sensores cercanos
Sensores de Humedad del Suelo
Cada vez que llueve o se riega, el agua y los solutos se mueven en el perfil de suelo debido a la fuerza de la gravedad y capilaridad. La humedad inicial del suelo y la duración del evento de lluvia o riego, condicionan la profundidad del frente de humectación.
Un método que se usa comúnmente para determinar cuándo regar es monitorear la disminución de agua en el suelo. Cuando una planta crece, utiliza el agua del suelo alrededor de su zona de raíces. A medida que las plantas utilizan el agua, la humedad en el suelo baja hasta un nivel en el cual se requiere aplicar un riego o el cultivo comienza a estresarse por falta de agua. Si no se aplica agua, la planta continuará haciendo uso de la poca humedad que queda hasta que finalmente utilice toda el agua disponible en el suelo y muera de sed.
Cuando el perfil del suelo está lleno de agua y alcanza lo que se llama capacidad de campo (CC), se dice que el perfil está al 100% de su contenido de humedad disponible. En el punto de capacidad de campo, el agua no es retenida fuertemente por las partículas del suelo y es fácil para las plantas extraerla. Una vez que el suelo se seca hasta llegar al punto de marchitez permanente, las plantas ya no pueden seguir extrayendo agua del suelo.
↓ Fig: Distintos estados del suelo en función de la humedad. Saturación: Todos los poros del suelo están rellenos de agua. Capacidad de campo: Máxima capacidad de agua que el suelo es capaz de retener. Punto de marchitez permanente: Es el limite de humedad en el suelo a partir del cual la planta ya no es capaz de absorber pues el suelo la retiene con mucha fuerza.
El único método directo que existe para la medición del contenido de agua en el suelo es el método gravimétrico. Dicho método se realiza de la siguiente forma:
Se extrae una muestra de suelo de volumen conocido, se toma nota de su masa inicial, se seca en estufa a 105°C por 24 a 48 horas, hasta que la masa de suelo permanezca constante. El contenido gravimétrico de agua de la muestra corresponde a la pérdida de masa registrada después del secado, ya que se atribuye al agua presente inicialmente en la muestra (Topp, et al., 2002). Este método se utiliza normalmente para calibrar equipos que usan otros métodos de medición de humedad de suelo (métodos indirectos). Sin embargo, es un método destructivo no apto para efectuar un registro continuo de la humedad de suelo.
Fig: Esquema básico del método gravimétrico de medición de humedad del suelo →
Los métodos indirectos para medir el contenido de agua en el suelo están basados en la medida del contenido volumétrico de agua. La humedad volumétrica representa el porcentaje de volumen de suelo ocupado por agua. La medida del contenido del agua en el suelo debe disponer de métodos de alta precisión y fiabilidad, cuyo coste permita ser utilizado para aplicaciones agrícolas y que permita su automatización.
↑ Fig: Sensor de suelo para detectar la humedad de las raíces.
Ventajas
- Sabemos cuando y cuanto regar
- Buena precisión y repetibilidad
- Detectamos riegos excesivos
- Mayor conocimiento del movimiento del agua en el perfil y el ritmo de absorción de las raíces
Tipos de sensores
Sensores resistivos
Consisten en una resistencia que disminuye o aumenta con el contenido de agua del suelo al paso de la corriente eléctrica. Son los iones presentes en el agua los que transportan la corriente de un electro al otro.
← Fig: Sensor de humedad de suelo resistivo
Suelen utilizarse en jardinería y uso doméstico, ya que los errores generados suelen ser bastante altos. Por otro lado, son sensores económicos, responden a los cambios de humedad y son fáciles de integrar.
↑ Fig: Comparación sondas sensores resistivos y capacitivos
A la izquierda de la figura anterior, hay una ilustración que muestra lo que les sucede a los iones con una sonda resistiva. Mientras que en la derecha aparece lo que les sucede a los iones con una sonda dieléctrica (TDR, FDR y capacitiva). En una sonda dieléctrica ideal, siempre actúa polarizando las moléculas de agua entre dos electrodos. Las moléculas de agua se alinean en ese campo muy brevemente, por lo que almacenan una pequeña cantidad de carga sin que los iones de los solutos se polaricen. Esta medida es ideal, ya que es sensible a los cambios en la cantidad de agua, y no se ve afectada por los cambios en la concentración de iones.
Sensores capacitivos, TDR y FDR
La capacitancia de un par de electrodos (capacitor), se estima de la constante dieléctrica del suelo, la cual tiene relación con la cantidad de agua que hay en este.
La constante dieléctrica o permitividad relativa de un medio continuo, hace referencia una propiedad de tipo macroscópica, de un medio que es dieléctrico, es decir, que no posee conductividad eléctrica, por lo cual se tratan como aislantes de la electricidad, relacionándolo con la permitividad que tiene un medio a la electricidad. La permitividad, es una constante utilizada en física, para determinar el campo eléctrico que se ve afectado o afecta a un medio concreto.
Si entre las placas de un condensador plano introducimos un dieléctrico, el campo eléctrico, y por tanto la diferencia de potencial, disminuye como consecuencia de la polarización en su interior. Al factor de disminución se le llama constante dieléctrica, y es un número adimensional característico de cada material.
↑ Fig: Placas condensador con un dieléctrico
El suelo es una mezcla de sólido, líquido y gases, por lo que, la constante dieléctrica está formada por la combinación de las constantes de los distintos materiales que componen al mismo. La escala de valores dieléctricos varía desde el valor 1 asignado al aire al valor 80 asignado al agua.
