文摘
本研究检测了土壤的介电特性,利用四种类型的土壤(粘壤土,壤土、粘土和弗兰克)在一个矢量网络分析仪(VNA)在600 - 8000 MHz微波频率范围在环境温度(25°C±3°C)。在这个实验中,三个观察的基础上进行土壤水分含量(干燥、33%、66%、和100%领域能力(CC))。实际(介电常数)和虚构的介电特性(损耗因子)地区的改善和增加土壤水分;然而,反应不是线性的。这是观察到干燥的土壤介电特性缺乏相比,湿土壤。总之,土壤的介电行为主要由土壤中的水分是坚决的。弗兰克土壤有显著较低的介电特性,而耆那教的大学(居)粘土土壤有一个更重要的介质损耗因子。
1。介绍
有不同的应用程序使用微波能量,如表所示1,有土壤微波治疗的结果还提到了在表1。其显著的好处包括快速启动时间,精确控制,体积变暖1]。
它导致极地粒子旋转由于振荡电磁场时创建的微波辐射也应用于土壤。这将导致生成的分子间摩擦热的产生。理解土壤加热,有必要理解土壤微波治疗(14]。
使用微波炉,使用的材料必须吸收微波能量,然后加热。复介电常数,介电常数,反映了材料的储存能量的能力和高效的方式将能量转化为热量,称为介电损耗(2,20.,25]。介电损耗因子(DLF)取决于微波能量吸收。土壤是一个复杂的组合的水,矿物质,离子,和蒸汽(主要是空气),和许多类型的微生物和macroorganisms26]。土壤分类的方法有很多,基于颗粒大小(20.]。粒度用于土壤分类根据其比例的沙子,淤泥和粘土。一些科学调查研究了土壤的介电特性。特定的遥感数据研究关注,而另一些关注土壤加热(26- - - - - -28]。然而,似乎有有限的研究工程、技术、和健康(ETH)的微波频率(895/916/923 MHz, 2460 MHz和5900 MHz)。在乙频率高,土壤的介电特性变得重要。基于先前的研究(发现含水率对介电特性(一个巨大的影响29日),预计水分存在影响极端影响介电性能),介质特性基本,因为它们直接影响水分含量(30.- - - - - -32]。此外,其他变量影响电介质的土壤是土壤分类,如表所示2、土壤成分和土壤密实度。
迫切要求通过ETH检查土壤电介质微波频率以来大多数材料的介电行为变化明显与频率。
许多消毒剂和种子减活化剂使用土壤温度60°C和120°C之间;然而,微波加热引起的温度hydrocarbon-contaminated土壤水平远高于200°C,所发现的(23]。
土壤的介电特性进行彻底检查,了解土壤有机质的后果应考虑土壤水分保持能力。研究表明,土壤有机质含量导致变暖在微波治疗开始时约200°C (33]。土壤的电导率也将受到盐度的影响,因为它影响土壤吸收电磁能的能力通过离子传导。因此,它影响湿土壤的损耗系数(34]。所以,由此可见,土壤介电特性研究的主要担忧围绕着三个参数:频率(600 - 8000 MHz),土壤类型,土壤中水分存在。
不同的技术用于介电特性测量(35]。在50到100 MHz频率,有效空腔谐振器与修剪损失材料。自由空间分析有助于显著水平,芦苇丛生的,和分流器的样本,它可以处理大频率(1 GHz - 100 GHz)和温度超过373°C。由于集总参数电路的性质的方法,只应该使用频率100 MHz以下。相比之下,由于担心损失,分布式电路技术通常是不合适的。传输线方法最适合液体和固体,但不是气体,因为他们的低介电常数在20到100 GHz的频率范围35- - - - - -37]。闭环同轴探针进行介电特性测试,有时用于粮食。这个特殊的测量仪器、VNA经常使用这种测试(38- - - - - -41]。基于土壤特性,最常用的模型是混合介质(42]。半经验的模型提出了基于土壤结构、湿,散装的密度,和温度。
