Conductividad Eléctrica CE

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: TIPOS DE SONDAS DE CONTENIDO DE AGUA DEL SUELO

Comparación de métodos de medida TDR, FDR, capacitancia y resistencia

El contenido de agua del suelo se puede medir a diferentes escalas. Podemos medir a nivel de parcela, de captación o de cuenca usando teledetección.

Todas estas técnicas son extremadamente útiles, pero en este post, únicamente se compararán técnicas de medida in situ. Es decir, sensores que miden en un solo punto en una parcela, ensayo o tratamiento. Estos se clasifican en cuatro métodos básicos:

  • Resistencia
  • Permisividad dieléctrica (TDR, FDR, capacitancia)
  • Conductividad térmica
  • Neutrones

Con diferencia, las técnicas de medida más comunes y con mayor aplicación comercial son la resistencia y los dieléctricos (sondas TDR, sondas FDR, sondas capacitivas), y estos serán el objeto de la comparación.

En el siguiente webinar hay información más extensa sobre estos métodos de medida y otros métodos que no se comentan aquí. Humedad del suelo 201 — Medidas, métodos y aplicaciones del contenido de agua.

Al elegir un tipo de sonda, y por tanto el método de detección de la humedad del suelo, es importante tener en cuenta la aplicación. ¿Para qué queremos el valor de humedad del suelo? Por ejemplo, las necesidades experimentales serán diferentes en un ensayo de Riego Deficitario Controlado (RDC) que en un ensayo de ecología de poblaciones en zonas desérticas en las que se estudia el efecto de la precipitación. 

En los siguientes enlaces hay información para conocer las características más relevantes y la idoneidad de los distintos tipos de sondas y que tipo de sonda es la más adecuada.

En los siguientes enlaces se explica cuál tipo de sensor es más apropiado:

  1. SONDAS RESISTIVAS
  2. SONDAS DIELÉCTRICAS. INTRODUCCIÓN
  3. SONDAS DIELÉCTRICAS; ¿CÓMO FUNCIONAN?
  4. SONDAS DIELÉCTRICAS; ¿TODAS SON IGUALES?
  5. COMPARACIÓN TIPOS DE SONDAS

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: SONDAS RESISTIVAS

Porqué las sondas humedad del suelo de resistivas no son adecuadas para investigación

En la siguiente figura aparecen dos ejemplos de sondas de humedad del suelo encontrados en una búsqueda de Google. Ambas sondas miden el contenido de agua en el suelo al crear una diferencia de voltaje entre los dos electrodos, permitiendo que una pequeña corriente fluya entre ellos, generando un valor de salida de resistencia o conductividad eléctrica.

Como el agua es un mal conductor, son los iones presentes en el agua los que transportan la corriente de un electrodo al otro. En teoría, la idea es buena; tiene sentido que la resistencia disminuya cuando el contenido en agua del suelo disminuya. Pero en la práctica, hay algunos errores referentes a las asunciones aplicadas con este método de medida. Explicamos el porqué:

La figura siguiente ilustra lo que sucede con los iones disueltos en la solución del suelo cuando se carga una placa positiva y otra negativa. El método de resistencia supone que la concentración de iones disueltos en la solución es constante. Este supuesto es erróneo ya que el número de iones puede cambiar ola sonda se puede utilizar en distintos suelos este trozo de frase no lo capto. Es en estas dos situaciones es casi imposible establecer la precisión de la sonda  ya que  el número de iones disueltos en la solución del suelo  cambia, y a pesar de que el contenido en agua del suelo sea el mismo, el flujo de corriente va a ser distinto proporcionando un valor poco representativo.

La idea puede ser explicada con un ejemplo sencillo. Si una sonda se utiliza solo para medidas de húmedo/seco, necesita una calibración que relacione el valor de salida de la sonda (en este caso, la resistencia o su inversa: la conductividad eléctrica) con el contenido volumétrico de agua en el suelo.

La figura anterior es un modelo sencillo de conductividad eléctrica de pasta saturada (la conductividad eléctrica del agua una vez se ha extraído del suelo). La figura muestra que la calibración del sensor cambia más de un orden de magnitud.

Por tanto, aunque las sondas resistivas no son caras, reaccionan a los cambios de contenido de agua en el suelo y son simples de integrar, su uso se limitaría al ámbito doméstico y de la jardinería.

