Un método de calibración habitual consiste en sellar cada sensor en un recipiente isotérmico sobre un charco de agua y registrar la resistencia del sensor en equilibrio en las condiciones de humedad relativa del 100% resultantes. Este valor se toma como nuevo valor de referencia. Como cabe imaginar, se trata de una actividad tediosa y que requiere mucho tiempo.

Un nuevo método elimina la necesidad de pintar o calibrar

Un sensor de humedad de las hojas desarrollado recientemente (PHYTOS 31, METER) utiliza un método diferente para medir la humedad de la superficie. En lugar de medir la resistencia entre los dedos de la rejilla metálica, el sensor mide la constante dieléctrica de la superficie del sensor. Con el método dieléctrico, no es necesario que las gotas sean lo suficientemente grandes como para puentear las trazas adyacentes, por lo que se mide cualquier cantidad de agua líquida en la superficie de la sonda, independientemente del tamaño de la gota. Esto elimina la necesidad de pintar el sensor.

Pruebas exhaustivas han demostrado que no se producen efectos higroscópicos por debajo del 98,5% de HR y que los valores entre el 98,5% y la saturación no son lo suficientemente elevados como para registrarse como falsos positivos. Los sensores dieléctricos de humedad de la hoja también se ajustan individualmente antes de salir de fábrica para que cada sensor lea exactamente lo mismo, eliminando así cualquier necesidad de calibración por parte del usuario. Las figuras 2 y 3 muestran los datos recogidos con un sensor de rejilla de resistencia pintada y un sensor dieléctrico de humedad de la hoja, respectivamente, durante el inicio de un evento típico de rocío nocturno. De la Figura 2 se desprende que la respuesta higroscópica del sensor pintado puede dar lugar a una sobreestimación significativa de la duración de la humedad de la hoja (en este caso, más de 1,5 horas) si el sensor no se calibra individualmente después de pintarlo. La figura 3 muestra datos del mismo evento de rocío recogidos con un sensor dieléctrico de humedad de la hoja sin pintura ni calibración por parte del usuario. El sensor dieléctrico de humedad de la hoja subestima la duración de la humedad de la hoja en cinco minutos.

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Figura 2. Resistencia de la rejilla y humedad relativa de la superficie de un sensor de humedad de hojas de rejilla de resistencia horneada y pintada durante la aparición del rocío vespertino. La línea horizontal discontinua indica la resistencia en seco del sensor, y cualquier valor inferior a ese umbral indica humedad superficial. La línea vertical continua indica el momento en el que hay un 100% de HR y en el que el rocío empieza a formarse en la superficie del sensor. La zona gris entre las líneas verticales discontinuas y continuas indica el tiempo durante el cual el sensor de cuadrícula indica la presencia de agua líquida (humedad en la superficie), pero no hay humedad.
A graph showing sensor output and surface relative humidity of an out-of-the-box dielectric leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Figura 3. Salida del sensor y humedad relativa de la superficie de un sensor dieléctrico de humedad de hojas listo para usar durante la aparición del rocío vespertino. La línea horizontal discontinua indica la salida de base seca del sensor, y cualquier valor superior a ese umbral indica humedad superficial. La línea vertical continua indica el momento en el que hay un 100% de HR y en el que el rocío empieza a formarse en la superficie del sensor. La zona gris entre las líneas verticales discontinuas y continuas indica el tiempo durante el cual el sensor dieléctrico indica la presencia de agua líquida (humedad superficial), pero no hay nada.

Los datos presentados anteriormente constituyen un argumento convincente de que el nuevo sensor dieléctrico de humedad de la hoja proporcionará resultados más precisos que un sensor de humedad de la hoja de rejilla de resistencia sin pintar o pintado y sin calibrar, sin ninguna de las molestias de pintado y horneado o calibración individual.

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Referencias

Gillespie, T. J., y R-X. Duan. "A comparison of cylindrical and flat plate sensors for surface wetness duration". Agricultural and Forest Meteorology 40, no. 1 (1987): 61-70. Enlace del artículo.

Lau, Yewah F., Mark L. Gleason, Narjess Zriba, S. Elwynn Taylor y Paul N. Hinz. "Efectos del recubrimiento, el ángulo de despliegue y la orientación de la brújula en el rendimiento de los sensores electrónicos de humedad durante los períodos de rocío". Plant Disease 84, no. 2 (2000): 192-197. Enlace al artículo (acceso abierto).

Sentelhas, P. C., J. E. B. A. Monteiro, y T. J. Gillespie. "Sensor electrónico de la duración de la humedad de las hojas: por qué hay que pintarlo". Revista Internacional de Biometeorología 48, no. 4 (2004): 202-205. Enlace del artículo.

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