Desenvolvimento e calibração de guias de onda para TDR

Development and calibration of TDR wave guides

AUTOMAÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO

Desenvolvimento e calibração de guias de onda para TDR

Development and calibration of TDR wave guides

Camilo de L. T. de Andrade^I; Édio L. da Costa^II; Paulo E. P. de Albuquerque^III

^IEmbrapa Milho e Sorgo, CP 151, CEP 35701-970, Sete Lagoas, MG. Fone: (31) 3779-1000, Fax: [phone]. E-mail: [e-mail]

^IIPesquisador da Epamig, Janaúba, MG

^IIIEmbrapa Milho e Sorgo

RESUMO

A medição da umidade do solo é crucial para a pesquisa e o manejo de irrigação. Entre os métodos mais recentes de determinação da umidade está o da reflectometria no domínio do tempo (TDR) que se baseia na correlação entre a capacidade dielétrica do solo e a sua umidade. A obtenção do perfil de umidade do solo requer a utilização de um grande número de guias de onda, cujo custo ainda é elevado. Por outro lado, as curvas de calibração relacionando umidade com a capacidade dielétrica do solo foram desenvolvidas para outros meios porosos, solos desestruturados e solos de países com clima temperado. O objetivo deste trabalho foi construir uma guia de onda com materiais facilmente encontrados no mercado nacional e calibrá-la para solos tropicais. As curvas de calibração para o Neossolo quartzarênico e Latossolo Vermelho são distintas e diferentes dos modelos apresentados na literatura. A modificação de um modelo matemático, fisicamente embasado, permitiu a geração de curvas de calibração com ajuste adequado, porém independentes para cada tipo de solo.

Palavras-chave: instrumentação, umidade do solo, irrigação

ABSTRACT

Soil-water content measurement is critical for irrigation research and management. Time domain reflectometry (TDR) is among the newly developed methods for determination of soil-water content which relies on the relation between the soil dielectric property and water content. In order to obtain a soil water content profile, a large number of wave guides is necessary which raises the cost. On the other hand, calibration curves relating dielectric capacity to soil-water content have been developed mainly for soils of temperate regions. The objectives of this work were the development of a buriable wave guide using available materials and its calibration for tropical soils. Calibration curves developed for Psament and Haplustox soils are distinct and different from those found in the literature. A modification of a physically-based mathematical model fits well to the data of each soil type independently.

Key words: instrumentation, water content, irrigation

INTRODUÇÃO

A medição do potencial da água e da umidade do solo é essencial para a pesquisa e para o manejo racional da irrigação. Entre os métodos de medição da umidade do solo desenvolvidos recentemente está o da reflectometria no domínio do tempo (TDR), cujo princípio de funcionamento se baseia na relação existente entre a propriedade dielétrica (permissividade) e a umidade do solo. Uma descrição detalhada do princípio de funcionamento desse tipo de equipamento é apresentada na literatura (Soilmoisture, 1990; Or & Wraith, 1997).

A relação entre a umidade e a capacidade dielétrica de um solo mineral é descrita por uma equação empírica desenvolvida por Topp et al. (1980):

(1)

em que q é a umidade do solo (m³ m^-3) e e_b é a capacidade dielétrica (adimensional) do meio poroso, que engloba sólidos, água e ar. Os coeficientes da Eq. 1 são empíricos, ajustados para meios porosos artificiais e solos minerais de países temperados, numa faixa de umidade de 0 a 0,5 m³ m^-3. Nos anos 90, outro modelo fisicamente embasado foi proposto por Roth et al. (1990):

(2)

em que e_e, e_a, e_w são, respectivamente, as capacidades dielétricas da fase sólida, gasosa e líquida do solo, n é a porosidade do solo (m³ m^-3) e b é um parâmetro adimensional relacionado com a geometria do meio poroso. A capacidade dielétrica da fase sólida do solo, da água e do ar, é conhecida e alguns autores têm recomendado o valor de 0,5 para o parâmetro b.

O desempenho desse tipo de equipamento e a aplicabilidade das equações recomendadas pelo fabricante, e descritas na literatura vêm sendo avaliados em condições tropicais (Conciani et al., 1997; Pessoa & Moraes, 1997; Silva, 1998; Pessoa et al., 2000; Souza et al., 2000; Coelho et al., 2001; Tommaselli & Bachi, 2001). Os estudos demonstraram que o equipamento se presta para o monitoramento da umidade (Conciani et al., 1997; Pessoa & Moraes, 1997; Silva, 1998; Souza et al., 2000; Tommaselli & Bachi, 2001) ou do potencial da água no perfil do solo (Pessoa et al., 2000). Todavia, as equações recomendadas não são adequadas para alguns solos do Brasil, necessitando de calibrações locais, e mesmo individuais, para cada tipo de solo (Silva, 1998; Coelho et al., 2001; Tommaselli & Bachi, 2001).