En investigación y aplicaciones científicas, sencillamente, no proporcionan un valor de contenido de agua en el suelo fiable.

ResumenAplicación
Sondas Resistivas– Económicas.
– Responden a los cambios de agua en el suelo.
– Fáciles de integrar.
– Uso doméstico o jardinería

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: SONDAS DIELÉCTRICAS. INTRODUCCIÓN

Sondas dieléctricas (TDR, FDR y capacitivas): para un uso más preciso

Las sondas dieléctricas (de tipo TDR, FDR y capacitivas) son una categoría de sondas que miden la capacidad de almacenamiento de carga del suelo. El método de medida de la capacidad de almacenamiento de carga es mucho más efectivo que el resistivo, y aquí explicamos el porqué:

A la izquierda de la figura anterior, hay una ilustración que muestra lo que les sucede a los iones con una sonda resistiva. Mientras que en la derecha aparece lo que les sucede a los iones con una sonda dieléctrica (TDR, FDR y capacitiva). En una sonda dieléctrica ideal, el circuito eléctrico de la derecha, siempre actúa polarizando las moléculas de agua entre dos electrodos. Las moléculas de agua se alinean en ese campo muy brevemente, por lo que almacenan una pequeña cantidad de carga sin que los iones de los solutos se polaricen. Esta medida es ideal, ya que es sensible a los cambios en la cantidad de agua, y no se ve afectado por los cambios en la concentración de iones.

Los dibujos de la figura anterior son circuitos que representan cómo funcionaría una sonda resistiva (izquierda) y una capacitiva (derecha). Algunas medidas dieléctricas actúan más como el circuito que aparece en el centro, incorpora algo de resistencia en la medida siendo algo sensibles a los cambios de concentración de sales.

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: SONDAS DIELÉCTRICAS; ¿CÓMO FUNCIONAN?

Sondas TDR, FDR y capacitivas: ¿Por qué funcionan?

¿Por qué las sondas de humedad del suelo dieléctricas (TDR, FDR y capacitivas) son más precisas que las sondas resistivas para medir contenido en agua del suelo?

Cada material que se encuentra en el suelo tiene una capacidad de almacenamiento de carga distinta, o dicho de otra forma, cada material tiene una constante dieléctrica distinta. La escala de valores dieléctricos, define de forma arbitraria el valor de 1 al aire y 80 al agua y en función de estos  valores se definen los valores de los otros materiales. El suelo es una mezcla de sólido, líquido y gases. Cada uno de estos materiales tiene un valor dieléctrico distinto, pero en general, todos ellos tienen valores más bajos respecto al agua. Por tanto, cuando la capacidad de almacenamiento de carga del suelo es medida por un sensor dieléctrico, el agua y el aire son los dos componentes que cambian significativamente en volumen, y la sonda dieléctrica puede relacionarlo con el contenido volumétrico de agua.

La figura anterior ilustra como  el valor dieléctrico cambia en el  suelo al variar  el porcentaje de aire y agua. También se muestra la constante dieléctrica del agua para tener la referencia respecto al valor del suelo (obviamente esto no puede ocurrir en el suelo ya que siempre hay una fracción de sólidos). Considerando que el porcentaje de sólidos en el suelo es del 50%, aproximadamente, el intervalo de valores dieléctricos del suelo está comprendido normalmente entre 2 y 30. Estos valores son muy generales y pueden variar dependiendo de las  condiciones específicas que puede tener el  suelo.

Evidentemente, una característica clave de una sonda de humedad del suelo  es la precisión con la que mide el contenido de agua en el suelo.

En el gráfico anterior hay la relación entre el valor dieléctrico del suelo y su contenido volumétrico de agua. Como las sondas resistivas, las sondas de humedad del suelo dieléctricas no son perfectas prediciendo el contenido de agua en el suelo. Sin embargo, los efectos que pueden afectar los datos medidos son menores.

Este gráfico muestra el efecto de la densidad aparente del suelo en la calibración de la sonda. Aunque hay un cierto efecto, en comparación con las sondas resistivas este efecto es menor. La densidad aparente no es el único parámetro que puede influir en  la calibración del sensor. Por ejemplo, la mineralogía del suelo, la salinidad, porcentaje en arcilla y el contacto entre el suelo y la sonda… pueden afectar la precisión de la sonda. Sin embargo, la mayoría de las sondas de calidad y referencia disponibles en el mercado se han desarrollado minimizando estos efectos. Hay que tener en cuenta que no es posible eliminar todos estos efectos, pero sí que es posible minimizarlos.

