ES2259498B1 - Dispositivo para medidas electrotermicas y los correspondientes procedimientos de medida y aplicaciones para evaluacion de la compactacion de suelos agricolas, de la reserva energetica del suelo y de la calidad de alimentos y productos agroecologicos. - Google Patents

Dispositivo para medidas electrotermicas y los correspondientes procedimientos de medida y aplicaciones para evaluacion de la compactacion de suelos agricolas, de la reserva energetica del suelo y de la calidad de alimentos y productos agroecologicos. Download PDF

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Abstract

Dispositivo para medidas electrotérmicas y los correspondientes procedimiento de medida y aplicaciones para evaluación de la compactación de suelos agrícolas, de la reserva energética del suelo y de la calidad de alimentos y productos agro-ecológicos. Conforme a la invención, el dispositivo comprende un cilindro portador (2) de muestras (M), exteriormente envuelto por una resistencia (4), con bornes receptores (40-41) conectados a dos líneas (50-51); un anillo (3) térmicamente aislante, soportado por un cilindro exterior (6), con dos bornes (60-61) para la fuente de alimentación de tensión; y una tapa superior (7) térmicamente aislante que también sirve como guía para un termopar (TP) introducido la muestra de suelo (M) a través de un orificio concéntrico (70) practicado en la mencionada tapa. Por medio de la medición de la conductividad térmica de la muestra de suelo pueden determinarse características de compactación de suelos agrícolas, de la reserva energética del suelo y de la calidadde alimentos y productos agro-ecológicos.

Description

Dispositivo para medidas electrotérmicas y los correspondientes procedimientos de medida y aplicaciones para evaluación de la compactación de suelos agrícolas, de la reserva energética del suelo y de la calidad de alimentos y productos agro-ecológicos.
Ámbito de la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo para medir magnitudes electrotérmicas que está constituido fundamentalmente por un cilindro portador de muestras de suelo no alteradas, el cual se encuentra rodeado por una resistencia, que crea un flujo radial de calor en la muestra de suelo, el cual permite determinar la conductividad térmica del mismo, para evaluar a partir de ella el estado de compactación y la reserva energética del suelo.
Este dispositivo para medidas electrotérmicas permite la determinación de la conductividad térmica del suelo y a través de ésta inferir sobre el estado de compactación del suelo a cualquier profundidad, y por consiguiente se obtiene información acerca de la porosidad y el grado de empaquetamiento y distribución de las partículas del suelo. Permitiendo el levantamiento de mapas de compactación de una zona determinada de suelo.
El dispositivo para medidas electrotérmicas también permite inferir sobre la reserva energética del suelo, dando información acerca del potencial de materia orgánica y biomasa microbiana acumulado en el suelo y la incorporación de esta información en mapas que consideran la variación espacio-tiempo.
Adicionalmente, un dispositivo para medidas electrotérmicas de este tipo puede ser utilizado para el análisis de la calidad nutricional de alimentos y para la identificación de la calidad de productos agro-ecológicos u orgánicos.
Técnica anterior
La invención parte de la idea de solucionar los inconvenientes prácticos y la valoración obtenida del grado de compactación del suelo por medio del llamado "Método del Penetrómetro de Cono", tal como es el valor obtenido de resistencia a la penetración del suelo que representa los efectos combinados de las fuerzas de cohesión y fricción que limitan la interpretación de las medidas, siendo este un indicador secundario del grado de compactación, además los índices de cono crítico necesitan ser ajustados para cada tipo de suelo, cultivo y penetrómetro usado. Estas limitaciones son superadas con el dispositivo para medidas electrotérmicas como medio de valoración del grado de compactación.
Objetos de la invención
El dispositivo para medidas electrotérmicas es accionado al aplicar una corriente continua que circula a través de una resistencia, la energía térmica disipada por la resistencia genera un flujo de calor en el suelo que permite determinar la conductividad térmica del mismo, para evaluar a partir de ella el estado de compactación de un suelo a causa de la mecanización agrícola. La corriente aplicada y la diferencia de potencial es medida por medio de multímetros; el flujo de calor genera un incremento de temperatura en el suelo el cual es medido por medio de un termopar que registra los datos en un PC a través de un interfaz.
