TDR, FDR, capacitancia, resistencia: Hoy en día, una búsqueda en Internet arroja miles de opciones para medir la humedad del suelo, desde sensores que indican la humedad con un dial hasta sensores controlados electrónicamente mediante un simple microprocesador. La enorme cantidad de sensores existentes en el mercado resulta confusa y frustrante cuando lo que se pretende es simplemente averiguar qué sensor proporciona los datos más fiables, robustos, precisos y publicables.
Durante más de dos décadas, los científicos de METER han dedicado miles de horas a instalar sensores de humedad del suelo y a supervisar, interpretar y publicar datos de experimentos de campo. Con el tiempo, hemos aprendido mucho sobre cómo obtener datos de calidad sobre la humedad del suelo. En este artículo, compartimos esa experiencia con usted. A continuación encontrará una comparación de los métodos habituales de detección de la humedad del suelo, la teoría científica de medición de cada método, sus ventajas e inconvenientes y qué tecnología puede aplicarse a los distintos tipos de investigación de campo. Descubra también por qué la detección moderna de la humedad del suelo es mucho más que un simple sensor.
Una de las dificultades de buscar un sensor de suelo en Internet es que el término "sensor dehumedad del suelo" no es lo suficientemente específico. La humedad del suelo puede referirse a dos cosas diferentes: el contenido de agua (la cantidad o el porcentaje de agua en el suelo) o el potencial hídrico (el estado energético del agua en el suelo). Una es una variable extensiva y la otra es una variable intensiva (infórmese sobre estas variables aquí). Una búsqueda con el término "sensor de humedad del suelo" mostrará ambos tipos de sensores.
El contenido de agua se refiere a la cantidad de agua del suelo en peso o en volumen. La parte izquierda de la Figura 1 ilustra cómo calcular el contenido de agua del suelo por volumen (contenido volumétrico de agua o VWC). Todas las mediciones in situ se basan en el volumen.
A la derecha de la Figura 1 hay una representación gráfica de cómo podría ser el VWC en términos de cantidad (porcentaje) de minerales del suelo, agua y aire en el suelo. Si lo que le interesa medir es el porcentaje de agua del suelo, utilice términos de búsqueda más específicos como "sensor de contenido de agua del suelo" o "sensor de contenido volumétrico de agua".
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El potencial hídrico es diferente del contenido de agua. Se refiere al estado energético del agua en el suelo. En general, depende de la adhesión superficial de las moléculas de agua a las partículas del suelo.
La figura 2 ilustra la capa límite de agua alrededor de las partículas del suelo (azul). Esta capa límite se hace más fina a medida que disminuye el agua del suelo. Cuando esto ocurre, las moléculas de agua restantes se unen más fuertemente a la superficie de las partículas del suelo. Esta unión reduce la energía potencial del agua y la hace menos disponible para las plantas o el movimiento. Si desea medir o predecir la disponibilidad de agua para las plantas o el movimiento del agua del suelo, utilice los términos "sensor de potencial hídrico" o "sensor de potencial mátrico".
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El contenido de agua del suelo puede medirse a escala de campo, de cuenca o de continente mediante tecnología por satélite. También puede medirse en grandes áreas utilizando neutrones cósmicos descendentes.
Todas estas técnicas son extremadamente útiles, pero en este artículo compararemos las técnicas in situ que miden en un único lugar de una parcela, tratamiento o campo. Se trata de cuatro métodos básicos:
Las técnicas de detección más habituales son, con diferencia, las de resistencia y dieléctricas (sensores TDR, sensores FDR, sensores de capacitancia), y en ellas se centrará nuestra comparación. No obstante, puede encontrar información sobre estos y otros métodos en el seminario web que se ofrece a continuación: Humedad del suelo 201-Mediciones del contenido de agua, métodos y aplicaciones.
Al elegir un método de detección de la humedad del suelo, es importante tener en cuenta la aplicación. Por ejemplo, en un centro de investigación de Rush Valley (Utah), el reto de un investigador era comparar el uso del agua entre tratamientos en los que cambiaban las precipitaciones, los roedores y las quemas prescritas. Seleccionar la tecnología adecuada era fundamental para mostrar el efecto de estos tratamientos en el equilibrio entre especies autóctonas e invasoras en presencia de regímenes de precipitaciones alterados.
