Implementation of the Heated Pulsed Theory using actively heated fiber optics: measurements of soil volumetric water content and soil volumetric heat capacity

Existe una creciente necesidad de hacer el mejor uso del agua para regadío. Una alternativa eficiente consiste en la monitorización del contenido volumétrico de agua (θ), utilizando sensores de humedad. A pesar de existir una gran diversidad de sensores y tecnologías disponibles, actualmente ninguna de ellas permite obtener medidas distribuidas en perfiles verticales de un metro y en escalas laterales de 0.1-1,000 m. En este sentido, es necesario buscar tecnologías alternativas que sirvan de puente entre las medidas puntuales y las escalas intermedias. Esta tesis doctoral se basa en el uso de Fibra Óptica (FO) con sistema de medida de temperatura distribuida (DTS), una tecnología alternativa de reciente creación que ha levantado gran expectación en las últimas dos décadas. Específicamente utilizamos el método de fibra calentada, en inglés Actively Heated Fiber Optic (AHFO), en la cual los cables de Fibra Óptica se utilizan como sondas de calor mediante la aplicación de corriente eléctrica a través de la camisa de acero inoxidable, o de un conductor eléctrico simétricamente posicionado, envuelto, alrededor del haz de fibra óptica. El uso de fibra calentada se basa en la utilización de la teoría de los pulsos de calor, en inglés Heated Pulsed Theory (HPP), por la cual el conductor se aproxima a una fuente de calor lineal e infinitesimal que introduce calor en el suelo. Mediante el análisis del tiempo de ocurrencia y magnitud de la respuesta térmica ante un pulso de calor, es posible estimar algunas propiedades específicas del suelo, tales como el contenido de humedad, calor específico (C) y conductividad térmica. Estos parámetros pueden ser estimados utilizando un sensor de temperatura adyacente a la sonda de calor [método simple, en inglés single heated pulsed probes (SHPP)], ó a una distancia radial r [método doble, en inglés dual heated pulsed probes (DHPP)]. Esta tesis doctoral pretende probar la idoneidad de los sistemas de fibra óptica calentada para la aplicación de la teoría clásica de sondas calentadas. Para ello, se desarrollarán dos sistemas FO-DTS. El primero se sitúa en un campo agrícola de La Nava de Arévalo (Ávila, España), en el cual se aplica la teoría SHPP para estimar θ. El segundo sistema se desarrolla en laboratorio y emplea la teoría DHPP para medir tanto θ como C. La teoría SHPP puede ser implementada con fibra óptica calentada para obtener medidas distribuidas de θ, mediante la utilización de sistemas FO-DTS y el uso de curvas de calibración específicas para cada suelo. Sin embargo, la mayoría de aplicaciones AHFO se han desarrollado exclusivamente en laboratorio utilizando medios porosos homogéneos. En esta tesis se utiliza el programa Hydrus 2D/3D para definir tales curvas de calibración. El modelo propuesto es validado en un segmento de cable enterrado en una instalación de fibra óptica y es capaz de predecir la respuesta térmica del suelo en puntos concretos de la instalación una vez que las propiedades físicas y térmicas de éste son definidas. La exactitud de la metodología para predecir θ frente a medidas puntuales tomadas con sensores de humedad comerciales fue de 0.001 a 0.022 m3 m-3 La implementación de la teoría DHPP con AHFO para medir C y θ suponen una oportunidad sin precedentes para aplicaciones medioambientales. En esta tesis se emplean diferentes combinaciones de cables y fuentes emisoras de calor, que se colocan en paralelo y utilizan un rango variado de espaciamientos, todo ello en el laboratorio. La amplitud de la señal y el tiempo de llegada se han observado como funciones del calor específico del suelo. Medidas de C, utilizando esta metodología y ante un rango variado de contenidos de humedad, sugirieron la idoneidad del método, aunque también se observaron importantes errores en contenidos bajos de humedad de hasta un 22%. La mejora del método requerirá otros modelos más precisos que tengan en cuenta el diámetro del cable, así como la posible influencia térmica del mismo. ABSTRACT There is an increasing need to make the most efficient use of water for irrigation. A good approach to make irrigation