instrumentação em física do solo aplicada ao manejo do solo 2 - instrumentação em física...
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Carlos M. P. Vaz
Instrumentação em Física do Solo
aplicada ao Manejo do Solo
Sensor Typef sensor #
papersGHz outputs
CurrentlyavailableandthisstudyTDR100 Campbell TDR 1.450 e’,ECb -
CS616 Campbell TLO 0.175 period 20ThetaProbe Delta-T I 0.100 voltage 43SM300 Delta-T I 0.100 voltage,T 3Wet2 Delta-T C 0.020 e’,ECb,T 15
5TE Decagon C 0.070 e’,ECb,T 1710HS Decagon C 0.070 voltage 8HydraProbe Stevens I 0.050 e’,e’’,ECb 24
EC-5 Decagon C 0.070 voltage 21CS650/655 Campbell TLO 0.175 e’,ECb,T -PR1/6;PR2/6 Delta-T C 0.100 voltage 11Trime Mesa TDR 1.000 voltage 12Diviner2000 Sentek C 0.25-0.29 count* 14EnviroSCAN Sentek C 0.10-0.15 count* 24EasyAg Sentek C - - 2Watermark Irrometer R - resistance 43Aqua-Pro - C - voltage 3DigitalTDT Acclima TDT 1.23 e’,ECb,T 11
Gro-Point ESI TDT - current 2TDTAquaflex - TDT - voltage -Virrib AMET - - 5Discontinued EC-20 Decagon C 0.005 voltage 16EC-10 Decagon C 0.005 voltage 6CS615 Campbell TLO 0.044 period 18SM200 Delta-T I 0.100 voltage 4LOM/RS EasyTest TDR - - 3
30 Pesquisadores Física, Química, Engenharias Eletrônica,
Mecânica, Química e Materiais, Bioquímica, Biologia e
Ciência da Computação, Agronomia, Veterinária
Embrapa Instrumentação
São Carlos, SP
- Máquinas, equipamentos, sensores e sistemas
ATUAÇÃO
- Métodos avançados (espectroscópicos, imagem,
softwares e modelagem matemática)
- Processos físicos, químicos e biológicos
(compósitos poliméricos, filmes biodegradáveis,
revestimentos alimentos e insumos)
Produção Agropecuária - Recursos Naturais
Pós-colheita - Insumos
Instrumentação em Física do Solo
Penetrômetros
Infiltrômetros
Permeâmetros
Tensiômetros
Sonda de Nêutrons
Sensores capacitivos
TDR
Mesa tensão/panela Richards
TEMAS
- Resistência à penetração: equipamentos e modelagem
- Análise granulométrica: métodos, equipamentos, FPT
- Sensores de umidade: TDR e FDR
- Novos sensores de potencial da água no solo
- Tomografia computadorizada de raios-X
Algumas questões importantes
- Pouca disponibilidade de equipamentos nacionais
- Tendência de automação
- Monitoramento com rede de sensores (wireless)
- Fusão de sensores
- Validação condições de solos brasileiros
- Poucos grupos - desenvolvimento instrumentação
- Desenvolvimento da indústria nacional
Resistência mecânica do solo - equipamentos
dinâmico estáticos
Parâmetros que influenciam a RP
Ds, θ ou ψ, textura, M.O.