O efeito de propriedades como textura, densidade, teor de matéria orgânica, composição mineral e, também, da temperatura nas propriedades dielétricas do solo foi estudado por vários autores (Dasberg & Hopmans, 1992; Persson & Berndtsson, 1998; Jacobsen & Schjonning, 1993; Halm et al.; 1999; Ponizovsky et al., 1999; Tomer et al., 1999; Coelho et al., 2001; Seyfried & Murdock, 2001; Tommaselli & Bachi, 2001).

Há, basicamente, três tipos de guia de onda que podem ser empregados para monitorar a umidade do solo: 1) de duas hastes grossas, cuja conexão com o cabo não é fixa, permitindo que se instalem hastes em vários pontos e se utilize a mesma conexão para leitura em vários locais (Soilmoisture, 1990); 2) de três ou duas hastes finas, cuja conexão com o cabo é permanente, podendo ser enterrada na profundidade desejada do perfil do solo (Soilmoisture, 1990); 3) de haste segmentada, que é inserida verticalmente no perfil do solo (Conciani et al., 1997; Pessoa & Moraes, 1997; Souza et al., 2000). O primeiro tipo é empregado para monitorar a umidade na superfície, enquanto os dois últimos se prestam para monitorar a umidade no perfil do solo. Devido ao custo elevado para o monitoramento em várias profundidades e em diversos pontos, guias de onda estão sendo confeccionadas localmente, empregando-se materiais de fácil obtenção (Cassel et al., 1994; Conciani et al., 1997; Souza et al., 2000; Coelho et al., 2001). Há, portanto, a necessidade de se produzir, a custo mais baixo, guias de onda para o monitoramento da umidade no perfil do solo.

Este trabalho teve como objetivo confeccionar, com materiais nacionais, e calibrar uma guia de onda para a TDR, modelo TRASE, fabricada pela Soil Moisture¹.

MATERIAL E MÉTODOS

A calibração foi feita em campo, em um Latossolo Vermelho de Sete Lagoas, MG, e em um Neossolo quartzarênico do Projeto Jaíba, MG, cujas características são apresentadas na Tabela 1. Utilizou-se no estudo um equipamento TDR, modelo TRASE, pertencente à EPAMIG (Empresa de Pesquisa Agropecuária do Estado de Minas Gerais).

Guias de onda de três hastes paralelas, espaçadas entre si 1,5 cm e com 15 cm de comprimento, foram confeccionadas no Laboratório de Física do Solo da EMBRAPA Milho e Sorgo, empregando-se materiais nacionais. As hastes da guia foram construídas utilizando-se varetas de solda para aço inoxidável, tipo 308L, diâmetro de 3,25 mm. Um cabo coaxial do tipo RG-58, 50 ohms, flexível, foi utilizado para conectar a guia de onda ao equipamento. Em uma de suas extremidades, foi fixado, por pressão, um conector tipo BNC. A parte externa do cabo coaxial foi dividida para conectar-se nas duas hastes externas e a parte interna foi soldada à haste central da guia. Um capacitor de 3,9 pF, soldado entre duas das três hastes, foi necessário para marcar, eletronicamente, o início da guia de onda. O algoritmo interno da TDR necessita de um pico no início e de uma elevação no final da curva de voltagem versus tempo, para separar a guia de onda propriamente dita do restante do cabo (Soilmoisture, 1990). A função do capacitor foi gerar o pico no início da onda, sem o qual o algoritmo não consegue calcular corretamente a capacidade dielétrica do meio. Para manter as hastes separadas de uma distância fixa sobre a conexão hastes-cabo, fundiu-se um bloco de resina de poliéster tipo T-208, com respectivo catalisador (Figura 1).

A calibração foi feita em campo, instalando-se guias de onda na posição horizontal, nas profundidades de 20 e 40 cm valendo-se, para isto, de pequenas trincheiras abertas minutos antes. Na seqüência, leituras foram feitas com a TDR e, logo em seguida, amostras de solo não-deformado foram retiradas em cada profundidade, para determinação da umidade pelo método gravimétrico. Leituras e amostragens foram realizadas em diversas condições de umidade do solo.