La figura 4 es un ejemplo de dos sensores de humedad del suelo encontrados mediante una búsqueda en Google. Ambos sensores miden el porcentaje de contenido de agua del suelo creando una diferencia de tensión entre dos electrodos, permitiendo que fluya una pequeña cantidad de corriente entre ellos y emitiendo un valor de resistencia o conductividad eléctrica.
Como el agua es un conductor muy pobre, son los iones del agua los que llevan la corriente de un electrodo al otro. En teoría, la idea es buena; tiene sentido que la resistencia disminuya a medida que aumenta la cantidad de agua en el suelo. Sin embargo, en la práctica, los supuestos en los que se basa este método plantean algunos problemas. He aquí por qué:
La figura 5 ilustra lo que ocurre cuando se cargan una placa positiva y otra negativa y los iones se mueven en el suelo. Para que el método de la resistencia funcione, un supuesto crítico es que el número de iones en el suelo permanezca relativamente constante. Si el número de iones en el suelo no es constante o utilizamos el sensor en un suelo diferente, la precisión se vuelve imposible porque, al cambiar el número de iones en el agua de los poros, se altera la capacidad de flujo de la corriente, incluso cuando la cantidad de agua no ha cambiado.
Esta idea puede ilustrarse con un ejemplo sencillo. Para que un sensor pueda utilizarse para algo más que mediciones de humedad/sequedad, debe tener una calibración que relacione la salida del sensor (en este caso, su resistencia o su inversa simple: la conductividad eléctrica) con el contenido volumétrico de agua.
La figura 6 es un modelo sencillo de conductividad eléctrica extraída de la saturación (la conductividad eléctrica del agua después de extraerla de un suelo saturado). Muestra que la calibración del sensor puede cambiar más de un orden de magnitud.
Así pues, aunque los sensores de resistencia son baratos, reaccionan a los cambios en el contenido de agua y son fáciles de integrar en proyectos de bricolaje, su único uso real es para jardinería doméstica y proyectos de ferias de ciencias. En cualquier actividad científica, simplemente no pueden producir mediciones volumétricas fiables del contenido de agua.
| Sensores de resistencia | |
|---|---|
| Visión general | -Increíblemente barato |
| -Reaccionan a los cambios en la cantidad de agua | |
| -Sencillo de integrar | |
| Utilización | -Proyectos caseros/de feria de ciencias |
Los sensores dieléctricos (TDR, FDR, tipos de capacitancia) son una categoría general de sensores que miden la capacidad de almacenamiento de carga del suelo. Este enfoque de almacenamiento de carga es mucho más eficaz que un enfoque de resistencia, y he aquí por qué.
A la izquierda de la Figura 7 se muestra un diagrama de lo que ocurre con los iones con un sensor de resistencia. A la derecha, lo que les ocurre a los iones con un sensor dieléctrico (TDR, capacitancia FDR). El circuito eléctrico ideal del sensor dieléctrico de la derecha actúa simplemente polarizando las moléculas de agua entre dos electrodos. Las moléculas de agua se alinean en ese campo muy brevemente, por lo que almacena una pequeña cantidad de carga sin provocar la polarización de los iones salinos. Esta medición ideal es sensible a los cambios en la cantidad de agua, pero no a los cambios en la cantidad de sal.
Encima de los dibujos de iones de la Figura 7, hay diagramas de circuitos eléctricos de cómo son una resistencia (izquierda) y un condensador (derecha). Algunas mediciones dieléctricas actúan más como el diagrama de circuito del medio, donde incorporan cierta resistencia a la medición y son algo sensibles a los cambios en la concentración de sal.
Entonces, ¿por qué el dieléctrico (TDR, FDR, capacitancia) es una medida eficaz del agua en una matriz de suelo poroso?