广泛的土壤类型的多样性、湿含量和频率要求检查土壤的介电特性和识别其加热模式。以满足本研究的目标,完成以下任务:(i)评估的频率范围(600 - 8000 MHz)土壤的介电性能和(2)开发了一种multidynamic混合模型来预测土壤电介质通过结合不同的数学模型,根据德拜模型的结果。
2。材料和方法
2.1。准备的土壤样品
四种土壤类型在这次调查研究利用各种类型的土壤的介电特性如表1。Ramanagara,位于12.9°N, 77.2°E,担任粘壤土土的来源,而其他三个土壤类型耆那教的大学聚集在班加罗尔(居)卡纳塔克邦,印度:Magadi麦田肥沃的土壤(12.5°N, 75.2°E)、粘土土壤从Kanakapura稻田(13.5°N, 80.4°E),弗兰克和甘蔗领域土壤(13.8°N, 81.4°E)。样品被允许干收集后一周。骨料被分解,删除不需要的组件,比如干根,草,石头,和砾石前使用1.5毫米土壤过滤分离,导致一个更好的评估的介电特性。达到营养的均匀分布,不同的土壤被使用切片技术精心组合。
2.2。探索土地资产
之前发送到实验室进行完整的分析,样品在45°C一天干。表2代表实验结束后获得的数据。
2.3。保护土壤的潮湿
四种类型的土壤水分(干燥、33%、66%、和100% CC)是维护。测量土壤的体积,一个漏斗。20毫升蒸馏水,然后添加到土壤,促进发芽。一个漏斗是定位在正确的体积的汽缸,一夜之间测量气缸的重力水。土壤的体积CC基础计算使用方程(43]。干燥后,土样被允许干一天在100°C。达成的其他含水率进一步去离子水添加到土壤和轻轻搅拌。为了防止水分流失,所有的样品都是存储在塑料袋在3°C。表3显示实验的细节试图找出介电特性的所有变量。
2.4。土壤测量电介质
VNA (N5230 PNA-L网络分析仪)被用来量化复介电常数如图1。准确地评估材料的介电特性,网络分析仪可以确定从10到50兆赫频率。
分析器的主要部分与外部计算机,进而与安捷伦相关分析软件,实现了一个嵌入式算法计算介电常数的特征。前的网络分析仪校准使用三个标准测试。电短是由一个金属板放置以下调查。一套标准,例如水或聚四氟乙烯或陶瓷,用于验证校准(检测是确保进行校准是正确的)。的介电特性实验样本测试一旦他们获得了满意值参考样本。
不同土壤样本检验的介电特性,与测量跨越600 - 8000 MHz的频率范围。行业使用的频率范围、科学和医疗应用程序,和其他预期的使用频率,落在这个范围之内。增加的确定性统计,样本测量三次,三个过程的复制和三个观察每个复制。从每个复制的结果结合给三个平均值,这个值是用于额外的数值检验。维度的完整性保护将土样在一个长2.8厘米直径1.5厘米的安瓿。每一个实验是在环境温度(25°C±3°C)。
2.5。扩散深度和波长
当谈到介电材料,两个最重要的因素是介电常数和损耗。微波治疗控制的变暖设计一个特定的形状。额外的数据从测量获得的介电特性和电磁波的深度土壤中可能包括波的波长(43,44]。电磁功率密度开始减少从其表面价值下降36.8% (2,43]。
2.6。分析Cole-Cole
通常需要进行曲线拟合分析观察到的复介电常数。德拜弛豫模型和介电弛豫时间通常用于曲线拟合研究。纯粹的极性物质的复介电常数是由德拜:
中提到的各个参数(45]。德拜公式不能简化,因为所有的材料并不完全极地。因此,系统需要更多的时间放松,因此,德拜方程式所示(2)不是简化46]:
真实和虚构的介电特性可以分成两个部分,如图所示的科尔,科尔(3)和(4)[46]:
另外,很明显,大多数普通的介电特性成分,其中包括大部分植被,连接到水分的材料,这可能是水物质的程度或植被水的百分比:
3所示。结果与讨论
图2演示了所有土壤样品的介电特性在不同频率和含水率。
(一)
(b)
(c)
(d)
这项研究的结果被用来提供一个具有代表性的土壤的介电特性对频率、土壤类型、和水分,如表所示4。
