PROPOSTA DE PROCEDIMENTO PARA CALIBRAÇÃO DE SENSORES DE UMIDADE
ECH2O PARA MANEJO DE IRRIGAÇÃO
Proposed procedure for calibration of humidity sensors, ECH2O Irrigation Management
Jonas Gaspar Lima DORNELES1 Claiton RUVIARO2
RESUMO
A ineficiência na administração dos recursos hídricos disponíveis em muitos empreendimentos agrícolas tem sido a causa de aumento de custos e baixas produtividade, uma vez que muitos sistemas irrigantes não têm acompanhamento técnico de monitoramento de irrigação. A determinação do volume de água disponível no solo é de grande importância, pois é através desta que se define o quando e quanto irrigar nos mais diversos tipos de solos. Os atuais equipamentos nos permitem ter uma leitura em tempo real do volume de água armazenado no solo e ainda quantificar se a planta está tendo gasto energético na absorção de água. Este trabalho buscou desenvolver uma metodologia que tornasse acessível e pratico a calibração de sensores de umidade do solo modelo ECH2O Dielectric Aquameter. Os resultados mostram que através desta metodologia é possível em 10 dias se obter uma equação para um determinado solo com nível de precisão acima de 97%.
Palavras-Chave: irrigação, metodologia, água.
ABSTRACT
Inefficiency in the administration of available water resources in many agricultural enterprises have been the cause of increased costs and low productivity, since many systems do not have irrigation monitoring technician monitoring. The determination of the amount of water available in soil is of great importance, because it is through this that defines when and how much to irrigate. Today's equipment allow us to have a real-time reading of the volume of water stored in the soil and even quantify whether the plant is having energy expenditure in water absorption. This work sought to develop a methodology that would make it accessible and practical calibration of soil moisture sensors, ECH2O Aquameter Dielectric model. The results show that this methodology is possible in 10 days to obtain an equation for a given soil with level of accuracy above 97%.
Key words: irrigation, methodology, water.
1 Discente do curso de Agronomia, departamento de Ciências Agrárias, URI Campus de Santiago. Santiago, RS. jonasdornelesrs@gmail.com
2
Docente do curso de Agronomia, Dr. Agronomia, departamento de Ciências Agrárias, URI Campus de Santiago. Santiago, RS. ruviaro@urisantiago.br
INTRODUÇÃO
Os programas atuais de incentivo a agricultura irrigada tem facilitado a implantação de sistemas de irrigação de pequeno, médio e grande porte. Segundo o BNDES (2011), existe credito disponível para os produtores rurais com até 12 anos de prazo com três anos de carência, a uma taxa de juros de 6,75 % ao ano com possibilidade de ser financiado 100% do empreendimento. O mesmo BNDES afirma que a linha de crédito MODERINFRA tem como principal objetivo apoiar o desenvolvimento da agropecuária irrigada sustentável, econômica e ambientalmente, de forma a minimizar o risco na produção e aumentar a oferta de produtos agropecuários.
A irrigação constitui uma alternativa para a melhoria do rendimento de grande parte das culturas e quando utilizada deve priorizar a adoção de procedimentos para seu controle, dentro de um critério racional. Este consiste em medir ou avaliar a quantidade de água do solo no decorrer do tempo, de forma a proporcionar a cultura, condições de disponibilidade hídrica, determinando o momento que deve ser efetuada a irrigação e a quantidade de água que deve ser aplicada.
Sua aplicação, porém, exige maior consumo de água e de energia. Logo, torna-se imprescindível aperfeiçoar o consumo de água e energia, para maximizar a rentabilidade da produção e minimizar o impacto da atividade sobre o ambiente. A fim de desenvolver técnicas de irrigação com maior controle de água e que permitam a preservação dos recursos hídricos.
Para que este desenvolvimento seja sustentável, é necessário que os recursos hídricos sejam administrados de forma técnica, visando ter a melhor produtividade com a aplicação de insumos, dentre eles a água, com a maior precisão possível.
As medidas de umidade do solo estão relacionadas com o conteúdo de água do solo ou com o potencial de água do solo. O conteúdo de água expressa a massa ou o volume de água presente no solo, enquanto que o potencial de água expressa o estado energético da água retida no solo. O conteúdo de água do solo expresso em função da massa é denominado conteúdo de umidade gravimétrica do solo (θg) e é definido como sendo a relação entre a massa de água da amostra de solo (Mw) e a massa de solo seco contida na amostra (Ms).