Cada material del suelo tiene una capacidad única de almacenar carga eléctrica, denominada constante dieléctrica. La escala dieléctrica asigna arbitrariamente un valor de 1 al aire y luego relaciona otros materiales con ese valor. El suelo es una mezcla de sólidos, líquidos y gases. Cada uno de ellos tiene un dieléctrico diferente, pero en general, todos tienen valores dieléctricos bajos en comparación con el agua. Por lo tanto, cuando se mide la capacidad de almacenamiento de carga del suelo mediante un sensor dieléctrico, el agua y el aire son los únicos elementos que cambian significativamente en función del volumen, por lo que podemos relacionarlo con el contenido volumétrico de agua.
La figura 9 muestra la misma escala con porcentajes de volumen de diferentes mezclas de suelo equiparados a valores dieléctricos con agua pura a la derecha (obviamente, esto no ocurriría en el suelo porque no habría minerales). Dado que los minerales suelen representar aproximadamente el 50% del volumen total del suelo, el rango dieléctrico real del suelo mineral suele estar entre 2 y 30, aunque esto es sólo una regla general y puede cambiar en situaciones específicas del suelo.
Obviamente, una característica clave de un sensor útil del contenido de agua del suelo es una medición precisa del contenido volumétrico de agua.
La figura 10 es un gráfico de la relación entre el dieléctrico del suelo y su contenido volumétrico de agua. Al igual que la resistencia, los sensores dieléctricos no son perfectos para predecir el contenido volumétrico de agua. Sin embargo, con estos sensores, las cosas que afectan al rendimiento lo hacen con un efecto mucho menor. En este gráfico con el dieléctrico en el eje x y el contenido volumétrico de agua en el eje y, observe cómo la diferencia en la densidad aparente del suelo afecta a la calibración. El efecto está ahí, pero es relativamente menor. La densidad aparente no es el único factor que modifica la calibración; factores como el tipo de suelo, la salinidad, el porcentaje de arcilla y el contacto entre el sensor y el suelo también pueden afectar a la precisión, entre otros. Sin embargo, muchos de los sensores de alta calidad disponibles han desarrollado tecnología para mitigar la mayoría de estos problemas. No es posible evitar estos problemas por completo, pero sí minimizarlos.
Las técnicas de medición dieléctrica (sensor TDR, sensor FDR, sensores de capacitancia) no son todas iguales. De hecho, algunas pueden actuar más como sensores de resistencia dependiendo de su frecuencia de medida y del diseño del circuito. Polarizar con éxito las moléculas de agua evitando polarizar los iones disueltos depende de la rapidez con que se produzca esta polarización, o de la frecuencia de medición.
A frecuencias más bajas, los sensores dieléctricos polarizan el agua y las sales, lo que los hace increíblemente sensibles a la salinidad del suelo. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia de medición (alrededor de 50 Mhz y por encima) esta influencia se reduce. Así que si un sensor funciona en el rango de los kHz (como un sensor dieléctrico de 5 dólares en Amazon) no significa que ese sensor pueda evitar los muchos factores que merman la precisión del sensor. Y, aunque un sensor funcione a una frecuencia de medición alta, sigue sin garantizar el éxito. El diseño adecuado del sistema eléctrico también desempeña un papel importante.
Hay varios tipos de sensores dieléctricos disponibles, y el seminario web al principio de este artículo (arriba) ofrece más información sobre cada una de estas tecnologías. Los sensores de contenido de agua para investigación más comunes del mercado se dividen en tres categorías generales.
Todas estas categorías contienen algunos sensores que funcionan bien y otros que no. Muchos estudios han demostrado que los siguientes sensores miden bien el contenido: METER's (antes Decagon Devices) EC-5, 10HS5TE/TM (ahora TEROS 10/11/12), así como CS655, TDR 200 y SoilVue 10 de Campbell Scientific, Theta Probe y la serie SM de Delta T, Hydra Probe de Stevens y la serie TrueTDR de Acclima. Todos estos sensores pueden requerir la calibración del usuario en función del tipo de suelo y la conductividad eléctrica.
Vaz et al (2013) ofrece un cuidadoso estudio que compara varios de estos sensores(léalo aquí) y sería útil para una revisión más profunda. Estos tipos de estudios son un gran punto de partida, pero hay aún más factores a considerar al elegir un sensor de humedad del suelo para su aplicación única. Exploramos estos factores en las secciones siguientes.
