Parámetros geométricos y cinemáticos de sondas para el registro de la resistencia del suelo

Geometric and Kinematic Parameters of Sensing Tips for the Soil Strength Recording

Dr.C. Ernesto Ramos-Carbajal, Dr.Cs. Arturo Martínez-Rodríguez, M.Sc. Alexander Laffita-Leyva, Ing. Julio Cesar Ayala-López

Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba.

RESUMEN

En el Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA) de la Facultad de Ciencias Técnicas de la Universidad Agraria de La Habana, se llevó a cabo una investigación dirigida a evaluar la influencia de diferentes parámetros geométricos y cinemáticos de sondas para el sensoramiento continuo de la resistencia a la penetración del suelo, sobre la calidad del registro de este indicador en un suelo Ferralítico Rojo típico de Cuba. Los parámetros objeto de evaluación fueron: la forma geométrica de la sonda, la distancia de separación entre la sonda y la barra que la soporta, así como la velocidad de marcha. Los experimentos fueron realizados en condiciones controladas en el Laboratorio Canal de Suelos del Centro de Mecanización Agropecuaria. Como variables de control fueron tomadas muestras del índice de cono, la densidad aparente y la humedad del suelo. Como resultado de los experimentos se obtuvo que la sonda en forma de cuña prismática con ángulo de 30^o y área de la base de 520 mm², avanzando horizontalmente a una velocidad no superior a 0,7 m∙s^-1, separada de la barra soporte de la sonda una distancia igual o mayor a 110 mm, constituye la mejor alternativa, entre las variantes experimentadas, para la estimación del estado de compactación del suelo en grandes extensiones. Asimismo se determinó que la operación de sondeo debe efectuarse cuando este tipo de suelo presenta una humedad cercana al 28%.

Palabras clave: agricultura de precisión; índice de cono; sensores; compactación del suelo.

ABSTRACT

A research in order to evaluate the influence of several geometrical and operational parameters of sensing tips on the quality of on-the-go soil strength recording, was carried out in a Cuban typical Red Ferralitic soil. The considered parameters were the geometric characteristic of the sensing tip, the sensing speed and the protrude of the tip in front of the leading edge of the supporter shank. The experiments were carried out under controlled conditions in a Soil Chanel Laboratory of the Agricultural Mechanization Center of Havana Agrarian University. As a result was obtained that the tip with 30^o wedge prismatic form and 520 mm² base area, advancing horizontally to a speed non highest to 0,7 m.s-1 and protruded 110 mm or more in front of the leading edge of the supporter shank, constitutes the best alternative for “on- the –go” soil strength registration. Also it was determined that the sensing operation should be made when this type of soil presents a moisture near to 28%.

Key words: precision agriculture; cone index; sensors; soil compaction.

INTRODUCCIÓN

Las operaciones de labranza dirigidas a la descompactación del suelo son costosas, ya que conllevan la penetración de los implementos a profundidades relativamente grandes, por lo que es de sumo interés en la práctica agrícola la determinación, con la mayor precisión posible, del estado de compactación del suelo y de la distribución de los perfiles de compactación a diferentes profundidades (Hall et al., 2000; Khalilian et al., 2002; Raper et al., 2007).

En la actualidad al nivel internacional, la aplicación de métodos de la Agricultura de Precisión, basados en la aplicación de tratamientos en “sitios específicos”, constituye una de las tendencias fundamentales de la agricultura moderna, dirigida tanto a la economía de insumos, combustible y tiempo, como a la disminución de los impactos indeseables sobre el medio ambiente (Martínez et al., 2011).

Diversos procedimientos y medios han sido objeto de desarrollo desde la década de los 90 dirigidos al sensado al vuelo (on-the-fly) o sobre la marcha (on-the-go) de parámetros del suelo que se utilizan como indicadores del nivel de compactación (Alihamsyah et al., 1990; Glancey et al., 1996; Adamchuk et al., 2001, 2006; Mouazen et al., 2004; Chukwu y Bowers, 2005; Hall y Raper, 2005; Andrade-Sánchez et al., 2007; Hemmat et al., 2009; Herrera et al., 2011).

