Implementacin de un Sistema de Espectroscopa de Impedancia Elctrica en el rango de 1 kHz a 10 MHz

rea Tcnica: InstrumentacinE.E. Antuna-Rodrguez, Y. Salazar

Departamento de Ingeniera Elctrica-Electrnica, Instituto Tecnolgico de Durango Blvd. Felipe Pescador 1830 Ote. , C.P. 34080, Tel: 817-23-03, Fax: 818-48-13Email de contacto: esau_dgo89@hotmail.com, ysalazar@itdurango.edu.mx

I.-INTRODUCCINLa Espectroscopa de Impedancia Elctrica (EIS) es una tcnica que consiste en medir la impedancia elctrica de un material biolgico a varias frecuencias [1]. Se utiliza para conocer el comportamiento de dicho material bajo ciertas condiciones [2], por lo que interviene en mdicas y aplicaciones industriales tales como, el control de procesos de fermentacin (a partir de la medida de la impedancia de la suspensin de levadura) y en la caracterizacin de tejidos respectivamente [3].

Dependiendo de la aplicacin, un sistema de medida de EIS ajusta sus condiciones de trabajo de acuerdo a las caractersticas de los materiales biolgicos. Sin embargo, su diseo se ha orientado a la adaptacin de equipos comerciales tales como analizadores de impedancias y por lo tanto su funcionalidad depende en gran medida de la frecuencia de trabajo de estos equipos.

ste parmetro permite clasificar distintos mtodos de medida de impedancia elctrica [4], siendo la medicin de V-I el ms utilizado en EIS. Con ste mtodo se logra la caracterizacin de los materiales biolgicos, pues en el margen frecuencial de los kHz hasta los 20 MHz se localiza la dispersin y por lo tanto se obtiene la mayor informacin relacionada con dichos materiales [5].

Se han diseado sistemas de medida EIS, sin embargo se tiene la desventaja que su rango frecuencial de trabajo no abarca un estudio completo de la dispersin de los materiales biolgicos bajo estudio. Por lo tanto, el objetivo general del proyecto es disear un sistema de medida de Espectroscopia de Impedancia Elctrica en un rango de frecuencia de 1 kHz a 10 MHz.

El inters de este proyecto radica en no depender de equipos comerciales de medida de impedancias y poder ajustar el rango de frecuencias a la aplicacin de medida de impedancias que se vaya a realizar.

Por lo que el objetivo principal de este proyecto es disear un sistema de EIS en un rango de frecuencia desde 1 kHz hasta 10 MHz. El cual pueda desempear la misma tarea que realiza el analizador de impedancias elctrica comercial y lo ms importante tener un equipo porttil de bajo costo y que sea configurable a la aplicacin medica o industrial en la que se puede utilizar.

Cabe mencionar, que gracias a las investigaciones realizadas en el campo de la EIS por parte de otros grupos de investigacin, este proyecto ha considerado aspectos tericos y prcticos fundamentales para su implementacin.

II.-METODOLOGAEl sistema de medida propuesto consta de un generador de seales, una etapa frontal, un detector de magnitud-fase (DMF), un microcontrolador y una PC. El diagrama a bloques del sistema se muestra en la figura 1.

I. Generador de Seales Programable

Se utiliz el DDS AD5930 de Analog Devices y se configur para producir seales senoidales (Vs) cuya frecuencia fue pre-programada en el rango de 1 kHz a 10 MHz. Para ello se definieron 3 modos de trabajo, los cuales se mencionan a continuacin:

1.- Barrido Predeterminado: Se genera un barrido continuo de 33 frecuencias previamente seleccionadas y equiespaciadas logartmicamente (tabla 1) para cubrir el rango de 1 kHz a 10 MHz.

Tabla 1. Frecuencias incluidas en el Barrido Predeterminado.OrdenFrecuencia (kHz)OrdenFrecuencia (kHz)

1118133.352

21.33319177.827

31.77820237.137

42.37121316.227

53.16222421.696

64.21723562.341

75.62324749.894

87.498251000

910261333

1013.335271778

1117.782282371

1223.713293162

1331.622304216

1442.169315623

1556.234327498

1674.9893310000

17100

2.- Barrido de Frecuencias de Base 10: Con estemodo de trabajo se genera un barrido continuo de las frecuencias de 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz, 1MHz y 10 MHz.

3.- Frecuencias Unitarias: Las nicas frecuencias que se generan son de: 1 kHz, 10 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 300 KHz, 1 MHz, 10 MHz.

Como el AD5930 es de encapsulado TSSOP (del ingls, Thin Shrink Small Outline), se fabric un adaptador TSSOP-DIP para que su manejo fuera ms sencillo (Figura 2).

