Al considerar qué sensor de contenido de agua del suelo funcionará mejor para cualquier aplicación, es fácil pasar por alto la pregunta obvia: ¿qué se está midiendo? La reflectometría en el dominio del tiempo (sensor TDR) frente a la tecnología de sensores de capacitancia es la pregunta adecuada para un investigador que esté analizando la permitividad dieléctrica en un amplio espectro de frecuencias de medición (lo que se denomina espectroscopia dieléctrica). Hay información importante en estos datos, como la capacidad de medir la densidad aparente junto con el contenido de agua y la conductividad eléctrica. Si ésta es la medición deseada, actualmente sólo sirve una tecnología: TDR. La reflectancia del impulso eléctrico que se desplaza por las varillas conductoras contiene una amplia gama de frecuencias. Una vez digitalizadas, estas frecuencias pueden separarse mediante la transformada rápida de Fourier y analizarse para obtener información adicional.
El objetivo de la mayoría de los científicos, sin embargo, es simplemente controlar el contenido de agua del suelo de forma instantánea o a lo largo del tiempo, con una buena precisión, lo que significa que un sistema de sensores TDR complejo y costoso puede no ser necesario.
Las técnicas de sensor de capacitancia y de sensor TDR suelen agruparse porque ambas miden la permitividad dieléctrica del medio circundante. De hecho, no es infrecuente que algunas personas las confundan, sugiriendo que una sonda determinada mide el contenido de agua basándose en la tecnología del sensor TDR, cuando en realidad utiliza la tecnología del sensor de capacitancia. A continuación se aclara la diferencia entre ambas técnicas.
La técnica del sensor de capacitancia determina la permitividad dieléctrica de un medio midiendo el tiempo de carga de un condensador, que utiliza ese medio como dieléctrico. Primero definimos una relación entre el tiempo, t, que tarda en cargarse un condensador a partir de una tensión inicial, Vi hasta una tensión Vf con una tensión aplicada, Vf.
donde R es la resistencia en serie y C es la capacitancia. La carga del condensador se ilustra en la figura 1:
Si la resistencia y la relación de tensión se mantienen constantes, entonces el tiempo de carga del condensador, t, está relacionado con la capacitancia según
Para un condensador de placas paralelas, la capacidad es una función de la permitividad dieléctrica(k) del medio entre las placas del condensador y puede calcularse mediante
donde A es el área de las placas y S es la separación entre las placas. Como A y S también son valores fijos, el tiempo de carga en el condensador es una función lineal simple (idealmente) de la permitividad dieléctrica del medio circundante.
Las sondas de suelo no son condensadores de placas paralelas, pero la relación mostrada en la Ecuación 3 es válida sea cual sea la geometría de la placa. La reflectometría en el dominio del tiempo (una sonda TDR) determina la permitividad dieléctrica de un medio midiendo el tiempo que tarda una onda electromagnética en propagarse a lo largo de una línea de transmisión que está rodeada por el medio. El tiempo de tránsito(t) que tarda un impulso electromagnético en recorrer la longitud de una línea de transmisión y regresar está relacionado con la permitividad dieléctrica del medio, k, mediante la siguiente ecuación
donde L es la longitud de la línea de transmisión y c es la velocidad de la luz (3 x 108 m s en el vacío). Así, la permitividad dieléctrica se calcula
Por lo tanto, el tiempo de propagación de la onda electromagnética a lo largo del sensor TDR es sólo una función del cuadrado del tiempo de tránsito y un valor fijo(c/2L). Dado que c y L son una constante y una longitud fija, respectivamente, las mediciones del sensor TDR son teóricamente menos susceptibles a las condiciones del suelo y del entorno en comparación con los sensores de capacitancia. Sin embargo, la interpretación de la salida del sensor TDR puede ser una fuente considerable de error cuando la alta salinidad disminuye la forma de onda de reflectancia o la temperatura cambia el punto final.
An oscillating voltage must be applied to a TDR sensor or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
Los sensores de capacitancia fabricados por METER utilizan altas frecuencias para minimizar los efectos de la salinidad del suelo en las lecturas. Sin embargo, las frecuencias utilizadas son bastante inferiores a las del TDR, normalmente de 50 a 100 MHz. La alta frecuencia de las sondas de capacitancia "ve" toda el agua del suelo, al tiempo que es lo suficientemente alta como para escapar de la mayoría de los errores de la salinidad del suelo presentes en las sondas de capacitancia más antiguas. Los circuitos de un sensor de capacitancia pueden diseñarse para resolver cambios extremadamente pequeños en el contenido volumétrico de agua, hasta el punto de que la NASA utilizó la tecnología de los sensores de capacitancia para medir el contenido de agua en Marte. Los sensores de capacitancia son más baratos porque no necesitan muchos circuitos, lo que permite realizar más mediciones por dólar.
Al igual que un sensor TDR, un sensor de capacitancia es razonablemente fácil de instalar. Las puntas de medición suelen ser más cortas que las de un sensor TDR, por lo que puede resultar menos difícil insertarlas en un orificio. Los sensores de capacitancia suelen requerir menos energía y pueden durar años en el campo alimentados por una pequeña batería en un registrador de datos.
En resumen, aunque la teoría en la que se basan las mediciones es algo diferente, tanto un sensor TDR como un sensor de capacitancia miden la permitividad dieléctrica para obtener el contenido volumétrico de agua. Desde una perspectiva histórica, tanto el TDR como la capacitancia han obtenido una amplia aceptación, aunque algunos pueden percibir un mayor valor en el TDR en comparación con la capacitancia debido a la extrema diferencia de precio. En general, pueden obtenerse mediciones razonables del contenido volumétrico de agua con cualquiera de las dos técnicas, y los errores en las mediciones suelen deberse más a métodos de instalación deficientes que a limitaciones de las propias técnicas.
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