En la siguiente imagen se presenta la sonda TEROS 12 que utiliza la tecnología capacitiva de alta frecuencia.

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: SONDAS DIELÉCTRICAS ¿TODAS SON IGUALES?

No todas las sondas dieléctricas están al mismo nivel

Las sondas dieléctricas (TDR, FDR y capacitivas) no han sido diseñadas de la misma forma, de hecho, algunas de ellas pueden funcionar de forma parecida a una sonda resistiva dependiendo de la frecuencia de medida y del diseño del circuito. El hecho de poder polarizar las moléculas de agua sin polarizar los iones disueltos depende de cómo de rápido se hace esta polarización o de la frecuencia de medida.

A bajas frecuencias, las sondas dieléctricas polarizan el agua y las sales y por tanto la medida es altamente sensible a la salinidad del suelo. Sin embargo, cuando la frecuencia se incrementa (alrededor de 50 Mhz y superior) esta influencia se reduce. Por este motivo, si un sensor trabaja con frecuencias a escala de kHz (como podría ser un sensor de 5$ de Amazon) significa que la precisión de la medida estará muy afectada por los factores de error ya descritos. Por otro lado, el hecho de trabajar a altas frecuencias tampoco garantiza que se puedan  evitar estos factores, ya que el diseño del sistema eléctrico juega un papel importante.

Existen diversos tipos de sondas dieléctricas, y el webinar de este post  proporciona más información sobre cada tecnología. Las sondas dieléctricas más comunes para investigación son:

  • Sondas capacitivas: las sondas capacitivas usan el suelo como un elemento condensador y utilizan la capacidad de almacenamiento de carga para calibrar el contenido de agua.
  • Time-domain reflectometry (TDR): las sondas TDR miden el tiempo de transmisión de una onda de energía eléctrica reflejada a lo largo de una línea de transmisión. El tiempo de transmisión está relacionado con la capacidad de almacenamiento de carga del suelo y el contenido volumétrico de agua. Curiosamente, estas sondas no solo  trabajan a frecuencia, si no que trabajan en  un intervalo de frecuencias, de modo que se puede omitir el efecto de la salinidad.
  • Frequency-domain sensors (FDR): las sondas FDR también utilizan el suelo como condensador para medir la frecuencia de resonancia máxima en el circuito eléctrico,  relacionando la frecuencia con el contenido de agua.

Numerosos estudios han mostrado que las siguientes sondas son adecuadas para medir contenido de agua: METER Group (antes Decagon Devices) EC-5, 10HS, 5TE, 5TM (actualmente TEROS 10, TEROS 11 y TEROS 12), Campbell Scientific CS655, TDR 200 y SoilVue10,  Delta T Theta Probe y SM series,  Stevens Hydra Probe y finalmente Acclime True TDR series. Todas estas sondas pueden necesitar  una calibración en función de tipo de suelo y  conductividad eléctrica.

SONDAS DE HUMEDAD DEL SUELO: COMPARACIÓN TIPOS DE SONDAS

¿Cuál sonda es la más apropiada?

Vaz et al., (2013) realizaron un estudio exhaustivo  comparando diversas sondas (leer aquí) y ofreciendo una  información detallada. Este tipo de estudios son un fantástico punto de inicio si se quieren utilizar sondas de humedad  del suelo. Pero hay otros factores a considerar cuando se escoge una sonda de humedad  del suelo para una  aplicación determinada. Estos factores se exploran  en este post.

Los siguientes cuadros  comparan los tipos de sondas para medir el contenido de agua (sondas TDR, sondas FDR, capacitivas, resistivas, COSMOS y sonda de neutrones), las ventajas e inconvenientes de cada una y en qué situación o aplicación se recomienda su  uso . Todas las sondas de contenido de agua de METER Group utilizan la técnica de medida de capacitancia a alta frecuencia. También cuenta con  una herramienta de instalación para asegurar la mayor precisión  posible. Para tener más detalle de este método de medida, mirad el webinar de este enlace.

