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7/21/2019 PSICROMETRO TERMOCUPLA
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PSICROMETRO PARA MEDIR EL POTENCIAL MATRICO DE AGUA EN EL
SUELO
Galo Bolivar Mora
Estudiante de pregrado de Ingeniera
Agrcola,[email protected]
Resumen: El potencial de agua del suelo es una propiedad del
suelo que afecta a una gran
variedad de procesos biofsicos, como la germinacin de semillas,
crecimiento de las plantas y la
nutricin de las plantas. Los gradientes de potencial hdrico del
suelo son las fuerzas impulsoras
del movimiento del agua, que afectan a la infiltracin de agua,
la redistribucin, la filtracin, la
evaporacin y la transpiracin de las plantas. El potencial total
de agua del suelo est dada por la
suma de los potenciales de la gravedad, matricial, osmtico y el
potencial hidrosttico. La
cuantificacin del potencial hdrico del suelo es necesaria para
una variedad de aplicaciones, tanto
en los sistemas agrcolas y hortcolas tales como la optimizacin
de los volmenes de riego y
fertilizacin. Un gran nmero de mtodos experimentales se han
desarrollado para medir el
potencial hdrico del suelo, y una gran cantidad de conocimientos
est disponible ahora en lateora y aplicaciones. En este documento,
se analiza cmo medir el potencial matrico del suelo a
travs de un instrumento de medida. El dispositivo para analizar
es un Psicrmetro Termocupla
Abstract:Soil water potential is a soil property affecting a
large variety of bio-physical processes,
such as seed germination, plant growth and plant nutrition.
Gradients in soil water potential are
the driving forces of water movement, affecting water
infiltration, redistribution, percolation,
evaporation and plants transpiration. The total soil water
potential is givenby the sum of gravity,
matric, osmotic and hydrostatic potential. The quantification of
the soil water potential is
necessary for a variety of applications both in agricultural and
horticultural systems such as
optimization of irrigation volumes and fertilization. A large
number of experimental methods have
been developed to measure the soil water potential, and a large
body of knowledge is now
available on theory and applications. In this paper, we analyze
how to measure soil matric
potential through a measuring instrument. The device for
analyzing is a thermocouple
psychrometer
INTRODUCCION
Potencial de agua en el suelo
El suelo es un reservorio de agua, sin
embargo, existen escapes. Cuando se aade
demasiada agua, el exceso drena hacia las
capas profundas del suelo. La fuerza de
atraccin entre los tomos de hidrgeno del
agua y tomos de oxgeno de las superficies
minerales del suelo o de otras molculas de
agua sostienen el agua en el suelo contra la
fuerza de gravedad. La atraccin de tomos
de hidrgeno del agua para tomos de
oxgeno de minerales es llamada fuerza
adhesiva. La fuerza de atraccin de tomos
de hidrgeno del agua para tomos de
oxgeno de otras molculas de agua es
llamada fuerza cohesiva. Cuando estas
fuerzas combinadas ocurren en gran
nmero, se mantiene una pelcula de agua
de considerable grosor sobre la superficie de
las partculas de suelo.
mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]
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Debido a que las fuerzas que retienen el
agua en el suelo son fuerzas de atraccin
superficial, entre mayor sea la superficie de
las partculas coloidales del suelo (arcilla,
materia orgnica), mayor es la cantidad de
agua adsorbida.
Existe diferente nomenclatura para
denominar la fuerza con que es retenida el
agua (o la fuerza requerida para extraer el
agua) del suelo. Las principales
denominaciones son: succin, tensin,
potencial de humedad y el ms usado,
potencial matricial. Este es un nmero
negativo, debido a que se requiere de un
trabajo para remover el agua de laspartculas del suelo.
El potencial hdrico potencial total del
suelo (T) se puede expresar en bares,
pascales, atmsferas o una escala logartmica
de la columna de agua en cm.