Funções de Pedotransferência
Silva et al. (Rev. Bras. Ci. Solo, 32:1-10, 2008)
RP = (a+b*ARG)*θ(c+d*ARG)*Ds(e+f*ARG)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
2
4
6
8
10
RP
(M
Pa
)
q (cm3 cm
-3)
Arg=15% - 1,55 g cm-3
Arg=15% - 1,65 g cm-3
Arg=30% - 1,45 g cm-3
Arg=30% - 1,55 g cm-3
Arg=70% - 1,10 g cm-3
Arg=70% - 1,20 g cm-3
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.00
2
4
6
8
10 Arg=15% - q=0,20 (CC)
Arg=15% - q=0,09 (PM)
Arg=30% - q=0,26 (CC)
Arg=30% - q=0,15 (PM)
Arg=70% - q=0,42 (CC)
Arg=70% - q=0,30 (PM)
RP
(M
Pa
)
Ds (g cm-3)
Modelagem RP = f (Ds, θ) solos diversas texturas
- Solos: RQo, LVAd, LVd, PVAd, LVdf, NVef
- Medidas período seco e chuvoso
- Penetrômetro de impacto Kamaq
- RP, Ds, θ (0-60cm, 5cm)
Vaz et al. Geoderma, 166:92-101, 2011 Vaz et al. SSSAJ, 77:1488-1495, 2013
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
5
10
15
20
25
30 RQo
PVAd
LVAd
LVd
LVdf
NVef
Ds=1,61 g/cm3
1,55 g/cm3
1,48 g/cm3
1,28 g/cm3
1,38 g/cm3
1,13 g/cm3
RP
(M
Pa
)
q (cm3cm
-3)
3 MPa
- 23 equações RP = f (Ds, θ): mínimos quadrados
Jakobsen e Dexter, Soil Til. Res. 10:331-345, 1987
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.301.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Ds (
g c
m-3)
u (g g-1)
NVef
LVdf
LVAd
RQo
PVd
LVd
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
0.1
1
10
100
1000
RQo
PVd
LVAd
LVd
LVdf
NVef
y (
kP
a)
q (cm3 cm
-3)
Equação única RP = f (Ds, θ) ?
(0-1)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
0
5
10
15
20
25
30
RP
(M
Pa
)
Ds* = 0
Ds* = 0,25
Ds* = 0,5
Ds* = 0,75
Ds* = 1
S
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
5
10
15
20
25
30 RQo
PVAd
LVAd
LVd
LVdf
NVef
Ds=1,61 g/cm3
1,55 g/cm3
1,48 g/cm3
1,28 g/cm3
1,38 g/cm3
1,13 g/cm3
RP
(M
Pa
)
q (cm3cm
-3)
3 MPa
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
0
5
10
15
20
25
30R
P (
MP
a)
Ds (g cm-3)
RQo
PVAd
LVAd
LVd
LVdf
NVef
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0
5
10
15
20
25
30
RP
(M
Pa)
S = 0
S = 0,25
S = 0,5
S = 0,75
S = 1
Ds*
RP=f (ρ,θ): medida combinada RP com θ
Cabo coaxial
(50 W)
conector BNC
coneProbe de
TDR
60 cm
nível
M = 4 kg
h
kevlar-nylon
23.9 mm
Fio terra
(f= 0.5 mm)
Condutor
(f=0.5 mm)
Ponta deaço
Equipamento automático
acionamento
pneumático
sensor de
umidade
sensor de profundidade
!
Avaliação compactação - cisalhamento
- Amostrador de solo - sistema hidráulico - broca
- Sensor de pressão: mede esforço (0-20cm, 0-40cm …)
- Medida cisalhamento/corte solo (1/seg.)
LVAd (argila=32%)
0
2
4
6
8
10
0 10 20 30 40
indiceS
profundidade(cm)
21/02/14
7/3/14
26/03/14
7/5/14
1.48 1.50 1.52 1.54 1.56 1.58 1.600
2
4
6
8
10
q=26%
Penetrometer (MPa)
Sensor (Volts)
PR
(M
Pa
); S
en
so
r (V
)
BD (g cm-3)
q=18%
0.16 0.20 0.24 0.28
2
4
6
8
10
1.511.52
penetrometer (MPa)
Sensor (Volts)
RP
(M
Pa
); S
en
so
r (V
)
q (cm3 cm
-3)
Ds=1.50 g/cm
3
0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 1.25
2
4
6
8 Sensor (volts)
PR (MPa)
PR
(M
Pa
); S
en
so
r (V
)
BD (g cm-3)
LVA
NV
0.315 0.320 0.325 0.330
2
4
6
8
Sensor (volts)
PR (MPa)
PR
(M
Pa
); S
en
so
r (V
)
q (cm3 cm
-3)
Considerações sobre medidas RP
Penetrômometros
- Grande dependência RP com a umidade
- Medida em condição próxima capacidade de campo
- Fundamental medida da umidade ou potencial água
- Correção do efeito umidade - modelagem
Equipamento cisalhamento
- Pequena dependência com a umidade
- Necessita verificar efeito diferentes tipos de solo
Granulometria/textura dos solos
Caracterização e classificação
Manejo do solo
Aplicação fertilizantes, corretivos e herbicidas
areia argila silte
Menor tamanho das partículas
