CALIBRAÇÃO DE SENSOR FDR ECH2O PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS 1

Transcrição

1 CALIBRAÇÃO DE SENSOR FDR ECH2O PARA DETERMINAÇÃO DA UMIDADE EM DOIS TIPOS DE SOLOS 1 M. A. G. Barbosa 2 ; V. B. Figueiredo 3 ; J. F. de Medeiros 3 ; I. B. do Nascimento 4 ; B. L. de Carvalho 5 ; V. S. Palácio 6 RESUMO: O uso de equipamentos que possam monitorar o teor de água no solo com a finalidade de um manejo adequado da irrigação faz-se necessário. Tais equipamentos devem funcionar de forma adequada e para isso torna-se necessário a realização de calibrações dos mesmos em razão das diferenças físicas que os solos apresentam e das características dos sensores. O objetivo deste trabalho foi calibrar sensores dielétricos ECH 2 O para determinação de umidade de solos com composições texturais distintas. A calibração foi conduzida em laboratório, os solos utilizados foram Cambissolo e Argissolo. O sensor de umidade do solo utilizado foi o do tipo capacitivo ECH 2 O, modelos EC-10 (Decagon DeviCEs, Inc), com dimensões de 0,1450 m de comprimento, 0,0317 m de largura e 0,0015 m de espessura, na forma retangular em placas. Os modelos que melhor se ajustaram na correlação entre umidade do solo (m³.m - ³) e o potencial elétrico (mv) foram o linear e o quadrático, apresentando R² 0,98 e 0,84, respectivamente para o caso do Argissolo e 0,76 e 0,74 para o Cambissolo. Parte dos valores obtidos nas regressões ficou abaixo dos valores encontrados pelo fabricante, indicando que a equação do fabricante superestima os valores de umidade do solo. PALAVRAS-CHAVE: Manejo de Irrigação. Cambissolo. Argissolo. FDR ECH 2 O SENSOR CALIBRATION FOR THE DETERMINATION OF MOISTURE IN TWO TYPES OF SOILS SUMMARY: The use of equipment that can monitor the water content in the soil for the purpose of an appropriate irrigation management is necessary. Such equipment must function properly and it becomes necessary to perform calibrations of them because of physical differences that the soils present and the characteristics of sensors. The objective of this study was to calibrate dielectric sensors ECH2O for determining moisture content of soils with different textural compositions. The calibration was conducted in the laboratory, soils were used and Cambisol. The humidity sensor of the soil used was ECH2O capacitive type, model EC-10 1 Trabalho retirado da Dissertação de Mestrado do primeiro autor. 2 Doutorando em Ciências Agrárias, UFRB, Rua Ruy Barbosa, 710, CEP , Cruz das Almas, BA. Fone (75) murilloanderson@hotmail.com. 3 Prof Doutor, Departamento de Engenharia Ambiental, UFERSA, Mossoró, RN. 4 Engenheiro Agrônomo, Doutor em Agronomia/Fitotecnia, UFERSA, Mossoró, RN. 5 Engenheiro Agrônomo, UFERSA, Mossoró, RN. 6 Tecnólogo em Irrigação e Drenagem, Mestre em Irrigação e Drenagem, UFERSA, Mossoró, RN

