La Conductividad y Resistividad eléctricas en la caracterización de suelos

Todos los agentes físicos alteran, en mayor o menor proporción, la resistividad del conductor. Todos los tratamientos térmicos o mecánicos sufridos por el metal lo afectan, al igual también que toda clase de impurezas que contenga.

La resistividad (ρ) es función lineal de la temperatura; α es un coeficiente que nos da la variación de ρ con la temperatura, y sus dimensiones son grado-1

.

ρ = ρ0 (1 + α t ) ...[4.12]

En la Tabla 4.1 hay los valores de ρ a 20º C junto a los de α para algunos cuerpos; en los metales, α > 0, lo cual quiere decir que su resistencia aumenta con la temperatura. De una forma especial, existen materiales en los cuales se reduce la resistencia al aumentar su temperatura, o sea, tienen un coeficiente de temperatura negativo (Carbón).

Tabla 4.1 Resistividad de algunos materiales conductores (ρ) y valor del coeficiente de variación ( ) por grado de temperatura

Material ρ a 20º C (Ω mm2 . m) α ( º C )-1 Aluminio Carbón Cinc Constantán Cobre Estaño Ferroníquel Hierro Latón Maillechort Mercurio Nicrón Plata Plomo 0.028 63.00 0.061 0.50 0.017 0.12 0.80 0.13 0.07 0.30 0.957 1.00 0.0163 0.204 0.00446 0.0001 0.0039 0.0044 0.00093 0.00625 0.00036 0.0036 Fuente: Alcalde San Miguel (2002b)

Un medio como el suelo, cuyas características físico-químicas son variables, permite almacenar un determinado porcentaje de agua- también de calidad variable-que puede ejercer una función más o menos conductora o de resistividad al paso eléctrico según sean esas circunstancias.

4.4 La Conductividad y Resistividad eléctricas en la caracterización de suelos

Las medidas de CE han sido aplicadas, durante muchos años, para investigar suelos salinos (Rhoades y Ingvalson, 1971; Austin y Rhoades, 1979; Rhoades et al., 1990).

Algunos métodos geofísicos tales como inducción geoeléctrica (EMI) y penetración del suelo por radar (GPR) están incrementando su popularidad. Sin embargo, estos métodos son aplicados, preferentemente, en áreas regadas salinas. Asimismo algunas aplicaciones de interés han sido presentadas para el estudio de la calidad

de los suelos forestales (Mcbride et al., 1990), mapas de localización de acuíferos (Freeland et al., 1997) y estudio del contorno de horizontes permafrost (Arcone et al., 1998). A pesar de sus prometedoras aplicaciones, los métodos de cuatro electrodos EMI y GPR están retrocediendo en su aplicación para perfiles del suelo poco profundos. La razón, parece ser, estriba en que los métodos de EMI y las pruebas de cuatro electrodos no pueden medir, directamente, las diferentes resistividades o conductividades de los horizontes del suelo al suministrar, solo, un valor promedio de conductividad eléctrica aparente de todo el perfil (Corwin y Rhoades, 1984). Mediante GPR se puede evaluar la diferenciación del perfil en conductividad eléctrica del suelo, pero su aplicación está restringida a suelos con alta conductividad (salinos, arcillosos).

4.5 Dispositivos de riego basados en la resistencia eléctrica

En relación a estos aspectos y en el curso de los últimos 25 años, diversos han sido los estudios realizados con la finalidad de definir dispositivos capaces de medir la humedad del suelo y, a la vez, operar de manera automática el funcionamiento de un sistema de riego.

Algunos de estos trabajos, por su interés aplicativo, y por la relación que presentan respecto a la localización del frente de avance o húmedo del suelo, constituyen una referencia de obligada cita al ser muy próximos a uno de los objetivos de la presente tesis.

Los dispositivos presentados en los trabajos han sido registrados, en su mayoría, como patentes a lo largo de diversos años y, aunque su utilización es muy restringida o inexistente, se ha creído oportuno hacer una descripción de los mismos como preámbulo al instrumento y metodología para determinar el VSH que posteriormente se desarrollará.

