Choice of frequency of electric field in dielectric methods for the determination of water content in salty soils

Digital data acquisition systems read only electric signals. Therefore the applied sensors must convert the measured value to the corresponding electrical signal. The key to the solution of the selective electric measurement of a certain quantity is to find an unique electrical property of a medium which determines this quantity. Concerning the problem of electrical measurement of soil moisture, the medium determining the soil moisture is water and the unique property of water is polar structure of its molecules (the permanent dipole moment of a water molecule is equal to 1.87 D). The polarity of water molecules results in the domination of water dielectric permittivity over the soil solid phase dielectric permittivity (below 10 GHz and for 18°C the relative dielectric permittivity of water is 81, while 4÷5 for the soil solid phase). Thus, because moisture determines dielectric permittivity of soil, therefore it is widely accepted to monitor the soil moisture as based on the measurement of its dielectric permittivity. Soil water is an electrolyte conducting electrical current because of the presence of ions in it. Therefore soil in the electric field possesses dual nature; it behaves as dielectric (isolator) and conductor simultaneously. Thus, the soil dielectric permittivity is a complex value, where the real part is determined by soil moisture and imaginary part by soil salinity. Salinity makes the dielectric measurement of the soil moisture troublesome and sometimes impossible. Because of the soil salinity a soil specific calibration of readings is necessary. The paper discusses conditions where the dielectric soil moisture measurement would not be affected by the electrical conductivity introduced by the soil electrolyte. The frequency of electric field applied to excite the soil of a defined salinity is discussed, having in mind to free the interpretation of dielectric soil moisture measurement from the influence of soil electrical conductivity.

METADATA IN OTHER LANGUAGES:

Polish

Zagadnienie doboru częstotliwości pola elektrycznego w dielektrycznym pomiarze wilgotności gleb zasolonych

metoda dielektryczna, stała dielektryczna, wilgotność

W cyfrowych systemach akwizycji danych czytelne są wyłącznie sygnały elektryczne. Dlatego stosowane czujniki muszą przetwarzać mierzoną wielkość na proporcjonalny sygnał elektryczny. Kluczem do rozwiązania problemu elektrycznego pomiaru danej wielkości w sposób selektywny jest znalezienie takiej elektrycznej właściwości medium warunkującego tę wielkość, która jest dla niego unikatowa. W odniesieniu do problemu elektrycznego pomiaru wilgotności gleby medium warunkującym wilgotność jest woda a jej unikatową właściwością jest polarna struktura molekuł (molekuła wody posiada trwały moment dipolowy równy 1.87 D. Polarność molekuł wody powoduje, że dielektryczna przenikalność wody dominuje przenikalność stałej fazy gleby (względna przenikalność dielektryczna wody w polu o częstotliwości poniżej 10 GHz i w temperaturze l8°C, wynosi 81, podczas gdy względna przenikalność dielektryczna fazy stałej wynosi w tych warunkach 4÷5). Ponieważ dielektryczna przenikalność gleby jest warunkowana jej wilgotnością, elektryczny monitoring wilgotności gleby realizuje się w oparciu o pomiar jej przenikalności dielektrycznej. Zarówno składniki stałej fazy gleby jak i woda, są praktycznie izolatorami (nie przewodzą znaczącego prądu elektrycznego). Obecność jonów w "wodzie glebowej" czyni z niej elektrolit przewodzący prąd elektryczny. Dlatego gleba w polu elektrycznym wykazuje dwoistą naturę, dielektryka (izolatora) oraz przewodnika. Zatem dielektryczna przenikalność gleby jest wielkością zespoloną, której składowa rzeczywista jest warunkowana wilgotnością zaś urojona zasoleniem. Zasolenie znacząco utrudnia dielektryczny pomiar wilgotności gleby powodując potrzebę częstej, specyficznej dla każdej gleby, kalibracji pomiaru in situ. W pracy przedstawiono dyskusję warunków, w których dielektryczny pomiar wilgotności gleby byłby wolny od wpływu elektrycznej konduktywności obecnego w niej elektrolitu. Znaleziono częstotliwość pola elektrycznego jakim należy pobudzać glebę przy jej określonym zasoleniu, by interpretacja dielektrycznego pomiaru wilgotności tej gleby była wolna od wpływu zasolenia.

Submit your paper

Information for Authors

eISSN:	2300-6730
ISSN:	1234-4125