Moisture detection in waste materials by using electromagnetic waves in the GHz domain

Abstract

Denne masteroppgaven tar for seg om elektromagnetiske bølger i GHz-domenet kan brukes til å detektere fuktighetsnivået i avfall ved Waste-to-Energy anlegg. Dette kan oppnås i et oppsett der avfallsmaterialer blir belyst av GHz-bølger, etterfulgt av å analysere systemets respons for mønstre relatert til fuktighetsnivået. En teoretisk modell basert på dette oppsettet ble utviklet og implementert med MATLAB for å detektere vanninnholdet i homogene materialer. Hvor den teoretiske modellen besto av tre lag med materialer, to lag med luft adskilt av det midterste laget karakterisert av eksperimentelle verdier av den frekvensavhengige komplekse brytningsindeksen av vann. En beskrivelse av hvordan de elektromagnetiske bølgene ville forplante seg gjennom systemet ved endringer i fuktighetsnivå ble etablert ved å bruke Fresnel-ligningene på hver grense mellom forskjellige medier kombinert med matriseteori og effektiv medie-tilnærming. Som ble demonstrert ved å simulere refleksjon og transmisjon spekter av lagdelte medier for forskjellige fuktighetsnivåer. Den resulterende teoretiske modellen viste seg å være egnet for fuktdeteksjon. Spesielt for visse frekvenser i området 1-35 GHz, hvor vesentlige forskjeller i den observerte refleksjonen av de innfallende bølgene var sterkt korrelert med endringer i fuktighetsnivåer. Ved å tolke refleksjonsspektrene simulert av den teoretiske modellen ble fuktighetsnivået i det effektive mediet detektert med en gjennomsnittlig sikkerhet på 86%.

For å avgjøre gyldigheten og nøyaktigheten til den teoretiske modellen, ble dielektriske egenskaper til en svamp fylt med forskjellige volumetriske fuktighetsinnhold målt eksperimentelt i laboratoriet ved hjelp av DAKS-3.5 måleoppsett. De målte eksperimentelle dielektriske egenskapene ble deretter brukt til å simulere de tilsvarende refleksjonsspektrene ved å bruke samme metode beskrevet for den teoretiske modellen. Refleksjonsintensiteten i de resulterende refleksjonsspektrene var igjen sterkt korrelert med endringer i volumetrisk fuktighetsinnhold i prøvematerialet, spesielt for frekvenser i området 3-14 GHz. Ved å tolke de simulerte refleksjonsspektrene, ble volumetrisk fuktighetsinnhold i prøvematerialet detektert med en gjennomsnittlig sikkerhet på 70,38%.

This master's thesis addresses whether electromagnetic waves in the GHz domain can be used to determine moisture levels of waste materials at Waste-to-Energy plants. This could be achieved in a setup where waste materials are illuminated by GHz waves, followed by analysing the response of the system for patterns related to the moisture level. A theoretical model based on this setup was developed and implemented with MATLAB to assess water contents of homogeneous materials. Where the theoretical model consisted of three layers, with two layers of air separated by the middle layer characterised by experimental values of the frequency-dependent complex refractive index of water. Imposing the Fresnel equations at each boundary between the different media combined with matrix-theory and the effective media approximation, determined how electromagnetic waves would propagate through the system as the moisture level changed. Which was demonstrated by simulating the reflection and transmission spectra of the layered media for different moisture levels. The resulting theoretical model proved to be suitable for moisture detection. Especially for certain frequencies in the range 1-35 GHz, where substantial differences in the detected reflection of the incident waves was strongly correlated to changes in moisture levels. By interpreting the reflection spectra simulated from the theoretical model, the moisture level in the effective medium was detected with an average certainty of 86%.

To determine the validity and accuracy of the theoretical model, dielectric properties of a sponge sample filled with different volumetric moisture contents were measured experimentally in the lab using the DAKS-3.5 measurement setup. The experimentally measured dielectric properties were then used to simulate the corresponding reflection spectra following the same method described for the theoretical model. The reflection intensity in the resulting reflection spectra was strongly correlated to changes in the volumetric moisture content of the sample material, especially for frequencies in the range 3-14 GHz. By interpreting the simulated reflection spectra, the volumetric moisture content of the sample material was determined with an average certainty of 70.38%.