Desenvolvimento e avaliação preliminar de um sensor capacitivo para estimativa do teor de água de grãos de arroz (Oryza sativa L.) para uso em silos

Abstract

O monitoramento preciso do teor de água de grãos armazenados é condição fundamental para a conservação da qualidade pós-colheita e a redução de perdas. O presente trabalho teve como objetivo avaliar, de forma preliminar, o potencial de uso de um sensor capacitivo para estimar o teor de água interno de grãos de arroz (Oryza sativa L.), cultivar IRGA 424 RI, a partir do sinal elétrico gerado pelo sensor e da temperatura da massa de grãos. As amostras foram preparadas em cinco níveis de teor de água (13,3%; 16,3%; 19,3%; 22,3% e 25,3% em base úmida) e avaliadas em cinco temperaturas controladas (10, 15, 20, 25 e 30 °C), totalizando um delineamento fatorial 5 × 5 com cinco repetições. O sinal do sensor, expresso em milivolts (mV) e denominado PTS, e o teor de água real determinado pelo método padrão de estufa a (105 ± 3) °C por 24 horas foram as variáveis analisadas. Os resultados demonstraram que o PTS médio aumentou consistentemente com o teor de água em todas as temperaturas, confirmando a sensibilidade dielétrica do protótipo à variação hídrica dos grãos. O efeito da temperatura sobre o sinal foi expressivo e assimétrico: para o nível de 25,3% (b.u.), o PTS variou de 2.812 mV a 10 °C até 13.447 mV a 30 °C, enquanto para os níveis inferiores o incremento foi consideravelmente menor. Entre sete modelos de calibração avaliados, o de melhor desempenho preditivo foi o que combina a raiz quadrada do sinal do sensor, a temperatura e a interação entre ambas, selecionado por apresentar o menor erro de validação cruzada leave-one-out e os menores valores de AIC e BIC. O modelo apresentou coeficiente de determinação R² = 0,709 (R² ajustado = 0,702), erro quadrático médio de 2,12% (b.u.) e RMSE por validação cruzada de 2,19% (b.u.). Todos os termos do modelo foram estatisticamente significativos (p < 0,001). O sinal negativo do termo de interação é fisicamente consistente com o comportamento dielétrico da água, uma vez que temperaturas mais elevadas produzem incremento desproporcional no sinal do sensor para um mesmo teor de água, exigindo a atenuação progressiva do peso do sinal na estimativa. Observou-se limitação de resolução do sensor nos níveis de 16,3% e 13,3% (b.u.), cujos valores de PTS foram praticamente indistinguíveis em todas as temperaturas avaliadas, aspecto que deverá ser abordado em versões futuras do protótipo. Os resultados obtidos, embora preliminares, indicam que o sensor capacitivo tem potencial para o monitoramento do teor de água de grãos de arroz armazenados. Contudo, as limitações observadas mostram que aperfeiçoamentos no protótipo e no modelo de calibração são necessários antes de sua aplicação em sistemas de termometria e aeração em unidades armazenadoras.

Accurate monitoring of moisture content in stored grains is essential for preserving post-harvest quality and reducing losses. This study aimed to assess, in a preliminary manner, the potential use of a capacitive sensor to estimate the internal moisture content of rice grain (Oryza sativa L.), cultivar IRGA 424 RI, based on the electrical signal generated by the sensor and the temperature of the grain mass. Samples were prepared at five moisture levels (13.3%, 16.3%, 19.3%, 22.3%, and 25.3% wet basis) and evaluated at five controlled temperatures (10, 15, 20, 25, and 30 °C), resulting in a 5 × 5 factorial design with five replications. The variables analyzed were the sensor signal, expressed in millivolts (mV) and called PTS, and the actual moisture content determined by the standard oven method at (105 ± 3) °C for 24 h. The results showed that mean PTS values increased consistently with moisture content at all temperatures, confirming the dielectric sensitivity of the prototype to variations in grain moisture. The effect of temperature on the signal was significant and asymmetric: at the 25.3% (w.b.) moisture level, PTS ranged from 2,812 mV at 10 °C to 13,447 mV at 30 °C, whereas the lower moisture levels exhibited considerably smaller increases. Among seven calibration models evaluated, the best predictive performance was obtained by the model combining the square root of the sensor signal, temperature, and their interaction, selected for presenting the lowest leave-one-out cross-validation error and the lowest AIC and BIC values. The model yielded a coefficient of determination R² = 0.709 (adjusted R² = 0.702), a root mean square error of 2.12% (w.b.), and a crossvalidated RMSE of 2.19% (w.b.). All model terms were statistically significant (p < 0.001). A limitation in sensor resolution was observed at the 13.3% and 16.3% (w.b.) moisture levels, whose PTS values were nearly indistinguishable across all evaluated temperatures, an aspect that should be addressed in future versions of the prototype. Overall, although preliminary, the results indicate that the capacitive sensor has potential for monitoring the moisture content of stored rice grain. However, the limitations observed show that improvements to the prototype and to the calibration model are required before its application in thermometry and aeration management systems in grain storage facilities.