Os modelos de Topp et al. (1980) e de Roth et al. (1990) foram testados para descrever a relação entre umidade e capacidade dielétrica do solo. O modelo de Roth et al. (1990) foi também modificado, incluindo nele uma constante, a, e permitindo o ajuste do parâmetro b:

(3)

Ferramentas de ajuste de modelos não-lineares de planilhas eletrônicas foram empregadas na determinação dos parâmetros a e b.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Dados de umidade versus capacidade dielétrica, para os dois tipos de solo, bem como as curvas de calibração para as guias-de-onda, são apresentados na Figura 2. Nota-se que os valores de umidade e de capacidade dielétrica são muito distintos para os dois solos, contrariando o conceito de calibração universal preconizado pelo fabricante da TDR (Soilmoisture, 1990) e também discutido na literatura (Roth et al., 1992; Coelho et al., 2001; Tommaselli & Bachi, 2001). Valores de capacidade dielétrica entre 2,5 e 7,5 correspondem a valores muito menores de umidade no Neossolo, que no Latossolo. O efeito da textura na estimativa da umidade com TDR foi também observado por outros pesquisadores (Dasberg & Hopmans, 1992; Jacobsen & Schjonning, 1993; Tommaselli & Bachi, 2001; Ponizovsky et al., 1999; Tomer et al., 1999; Seyfried & Murdock, 2001).

Os modelos de Topp et al. (1980) e de Roth et al. (1990) subestimaram a umidade nos dois tipos de solo, conforme também observaram outros autores (Gervasio & Silva, 1999; Tomer et al., 1999; Tomaselli & Bachi, 2001). Em estudos realizados em materiais de solo com textura diferente, verificou-se que a relação entre a capacidade dielétrica e a umidade do solo é melhor descrita com modelos exponenciais (Coelho et al., 2001) ou polinomiais (Tommaselli & Bachi, 2001). No Latossolo, as diferenças são maiores na faixa de baixa umidade, na qual a capacidade dielétrica da fase líquida não é predominante. Pode estar havendo interferência dos óxidos de ferro e de alumínio na capacidade dielétrica dos solos tropicais, o que requer estudos mais aprofundados. Em trabalho realizado por Halm et al. (1999), a adição de 6% em peso de magnetita na areia lavada aumentou consideravelmente as leituras da umidade do solo, obtidas com TDR.

O modelo de Roth et al. (1990) modificado (Eq. 3) foi adequado para ambos os solos (Figura 2 e Tabela 2), porém com parâmetros de ajuste diferentes para cada um dos solos estudados.

O valor de b para o Neossolo é praticamente igual ao proposto por Roth et al. (1990) para um meio poroso isotrópico; entretanto, o valor de 0,07 m³ m^-3, da constante a ajustada, desloca a curva para cima. No caso do Latossolo, o valor de b é ainda maior, estando fora dos limites de -1 e 1, definidos por Roth et al. (1990).

Os valores da constante a para ambos os solos estão próximos de valores médios da umidade do solo no ponto de murcha permanente (-1500 kPa). Uma abordagem semelhante com que se tentou associar o termo independente de um modelo polinomial, com outras propriedades do solo já foi explorada por Tommaselli & Bachi (2001). Este fato é importante no aprofundamento dos estudos visando a uma equação generalizada para solos minerais. A inclusão, no modelo, de outros parâmetros relacionados à textura, porosidade, densidade e matéria orgânica, já foi experimentada em outros trabalhos (Jacobsen & Schjonning, 1993; Ponizovsky et al., 1999; Tommaselli & Bachi, 2001).

CONCLUSÕES

1. A confecção de guias de onda para TDR modelo TRASE, utilizando-se materiais nacionais, foi possível, o que possibilita ampliar a utilização desse equipamento em pesquisa e manejo de irrigação.

2. O comportamento da relação entre umidade e capacidade dielétrica do solo foi diferente para Neossolo quartzarênico e Latossolo Vermelho e requereu curvas de calibração distintas.

3. Os modelos existentes na literatura não descrevem corretamente essa relação para os solos estudados.

4. A modificação do modelo de Roth original permitiu o ajuste de curvas de calibração separadas para cada um dos solos.

LITERATURA CITADA

Protocolo 114 - 8/8/2002 - Aprovado em 3/2/2003

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1

Referência à marca registrada não constitui endosso por parte dos autores e instituições envolvidas no trabalho

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  04 Jan 2005
• Data do Fascículo
  Abr 2003

Histórico

• Aceito
  03 Fev 2003