↑ Fig: Valores de la constante dieléctrica de distintos materiales
El valor dieléctrico cambia en el suelo al variar el porcentaje de aire y agua. Por tanto, cuando la capacidad de almacenamiento de carga del suelo es medida por un sensor dieléctrico, el agua y el aire son los dos componentes que cambian significativamente en volumen, y la sonda dieléctrica puede relacionarlo con el contenido volumétrico de agua. La constante del agua se muestra como referencia, pero en un sensor en suelo es imposible alcanzar ese valor, ya que siempre hay una fracción de sólidos. Considerando que el porcentaje de sólidos en el suelo es del 50% aproximadamente, el intervalo de valores dieléctricos está comprendido normalmente entre 2 y 30. Estos valores son muy generales y pueden variar dependiendo de las condiciones específicas que puede tener el suelo.
↑ Fig: Valores de la constante dieléctrica en distintos tipos de suelo con diferentes porcentajes de humedad
Las sondas dieléctricas (TDR, FDR y capacitivas) no han sido diseñadas de la misma forma, de hecho, algunas de ellas pueden funcionar de forma parecida a una sonda resistiva dependiendo de la frecuencia de medida y del diseño del circuito. El hecho de poder polarizar las moléculas de agua sin polarizar los iones disueltos depende de cómo de rápido se hace esta polarización o de la frecuencia de medida.
A bajas frecuencias, las sondas dieléctricas polarizan el agua y las sales y por tanto la medida es altamente sensible a la salinidad del suelo. Sin embargo, cuando la frecuencia se incrementa (alrededor de 50 MHz y superior) esta influencia se reduce. Por este motivo, si un sensor trabaja con frecuencias a escala de kHz (como podría ser un sensor de 5$ de Amazon) significa que la precisión de la medida estará muy afectada por los factores descritos. Por otro lado, el hecho de trabajar a altas frecuencias tampoco garantiza que se puedan evitar estos factores, ya que el diseño del sistema eléctrico juega un papel importante.
↑ Fig: Polarización de sensores dieléctricos y frecuencia de medida
La reflectometría o TDR (Time Domain Reflectometry), utiliza la correlación existente entre el tiempo de tránsito de una onda o pulso electromagnético de alta frecuencia, la constante dieléctrica del suelo y el contenido volumétrico de agua (Martínez y Ceballos, 2001).
El proceso consiste en insertar guías de transmisión en el suelo las que, emiten un pulso electromagnético el cual es reflejado desde el principio y el final de la línea de transmisión para determinar la velocidad con que se propaga a través del suelo. La constante o permitividad dieléctrica del suelo es la que controla esta velocidad y se utiliza para inferir el contenido de agua debido a su alta correlación (Topp, et al., 2002). Se mide emitiendo un pulso electromagnético de corta duración a través del suelo y se controla el tiempo de ida y vuelta que tarda en reflejarse la onda.
↓ Fig: Sensores TDR
Los dispositivos capacitivos y FDR (Frequency domain reflectometry) están compuestos de un circuito oscilante y un sensor que se entierra en el suelo (Susha et al., 2014). El sensor consiste en dos electrodos que pueden ser líneas paralelas abiertas o cerradas o, pares de anillos metálicos cilíndricos; estos electrodos forman un condensador. En función del tiempo de carga del condensador se puede determinar contenido de humedad del suelo, ya que este produce cambios en la constante dieléctrica del suelo, los cuales son detectados por el dispositivo a través de cambios en su frecuencia de operación o barrido de frecuencias en el caso del FDR, el cual capta datos en un rango amplio de frecuencias (Susha et al., 2014).
Fig: Sensores capacitivos y FDR para la medición de la humedad del suelo →
Sonda de neutrones
Permite hacer un seguimiento de la variación vertical del contenido de agua en el suelo utilizando tubos de acceso insertados en el suelo, normalmente de aluminio. Se basa en la emisión de neutrones rápidos por una fuente radioactiva, cuya energía cinética (velocidad) disminuye de forma importante cuando colisionan de forma elástica con los átomos de hidrógeno presentes en el suelo (principalmente del agua del suelo). La sonda tiene un detector de Helio que detecta los neutrones cuya velocidad ha disminuido.
Se requiero una calibración por cada suelo donde se vayan a realizar medidas del contenido de agua. La calibración se realiza con muestras de suelo cuyo contenido de agua se ha determinado por el método gravimétrico.
Por tratarse de material radiactivo cada vez son más las restricciones para su uso y estas dependen de la legislación vigente de cada país. Su uso, en consecuencia, ha decrecido de forma importante.
Fig: Sondas de neutrones →
Georadar
El GPR (Ground Penetrating Radar), consiste en una técnica de medición geofísica no invasiva utilizada para determinar y mapear las características del subsuelo, siendo uno de sus usos la determinación del contenido de agua en áreas extensas de terreno
El contenido de agua en el suelo se estima a partir del análisis de la velocidad de reflexión de las ondas en el medio ya que esta tiene una alta correlación con la constante dieléctrica del mismo. Sin embargo, se deben tener ciertas consideraciones para el análisis ya que se requiere conocer la constante dieléctrica de los diferentes componentes del suelo y así poder diferenciarlos al momento de analizar los datos (Shamir et al., 2016).
No es un sensor puntual, por lo que se excluye de nuestro análisis posterior de sensores de humedad de suelo.
↓ Fig: Sensor de medición tipo georradar de humedad de suelo en modo continuo, arrastrado por un Quad al ser de un tamaño reducido y de poco peso.
Ventajas y desventajas de cada tipo de sensor
