sensores próximos
Sensores de umidade do solo
Sempre que chove ou é irrigado, a água e os solutos se movem no perfil do solo devido à força da gravidade e da capilaridade. A umidade inicial do solo e a duração da chuva ou evento de irrigação determinam a profundidade da frente de molhamento.
Um método comumente usado para determinar quando irrigar é monitorar o declínio da água no solo. Quando uma planta cresce, ela usa água do solo em torno de sua zona radicular. À medida que as plantas usam água, a umidade do solo cai a um nível em que a irrigação é necessária ou a cultura fica com falta de água. Se não for aplicada água, a planta continuará aproveitando a pouca umidade que resta até que finalmente use toda a água disponível no solo e morra de sede.
Quando o perfil do solo está cheio de água e atinge o que é chamado de capacidade de campo (CC), diz-se que o perfil está com 100% de seu teor de umidade disponível. No ponto de capacidade de campo, a água não é fortemente retida pelas partículas do solo e é facilmente extraída pelas plantas. Uma vez que o solo seca a ponto de murchar permanentemente, as plantas não conseguem mais extrair água do solo.
↓ Fig: Diferentes estados do solo em função da humidade. Saturação: Todos os poros do solo estão cheios de água. Capacidade de campo: Capacidade máxima de água que o solo é capaz de reter. Ponto de murcha permanente: É o limite de umidade no solo a partir do qual a planta não é mais capaz de absorvê-la porque o solo a retém muito fortemente.
O único método direto que existe para medir o teor de água no solo é o método gravimétrico. Este método é executado da seguinte forma:
Uma amostra de solo de volume conhecido é extraída, sua massa inicial é anotada, ela é seca em estufa a 105°C por 24 a 48 horas, até que a massa de solo permaneça constante. O teor de água gravimétrica da amostra corresponde à perda de massa registrada após a secagem, pois é atribuída à água inicialmente presente na amostra (Topp, et al., 2002). Este método é normalmente utilizado para calibrar equipamentos que utilizam outros métodos de medição de umidade do solo (métodos indiretos). No entanto, é um método destrutivo que não é adequado para o registro contínuo da umidade do solo.
Fig: Diagrama básico do método gravimétrico de medição da umidade do solo →
Métodos indiretos para medir o teor de água do solo são baseados na medição volumétrica do teor de água. A umidade volumétrica representa a porcentagem do volume do solo ocupado pela água. A medição do teor de água no solo deve ter métodos de alta precisão e confiabilidade, cujo custo permita sua utilização para aplicações agrícolas e que permita sua automação.
↑ Fig: Sensor de solo para detectar umidade da raiz.
- Sabemos quando e quanto regar
- Boa precisão e repetibilidade
- Detetamos riscos excessivos
- Maior conhecimento do movimento da água no perfil e da taxa de absorção pelas raízes
Sensores resistivos
Consistem em uma resistência que diminui ou aumenta com o teor de água do solo à passagem da corrente elétrica. São os íons presentes na água que transportam a corrente de um eletrodo para o outro.
Geralmente são usados em jardinagem e uso doméstico, pois os erros gerados costumam ser bastante altos. Por outro lado, são sensores baratos, respondem a mudanças de umidade e são fáceis de integrar.
↑ Fig: Comparação de sondas de sensores resistivos e capacitivos
À esquerda da figura acima está uma ilustração mostrando o que acontece com íons com uma sonda resistiva. Enquanto à direita é o que acontece com os íons com uma sonda dielétrica (TDR, FDR e capacitiva). Em uma sonda dielétrica ideal, ela sempre atua polarizando as moléculas de água entre dois eletrodos. As moléculas de água se alinham nesse campo muito brevemente, de modo que armazenam uma pequena quantidade de carga sem polarizar os íons do soluto. Essa medição é ideal, pois é sensível a mudanças na quantidade de água e não é afetada por mudanças na concentração de íons.
Sensores capacitivos, TDR e FDR
A capacitância de um par de eletrodos (capacitor), é estimada a partir da constante dielétrica do solo, que está relacionada à quantidade de água nele contida.
A constante dielétrica ou permissividade relativa de um meio contínuo, refere-se a uma propriedade macroscópica de um meio que é dielétrico, ou seja, não possui condutividade elétrica, por isso são tratados como isolantes de eletricidade, relacionando-o à permissividade de um meio à eletricidade. A permissividade é uma constante usada na física para determinar o campo elétrico que é afetado ou afeta um meio específico.
Se introduzirmos um dielétrico entre as placas de um capacitor plano, o campo elétrico e, portanto, a diferença de potencial, diminui como resultado da polarização dentro dele. A constante dielétrica é chamada de constante dielétrica e é um número adimensional característico de cada material.
↑ Fig: Placas de capacitores com dielétrico
O solo é uma mistura de sólidos, líquidos e gases, portanto a constante dielétrica é formada pela combinação das constantes dos diferentes materiais que compõem o mesmo. A escala de valores dielétricos varia do valor 1 atribuído ao ar ao valor 80 atribuído à água.
