BACCHI, O. O. dos S.

MATSURA, E. E.

TORRADO, P. V.

VAZ, C. M. P.

Infoteca-e

Validação de 3 Equipamentosde TDR (Reflectometria noDomínio do Tempo) para aMedida da Umidade de Solos61ResumoA técnica da reflectometria no domínio do tempo (TDR) tem sido mundialmente utilizada para a determinação da umidade e condutividade elétrica dos solos, em substituição às técnicas de moderação de nêutrons e gravimétricas. As principais vantagens da TDR são a não utilização de radiação ionizante, a possibilidade de automação das análises, a multiplexação de diversas sondas num único equipamento e a pouca influência da textura e da densidade do solo na determinação da umidade. No Brasil, a TDR tem sido ainda relativamente pouco utilizada, sendo mais comum o uso das técnicas gravimétricas e a sonda de nêutrons. As principais dificuldades são o pequeno número de equipamentos disponíveis e a ausência de informações quanto à resposta da TDR nos nossos solos. Os solos altamente intemperizados, com presença de altos teores de óxido de ferro e minerais magnéticos e baixos teores de matéria orgânica pode influenciar na resposta da TDR.O princípio da medida da umidade do solo pela técnica da TDR foi pioneiramente introduzida por Davis e Chudobiak (1975) e implementado e validado por Topp et al. (1980). O funcionamento da TDR para a medida da umidade é baseado na medida da velocidade de propagação de ondas eletromagnéticas em uma guia deonda metálica (sonda) inserida no solo. O equipamento mede o tempo de trânsito (t) das ondas eletromagnéticas na sonda, o qual é dependente da constante dielétrica do solo (ε) através da seguinte equação:(1)-1onde L (m) é o comprimento da sonda e c (m s ) é a velocidade da luz.A constante dielétrica medida para um solo é uma média ponderada das constantes dielétricas das frações dos componentes do solo, ou seja, das fases sólida, líquida e gasosa. Como a constante dielétrica da água é de aproximadamente 80, do ar 1 e do material sólido (mineral e orgânico) de 3 a 7, uma pequena variação na umidade volumétrica do solo (θ) causará uma mudança considerável da constante dielétrica. Através de uma correlação experimental entre a constante dielétrica medida com o TDR e a umidade volumétrica do solo medida por gravimetria, pode-se, portanto, utilizar a técnica de TDR para a determinação da umidade do solo (TOPP et al. 1980).Equipamentos testadosOs equipamentos utilizados no teste e validação1 Pesquisador, 234Físico, Dr., Embrapa Instrumentação Agropecuária, C.P. 741, CEP 13560-970, São Carlos, SP, vaz@cnpdia.embrapa.br Engenheiro Agrícola, PhD, FEAGRI/UNICAMP, Caixa Postal 6011, 13083-970, Campinas-SP Engenheiro Agrônomo, PhD, ESALQ/USP, Cx. P. 9, 13418-970, Piracicaba-SP Engenheiro Agrônomo, PhD, CENA/USP, Cx. P. 96, 13400-970, Piracicaba-SP1Carlos Manoel Pedro Vaz2Edson Eiji Matsura3Pablo Vidal Torrado4Osny Oliveira dos Santos BacchiISSN 1517-4786Outubro, 2004São Carlos, SPFoto: Valentim MonzanecLt ε=2Validação de 3 Equipamentos de TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para a Medida da Umidade de SolosSolos testadosPara avaliação do desempenho dos equipamentos foram estudados 6 solos, descritos à seguir: Gleissolo Melânico, coletado na quadrícula de Araras; Planossolo Háplico, coletado na quadrícula de Guaíra; Luvissolo Crômico, coletado na quadrícula de Marília; Latossolo Vermelho Acriférrico, coletado na quadrícula de Ribeirão Preto; Cambissolo Crômico, coletado na SP-4 e Neossolo Quartzarênico, coletados na quadrícula de Piracicaba. Procedimento de medidaOs 3 equipamentos utilizam o mesmo princípio da medida do tempo de trânsito, t (ns),  da radiação eletromagnética