Así funciona la medición de humedad del suelo

Agua - una sustancia especial

El agua es el compuesto químico más común y muy especial en la Tierra. El 70% de la superficie terrestre está cubierta por agua, y el cuerpo humano también está compuesto por un 60% de agua. El 97% del agua se encuentra en los océanos y solo el 0,001% en nubes, aire y precipitaciones. Pero como el agua atmosférica se renueva 37 veces al año, caen en promedio mundial enormes 1 m de precipitación al año.

El agua es la base de toda la vida en la Tierra y desde la antigüedad las personas se han ocupado de tecnologías para utilizar el agua.

Al ocuparse de la medición de la humedad del suelo, surge rápidamente la pregunta sobre la magnitud a medir. La humedad del suelo se puede determinar tanto por la proporción volumétrica como por la proporción en peso del agua.

La humedad volumétrica (θᵥ) se define como el volumen de agua dividido por el volumen total del suelo.

Ejemplo:
1 litro de suelo de jardín con 400 ml de agua → θᵥ = 0,4 o 40 %

La humedad gravimétrica (θg) se define como la relación entre la masa de agua y la masa total.

Ejemplo:
1 litro del suelo de jardín del ejemplo anterior pesa en seco, por ejemplo, 1.200 g. Si se añaden 400 g de agua, el peso total es 1.600 g y θg=400/1.600=25%

Es decir, un litro del mismo suelo de jardín con 400 ml de agua tiene una humedad volumétrica del 40%, pero una gravimétrica del 25%.

En un amplio rango de humedad, el volumen del suelo permanece mayormente constante porque el agua llena los poros y espacios intermedios. Solo cuando se ha perdido mucha agua y la estructura del suelo colapsa, el volumen disminuye. Entonces aparecen grietas por sequía. Cuándo y en qué medida ocurre esto depende mucho del tipo de suelo. En suelos arenosos, el volumen apenas cambia incluso en estado completamente seco, porque las partículas son tan grandes. Por eso, la humedad volumétrica y gravimétrica también varían de manera muy diferente.

Continuación del ejemplo: si se añaden otros 100 ml de agua, la humedad volumétrica aumenta del 40% al 50%. La humedad gravimétrica ahora es 500/1.700=aprox. 30%, es decir, solo ha crecido en 5 puntos porcentuales. La diferencia numérica entre los valores medidos volumétricos y gravimétricos de la misma muestra de suelo puede ser considerable.

Las siguientes imágenes muestran esquemáticamente cómo el agua llena los espacios libres en la tierra sin cambiar sustancialmente el volumen total del suelo.

1. Gravimetría (Determinación de peso)

El método es simple y preciso, pero laborioso. Solo se necesita una balanza, un recipiente resistente al calor (al menos 1/2 litro), herramientas de jardín y paciencia.

Procedimiento: Pesar el recipiente, llenar la muestra de suelo en el recipiente y pesar. Luego secar la muestra de suelo, por ejemplo, al sol (2-3 días) o en el horno (2-3 horas a 110°) o en el microondas. Determinar el peso después del secado.

La medición es interesante para determinar una vez las propiedades del suelo como la capacidad de campo, pero para el uso práctico continuo en el jardín es demasiado laboriosa y prolongada.

2. Medición resistiva de la humedad del suelo

Los sensores resistivos de humedad del suelo miden la resistencia eléctrica entre dos electrodos y así qué tan bien el entorno conduce la corriente eléctrica. El problema es que el agua pura es un conductor muy pobre. Solo las sales disueltas en el suelo hacen que el agua sea conductora. La medición correlaciona bastante con la cantidad de agua en un jardín específico, pero depende mucho del tipo de suelo. La medición dice mucho más sobre la cantidad de minerales y sales disueltas en la solución que sobre el contenido absoluto de agua.

También fluyen pequeñas corrientes, lo que aumenta el consumo de energía y a largo plazo daña los electrodos por depósitos. En pequeña medida, también se liberan metales al suelo.

En resumen, la medición resistiva de la humedad del suelo presenta muchas debilidades y solo se recomienda de forma limitada.

3. Medición capacitiva de la humedad del suelo

Para entender los métodos de medición capacitiva, es necesario un pequeño repaso a la química del agua.

Las moléculas de agua son pequeñas y están compuestas por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Los electrones de la molécula son fuertemente atraídos por el átomo de oxígeno. Por lo tanto, la molécula presenta desde el exterior una zona cargada negativamente alrededor del átomo de oxígeno y una zona cargada positivamente alrededor de los átomos de hidrógeno. El agua es así el ejemplo perfecto de un dipolo eléctrico. El momento dipolar del agua es responsable de muchas de sus propiedades únicas y vitales, como por ejemplo:

• Su capacidad para disolver otras sustancias polares y sales como solvente.
• La formación de una estructura similar a un cristal, que conduce a su alta temperatura de ebullición, tensión superficial y acción capilar.

