Misura della Conducibilità Elettrica di campioni di suolo in soluzione acquosa mediante l'Analizzatore di Rete e la Riflettometria nel Dominio del Tempo

In soil science it is possible to measure the electrical conductivity to determine the salinity of a soil and to measure the permittivity to determine the water content. The salinity is at present monitored primarily through traditional conductimeters either in the laboratory (with a measuring cell on an extract of saturated paste or in a water extract 2:1 or 5:1) or in the field. The permittivity is normally measured through reflectometers. The reflectometer TDR is one of the few instruments capable to obtain both parameters. The present bachelor thesis has assessed the technical feasibility of a new method for measuring the electrical conductivity of soil samples in water solutions (appropriately treated for the extraction of soluble salts) through the use of an instrument that can also detect the permittivity of a soil, with the objective to offer an alternative technique for in situ measurement. The reason for this research for an alternative is the fact that various authors support the view that the classic instruments used for the measurement of salinity and the water content of the soil (which are the conductimeter and the reflectometer TDR) present problems. Either the instruments can not be used to determine both the salinity of the soil and the water content, or these problems can influence the final outcomes of the measurements. The conductimeter can measure only the electrical conductivity. The reflectometer TDR can give false measurements of the salinity, because of the difficulty to determine exactly the electrical conductivity, since the results vary according to the method used. Another problem connected to the use of the TDR is the fact that in soils with high levels of salt content it is very difficult to determine the permittivity According to Lin (2003) the Frequency Domain Reflectometer technique (FDR) for the determination of the permittivity presents large potential compared to the Time Domain Reflectometry (TDR) to determine the water content of the soil. Therefore the Vector Network Analyzer was chosen to develop a method that permits also the determination of the electrical conductivity. The methodology used in this work foresees the treatment of soil samples for the extraction of the salt solution and the measuring in coaxial probes using both the reflectometer TDR and the Vector Network Analyzer. The next step is to determine the electrical conductivity 5:1. In spite of the above mentioned problems the extreme precision of the analysis of the calibration executed with the reflectometer TDR has allowed us to use the analysis of the soil samples in solution 5:1, made by this instruments, as reference measurements. The next step was to find a parameter that permits to identify the electrical conductivity in the measures made with the Network Analyzer. This parameter was identified in the measure of the value of the signal attenuation detected between 500 KHz and 1 MHz, because it is the only one that follows a proportional trend with the saltiness of the samples. The electrical conductivity 5:1 calculated with the TDR and the value of the signal attenuation found between 500 KHz and 1 MHz by the Network Analyzer are moderately correlated (R2 = 0.6625). Therefore we can conclude that the proposed methodology can provide indications in general on the salinity but cannot determine with precision the electrical conductivity and therefore the salinity of a soil.

La presente Relazione Finale ha valutato la fattibilità tecnica di una nuova metodologia per la misura della conducibilità elettrica di campioni di suolo in soluzione acquosa (opportunamente trattati per l'estrazione di sali solubili), tramite l'ausilio di una strumentazione in grado di rilevare anche la permettività di un suolo con l'obiettivo di offrire una alternativa per le misurazioni in situ. La ricerca di una alternativa è data dal fatto che diversi autori sostengono che le strumentazioni classiche utilizzate per la misura della salinità e del contenuto idrico del suolo, quali il conducimetro e il riflettometro TDR presentano problematiche che ne rendono impossibile l'uso per determinare sia la salinità del suolo che il suo contenuto idrico, oppure tali problematiche possono influenzare il risultato finale delle misure. Da un lato il conducimetro è in grado di rilevare esclusivamente la conducibilità elettrica. Il riflettometro TDR invece può fornire delle misure errate di salinità in quanto la determinazione di questo valore presenta dei limiti a causa della difficoltà di determinare esattamente la conducibilità elettrica poiché il risultato varia in funzione della metodologia utilizzata. Un altro problema legato all'uso del TDR è dato dal fatto che in presenza di suoli ad elevato contenuto salino, diventa molto difficile determinarne la permettività Secondo Lin, (2003) le tecniche di riflettometria nel dominio della frequenza (FDR) per la determinazione della permettività presentano maggiori potenzialità rispetto alle tecniche di riflettometria nel domino del tempo (TDR) nel poter determinare il contenuto di acqua nel suolo. Di conseguenza si è scelto di utilizzare il Vector Network Analyzer per mettere a punto una metodologia che permetta anche la determinazione della conducibilità elettrica. La metodologia impiegata per questo lavoro prevede il trattamento di campioni di suolo per estrarne la soluzione salina, la loro misura in sonde coassiali tramite l'utilizzo del riflettometro TDR e del Vector Network Analyzer, e la determinazione della conducibilità elettrica in soluzione 5:1 dalle analisi effettuate con il riflettometro TDR. Nonostante i problemi sopracitati l'estrema precisione delle analisi di taratura effettuate con il riflettometro TDR ha permesso di poter usare le analisi di campioni di suolo in soluzione 5:1, effettuate da questo strumento, come misure di riferimento. Successivamente, si è proceduto alla ricerca di un parametro che permetta di individuare la conducibilità elettrica nelle misure effettuate con il Network Analyzer. Tale parametro è stato individuato nella misura del valore di attenuazione del segnale rilevato tra 500 KHz e 1 MHz in quanto è l'unico che segue un andamento proporzionale alla salinità dei campioni. La conducibilità elettrica 5:1 calcolata con il TDR e la misura del valore di attenuazione tra 500 KHz e 1 MHz rilevato dal Network Analyzer risultano essere moderatamente correlate (R2 = 0.6625). Pertanto possiamo concludere che la metodologia proposta può fornire indicazioni di massima sulla salinità ma non permette di determinare con precisione la conducibilità elettrica, e quindi la salinità di un suolo.