na sonda metálica e calcula a constante dielétrica do meio onde a haste está inserida (εsolo), por meio da Eq. 1.Entretanto, o cálculo dos tempos de trânsito em cada equipamento pode variar, em função do software utilizado para identificar as reflexões no início e final da sonda. No caso do TDR 1502C, não existe um software do fabricante e portanto, foi utilizado o WinTDR99, o qual é fornecido gratuitamente pelo grupo de Física do Solo, da Utah State University, EUA e desenvolvido especificamente para uso com o TDR 1502B ou C. Para tanto, foi utilizado um computador tipo laptop com o software WinTDR99 instalado e conectado com o TDR pela interface serial disponível (RS232). O WinTDR99 fornece a constante dielétrica (εsolo), a umidade (θ) através da equação universal de Topp (TOPP et al. 1980).No caso do TDR 100 existe um software fornecido pelo fabricante, o qual permite as mesmas determinações mencionadas para o caso do TDR 1502C com o WinTDR99, também pela conexão serial. Para o Trase existe um teclado no próprio equipamento e software para a realização das medidas de εsolo e θ, dispensando o uso de um computador para a aquisição dos dados.Os valores de umidade estimados pelos 3 equipamentos de TDR são comparados e avaliados estatisticamente com os valores de referência de umidade gravimétrica, utilizando a relação universal de Topp et al. -2 -2 -4 2(1980) : θ = -5,3x10  + 2,92x10  ε - 5,5x10  ε  + -6 34,3x10  ε , uma equação polinomial de 3° grau obtida com os dados dos 6 solos estudados (poli 3) e o modelo de fases dado por Dobson et al. (1985):(2)onde εag, εs e εar são as constantes dielétricas da água, parte sólida (partículas + matéria orgânica) e ar, 3 -3respectivamente,  φ(m  m ) a porosidade e α um parâmetro que depende da orientação das partículas do solo com relação ao campo magnético aplicado.A avaliação estatística do erro da medida da umidade será realizada através do erro padrão da estimativa (SPIEGEL, 1985):(3)onde Y é o valor medido e Yest o estimado pela equação utilizada (Topp, Fases ou Poli 3), e n o número de amostras utilizadas.da técnica de TDR foram os seguintes (Figura 1):- Modelo 1502C, da Tektronix (a)- Modelo TDR100, da Campbell (b)- Modelo Trase, da Soil Moisture (c)( a )( b )( c )Figura 1. Equipamentos de TDR utilizados nos testes e validação da técnica.As sondas utilizadas no TDR 1502C e TDR 100 foram confeccionadas com 3 varetas de aço inox (3 mm de diâmetro e 15 cm de comprimento) com espaçamento de 2 cm (Figura 2a). No caso do TDR Trase, foi utilizada a sonda padrão de 2 hastes com 15 cm de comprimento, comercializada pelo fabricante (Figura 2b).Figura 2. Hastes de TDR utilizadas com os modelos1502C e TDR-100 (a) e Trase (b).    (a) (b)( ) ( ) αααα εθφεφθεε arsagsolo −+−+= 1( )nYYS est∑ −= 23Validação de 3 Equipamentos de TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para a Medida da Umidade de SolosTabela 2 os valores do erro padrão da estimativa (Eq. 3) para os 3 equipamentos, considerando os 3 modelos de ajuste propostos e os solos em conjunto e individualmente.Observa-se que os valores de S estão em média na faixa de 3 % para o 1502C e TDR 100. Entretanto, para o Trase os valores de S são bem maiores, entre 4 e 6 %, dependendo do modelo da curva de calibração utilizada.Figura 3. Variação da constante dielétrica medida com o TDR 1502 C (a, b), o TDR 100 (a, c) e o Trase (a, d) em função da umidade para os 6 solos avaliados.Tabela 2. Erro padrão da estimativa (Eq. 3) obtido com os 3 modelos de ajuste.Outra observação importante é que o Gleissolo apresentou um erro padrão da estimativa, de cerca de 5 %, ou seja, bem maior que a média dos outros