Los dos gráficos siguientes comparan los métodos de detección de la humedad del suelo más comunes (sensores TDR, sensores FDR, sensores de capacitancia, sensores de resistencia, COSMOS, sonda de neutrones), las ventajas y desventajas de cada uno y en qué tipo de situación podría ser útil cada método. Todos los sensores de humedad del suelo METER utilizan una técnica de detección de capacitancia de alta frecuencia y una herramienta de instalación para facilitar la instalación y garantizar la mayor precisión posible. Para obtener información más detallada sobre cada método de medición, vea Humedad del suelo 201: mediciones, métodos y aplicaciones.
| Sensor | Pros | Contras | Cuándo utilizar |
|---|---|---|---|
| Resistencia Sondas |
1. Las mediciones continuas se pueden recoger con el registrador de datos 2. Precio más bajo 3. Bajo consumo de energía |
1. Precisión deficiente: la calibración varía en función del tipo de suelo y del contenido de sal del suelo. 2. Los sensores se degradan con el tiempo |
1. Cuando sólo desea saber si el contenido de agua ha cambiado y no le importa la precisión. |
| Sondas TDR (dominio del tiempo) |
1. Las mediciones continuas se pueden recoger con el registrador de datos 2. Precisión con calibración específica del suelo (2-3%) 3. Insensible a la salinidad hasta la desaparición de la señal 4. Respetado por los revisores |
1. Más complicado de utilizar que la capacitancia*. 2. Tarda más en instalarse porque hay que cavar una zanja en lugar de un agujero 3. Deja de funcionar en condiciones de alta salinidad 4. Consume mucha energía (grandes baterías recargables) |
1. Si su laboratorio ya posee el sistema. Son más caros y complejos que los de capacitancia, y los estudios demuestran que tanto el TDR como la capacitancia son igual de precisos con calibración |
| Sensores de capacitancia | 1. Las mediciones continuas se pueden recoger con el registrador de datos 2. Algunos tipos son fáciles de instalar 3. Precisión con calibración específica del suelo (2-3%) 4. Utiliza poca energía (baterías pequeñas con poco o ningún panel solar) 5. Barato, puede obtener muchas más mediciones por el dinero que gasta |
1. Se vuelve impreciso en alta salinidad (por encima de 8 dS/m de extracto de saturación)**. 2. Algunas marcas de baja calidad producen una precisión y un rendimiento deficientes. |
1. Necesita muchos lugares de medición 2. Necesita un sistema que sea sencillo de implantar y mantener 3. Necesita un bajo consumo de energía 4. Necesita más mediciones por dólar gastado |
| Sonda de neutrones | 1. Gran volumen de medición 2. Insensible a la salinidad 3. Respetado por los revisores, ya que es el método más antiguo 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor |
1. Caro 2. Necesita un certificado de radiación para operar 3. Extremadamente costoso en tiempo 4. No hay medición continua |
1. Usted ya tiene una sonda de neutrones en su programa con la certificación, y ya sabe cómo interpretar los datos de la sonda de neutrones 2. Está midiendo suelos arcillosos muy salinos o con contracción por hinchamiento en los que mantener el contacto es un problema. |
| COSMOS | 1. Volumen de influencia extremadamente grande (800 m) 2. Automatizado 3. Eficaz para la verificación en tierra de datos de satélite, ya que suaviza la variabilidad en un área extensa 4. No se ve afectado por problemas de contacto entre el suelo y el sensor |
1. El más caro 2. Volumen de medición mal definido y cambia con el contenido de agua del suelo 3. La precisión puede verse limitada por factores de confusión como la vegetación. |
1. Cuando se necesita obtener una media del contenido de agua en una zona amplia 2. Para verificar datos de satélite |
