Refletômetros de Umidade:
Mitos e Realidade
Disciplina LCE 5702
Métodos Instrumentais de Análise Física do Ambiente
Prof. Sérgio Oliveira Moraes
Carlos Eduardo Pinto Juhász
Mestrando do Departamento de
Solos e Nutrição de Plantas
Introdução
Objetivo principal:
•
Medida da umidade volumétrica do solo por um ano
Aplicações:
•
Medição em profundidade no perfil de solo;
•
TDR: também mede condutividade elétrica;
•
Irrigação; Distribuição do tamanho de partículas do solo.
Dificuldades:
•
Transporte do equipamento (TDR);
•
Instalação e calibração dos aparelhos;
• Altos teores de matéria orgânica e argila;
•
Elevada condutividade elétrica.
WCR
Principais tipos
TDR
FDR
TDR: no domínio do tempo
WCR: conteúdo de água (~ TDR)
FDR: no domínio da freqüência (capacitivo)
Instrumento utilizado
WCR (Campbell Scientific, Inc., 1996):
• Modelo CS615-L
• Instalado 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.
Instalação do sensor WCR
Percurso da onda
Grid = 5cm; Vídeo: tempo do pulso em percorrer a haste.
Horizontal, no perfil de solo:
Magnitude campo elétrico 2,5 ns após início da simulação.
Inclinado/vertical, superfície do solo:
* mc = moisture content
Centro (haste)
10%mc*
Centro (haste)
20%mc*
Distinções entre os três tipos
FDR1
TDR2
WCR3
O que é
medido
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
necessários à
instalação
Datalogger;
fonte externa
Especificações
Testador de
Datalogger,
cabos com
(multiplexador),
gerador de pulsos fonte externa
Freqüência de
oscilação
(resultante)*
~ 50-150Mhz
~ 1-20GHz
~15-45Mhz
v obtida a
partir de:
mV
Ka
ms
Fonte: Noborio (20012); Campbell Scientific, Inc. (19963, 20041).
Vantagens e desvantagens
FDR (ECH2O)
Vantagens
TDR (CT)
WCR
Dados contínuos; Fonte própria de
energia;
Fácil de instalar
em profundidade; Reconhece erros;
Reutilizável.
Reutilizável.
Dados
registrados
continuamente;
Reutilizável.
Desvantagens
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 *
Relativamente
preciso
Pouco mais
preciso que FDR
Não muito
preciso
Custo
< CT, WCR
> FDR, WCR**
>FDR, <CT**
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:
 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
Ajuste dos dados de calibração para as E.E. Caetetus e Assis
Umidade Volumétrica (cm 3/cm3)
0,45
y=0.8298-0.6135.x-1
r2=0,82 p<0,0001
0,40
0,35
0,30
0,25
Dados de calibração
0,20
Ajuste
0,15
0,9
1,0
1,1
1,2
Período (ms)
1,3
1,4
1,5
Data
19/10/04
04/10/04
19/09/04
04/09/04
20/08/04
05/08/04
21/07/04
06/07/04
21/06/04
0,6
20
0,3
30
0,1
0,0
50
Chuva (mm)
19/10/04
04/10/04
19/09/04
04/09/04
20/08/04
05/08/04
21/07/04
06/07/04
21/06/04
06/06/04
22/05/04
07/05/04
22/04/04
07/04/04
23/03/04
08/03/04
22/02/04
07/02/04
23/01/04
08/01/04
24/12/03
09/12/03
24/11/03
Data
06/06/04
22/05/04
07/05/04
22/04/04
07/04/04
23/03/04
08/03/04
22/02/04
07/02/04
23/01/04
08/01/04
24/12/03
09/12/03
24/11/03
Umidade volumétrica (m3 m-3)
Apêndice C: Resultado-Exemplo
Umidade volumétrica x Chuvas, T1
0
0,5
10
0,4
0,2
40
0,10 m
1,00 m
Chuva
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.