Una gran parte de los dispositivos desarrollados emplean como elemento sensor de la resistencia del suelo una cuña con un ángulo de 30^o, con dimensiones en el orden de las de los conos estandarizados para la medición del índice de cono mediante penetrómetros, introduciéndose el concepto de “índice de cuña” con una definición similar a la del índice de cono estándar.

Cuñas con diferentes dimensiones han sido experimentadas, determinándose la correlación del índice de cuña con parámetros indicadores de la compactación del suelo, tales como la densidad aparente del suelo y el propio índice de cono (Alihamsyah et al., 1990; Chukwu y Bowers, 2005; Raper et al., 2005; Hemmat et al., 2009).

Los resultados obtenidos, aunque diversos, son aceptables, no obstante, no se han elaborado criterios de diseño y operación convincentes para las cuñas u otros tipos de puntas sensoras que puedan fundamentar la conveniencia de utilización de una u otra geometría. De aquí que el presente trabajo tiene como objetivo fundamentar los parámetros de diseño y operación de las sondas destinadas al sensoramiento continuo del estado de compactación del suelo.

MÉTODOS

Las investigaciones experimentales se realizaron en el laboratorio Canal de Suelos perteneciente al Centro de Mecanización Agropecuaria (CEMA) de la Facultad de Ciencias Técnicas de la Universidad Agraria de la Habana (UNAH), ubicado en el municipio de San José de la Lajas, provincia Mayabeque durante el periodo 2014 - 2015.

La instalación utilizada (Figura 1) consta de un canal de suelo (1), sobre el que se desplaza un carro porta implementos (4), al que se instala una estructura (2) para acoplar el dispositivo sensor (3). El carro porta implemento es tirado mediante el cable flexible (5) que es enrollado por el tambor (6) que recibe el movimiento del moto reductor (7).

El dispositivo sensor trasmite una señal eléctrica (proporcional a la fuerza de resistencia a la penetración) del orden de los milivoltios a un amplificador extensométrico dinámico (8) KYOWA-YA-520 con módulos de amplificación del tipo DPM-602B. La señal amplificada al nivel de voltios es procesada en una tarjeta de conversión análogo-digital (9) que introduce los datos en una computadora (10), creando una base de datos con una frecuencia de muestreo de 96 000 lecturas por segundo.

El dispositivo sensor se muestra en la Figura 2 y consta de un brazo soporte (1) al que se fija una celda de carga (2) que es accionada por el vástago (3) que soporta la sonda (4), que puede ser del tipo cónica o prismática y que constituye el elemento sensor primario del sistema de medición.

Para determinar la velocidad de desplazamiento de la sonda, se empleó un sensor de revoluciones de tipo inductivo colocado en una de las ruedas del carro porta herramientas que emite una señal de voltaje tipo pulso por cada revolución de la rueda, lo que permite determinar de forma indirecta, el espacio recorrido y la velocidad de avance del sensor. La salida eléctrica del sensor de revoluciones se conectó a una de las entradas del conversor (A/D), obteniéndose su registro en la computadora.

Durante la investigación fueron realizados dos experimentos. Un primer experimento estuvo dirigido a evaluar la influencia de la distancia de separación entre la sonda y la barra soporte, así como de la velocidad de marcha, sobre la resistencia a la penetración captada por la sonda.

En este experimento se tomaron como variables independientes la distancia de separación b (Figura 2), entre la sonda y la barra soporte (salida de la sonda), con tres niveles (5; 50 y 110 mm) y la velocidad de marcha, con dos niveles (0,7 y 0,8 m∙s^-1), resultando un diseño de naturaleza factorial 2x3; lo que arrojó seis combinaciones de tratamientos durante las corridas experimentales. Para la delimitación de los niveles de velocidad y separación entre la sonda y la barra soporte, se tuvo en cuenta los resultados de experimentos reportados en la literatura consultada (Chung et al., 2004).