| Resistencia | TDR | Capacitancia | Sonda de neutrones | COSMOS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Precio | Más bajo | Moderado a alto | Bajo a moderado | Alta | Más alto |
| Precisión | Bajo | Alta (con calibración específica del suelo) |
Alta (con calibración específica del suelo) |
Baja (mejora con la calibración sobre el terreno) | Desconocido |
| Complejidad | Fácil | Fácil a intermedio | Fácil | Difícil | Difícil |
| Uso de la energía | Bajo | Moderado a alto | Bajo | N/A | Alta |
| Sensibilidad a la salinidad | Extremo | 1. Ninguno en salinidad baja a media 2. Sí en salinidad alta |
Sí en alta salinidad | No | No |
| Durabilidad | Bajo | Alta | Alta | Alta | Alta |
| Volumen de influencia | Pequeña zona entre la sonda A y la sonda B | De 0,25 litros a 2 litros en función de la longitud de la sonda y la forma del electro-
campo magnético |
De 0,25 litros a 2 litros en función de la longitud de la sonda y la forma del electro-
campo magnético |
esfera de 20 cm de diámetro cuando el suelo está húmedo, esfera de 40 cm de diámetro cuando el suelo está seco | 800 metros de diámetro |
En el centro de investigación de Rush Valley mencionado anteriormente, hubo cuatro tratamientos repetidos cinco veces con sensores a múltiples profundidades en cada tratamiento. El objetivo del estudio era ver cómo afectaban los roedores y las quemas prescritas a la diversidad de especies autóctonas e invasoras con los cambios en las precipitaciones. Dos de los aspectos más complicados del proyecto fueron la elección de un sensor que garantizara una instalación eficaz y la forma de acumular datos y proporcionarlos eficientemente a las numerosas partes interesadas en el proyecto.
En 2019, METER lanzó un sistema completo de detección de la humedad del suelo que se centraba en un despliegue sencillo y eliminaba los tres obstáculos más comunes para una buena precisión: la inconsistencia de la instalación, la variabilidad entre sensores y la verificación de los sensores. A continuación se muestra un vídeo con el sensor de humedad del suelo TEROS 12 (un sensor dieléctrico de alta frecuencia que utiliza tecnología de capacitancia) instalado con la nueva herramienta de instalación de perforaciones.
Con este método, los sensores se instalan rápidamente a varias profundidades de dos metros en el suelo. La herramienta inserta el sensor exactamente perpendicular al suelo. La ventaja mecánica de la palanca junto con las agujas afiladas de alta calidad del sensor garantizan una instalación casi perfecta en todo momento, incluso en suelos duros.
Además de la instalación, la recopilación y visualización fiables de los datos son consideraciones esenciales. La introducción de la tecnología IoT (ZENTRA Cloud) ofrece ahora oportunidades para hacer más eficiente y eficaz la detección moderna.
Por ejemplo, el sistema ZENTRA de METER es un completo sistema IoT de sensores, registradores y software que se despliega fácilmente, requiere poco mantenimiento y pone datos casi en tiempo real al alcance de su mano para que pueda publicar más y trabajar menos. El siguiente vídeo muestra a alguien comprobando problemas de forma remota en el software ZENTRA Cloud .
A continuación se muestra un flujo de trabajo típico de un investigador. En rojo se indica el trabajo innecesario eliminado o simplificado por el sistema ZENTRA .
ZENTRA reduce costes y trabajo innecesarios, para que pueda dedicar más tiempo a su investigación. Haga clic en los enlaces de la siguiente tabla para explorar cómo cada parte del sistema trabaja conjuntamente para simplificar el proceso de investigación.