 

VentajasDesventajas¿Cuándo usarlas?
Sondas resistivas– La medidas pueden registrarse en un datalogger.
– Económicas.
– Uso bajo de energía.
– Baja precisión: la calibración cambia con el tipo de suelo y la concentración de sales.
– No son resistentes al paso del tiempo
– Cuando el interés es medir si el contenido en agua ha cambiado sin que la precisión sea importante.
Sondas TDR– La medidas pueden registrarse en un datalogger.
– Precisión alta con calibración específica (2-3%).
– Insensible a la salinidad.
– Bien considerada en el ámbito científico.
– Más difíciles de usar que las capacitivas.
– Más tiempo para instalarlas ya que hay que excavar una zanja.
– No funcionan a salinidades altas.
– Consumen mucha energía.
– En el caso de que la organización o laboratorio ya tenga implementado el sistema. Son más caras y complejas que las sondas capacitivas y se ha demostrado que son igual de precisas.
Sondas capacitivas– La medidas pueden registrarse en un datalogger.
– Algunas de ellas son muy fáciles de instalar.
– Precisión del 2-3% con calibración de fabrica.
– Uso de energía bajo.
– Económicas. Muchas medidas por € invertido.
– La precisión baja si la salinidad es superior a 8 ds/m (pasta saturada).
– Algunas marcas comerciales producen sondas con una precisión y rendimiento muy deficiente.
– Cuando hay que monitorizar varios puntos.
-Cuando se necesita un sistema fácil de implementar.
– Cuando se requiere poca energía.
– Cuando se quiere tener muchas medidas por € invertido.
Sondas de neutrones– Gran volumen de exploración.
– Insensibles a la salinidad.
– Bien consideradas en el ámbito científico.
– Las lecturas no se ven afectadas por el contacto sonda – suelo.
– Coste elevado.
– Se necesita un certificado de formación para emplearlas. Están controladas por el Consejo de Seguridad Nacional.
– No proporcionan medidas en continuo.
– Cuando ya se tienen sondas de neutrones en el sistema y se conocen cómo interpretar los datos.
– Cuando el suelo tiene arcillas expansivas donde el contacto sonda – suelo es un problema.
COSMOS– Gran volumen de exploración.
– Eficaces enviando datos de satélite al suelo ya que suavizan las variabilidades de gran escala.
– No tienen problemas con el contacto sonda – suelo.
-Extremadamente caras.
– Volumen de medida mal definido y varía con el contenido en agua.
– La precisión cambia dependiendo de varios factores como la vegetación.
– Cuando hay que obtener el valor de contenido de agua a gran escala.
– Cuando hay que validar datos de satélite.

Si se comparan las ventajas de todas estas sondas:

ResisitivasTDRCapacitivasNeutronesCOSMOS
PrecioMuy económicoModeradamente bajoDe económico a moderadoAltoExtremadamente alto
PrecisiónBajaAlta (calibración específica)AltaBajaVariable
ComplejidadBajaDe baja a intermediaBajaAltaAlta
Uso energíaBajoDe moderado a altoBajoAlto
Efecto salinidadExtremoSin efecto a salinidades bajas y alto a salinidades altas.Con efecto a salinidades altas.NoNo
DurabilidadBajaAltaAltaAltaAlta
Volumen influenciaPequeñoDe 0,2 a 2 l, dependiendo de la longitud y forma campo electromagnéticoDe 0,2 a 2 l, dependiendo de la longitud y forma campo electromagnéticoDe 20 a 40 cm dependiendo del contenido de agua.800 m de diámetro de una esfera.

Jornada Técnica Gestión del suelo y del riego en escenarios de sequia

Os invitamos a la Jornada Técnica Gestión del suelo y del riego en escenarios de sequia

El próximo 3 de julio en Barcelona en el Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya se celebrará la Jornada Técnica Gestión del suelo y del riego en escenarios de sequia.

El impacto del uso del agua a nivel local y en un período de tiempo concreto debe tener en cuenta tanto el volumen consumido proveniente de aguas superficiales o acuíferos como la disponibilidad en términos hidrológicos, además de aspectos de la calidad del agua. Por este motivo, en escenarios de sequía o cambio climático, contabilizar y utilizar indicadores medibles del balance hídrico a diferentes escalas es esencial para establecer comparativas y tomar decisiones correctas.
Esta jornada tiene como objetivo intercambiar experiencias sobre el uso de tecnologías, técnicas y modelos que se están utilizando en nuestro país, quizás no de forma integrada. Y además, para cuantificar flujos de agua en el sistema suelo-planta-atmosfera a diferentes escalas y con diferentes objetivos.
La jornada va destinada a profesionales del mundo académico, empresarial y administraciones que trabajan en temas relacionados con el uso del agua, escenarios de sequia, cambio climático, hidrogeología y agricultura.