El tipo de sonda empleado en todas las corridas consistió en una sonda prismática de 30^o x 520 mm². La profundidad de sondeo se fijó a 0,20 m (mitad de la profundidad del suelo en el canal). Como variables de control se tomaron muestras del índice de cono (ASAE y ASABE, 1999; ASAE, 1999), en dirección vertical y de la densidad aparente a una profundidad media igual a la de los registros horizontales continuos (0,20 m).

El segundo experimento estuvo orientado a evaluar el comportamiento de sondas de diferentes formas geométricas durante el registro horizontal y continuo de la resistencia a la penetración del suelo objeto de estudio.

Para este experimento se tomaron tres formas geométricas de la sonda: una correspondiente al cono (ASAE) normalizado y dos correspondientes a las sondas que mejor correlación estadística mostraron con el índice de cono y la densidad volumétrica (cono de 30^o x 520 mm² y cuña de 30^o x 520 mm²)¹. La velocidad de marcha y la distancia de la sonda a la barra soporte fueron tomados de acuerdo a los resultados del primer experimento. La humedad y la densidad volumétrica fueron fijadas a niveles similares a los del experimento anterior. En total resultaron tres tratamientos. Las variables de control fueron las mismas del primer experimento.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados de los registros de la resistencia a la penetración obtenidos en el primer experimento se exponen en las Figuras 3 y 4, utilizando dos niveles de velocidad de traslación media de la sonda (0,686 y 0,867 m∙s^-1), humedad entre 26 y 29% y densidad volumétrica seca entre 0,95 y 1,01 g∙cm^-3.

De la Figura 3, se aprecia que, a pesar de utilizarse la misma sonda, los registros de resistencia a la penetración, obtenidos con la sonda más alejada del brazo soporte (b = 110 mm), alcanzaron valores medios superiores en un 52% a los obtenidos con las sondas más cercanas al brazo, lo cual evidencia que, durante su interacción con el suelo, el brazo soporte provoca una zona de remoción del suelo por delante de la sonda, que interfiere la correcta captación por ésta de la resistencia del suelo. Este resultado indica la necesidad de que la sonda sea colocada a una distancia prudencial del brazo soporte. Este efecto perturbador también fue reportado por Hemmat et al. (2009), durante ensayos efectuados con una sonda prismática de área de la base de 324 mm² y ángulo de 30º situada a 40 mm por delante del brazo soporte. De manera análoga, Raper et al. (2005), obtienen entre otros resultados que, tanto las dimensiones de la sonda, como la posición de colocación de ésta con respecto a la cara frontal del brazo soporte, resultan determinantes en la exactitud de las mediciones.

En la Figura 4, se observa que los tres registros, efectuados a una velocidad mayor de la sonda, se vieron afectados por la perturbación del suelo removido por el brazo soporte, incluyendo el registro de la sonda más alejada. Este resultado contrasta con los obtenidos por Chung et al. (2004), quienes reportaron la existencia de una velocidad crítica para el sensoramiento de 1,5 m∙s^-1, aunque Chukwu y Bowers (2005), reportaron obtener resultados con un nivel de significación del 5%, cuando empleaban bajas velocidades de una sonda prismática, del orden de los 0,33 m∙s^-1.

De aquí se evidencia que una alta velocidad del movimiento de la sonda implicaría adoptar una mayor longitud b del vástago, con vistas a evitar la interferencia del brazo soporte en la lectura.

Por supuesto que una longitud excesiva del vástago conspira contra su resistencia mecánica, así como contra su rigidez y estabilidad, por lo que sería más conveniente limitar la velocidad de marcha de la sonda. Por otro lado, aumentar el diámetro del vástago resulta un inconveniente, ya que provoca un incremento de la fuerza de fricción entre el vástago y el suelo, lo cual introduce errores en el registro de la resistencia a la penetración.

Entonces, sobre la base de los resultados obtenidos en estos experimentos, se infiere que durante la selección de parámetros racionales para el diseño y operación de sondas para el registro horizontal y continuo de la resistencia a la penetración en suelos Ferralíticos Rojos, debe garantizarse una distancia mínima entre la base de la sonda y el brazo soporte de al menos 110 mm, así como no superar una velocidad de avance de 0,7 m∙s^-1. Esta velocidad máxima resultó inferior a la recomendada (1,5 m∙s^-1) por Chung et al. (2004).