El potencial hdrico, o mejor dicho el
potencial total de retencin de agua (T) se
puede expresar tambin como la suma de
sus componentes conocidos de la siguiente
forma:
T = m + g +p + o
Donde:
m = potencial matricial, debido a la matriz
del suelo, el mayor contribuyente a la fuerza
total de retencin.
g = potencial gravitacional o fuerza degravedad.
p = potencial de presin, o fuerza debido al
peso del agua. Su magnitud es pequea.
o = el potencial osmtico, resulta de la
concentracin de sales y es apreciable en
suelos salinos. Se presenta cuando existe
membrana semipermeable en el sistema.
Medicin del potencial de agua en el suelo:
Principios generales
El principio general para la medicin del
potencial de agua en el suelo es equilibrio
hidrulico entre el agua contenida en el
suelo y el dispositivo de medicin. El
equilibrio puede ser alcanzado por la fase
lquida o en la fase de vapor. Los
tensimetros (uno de los dispositivos ms
comunes) se basan en el equilibrio entre el
agua lquida en el suelo y agua lquida en la
capsula porosa. Los poros pequeos poros
de la capsula porosa permiten el
establecimiento de una continuo hidrulico
entre el depsito de agua del tensimetro y
el suelo. Los cambios de presin
determinados por las diferencias entre la
presin dentro de los tensimetros y el suelo
son detectados por un sensor de presin.
Otros instrumentos, como los sensores de
disipacin de calor o sensores dielctricos
tambin se basan en el equilibrio de una
capsula de cermica con el suelo
circundante. En este caso, sin embargo, se
mide una propiedad de la cermica (es decir,
la conductividad trmica, la permisividad
dielctrica) que depende del contenido de
agua de cermica. Puesto que existe una
relacin entre el contenido de agua de
cermica y el potencial de agua de cermica
(curva de retencin de agua de la cermica)
es posible, a travs de curvas de calibracin,
es posible obtener el potencial hdrico del
suelo de agua de los poros de la cermica.
Bajo el supuesto de equilibrio hidrulico, el
potencial de agua de la capsula de cermica
debe ser igual a la del suelo circundante.
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Otros instrumentos, como el psicrmetro de
termopar o medidor de potencial de punto
de roco se basan en el equilibrio de la fase
de vapor. De acuerdo con la Ecuacin 1, el
potencial de agua en la fase de aire est
relacionado con la humedad relativa. Por lo
tanto, la medicin de la humedad relativa y
la temperatura del aire en equilibrio con el
suelo permiten obtener el potencial del
agua.
Psicrmetro de termocupla se basa en la
diferencia de temperatura entre un bulbo
seco y la temperatura de bulbo hmedo.
Cuando la humedad relativa de la fase de
vapor es baja, el dficit de presin de vaporser alto, la
velocidad de evaporacin ser
alta y por lo tanto la depresin de
temperatura ser ms alta. En los mtodos
de punto de roco, la presin de vapor de
saturacin se mide en primer lugar con un
termmetro, la temperatura de una cmara
cerrada se reduce hasta que se forme roco.
La temperatura del punto de roco puede ser
entonces utilizado para obtener la humedad
relativa.
Medicin del potencial de agua en el suelo:
Mtodos de Campo
El Potencial hdrico del suelo en el campo se
puede medir mediante el empleo de
diferentes mtodos. La eleccin de los
mtodos apropiados puede depender de una
variedad de factores, incluyendo:
Aplicacin (el manejo del riego,monitoreo de campo,
investigacin)
Tipo de suelo (textura, densidad
aparente, la salinidad, las
propiedades de contraccin-
expansin)
Condiciones meteorolgicas
(temperaturas altas y bajas,
congelacin, humedad)
Ubicacin (lejana, accesibilidad para
el mantenimiento del sensor, la
transmisin remota de datos)
Costo
Rango, precisin, repetibilidad,
resolucin espacial
El conocimiento tcnico necesario
para el funcionamiento de los
sensores (habilidades de operador)
Frecuencia de muestreo requerida
(muestreo automtico, registro de
datos).
