Refletômetros de Umidade: Mitos e Realidade

Carlos Eduardo Pinto Juhász

Mestrando do Departamento deSolos e Nutrição de Plantas

Disciplina LCE 5702 Métodos Instrumentais de Análise Física do Ambiente

Prof. Sérgio Oliveira Moraes

Introdução Introdução Objetivo principal: • Medida da umidade volumétrica do solo por um anoMedida da umidade volumétrica do solo por um ano

Aplicações: • Medição em profundidade no perfil de solo;Medição em profundidade no perfil de solo;• TDR: também mede condutividade elétrica;TDR: também mede condutividade elétrica;• Irrigação; Distribuição do tamanho de partículas do solo.Irrigação; Distribuição do tamanho de partículas do solo.

Dificuldades: • Transporte do equipamento (TDR);Transporte do equipamento (TDR);• Instalação e calibração dos aparelhos;Instalação e calibração dos aparelhos;• Altos teores de matéria orgânica e argila; Altos teores de matéria orgânica e argila; • Elevada condutividade elétrica.Elevada condutividade elétrica.

Principais tiposPrincipais tipos

TDR: no domínio do tempoTDR: no domínio do tempo

WCR: conteúdo de água (WCR: conteúdo de água (~~ TDR) TDR)

FDR: no domínio da freqüência (capacitivo)FDR: no domínio da freqüência (capacitivo)

WCR

FDRTDR

Instrumento utilizado Instrumento utilizado WCR (Campbell Scientific, Inc., 1996): • Modelo CS615-LModelo CS615-L• Instalado em diversos horizontes de soloInstalado em diversos horizontes de solo

Princípio de Funcionamento Método dependente da constante dielétrica do meio:

O sensor é constituído por duas hastes (guia de ondas) conectadas a uma placa de circuito impresso, atuando como “multivibrador biestável”, cuja freqüência de oscilação ou período varia com a cte dielétrica do solo.

A leitura é obtida a partir do período da onda que passa pela haste de transmissão ou guia de ondas, como um “TDR automatizado”, de acordo com Hornbuckle (2003). A faixa de leitura é de 0,7 a 1,6 ms, sendo usada na calibração da umidade do solo ou camada específica.

Percurso da ondaGrid = 5cm; Vídeo: tempo do pulso em percorrer a haste.

Magnitude campo elétrico 2,5 ns após início da simulação.

Centro (haste) 10%mc* Centro (haste) 20%mc*

Instalação do sensor WCR

Horizontal, no perfil de solo:

Inclinado/vertical, superfície do solo:

* mc = moisture content

Distinções entre os três tiposDistinções entre os três tipos EspecificaçõesEspecificações FDRFDR11 TDRTDR22 WCRWCR33

O que é O que é medidomedido

Capacitância do solo (campo elétrico de alta

freqüência);Voltagem de saída.

Cte dielétrica aparente, a partir do tempo do pulso aplicado em refletir no

“guia de ondas” (hastes), alterando a impedância.

Período da onda eletromagnética

refletida no “guia de ondas”, variando com a cte dielétrica do meio.

Componentes Componentes necessários à necessários à

instalaçãoinstalação

Datalogger; fonte externa

Testador de cabos com gerador de

pulsos

Datalogger, (multiplexador),

fonte externa

Freqüência de Freqüência de oscilação oscilação

(resultante)*(resultante)*~ 50-150Mhz ~ 1-20GHz ~15-45Mhz

ΘΘv obtida a v obtida a partir departir de::

mV Ka ms

Fonte: Noborio (2001Fonte: Noborio (200122); Campbell Scientific, Inc. (1996); Campbell Scientific, Inc. (199633, 2004, 200411).).

Vantagens e desvantagensVantagens e desvantagens FDR (ECH2O)FDR (ECH2O) TDR (CT)TDR (CT) WCRWCR

VantagensVantagens Dados contínuos;Fácil de instalar

em profundidade;Reutilizável.

Fonte própria de energia;

Reconhece erros; Reutilizável.

Dados registrados

continuamente;Reutilizável.

DesvantagensDesvantagens Ligeira sensibilidade à temperatura;

calibração padrão subestima a umidade; requer fonte adicional

e datalogger.

Dados pontuais; calibração padrão

subestima umidade; sinal interpretado;

difícil transporte no campo.

Alta variação; calibração padrão

não ajusta os dados; requer fonte extra e datalogger; hastes

(penetração difícil).

Precisão *Precisão * Relativamente preciso

Pouco mais preciso que FDR

Não muito preciso

CustoCusto < CT, WCR > FDR, WCR** >FDR, <CT**

Fonte: Czarnomski et al. (in review).Fonte: Czarnomski et al. (in review).

Da(s) tabela(s) anterior(es):

* A precisão pode ser explicada pela freqüência em que cada aparelho funciona (ver: distinções entre os três tipos).