Sorprendentemente, el dispositivo para medidas electrotérmicas también permite inferir sobre la reserva energética del suelo, dando información acerca del potencial de materia orgánica y biomasa microbiana acumulado en el suelo y la incorporación de esta información en mapas que consideran la variación espacio-tiempo.
También de manera sorprendente ha resultado de manera adicional que un dispositivo para medidas electrotérmicas de este tipo puede ser utilizado para el análisis de la calidad nutricional de alimentos y para la identificación de la calidad de productos agro-ecológicos u orgánicos.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas de la invención resultarán más claramente de la siguiente descripción realizada con la ayuda de los dibujos adjuntos, relativos a ejemplos no limitativos y en los que:
La figura 1 muestra un diagrama de una muestra de suelo para medida de su compactación para explicación de los fundamentos teóricos según la invención.
La figura 2, muestra de manera esquemática un dispositivo para medidas electrotérmicas según la invención.
La figura 3, muestra un diagrama de bloques para sistematización de las medidas realizadas con el dispositivo conforme a la figura 2, con la ayuda de un equipo informático tipo PC compatible IBM®.
Las figuras 4a a 4d muestran respectivos gráficos de zonificación de suelos sometidos a diferentes sistemas de labranza obtenidos con la ayuda del aparato según la figura 2.
Las figuras 5 a 11 muestran diversas gráficas para explicación de los ejemplos conforme a la invención.
Descripción detallada de formas de realización preferidas
Con referencia a la figura 2, puede apreciarse que el dispositivo para medidas electrotérmicas está constituido fundamentalmente por un cilindro portador de muestras de suelo no alteradas (núcleos cilíndricos), el cual se encuentra rodeado por una resistencia (R = 31.1 \Omega), que crea un flujo radial de calor en la muestra de suelo, generado por una corriente continua que es producida por una fuente de poder. El cilindro portador de la muestra se encuentra aislado térmicamente dentro de un cilindro que a su vez sirve de soporte al conjunto. El diámetro total del Dispositivo para medidas electrotérmicas es de 12 cm y su altura es de 18 cm, en la cual se pueden medir muestras de suelo no alteradas de cualquier profundidad en núcleos cilíndricos de 5 cm tanto de altura como de diá-
metro.
El dispositivo para medidas electrotérmicas (1) basa su diseño en el de un calorímetro y está constituido por las siguientes piezas: un cilindro portador (2) de muestras no alteradas de suelo, el cual está envuelto por una resistencia (4) exteriormente, a la que en los bornes receptores (40-41) están conectados dos líneas (50-51) de un cable eléctrico. Este cilindro se encuentra aislado por medio de un anillo (3) a base de material aislante térmico, soportado por un cilindro exterior (6), donde también se tienen cajeados dos bornes (60-61) para recibir encajadamente a dos conectores machos respectivamente que vienen de la fuente de alimentación. En la parte superior se encuentra aislado por una tapa (7) a base de material aislante térmico y que también sirve como guía para la ubicación dentro de la muestra de suelo de un termopar (TP) a través de un orificio concéntrico (70) previsto en la mencionada tapa
(7).
El método para medir el estado de compactación del suelo se desarrolla colocando en el cilindro portador (2) del dispositivo para medidas electrotérmicas 1 la muestra de suelo no alterada (M), en la cual se introduce el termopar (TP), justamente en el centro, para el registro de datos. A continuación son enchufados en los bornes (60-61) los conectores eléctricos con sus respectivos cables que provienen de la fuente de alimentación para suministrar la corriente eléctrica a la resistencia (4) a través de las líneas (50-51) de cable eléctrico. La corriente eléctrica y la diferencia de potencial son registradas en multímetros conectados en serie y en paralelo respectivamente.
Conforme se ilustra mediante la figura 3, el dispositivo para medidas electrotérmicas anterior es ventajosamente utilizado por la sistematización de la toma de datos a través del termopar (TP), el cual está conectado a una interfaz (IF) que registra los datos en un PC que funciona bajo Windows®.