Así pues, el primer dispositivo que se describe permite medir la humedad del suelo y, a la vez, puede automatizar un sistema de riego. El invento patentado por Cottet y Goeller (1987) consta, según puede apreciarse en la Figura 4.3, fundamentalmente de un programador que controla una electroválvula o bomba de impulsión que se abre o cierra en función del nivel de humedad del suelo. El contenido de humedad es medido mediante 2 electrodos que controlan el nivel de Resistencia (Ω) presente en el suelo. Para evitar la oxidación y la polarización de los electrodos, la tensión eléctrica se suministra bajo la forma de impulsos cortos de polaridad alterna.

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5 Programador

7 Electroválvula o bomba de impulsión 11 Sonda higrométrica

14 Sonda radiación neta 21 y 22 Electrodos

Figura 4.3 Dispositivo para medir la humedad del suelo y automatizar el sistema de riego El funcionamiento consiste en mantener la electroválvula o bomba de impulsión cerrada cuando la radiación neta medida con la sonda es superior a un umbral determinado y abierta cuando esta es inferior a otro umbral determinado. Como complemento hay una sonda higrométrica que mide el contenido de humedad dentro del suelo, constituída por 2 electrodos aislados el uno del otro y de arriba abajo mediante un revestimiento aislante. La medida del contenido del agua se aprecia a partir de la resistencia eléctrica (Ω) del suelo entre los mencionados electrodos, resistencia que disminuye con el aumento de la humedad del suelo. Estos electrodos se hallan introducidos en el suelo a la profundidad de las raíces de las plantas evaluadas.

La norma de manejo del riego se ajusta en función del terreno. A modo de ejemplo, para una separación entre electrodos de 6.5 cm, con electrodos de 1.5 cm de longitud en su extremo al descubierto, situados a 10 cm de profundidad dentro del suelo; una Resistencia de 10000 Ω corresponde a un valor muy frecuente de límite de humedad. Si la resistencia sobrepasa este valor, el suelo tiene necesidad de agua y hay que regar. Es evidente que, para una humedad determinada, esta resistencia depende de la naturaleza del suelo y que la norma puede ser variada en función de la naturaleza del terreno. Cuando la resistencia alcanza, p.e. 6000 Ω el sistema se para.

El electrodo de acero inoxidable es cómodo desde numerosos aspectos, pero da lugar a una polarización y al mismo tiempo a una oxidación, dando lugar a una deriva del aparato de medida. Se ensayaron numerosos otros materiales para constituir el electrodo, pero sin éxito. Se ensayó aplicar entre los electrodos una tensión alternativa. Si bien la polarización aparece con mucha menos rapidez, los electrodos se oxidan igualmente.

La solución definitiva se obtuvo de forma totalmente inesperada mediante impulsiones cortas y de polaridades alternas de duración 20 milisegundos y separación entre impulsos alternos de 1.5 segundos con tensión de 13.5 voltios. Otro dispositivo de control de irrigación, particularmente apropiado para un sistema de riego por goteo, fue el patentado por Ayme de la Chevreliere (1977). El instrumento está provisto de un ensamblaje para controlar electrónicamente la puesta en marcha y la parada de un sistema de riego, mediante dos electrodos que están separados entre si, tanto en sentido vertical como horizontal. El VSH se produce durante el riego y el electrodo superior de los dos está separado lateralmente, respecto al eje de simetría del VSH, por una distancia igual al radio máximo. El electrodo inferior se halla situado en una posición diametralmente opuesta en un punto separado lateralmente del eje de simetría, también en el radio máximo del VSH.

Las posiciones relativas de los electrodos se determinan por la forma del VSH, que dependerá de las circunstancias de entorno del suelo a regar.

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6 y 7 Electrodos.