Quando o conteúdo de água do solo é expresso em função do volume passa a ser denominado conteúdo de umidade volumétrica do solo (θv) e é definido como sendo a relação entre o volume de água da amostra de solo (Vw) e o volume total de solo seco + ar + água da amostra (Vs).
A relação entre o conteúdo de água no solo e o potencial matricial é denominada curva de retenção ou curva característica. Essa relação não é universal e depende das características do solo local, tais como densidade e textura.
Este trabalho teve como objetivo desenvolver uma nova metodologia para determinação do conteúdo de água no solo com sensores que relacionam a umidade do solo com as propriedades dielétricas do meio solo-água-ar.
REVISÃO DA LITERATURA
O objetivo de qualquer empreendimento é ser economicamente viável, e a agricultura irrigada tem se confirmado através dos anos como sendo uma atividade de alto retorno financeiro quando bem conduzida. Porém um dos entraves tem sido em relação ao manejo dos recursos hídricos, uma vez que pequenos erros na determinação de quando irrigar e do volume a ser aplicado podem ocasionar redução na produtividade e/ou aumento nos custos de produção o que proporciona menos rentabilidade.
do solo constitui em um dos fatores mais importantes dentro do sistema solo-água-planta-atmosfera. Porém Gonçalves et al. (1999 apud TRINTINALHA et al., 2004) afirmam que embora sendo a umidade do solo um conceito físico simples, a sua determinação apresenta dificuldades devido à inerente variabilidade espacial e temporal das características físicas do solo.
Conforme Reichardt & Timm (2004 apud NASCIMENTO et al., 2010) o conhecimento da textura de um solo merece atenção especial, pois seu conhecimento auxilia na determinação da área de contato entre as partículas sólidas e a água, determinando preponderantemente a distribuição do diâmetro dos poros.
Em trabalho realizado por Souza (1999 apud ALVES et al., 2010) mostrou que solos de textura diferente divergem quanto à capacidade de retenção de água, de forma que os de textura fina retêm mais água que os de textura grossa.
A umidade do solo por sua vez pode ser determinada por métodos diretos ou indiretos, sendo que Trintinalha et al. (2004) alega que os métodos diretos são destrutivos, o que impede a sua repetição da medida de umidade no local. Neste contexto surgem os métodos indiretos que são aqueles que por meio dos quais se torna possível determinar a quantidade de água presente no solo utilizando medidas de características dos mesmos, relacionadas com a umidade.
A determinação do conteúdo de água no solo pode ser feita direta ou indiretamente. Métodos como o gravimétrico são experimentos que não exigem materiais de alto custo, sendo uma técnica direta de medida, é realizado por meio de pesagem e secagem de amostras de solo. Como um método usado em laboratório, esta técnica é tida como um método padrão comparativo para se conhecer o conteúdo de água presente em uma determinada amostra. O método gravimétrico e a lisimetria (medida gravimétrica não destrutiva) são métodos diretos. Técnicas radiológicas, como a dispersão de nêutrons e a absorção gama; e medidas derivadas das propriedades dielétricas do solo, como a reflectometria no domínio do tempo são exemplos de medidas indiretas. Para a determinação do potencial de água no solo são utilizados métodos indiretos através de instrumentos como tensiômetros, blocos de resistência e psicrômetros. Finalmente, através de técnicas de sensoriamento remoto também é possível determinar a umidade do solo nas camadas mais superficiais do solo. Como consequência, as medidas de umidade do solo utilizando estações meteorológicas de superfície ganham maior importância, uma vez que as medidas remotas precisam ser validadas e demonstradas.
Dentre todos esses métodos e técnicas de medida aqueles que utilizam a reflectometria no domínio do tempo (TDR) ou da frequência (FDR), apesar do seu alto custo, vêm ganhando cada vez mais espaço na preferência dos pesquisadores. A reflectometria apresentam boa precisão e resolução, resposta rápida, e é uma técnica não destrutiva, não emitem radiação ionizante e podem efetuar medidas contínuas por longos períodos. Esses instrumentos registram a umidade do solo por meio da análise da constante dielétrica do solo e da água, que é a técnica utilizada para medir o tempo de reflexão de uma onda eletromagnética no solo.
Miranda et al.(2007) destaca que entre os métodos indiretos de determinação de umidade do solo, existem aqueles que relacionam a umidade com as propriedades dielétricas do meio solo-água-ar, como a Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR) e as sondas de capacitância. Cecílio et al. (2009) garantiu que esses equipamentos têm a vantagem de serem precisos, além de não destruírem a amostra de solo e determina a umidade do solo em tempo real.
