Investigação da umidade do solo por meio da combinação entre o aquecimento de uma liga ferrítica (Fe-Cr-Al) e a medição distribuída de temperatura (DTS)

• Autor(a) principal: Bertotto, Luis Eduardo
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18138/tde-21062023-173939/
• topic: cabo de fibra óptica; conteúdo de água do solo; fiber optic cable; heat pulse; pulso de calor; soil water contente; temperatura como traçador; temperature as a tracer

Os solos desempenham papéis cruciais na manutenção da ecologia global. Assim, o teor de umidade do solo (θ, m3.m-3) é destacado por governar diferentes processos hidrológicos. Técnicas de sensoriamento remoto e métodos como a reflectometria no domínio do tempo têm sido usados no seu monitoramento. A partir dos anos 2000, foi introduzido o monitoramento de θ com os dispositivos de medição distribuída de temperatura (DTS), que utilizam cabos de fibra óptica (FO) como sensores e fornecem dados com alta resolução espacial e temporal. A principal metodologia aplicada com os sistemas FO-DTS para estimativas de θ é a do aquecimento ativo, em que se monitora a resposta térmica do solo à aplicação de um pulso de calor. Usualmente, isso é alcançado pela imposição de uma corrente elétrica no revestimento metálico de um cabo óptico, o que eleva a sua temperatura e a do meio circundante. Porém, esses cabos possuem alto custo de aquisição em comparação a cabos tradicionais. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar a aplicabilidade da execução integrada do aquecimento de uma liga composta de ferro, cromo e alumínio (Fe-Cr-Al) com a medição distribuída de temperatura para o monitoramento de θ. Para sua execução, duas configurações foram testadas em laboratório: com a liga e o cabo de FO em contato (abordagem da sonda única, i.e., SPHPDTS) e separados por uma distância de solo de 6,03 mm (abordagem da sonda dupla, i.e., DPHP-DTS). Três configurações de pulso de calor foram aplicadas na liga metálica, distintas pela potência e duração do aquecimento: 4,3 W.m-1 durante 180 s; 4,2 W.m-1 durante 600 s; e 21,5 W.m-1 durante 180 s. A resposta térmica do solo foi avaliada pelos métodos da temperatura acumulada (Tcum, °C.s) e do máximo aumento de temperatura (ΔTmax, °C). O solo de cada experimento foi submetido a dois ciclos de umedecimento e secagem consecutivos, sendo o primeiro usado para a construção de curvas de calibração entre θ e Tcum e θ e ΔTmax, e o segundo usado para a validação das curvas. Os resultados encontrados indicaram que o pulso de calor 4,3 W.m-1-180 s levou a estimativas insatisfatórias de θ. Porém, ao estender a sua duração (4,2 W.m-1-600 s), a performance das curvas melhorou consideravelmente na etapa de validação. Essa configuração de aquecimento apresentou desempenho similar à de alta potência (21,5 W.m-1-180 s) nas estimativas de θ, o que é relevante para casos em que a disponibilidade de energia para o aquecimento é uma limitante, uma vez que o pulso 4,2 W.m-1-600 s requer 2520 J.m-1 para ser executado, enquanto o 21,5 W.m-1-180 s requer 3870 J.m-1. Ademais, recomenda-se o uso do método ΔTmax em ambas SPHP-DTS e DPHP-DTS. Os resultados indicaram também que erros nas estimativas de θ aumentam à medida que θ aumenta, o que foi associado à ocorrência de histerese térmica das medições do sistema FODTS em relação ao θ observado por sensores pontuais. Apesar disso, demonstrou-se a efetividade da liga Fe-Cr-Al como material aquecedor paralelamente às medições de temperatura para a investigação de θ em laboratório.