Simultaneous measurement of soil electrical conductivity and dielectric permittivity using high-frequency electromagnetic induction

disertacija

• Naslov (hrvatski): Istovremeno mjerenje električne vodljivosti i dielektrične permitivnosti tla primjenom visokofrekvencijske elektromagnetske indukcije
• Autor: Dorijan Špikić
• Mentor: Darko Vasić (mentor)
• Član povjerenstva: Vedran Bilas (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Ratko Magjarević (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Michael O'Toole https://orcid.org/0000-0003-2751-2834 (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet elektrotehnike i računarstva; Zagreb
• Datum i država obrane: 2024-06-14, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Elektrotehnika
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 621.3 - Elektrotehnika

Sažetak

Soil electromagnetic parameters are related to physical and chemical properties, and mapping within-field variability provides valuable information for precision agriculture applications. Proximal soil sensing is convenient for this purpose due to its high spatial resolution. This thesis proposes the high-frequency electromagnetic induction modality for soil sensing in the frequency range from 3 MHz to 30 MHz, in which it is possible to measure both electrical conductivity and dielectric permittivity. The analytical model of the sensor above the double-layer homogeneous medium shows that the sensitivity to electrical conductivity and dielectric permittivity increases with frequency while the sensitivity to magnetic susceptibility is unchanged with frequency. The designed soil sensor consists of a shielded printed circuit board transmitter and receiver coils, which are separated and mutually perpendicular. The change in the height above the soil (liftoff) and unwanted electromagnetic, mechanical, and thermal influences on the sensor are analyzed theoretically and experimentally. The method to evaluate the effectiveness of the electrostatic shielding was derived by combining an equivalent circuit model of the sensor and measurements without the presence of the medium. The soil sensor was evaluated in the laboratory for the ranges typical for most soil types. The results agree with the numerical and analytical model and demonstrate the possibility of simultaneous measurement of electrical conductivity and dielectric permittivity. The accomplished scientific contribution of the thesis is: 1.) Model-based method for measurement of electrical conductivity and dielectric permittivity of soil using high-frequency electromagnetic induction, 2.) Analysis of unwanted electromagnetic coupling and interference rejection techniques, and 3.) Sensor geometry and electronic instrumentation for simultaneous measurement of soil electrical conductivity and dielectric permittivity using high-frequency electromagnetic induction.

Sažetak (hrvatski)

Elektromagnetski parametri tla povezani su s fizikalnim i kemijskim svojstvima, a mapiranje varijabilnosti svojstava tla daje vrijedne informacije u preciznoj poljoprivredi. Blizinsko ispitivanje tla je pogodno za tu svrhu zbog visoke prostorne razlučivosti. U ovoj disertaciji predlaže se visokofrekvencijski elektromagnetski induktivni modalitet za blizinsko ispitivanje tla u rasponu od 3 MHz do 30 MHz. U tom frekvencijskom području moguće je mjeriti električnu vodljivost i dielektričnu permitivnost tla. Analitički model senzora iznad dvosloja pokazuje da osjetljivost na električnu vodljivost i dielektričnu permitivnost raste s frekvencijom, dok je osjetljivost na magnetsku susceptibilnost nepromijenjena. Predloženi senzor tla sastoji se od oklopljene odašiljačke i prijemne zavojnice koje su međusobno okomite i razmaknute. Teorijski i eksperimentalno analizirani su utjecaji promjene visine senzora iznad tla te neželjeni elektromagnetski, mehanički i temperaturni utjecaji na senzor. Predložena je metoda za procjenu učinkovitosti elektrostatskog klapanja temeljena na nadomjesnom modelu senzora i mjerenjima bez prisutnosti medija. Predloženi senzor tla ispitan je u laboratoriju za raspone tipičnih vodljivosti i permitivnosti tla, pri čemu su rezultati u skladu s analitičkim i numeričkim modelom te pokazuju mogućnost istovremenog mjerenja električne vodljivosti i dielektrične permitivnosti. Ostvareni znanstveni doprinos disertacije je: 1.) Na modelu zasnovana metoda mjerenja električne vodljivosti i dielektrične permitivnosti tla primjenom visokofrekvencijske elektromagnetske indukcije, 2.) Analiza neželjene elektromagnetske sprege i tehnike za potiskivanje smetnji, 3.) Geometrija senzora i elektronička instrumentacija za istovremeno mjerenje električne vodljivosti i dielektrične permitivnosti tla primjenom visokofrekvencijske elektromagnetske indukcije.

• Ključne riječi: electrical conductivity; dielectric permittivity; high-frequency; electromagnetic induction; shielding; sensor; soil; precision agriculture
• Ključne riječi (hrvatski): električna vodljivost; dielektrična permitivnost; visoke frekvencije; elektromagnetska indukcija; oklapanje; senzor; tlo; precizna poljoprivreda
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:471739
• Datum promocije: 2024
• Studijski program: Naziv: Elektrotehnika; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski znanstveni (doktorski); Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, po-dručje tehničkih znanosti (dr. sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Opseg: 132 str.
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2024-08-29 08:11:46