干燥通常随水分耗尽,这发生在实际(介电常数)和虚构(损耗因子)介质的属性(即。、干燥、CC) 33%, 66%,和100%。
土壤水分是土壤介电特性的主要决定因素,因为干燥的土壤介电能力有限。据报道在47,48),与水分含量增加,介电值也增加。逆相关内容和湿砂控股能力,因此,土壤的CC水合能力成正比。因为大量的沙子(84.8%(表2)),居肥沃的弗兰克的田间持水量低于其他的土壤(48.0%至58.2%(表2))。
频率降低时,JU粘质土壤的介电损耗因子显著上升。这些土壤离子电导率之间的显著差异表明,这可能与dS (2.6 m−1表2)。根据(46),角频率(ω离子电导率)成反比。较低的频率显示它是更加突出;频率越高表明它更小。当频率较低时,介质损耗因子在班加罗尔土壤在较低的方面,但是,当含水量较高,土壤的电导率(1.7 d·m−1)是显著的。
大部分自由水组件已经被重力漂白了;因此,剩余的水分被绑定到水。土壤介电行为研究建立经验公式对德拜32]。
计算出最好的F(米),它可以代表观察到的统计数据,
因此,在这项研究中,这些土壤的介电常数和损耗因子定义通过修改(5)和通过替换(6):
图3演示了如何策划设计与频率和含水率变化。表5显示所有所有土壤类型的模型方程的参数。JU弗兰克土壤显示符合(r2)为0.964,而居壤土土显示0.995,表示上述模型准确地代表他们这些土壤的介电性能随不到0.2的评估频率范围和含水率范围在本研究中进行了测试。
(一)
(b)
(c)
(d)
预期在这个研究是一个更多的线性响应水分含量。介质探测必须按下建立优秀与土壤接触时测量。水分在土壤使粒子一起滑,导致更高的体积密度(49]。这将影响介电特性。最佳的土壤压实发生在CC是66%;结果,土壤压实测量时测试有66%的总容量将比它应该以来under-compacted湿土壤。是可行的计算色散对电磁波在不同深度土壤类型使用模型对介电特性,如图4。
(一)
(b)
(c)
(d)
因此,分散深度与频率和含水量,并随着频率下降,那么渗透。它是比较困难的低频声波比高频声波到达地面。此外,由于其介电特性、干燥的土壤使渗透率大于湿土,因为他们有低水平的电磁场衰减。而图像如图4表明土壤质地影响电磁能量分散的深度,JU弗兰克土壤(图4 (c))穿过更深层的水分含量和较低的频率107赫兹班加罗尔粘壤土的类似的水分和频率。
4所示。结论
土壤的介电行为观察到土壤中水分的存在。弗兰克土壤有显著较低的介电特性,而耆那教的大学(居)粘土土壤有一个更重要的介质损耗因子。几个模型创建不同的频率和含水率设置检查土壤的介电特性。JU弗兰克土壤,最适合(r2)发散JU壤土土从0.964到0.995。上面所示的结果表明,该模型用于估算这些土壤的介电特性研究是适当的。为了更好的理解有多深电磁波穿透土壤,创建一个新的模型,土壤的介电特性的模型。在这两种频率和含水量,分散下降。频率很低,土壤渗透的深度更深更高的频率。湿土的情况,干燥的土壤也提供更好的土壤分散。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。进一步的数据或信息都可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢空间应用Centre-Indian太空研究组织(SAC-ISRO)艾哈迈达巴德,印度为鼓励从事土壤水分的应用程序。作者要感谢g·拉贾博士,教授,耆那教(被认为是大学),班加罗尔,他不断支持成功地完成这项工作。博士也要感谢p . Pradeepa EEE,耆那教徒视为大学的支持和鼓励。作者还欣赏支持来自机械工程学院,亚明奇理工学院(AMIT),亚明奇大学,埃塞俄比亚,手稿的研究和准备。