DISPOSITIVO DE MEDIDA DEL CONTENIDO EN AGUA DE ELEMENTOS LAMINARES.

Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares,

del tipo de los utilizados para conocer el grado de humedad o de secado en elementos de matriz celulósica o proteica, como por ejemplo hojas de una planta, caracterizado porque utiliza una antena plana asociada mediante un dispositivo separador con un generador de microondas y un detector de microondas, mediante un procedimiento consistente en depositar la hoja o elemento laminar a medir sobre la antena y calcular la medida del contenido en agua en función de la energía reflejada a partir de dos señales de microondas con la misma energía pero con una diferencia de fase de 90º.

La invención que se presenta aporta la principal ventaja de conseguir una medida precisa y fiable mediante un rápido procedimiento no destructivo ni intrusivo, utilizando para ello un equipo pequeño, sencillo y portátil.

DISPOSITIVO DE MEDIDA DEL CONTENIDO EN AGUA DE ELEMENTOS LAMINARES

La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, del tipo de los utilizados para conocer el grado de humedad o de secado en elementos de matriz celulósica o proteica, como por ejemplo hojas de una planta, caracterizado porque utiliza una antena plana asociada mediante un dispositivo separador con un generador de microondas y un detector de microondas, mediante un procedimiento consistente en depositar la hoja o elemento laminar a medir sobre la antena y calcular la medida del contenido en agua en función de la energía reflejada a partir de dos señales de microondas con la misma energía pero con una diferencia de fase de 90°.

La estimación del estado hídrico de la hoja de un elemento laminar, por ejemplo una hoja vegetal, puede materializarse en un valor susceptible de caracterizar el grado de deshidratación de la misma a través de la medida del potencial hídrico, expresado por analogía en unidades de presión (MPa) , o mediante la medida del contenido hídrico relativo, expresado como porcentaje sobre un valor teórico máximo de hidratación.

Para la estimación del primer parámetro se han utilizado, a su vez, diferentes técnicas a lo largo de la historia de la fisiología vegetal, basadas en distintos procedimientos experimentales. Las primeras medidas de potencial hídrico sobre fragmentos de hoja se realizaban mediante un largo proceso de búsqueda del "potencial equivalente" a partir de disoluciones de concentración -o potencial hídrico -conocido. Para ello, los fragmentos de hoja deben ser sumergidos en una serie de disoluciones (tradicionalmente de sacarosa) de potencial osmótico conocido, valorando en cuál de ellas no se ha producido intercambio neto de líquido entre ambos sistemas (tejido vegetal y disolución) . La disolución en equilibrio será aquella que no haya sufrido cambios en la densidad, lo que se puede verificar mediante la incorporación de minúsculas gotas de disoluciones de igual densidad que la original, pero coloreadas (Edward B, Knipling EB, Kramer PJ. 1967. Comparison of the Oye Method with the Thermocouple Psychrometer for Measuring Leaf Water Potentials. Plant Physiology 42, 1315-1320.) . Aunque esta técnica es teóricamente viable, se encuentra absolutamente descartada como rutinaria en la actualidad, por el excesivo trabaja que conlleva frente a los resultados obtenidos. No se trata en ningún caso de una técnica que permita una rápida determinación del estado hídrico de la planta y, desde luego, descansa en la obtención de muestras de la hoja, por lo que constituye un típico caso de medida destructiva.

Una segunda aproximación, aún en uso, para la medida del potencial descansa en el empleo de psicrómetros de termopar, capaces de medir con notable precisión y sin apenas influencia, la temperatura y humedad relativa de una atmósfera confinada en contacto con la hoja (Spanner Oc. 1951. The Peltier effect and its use in measurements of suction pressure. Journal of Experimental Botany 2, 145468, ) . La alta dependencia que el valor tiene de la temperatura hace que sea necesario trabajar en ambientes donde este parámetro esté muy controlado. Este hecho ya cuestionó, desde casi su génesis, la aptitud del método para el empleo como instrumento de campo. Por otro lado, los tiempos necesarios para el equilibrado del potencial hídrico de la atmósfera de referencia y el tejido son muy largos, citándose periodos de 17 horas o superiores. Como única forma de reducir estos largos periodos de equilibrado se han ensayado procedimientos de reducción de la resistencia de la cutícula a la difusión del vapor de agua mediante abrasión mecánica de la superficie foliar (Savage MJ, Wiebe HH, Cass A. 1983. In situ field measurement of leaf water poten tia I using thermocouple psychrometers. Plant Physiology 73, 609613.) , lo que impide la reutilización de ese material vegetal en posteriores medidas y, por lo tanto, su empleo para medidas repetidas en el tiempo.