Los materiales empleados para la construcción del dispositivo para medidas electrotérmicas, de acuerdo con la invención, vienen determinados de conformidad con las correspondientes exigencias técnicas, como se describe a continuación: el cilindro portador (2) es de cobre, seleccionado este material por ser un buen conductor de calor, la resistencia (4) está conformada por alambre cantal recubierto con acero inoxidable, mientras que el anillo aislante (3) y la tapa (7) están hechos con un material aislante térmico a base de Nylon.
Método para medida de la compactación de suelos, ejemplos 1 a 4
El dispositivo para medidas electrotérmicas conforme a la invención utiliza, como fuente de calor, una resistencia eléctrica por la cual fluye una corriente continua; la energía térmica disipada en la resistencia genera una transferencia de calor a la muestra (M) (suelo, alimentos) que se encuentra dentro (2) de un cilindro portador. Los fundamentos teóricos para este método, se explican a continuación con la ayuda de la figura 1 de los dibujos.
La ecuación que gobierna el flujo de calor en el suelo es:
(1)\frac{\partial{}T}{\partial{}t} = D_{T} \vec{\nabla}^{2} T \pm S[r,t]
donde \vec{\nabla}^{2} es el operador laplaciano, T la temperatura como una función de la posición r y el tiempo t, S la fuente de calor y D_{T} la difusividad térmica que expresa la inercia del suelo, D_{T} = \lambda/C_{p}^{v}, siendo \lambda la conductividad térmica que depende de la composición mineral, la fracción de volumen de agua y aire, el contenido de materia orgánica y tamaño, forma y disposición espacial de las partículas del suelo, pero que aquí se considera una constante y C_{p}^{v} la capacidad calorífica volumétrica en condiciones isobáricas. Puesto que nuestro sistema se encuentra dentro de un cilindro, tenemos que resolver la ecuación (1) en coordenadas cilíndricas, con una fuente de calor cons-
tante.
La ecuación (1) en coordenadas cilíndricas es:
(2)D_{T} \left( \frac{\partial^{2}T}{\partial{}r^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial{}T}{\partial{}r} + \frac{1}{r^{2}} \frac{\partial^{2}T}{\partial{}\phi^{2}} + \frac{\partial^{2}T}{\partial{}z^{2}} - \right) - \frac{\partial{}T}{\partial{}t} = - \frac{T_{0}}{D_{T}}
\newpage
Donde la fuente se expresa en función de la difusividad térmica. Ya que el sistema (suelo más cilindro) bajo estudio presenta una simetría azimutal y no depende de la altura, la ec. (2) se reduce a:
(3)D_{T} \left( \frac{\partial^{2}T}{\partial{}r^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial{}T}{\partial{}r} \right) - \frac{\partial{}T}{\partial{}t} = - \frac{T_{0}}{D_{T}}
La ecuación (3) se solucionará por el método de la transformada de Laplace.
(4)\overline{T} (\lambda, t) = \int\limits^{\infty}_{0} e - \lambda tT (r, t) dt
con la condición de frontera
(5)\left.\frac{\partial{}T}{\partial{}r} \right|_{r=a} = q T
y la condición inicial
(6)T(r = a) = T_{0}
Con la ecuación (4), la ecuación (3) se convierte en la ecuación subsidiaria:
(7)\frac{\partial^{2}\overline{T}}{\partial{}r^{2}} + \frac{1}{r} \frac{\partial{}\overline{T}}{\partial{}r} - q^{2} \overline{T} = 0
donde q^{2} = D_{T}. La ec. (7) es la ecuación modificada de Bessel de orden cero, cuya solución es:
\overline{T}(qr)= AI_{0}(qr) + Bk_{0}(qr)
Para hallar las constantes A y B, se recurre a las ecuaciones (5) y (6).
Para calcular T (r,t) se recurre al teorema de inversión para la transformada de Laplace:
100
\vskip1.000000\baselineskip
calculando los residuos
101
\vskip1.000000\baselineskip
donde
102
\vskip1.000000\baselineskip
donde n es el orden del polo en z = z_{0}.