Para la programacin de los registros internos del AD5930, se utiliz el protocolo de comunicacin SPI (del ingls, Serial Peripheral Interface) entre el PIC18F4550 como dispositivo maestro y el propio AD5930 como esclavo.

Figura 1. Esquema general del Sistema de Medida de EIE.

Figura 2. Adaptador TSSOP-DIP para el AD5930.II. Front End

Se implement una etapa frontal diferencial [7], la cual se muestra en la figura 3.

Figura 3. Diagrama a bloques de la etapa frontal implementada [7].

El amplificador de entrada diferencial-diferencial de entrada (AD8138) se configur con una ganancia de +10, para que el conversor de V-I (AD844) produzca una corriente alterna de excitacin de 1 mA (Norma IEC 601-1). Dicha corriente, produce un voltaje a travs del material el cual se obtiene mediante buffers de entrada (OPA2356), pero como este voltaje es diferencial el amplificador AD8130 lo convierte a unipolar (VFE). Cabe mencionar que en este diseo se anexaron etapas de filtrado y de control de la tensin en modo comn. Los encapsulados de los amplificadores empleados son del tipo SOIC (del ingls, Small Outline Integrated Circuit), por lo que se fabricaron sus correspondientes zcalos SOIC-DIP.

III. DMF AD8302

Compara la tensin Vs y VFE produciendo dos voltajes de C.D. proporcionales a sus magnitudes y a sus diferencias de fase (Vmag y Vfase).

IV. Computadora Personal

Se dise una aplicacin en Visual C# 2008 para controlar por el puerto USB al generador y disear el sistema de control para la determinacin de la impedancia elctrica medida.

III.-RESULTADOSPara comprobar el funcionamiento del AD5930, se utiliz el osciloscopio Tektronix TDS 1012B (figura 4). Mediante la utilizacin de la funcin matemtica FFT del osciloscopio, se observ que la componente fundamental se atena 12 dB por encima de 1 MHz.

Figura 4. Implementacin fsica del prototipo.

La figura 5 muestra la corriente de excitacin medida entre los terminales de salida HC y LC (del ingls, High Current y Low Current respectivamente) y resistencias cuyos valores iban desde 10 a 2.2 k. En este margen hmico se realizan las mediciones de impedancia elctrica en los materiales biolgicos.

Figura 5. Corriente inyectada desde HC y LC para diferentes valores de la impedancia de medida.

La figura 5 muestra que el nivel de corriente se mantiene constante para diferentes intervalos de la impedancia elctrica a medir. En aplicaciones de medida de biomasa (10 a 100) el nivel de corriente es de .99 mA, en caracterizacin de tejidos por EIS (50 a 500 ), la fuente de corriente mantiene un valor constante de .97 mA lo que representa un error del 3% respecto del valor estimado de 1 mA.

IV.-CONCLUSIONESLa utilizacin de un DDS abre un nuevo horizonte para la integracin de sistemas de generacin de seales porttiles. De acuerdo, a los resultados presentados con anterioridad, se tiene que la respuesta en frecuencia del AD5930 fue aceptable. Por otra parte, la corriente de excitacin se mantiene constante con respecto de los niveles de impedancia a medir, lo que representa que el Front End cumple con los requisitos de diseo establecidos. BIBLIOGRAFA1. JORDI ELVIRA, JOSEP MARIA TOMS, RAMN- BRAGS. Monitorizacin en lnea de biomasa viable en una instalacin de fermentacin para la produccin de cava. Universitat Politcnica de Catalunya (UPC). Barcelona: NTE, 2004.2. Characterisation of Dynamic Biologic Systems Using Multisine Based Impedance Spectroscopy. R. Brags, R. Blanco-Enrich, O. Casas, J. Rosell. Budapest, Hungary: s.n., 2001. IEEE Instrumentation and Measurement Technoloby Conference.3. Brags Bardia, Ramon. "Contribuci a la caracteritzaci de teixits i sistemas biolgics mitjanant". Barcelona: Universidad Politecnica de Catalunya, 1997.4. Agilent Technologies, Inc. Agilent Impedance Measurement Handbook. A guide to measurement technology and techniques. 4th Edition. 2009. pp. (2-1)- (2-9).5. Bourne, John R. "Critical Reviews in Biomedical Engineering". Nashville, TN: Vanderbilt University, 1996.6. Olgun S., Rafael. "Implementacin de un Sistema de Medida de Impedancia Elctrica para la Monitorizacin del Crecimiento de Microorganismos". Durango: Instituto Tecnolgico de Durango, 2009.7. Caballero, David Andreu. Diseo y realizacin de una etapa frontal para EIE con CMFB. Dpto. Ingeniera Electrnica, Universidad Politcnica de Catalunya. Barcelona: UPC, 2008.