- maior superfície específica
- maior porosidade
- maior capacidade de retenção água e nutrientes
Equipamentos - análise granulométrica de solos
Difratômetro de laser
Transmissão de raios-X
Impedância elétrica
Hidrômetro/densímetro
Método da Pipeta
Vantagens métodos padrão (Pipeta e Bouyoucos)
- Equipamentos e procedimentos simples
- Boa acurácia
Desvantagens
- Depende da experiência do analista
- Limitações lei de sedimentação (Stokes): Dp, forma e [C]
- Alta demanda de mão de obra
Automação
Analisador granulométrico de raios gama
- Homogeneização automática da solução
- Sensor de temperatura (correção viscosidade da água)
- Determina Dp dos solos (correção veloc. sedim. - Stokes)
- Distribuição granulométrica
- Software de aquisição e controle
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Analisad
or
Hidrômetro
Lab1
argila
silte
areia
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Analisad
or
Hidrômetro
Lab2
argila
silte
areia
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Analisad
or
Hidrômetro
Lab3
argila
silte
areia
Coeficiente atenuação em massa (μ) Dp
μ α Dp
0.25 0.30 0.35 0.40
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
p = 2.026 + 2.325
p
r2 = 0.97
p (
g c
m-3)
s (cm
2 g
-1)
Dp
I0# I#
x#
Granulometria - caracterização solos - distribuição de poros (retenção água) - estrutura
Rx: empacotamento (0,225 a 0,414)
- Distribuição partículas - Distribuição de poros - Retenção de água
Modelo de Arya e Paris (1981)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.1
1
10
100
1000 NVef
RQo
y (
kP
a)
q (cm3 cm
-3)
Mapeamento propriedades físicas - área pivô - milho/sorgo
!!
- Granulometria/textura
- Densidade das partículas
- Curva de retenção
- Densidade global
- Umidade volumétrica
- Resistência à penetração
- Condutividade elétrica
- Produtividade matéria seca
- Mapas por geoestatística
- Correlações: causa-efeito
y"="$2.379x"+"14.849"R²"="0.004"
10"
11"
12"
13"
14"
15"
16"
17"
0.300" 0.350" 0.400" 0.450" 0.500"
MS#(tonha*
1)#
Argila#(g#g*1)##
y"="$5.43x"+"17.10"R²"="0.03"
10"
11"
12"
13"
14"
15"
16"
17"
0.450" 0.500" 0.550" 0.600" 0.650"
MS#(tonha*
1)#
Areia#(g#g*1)##
Considerações sobre métodos de análise
granulométrica
- Busca de métodos automáticos e mais precisos
- Padronização de procedimentos de dispersão
- Método de transmissão de raios X ou gama
- Análise granulométrica detalhada - estimativa AD
- Importância da fração silte para retenção de água
- Base de dados físico-hídricos
Sensores de água no solo Sonda de Nêutrons
TDT
TDR Resistividade
Capacitância, Indutância (FDR)
Vantagens/Desvantagens
Principais sensores FDR
C: Capacitância
I: Impedância
R: Resistividade
TLO: Oscilação Linha Transm.
TDT: Transm. domínio tempo
ε (θ), CE, Temperatura
Frequências: 20-300 MHz
TDR: base física
FDR: empírica
Fatores influenciam resposta sensores FDR
- Tipo Solo: textura; tipo argila; M.O.; Ds;
superfície específica, minerais ferromagnéticos,
- Condutividade elétrica/salinidade
- Tipo de sensor e frequência de operação
- Geometria, tamanho e número de hastes da sondas
- Temperatura
- Calibrações específicas para cada solo
- Calibrações do fabricante (minerais, orgânicos, salinos)
Avaliação de sensores FDR e das calibrações de fábrica
- 8 sensores
- 7 solos
Vaz et al. 2013, Vadoze Zone J.
7 solos do Arizona, EUA
Dp: densidade das partículas do solo Ds: densidade do solo
PT: porosidade total (PT=1-Ds /Dp) ASE: área de superfície específica
LOI: perda por ignição - matéria orgânica CE: condutividade elétrica
solo$argila$ silte$ areia$ Dp$ Ds$ PT$ ASE$ LOI$ CE$
%! g#cm&3! cm3#cm&3! m2#g&1! %! #dS#m&1!