Cuando las moléculas de agua se colocan en un entorno eléctricamente cargado, como entre una placa cargada positivamente y otra cargada negativamente (electrodos), se orientan en dirección opuesta a la carga de las placas. Esto amortigua la carga y requiere energía. Esto se puede ver en el siguiente diagrama:

La propiedad de acumulación de carga es específica del material y se denomina permitividad, medida mediante el número de permitividad. En el agua, este valor es 80, mucho más alto que en la mayoría de los otros materiales. Para comparar, el número de permitividad del aire es 1 y el de la tierra seca varía entre 3 y 10. Por lo tanto, el agua almacena carga en una medida muy pequeña, como una batería. Por supuesto, el agua no puede usarse como batería, pero los efectos derivados de la permitividad pueden medirse mediante numerosos métodos. Entre estos efectos se incluyen el retardo de señal, la atenuación de amplitud, las reflexiones y otros. Estos son la base de los métodos de medición capacitivos. Para el diseño técnico concreto, existen muchas posibilidades que se dividen en 2 grupos.

3.1 Reflectometría en el Dominio del Tiempo

Los sensores del primer grupo emiten un pulso de señal corto y miden los tiempos de propagación de la señal o de las reflexiones. Para ello se necesitan mediciones de tiempo de alta precisión. Generalmente se utiliza la denominación inglesa TDR (Reflectometría en el Dominio del Tiempo). Los sensores TDR suelen ser grandes, ofrecen buena precisión de medición, son complejos de instalar, deben calibrarse para el suelo y son costosos.

3.2 Reflectometría en el Dominio de la Frecuencia

El segundo grupo de sensores capacitivos utiliza una señal de alta frecuencia y mide los cambios de frecuencia al entrar en contacto con la muestra de suelo. La denominación inglesa más utilizada es FDR (Reflectometría en el Dominio de la Frecuencia). Los sensores FDR ofrecen buena precisión, tienen una electrónica menos compleja y son más fáciles de manejar que los TDR, requieren calibración en el suelo para obtener mejores resultados y son más económicos que los TDR.

Medición volumétrica: los sensores capacitivos miden la capacidad eléctrica y la permitividad del suelo circundante.
Esto se correlaciona estrechamente con el contenido volumétrico de agua, es decir, la proporción de volumen de agua respecto al volumen total. Los sensores "ven" todo el campo eléctrico – aire, agua y sólidos – como una mezcla. Por lo tanto, todos los resultados de medición dependen también del suelo. Por ejemplo, las sales, fertilizantes y humus aumentan la capacidad base del suelo seco. Los suelos pesados también tienen una capacidad base más alta. Esto significa que sin calibración no puede haber una medición de humedad absolutamente correcta, porque la influencia del suelo no es despreciable.

Calibración: todos los sensores capacitivos deberían calibrarse para el suelo si se quieren obtener valores absolutos correctos de humedad volumétrica. En la práctica, esto generalmente no es necesario, porque los valores medidos por un sensor se desplazan constantemente "por el factor suelo". Solo debe considerarse al interpretar los resultados y especialmente en el control del riego.

Profundidad de penetración y rango de medición de los sensores capacitivos están limitados al área entre los electrodos. Es decir, si se quieren realizar mediciones de gran volumen, los sensores se vuelven rápidamente grandes y poco manejables. La extensión espacial es muy pequeña, ya que las áreas a pocos centímetros del sensor no contribuyen de manera relevante.

Contacto con la tierra: para mediciones fiables, la superficie del sensor necesita contacto con el suelo.

Influencia del sensor: la instalación del sensor también altera el flujo de agua en el suelo. Cuanto más grande es el sensor, mayor es el efecto.

Dependencia de la temperatura: la permitividad del agua es dependiente de la temperatura – por ejemplo, a 20 °C es aproximadamente 80, aumenta a unos 88 a 0 °C y baja a unos 72 a 40 °C. Esto significa que los suelos más cálidos parecen más secos. Este efecto es independiente de las influencias de temperatura en la electrónica y afecta la precisión de la medición.

Los sensores MIYO utilizan una tecnología FDR desarrollada internamente para medir la humedad del suelo. No se genera una frecuencia fija, sino que se excita un circuito oscilante. La tierra es parte del circuito oscilante y, dependiendo de la capacidad ambiental, se establece una frecuencia que se mide. Una medición dura 30 milisegundos y cuanto más baja es la frecuencia, más humedad hay en la tierra.

Lo decisivo para la precisión de la medición es la correcta instalación. La superficie del sensor en la base necesita contacto con la tierra, pero sin presión excesiva, ya que de lo contrario los valores medidos serían demasiado altos.

Así es como procedes:

Cava un agujero de al menos 13 cm de profundidad. Si es necesario, no hay problema en enterrar el sensor más profundo. Los 3 cm superiores deben sobresalir de la tierra, ya que ahí se encuentra la antena. Elimina impurezas gruesas como madera o piedras y esparce sueltamente un puñado de tierra en el agujero cavado. Coloca el sensor. La superficie del sensor debe tener contacto con la tierra sin ejercer presión excesiva. Rellena el agujero y compacta el suelo. Riega el agujero para que la tierra se compacte aún más. Listo. En la app ya puedes ver la humedad actual del suelo.