En la Figura 5 se muestran los resultados del segundo experimento, donde se compara el registro de la resistencia a la penetración con tres sondas de diferente geometría, pero manteniendo en los tres casos la longitud del vástago al nivel que evita la interferencia del brazo (110 mm), el mismo diámetro del vástago (10 mm) y el menor nivel de velocidad (0,686 m∙s^-1), con niveles de humedad y densidad volumétrica en el mismo rango que en el experimento anterior. Como variable de control en el experimento, fueron tomadas muestras del índice de cono a la misma profundidad de las sondas horizontales (20 cm), en dirección vertical y cuasiestática, de acuerdo a las normas ASAE (1999), y ASAE y ASABE (1999).

Asimismo puede apreciarse en la figura 5, la obtención de valores más altos de la resistencia a la penetración obtenida con la cuña, con relación a la obtenida con el cono de igual ángulo y área de la base.

Al comparar (Figura 5) el resultado de los registros de la resistencia a la penetración (de un valor medio de 0,74 MPa), obtenidos con movimiento horizontal continuo de la sonda de 30^o x 130 mm² (cono ASAE) a una velocidad de 0,686 m∙s^-1, con los resultados de las mediciones de muestreo del índice de cono (con un valor medio de 1,48 MPa) tomado en dirección vertical y a muy baja velocidad (movimiento cuasiestático), se obtiene una disminución cercana al 50% del registro horizontal continuo con relación a las mediciones verticales, efectuadas a la misma profundidad (200 mm), lo que coincide con lo reportado por Hall y Raper (2005), durante la medición horizontal continua a 100 mm de profundidad, con una sonda prismática de 625 mm² de área de la base en un suelo arenoso-limoso con un 11% de arcilla.

CONCLUSIONES

-Se evidenció una notable influencia del campo de acción del brazo soporte sobre el suelo, en el sentido de afectar el resultado de las mediciones. Para las condiciones de los ensayos realizados se determinó que, para evitar este efecto perturbador, la distancia entre la base de la sonda y la barra soporte debe ser superior a 110 mm, así como que la velocidad de sensoramiento no debe exceder los 0,7 m∙s ^-1.

-Asimismo se determinó que a dicha velocidad de marcha del sistema de sensoramiento, el registro horizontal y continuo del índice de cono (30^o x 130 mm²) resultó inferior a las mediciones de control efectuadas en dirección vertical, en forma manual y al mismo nivel de profundidad, con un cono ASAE normalizado. El porciento de disminución fue cercano al 50%.

-Como resultado de la comparación del desempeño de sondas de diferente geometría se determinó que el empleo de un cono ASAE normalizado durante el registro horizontal y continuo de la resistencia a la penetración, presenta el inconveniente de ser más susceptible al efecto de la fricción en el vástago soporte de la sondas, debido a la pequeña diferencia entre el área de la base del cono y el diámetro del vástago.

NOTAS

*La mención de marcas comerciales de equipos, instrumentos o materiales específicos obedece a propósitos de identificación, no existiendo ningún compromiso promocional con relación a los mismos, ni por los autores ni por el editor.

BIBLIOGRAFÍA

ADAMCHUK, V.I.; MORGAN, M.T.; SUMALI, H.: “Application of a strain gauge array to estimate soil mechanical impedance on–the–go”, Transactions of the ASAE, 44(6): 1377–1383, 2001, ISSN: 0001-2351, 2151-0059, DOI: 10.13031/2013.7000.

ADAMCHUK, V.I.; SUDDUTH, K.A.; INGRAM, T.J.; CHUNG, S.-O.: “Comparison of Two Alternative Methods to Map Soil Mechanical Resistance On-the-Go”, [en línea], En: ASAE Annual Meeting, Ed. American Society of Agricultural and Biological Engineers, Paper number 061057, 2006, DOI: 10.13031/2013.20587, Disponible en: http://elibrary.asabe.org/abstract.asp?JID=5&AID=20587&CID=por2006&T=1, [Consulta: 26 de noviembre de 2016].