Psicrmetros termocupla.
Psicrmetros termopar proporcionan un
excelente complemento para los
tensimetros, ya que operan en un rango
potencial de agua de ,mientras que los tensimetros operan en
un
rango de . Haysistemas en campo de psicrmetros que
miden el potencial de agua in situ (por
ejemplo, Wescor, Inc., Logan, Utah) y los
sistemas basados en laboratorio que miden
el potencial hdrico en muestras intactas o
perturbados (por ejemplo, dispositivos
Decagon, Inc., Pullman, Washington).
Psicrmetros termopar operan relacionando
el potencial total del agua lquida en la
muestra para obtener un equilibrio en la
presin de vapor de agua en el aire sobre la
muestra. La relacin entre el potencial de
agua y la presin de vapor de agua relativaen equilibrio
termodinmico est dada por:
() ()
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Donde R es la constante universal de los
gases (J mol-1
K-1
), T es la temperatura
absoluta (K),ees la presin de vapor de agua
del aire (Pa), y es es la presin de vapor de
saturacin (Pa) a la temperatura del aire. La
relacin adimensional, , es la presinrelativa de vapor de agua o
humedad
relativa.
Psicrmetros de suelo in situ.
Rawlins y Dalton (1967), Lang (1968), y
Weibe et al. (1971) describen psicrmetros
de suelo que pueden medir el potencial
hdrico del suelo in situ. Un psicrmetro de
suelos por lo general consiste en una
pequea capsula porosa (alrededor de 1 cm
de dimetro y 1 cm de longitud) que
contiene un solo termopar (50-100 m
dimetro). La capsula se hace generalmente
de cermica porosa, latn o acero inoxidable
(3-30 m tamao de poro), que permite que
el vapor de agua se difunda entre el suelo y
el interior de la capsula hasta que se
establezca el equilibrio de presin de vapor.
La unin de deteccin del termopar est
construido de muy finos, alambres de cromel
soldadas, mientras que la unin de
referencia est conectada a alambres de
cobre mucho mas grandes (> 0.40 mm de
dimetro). El extremo abierto de la capsula
porosa se sella con un tapn de tefln, y en
algunos psicrmetros (Szietz 1975), otro
termopar est incrustado en esta regin para
proporcionar una medida de la temperatura
del psicrmetro.
Figura 1. Seccin Transversal de unPsicrmetro termocupla de
Peltier.
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Figura 2. Fotografa de sensores.
Modo de operacin del psicrmetro.
Cuando se aplica una corriente apropiada a
la unin de deteccin en un sistema
trmicamente equilibrado del psicrmetro, la
unin se enfra por el efecto Peltier. Con
enfriamiento continuo, la temperatura de la
unin cae por debajo del punto de roco del
aire en la capsula porosa, de modo que una
gota de agua se condensa en la unin. El
enfriamiento mxima es de unos 5 C por
debajo de la temperatura ambiente de la
capsula. Cuando el potencial de agua del
suelo es inferior a 0 MPa, la humedad
relativa dentro de una capsula porosa
equilibrada ser menor que 100% y la gota
de agua en consecuencia, se volver a
evaporarse y enfriar la unin a una
temperatura que puede estar relacionada
con la humedad relativa dentro la capsula.
Este descenso en la temperatura se puede
medir con un voltmetro que tenga
microvoltios o nanovoltios de sensibilidad, y
la tensin de salida es tpicamente de
aproximadamente 5 V MPa-1
. La
temperatura del psicrmetro tambin se
mide por lo que el potencial hdrico del suelo
se puede calcular a partir de la Ecuacin (1).
La relacin entre la tensin de salida del
psicrmetro y el potencial del agua puede
obtenerse a travs de la inmersin del
psicrmetro en un rango de temperatura de
soluciones salinas con diferentes potenciales
de agua (Lang 1967).