AZ2$ 3,0! 4,3! 92,7$ 2,63! 1,55! 0,42! 1,8! 0,6! 1,21!
AZ6! 21,5! 21,4! 57,1! 2,59! 1,40! 0,55! 17,5! 2,1! 1,32!
AZ9! 20,9! 59,7! 19,4! 2,57! 1,13! 0,61! 8,8! 10,0! 1,40!
AZ11! 36,7! 37,0! 26,3! 2,69! 1,36! 0,60! 30,1! 3,4! 0,94!
AZ15$ 28,0! 62,9! 9,1! 2,46! 1,30! 0,58! 21,6! 5,5! 8,39$
AZ18$ 68,9$ 17,7! 13,4! 2,61! 1,30! 0,63! 50,8$ 6,0! 1,65!
ORG$ 2,6! 13,7! 83,7! 1,83! 0,38$ 0,79! 2,1! 55,1$ 4,80$
RESULTADOS
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
5
10
15
20
25
30
e
q (cm3 cm
-3)
10HS
mineral
Schaap
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
5
10
15
20
25
30
35
40
Schaap
e
q (cm3 cm
-3)
5TE
mineral
0.0 0.1 0.2 0.3 0.40
10
20
30
40
50
60
70
mineral
e
q (cm3 cm
-3)
Hydra Probe
0.0 0.1 0.2 0.3 0.410
20
30
40
50
60
mineralpe
rio
do
(ms)
q (cm3 cm
-3)
CS616
Calibrações específicas - solos minerais
† MU: manual do usuário - fabricante
Considerações sobre sensores FDR
- FDR sensível: salinidade, M.O., textura
- Necessidade de melhorias - calibração dos fabricantes
- Acurácias calibrações fabricantes:
2% (TDR); 3% (Theta P., Wet2); 4% (SM300, 5TE);
5% (Hydra P.); > 5% (10HS, CS616)
- Procedimentos padrão calibrações solos minerais
- Acurácias calibrações específicas:
1-2% (10HS, SM300, Theta P.);
2-3% (TDR100, Wet2, 5TE, Hydra P. CS616)
5th International Symposium on Soil Water
Measurement using Capacitance, Impedance and TDT
Embrapa Instrumentação - São Carlos
20 a 23 de Setembro de 2016
- Principais fabricantes de sensores FDR
- Novos desenvolvimentos e demandas
- Aplicações
Sensores de potencial da água no
solo
tensiômetro
matriz porosa
dielétrico
- Manual (Hg, Bourbon, tensímetro de punção)
- Automático (transdutor pressão)
Auto refil de água
- Até -80 kPa
- Acurácia: 0,5 kPa
- Calibrado individualmente
- Saída digital - coletor dados
- Faixa: 0 a 100.000 kPa
- Acurácia: 2 kPa (25%)
Irrigás
Sensor de diedro
0 5 10 15 20 25 300
10
20
30
40
50
60
2mm1mm
0,5mm
h (
cm
H2O
)
L (cm)
a0=0,1mm
tga=a0/200
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
h (
cm
H20
)
L (cm)
espassador (a0)
y = -2scosq
ai
= -2s
Litgaa0
L=5cm
vertex& glass&& water&&
Li&&
meniscus&& spacer&&
L0&&
a0&&
!"! =#$
%$
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θ,Ψ$θ,Ψ
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S1#
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S2#
S1
S2
S3
0 2 4 6 8 10 12 140
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 169.7 mm
!0 = -0.67 kPa
a0 = 160 mm
S1
L (
mm
)
!applied
(kPa)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
r2 = 0.98
S1
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 58 mm
!0 = -1.52 kPa
a0 = 60 mm
L (
mm
)
!applied
(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.98
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 30.5 mm
!0 = -0.52 kPa
a0 = 30 mm
S3
L (
mm
)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
S3
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.99
0 2 4 6 8 10 12 140
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 169.7 mm
!0 = -0.67 kPa
a0 = 160 mm
S1
L (
mm
)
!applied
(kPa)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
r2 = 0.98
S1
!d
ihed
ral (
kP
a)
!applied
(kPa)
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 58 mm
!0 = -1.52 kPa
a0 = 60 mm
L (
mm
)
!applied
(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.98
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 30.5 mm
!0 = -0.52 kPa
a0 = 30 mm
S3
L (
mm
)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
S3
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.99
0 2 4 6 8 10 12 140
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 169.7 mm
!0 = -0.67 kPa
a0 = 160 mm
S1
L (
mm
)
!applied
(kPa)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
r2 = 0.98
S1
!dih
ed
ral (
kP
a)
!applied
(kPa)
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 58 mm
!0 = -1.52 kPa
a0 = 60 mm
L (
mm
)
!applied
(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.98
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 30.5 mm
!0 = -0.52 kPa
a0 = 30 mm
S3
L (
mm
)!
