Sensor de CO2 innovador para la salud del suelo en invierno

Los niveles de dióxido de carbono (CO2) debajo del suelo son clave para la salud de las plantas, especialmente para los pastos en regiones frías donde el hielo puede cubrir el suelo en invierno. Cuando se forma hielo, el CO2 puede acumularse y volverse dañino, llevando a la muerte del pasto durante el invierno. Desafortunadamente, no hay suficiente información disponible sobre este problema porque no hay muchos Sensores confiables que se puedan usar en estos entornos. La mayoría de los sensores de CO2 disponibles no son lo suficientemente resistentes para aguantar las duras condiciones invernales. Las únicas opciones actuales son muestreadores automáticos caros o muestreo manual, que resulta costoso y requiere mucho trabajo.

Para abordar esto, hemos tomado un tipo común de sensor de CO2 y lo hemos modificado para que soporte condiciones frías y heladas. Este nuevo sensor está diseñado para permitir la medición continua y automática de los niveles de CO2 debajo de la superficie, lo que puede ayudarnos a entender mejor cómo las condiciones invernales afectan al pasto.

#Resumen del Sensor

El pasto es esencial para la agricultura sostenible ya que ayuda a reducir la erosión del suelo y la pérdida de agua. El cambio climático ha hecho que la necesidad de un manejo efectivo del pasto sea más urgente. Sin embargo, estos pastos enfrentan muchos desafíos, incluido el riesgo de muerte invernal, que es cuando el pasto no puede sobrevivir al invierno. Las razones de la muerte invernal no se entienden completamente, pero pueden incluir niveles bajos de oxígeno en el suelo, cambios rápidos de temperatura y niveles tóxicos de CO2.

Los cambios de temperatura se pueden monitorear de manera efectiva con métodos existentes. Sin embargo, monitorear el CO2 es más complicado. Dos gases importantes en esta situación son el CO2 y el oxígeno (O2). Mientras que los sensores de O2 están disponibles comercialmente, los sensores de CO2 aptos para uso subterráneo son limitados.

La forma más común de medir el CO2 es a través de un método llamado espectroscopia. Esta técnica usa luz para ver cuánto de un gas específico está presente. Para el CO2, un enfoque popular se llama Infrarrojo No Dispersivo (NDIR). En este método, una longitud de onda específica de luz infrarroja pasa a través de una muestra de gas, y la absorción de esa luz indica la concentración de CO2.

Aunque el concepto es sencillo, implementarlo trae desafíos. Los sensores NDIR de alta calidad suelen ser demasiado grandes para colocarse bajo tierra sin equipo adicional, lo que los convierte en sistemas caros que típicamente costarían más de $5000. Una alternativa es recoger muestras de gas manualmente y analizarlas en un laboratorio. Este método es más barato, pero aún requiere que alguien viaje a cada sitio, lo que limita la frecuencia con la que se pueden tomar muestras.

Para monitorear mejor los problemas relacionados con la muerte invernal, nos propusimos crear un sensor de CO2 NDIR que sea resistente, compacto y asequible, que se pueda colocar directamente en el suelo. Aunque nuestro enfoque principal es el monitoreo del pasto, este tipo de sensor también podría ser útil para diversas aplicaciones, como el monitoreo de almacenamiento de granos y calidad del aire.

#Detalles de Diseño

El diseño de este sensor ha pasado por varias rondas de pruebas de campo a lo largo de múltiples temporadas. Después de evaluar los resultados, hicimos ajustes para mejorar el rendimiento. La versión final, conocida como Hedorah-NDIR v2, utiliza un sensor NDIR Sensirion SCD30.

Inicialmente, usamos un sensor de CO2 menos costoso que estimaba los niveles de CO2 basándose en otros gases. Sin embargo, este sensor resultó ineficaz para detectar los niveles de CO2 en el suelo. Por lo tanto, cambiamos al SCD30, que mide directamente la concentración de CO2.

Un problema común con los sensores enterrados es el daño por animales. Con el tiempo, notamos que los cables expuestos a menudo eran dañados por roedores. Para contrarrestar esto, diseñamos nuestro sensor con un cable removible para que los cables dañados pudieran ser fácilmente reemplazados sin necesidad de técnicos especializados para las reparaciones.

El sensor SCD30 se conecta a una placa de circuito personalizada, que mantiene el dispositivo seguro y facilita la comunicación. También creamos una carcasa robusta para el sensor que lo protege de daños mecánicos y humedad, mientras permite que el gas pase. Esta carcasa usa ventilaciones especiales para dejar entrar el gas mientras mantiene el agua afuera.