Os sensores de umidade do solo modelo ECH2O, necessitam de calibração para cada tipo de solo, uma vez que Miranda et al.(2007) assegura que solos com altos teores de sal ou areia fazem com que a calibração de fábrica não proporcione bons resultados.
OBJETIVOS
- Proporcionar um procedimento que atenda as necessidades dos usuários de sensores de solo ECH2O para que os mesmos possam realizar a sua calibração em diferentes tipos de solo.
- Fazer com que a calibração ocorra em menos tempo possível mantendo o nível de precisão. - Um procedimento de fácil aplicação com a utilização de equipamentos acessíveis e baixo custo.
MATERIAL E METODOS
1- Calibração:
A calibração de sensores de umidade do solo, ou seja, a relação entre o conteúdo de água (θ) e a constante dielétrica aparente do solo (ε) medida por um instrumento, adota-se tradicionalmente um modelo empírico e referente a um tipo de solo que lhe deu origem ou experimento que tenha sido realizado.
Através destes modelos obtém-se uma “curva de calibração” do equipamento, como é impropriamente denominada, pois não há qualquer caracterização do ponto de vista metrológico, apenas um ajuste de curva através de regressão linear ou não linear. Dentro deste conceito de “calibração”, em 1980, foi formulada a equação universal de Topp, determinada empiricamente através dos experimentos realizados com cinco tipos de solos indo desde os argilosos até os arenosos.
Atualmente não existem padrões de calibração comerciais para calibrar as sondas ou sensores do tipo ECH2O. Algumas normas (ASTM International) fornecem diretrizes básicas para a determinação do conteúdo de água no solo através de métodos clássicos e podem servir de base para a avaliação e determinação dos procedimentos a serem adotados para a calibração destes sensores.
O estudo foi conduzido no Laboratório de Hidráulica localizado na Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e Missões, URI- Campus Santiago. Foram coletadas amostras de solos da área experimental de culturas irrigadas localizada no Campus da Universidade, em um solo classificado como Argissolo Vermelho-Amarelo com textura argilosa, relevo ondulado e substrato basalto (EMBRAPA, 1999). As amostras de solos foram coletadas nas camadas de 0 a 0,20 m e 0,20 a 0,40 m.
2- Experimento em Laboratório:
Para o experimento em laboratório através do método gravimétrico, foi utilizada amostra de solo deformada, em quantidade suficiente para a inserção dos sensores, extraídas em solo utilizado para irrigação em culturas anuais.
O procedimento teve início com amostras de solo, onde as quais foram passadas por peneira com malha de 0,005m para a retirada de raízes e torrões. Após pesagem com balança de precisão, foram conduzidos quatro kg de solo, para a estufa, distribuídos em recipientes metálicos e alocados para secagem a 105°C por 48 horas.
Nas mesmas trincheiras em que foram coletadas as amostras de solo, também se retirou amostras indeformadas de solo, através de anéis volumétricos de 338,45 cm³ para a determinação de densidade do solo (dg, kg m-3), em laboratório. Estas amostras permaneceram por 48 horas, em estufa a 105°C, e após pesagem de solo seco, determinada a densidade do solo.
Os sensores de solo ECH2O utilizados para medida do conteúdo de água no solo neste experimento utilizam o princípio de funcionamento da reflectometria. A sonda gera um sinal senoidal que é estendido para o interior do solo através da haste do sensor. A impedância da
disposição das hastes varia com a impedância do solo, que tem duas componentes: constante dielétrica e condutividade iônica. O sinal de frequência da sonda atua no sentido de minimizar os efeitos desta última. Uma vez que a constante dielétrica da água é muito maior que a constante do solo e do ar, a constante dielétrica do solo é determinada em função do seu conteúdo de água. As medidas realizadas por estes sensores podem ser afetadas por variações na densidade e composição do solo, rochas próximas às hastes, raízes, buracos (bolsas de ar) feitos por minhocas ou outros bichos, dejetos no subsolo e, em menor escala, devido às perdas por transpiração e evaporação.
Para o experimento em questão considerou-se desprezível o efeito da sanilidade da amostra de solo coletada.
O sensor de solo ECH2O apresenta as específicas técnicas, conforme descrita a seguir: Velocidade de Medição: Menos de 1 segundo, resolução: 1mV, 0,1%, em 0,01 / ft. calibragem ajustável, precisão: +/-3%. Sensor de umidade do solo, modelo EC-20, Decagon, com cabo de 2m, faixa de medição de 0 a 0,405m³/m³ de conteúdo volumétrico de água (0 a 40,5%), precisão ±0,041 m³/m³ (±4%) para a maioria dos solos, ±0,20m³/m³ (±2%) com calibração especifica do solo, resolução ±0,0004m³/m³ (±0,04%), medição do valor médio, ambiente de uso -40°C a +50°C, dimensões da sonda 254 x 32 x 1,0mm (Figura 1).