ALIHAMSYAH, T.; HUMPHRIES, E.G.; BOWERS, C.G.: “A technique for horizontal measurement of soil mechanical impedance”, Transactions of the ASAE, 33(1): 0073-0077, 1990, ISSN: 2151-0059, DOI: 10.13031/2013.31296.

ANDRADE-SÁNCHEZ, P.; UPADHYAYA, S.K.; JENKINS, B.M.: “Development, Construction, and Field Evaluation of a Soil Compaction Profile Sensor”, Transactions of the ASABE, 50(3): 719-725, 2007, ISSN: 2151-0040, DOI: 10.13031/2013.23126.

ASAE: Procedures for Using and Reporting Data Obtained with the Soil Cone Penetrometer, [en línea], no. ASAE EP542, Inst. ASAE, St. Joseph, Mich., USA, febrero de 1999, Disponible en: https://elibrary.asabe.org/abstract.asp?aid=44192&redir=[confid=s2000]&redirType=standards.asp&dabs=Y, [Consulta: 26 de noviembre de 2016].

ASAE; ASABE: Soil Cone Penetrometer, [en línea], no. S313.3 (R2013), Inst. ASABE, St. Joseph, Mich., USA, p. 3, 2 de enero de 1999, Disponible en: http://www.techstreet.com/standards/asae-asabe-s313-3-r2013?product_id=1775024, [Consulta: 26 de noviembre de 2016].

CHUKWU, E.; BOWERS, C.G.: “Instantaneous multiple-depth soil mechanical impedance sensing from a moving vehicle”, Transactions of the ASAE, 48(3): 885-894, 2005, ISSN: 2151-0059, DOI: 10.13031/2013.18492.

CHUNG, S.-O.; SUDDUTH, K.A.; PLOUFFE, C.; KITCHEN, N.R.: “Evaluation of an On-the-go Soil Strength Profile Sensor Using Soil Bin and Field Data”, [en línea], En: ASAE Annual Meeting, Ed. American Society of Agricultural and Biological Engineers, Paper Number 041039, 2004, DOI: 10.13031/2013.16137, Disponible en: http://elibrary.asabe.org/abstract.asp?JID=5&AID=16137&CID=can2004&T=1, [Consulta: 26 de noviembre de 2016].

GLANCEY, J.; UPADHYAYA, S.K.; CHANCELLOR, W.J.; RUMSEY, J.W.: “Prediction of agricultural implement draft using an instrumented analog tillage tool”, Soil and Tillage Research, 37(1): 47-65, 1996, ISSN: 0167-1987, DOI: 10.1016/0167-1987(95)00507-2.

GONZÁLEZ, C.O.; IGLESIAS, C.C.E.; HERRERA, S.M.; LÓPEZ, B.E.; SÁNCHEZ, I.Á.: “Efecto de la humedad y la presión sobre el suelo en la porosidad total de un Rhodic Ferralsol”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 17(2): 50–54, 2008, ISSN: 2071-0054.

HALL, H.; RAPER, R.L.; GRIFT, T.; REEVES, D.: “Development of an on-the-fly mechanical impedance sensor and evaluation in a coastal plains soil”, [en línea], En: XV International Soil Tillage Research Organization Conference, Ed. Institute of Soil Science, Ft. Worth, TX, 2000, Disponible en: https://www.ars.usda.gov/ARSUserFiles/60100500/csr/ResearchPubs/raper/raper_00b.pdf.

HALL, H.E.; RAPER, R.L.: “Development and concept evaluation of an on-the-go soil strength measurement system”, Transactions of the ASAE, 48(2): 469-477, 2005, ISSN: 2151-0059, DOI: 10.13031/2013.18311.

HEMMAT, A.; KHORSANDY, A.; MASOUMI, A.A.; ADAMCHUK, V.I.: “Influence of failure mode induced by a horizontally operated single-tip penetrometer on measured soil resistance”, Soil and Tillage Research, 105(1): 49-54, 2009, ISSN: 0167-1987, DOI: 10.1016/j.still.2009.05.003.