solos que foi de 3 %. Assim, esse deve ser o erro considerado para o Gleissolo quando da adoção de uma equação de calibração geral. Caso o usuário necessite de precisão maior, calibrações específicas para este solo deve ser utilizadas.O TDR 100 e tektronix 1502C apresentaram uma precisão de aproximadamente 3% para a determinação da umidade para os solos estudados. Já no caso do Trase o erro obtido variou de 4 a 6 %, indicando que os 2 primeiros equipamentos possuem precisão maior, quandoConclusõesResultadosOs valores médios de densidade, porosidade e intervalos de umidade, obtidos utilizando o procedimento de preparo de amostras descrito anteriormente, são apresentados na Tabela 1.Tabela 1. Propriedades físicas das amostras de solo preparadas para medida com a TDR. * ρs = densidade do solo,  f= (1-ρs/ρp ) = porosidade do solo, n = número de amostras e ρp = densidade das partículasOs resultados da constante dielétrica em função da umidade para os 6 solos são apresentados nas Figuras 2a (para os 3 equipamentos individualmente e todos os solos em conjunto) e 2b, 2c e 2d (para os solos e equipamentos individualmente).O ajuste do modelo de fases (parâmetro α) foi realizado por mínimos quadrados, utilizando a ferramenta Solver do Excell, da Eq. [2] nos dados de εsolo vs θ medidos para cada equipamento e εs = 4, εag = 80 e εar = 1 (Vaz et al. 2001). Os valores de α obtidos dos ajustes foram: 0,698 (1502 C), 0,664 (TDR 100) e 0,570 (Trase). Para possibilitar a comparação dos erros entre os modelo, utilizou-se um valor médio de α=0,650, uma vez que os modelos polinomiais de 3° grau de Topp e o obtido com os dados deste trabalho (Poli 3) são independentes do equipamento. As equações de ajuste obtidas e utilizadas, com os respectivos parâmetros de ajuste foram:Topp: Fases: Poli 3: A Figura 3a mostra que, de um modo geral, há uma boa concordância dos dados experimentais com os 3 modelos de ajuste. Observando-se os equipamentos e solos individualmente (Fig. 2b, c e d), nota-se uma pequena diferença na resposta de εsolo vs θ, principalmente entre os equipamentos. Os resultados do 1502 C e TDR 100 foram muito próximos, mas o Trase apresentou medidas de εsolo menores dos apresentados pelo 15012C e TDR 100. A Figura 3d mostra como os dados do Trase desviaram-se da equação de Topp, enquanto que para o 1502C e TDR100 a equação de Topp apresenta um bom ajuste.Um outro aspecto importante de ser observado é que o Gleissolo apresentou valores de εsolo abaixo da equação de Topp, indicando um comportamento típico de solos orgânicos (teor de matéria orgânica elevada). Também, o Neossolo apresentou um pequeno deslocamento para valores acima da curva de Topp. Entretanto, essas diferenças não são, aparentemente, grandes a tal modo que justifiquem curvas de calibração específicas para cada um dos solos. Para uma avaliação mais detalhada e analítica dos erros na medida da Solo Local ρs* (kg m-3) θ (m3 m-3) n* ρp*   Media DP φ* m3 m-3 Minimo maximo  kg m-3 Gleissolo Araras 0,698 0,042 0,74 0,033 0,507 20 2,65 Planossolo Guaira 1,163 0,035 0,58 0,011 0,429 20 2,76 Luvissolo Marilia 1,365 0,035 0,50 0,032 0,404 21 2,72 Latossolo Rib. Preto 0,925 0,071 0,68 0,013 0,478 21 2,88 Cambissolo SP-4 1,099 0,054 0,59 0,010 0,456 20 2,70 Neossolo Piracicaba 1,453 0,041 0,46 0,018 0,337 20 2,67 media  1,117  0,59      362422 10.3,410.5,510.92,210.3,5 εεεθ −−−− +−+−=( ) 22,1660,1650,0 −= εθεεεθ 52322 10.33,110.1,110.76,310.23,6 −−−− +−+−=0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6051015202530354045 1502C TDR 100 Trase Topp Fases Poli 3ε soloθ (m3 m-3) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6051015202530354045 