Realizando estas operaciones, llegamos a la solución de la ec. (3)
(8)T = T_{0} + \frac{q}{4\pi{}\lambda} 1n(\tau) + \frac{q_{2}}{4\pi{}\lambda} 1n(4\tau) + ...
la solución (8) se reduce a
(9)T = T_{0} + \frac{q}{4\pi{}\lambda} 1n(\tau)
considerando grandes valores de tiempo. Una gráfica de la temperatura como función del logaritmo del parámetro \tau (que se relaciona con el tiempo t) es una línea recta, cuya pendiente es proporcional al inverso de la conductividad térmica del suelo \lambda. Como \lambda., es función de la porosidad \theta del suelo, \lambda = \lambda. (\theta), el cálculo de \lambda puede ser un indicador del estado de compactación de un suelo.
De esta manera, con el dispositivo para medidas electrotérmicas según la invención surge una metodología para su implementación, la cual denominamos "Método o Técnica Electrotérmica". Este método que permite estudiar diversos fenómenos con alto rango de confiabilidad a través del comportamiento térmico, teniendo como medio de estudio fundamental la conductividad térmica.
Ejemplos 1 a 4
El dispositivo para medidas electrotérmicas conforme a la invención fue utilizado para estudios de compactación del suelo.
Se estudiaron cuatro tratamientos de labranza (Cincel Vibratorio (CV), Siembra Directa (SD), Mulch Tiller (MT) y Labranza convencional (LC) por medio de la Técnica Electrotérmica, es decir, midiendo la conductividad térmica del suelo. Se evaluó el impacto sobre la compactación del suelo. Los resultados obtenidos para cada tratamiento presentaron diferencias, estadísticamente, notables, a los dos niveles de profundidad evaluados (h_{1}-0-10 cm; h_{2} = 10-20 cm).
En las tablas 1 y 2 siguientes se presentan los valores promedios de cada una de las propiedades físicas evaluadas y el análisis de varianza correspondiente. De este análisis se desprende que a partir de la conductividad térmica del suelo se logra diferenciar los dos grupos conformados entre tratamientos con alta significancia, a los dos niveles de profundidad evaluados. Mientras que, a partir de la densidad aparente y el espacio poroso total no se logra diferenciar con la misma claridad y significancia estadística los tratamientos; por lo tanto no se puede inferir eficazmente sobre el estado de compactación a través de estos dos parámetros.
\vskip1.000000\baselineskip
TABLA 1
Tr. \lambda (cal/cm*s*m)*10^{-3} \rhoa (g/cm^{3}) EPT (%)
0-10 cm 0-10 cm 0-10 cm
CV 0,85 A 1,53 A 43,03A
SD 1,03 B 1,68 B 38,43B
MT 1,05 B 1,56 A 41,38A
LC 0,87 A 1,55 A 42,35 A
DMS 0,09 (1%) 0,11 (1%) 2,56 (5%)
Testigo 1,18 1,45 46,88
\vskip1.000000\baselineskip
En la anterior tabla 1, se muestran los resultados del análisis de varianza de \lambda, \rho_{a} y EPT en cada uno de los tratamientos de 0-10 cm de profundidad. DMS: diferencia mínima significativa; Los valores con la misma letra no son diferentes entre si.
TABLA 2
Tr. \lambda (Cal/cm*s*m)*10^{-3} \rhoa (g/cm^{3}) EPT (%)
10-20 cm 10-20 cm 10-20 cm
CV 0,83 A 1,61 A 41,05 A
SD 0,99 B 1,70 B 38,23 B
MT 1,05 B 1,67 BC 39,15 B
LC 0,86 A 1,65 AC 39,45 AB
DMS 0,09 (1%) 0,05(5%) 1,79(5%)
Testigo 1,07 1,56 40,18
En esta tabla 2 se muestra el resultado del análisis de varianza de \lambda, \rhoa y EPT en cada uno de los tratamientos de 10-20 cm de profundidad. DMS: diferencia mínima significativa; Los valores con la misma letra no son diferentes entre sí.
Las figuras 4a a 4d muestran la zonificación del terreno para los dos niveles de profundidad evaluados, comparando los valores de conductividad térmica y densidad aparente del suelo; de este gráfico se observa que a través de \lambda se logra tener mejores diferencias significativas entre los cuatro tratamientos de labranza.