applied (kPa)
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
S3
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.99
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5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 169.7 mm
!0 = -0.67 kPa
a0 = 160 mm
S1
L (
mm
)
!applied
(kPa)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
r2 = 0.98
S1
!d
ihed
ral (
kP
a)
!applied
(kPa)
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 58 mm
!0 = -1.52 kPa
a0 = 60 mm
L (
mm
)
!applied
(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.98
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 30.5 mm
!0 = -0.52 kPa
a0 = 30 mm
S3
L (
mm
)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
S3
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
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5
10
15
20
25
30
35
40
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a0 = 160 mm
S1
L (
mm
)
!applied
(kPa)0 2 4 6 8 10 12 14 16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
r2 = 0.98
S1
!dih
ed
ral (
kP
a)
!applied
(kPa)
0 5 10 15 20 250
5
10
15
20
25
30
35
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a0 = 60 mm
L (
mm
)
!applied
(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
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5
10
15
20
25
30
35
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S3
L (
mm
)
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20
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S3
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ihe
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l (kP
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(kPa)
r2 = 0.99
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5
10
15
20
25
30
35
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a0 = 169.7 mm
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S1
L (
mm
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L (
mm
)
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(kPa)
S2
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
S2
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
r2 = 0.98
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
40
a0 = 30.5 mm
!0 = -0.52 kPa
a0 = 30 mm
S3
L (
mm
)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
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S3
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ihe
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l (kP
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!applied
(kPa)
r2 = 0.99
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0 4 8 12 16 200
5
10
15
20
25
30
35
40 S1
4.7 kPa
2.6 kPa
1.5 kPa
Li (
mm
)
Time (min.)
0.8 kPa
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
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10.3 kPa
5.9 kPa
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Li (
mm
)
Time (min.)
1.5 kPa
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5
10
15
20
25
30
35
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11.2 kPa
Li (
mm
)
Time (min.)
6.6 kPa
0 40 80 120 1605
10
15
20
25
30
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Li (
mm
)
Time (min.)
!
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
RMSD : 1.7 kPa (sandy soil)
1.1 kPa (substrate)
sandy soil
substrate
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
RMSD : 1.7 kPa (sandy soil)
1.1 kPa (substrate)
sandy soil
substrate
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
RMSD = 1.4 kPa
0 10 20 30 40 500
10
20
30
40
50
!d
ihe
dra
l (kP
a)
!applied
(kPa)
RMSD = 1.4 kPa
S1, S2, S3 Gypsum rod / S3
4"cm"
spacer""30μm"Φ""
glass"glass"
gypsum"
gypsum"rod"
heat6shrink"tubing"
Tomografia de raios X em estudos de solos
- Medidas de transmissão/atenuação
- Processo matemático: Reconstrução
- Mapa 2-D de μ : proporcional a ρ e Z
cérebro
semente palmeira
!X"ray&source&&&&&rota- on&stage&
tomographic&reconstruc- on&
reconstructed&slice&
&&&&&
X"ray&detector&
- Ecologia do solo: dinâmica de minhocas e micróbios no solo
- Caracterização da macroporosidade em estudos de manejo
- Modelagem do espaço poroso: morfologia do solo e arquitetura
- Estudos de processos na interface ar-água-sólido
- Avaliação agregados do solo
Tomografia de raios X em estudos de solos
Microtomógrafo – Embrapa Instrumentação
0.5 cm
2 cm
1 cm
4 cm
29 μm 12 μm
5 μm 3 μm
biopores
particles
0,5 cm
2 cm
1 cm
4 cm
30 μm 12 μm
6 μm 4 μm
“saturated” solid air
liquid