High‐Resolution Field Measurement of Soil Heat Capacity and Changes in Soil Moisture Using a Dual‐Probe Heat‐Pulse Distributed Temperature Sensing Approach

Abstract

Increasing interest in studying the variability of soil water content and its spatial scale dependency necessitates the development of new techniques to accurately monitor soil water over a wide range of spatial scales. Distributed Temperature Sensing (DTS) techniques offer unprecedented opportunities to measure temperature with a spatial resolution of a few centimeters over several kilometers, which can be used to measure soil moisture. This study is the first of its kind that investigates under field conditions the feasibility of combining the Dual‐Probe Heat‐Pulse (DPHP) technique with the DTS technology to measure soil thermal properties and variation in soil moisture. A field experiment was conducted over a 30 m transect in the Lake Wheeler Field laboratory in Raleigh, NC. Three different DPHP sensors were constructed from combinations of different fiber optic cables and heating elements and were tested to assess their performance and the effect of their construction characteristics on their accuracy. Measurements were taken over different soil moisture conditions and the system performance was compared against independent soil water content sensors. The system was able to track changes in soil water content with a mean RMSE of 0.02 m3 m−3 using the optimal DPHP sensor. The key advantage of the tested system is that it does not need any site‐specific calibrations typically required for other DTS‐based systems. The findings of this study provide some practical information and measures that need to be taken for successful DTS‐DPHP construction and application under field conditions.

High-Resolution Monitoring of Scour Using a Novel Fiber-Optic Distributed Temperature Sensing Device: A Proof-of-Concept Laboratory Study

“…The exact location of the temperature measurements along the FO cable can be determined by comparing the detection times of the Raman scatterings with the speed of light [ 24 , 25 ]. The unprecedented high-resolution temperature measurements obtained over large distances using the DTS technology were utilized to monitor and study different environmental and hydrological parameters, including but not limited to soil moisture content [ 26 , 27 , 28 , 29 , 30 , 31 ], groundwater upwelling [ 32 ], seepage rate in losing streams [ 33 ], wind speed, and temperature fluxes [ 22 , 34 , 35 ].…”

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)

“…Os dispositivos DTS mais avançados são capazes de fornecer medidas de temperatura dos cabos de FO com intervalos de amostragem espacial e temporal de 0,127 m e 5 s, respectivamente. Além disso, a resolução espacial dos DTS, que consiste na distância ao longo da qual os 10% e os 90% de uma mudança abrupta de temperatura pode ser detectada, alcança valores de 0,25 m (SAKAKI et al, 2019;SAYDE, 2022). Para informações detalhadas sobre a performance dos sistemas FO-DTS, recomenda-se ao leitor a consulta de Bolognini e Hartog (2013) e de Tyler et al (2009).…”

“…O uso de diferentes materiais para gerar o aquecimento do solo é uma estratégia particularmente interessante, especialmente considerando o alto custo de aquisição dos cabos de FO revestidos com armadura metálica, tipicamente usados em aplicações do método AHFO SAYDE, 2022). No caso particular do Brasil, ainda há maior dificuldade em adquirir cabos que aliem o revestimento metálico com as características ópticas requeridas pelo dispositivo DTS (e.g., diâmetro da fibra óptica).…”

“…Por fim, deve-se destacar que algumas variações práticas foram executadas no contexto das abordagens SPHP-DTS e DPHP-DTS. Por exemplo, ao aplicarem essa última, Shehata, Heitman eSayde (2022) avaliaram dois materiais aquecedores distintos: um cabo de FO ativo típico e um cabo elétrico usual composto por cobre. Medições de temperatura foram efetuadas por um cabo óptico paralelo e separado por uma certa distância de solo das fontes aquecedoras.As combinações testadas mostraram que a precisão do sistema FO-DTS foi semelhante quando qualquer um dos dois cabos de aquecimento foi usado, sugerindo que um elemento de aquecimento mais simples pode ser utilizado como alternativa ao cabo de FO com revestimento metálico (SHEHATA; HEITMAN; SAYDE, 2022).Da mesma forma, Sourbeer e Loheide II (2015) aplicaram a abordagem SPHP-DTS utilizando um cabo de FO que possui os elementos aquecedores inclusos dentro do revestimento externo do cabo.…”