| Problemas resueltos por ZENTRA | ZENTRA solución (haga clic en los enlaces) | Por qué funciona |
|---|---|---|
| Instalación | TEROS Borehole Installation Tool | Acelera la instalación y la hace a prueba de errores, eliminando los errores que causan incertidumbre |
| Configuración del registrador de datos | ZL6 registrador | Configuración a través de Bluetooth o Cloud, plug/play con sensores METER, GPS integrado, cambio de ajustes a distancia a través de ZENTRA Cloud |
| Complejidad de los sensores, mantenimiento, + ensamblaje de un sistema de sensores de varias empresas. | Completo conjunto de sensores fáciles de usar | Sensores de grado de investigación con instalación sencilla y configuración rápida, larga vida útil, poco mantenimiento, línea de medición completa |
| Descarga manual de datos | ZENTRA Cloud | Descargue fácilmente los datos para utilizarlos con Excel, R, MatLab, etc., directamente desde su navegador. |
| Visitas sobre el terreno | ZENTRA Cloud | Cambie la configuración a distancia, compruebe si hay problemas a distancia, visualice rápidamente los datos para decidir cuándo tomar muestras, alertas diarias de problemas por correo electrónico |
| Comprobación de errores | ZENTRA Cloud | Visualización instantánea de datos, rangos de objetivos, alertas diarias por correo electrónico, combinación de datos de todas las organizaciones |
| Almacenamiento de datos a perpetuidad | ZENTRA Cloud | Disponible para todas las partes interesadas invitadas a la organización, el almacenamiento de datos permanece en cloud, datos disponibles incluso cuando cambian las personas en los proyectos. |
| La necesidad de combinar fácilmente datos de varios sitios | ZENTRA Cloud cuadros de mando | Gráfico automático de varios sitios juntos |
| Intercambio de datos | ZENTRA Cloud | Intercambio instantáneo de datos en tiempo casi real, todas las partes interesadas pueden ver los datos de la forma que deseen. |
Solicite una demostración en ZENTRA Cloud
Aunque existe un número asombroso de sensores de contenido de agua (sensores TDR, sensores FDR, sensores de capacitancia, sensores de resistencia), elegir uno específico para sus necesidades de medición puede ser más sencillo de lo que parece. Confiar en una técnica basada en la resistencia no dará buenos resultados a pesar de su atractivo precio y su sencilla integración en un proyecto de medición. Los cambios en la salinidad del suelo provocados por la salinidad, los fertilizantes e incluso el tipo de suelo a menudo darán lugar a lecturas del sensor desconcertantes y a frustración por su parte. Los sensores basados en dieléctricos (TDR, FDR, capacitancia) son una opción mucho mejor, pero aún así hay que tenerlos muy en cuenta, ya que no todos los sensores dieléctricos son iguales. Aunque existen varios enfoques diferentes para medir la capacidad dieléctrica o de almacenamiento de carga del suelo, los estudios demuestran que el rendimiento está más relacionado con una buena instalación y con las cualidades individuales del sensor, como la frecuencia de medición y el diseño del circuito, que con una tecnología de medición específica, como la capacitancia, el FDR o el TDR. En general, las mediciones de mayor frecuencia dan lugar a datos de mayor calidad, pero también a un mayor coste del sensor. Se podría decir que el verdadero valor de un sensor procede de la optimización del equilibrio entre prestaciones y precio.
Hemos creado la nueva línea de sensores TEROS para eliminar las barreras que impiden obtener una buena precisión, como la inconsistencia en la instalación, la variabilidad entre sensores y la verificación de los sensores. Los sensores de humedad del sueloTEROS combinan una instalación consistente y perfecta con una herramienta de instalación, una construcción extremadamente robusta, una variabilidad mínima entre sensores, un gran volumen de influencia y un registro de datos avanzado para ofrecer el mejor rendimiento, precisión, facilidad de uso y fiabilidad a un precio asequible.
¿Quiere más detalles? En el siguiente vídeo, el experto en humedad del suelo Leo Rivera explica por qué hemos dedicado 20 años a crear la nueva línea de sensores TEROS .
Todo lo que necesita saber sobre la medición de la humedad del suelo, en un solo lugar.
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Seis breves vídeos le enseñarán todo lo que necesita saber sobre el contenido de agua del suelo y el potencial hídrico del suelo, y por qué debe medirlos juntos. Además, domine los conceptos básicos de la conductividad hidráulica del suelo.
Nuestros científicos cuentan con décadas de experiencia ayudando a investigadores y cultivadores a medir el continuo suelo-planta-atmósfera.
Entre las miles de publicaciones revisadas por expertos que utilizan sensores de suelo METER, ningún tipo se perfila como el favorito. Por lo tanto, la elección del sensor debe basarse en sus necesidades y aplicación. Utilice estas consideraciones para identificar el sensor perfecto para su investigación.
TDR, FDR, capacitancia, resistencia: Comparación de los métodos habituales de detección de la humedad del suelo, sus ventajas e inconvenientes y sus aplicaciones específicas.
La mayoría de la gente considera la humedad del suelo sólo en términos de una variable: el contenido de agua. Pero se necesitan dos tipos de variables para describir el estado del agua en el suelo.
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