2 (Decagon Devices, Inc), with dimensions of m in length, m wide and m thick, in rectangular plates. The models that best fit the correlation between soil moisture (m³.m-³) and the electric potential (mv) were linear and quadratic, with R² 0.98 and 0.84 respectively for the case of the Ultisol and 0.76 and 0.74 for Cambisol. Some of the values obtained in the regression was lower than values found by the manufacturer, indicating that the manufacturer's equation overestimates the values of soil moisture. KEYWORDS: Irrigation Management. Cambisol. Ultisol INTRODUÇÃO Na realização de um manejo adequado de irrigação, é importante conhecer o teor de água existente no solo para, dessa forma, aplicar a quantidade de água necessária e no tempo correto. A utilização de sensores é um dos meios mais precisos para acompanhar o conteúdo de água no solo, e sua aplicação vem trazendo várias contribuições ao meio agrícola. Os sensores do tipo capacitivos, por exemplo, têm seu princípio de funcionamento baseado na capacitância elétrica. Sua aplicação tem-se difundido bastante em pesquisas relacionadas à irrigação por ser um método não destrutivo. Esses sensores promovem alternativas para monitorar o teor de água no solo, como evidenciaram Zazueta & Xin (1994), que descreveram a grande capacidade que esses sensores têm de avaliar o conteúdo de água absoluta existente no solo em qualquer profundidade, com nível de precisão relativamente alto. Isso é possível porque, de acordo com Gardner et al. (1998), a técnica da capacitância elétrica é um método capaz de medir a permissividade dielétrica no solo, podendo ser usada freqüentemente para medições do seu conteúdo de água. Em virtude dos sensores determinarem o conteúdo de água do solo de forma indireta, é imprescindível a realização de calibrações para os solos a serem monitorados, em razão das diferenças físicas que os mesmos apresentam. Desse modo, Santos et al. (2006) asseguram que pode ser confiável a transferência dos modelos de calibração em laboratório para aplicações práticas em condições de campo. O que se leva sempre em questão ao analisar um sensor é o seu tempo ou velocidade de resposta. Por isso, o teste de imersão em água, recomendado por Kizito et al. (2008), embora não perfeito, é um modo rápido e simples de avaliar o desempenho da sonda do sensor capacitivo. Aliás, Oliveira (1999) ressalta a importância de um sensor de umidade apresentar tempo de resposta à secagem do solo relativamente rápido para determinar, por exemplo, quando a nova irrigação deverá ser realizada. O objetivo deste trabalho foi calibrar sensores dielétricos ECH 2 O de modelo EC-10 para dois tipos de solos com composição textural distinta (Argissolo e Cambissolo). MATERIAL E MÉTODOS Este experimento constou da calibração dos sensores FDR em laboratório, utilizando dois tipos de solo, Argissolo e Cambissolo. O sensor de umidade do solo utilizado foi o do tipo capacitivo ECH 2 O, modelos EC-10 (Decagon DeviCEs, Inc). O modelo tem dimensões de 0,1450 m de comprimento, 0,0317 m de largura e 0,0015 m de espessura, confeccionado na forma retangular em placas de circuito impresso (fibra de vidro, com uma fina camada de cobre em um dos lados cobertos por um verniz), que segundo Rende e Biage (2002), serve tanto para

3 evitar oxidação das placas de cobre, devido ao contato com o solo, como para eliminar o efeito da condutância elétrica da carga através do dielétrico. O modelo EC-10 determina a umidade do solo através do potencial elétrico gerado em seu capacitor, proporcionais à constante dielétrica do solo. Topp et al. (1980) mostram que a constante dielétrica se relaciona com o teor de água (Ө v ) no solo propondo a Equação 1. Өv = -5,3 * 10 - ² + 2,92 * 10 - ² ξ b 5,5 * 10-4 ξ b ² + 4,3 * ξ b (eq. 1) Onde: Өv = teor de água no solo (m 3 m -3 ), ξ b = constante dielétrica relativa do solo. A calibração dos sensores foi conduzida no Laboratório de Irrigação e Salinidade da UFERSA, Campus Mossoró-RN. Foram coletadas amostras de dois tipos de solos de texturas distintas, um Argissolo e outro Cambissolo, assim definidos através da classificação da EMBRAPA (1999), nas profundidades de 0 a 40 cm. Na caracterização dos solos estudados determinou-se a classificação textural através da análise granulométrica e argila dispersa em água pelo método da pipeta; densidade do solo, pelo método do anel volumétrico (Tabela 1). Antes de chegarem ao laboratório as amostras foram postas para secar ao ar, destorroadas e passadas em peneira com malha de 0,005 m para retirada das raízes e torrões postas em sacos plásticos. Estas amostras então foram postas em recipientes plásticos com dimensões de aproximadamente 10 cm de altura e 5 cm de diâmetro (volume de aproximadamente 200 cm³), utilizando dois recipientes para cada tipo de solo e dois sensores do modelo EC-10 para cada recipiente, constituindo assim, quatro repetições, em cada tipo de solo. O recipiente consistia de um tupo de PVC com um CAP no final, totalmente vedado com fita veda rosca a fim evitar perdas de água e solo. Os conjuntos (recipiente, solo, estação de coleta de dados e sensores) foram colocados sobre uma bancada no laboratório, as amostras foram submetidas às cinco diferentes umidades e as leituras foram realizadas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os dados de umidade volumétrica observados no Argissolo e os respectivos valores de potencial elétrico de resposta dos sensores ECH 2 O, tipo EC-10 são apresentados na Figura 1. Observou-se que para o Argissolo o sensor apresentou uma resposta quadrática à variação da umidade do solo. As quatro aferições dos sensores apresentaram leituras bastante semelhantes entre si para um mesmo valor de umidade do solo (CV = 0,025). A equação que define a curva de calibração para o Argissolo foi: θ = 0, * PE² - 0, * PE + 0, (eq. 2) Onde: θ = umidade do solo (m 3.m -3 ); PE = potencial elétrico do sensor ECH 2 O, tipo EC-10, (mv). Já equação do fabricante que definiu a curva de calibração do equipamento foi: θ = 0, * PE - 0,376 (eq. 3) A equação de calibração apresentada pelo fabricante do sensor para esse solo tem potencial elétrico de até 800 mv com leitura bastante semelhantes à equação obtida, porém em valores superiores a 800 mv, o comportamento da reta é bem diferente. Com isso, o uso da equação de calibração original faria com que os valores de umidade do solo fossem consideravelmente superestimados pelo sensor naquele solo. Miranda et al. (2007) observou uma resposta linear à variação da umidade em um Neossolo quartzarênico.