as efficient as possible is to monitor soil water content (θ) using soil moisture sensors. Although, there is a broad range of different sensors and technologies, currently, none of them can practically and accurately provide vertical and lateral moisture profiles spanning 0-1 m depth and 0.1-1,000 m lateral scales. In this regard, further research to fulfill the intermediate scale and to bridge single-point measurement with the broaden scales is still needed. This dissertation is based on the use of Fiber Optics with Distributed Temperature Sensing (FO-DTS), a novel approach which has been receiving growing interest in the last two decades. Specifically, we employ the so called Actively Heated Fiber Optic (AHFO) method, in which FO cables are employed as heat probe conductors by applying electricity to the stainless steel armoring jacket or an added conductor symmetrically positioned (wrapped) about the FO cable. AHFO is based on the classic Heated Pulsed Theory (HPP) which usually employs a heat probe conductor that approximates to an infinite line heat source which injects heat into the soil. Observation of the timing and magnitude of the thermal response to the energy input provide enough information to derive certain specific soil thermal characteristics such as the soil heat capacity, soil thermal conductivity or soil water content. These parameters can be estimated by capturing the soil thermal response (using a thermal sensor) adjacent to the heat source (the heating and the thermal sources are mounted together in the so called single heated pulsed probe (SHPP)), or separated at a certain distance, r (dual heated pulsed method (DHPP) This dissertation aims to test the feasibility of heated fiber optics to implement the HPP theory. Specifically, we focus on measuring soil water content (θ) and soil heat capacity (C) by employing two types of FO-DTS systems. The first one is located in an agricultural field in La Nava de Arévalo (Ávila, Spain) and employ the SHPP theory to estimate θ. The second one is developed in the laboratory using the procedures described in the DHPP theory, and focuses on estimating both C and θ. The SHPP theory can be implemented with actively heated fiber optics (AHFO) to obtain distributed measurements of soil water content (θ) by using reported soil thermal responses in Distributed Temperature Sensing (DTS) and with a soil-specific calibration relationship. However, most reported AHFO applications have been calibrated under laboratory homogeneous soil conditions, while inexpensive efficient calibration procedures useful in heterogeneous soils are lacking. In this PhD thesis, we employ the Hydrus 2D/3D code to define these soil-specific calibration curves. The model is then validated at a selected FO transect of the DTS installation. The model was able to predict the soil thermal response at specific locations of the fiber optic cable once the surrounding soil hydraulic and thermal properties were known. Results using electromagnetic moisture sensors at the same specific locations demonstrate the feasibility of the model to detect θ within an accuracy of 0.001 to 0.022 m3 m-3. Implementation of the Dual Heated Pulsed Probe (DPHP) theory for measurement of volumetric heat capacity (C) and water content (θ) with Distributed Temperature Sensing (DTS) heated fiber optic (FO) systems presents an unprecedented opportunity for environmental monitoring. We test the method using different combinations of FO cables and heat sources at a range of spacings in a laboratory setting. The amplitude and phase-shift in the heat signal with distance was found to be a function of the soil volumetric heat capacity (referred, here, to as Cs). Estimations of Cs at a range of θ suggest feasibility via responsiveness to the changes in θ (we observed a linear relationship in all FO combinations), though observed bias with decreasing soil water contents (up to 22%) was also reported. Optimization will require further models to account for the finite radius and thermal influence of the FO cables, employed here as “needle probes”. Also, consideration of the range of soil conditions and cable spacing and jacket configurations, suggested here to be valuable subjects of further study and development.