Figura 1. Sensor de conteúdo de umidade no solo em conjunto com sistema de aquisição de dados.
Para realizar a calibragem do sensor foi utilizada uma garrafa “pet” de dois litros de capacidade, sendo que na mesma foi feito uma abertura lateral de 0,26 m, cortando na extremidade inferior e a 0,17 m um corte de 0,035m para cada lado, (figura 2). Nesta garrafa foi aberto orifícios de 0,005 m de diâmetro com um distancia de 0,03 m entre aberturas.
Figura 2. Protótipo de garrafa pet para acondicionar a amostra de solo e a régua ECH20.
Em sequência foi colocado no fundo da garrafa “pet” um pano multiuso composto de 100% de fibras de viscose, resinas acrílicas com a função de impedir a saída de solo do recipiente.
Foi realizada a pesagem da garrafa com o pano mais o sensor de solo ECH2O, e em seguida colocado meia garrafa de solo seco em estufa, a seguir foi inserido o sensor e complementado a garrafa com solo seco em estufa. Após secagem foi realizada a pesagem e obteve-se a massa de solo seco mais recipiente.
haver perda de solo, e deixado em repouso em uma bacia com água para homogeneização da umidade. A partir de então se procedeu às leituras no sensor, sendo estes coletados sempre em milivolts (Sen), e após cada leitura imediatamente se procedeu à pesagem da garrafa com o sensor e solo, dando origem assim a massa de solo úmido mais massa do litro.
Este conjunto para calibração deve ficar exposto ao ambiente em uma bancada com temperatura acima de 30°C, com circulação de ar para auxiliar na perda de água para a atmosfera. Para todas as pesagens foi utilizada uma balança de precisão de 0,01g.
Para a determinação da umidade volumétrica do solo, foi levada em consideração a massa seca do solo em relação a sua densidade, utilizou-se a equação descrita a seguir:
Uv%= {[(MSU+ML)-(MSS+ML)]/[(MSS+ML)-(ML)]} x d x 100 Sendo que:
Uv = umidade volumétrica do solo
MSU+ML: Massa do solo úmido mais massa do litro MSS+ML: Massa do solo seco mais massa do litro ML: Massa do litro
d: Densidade do solo
Os dados de umidade do solo foram coletados diariamente às nove horas, por um período de dez dias, e arquivados em uma planilha, com os dados de umidade volumétrica e milivolts.
RESULTADOS E DISCUSÕES
Convertendo-se os valores de conteúdo de água gravimétrico para conteúdo de água volumétrico, referentes às amostras do solo, retiradas da garrafa “pet”, foi possível obter os resultados pelo sensor.
A relação entre conteúdo de umidade volumétrico e gravimétrico foi obtida por: θv = θg (Ms / Vs) /ρw) (1)
Onde:
Ms = massa seca do solo Vs = volume do solo
ρw = 1, é a densidade da água.
A aplicação da calibragem para o solo resultou em uma distribuição de dez pontos no gráfico de dispersão.
A partir dos valores de umidade volumétrica e condutividade elétrica foi encontrado um modelo linear de regressão (Figura 3). A equação que define a reta de calibração do equipamento para o solo em estudo, segue abaixo:
y=0.101x – 40,972 r² = 0.9756
Em que: y: é a umidade do solo em m³ m-3 x: é o potencial elétrico em mV
y = 0.101x - 40.972
R² = 0.9756
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
θθθθ
v%
Figura 3. Medidas da condutividade elétrica (mV) de sensores ECH2O e correspondente conteúdo volumétrico de água (θv%).
Trintinalha et al. (2004), estudando o comportamento do sensor ECH2O em um Nitossolo Vermelho distroférrico, obtiveram uma equação de calibração quadrática. Entretanto para cada unidade de solo deve-se proceder a calibração, visto que Miranda et al. (2007) ressalta que o sensor ECH2O apresentou curvas de calibração distintas em função das diferentes unidades de solo estudadas.
Observa-se que o sensor respondeu de maneira personalizada à constante dielétrica do solo, como era de se esperar, independente do tipo de procedimento de calibração a ser adotado para a umidade do solo. É fundamental a análise de incertezas envolvidas no processo de calibração para que se utilizem as equações de calibração de forma adequada.