↑ Fig: Valores da constante dielétrica de diferentes materiais
O valor dielétrico muda no solo conforme a porcentagem de ar e água varia. Portanto, quando a capacidade de armazenamento de carga do solo é medida por um sensor dielétrico, água e ar são os dois componentes que mudam significativamente em volume, e a sonda dielétrica pode relacionar isso com o conteúdo volumétrico de água. A constante de água é apresentada como referência, mas em um sensor de solo é impossível atingir esse valor, pois sempre há uma fração de sólidos. Considerando que a porcentagem de sólidos no solo é de aproximadamente 50%, a faixa de valores dielétricos normalmente fica entre 2 e 30. Esses valores são muito gerais e podem variar dependendo das condições específicas que o solo possa ter.< /p >
↑ Fig: Valores da constante dielétrica em diferentes tipos de solo
As sondas dielétricas (TDR, FDR e capacitivas) não foram projetadas da mesma forma, de fato, algumas delas podem funcionar de maneira semelhante a uma sonda resistiva, dependendo da freqüência de medição e projeto de circuito. Ser capaz de polarizar moléculas de água sem polarizar íons dissolvidos depende da rapidez com que essa polarização é feita ou da frequência de medição.
Em baixas frequências, as sondas dielétricas polarizam a água e os sais e, portanto, a medição é altamente sensível à salinidade do solo. No entanto, à medida que a frequência aumenta (em torno de 50 MHz e acima), essa influência é reduzida. Por esta razão, se um sensor trabalha com frequências na escala de kHz (como um sensor de $5 da Amazon) significa que a precisão da medição será bastante afetada pelos fatores descritos. Por outro lado, o fato de trabalhar em altas frequências não garante que esses fatores possam ser evitados, pois o projeto do sistema elétrico desempenha um papel importante.
↑ Fig: Polarização de sensores dielétricos e frequência de medição
A reflectometria ou TDR (Time Domain Reflectometry), utiliza a correlação existente entre o tempo de trânsito de uma onda ou pulso eletromagnético de alta frequência, a constante dielétrica do solo e o conteúdo volumétrico de água (Martínez e Ceballos, 2001).
O processo consiste em inserir guias de transmissão no solo, que emitem um pulso eletromagnético que é refletido desde o início e o final da linha de transmissão para determinar a velocidade com que ela se espalha através do solo. A constante dielétrica ou permissividade do solo é o que controla essa velocidade e é utilizada para inferir o teor de água devido à sua alta correlação (Topp, et al., 2002). Ele é medido emitindo um pulso eletromagnético de curta duração através do solo e controlando o tempo de ida e volta que leva para a onda ser refletida.
↓ Fig: Sensores TDR
Os dispositivos capacitivos e FDR (refletometria no domínio da frequência) são compostos por um circuito oscilante e um sensor enterrado no solo (Susha et al., 2014). O sensor é composto por dois eletrodos que podem ser linhas paralelas abertas ou fechadas ou pares de anéis metálicos cilíndricos; Esses eletrodos formam um capacitor. Dependendo do tempo de carga do capacitor, o teor de umidade do solo pode ser determinado, pois isso produz alterações na constante dielétrica do solo, que são detectadas pelo dispositivo através de alterações em sua frequência de operação ou varredura de frequência no caso do FDR, que captura dados em uma ampla faixa de frequências (Susha et al., 2014).
Fig: Sensores capacitivos e FDR para medição de umidade do solo →
Sonda de nêutrons
Permite monitorar a variação vertical do teor de água no solo por meio de tubos de acesso inseridos no solo, geralmente de alumínio. Baseia-se na emissão de nêutrons rápidos por uma fonte radioativa, cuja energia cinética (velocidade) diminui significativamente quando colidem elasticamente com os átomos de hidrogênio presentes no solo (principalmente da água do solo). A sonda possui um detector de hélio que detecta nêutrons cuja velocidade diminuiu.
É necessária uma calibração para cada solo onde as medições do teor de água devem ser feitas. A calibração é realizada com amostras de solo cujo teor de água foi determinado pelo método gravimétrico.
Por se tratar de material radioativo, há cada vez mais restrições ao seu uso e estas dependem da legislação vigente de cada país. Seu uso, consequentemente, diminuiu significativamente.
Fig: Sondas de nêutrons →
Georadar
GPR (Ground Penetrating Radar), consiste em uma técnica de medição geofísica não invasiva utilizada para determinar e mapear as características do subsolo, sendo um de seus usos a determinação do conteúdo de água em grandes áreas de terra
O teor de água no solo é estimado a partir da análise da velocidade de reflexão das ondas no meio, pois esta possui alta correlação com sua constante dielétrica. . No entanto, algumas considerações devem ser levadas em conta para a análise, pois é necessário conhecer a constante dielétrica dos diferentes componentes do solo e assim poder diferenciá-los ao analisar os dados (Shamir et al., 2016).
Não é um sensor pontual, por isso foi excluído de nossa análise adicional de sensores de umidade do solo.
↓ Fig: Georadar