A game theory based strategy for reducing energy consumption in cognitive WSN

Wireless sensor networks (WSNs) are one of the most important users of wireless communication technologies in the coming years and some challenges in this area must be addressed for their complete development. Energy consumption and spectrum availability are two of the most severe constraints of WSNs due to their intrinsic nature. The introduction of cognitive capabilities into these networks has arisen to face the issue of spectrum scarcity but could be used to face energy challenges too due to their new range of communication possibilities. In this paper a new strategy based on game theory for cognitive WSNs is discussed. The presented strategy improves energy consumption by taking advantage of the new change-communication-channel capability. Based on game theory, the strategy decides when to change the transmission channel depending on the behavior of the rest of the network nodes. The strategy presented is lightweight but still has higher energy saving rates as compared to noncognitive networks and even to other strategies based on scheduled spectrum sensing. Simulations are presented for several scenarios that demonstrate energy saving rates of around 65% as compared to WSNs without cognitive techniques.

Mies van der Rohe's Illinois Institute of Technology: Analysis and History of a Compositive Development = El IIT de Mies van der Rohe: análisis e historia de un proceso compositivo

The Illinois Institute of Technology (iit) campus, Chicago, by architect Ludwig Mies van der Rohe, is often considered as a transitional work, usually acknowledged as significant for the reorientation of his professional career after he emigrated to the United States. Moreover, its favorable recognition today is somehow indicative of its relevance as a model for urban intervention in the contemporary American city and for contemporary city planning in general, not to mention the profound impact that it had on the cityscape of Chicago. However, today we know it was rather the result of a close collaboration between he and Ludwig Hilberseimer —later on, to be completed with Alfred Caldwell— who merged their personal ideas and expertise in the design for the first time. In addition to this, when one tries to locate the design within its own historical context and evaluate the sources of its approach to it, some contradictions arise. The major impact of the images produced by Mies to promote its realization —widely disseminated in most contemporary architectural periodicals— probably outshined the particular circumstances in which the design was conceived. In fact, it would never be materialized as originally presented, but it was, instead, continuously reworked according to land availability in the site —a circumstance often ignored by subsequent architectural critic, that enthusiastically praised the design even before it was fully completed. One of the main consequences of looking at iit from such a standpoint is that, when historically contextualized, one can appreciate that, due to the urban scale of its implementation process, the design had to face a complex reality very different to that initially planned by the architect, often far from his actual possibilities of intervention. Such approach is in contradiction with the common description of the design as a ‘tabula rasa’ that allegedly would have been formulated on the basis of a full denial of its context. On the contrary, the ever-changing circumstances of the design motivated a necessary re-interpretation of the relation between its executed fragments, in order to keep the original identity of the whole in an ever-changing context. This situation implied a continuous transformation of the design by means of a steady re-composition of its elements: as the number of completed buildings increased in its successive stages, their relation to their site-specific context changed, in a very particular process that these lines try to delineate. Requiring decades to be erected, neither of its authors would ever see the design finished as planned, partially because of the difficulties in acquiring the extension of land that it required. Considering the study of this process as able to provide a valuable gateway to understand the urban discourse that the architects entailed, the aim of these lines is to analyze the problems that the iit campus design had to face. As a starting point, a relationship between practice and theory in the activity of the authors implied in iit campus design has been assumed. Far from being interrupted during World War ii, strong historical evidence can be found to infer that both were developed in parallel. Consequently, the historical sequence of the preserved testimonies has been put into context, as well as their transformation while Mies remained in charge for the campus Master Plan. Notably, when seen from this perspective, some ideas already expressed during his previous European practice were still present during the design process. Particularly, Mies's particular understanding of certain architectural concepts — such as those of ‘order’ and ‘structure’—can