Aplicación para evaluación de la reserva energética del suelo
Conforme a la invención es posible utilizar el dispositivo y método de medida electrotérmica para realizar una evaluación de la reserva energética de un suelo y a continuación se explican los fundamentos teóricos para esta aplicación.
Bajo un enfoque energético se tiene que:
Actividad Microbiana del Suelo \rightarrow Energía Cinética Biomasa Microbiana y
Materia Orgánica del suelo \rightarrow Energía Potencial
La Biomasa microbiana y la Materia orgánica del suelo representadas por la conductividad térmica como la energía potencial del sistema constituyen la denominada "Reserva Energética del Suelo (RES)".
Entonces:
RES = \lambda - (k^{1}) AMS - I
En la figura 5 se observa la relación existente entre estos parámetros, de donde se establece la utilización de la conductividad térmica como indicador de la reserva energética del suelo.
\lambda = K_{1} \ AMS + K_{2} \ BMS + K_{3} \ MO + I
donde:
\lambda = conductividad térmica del suelo (Cal/cm.s.ºC)
AMS = Actividad microbiana del suelo (\mugC-CO_{2}/gss)
BMS = Biomasa microbiana del suelo (\mugC/gss)
I = Intercepto
Evaluación de cultivos agro-ecológicos, en transición y convencionales de Maracuyá
Se realizaron mediciones de las variables: actividad microbiana, biomasa microbiana, materia orgánica y conductividad térmica del suelo (\lambda), en cuatro lotes cultivados con Maracuyá, pertenecientes a cuatro fincas cuyos propietarios emplean diferentes sistemas de producción (agro-ecológico, transición y convencional) y se realizó el respectivo análisis de varianza entre métodos. Los resultados de las diferencias obtenidas se presentan en la siguiente tabla 3.
TABLA 3
Sistema de \lambda AMS BMS MO
cultivo (Cal/cm.s.ºC)*10^{-4} (\mugC-CO_{2}/gss) (\mugC/gss) (%)
0-15 15-30 0-15 15-30 0-15 15-30 0-15 15-30
cm cm cm cm cm cm cm cm
8,25 7,74 301,75 267,56 233,30 206,75 3,8 3,2
Agro-ecológico A AB A AB A AB A A
6,94 7,14 209,31 218,47 134,83 139,62 3 2,4
Transición B B B B B B B A
Convencional 6,28 6,44 128,34 159,31 76,38 92,31 2,3 2,5
C C C CB CB CB C A
DMS 1,54 1,39 173,41 108,43 156,92 114,95 1,129 NS
AS(0,1%) AS(0,1%) AS(0,1%) AS(1%) AS(0,1%) AS(0,5%) (0,1%)
La anterior tabla 3 muestra los resultados del análisis de varianza de conductividad térmica, actividad microbiana, biomasa y materia orgánica del suelo para cada manejo de cultivo. DMS: diferencia mínima significativa,; NS: No Significativo. Los valores con la misma letra no son diferentes entre sí.
En la figura 7 se observa el comportamiento de la conductividad térmica en cada uno de los sistemas de producción evaluados.
Evaluación de la calidad de productos agro-ecológicos
El objetivo de los ensayos realizados es utilizar el comportamiento térmico de productos agro-ecológicos como indicador de su calidad, aprovechando la relación existente entre la conductividad térmica y los materiales orgánicos.
Los ensayos se realizaron comparando café orgánicos -café convencional y banano orgánico- banano convencional. Los resultados obtenidos se observan en las figuras 8 y 9.
Aplicación en la industria de la caña de azúcar
Ensayos preliminares realizados para tratar de dar solución oportuna a dificultades encontradas en la industria de la caña de azúcar, han mostrado que la Técnica Electrotérmica logra buenos resultados en casos como el de presencia de material extraño en jugos de caña de azúcar y presencia de material mineral en productos de procesos azucareros. Los resultados preliminares se pueden observar en la figura 10.
