Kum bünyeli toprakların nem içeriklerinin kalibrasyon gerektirmeyen mikrodalga ölçüm yöntemleriyle belirlenmesi
Assessment of moisture contents of sand textured soils using microwave calibration-independent methods
Yazar: HAFİZE HASAR
Danışman: PROF. DR. TAŞKIN ÖZTAŞ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Kalibrasyon = Calibration ; Kumlu zeminler = Sand soil ; Mikrodalgalar = Microwaves

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, toprak neminin belirlenmesi amacı ile dolaylı yeni mikrodalga ölçüm yöntemleri önerilmiştir.
Yöntem: Tez kapsamında, koaksiyel kablo dalga-yönlendirmeli kalibrasyon-gerektirmeyen yeni tip mikrodalga yöntemleri geliştirilmiştir.
Bulgular: Düşük nem içeriği (hava-kuru) ile yüksek nem içeriği (saturasyon çamuru) arasında değişik nem içeriklerine sahip toprak numunelerinin dielektrik geçirgenlik değerlerinin elde edilmesi için önerilen koaksiyel kablo dalga-yönlendirmeli kalibrasyon-gerektirmeyen mikrodalga yöntemleri öncelikle 3-boyutlu elektromanyetik benzetim programı ile sonrasında polietilen dielektrik malzemesinin dielektrik geçirgenliğinin ölçümleri ile doğrulanmıştır. Önerilen yöntemler ile gravimetrik nem içeriği önceden bilinen kum bünyeli üç toprak örneğinin farklı nem içeriklerinde dielektrik geçirgenlikleri ölçülmüş ve daha sonrasından elde edilen dielektrik geçirgenlik değerinin reel kısmının bilgisi ile gravimetrik nem içeriği arasında bağıntılar kurulmaya çalışılmıştır. Birinci yöntem için (136) nolu denklemde verilen bağıntı kullanılmış ve ikinci yöntem için (139) nolu denklemde verilen kalibrasyon-eğrisi bağıntısından faydalanılmıştır.
Sonuç: Koaksiyel kablo dalga-yönlendirmeli kalibrasyon-gerektirmeyen yeni tip mikrodalga yöntemleri, kum bünyeli toprak numunelerinin dielektrik geçirgenlik değerlerinin ölçümleri için uygulanmış ve sonrasında elde edilen dielektrik geçirgenlik değerinin reel kısmı ile gravimetrik yöntem kullanılarak daha önceden bulunan toprakların nem değerleri arasında bağıntılar başarılı bir şekilde elde edilmiştir. Gravimetrik yöntem kullanılarak ve birinci yöntem kullanılarak gerçekleştirilen mikrodalga ölçümleri (3GHz'deki) sonucunda bulunan nem miktarları arasındaki farkın analizi yapılan topraklar için en fazla %8,3 olduğu saptanmıştır. Diğer taraftan, ikinci yöntem kullanılarak gerçekleştirilen mikrodalga ölçümleri (3GHz'deki) sonucunda bulunan nem miktarları ile gravimetrik yöntem ile bilinen nem miktarı arasındaki kalibrasyon eğrilerinin uyumunu gösteren R2 değerinin her bir toprak numunesi için 0,9971 değerinden yüksek olduğu saptanmıştır. Ayrıca, 3 GHz ve 2 GHz frekansları için ayrı ayrı elde edilen kalibrasyon eğrileri, Topp eşitliği gibi literatürde referans kabul edilen yöntemler ile karşılatırılmıştır ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
Purpose: In this study, new indirect microwave measurement technniques have been proposed for determining moisture contents of soils.
Method: Within this thesis, new coaxial cable guided calibration-free new microwave techniques have been proposed.
Findings: Coaxial cable guided calibration-free microwave techniques proposed for measuring dielectric permittivity of soil samples with varying moisture contents between a low moisture content (air-dry) and a high moisture content (saturated) were first validated by a 3-dimension electromagnetic simulation program and next by dielectric permittivity measurements of a polyethylene sample. Relationships were being established between three different moisture contents of soil samples with sand content measured by the direct gravimetric method and predicted by the proposed microwave techniques through the reel part of extracted dielectric permittivity of soil samples. For the first method, the equation given in (136) was utilized while for the second method, the calibration-curve equation in (139) was used.
Results: Coaxial cable guided calibration-free new microwave techniques were applied to measure dielectric permittivities of soil samples with sand texture, and after functional relationships between measured moisture contents of soils by the gravimetric method and predicted moisture contents through measured real parts of the dielectric constants of soil samples were successfully established. It was observed that the maximum difference between nem contents measured by the gravimetric method and by the proposed first microwave method using the measurements at 3 GHz was less than 8.3% for all tested soil samples. On the other hand, it was also recorded that R2 values, which show the fitting between soil moisture content obtained by microwave measurements at 3 GHz using the proposed second method and by the gravimetric method, were greater than 0.9971 for all soil samples. Besides, calibration curves evaluated individually for 2 GHz and 3 GHz frequencies were compared with other well-established reference studies such as the Topp equation and successful results were noted.