be traced paralleling the theories about urban planning from his collaborators, a fact that possibly facilitated the campus successful development. The study of the way these ideas were actually redeveloped and modified in the American urban context, added to the specific process of the implementation of iit campus design, sheds a new light for a critical interpretation of the reasons that made it possible, and of the actual responsibility of Mies's collaborators in its overall development and final completion. RESUMEN El campus del Illinois Institute of Technology (iit) de Chicago, obra del arquitecto Ludwig Mies van der Rohe, es a menudo considerado como una obra de transición que, por lo general, ha venido siendo reconocida como relevante para la reorientación de su carrera profesional posterior a su exilio en los Estados Unidos. El reconocimiento del que goza el proyecto es indicativo, de algún modo, de su importancia como modelo para la intervención urbana en la ciudad norteamericana contemporánea y el planeamiento de la ciudad contemporánea en general, sin olvidar el profundo impacto que ha tenido sobre el paisaje urbano de Chicago. Sin embargo, hoy sabemos que el resultado se benefició de su estrecha colaboración con Ludwig Hilberseimer y se completaría más tarde con la de Alfred Caldwell, quienes unieron sus ideas y experiencia profesional en el proyecto por primera vez. Asimismo, cuando se intenta ubicar el proyecto dentro de su propio contexto histórico y evaluar los criterios de su manera de abordarlo, surgen algunas contradicciones. El considerable impacto de las imágenes producidas por Mies para impulsar su ejecución —ampliamente difundidas en la mayoría de publicaciones de arquitectura de la época— probablemente eclipsó las particulares circunstancias en las que el proyecto fue concebido. De hecho, nunca llegó a materializarse tal y como fue inicialmente presentado. Por contra, fue reelaborado de manera continua, de acuerdo a la disponibilidad de suelo en el emplazamiento; una circunstancia a menudo ignorada por la crítica posterior, que elogió con entusiasmo el proyecto antes siquiera de que fuese terminado. Una de las principales consecuencias de contemplar el iit desde semejante punto de vista es que, una vez contextualizada históricamente su puesta en obra, se puede apreciar que el arquitecto tuvo que enfrentarse a una compleja realidad urbana muy diferente a la inicialmente prevista —probablemente debido a la escala del proyecto— a menudo lejos de sus posibilidades reales de intervención. Este enfoque contradice la descripción habitual del proyecto como una ‘tabula rasa’, que supuestamente se habría formulado sobre la base de una negación completa de su contexto. Por el contrario, las circunstancias cambiantes del proyecto obligaron una necesaria reinterpretación de la relación entre sus frag mentos ejecutados, con el fin de mantener la identidad original del conjunto en un contexto en constante cambio. Esta situación implicó una continua transformación del proyecto por medio de una permanente re-composición de sus elementos: según se incrementaba el número de edificios construidos en las etapas sucesivas de desarrollo del conjunto, variaba su relación con el contexto específico en que se emplazaban, en un proceso muy particular que estas líneas tratan de perfilar. Al necesitar décadas para ser levantado, ninguno de sus autores vería el conjunto terminado según lo planificado, en parte debido a las dificultades para la adquisición de la extensión de suelo que demandaba. Asumiendo que el estudio de este proceso es capaz de proporcionar una valiosa puerta de entrada para elucidar el discurso urbano asumido por los Mies, el objetivo de estas líneas es analizar los problemas a los que el proyecto del campus del iit tuvo que enfrentarse. Como punto de partida, se ha supuesto una relación entre la práctica y la teoría en la actividad de los autores implicados en el proyecto del campus del iit. Lejos de interrumpirse durante la Segunda Guerra Mundial, existen evidencias históricas sólidas para deducir que ambas vertientes se desarrollaron en paralelo. En consecuencia, se ha contextualizado la secuencia histórica de los testimonios conservados, así como su transformación durante el periodo en que Mies estuvo a cargo del Plan General del campus. Significativamente, al ser contempladas bajo esta perspectiva, algunas ideas ya expresadas durante su práctica europea anterior resultan aún presentes durante la redacción del proyecto. En concreto, se puede trazar un paralelismo entre la comprensión particular de Mies de ciertos conceptos arquitectónicos —como los de ‘orden’ y ‘estructura’— y las teorías sobre el urbanismo de sus colaboradores, hecho que posiblemente facilitó el exitoso desarrollo del proyecto. El estudio de la manera en que estas ideas fueron reelaboradas y modificadas en el contexto urbano estadounidense, sumado al proceso específico de su aplicación en el proyecto del campus del iit, arroja una nueva luz para una interpretación crítica tanto de las razones que lo hicieron posible, como del papel real que los colaboradores de Mies tuvieron en su desarrollo y ejecución final.