Desenvolvimento e implementação de hardware para aplicações em tomografia capacitiva elétrica

Abstract

A tomografia Capacitiva Elétrica (ECT–Electrical Capacitance Tomography) é uma técnica atualmente muito utilizada, na qual se analisa a distribuição de permissividade relativa que está associada à distribuição geométrica do material (meio) observado. Explorada desde os anos 80 em processos industriais, a ECT se destaca por ser uma tecnologia não intrusiva e não invasiva, ser de baixo custo, além de apresentar robustez e ser de fácil implementação. Um sistema de tomografia capacitiva elétrica é constituído por três componentes básicos: o sensor, o hardware de aquisição de dados e o computador para a geração da imagem. Quanto ao hardware, existem dois tipos de circuitos de medição de capacitância que são os mais indicados para o uso em ECT: o circuito de carga e descarga e o circuito baseado em corrente alternada. A técnica de ECT é baseada na medição dos valores de capacitância mútua obtidos a partir de um sensor com multieletrodos que circunda a região de interesse. Neste presente trabalho, utilizou-se o circuito baseado em corrente alternada e teve como objetivo desenvolver um hardware que fosse capaz de medir a capacitância dos eletrodos. Para tanto, foram utilizados os programas de simulação MATLAB e PROTEUS para avaliar os circuitos desenvolvidos em relação a capacitância de medição, bem como a placa EVAL-AD7746EBZ para aquisição dos valores das capacitâncias nas medições reais. Além disso, foram projetadas duas placas de circuito impresso: a placa de medição e a placa de interfaceamento. Por fim, comparou-se o conjunto de resultados obtidos utilizando as placas desenvolvidas e a placa AD7746EBZ e observou-se um erro máximo de 15% nas medições, uma linearidade aceitável ao projeto e uma relação sinal ruído sustentável para atestar a validade do sistema tomográfico desenvolvido.

Electrical Capacitive Tomography (ECT) is a widely used technique, which analyzes the relative permittivity distribution associated with the phase distribution in a multiphase flow. Exploited since the 1980s in industrial processes, ECT stands out for being a non-intrusive and non-invasive technology, low cost, robust and easy to implement. An electrical capacitive tomography system consists of three basic components: the sensor, the data acquisition hardware, and the computer for imaging. As for hardware, there are two types of capacitance measuring circuits that are best suited for use in ECT the charging and discharging circuit and the alternating current based circuit. The ECT technique is based on the measurement of mutual capacitance values obtained from a multi-electrode sensor that surrounds the region of interest. The present work used the current-based and alternating circuit and aimed to develop a hardware capable of measuring the capacitance of the electrodes. For this purpose, the MATLAB and PROTEUS simulation programs were used to evaluate the circuits developed in relation to the measuring capacitance, as well as the EVAL-AD7746EBZ board for the acquisition of capacitance values in real measurements. In addition two designs of printed circuit boards were built, one of them referred to as the main board, consisting of two fundamental parts, the switching circuit and the measuring circuit, where the input signal goes through amplification, rectification and filter. The other concerns the motherboard, where all main boards were coupled, besides being responsible for feeding control and power signals to all main boards of the system. Finally, with the developed boards, the capacitance results of the developed hardware were compared with the actual capacitance measurements on the AD7746EBZ board and there was a maximum error of 15% in the measurements, an acceptable design linearity and a sustainable signal to noise ratio. to attest to the validity of the developed tomographic system.