Medição de Impedâncias usando Conversores Analógico Digitais e Algoritmos de Processamentob de Sinal

Abstract

"Sem resumo feito pelo autor": A medida assume uma importância cada vez maior nas ciências e nas tecnologias modernas ao ponto de constituir uma disciplina à parte: a metrologia. Os progressos realizados na medida levam a um melhor conhecimento dos fenómenos fisicos. Em contrapartida estes exigem uma cada vez maior extensão da medida acompanhada por uma maior precisão e exactidão dos sensores e instrumentos que a servem. Nestes contextos, as medidas de impedâncias têm desempenhado um papel preponderante em domínios tão transversais como a electrotecnia, a fisica, a química, a mecânica ou a medicina [1]. Seja no laboratório ou no meio industrial, a transdução das várias grandezas fisicas como a temperatura, força, pressão, nível, caudal ou até uma concentração química, etc., é muitas vezes traduzida na variação de impedância. A noção de impedância foi pela primeira vez introduzida por Oliver Heaviside em 1886 como generalização da Lei de Ohm. A impedância eléctrica mede a oposição à passagem de uma corrente num circuito eléctrico. As medidas de impedâncias são tradicionalmente efectuadas utilizando pontes equilibradas por impedâncias padrão, por medidores de factores de qualidade ou ainda por medidores vectoriais analógicos de impedâncias [2-7]. Os medidores de impedâncias são usados para testar componentes electrónicos, circuitos e materiais. Existem vários métodos de medida de impedâncias, cada uma com uma gama de frequência específica onde produz melhores resultados. Os métodos tradicionais incluem pontes não compensadas, pontes auto compensadas, ressonância, I-V, RF 1-V, análise de redes [8]. A evolução das tecnologias dos semicondutores, circuitos integrados, microprocessadores e conversores analógico digitais introduziu uma melhoria tanto em termos de uma maior exactidão e precisão dos resultados experimentais, como uma redução significativa do tempo de medida. Os métodos usados pelos sistemas comerciais de medida de impedâncias dependem da gama de frequência em que funcionam os dispositivos. Para a gama de frequências de 10 Hz a 100 kHz, os métodos mais usuais são as pontes simples, 1-V e as pontes auto compensadas. Consoante o valor do módulo da impedância, diferentes tipos de ligação estão disponíveis para obter os melhores resultados, entre eles estão as ligações de dois, três, quatro e cinco terminais e pares de quatro terminais. Estes são usados para reduzir os efeitos do ruído e os efeitos do comprimento dos cabos de ligação. Os dispositivos comerciais incluem habitualmente complexos procedimentos de calibração para assegurar a correcta operacionalidade do instrumento e manter a sua precisão. A necessidade de um procedimento complexo deriva da estrutura da interface electrónica do instrumento. Estes módulos são dependentes da frequência e exigem frequentes calibrações para corrigir os erros que advêm desta dependência e os erros de desvio e de ganho. Os sistemas de medida de impedâncias disponíveis no mercado são ou de custo reduzido, mas de alcance muito limitado em termos de frequências, ou dispendiosos e precisos. A Agilent Technologies é uma das empresas de ponta para sistemas dispendiosos. O seu sistema mais simples, com alcance no domínio da frequência entre 40 Hz e 110 MHz, usa uma ponte auto compensada com um erro relativo de 0,08 % [9]. No entanto, o seu preço que ronda os 30 000€ coloca este sistema muito acima das capacidades orçamentais de muitas empresas e institutos de investigação. Sistemas mais baratos são menos precisos e a gama de frequências onde operam é extremamente curta (dispondo por vezes de menos de dez valores fixos de frequência à escolha do utilizador).