Lugar de realización

Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya 
Parc de Montjuic
08038 BARCELONA

Inscripciones

La jornada es gratuita, pero debe inscribirse antes del 29 de junio a través de: Oficina del Regant contactando con Maite Sisquella (Tel.: 973 310 715 – A/e: mtsisquella@gencat.cat)
También se puede inscribir a través del servicio de Preinscripciones a jornadas del PATT del portal RuralCat:
ruralcat.gencat.cat/preinscripcionspatt

Aquí encontrareis el programa de la jornada

Cálculo de la CE de la solución del suelo a partir de la CE aparente

Conductividad Electrica de la solución del suelo ¿Cómo calcularla?
Conductividad Electrica de la solución del suelo
¿Cómo calcularla?

Calcular la CE de la solución del suelo (Pore EC -σw-) a partir de la CE aparente (Bulk EC -σb-) NO consiste en cambiar las unidades, en realidad es un modelo. O mejor dicho, muchas clases de modelos diferentes. Algunos son empíricos, otros teóricos, y todos tienen sus propios puntos fuertes y débiles.

Decagon Devices Inc. ha optado por el modelo Hillhorst, pero hay otros modelos populares, como el modelo de Rhoades y el de Mualem y Friedman (MF).

Si estás interesado en estos modelos puedes descargarte un artículo de revisión a través de este enlace

La Conductividad Eléctrica (CE), entrada 10

Balance de sales en el suelo utilizando la Conductividad Eléctrica

Imagen de la Facultad de Agronomia. Universidad de la República - Uruguay
Imagen de la Facultad de Agronomia. Universidad de la República – Uruguay

La Conductividad Eléctrica del agua (CEw) es directamente proporcional a la concentración de sales, por lo que la CEw se puede utilizar para conocer la concentración de sales (además de los análisis que hagamos).

Sí somos capaces de medir la CEw aplicada al suelo, y también la CEw del drenaje, se puede calcular la fracción de agua que es transpirada por las plantas y la fracción drenada. Este método es útil para medir balance de agua en campo.

En el Blog.lisimetro.com explican como hacerlo, sigue este enlace 

Convertir la CE de la solución del suelo en la CE del Extracto Saturado

Suelo con problemas de salinidad ¿Cual es su valor de CE?
Suelo con problemas de salinidad ¿Cual es su valor de Conductividad Eléctrica?

La Conductividad Eléctrica del extracto saturado (CEe o σe) es la CE del agua de los poros extraída de la pasta saturada de suelo. El suelo humecta con agua destilada hasta saturación y a continuación el suelo se coloca sobre un papel de filtro en un embudo de vacío y se aplica succión. La medida de la CE de esta agua extraída del suelo es la CEe
Y este valor de CEe es el más usado en las recomendaciones sobre salinidad
También se puede calcular a partir de los valores de la CE de la solución del suelo con la siguiente ecuación

σe= σw (θ/θs)

que sí la combinamos con las ecuaciones (1) y (4) de la entrada anterior sobre CE, obtenemos

σe= 80θσb/ θs(εb- 4,1)

Esta ecuación parece ser por el momento la más útil para evaluar salinidad en campo. Y una vez más, hay que emplearla con valores de contenido de humedad del suelo elevados para que el modelo de Hilhorst tenga la mayor precisión posible
Por ejemplo, si la densidad aparente de nuestro suelo es 1,33mg/m3 y usamos la ecuación 4, obtendremos un valor de saturación del contenido de humedad del suelo (θs) de 1 – 1,33/2,65= 0,5
Si hemos medido una CE aparente de 0,3 dS/m cuando el contenido de humedad del suelo es 0,345 m3/m3 y la εb=20, entonces la σe será
(80*0,345*0,3)/0,5(20 – 4,1)= 1,04 dS/m

La Conductividad Eléctrica (CE), entrada 9

Ir arriba