Isto porque quanto maior a freqüência de oscilação na qual o equipamento trabalha, o formato da onda se torna mais claro, em solos secos especialmente (Noborio, 2001). Além disso, no WCR é preciso reduzir a escala da freqüência na ordem de kHz, para que o datalogger possa monitorar e armazenar os dados (Seyfried & Murdock, 2001). E ainda, estes autores também consideraram o WCR muito preciso.

** O custo do TDR (CT) pode ser considerado menor do que o WCR, pois um maior número de amostras é suprido com apenas a instalação de mais hastes (sensores ou “probes”), de baixo custo de fabricação.

Realidade versus Mito• Princípio de Funcionamento do WCR:Princípio de Funcionamento do WCR:

O WCR é em geral considerado como um “TDR automatizado”:

Segundo Hornbluck (2004), o multivibrador transiciona de um nível de voltagem para outro. Esta transição, que ocorre em poucos nano-segundos, propaga o sinal no comprimento da linha de transmissão (haste), é refletida pelo circuito aberto no final da haste e volta ao corpo do sensor. A transição refletida dispara o multivibrador para transicionar novamente e o processo se repete. A saída do WCR é uma onda “quadrada” (ajustada à freqüência) cujo período corresponde à duração do tempo entre as transições do multivibrador, que corresponde ao tempo que o pulso leva para fazer uma volta completa na linha de transmissão (haste). Como a permissividade (cte dielétrica) do solo aumenta quanto mais úmido o solo, então o tempo do percurso da onda será maior.

Porém, alguns autores referem-se ao WCR como um FDR:O “guia de ondas” do WCR e o solo adjacente atuam como um capacitor.

O solo entre e ao longo das hastes afeta a capacitância, mas este instrumento é mais sensível às condições mais próximas às hastes (Seyfried & Murdock, 2001), o que o diferenciaria de um TDR!

Segundo Czarnomski et al. (in review), a alta cte dielétrica da água, relativa ao solo e ao ar adjacentes, influencia a capacitância do solo e assim afeta também a freqüência de oscilação do pulso eletromagnético produzido pelo WCR.

Apêndice A: Calibração do WCR

Segundo Kim & Benson (2002), a calibração para é feita a partir de amostras de solo deformadas, em diversos níveis de umidade.

Apêndice B: Curva de calibração

Apêndice C: Resultado-ExemploUmidade volumétrica x Chuvas, T1

Data

24/1

1/03

09/1

2/03

24/1

2/03

08/0

1/04

23/0

1/04

07/0

2/04

22/0

2/04

08/0

3/04

23/0

3/04

07/0

4/04

22/0

4/04

07/0

5/04

22/0

5/04

06/0

6/04

21/0

6/04

06/0

7/04

21/0

7/04

05/0

8/04

20/0

8/04

04/0

9/04

19/0

9/04

04/1

0/04

19/1

0/04

Data

24/1

1/03

09/1

2/03

24/1

2/03

08/0

1/04

23/0

1/04

07/0

2/04

22/0

2/04

08/0

3/04

23/0

3/04

07/0

4/04

22/0

4/04

07/0

5/04

22/0

5/04

06/0

6/04

21/0

6/04

06/0

7/04

21/0

7/04

05/0

8/04

20/0

8/04

04/0

9/04

19/0

9/04

04/1

0/04

19/1

0/04

Um

idad

e vo

lum

étric

a (m3 m

-3)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Chu

va (m

m)

0

10

20

30

40

50

0,10 m 1,00 mChuva

Referências bibliográficas• Campbell Scientific, Inc. CS615 Water Content Reflectometer Instruction

Manual. Version 8221-07. Logan, UT: Campbell Scientific, Inc, 1996.• Campbell Scientific Inc. Soil Volumetric Water Content Probes. Models

EasyAG® and EnviroSMARTTM,, Logan, UT: 2004.• Czarnomski et al. Precision and accuracy of three alternative soil water

content instruments in two forest soils of the Pacific Northwest (in review). www.fsl.orst.edu/~bond/PDF%20files%20of%20papers/Czarnomski%20et%20al.doc

• Kim, K.C. & Benson, C.H. Water content reflectometer calibrations for final cover soils. Madison, GeoEngineering Report Nº 02-12, 2002.

• Hornbuckle, B.K. Radiometric Sensitivity to Soil Moisture Relative to Vegetation Canopy Anisotropy, Canopy Temperature, and CanopyWater Content at 1.4 GHz. University of Michigan, 2003. (Disertation)

• Noborio, K.Measurement of soil water content and electrical conductivity by time domain reflectometry: a review. Computers and Electronics in Agriculture, 31:213-237, 2001.

• Seyfried, M.S. & Murdock, M.D. Response of a new soil water sensor to variable soil, water content, and temperature. Soil Sci. Soc. Am. J. 65: 28-34, 2001.

• http://www.wjrh.ece.uvic.ca/wjrh/poster/results/probe.html (Animação)