Muchas de las limitaciones de estas dos anteriores técnicas son resueltas con la propuesta de medida del potencial hídrico mediante el uso de presiones positivas como forma de equilibrar la tensión generada en el agua del xi lema debido a los potenciales negativos característicos en el funcionamiento del vegetal (Schollander PF, Hammel HT, Bradtreet ED, Hemmingsen EA. 1965. Sap pressure in vascular plants. Science 148, 339345.) . Básicamente, el procedimiento se basa en el empleo de un dispositivo susceptible de contener una hoja o brote, permitiendo que el extremo cortado de la estructura sobresalga (mediante un pasamuros o prensaestopas) y se mantenga así a presión atmosférica. La presión en el recipiente que encierra la estructura cuyo potencial se desea medir se eleva mediante la entrada de un gas (típicamente nitrógeno) . Cuando el operario detecta la llegada del agua interna (agua del xilema) a la superficie del extremo cortado se registra la presión aplicada, asumiéndose que se ha alcanzado el equilibrio con la tensión (igual en magnitud, pero de signo contrario) previa en el xilema y que tal tensión equivale al potencial hídrico del tejido cuando se produjo su cosechado. Esta técnica tiene un recorrido amplísimo, sigue en perfecta vigencia pero adolece del mismo defecto que las anteriores, por cuanto la medida se realiza sobre un material que se desecha posteriormente, por lo que no permite el seguimiento continuo y no destructivo del estado hídrico en un mismo órgano. Por otro lado, la necesidad de emplear presiones, en ocasiones muy elevadas, convierte a la técnica en bastante peligrosa, exigiendo un cuidado y precaución muy elevado para evitar posibles accidentes.

La estimación del contenido hídrico relativo del órgano vegetal a caracterizar se realiza comúnmente mediante un sencillo procedimiento basado en la estimación de un peso fresco (en el momento de la cosecha) , un peso turgente (o valor máximo de hidratación) y un peso seco (tras mantenimiento de material vegetal en estufa a temperaturas por encima de 60 o C) . La diferencia entre el peso en turgencia y el peso seco permite conocer el valor máximo de agua que el tejido puede contener. La diferencia entre el peso fresco, en cada momento, y el peso seco determina la cantidad real de agua que en ese estado el vegetal contiene. La relación entre ambos contenidos define la fracción de agua del vegetal, o contenido hídrico relativo.

Desde un punto de vista teórico, este parámetro se relaciona con el potencial hídrico, anteriormente mencionado, mediante el establecimiento de las isotermas presión-volumen (Tyree MT, Hammel HT. 1972. The measurement of the turgor pressure and water relations of plants by the pressure-bomb technique. Journal of experimental botany 23, 267282.) , de tal manera que, una vez tal relación establecida, la medida del contenido hídrico relativo permite aproximar con notable precisión el potencial hídrico del vegetal.

Desde un punto de vista operativo, la medida del contenido hídrico relativo es simple, exige tan sólo instrumental básico de laboratorio (viales, balanza analítica) pero, exige la recolección de parte o de todo el órgano sobre el que se realiza la medida, lo que, de nuevo, lo convierte en medida destructiva y, por consiguiente, incapaz de ofrecer una visión continua de la fisiología de ese órgano.

Recientemente se han impulsado nuevas técnicas que permitirían un seguimiento continuo, aunque relativo, de los cambios en el estado hídrico de la hoja, mediante la monitorización de los cambios en el espesor de la hoja mediante un transductor de desplazamiento de gran precisión (Zimmermann O, Reuss R, Westhoff, Gebner P, Bauer W, Bamberg, Bentrup FW, Zimmermann U. 2008. A novel, non-invasive, onlinemonitoring, versatile and easy plant-based probe for measuring leaf water status. Journal of Experimental Botany 59, 3157-3167) , aunque la baja repetibilidad y universalidad del método ha limitado su empleo generalizado.