Aplicación para evaluación de calidad en alimentos
En el área de alimentos se puede aplicar la Técnica Electrotérmica buscando utilizar la conductividad térmica como un indicador de calidad de productos como aceites y leches.
En aceites comestibles se busca identificar la pérdida de calidad a causa del uso continuo. En la figura 11 se observan las diferencias obtenidas para dos condiciones de un aceite vegetal.
En leches se encontraron diferencias entre leches de origen animal y vegetal, situación que se puede aprovechar para inferir acerca de la calidad nutricional de acuerdo a su composición, buscando relacionar esta con el comportamiento térmico. En la figura 11 se presenta el comportamiento térmico para los dos tipos de leche evaluados.
Suficientemente que se han descrito los objetos de la invención, solamente resta señalar que la realizaciones derivadas de cambios de forma, materiales y similares, así como las resultantes de una aplicación de rutina de lo anteriormente revelado, deberán considerarse incluidas en su ámbito, de manera que el alcance de la invención, tan solo estará limitado por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (6)

  1. \global\parskip0.950000\baselineskip
    1. Dispositivo para medidas electrotérmicas, caracterizado por cuanto comprende:
    -
    un cilindro portador (2) de muestras no alteradas de suelo (M), el cual está exteriormente envuelto por una resistencia (4), a la que en sus bornes receptores (40-41) están conectados dos líneas (50-51) de un cable eléctrico;
    -
    un anillo (3) a base de material aislante térmico, para aislamiento del cilindro soportado por un cilindro exterior (6), con cajeados para dos bornes (60-61) destinados a recibir encajadamente a dos conectores machos respectivamente procedentes de la fuente de alimentación; y
    -
    una tapa superior (7) a base de material aislante térmico para aislamiento de la parte superior y que también sirve como guía para la ubicación de un termopar (TP) dentro de la muestra de suelo (M) a través de un orificio concéntrico (70) practicado en la mencionada tapa.
  2. 2. Procedimiento para medidas electrotérmicas de materiales mediante el empleo del dispositivo de la reivindicación 1, caracterizado por las siguientes etapas operativas:
    -
    colocación de la muestra de material (M) en el cilindro portador (2) del dispositivo para medidas electrotérmicas (1), dentro de la cual se introduce el termopar (TP), justamente en el centro, para el registro de datos;
    -
    conexión en los bornes (60-61) los conectores eléctricos con sus respectivos cables que provienen de la fuente de potencia para suministrar la corriente eléctrica a la resistencia (4) a través de las líneas (50-51) del cable eléctrico; y
    -
    registro de la intensidad de corriente eléctrica y de la diferencia de potencial por medio de multímetros conectados en serie y en paralelo respectivamente.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por cuanto, los registros de intensidad de corriente y de diferencias de potencial son aplicados a través de una interfaz (IF) a un equipo informático tipo PC compatible.
  4. 4. Aplicación del dispositivo y procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3 para medida de la compactación de una muestra inalterada de suelo agrícola (M), donde dicha compactación es evaluada a partir de la conductividad térmica de la muestra del suelo de acuerdo con la siguiente formula:
    T = T_{0} + \frac{q}{4\pi{}\lambda} 1n(\tau)
    siendo T la temperatura de la muestra, con T_{0} como temperatura inicial, función del logaritmo del parámetro \tau proporcional al tiempo, \lambda la conductividad térmica.
  5. 5. Aplicación del dispositivo y procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3 para medida de la reserva energética (RES) de una muestra de suelo, donde dicha reserva energética es evaluada a partir de la conductividad térmica de la muestra conforme a lo siguiente
    RES = \lambda - (k^{1}) AMS - I
    y
    \lambda = K_{1} \ AMS + K_{2} \ BMS + K_{3} \ MO + I
    donde:
    \lambda = conductividad térmica del suelo (Cal/cm.s.ºC)
    AMS = Actividad microbiana del suelo (\mugC-CO_{2}/gss)
    BMS = Biomasa microbiana del suelo (\mugC/gss)
    I = Intercepto.
  6. 6. Aplicación del dispositivo y procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3 para evaluación de la calidad de productos agro-alimenticios, a partir de la medición de la conductividad eléctrica de una muestra.
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