#Proceso de Fabricación

Para producir el sensor en grandes cantidades de manera asequible, optamos por la impresión 3D. Este método nos permite crear fácilmente carcasas adaptadas a las dimensiones del sensor. Elegimos Sinterizado Selectivo por Láser (SLS) por su capacidad de producir impresiones fuertes y a prueba de agua. Aunque SLS es más costoso que otros métodos de impresión 3D, ofrece el mejor equilibrio entre durabilidad y precisión.

El diseño final consta de dos partes principales: un cuerpo que sostiene el sensor y las ventilaciones, y una tapa que sella todo por dentro. La tapa se asegura al cuerpo usando tornillos, garantizando un sellado hermético. También adjuntamos ventilaciones al cuerpo que permiten el intercambio de gases sin dejar entrar humedad.

#Características Clave

Las características clave del diseño del sensor incluyen:

• Bajo Costo: El sensor es asequible, permitiendo un despliegue amplio.
• Durabilidad: Está construido para resistir condiciones duras, incluso bajo el agua.
• Facilidad de Ensamblaje: El diseño permite un ensamblaje y reparación fácil por trabajadores menos calificados.
• Amplio Rango de Medición: El sensor puede medir niveles de CO2 de 0 a 40,000 partes por millón (ppm), que es más amplio que muchos sensores disponibles.

A pesar de la existencia de otros sensores de CO2, ninguno proporciona el nivel de resistencia requerido para nuestra aplicación, especialmente cuando está enterrado.

#Instrucciones de Construcción

Antes de ensamblar el sensor, la placa de circuito y todas las partes necesarias deben ser ensambladas. Después de asegurarte de que la placa esté completa, puedes comenzar el proceso de ensamblaje:

1. Inserta el conector principal en la placa de circuito.
2. Suelda las conexiones.
3. Coloca el sensor sobre la placa y asegúralo con tornillos.
4. Coloca la cubierta y séllela bien con tornillos.
5. Instala las ventilaciones en la carcasa.

#Operación del Sensor

Una vez que el sensor esté ensamblado, se puede conectar a un registrador de datos que recolecta la información. Necesitas programar adecuadamente el registrador para asegurarte de que se comunique correctamente con el sensor.

#Instalación

Al instalar el sensor en el suelo, haz lo siguiente:

1. Elige un lugar justo debajo de la superficie del suelo.
2. Usa una herramienta especial para crear agujeros en el suelo.
3. Coloca el sensor en el agujero con la mínima perturbación al suelo circundante.
4. Rellena el agujero con la tierra removida.

#Validación del Sensor

El uso principal del sensor de CO2 es monitorear los niveles debajo del pasto, especialmente durante el invierno. El objetivo es ver cómo el CO2 afecta la supervivencia del pasto. Estos sensores se han utilizado en condiciones desafiantes durante varios años y siguen proporcionando datos confiables.

Para las pruebas, monitoreamos los niveles de CO2 durante una temporada de invierno. Las lecturas mostraron un rango normal de fluctuaciones, lo que indica que los sensores están funcionando bien. Registraron niveles de CO2 desde niveles prácticamente normales hasta concentraciones muy altas sin fallos.

Las características de diseño que destacan incluyen su bajo costo, tamaño pequeño, fácil reemplazo de cables y construcción robusta. Estos aspectos han permitido que los sensores funcionen bien en condiciones invernales.

#Pruebas de Laboratorio

Para evaluar el tiempo de respuesta del sensor, realizamos pruebas de laboratorio en un entorno controlado. Medimos qué tan rápido responde el sensor a los cambios en los niveles de CO2. Las pruebas mostraron que el sensor tiene una constante de tiempo de aproximadamente 7 minutos, lo que significa que tarda alrededor de 35 minutos en estabilizarse después de un cambio. Este tiempo de respuesta es aceptable para nuestro uso previsto.

Además, verificamos el rendimiento constante antes y después de medir para confirmar la precisión de las lecturas. Los resultados mostraron que el error del sensor está dentro de límites aceptables.

#Conclusión

El desarrollo de este sensor de CO2 marca un progreso significativo en el campo del monitoreo de la salud del suelo. Con su diseño robusto y producción rentable, este sensor promete un mejor manejo del pasto y potencialmente otras aplicaciones. Al proporcionar datos continuos sobre los niveles de CO2 en el suelo, podemos obtener información sobre los factores que afectan la salud de las plantas, especialmente durante los duros meses de invierno.