Application of active heat pulse method with fiber optic temperature sensing for estimation of wetting bulbs and water distribution in drip emitters

Gil-Rodríguez, María; Rodríguez-Sinobas, Leonor; Benítez-Buelga, Javier; Sánchez, Raúl

doi:10.1016/j.agwat.2012.10.012

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“…La ecuación (2) muestra de manera explícita la relación entre el perfil de temperatura acumulada y el perfil del θ. Matemáticamente, la correlación entre T cum y θ se puede construir con cualquier expresión que prediga una disminución de T cum a medida que aumenta θ. Esto típicamente se ha realizado con funciones exponenciales (Sayde et al, 2010;Striegl y Loheide, 2012;Gil-Rodríguez et al, 2013). En el presente estudio, para representar la relación entre T cum y θ, se decidió utilizar una expresión potencial definida por tramos, tal como se presenta en la ecuación (3): (2012)); a y b son parámetros empíricos de ajuste; y θ r y θ s son los contenidos de humedad volumétricos residual y de saturación, respectivamente, los cuales se pueden determinar en base a la curva de retención de humedad del suelo.…”

Section: Método Activo Para La Determinación Del Contenido De Humedadunclassified

“…Recientemente, los métodos distribuidos de temperatura utilizando cables de fibra óptica (FO-DTS, por sus siglas en inglés), han sido empleados para determinar posibles fugas de agua en presas de materiales sueltos así como flujos de agua y contenidos de humedad volumétricos (θ) en el subsuelo (Weiss, 2003;Aufleger et al, 2005;Perzmaier et al, 2006;Steele-Dunne et al, 2010;Sayde et al, 2010Sayde et al, , 2014Ciocca et al, 2012;Striegl y Loheide, 2012;Gil-Rodríguez et al, 2013;Cao et al, 2015;Benítez-Buelga et al, 2016;Dong et al, 2016). Estos métodos utilizan la reflexión de luz al interior de un cable de fibra óptica para determinar la temperatura a lo largo del cable.…”

Section: Introductionunclassified

“…Sayde et al (2010) desarrollaron el método activo y demostraron que se puede cuantificar θ de manera más precisa que la realizada en el pasado. Gil-Rodríguez et al (2013) utilizaron este método para investigar en el laboratorio los patrones de humectación de un suelo sometido a riego por goteo, mientras que Sayde et al (2014) lo emplearon en condiciones de campo a escalas de 1-1000 m, donde mapearon el θ y los flujos inducidos por la aplicación no uniforme de agua en la superficie del suelo. Por otro lado, Benítez-Buelga et al (2016) desarrollaron una metodología para calibrar el θ en suelos heterogéneos usando simulaciones numéricas.…”

Section: Introductionunclassified

“…A pesar de que existen estudios que han investigado el método activo para determinar θ (Sayde et al, 2010(Sayde et al, , 2014Ciocca et al, 2012;Striegl y Loheide, 2012;Gil-Rodríguez et al, 2013;Benítez-Buelga et al, 2016), no existen trabajos que presenten una evaluación sistemática de la exactitud y precisión de esta metodología, y que incorporen una base física en las ecuaciones empíricas. Por lo tanto, esta investigación busca complementar las investigaciones anteriores mediante un análisis de sensibilidad del método activo y proponer una expresión para relacionar el aumento de temperatura en el suelo con el θ que incorpore restricciones dadas por las propiedades hidrodinámicas del suelo.…”

Section: Introductionunclassified

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Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

2017

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RESUMENEn los últimos años las mediciones distribuidas de temperaturas con cables de fibra óptica (FO-DTS) se han utilizado con éxito para investigar una amplia gama de procesos hidrológicos. En particular, con la tecnología FO-DTS se han desarrollado dos métodos para monitorear el contenido de humedad volumétrico en suelos (θ): el método pasivo y el método activo. Este trabajo presenta una evaluación del método activo para determinar el θ de un suelo arenoso. En este método, se utilizan cables de fibra óptica con elementos metálicos, donde se aplica una diferencia de voltaje entre sus extremos para calentarlo durante un período de tiempo determinado. Luego, se utiliza una relación empírica para relacionar el θ con un parámetro denominado temperatura acumulada (T cum ). Para aplicar el método activo se propuso una relación potencial definida por tramos, la cual depende de las propiedades hidrodinámicas del suelo estudiado. Distintos experimentos fueron realizados para evaluar el método activo. Estos experimentos tuvieron distintas duraciones del pulso de calor (2, 5, 10 y 20 min con potencias eléctricas de 2.1, 2.6, 2.3 y 2.4 W/m, respectivamente), y permitieron determinar la duración óptima del pulso de calor (t f ), el tiempo de integración óptimo (∆t), el tiempo final óptimo de integración (t 0 ) utilizado en el cálculo de la temperatura acumulada, y la corriente óptima (I) que debe circular por el cable de fibra óptica para generar el pulso de calor. Los resultados revelan que los parámetros óptimos son: t f = 1200 s, ∆t = 150 s, t 0 = t f , e I ≈ 17 A (2.4 W/m). Este análisis permitió obtener contenidos de humedad que van desde 0.14 hasta 0.46 m 3 /m 3 , con errores menores que 0.08 m 3 /m 3 .Palabras clave | mediciones distribuidas de temperatura con cables de fibra óptica (FO-DTS); método activo; contenido de humedad volumétrico. ABSTRACT