Gleissolo Planossolo Luvissolo Latossolo Cambissolo Neossolo Topp Fases Poli 31502Cε soloθ (m3 m-3) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6051015202530354045 TDR100 Gleissolo Planossolo Luvissolo Latossolo Cambissolo Neossolo Topp Fases Poli 3ε soloθ (m3 m-3) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6051015202530354045Trase Gleissolo Planossolo Luvissolo Latossolo Cambissolo Neossolo Topp Fases Poli 3ε soloθ (m3 m-3) ( a ) ( b )( c ) ( d )Erro padrao da estimativa (S, m3 m-3) 1502 C TDR 100 Trase  Solos Topp Fases Poli 3 Topp Fases Poli 3 Topp Fases Poli 3 Todos 0,032 0,035 0,031 0,032 0,041 0,030 0,050 0,059 0,042 Gleissolo 0,040 0,054 0,036 0,051 0,066 0,048 0,066 0,080 0,060 Planossolo 0,022 0,030 0,025 0,030 0,029 0,029 0,041 0,051 0,033 Luvissolo 0,031 0,032 0,029 0,026 0,030 0,021 0,049 0,057 0,041 Latossolo 0,036 0,033 0,031 0,038 0,050 0,033 0,050 0,057 0,044 Cambissolo 0,021 0,026 0,022 0,030 0,029 0,022 0,047 0,057 0,037 neossolo 0,038 0,028 0,041 0,028 0,025 0,029 0,041 0,049 0,031  4Validação de 3 Equipamentos de TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para a Medida da Umidade de SolosDOBSON, M. C.; ULABY, F. T.; HALLIKAINEN, M. T.; EL-RAYES, M. A. Microwave dielectric behavior of wet soil, II, Dielectric mixing models, IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., Mississippi, GE-23, p. 35-46, 1985.SPIEGEL, M. Estatística. 2. ed. São Paulo: Mc Graw-Hill, 1985. 454p.TOPP, G. C.; DAVIS, J. L.; ANNAN, A. P. Electromagnetic determination of soil water content: measurement in coaxial transmission lines. Water Resour. Res., Washington, v. 16, p. 574-582, 1980.VAZ, C. M. P.; HOPMANS, J. W. Simultaneous measurement of soil strength and water content with a combined penetrometer-moisture probe. Soil Sci. Soc. Am. J., Madison, v. 65, p. 4-12, 2001.se utilizaram as calibrações para os 3 modelos de ajuste. Entretanto, pode-se obter uma precisão maior na determinação da umidade com o Trase, utilizando-se calibrações específicas para o equipamento em particular, uma vez que as equações de ajuste obtidas (Fases e Poli 3) consideram o resultado médio dos 3 equipamentos.Comparando-se os resultados obtidos neste trabalho com solos brasileiros, com outros dos EUA, Canadá e Europa, pode-se afirmar que não existem diferenças significativas nas respostas. Assim, a técnica de TDR pode ser aplicada em solos tropicais brasileiros, com a mesma precisão daquelas já descritas para solos de regiões temperadas. DAVIS, J. L.; CHUDOBIAK, W. J. In situ meter for measuring relative permittivity of soils. Geol. Surv. Can. Part A Paper, [S. L.], v. 75, p. 75-79, 1975.Referências BibliográficasComunicadoTécnico, 61Exemplares desta edição podem ser adquiridos na:Embrapa Instrumentação AgropecuáriaRua XV de Novembro, 1542 - Caixa Postal 741CEP 13560-970 - São Carlos-SPFone: 16 3374 2477Fax: 16 3372 5958E-mail: sac@cnpdia.embrapa.brwww.cnpdia.embrapa.br1a. edição1a. impressão 2004: tiragem 300Ministério da Agricultura,Pecuária e AbastecimentoComitê dePublicaçõesExpedientePresidente: Dr. Luiz Henrique Capparelli MattosoSecretária Executiva: Valéria de Fátima CardosoMembros: Dra. Débora Marcondes B. P. Milori,Dr. João de Mendonça Naime,Dr. Washington Luiz de Barros MeloMembro Suplente: Dr. Paulo S. P. Herrmann JuniorSupervisor editorial: Dr. Rubens Bernardes FilhoRevisão de texto: Valéria de Fatima CardosoTratamento das ilustrações: Valentim MonzaneEditoração eletrônica: Valentim Monzane

Validação de 3 Equipamentos de TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo) para a Medida da Umidade de Solos.

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