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Ao considerar qual sensor de conteúdo de água no solo funcionará melhor para qualquer aplicação,
é fácil ignorar a pergunta óbvia: o que está sendo medido?
Ao considerar qual sensor de conteúdo de água do solo funcionará melhor para qualquer aplicação, é fácil ignorar a pergunta óbvia: o que está sendo medido? A tecnologia de reflectometria no domínio do tempo (sensor TDR) versus sensor de capacitância é a pergunta certa para um pesquisador que está analisando a permissividade dielétrica em um amplo espectro de frequência de medição (chamado de espectroscopia dielétrica). Há informações importantes nesses dados, como a capacidade de medir a densidade aparente juntamente com o teor de água e a condutividade elétrica. Se essa for a medição desejada, atualmente apenas uma tecnologia será suficiente: TDR. A reflexão do pulso elétrico que desce pelas hastes condutoras contém uma ampla gama de frequências. Quando digitalizadas, essas frequências podem ser separadas pela transformada rápida de Fourier e analisadas para obter informações adicionais.
O objetivo da maioria dos cientistas, no entanto, é simplesmente monitorar o conteúdo de água do solo instantaneamente ou ao longo do tempo, com boa precisão, o que significa que um sistema de sensor TDR complexo e caro pode não ser necessário.
A teoria por trás de ambas as técnicas
As técnicasdosensor de capacitância edo sensor TDR são frequentemente agrupadas porque ambas medem a permissividade dielétrica do meio circundante. De fato, não é incomum que as pessoas confundam as duas, sugerindo que uma determinada sonda mede o teor de água com base na tecnologia de sensor TDR quando, na verdade, ela usa a tecnologia de sensor de capacitância. Veja abaixo um esclarecimento sobre a diferença entre as duas técnicas.
A técnica do sensor de capacitância determina a permissividade dielétrica de um meio medindo o tempo de carga de um capacitor, que usa esse meio como dielétrico. Primeiro, definimos uma relação entre o tempo, t, necessário para carregar um capacitor a partir de uma tensão inicial, Vipara uma tensão Vfcom uma tensão aplicada, Vf.
Equação 1
em que R é a resistência em série e C é a capacitância. O carregamento do capacitor é ilustrado na Figura 1:
Figura 1. O carregamento do capacitor
Se a resistência e a taxa de tensão forem mantidas constantes, o tempo de carga do capacitor, t, está relacionado à capacitância de acordo com
Equação 2
Para um capacitor de placas paralelas, a capacitância é uma função da permissividade dielétrica(k) do meio entre as placas do capacitor e pode ser calculada por
Equação 3
em que A é a área das placas e S é a separação entre as placas. Como A e S também são valores fixos, o tempo de carga no capacitor é uma função linear simples (idealmente) da permissividade dielétrica do meio circundante.
Equação 4
As sondas de solo não são capacitores de placas paralelas, mas a relação mostrada na Equação 3 é válida independentemente da geometria da placa. A reflectometria no domínio do tempo (um sensor TDR) determina a permissividade dielétrica de um meio medindo o tempo que uma onda eletromagnética leva para se propagar ao longo de uma linha de transmissão cercada pelo meio. O tempo de trânsito(t) para que um pulso eletromagnético percorra o comprimento de uma linha de transmissão e retorne está relacionado à permissividade dielétrica do meio, k, pela seguinte equação
Equação 5
em que L é o comprimento da linha de transmissão e c é a velocidade da luz (3 x 108 m s em um vácuo). Assim, a permissividade dielétrica é calculada
Equação 6
Portanto, o tempo de propagação da onda eletromagnética ao longo do sensor TDR é apenas uma função do quadrado do tempo de trânsito e de um valor fixo(c/2L). Como c e L são uma constante e um comprimento fixo, respectivamente, as medições do sensor TDR são teoricamente menos suscetíveis às condições do solo e do ambiente em comparação com os sensores de capacitância. No entanto, a interpretação da saída do sensor TDR pode ser uma fonte considerável de erros quando a alta salinidade diminui a forma de onda da refletância ou a temperatura altera o ponto final.
A frequência faz diferença na precisão
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.
Os sensores de capacitância fabricados pela METER usam altas frequências para minimizar os efeitos da salinidade do solo nas leituras. As frequências usadas, no entanto, são um pouco mais baixas do que as do TDR, normalmente de 50 a 100 MHz. A alta frequência das sondas de capacitância "enxerga" toda a água no solo e, ao mesmo tempo, é alta o suficiente para evitar a maioria dos erros de salinidade do solo presentes nas sondas de capacitância mais antigas. O circuito em um sensor de capacitância pode ser projetado para resolver alterações extremamente pequenas no conteúdo volumétrico de água, tanto que a NASA usou a tecnologia de sensor de capacitância para medir o conteúdo de água em Marte. Os sensores de capacitância têm custo mais baixo, pois não exigem muitos circuitos, permitindo mais medições por dólar.
Assim como um sensor TDR, um sensor de capacitância é razoavelmente fácil de instalar. Os pinos de medição tendem a ser mais curtos do que os de um sensor TDR, portanto, podem ser menos difíceis de inserir em um orifício. Os sensores de capacitância tendem a ter requisitos de energia mais baixos e podem durar anos no campo, alimentados por uma pequena bateria em um registrador de dados.
Os erros são devidos a métodos de instalação inadequados
Em resumo, embora a teoria por trás das medições seja um pouco diferente, tanto um sensor TDR quanto um sensor de capacitância medem a permissividade dielétrica para obter o conteúdo volumétrico de água. De uma perspectiva histórica, tanto o TDR quanto a capacitância ganharam ampla aceitação, embora alguns possam perceber maior valor no TDR em comparação com a capacitância devido à extrema diferença de preço. Em geral, é possível obter medições razoáveis do conteúdo volumétrico de água usando qualquer uma das técnicas, e os erros nas medições geralmente se devem mais a métodos de instalação ruins do que a limitações nas próprias técnicas.
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