ARTÍCULO ORIGINAL

 

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 30o 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 30o 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

Los suelos del tipo Ferralítico Rojo, caracterizados por ser altamente productivos, ocupan el segundo lugar en extensión y rendimientos agrícolas en Cuba. La explotación intensiva y continuada de estos suelos, afectada por la aplicación irracional de fertilizantes químicos, exceso de laboreo con maquinaria pesada y aplicación de riegos inadecuados, ha conducido en la actualidad a un agudo proceso de degradación física, manifestada en altos niveles de compactación que, junto a otros factores objetivos, han provocado la disminución de los rendimientos agrícolas (Hernández et al., 2013).

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 30o, 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.

El suelo objeto de estudio es un Ferralítico rojo lixiviado según la última clasificación vigente en el país (Hernández et al., 1999), proveniente de la zona agrícola de San José de las Lajas, en la Provincia de Mayabeque, Cuba, con un índice de plasticidad de 30,4%, comportándose como un suelo plástico (González et al., 2008).

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 30o 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 30o x 520 mm2 y cuña de 30o 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.

El contenido de humedad y la densidad aparente del suelo se determinaron según la norma NC 67: 2000. La determinación del índice de cono estándar (ASAE) del suelo, se efectuó con un penetrómetro digital FIELDSCOUT Modelo: SC 900 SN: 328.

 

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).

De los registros se aprecia la obtención de valores de la resistencia a la penetración, en dirección horizontal, significativamente superiores (valor medio de 0,74 MPa) con el cono de dimensiones menores del área de la base (130 mm2), con respecto a los obtenidos con la cuña y el cono de dimensiones 30o x 520 mm2, lo que confirma el efecto referente a la influencia de la fricción en el vástago2, la afectación que esta fuerza provoca en la lectura de la resistencia a la penetración cuando se emplean conos o cuñas con área de la base pequeña en relación al diámetro del vástago.

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 30o 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 (30o 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

1  RAMOS, E.: Fundamentación de parámetros para el diseño y operación de sondas destinadas al sensoramiento continuo de la resistencia a la penetración del suelo, Universidad Agraria de La Habana, Tesis de Doctorado, Mayabeque, Cuba, 116 p., 2015.

*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.

 

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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