Se han intentado otras soluciones, como la descrita en la Patente US 4380169 "Metodo y aparato para la medida den nivel de humedad en hojas de plantas en crecimiento" , que utilizan un detector fotoeléctrico para la medida de la conductancia luminosa, pero adolecen de la bala linealidad obtenida al calcular la concentración hídrica.

Asimismo se conocen soluciones como las descritas en la Patente GB830077 "Mejoras en o relacionadas con medidores de humedad" y en la ES341618 "Elemento detector...

1 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, del tipo de los utilizados para conocer el grado de humedad en elementos de matriz celulósica o proteinita, caracterizado porque utiliza para la medida una antena plana (1) , sobre la que se deposita el elemento laminar (13) a medir, asociada mediante un dispositivo separador (12) con un generador de microondas (9) y un detector de microondas (10) .

2 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según la anterior reivindicación, caracterizado porque la antena plana (1) consta de una pieza laminar (2) acoplada sobre una capa de material dieléctrico (3) de mayor tamaño y espesor, que a su vez se encuentra sobre una base metálica (4) Y unida a un circuito de microondas (5) a través de dos conducciones (6) de microondas terminadas en sendas conexiones (7, 8) , siendo una (7) de entrada y otra (8) de salida.

3 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según la reivindicación 2, caracterizado porque la pieza laminar (2) de la antena plana (1) es de forma circular.

4 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las conexiones (7, 8) están unidas eléctricamente a las salidas (15, 16) respectivamente del dispositivo separador (12) .

- Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las entradas (14, 17) del dispositivo separador (12) están unidas eléctricamente con el generador de microondas (9) y el detector de microondas (10) respectivamente.

6 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo separador (12) es un acoplador híbrido de 3 dB.

7 -Dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador de microondas (9) y el detector de microondas (10) están integrados dentro de un analizador de redes vectorial (11) .

8 -Procedimiento de medida mediante un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares como el descrito en las anteriores reivindicaciones, caracterizado porque comprende una primera fase de calibración, para comprobar que la antena funciona correctamente a la frecuencia deseada, seguida de una segunda fase de medida directa del contenido relativo en agua en función de la energía reflejada a partir de dos señales de microondas con la misma energía pero con una diferencia de fase de 90°

9 -Procedimiento de medida, según la reivindicación 8, caracterizado porque la fase de calibración comprende la comprobación de que las conexiones (7, 8) de energía son lo suficientemente bajas y de que no existe reflexión alguna sin colocar ningún objeto sobre la antena plana (1) .

- Procedimiento de medida, según la reivindicación 8, caracterizado porque la fase de medida directa del contenido relativo en agua comprende la colocación del elemento laminar (13) a medir sobre la pieza laminar (2) de la antena plana (1) , cubriéndola por completo, inyectando la señal de salida del generador de microondas (9) a la antena plana (1) a través del dispositivo separador (12) , que proporciona en sus salidas (15, 16) dos señales idénticas de energía, cada una con la mitad de energía de la entrada, pero con una diferencia de fase de 90°, que se inyectan a la vez en la antena plana (1) la cual la recibe y la radia al exterior, generando el elemento laminar (13) a medir una perturbación en la señal y por lo tanto una reflexión en la energía radiada por la antena plana (1) , que es recogida por el detector de microondas (10) de una forma cuantitativa, correspondiendo esta media de una forma lineal con el contenido relativo en agua de la pieza laminar (2) .

11 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, como el descrito en las anteriores reivindicaciones, para medir el grado de humedad o de secado en elementos laminares (2) de matriz celulósica o proteínica.

12 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz celulósica son hojas vivas de una planta, como parte del control de su proceso productivo.

13 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz celulósica son productos vegetales, son hojas de tabaco, como parte del control de su proceso de secado.

14 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz celulósica son hojas de te, como parte del control de su proceso de secado.

- Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz celulósica son hojas de papel.

16 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz celulósica son de madera.

17 -Uso de un dispositivo de medida del contenido en agua de elementos laminares, y su procedimiento de medida asociado, según la reivindicación 11, en medidas de grado de humedad en las que los elementos laminares (2) de matriz proteínica son de piel.