Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/564
Title: Determinazione dei parametri elettromegnetici di materiali compositi e loro variazioni in funzione del contenuto idrico e di inquinanti
Other Titles: Electromagnetic parameters evaluation of composite materials and their variations versus the contaminants and water content
Authors: Mattei, Elisabetta
Keywords: TDR;GPR;Permittività elettrica;Permeabilità magnetica;Conducibilità elettrica;Scienza dei suoli;Electric permittivity;Magnetic permeability;Electric conductivity;Soil science;FIS/07
Issue Date: 8-Oct-2008
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 19. ciclo
Abstract: 
Questa tesi è stata focalizzata sullo studio di tecniche elettromagnetiche applicate a sistemi solidi compositi e sul loro possibile impiego in campo ambientale. La tecnica principalmente usata è la Time Domain Reflectometry (TDR); altre tecniche parzialmente utilizzate sono state la tecnica LCR-meter, tecniche di misura conduttimetriche e GPR (Ground Penetrating Radar). Gli argomenti trattai sono riportati di seguito.
È stato studiato l’apparato strumentale realizzando diversi tipi di sonda ed è stato studiato come le loro caratteristiche sia geometriche che elettriche influenzino il tipo di misura. Sono state eseguite misure di calibrazione su materiali aventi proprietà note (aria e acqua demineralizzata) per poter valutare i parametri fisici delle sonde come la lunghezza ‘elettrica’ e l’impedenza caratteristica della sonda. Le misure di calibrazione sono state effettuate con un nuovo metodo (metodo delle derivate) che consiste nell’utilizzare la derivata del segnale TDR: il confronto tra questo metodo con gli altri due noti in letteratura (il metodo delle tangenti e quello della funzione di trasferimento nel dominio della frequenza) ha dimostrato che l’utilizzo del metodo delle tangenti è affetto da errori sistematici nel caso di materiali dispersivi. Ciò comporta che le curve empiriche usate finora in letteratura per stimare il contenuto idrico dei suoli e ottenute con il metodo delle tangenti, debbano essere ritarate usando il nuovo metodo di calibrazione.
Sono state eseguite misure di velocità e attenuazione del segnale elettromagnetico su materiali anidri ricchi di ossidi di ferro costituiti da palline di vetro (glass beads) e magnetite. Le misure sono state effettuate su tre diverse granulometrie e in funzione del contenuto volumetrico di magnetite. I dati sperimentali mostrano che la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche diminuisce all’aumentare del contenuto di magnetite ed è indipendente dalla granulometria. Il fattore di attenuazione mostra, come aspettato, un andamento crescente all’aumentare della percentuale volumetrica di magnetite per le granulometrie più grandi. Nel caso della granulometria più piccola, le incertezze sperimentali, probabilmente causate da problemi di riempimento della sonda hanno impedito l’individuazione di un andamento certo delle misurazioni. I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli provenienti da altre tecniche (LCR-meter e Network Analyzer) al fine di valutare l’attendibilità della misura dell’attenuazione ottenuta da TDR.
Sono state effettuate misure di dispersione di inquinanti in colonna dalla misura della conducibilità elettrica del mezzo tramite TDR. In particolare, l’analisi è stata centrata sulle acque di vegetazione visto l’interesse che queste sostanze destano nell’ambito delle scienze ambientali e agrarie. Sono stati realizzati esperimenti di prova al fine di valutare la condizione in cui si potesse monitorare la propagazione del refluo. Le misure di dispersione sono state eseguite su mezzi diversi per stabilire i tempi di propagazione in funzione della matrice solida usata. La conducibilità è stata correlata tramite curve di calibrazione al contenuto volumetrico e, quindi, alla concentrazione di refluo: l’andamento della concentrazione in funzione del tempo può essere confrontato con le curve di dispersione note in letteratura e dal confronto è possibile ricavare i parametri di propagazione nel mezzo.
È stata realizzata una campagna di misure TDR e GPR (Georadar) su un sito sperimentale. Il sito è costituito da una vasca (4m x 7m), isolata dal terreno circostante tramite un telo impermeabile e riempita con sabbia. La vasca è stata saturata con acqua progressivamente dal basso in modo da simulare la risalita di una falda. Per ogni livello raggiunto dal liquido, sono state effettuate, simultaneamente, misure TDR e GPR. Le misure TDR sono state effettuate sia con una sonda orizzontale multilivello fissa seppellita al bordo della vasca, sia con sonde verticali mobili (da 10 e da 20 cm) da inserire in superficie. I parametri elettromagnetici del sito ottenuti dalle misure TDR sono stati confrontati con le forme d’onda del GPR al fine di trovare una correlazione tra le due tecniche di misura.

This thesis is devoted to the electromagnetic techniques, the Time Domain Reflectometry (TDR) in particular, applied to the study of composite systems and to their possible employment in environmental sciences. The TDR, the LCR-meter, GPR (Ground Penetrating Radar) and conductimeter are the technique used in this study. The thesis develops as follows:
The TDR experimental device has been used to determine the geometric and electrical features of several probes via calibration measurements, carried out on materials with known electromagnetic properties (air and demineralized water). A new calibration method has been introduced (the derivatives method) and the comparison between this method and the others two used in literature (the tangents method and the transfer function method) demonstrated that the tangents method is affected by systematic errors when it is applied to a dispersive medium. So, the empirical curves used in literature to estimate the soil water content and obtained with the tangents method, should be re-calibrated using the new method.
Anhydrous mixtures of glass beads and magnetite have been analyzed in order to estimate the electromagnetic velocity and the attenuation factor. The measurements have been carried out on three grains size ranges for different magnetite volumetric contents. The data have shown that the electromagnetic wave propagation velocities decrease with the increase of the magnetite content and are independent on the grains sizes. For the bigger grains size range, the attenuation factor increases with the volumetric percentage of magnetite, while for the smaller one, the experimental uncertainties, probably due to filling problems, prevent the accurate determination of the attenuation factor. To determine the reliability of the TDR measurements, the attenuation values have been compared with those obtained by other techniques (LCR-meter and Network Analyzer).
Dispersion of olive waste waters has been studied by measuring the electrical conductivity by TDR. Some preliminary experiments have been realized to test the possibility of monitoring the propagation of the olive waste water. Three different media have been chosen to establish the influence of the solid matrix on the dispersion phenomena. The conductivity has been correlated to the volumetric content using calibration curves: the concentration versus time has been compared with the dispersion curves of specific theoretical models of literature and the propagation parameters have been estimated by the experimental data fitting.
TDR and GPR measurements have been carried out on a test-site. The test site consists of a pit filled with gravel and sand in which a pipe system for water inflow is buried. The data were collected under different water charge conditions and the water level was monitored by piezometers. TDR measurements were performed at various depths using a multilevel probe system and using vertical three wire probes. GPR measurements were performed with a system equipped with 250 MHz and 500 MHz antennas. The electromagnetic parameters obtained by TDR have been compared with the GPR data to find a correlation between water content provided by the two techniques.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze ambientali
URI: http://hdl.handle.net/2067/564
Rights: If not otherwise stated, this document is distributed by the Tuscia University Open Archive under a Creative Commons 2.0 Attribution - Noncommercial - Noderivs License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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