Volumetric Water Content (VWC)

Qué es

VWC es la forma estándar de expresar humedad de suelo en ciencia agronómica:

$\text{VWC}=\frac{V_{\text{agua}}}{V_{\text{suelo}}}$

Ejemplo: 100 ${\text{cm}}^3$ de suelo con 30 ${\text{cm}}^3$ de agua $\to$ $\text{VWC}=0.30=30\%$.

Es la unidad física real, comparable entre estudios y citable en literatura. Un “porcentaje de humedad” genérico sin esta definición no es reproducible entre laboratorios.

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Por qué los sensores baratos no dan VWC directamente

Un sensor capacitivo de suelo reporta un valor ADC crudo (ej. 1850). Ese número solo no significa nada universalmente:

• El mismo valor 1850 puede ser 20% VWC en tierra negra
• O 35% VWC en arena gruesa
• O 15% VWC en sustrato de coco

La capacitancia depende de la composición mineral, porosidad y densidad aparente del sustrato. Para obtener VWC real necesitás una curva de calibración por sustrato.

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Curva de calibración

Materiales

• Muestra del sustrato que vas a usar en el invernadero
• Balanza de precisión (0.1 g resolución mínimo)
• Recipiente de volumen conocido (ej. cilindro 1000 ${\text{cm}}^3$)
• Agua destilada
• Horno o estufa

Procedimiento

1. Secado completo Secar el sustrato en horno a 105 ${}^{\circ }\text{C}$ por 24h (per ASTM D2216). Garantiza VWC = 0% como punto de partida.

⚠️ Excepción para sustratos con alto contenido orgánico (coco coir, peat moss, turba, mezclas con > 30% materia orgánica): Cobos & Chambers (2010) recomienda 60-70 ${}^{\circ }\text{C}$ por al menos 48h en lugar de 105 ${}^{\circ }\text{C}$, porque a temperaturas altas se pierden compuestos orgánicos volátiles y la masa “seca” queda subestimada (= VWC sobreestimado). Cita textual: “soils with high organic matter content may lose significant volatile organics if dried at 105 C … We recommend drying these soils at 60 – 70 C for at least 48 hours.”

2. Medición en seco Insertar el sensor en el sustrato seco, registrar valor ADC. Punto (ADC_seco, VWC = 0%).

3. Hidratación incremental Agregar agua en incrementos conocidos (ej. 10 ml cada vez). En cada paso:

• Mezclar homogéneamente
• Esperar 5 min
• Registrar ADC

4. VWC real en cada punto

$\text{VWC}=\frac{V_{\text{agua acumulada}}[\text{mL}]}{V_{\text{recipiente}}[{\text{cm}}^3]}$

5. Regresión Graficar ADC vs VWC y ajustar. Per Cobos & Chambers (2010), una regresión lineal funciona para la mayoría de los sustratos minerales:

$\text{VWC}=m\cdot \text{ADC}+n$

Para sensores con respuesta no-lineal (típico en sustratos orgánicos o EC alto) o cuando el R² del ajuste lineal queda bajo, pasar a polinomio de segundo grado:

$\text{VWC}=a\cdot {\text{ADC}}^2+b\cdot \text{ADC}+c$

Un $R^2>0.95$-0.98 es esperable con sensores capacitivos de buena calidad post-calibración (Cobos & Chambers no publica un threshold formal; los valores se citan como práctica de la comunidad).

Ejemplo de tabla

Agua agregada (ml)	VWC calculado	ADC medido
0	0%	3100
50	5%	2850
100	10%	2600
200	20%	2200
300	30%	1850
400	40%	1500
500 (saturación)	50%	1200

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Implementación en firmware (ESP32)

Una vez obtenida la ecuación, hardcodear coeficientes:

Si tenés varios sensores y cada uno requiere su propio set de coeficientes, guardarlos en NVS (Non-Volatile Storage) indexados por ID de sensor - así no tenés que recompilar el firmware al recalibrar.

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Consideraciones para publicación académica

Documentar en metodología

“Soil moisture sensors were calibrated against gravimetrically determined VWC for each substrate type. Calibration curves were obtained by fitting a second-order polynomial regression ($R^2>0.98$) to paired ADC-VWC observations across the full moisture range (0 - field capacity).”

Factores de deriva a declarar

Factor	Efecto	Mitigación
Temperatura del suelo	$\pm 0.1\%$ VWC por ${}^{\circ }\text{C}$	Compensar con lectura simultánea de temp. suelo
Salinidad (EC alto)	Sobreestima VWC	Calibrar con sustrato + fertilizante a EC típico
Variabilidad entre unidades	Hasta $\pm 5\%$ entre sensores del mismo lote	Calibrar cada sensor individualmente
Deriva temporal	~1-2% VWC por año	Recalibrar cada temporada

Validación cruzada con sensor de referencia

Instalar un METER TEROS 11 en el mismo punto que uno de los sensores baratos durante 2-4 semanas y comparar series temporales:

• Si $R^2>0.95$ $\to$ validación aceptada por reviewers
• El TEROS 11 no necesita estar permanente - usarlo como referencia móvil
• Un TEROS 11 puede validar múltiples nodos en distintos momentos del experimento

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Sensores

Para control / automatización

• Sensor capacitivo genérico v2.0 (AliExpress/Temu) - el del kit
• Salida analógica $\to$ ADC del ESP32
• Requiere calibración por sustrato
• No usar sensores resistivos - se corroen en semanas

Para investigación / publicación

• METER TEROS 11 - VWC + temperatura de suelo (no mide EC; el TEROS 12 sí)
• Salida SDI-12
• Referencia estándar en papers agronómicos
• No requiere calibración propia - certificado de fábrica

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Referencias

• Decagon Devices / METER Group. TEROS 11 Integrator Guide
• Cobos, D.R. & Chambers, C. (2010). Calibrating ECH2O Soil Moisture Sensors. Decagon Application Note
• Metodología de calibración gravimétrica: estándar ASTM D2216