HERNÁNDEZ, J.A.; CABRERA, R.A.; BORGES, B.Y.; VARGAS, B.D.; BERNAL, F.A.; MORALES, D.M.; ASCANIO, G.M.O.: “Degradación de los suelos Ferralíticos Rojos Lixiviados y sus indicadores de la Llanura Roja de La Habana”, Cultivos Tropicales, 34(3): 45-51, 2013, ISSN: 0258-5936.

HERNÁNDEZ, J.A.; PÉREZ, J.M.; BOSCH, D.; RIVERO, L.; CAMACHO, E.; RUÍZ, J.; SALGADO, E.J.; MARSÁN, R.; OBREGÓN, A.; TORRES, J.M.; GONZÁLES, J.E.; ORELLANA, R.; PANEQUE, J.; RUIZ, J.M.; MESA, A.; FUENTES, E.; DURÁN, J.L.; PENA, J.; CID, G.; PONCE DE LEÓN, D.; HERNÁNDEZ, M.; FRÓMETA, E.; FERNÁNDEZ, L.; GARCÉS, N.; MORALES, M.; SUÁREZ, E.; MARTÍNEZ, E.: Nueva versión de clasificación genética de los suelos de Cuba, Ed. AGROINFOR, La Habana, Cuba, 64 p., 1999, ISBN: 959-246-022-1.

HERRERA, S.M.; IGLESIAS, C.C.; LARA, C.D.; GONZÁLEZ, C.O.; LÓPEZ, B.E.: “Desarrollo de un sensor para la medición continúa de la compactación del suelo”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 06-11, 2011, ISSN: 2071-0054.

KHALILIAN, A.; HAN, Y.J.; DODD, R.B.; SULLIVAN, M.J.; GORUCU, S.; KESKIN, M.: “A Control System for Variable Depth Tillage”, [en línea], En: ASAE International Meeting, Ed. ASAE, At Chicago, Illinois, USA, 29 de julio de 2002, Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/272168320_A_Control_System_for_Variable_Depth_Tillage, [Consulta: 26 de noviembre de 2016].

MARTÍNEZ, R.A.; RODRÍGUEZ, P.R.; PÉREZ, S.A.: “Sensoramiento del estado de compactación del suelo mediante un campo magnético variable”, Revista Ciencias Técnicas Agropecuarias, 20(1): 25-30, 2011, ISSN: 2071-0054.

MOUAZEN, A.M.; ANTHONIS, J.; SAEYS, W.; RAMON, H.: “An Automatic Depth Control System for Online Measurement of Spatial Variation in Soil Compaction, Part 1: Sensor Design for Measurement of Frame Height Variation from Soil Surface”, Biosystems Engineering, 89(2): 139-150, 2004, ISSN: 1537-5110, DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2004.06.005.

OFICINA NACIONAL DE NORMALIZACIÓN: Geotecnia. Determinación del contenido de humedad de los suelos y rocas en el laboratorio, no. NC 67, Sustituye a las NC 54-236:83 y NC 54-353:86, 2000.

RAPER, R.L.; REEVES, D.W.; SHAW, J.N.; VAN SANTEN, E.; MASK, P.L.: “Benefits of site-specific subsoiling for cotton production in Coastal Plain soils”, Soil and Tillage Research, 96(1-2): 174-181, 2007, ISSN: 0167-1987, DOI: 10.1016/j.still.2007.05.004.

RAPER, R.L.; SCHWAB, E.B.; DABNEY, S.M.: “Measurement and variation of site-specific hardpans for silty upland soils in the Southeastern United States”, Soil and Tillage Research, 84(1): 7-17, 2005, ISSN: 0167-1987, DOI: 10.1016/j.still.2004.08.010.

Recibido: 12/03/2016
Aprobado: 14/11/2016

Ernesto Ramos-Carbajal, Investigador y Profesor, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba. Email: carbajales@unah.edu.cu