Detecção síncrona de sinais de sensores interdigitais para medição de impedância em rios

Abstract

Resumo: Nos últimos anos a, preocupação com a qualidade das águas vem se intensificando a níveis mundiais. O monitoramento dos rios é de suma importância para o planejamento e as ações de despoluição. Porém, os processos mais usuais são lentos e caros. O desenvolvimento de sensores de baixo custo, duráveis e de maior sensibilidade para o monitoramento on-line da qualidade da água vem atraindo atenção. Uma técnica que vem sendo explorada é a medição de condutividade e impedância da água através de sensores eletrônicos. Uma frente promissora é o desenvolvimento de sistemas utilizando sensores capacitivos interdigitais (Inter Digital Capacitor (IDC)), nos quais um dos principais focos encontra-se na utilização das características de capacitância e impedância do mesmo para tentar determinar a condutividade e outras características do meio em que estão inseridos. Porém, tais sensores produzem sinais de baixa amplitude imersos em ruídos de fundo. Uma maneira de medir a amplitude e fase desses sinais ruidosos é a utilização de detecção sensível à fase (Phase Sensitive Detection (PSD)). O presente experimento visa criar uma metodologia comparativa para as técnicas de instrumentação digitais baseados em PSD utilizando simulações matemáticas e experimentos com um hardware desenvolvido especificamente para tal fim. Tais comparações foram feitas utilizando como parâmetro o Erro Quadrático Médio (Root Mean Square Error (RMSE)) para determinar a técnica de melhor desempenho considerando um sinal exposto a um ruído aleatório de fundo. Desta maneira, os ensaios propostos demonstraram que técnicas de menor complexidade computacional tal qual Lock-in Digital utilizando médias aritméticas simples como Filtro Passa Baixas (Low Pass Filter (LPF)) e/ou Transformada Discreta de Fourier (Discrete Fourier Transformer (DFT)), podendo ser substituída pelo algoritmo de Goertzel, apresentaram menor RMSE em relação às técnicas baseadas em Lock-in de Nyquist e Lock-in Digital com filtro Butterworth e filtro de Média Móvel Exponencial Ponderada (Exponentially Weigthed Moving Average (EWMA)). Portanto, a pesquisa em questão apresenta tais resultados adquiridos por simulações seguidos de comprovações via hardware, a fim de apontar ao leitor um possível caminho para a escolha de ummétodo de instrumentação baseado em PSD mais aderente ao seu projeto

Abstract: In the last years the worry with waters quality has been intensifying. The river monitoring is very important for planning and depollution actions. But, the current process is slow and expensive. The developing of cheaper sensors, durable and sensitive for on-line water quality monitoring has been attracting attentions. A technique that has been explored is the water conductivity measurement by electronics sensors. A promising front is the developing of interdigital capacitive sensor (IDC), where the main focus is the using of capacitance and impedance characteristics of the sensor to try to determine the environment conductivity. But, these sensors generate low amplitude signals with background noise. A method of measuring amplitude and phase of noisy signals is the Phase Sensitive Detect (PSD). The goals of this experience are to create a comparative method for analyzing the instrumentation techniques based on PSD, using mathematic simulations and experiments with a hardware developed specially for this objective. For comparing these techniques, the parameter considered determining which the technique with better performance when submitted to noisy environment was the Root Mean Square Error (RMSE). Therefore, the proposed experiments proved that less computational complexity techniques, e.g. Lock-in with arithmetic average as low pass filter, Discrete Fourier Transformer and Goertzel algorithm, had smaller RMSE compared with others techniques. This research present these results acquired by software simulation and hardware tests, to try to indicate to reader a possible way to choose the method based on PSD with better fit on his project