Muy pequeas depresiones de temperatura
se generan en la unin de deteccin durante
las mediciones, entonces para cualquiergradiente de temperatura
entre la unin de
deteccin y la unin de referencia dar lugar
a grandes errores. Por ejemplo, una
diferencia de temperatura de 0,001 C
corresponde a un error de 0,01 MPa (0,1
bar). Por tanto, es imperativo que no haya
gradientes de temperatura a travs del
sensor o los cables, y como resultado, los
psicrmetros de suelo generalmente no se
pueden utilizar cuando existen grandesgradientes de temperatura
(por ejemplo,
dentro de 0,15-0,30 m de la superficie del
suelo).
Se han realizado numerosos intentos para
disear psicrmetros termopares que
pueden medir con precisin el potencial
hdrico del suelo en presencia de gradientes
de temperatura. Por ejemplo, Campbell
(1979) dise un psicrmetro que contenamateriales de alta
conductividad trmica
para minimizar los gradientes de
temperatura y cermica dispuestos
simtricamente para mejorar el intercambio
de vapor con el suelo y por lo tanto reducir la
condensacin interna. Estas mejoras reducen
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los errores de medicin debido a los
gradientes de temperatura a
aproximadamente un tercio de aquellos
primeros diseos.
Figura 3: a) esquema de un tensimetro, b)
esquema de un psicrmetro
CONCLUSIONES:
Los Psicrmetros tienen dos
componentes principales: la capsula
porosa en la que se encuentra las
uniones de deteccin y de referencia
y el instrumento para la generacin
de la corriente elctrica y la medicin
de la salida psicrmetro. Existen en
el mercado psicrmetros del suelo,
dispositivos con sistemas
combinados psicrmetro-
higrmetro, y varios dispositivos con
sistemas de registro de datos para el
monitoreo continuo.
Para minimizar los gradientes
trmicos, los psicrmetros deben
instalarse con el eje del sensor
paralela a la superficie del suelo, y
los psicrmetros in situ no deben
instalarse en profundidades menores
a 0,15-0,30 m. Para reducir la
conduccin de calor a lo largo de los
hilos conductores, al menos dos
bucles de alambre
(aproximadamente 0,04 m de largo)
deben ser envueltos por detrs de la
cabeza de deteccin psicrmetro y
enterrados a la misma profundidad.
Rundel y Jarrell (1989) recomiendan
que si se requieren registros de
datos continuos, psicrmetros
adicionales se deben instalar para
reemplazar a aquellos que fallan o se
eliminan por controles de
calibracin. El uso de psicrmetros
para medir el potencial de agua en
invernaderos a menudo no tiene
xito debido a las grandes gradientes
de temperatura que son difciles de
controlar.
BIBLIOGRAFIA:
Campbell, G.S. 1979. Improved
thermocouple psychrometers for
measurement of soil water potential in a
temperature gradient. J. Phys. E. Sci. Instrum.
12: 739743.
Lang, A.R.G. 1967. Osmotic coefficients and
water potentials of sodium chloride solutions
from 0 to 40_C. Aust. J. Chem. 20: 2017
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Lang, A.R.G. 1968. Psychrometric
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under cotton plants. Soil Sci. 106: 460464.
Rawlins, S.L. and Dalton, F.N. 1967.
Psychrometric measurements of soil waterpotential without
precise temperature
control. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 31: 297300.
Rundel, P.W. and Jarrell, W.R. 1989. Water in
the environment. In R.W. Pearcy, J.
Ehleringer, H.A. Mooney, and P.W. Rundel,
Eds. Plant Physiological Ecology. Chapman
and Hall, New York.
Szietz, G. 1975. Instruments and their
exposure. In J.L. Monteith, Ed. Vegetation
and the Atmosphere. Vol. 1. Academic Press,
London.
Weibe, H.H., Campbell, G.S., Gardner, W.H.,
Rawlins, S., Cary, J.W., and Brown, R.W.
1971. Measurement of plant and water
status. Utah Agricultural Experimental
Bulletin 484. Utah State University, Logan,
UT.