Apesar de existirem normas específicas que tratam da calibração destes sensores, não se atentou com o devido rigor sobre a importância de se obter as incertezas de calibração. Assim se aplicar esta informação aos dados obtidos, produzindo resultados confiáveis de modo que possa haver assim comparabilidade entre dados científicos em qualquer parte do planeta.
Os resultados obtidos possibilitaram concluir que para cada milivolts (mV), corresponde a 0,01% de umidade volumétrica. Para facilitar a rápida interpretação em nível de campo, foi elaborado o quadro um, onde esta já consta com todas as leituras possíveis de serem encontradas neste solo e com seus volumes de água disponíveis calculados.
Devido à necessidade de ser calibrada para cada tipo de solo, esta metodologia torna possível que o sensor seja calibrado em um curto período de tempo, em 10 dias, ao contrario de outras metodologias, como a utilizada por Miranda et al. (2007) que ultrapassou os 40 dias para a calibração do sensor.
501
9.6
551 14.7
601 19.7
651 24.8
701 29.8
751 34.9
801 39.9
502
9.7
552 14.8
602 19.8
652 24.9
702 29.9
752 35.0
802 40.0
503
9.8
553 14.9
603 19.9
653 25.0
703 30.0
753 35.1
803 40.1
504
9.9
554 15.0
604 20.0
654 25.1
704 30.1
754 35.2
804 40.2
505 10.0
555 15.1
605 20.1
655 25.2
705 30.2
755 35.3
805 40.3
506 10.1
556 15.2
606 20.2
656 25.3
706 30.3
756 35.4
806 40.4
507 10.2
557 15.3
607 20.3
657 25.4
707 30.4
757 35.5
807 40.5
508 10.3
558 15.4
608 20.4
658 25.5
708 30.5
758 35.6
808 40.6
509 10.4
559 15.5
609 20.5
659 25.6
709 30.6
759 35.7
809 40.7
510 10.5
560 15.6
610 20.6
660 25.7
710 30.7
760 35.8
810 40.8
511 10.6
561 15.7
611 20.7
661 25.8
711 30.8
761 35.9
811 40.9
512 10.7
562 15.8
612 20.8
662 25.9
712 30.9
762 36.0
812 41.0
513 10.8
563 15.9
613 20.9
663 26.0
713 31.0
763 36.1
813 41.1
514 10.9
564 16.0
614 21.0
664 26.1
714 31.1
764 36.2
814 41.2
515 11.0
565 16.1
615 21.1
665 26.2
715 31.2
765 36.3
815 41.3
516 11.1
566 16.2
616 21.2
666 26.3
716 31.3
766 36.4
816 41.4
517 11.2
567 16.3
617 21.3
667 26.4
717 31.4
767 36.5
817 41.5
518 11.3
568 16.4
618 21.4
668 26.5
718 31.5
768 36.6
818 41.6
519 11.4
569 16.5
619 21.5
669 26.6
719 31.6
769 36.7
819 41.7
520 11.6
570 16.6
620 21.6
670 26.7
720 31.7
770 36.8
820 41.9
Tabela de leitura direta de Uv(%) do solo com sensores ECH
2O
Quadro 1: Interpretação direta do nível de umidade volumétrica do solo (Uv%) para um Argissolo Vermelho-Amarelo com textura argilosa em Santiago-RS.
CONCLUSÃO
Todos esses dados confirmam os de Miranda et al. (2007), Trintinalha et al. (2004), que para cada unidade de solo há a necessidade de calibração, podendo os modelos encontrados serem lineares ou quadráticos.
O uso da amostra de solo seca em estufa no inicio da calibração possibilita que se alcance a calibração do sensor em 10 dias.
Os sensores ECH2O mostraram-se eficientes e de alta precisão, podendo ser utilizado no monitoramento de diversos sistemas de irrigação, bem como para as mais variadas culturas, devendo apenas ser calibrado para cada unidade de solo, individualmente.
Na área de pesquisa relacionada aos eventos de interação solo-água-atmosfera, onde a determinação da umidade do solo na maioria das vezes requer uma boa precisão, muito provavelmente uma calibração isolada, considerando apenas o princípio de funcionamento dos sensores, não fornecerá a confiabilidade necessária. As calibrações consideradas como tendo os resultados mais exatos, são aquelas que individualizam o procedimento de calibração para cada tipo de solo. Fazer ensaios com diversos tipos de solos, baseando-se na Classificação Internacional de Solos ou na classificação brasileira de solos (Sibas - Sistema Brasileiro de Classificação, desenvolvido pela Embrapa) e utilizá-los como referência ou material de referência para uma calibração adaptada ao resultado esperado.
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