Development of a system for measuring the impedance spectrum in fluids

The need to monitor the behavior of substances is fundamental in several areas of the industry, such as the analysis of reactions in chemical reactors or the investigation of flows with multiple components, such as in the oil and gas extraction. Impedance spectroscopy, where the electrical impedance of a substance is analyzed at different frequencies, is a candidate technique and its use is spread mainly in laboratories focused on research in the area of analytical chemistry. However, this technique is still only limitedly applied for monitoring industrial processes. Hence, this work aims at the development of a simple and low-cost system based on impedance spectroscopy with possible applications in industrial activities. Initially several techniques for obtaining the impedance spectrum were reviewed. For the implementation, we opted for the use of the chirp multifrequency signal in the range of 1 Hz to 495 kHz for excitation and the transimpedance amplifier circuit for receiving the signals of substances. In addition, two sensor variations were used for a more comprehensive investigation of the system operation. The developed system consists of data reception software on the computer, connected directly to a microcontrolled sensing electronics, in charge of the generation and sampling of the signals from the sensor. To validate the system, measurements were made with reference impedance (resistors and capacitors) as well as the system was applied to measure various known substances, such as air, water, silicon oil and isopropanol. In comparison with theoretical values, the results of the system proved to be appropriate for the identification of different substances by measuring the frequency response of the impedance. As an example of application, the system was applied to monitor the ice formation process, where was possible to verified the transition from liquid to ice water. In this way, the system can be applied in future work to monitor other processes.A necessidade de monitoramento do comportamento de substâncias é fundamental em diversas áreas de da indústria atual, como por exemplo, a análise de produções provenientes de reações químicas ou a investigação de escoamentos com múltiplos componentes, como é o caso do sistema de extração de petróleo. A espectroscopia de impedância, onde a impedância elétrica de uma substancia é analisada em diversas frequências, é uma técnica candidata e tem seu uso difundido principalmente em laboratórios voltados para pesquisas na área de química analítica. No entanto, ainda é uma técnica pouco aplicada para monitoração em processos industriais. Este trabalho objetiva o desenvolvimento de um sistema simples e de baixo custo de espectroscopia de impedância contendo uma possível forma de aplicação em atividades industriais. Inicialmente foram revisadas diversas técnicas para obtenção do espectro de impedância. Para a implementação, optou-se pela utilização do sinal de multifrequência chirp para excitação na faixa de 1 Hz a 495 kHz e do circuito amplificador de transimpedância para recepção dos sinais de respostas. Além disso, foram utilizadas duas variações de sensores para uma investigação mais abrangente do funcionamento do sistema. O sistema desenvolvido é composto por um software de recepção de dados no computador, conectado diretamente a um sistema de medição microcontrolado, encarregado pela geração amostragem dos sinais do sensor. Para validação do sistema, realizaram-se medidas com resistores e capacitores de referência assim como o sistema foi testado com diversas substâncias conhecidas, tais como ar, água deionizada, óleo de silicone, isopropanol e etilenoglicol. Em comparação com valores teóricos, os resultados do sistema se mostraram apropriados para que seja possível identificar diferentes substâncias, por meio da medição da resposta em frequência da impedância das mesmas. Como exemplo de aplicação, o sistema foi utilizado para monitoração do processo de formação de gelo, onde pode-se constatar a transição de água líquida para gelo. Desta forma, o sistema pode ser aplicado em trabalhos futuros para monitoração outros processos