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Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

2017

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“…Sayde et al (2010) applied a new interpretation of temperature data called the cumulative temperature increase ( T cum ) and found that θ measurements from the T cum (θ) method were more precise than those from the T max (θ) method. However, published studies with the AHFO‐DTS system have focused only on in situ θ monitoring and have not tested their performance on different‐textured soils or compared the three methods [i.e., λ(θ), T cum (θ), and T max (θ) methods] (Gil‐Rodríguez et al, 2013; Sayde et al, 2014).…”

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Single‐Probe Heat Pulse Method for Soil Water Content Determination: Comparison of Methods

Cheng

et al. 2016

Vadose Zone Journal

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Core Ideas Six methods to obtain soil water content by single probe are presented and compared. Errors of estimated soil water content by six methods increase with water content. Heating duration affects soil water content estimation errors. Four of the six methods are probe dependent but can be easily calibrated. Each method works for some soils, and combining different methods is a solution. The estimation of soil thermal conductivity (λ) using the single‐probe heat pulse (SPHP) method is well known, but estimation of soil water content (θ) using the SPHP is poorly understood. In this study, we examined six methods—λ, normalized cumulative temperature increase (TNcum), normalized maximum temperature increase (TNmax), and the reciprocals of each—for θ estimation using the SPHP. The temperature response curves of four soils at different θ were measured following 600‐s heat pulses with heating strengths of about 6 W m−1, from which λ, TNcum, and TNmax values were determined. The maximum measurement errors of these three methods were 0.11 m3 m−3 for the coarse sand and 0.01 m3 m−3 for the fine sand, sandy loam, and silty clay, except for 0.05 m3 m−3 for the fine sand by the λ(θ) method. The predicted θ from all of the λ, TNcum, and TNmax methods agreed well with that from the oven‐dry method for all soils with the exception of the TNcum(θ) and TNmax(θ) methods for the coarse sand for θ > 0.20 m3 m−3. The measurement errors and θ predictions of the 1/λ(θ) method were similar to that of the TNcum(θ) and TNmax(θ) methods, and that of the 1/TNcum(θ) and 1/TNmax(θ) methods were similar to that of the λ(θ) method. Because each of the six methods worked well for only some soils, improved estimations were obtained when the λ(θ) method was combined with the 1/TNcum(θ) [or 1/TNmax(θ)] method for coarse‐textured soils and the 1/λ(θ) method was combined with the TNcum(θ) [or TNmax(θ)] method for fine‐textured soils.

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Mapping variability of soil water content and flux across 1–1000 m scales using the Actively Heated Fiber Optic method

Sayde

Buelga

Rodríguez-Sinobas

et al. 2014

Water Resources Research

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The Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method is shown to be capable of measuring soil water content several times per hour at 0.25 m spacing along cables of multiple kilometers in length. AHFO is based on distributed temperature sensing (DTS) observation of the heating and cooling of a buried fiberoptic cable resulting from an electrical impulse of energy delivered from the steel cable jacket. The results presented were collected from 750 m of cable buried in three 240 m colocated transects at 30, 60, and 90 cm depths in an agricultural field under center pivot irrigation. The calibration curve relating soil water content to the thermal response of the soil to a heat pulse of 10 W m 21 for 1 min duration was developed in the lab. This calibration was found applicable to the 30 and 60 cm depth cables, while the 90 cm depth cable illustrated the challenges presented by soil heterogeneity for this technique. This method was used to map with high resolution the variability of soil water content and fluxes induced by the nonuniformity of water application at the surface.

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Application of active heat pulse method with fiber optic temperature sensing for estimation of wetting bulbs and water distribution in drip emitters

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Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

Evaluación del método activo para determinar contenidos de humedad en suelos

Single‐Probe Heat Pulse Method for Soil Water Content Determination: Comparison of Methods

Mapping variability of soil water content and flux across 1–1000 m scales using the Actively Heated Fiber Optic method

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