4 Na Figura 2 encontram-se valores de potencial elétrico (milivolts) e umidade volumétrica do solo para o Cambissolo, através do uso dos sensores ECH 2 O, tipo EC-10. O modelo polinomial quadrático (R² = 0,76) foi o que melhor se ajustou, sendo este o utilizado para se fazer as leituras de umidade do solo pelo sensor. A equação que define a curva de calibração para o Cambissolo foi: θ = 0, * PE² - 0, * PE + 0, (eq.4) Já equação do fabricante que definiu a curva de calibração do equipamento foi a mesma obtida para o Argissolo. Nota-se para o Cambissolo um modelo quadrático, confirmando a resposta do trabalho realizado por Miranda et al. (2007) que também observou a mesma resposta à variação da umidade em um Cambissolo. Os valores da estatística de regressão para o Cambissolo, mostrados nas tabelas 2 e 3, indicam que o teste F foi significativo a 1% ou a 5% de probabilidade para todos os valores, confirmando que a umidade varia entre si até uma umidade de saturação. CONCLUSÃO A equação do fabricante superestimou os valores de umidade do solo, para umidades superiores a 10% sendo necessária a calibração para solos de textura diferentes. AGRADECIMENTO Ao CNPQ, através do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Salinidade pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS GARDNER, C.M.K.; DEAN, T.J.; COOPER, J.D. Soil water content measurement with a high-frequency capacitance sensor. Journal of Agricultural Engineering Research, Silsoe, v.71, n.4, p , KIZITO, F.; et al. Frequency, eletrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor. Journal of Hidrology, Maryland Heights, v.352, n.3-4, p , MIRANDA, F. et al. Calibração do sensor dielétrico ECH2O em dois tipos de solo. Rev. Ciênc. Agron., Fortaleza, v.38, n.3, p , Jul.-Set., OLIVEIRA, C.A.S. Determinação da tensão de água em solo agrícola usando um sensor de dissipação de calor. Pesquisa Agropecuária Brasileira, Brasília, v.34, n.8, p , RENDE, A.; BIAGE, M. Characterization of capacitive sensors for measurements of the moisture in irrigated soils. J. Braz. Soc. Mech. Sci., vol. 24, no. 3, p SANTOS, R.M. et al. Calibração em laboratório de sensores FDR (Frequency Domain Reflectometry) para medição da umidade do solo. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA, 35., 2006, João Pessoa. Anais... Jaboticabal: Associação Brasileira de Engenharia Agrícola, TOPP, G. C.; DAVIS, J.L.; ANNAN, A. Electromagnetic determination of soil water content: measurement in coaxial transmission lines. Water Resources Research, Washington, v.16, n.3, p ZAZUETA, F.S.; XIN, J. Soil moisture sensors. University of Florida, p. Disponível em: < Acesso em: 8 mar

5 Tabela 1. Densidade do solo e composição granulométrica do Argissolo (solo 1) e Cambissolo (solo 2) utilizados no estudo. Argissolo Dens. do Solo (Mg m -3 ) 1,565 1,285 Porosidade total (%) 40,94 51,51 Areia (g kg -1 ) Silte (g kg -1 ) Argila (g kg -1 ) Cambissolo Classificação Textural Arenoso Média Tabela 2. Resultados da análise de regressão para a calibração do sensor ECH 2 O no Argissolo Fonte de Variação Quadrado médio F Pr>F Modelo Liner < Erro Parâmetro Estimativa Erro Padrão T Pr>t X < intercepto < Tabela 3. Resultados da análise de regressão para a calibração do sensor ECH2O no Cambissolo Fonte de Variação Quadrado médio F Pr>F Modelo Liner Erro Parâmetro Estimativa Erro Padrão t Pr>t X < intercepto <0.05 Figura 1. Umidade volumétrica do solo, valores medidos do potencial elétrico do sensores ECH2O, tipo EC-10 e curvas de regressão para o Argissolo. Figura 2. Umidade volumétrica do solo, valores medidos do potencial elétrico dos sensores ECH2O, tipo EC-10 e curvas de regressão para o Cambissolo.