Figura 4.4 Equipo para automatizar un sistema de microirrigación y definir la forma del VSH

El mecanismo de control consta de un sistema de alimentación de riego que es controlado por dos electrodos, según puede observarse en la Figura 4.4. Cuando el VSH alcanza los electrodos, el riego es parado automáticamente, por el contrario si la zona entre los electrodos se seca la operación de regar se inicia de nuevo.

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Mediante la situación de los electrodos se puede definir el tamaño del VSH y, para un cierto volumen, la forma puede ser controlada.

Un dispositivo bastante similar al anterior, pero más adecuado para riego por aspersión, fue también patentado por Ayme de la Chevreliere (1975). El dispositivo comprende un electrodo extendido por la parte superior de la capa regada y un electrodo extendido, a una cierta profundidad, dentro de la capa permanentemente húmeda. La resistividad del suelo, incluyendo la sección generalmente seca, entre las dos capas indica el grado de humedad y genera una orden para la puesta en marcha del sistema de riego. Para obtener un suficiente porcentaje de fiabilidad, los electrodos están, también, espaciados en sentido horizontal.

El invento tiene por objeto la puesta en marcha y control de la operación de pulverización mediante 2 electrodos que miden la resistividad eléctrica y en consecuencia la humedad del suelo. La novedad del sistema estriba en que los dos electrodos se hallan situados a diferentes profundidades y estan espaciados en dirección transversal. El electrodo superior se situa en la capa de suelo preparada para ser humedecida por pulverización superficial, mientras que el electrodo más bajo se sitúa a mayor profundidad, dentro de la capa de suelo que posee humedad residual.

La observación de la Figura 4.5 facilitará la comprensión del sistema patentado por Ayme de la Chevreliere.

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1 y 2 Electrodos

3 Caja de control del aspersor 4 y 5 Terminales caja de control A Capa freática inferior B Capa freática superior C Capa intermedia seca

Figura 4.5 Sistema automatizado de riego por aspersión mediante electrodos verticales de resistividad

En esta figura se observa la presencia de 2 electrodos situados, verticalmente, a una distancia predeterminada “d” entre ellos. Cuando la capa de suelo extendida entre los dos electrodos está seca, ninguna o escasa corriente eléctrica puede pasar a la caja, que incluye los medios de control del aspersor al cual va unida mediante los terminales.

El sistema de Ayme de la Chevreliere tiene por objeto romper la capa intermedia C y poner en contacto las capas superior e inferior A y B, ascendiendo la humedad más profunda de la capa A, por efecto capilar, hacia la capa superior B. Cuando el suelo se seca y el nivel superior de la capa A, también, el sistema de aspersión se pone de nuevo en marcha.

Los resultados obtenidos con este sistema no son satisfactorios en el circuito de control del electrodo ya que el aspersor se para en cuanto la capa de suelo superior B, donde están los electrodos, está suficientemente húmeda. Sin embargo no se aprovecha la humedad existente en la capa freática profunda A, habitual en países o zonas con clima húmedo o subsuelo impermeable, al existir una capa intermedia C seca que hace de barrera.

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3 Caja de control del aspersor 4 y 5 Terminales caja control 6 y 7 Electrodos

A Capa inferior del suelo B Capa superior del suelo

Figura 4.6 Sistema modificado para riego por aspersión con electrodos horizontales de resistividad

Otro sistema sitúa un electrodo superior (Figura 4.6) en un plano horizontal a unos 5- 6 cm debajo el nivel de la superficie del suelo, mientras el electrodo más bajo

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está en el nivel en que las raíces de la planta se extienden. Los electrodos controlan la aspersión entre las capas A y B, permitiendo elevar la humedad de la capa A hacia las raíces, mientras B continua húmeda por más tiempo.

Para suelos con grietas la mejor ubicación de los electrodos es aquella que los sitúa a diferentes profundidades y, a la vez, desplazados horizontalmente respecto a la vertical, ya que de esta forma se evitan lecturas erróneas por el paso preferencial de agua a través de las grietas (Figura 4.7).

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6 y 7 Electrodos

Figura 4.7 Sistema automático de riego por aspersión mediante control por electrodos de resistividad