Autoreferat. 2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej

Transkrypt

1 Załącznk 2 Autoreferat 1. Imę nazwsko: Grzegorz Lentka 2. Posadane dyplomy, stopne naukowe z podanem nazwy, mejsca roku ch uzyskana oraz tytułu rozprawy doktorskej Magster nżyner dyplom z wyróżnenem Wydzał Elektronk, Telekomunkacj Informatyk Poltechnk Gdańskej w 1996 roku, temat pracy magsterskej: Evaluaton board for mcrocontroller famly based on SAB80C535. Doktor nauk techncznych w dyscyplne elektronka Wydzał Elektronk, Telekomunkacj Informatyk Poltechnk Gdańskej w 2003 roku, temat rozprawy doktorskej: Metody mkrosystemy pomarowe do dagnostyk grubowarstwowych powłok antykorozyjnych. 3. Informacje o dotychczasowym zatrudnenu w jednostkach naukowych 1 lstopada 1996 r. 30 kwetna 2003 r. pracownk naukowo dydaktyczny na stanowsku asystenta w Katedrze Mernctwa Elektroncznego, Wydzał Elektronk, Telekomunkacj Informatyk, Poltechnka Gdańska. 1 maja 2003 r. obecne pracownk naukowo dydaktyczny na stanowsku adunkta w Katedrze Metrolog Optoelektronk, Wydzał Elektronk, Telekomunkacj Informatyk, Poltechnka Gdańska. 4. Wskazane osągnęca wynkającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dna 14 marca 2003 r. o stopnach naukowych tytule naukowym oraz o stopnach tytule w zakrese sztuk (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.) a) Tytuł osągnęca naukowego: Jednotematyczny cykl publkacj zatytułowany Metody, przyrządy systemy pomarowe do spektroskop mpedancyjnej w zastosowanu do dagnostyk obektów techncznych. b) (autor/autorzy, tytuł/tytuły publkacj, rok wydana, nazwa wydawnctwa): Publkacje w czasopsmach ndeksowanych w baze ISI Journal Ctaton Reports (16): [1]. Hoja J., Lentka G., Zelonko R., 2003, On the use of blnear transformaton for parameter dentfcaton of antcorroson coatngs. Metrology and Measurement Systems. 2003, vol. 10, no 1 pp [2]. Hoja J., Lentka G., 2003, Vrtual nstrument usng blnear transformaton for parameter dentfcaton of hgh mpedance objects. Measurement Scence and Technology, Vol. 14, No 5, pp [3]. Hoja J., Lentka G., 2007, New concept of a measurement probe for hgh mpedance spectrocopy, Metrology and Measurement Systems, Vol. 14, No. 4, pp

2 [4]. Hoja J., Lentka G., 2008, Analzator z potencjostatem do elektrochemcznej spektroskop mpedancyjnej, Przeglad Elektrotechnczny (Electrcal Revew), R. 84., Nr 5, s [5]. Hoja J., Lentka G., 2008, Method usng blnear transformaton for measurement of mpedance parameters of a multelement twotermnal network, IEEE Trans. Instr. & Meas., Vol. 57, No 8, pp [6]. Hoja J., Lentka G., 2008, An analyss of a measurement probe for a hgh mpedance spectroscopy analyzer, Measurement, Vol. 41., No 1, pp [7]. Hoja J., Lentka G., 2009, Analyzer for spectroscopy of lowmpedance objects, Metrology and Measurement Systems, Vol. 15, No 1, pp [8]. Hoja J., Lentka G., 2010, Interface crcut for mpedance sensors usng two specalzed snglechp Mcrosystems, Sensors and Actuators APhyscal, Vol. 163., No 1, s [9]. Hoja J., Lentka G., 2011, Method usng squarepulse exctaton for hghmpedance spectroscopy of antcorroson coatngs, IEEE Trans. Instr.&Meas, Vol. 60, No 3, [10]. Hoja J., Lentka G., Rolbeck P., 2011, Rozproszony system spektroskop mpedancyjnej, Przeglad Elektrotechnczny (Electrcal Revew), R. 86, Nr 9a, s [11]. Lentka G., Mchalkewcz M., 2011, Mernk elementów RLC na baze układu ''programmable system On a Chp'', Przeglad Elektrotechnczny, R. 86, Nr 9a, s [12]. Hoja J., Lentka G., 2011, System pomarowy spektroskop mpedancyjnej do dagnostyk obektów techncznych, Przeglad Elektrotechnczny, R. 87, Nr 10, s [13]. Ślepsk P., Darowck K., Jancka E., Lentka G., 2012, A complete mpedance analyss of electrochemcal cells used as energy sources, J. Sold State Electrochem., Vol. 16, No 11, pp [14]. Hoja J., Lentka G., 2013, A famly of new generaton mnaturzed mpedance analyzers for techncal object dagnostcs, Metr.&Meas. Syst., Vol. 20, No. 1, pp [15]. Kowalewsk M., Lentka G., 2013, Fast HghImpedance Spectroscopy Method Usng SINC Sgnal Exctaton, Metrology & Measurement Systems, Vol. 20., No. 4, pp [16]. Lentka G., 2014, Usng Partcular Samplng Method for Impedance Measurement, przyjęta do Metrology and Measurement Systems. Publkacje w czasopsmach recenzowanych (9): [17]. Hoja J., Lentka G., 2003, Mcrosystem for measurement of mpedance sensors parameters. Proc. SPIE The Internatonal Socety for Optcal Engneerng Optoelectronc and Electronc Sensor, USA, Vol. 5124, pp [18]. Hoja J., Lentka G., 2004, Zastosowane sondy wejścowej w komputerowym systeme pomarowym do spektroskop wysokompedancyjnej. Pomary Automatyka Robotyka, nr 7/8, s [19]. Hoja J., Lentka G., 2005, Analzator do spektroskop wysokompedancyjnej powłok antykorozyjnych. Zesz. Nauk. Wydz. ETI Pol. Gdańskej Techn. Inf. T. 8, nr 3, s [20]. Hoja J., Lentka G., 2006, Analzator do elektrochemcznej spektroskop mpedancyjnej. Zesz. Nauk. Wydz. ETI Pol. Gdańskej Techn. Inf., T. 9, nr 4, s [21]. Hoja J., Lentka G., 2006, Analzator do spektroskop wysokompedancyjnej wykorzystujący DFT w detekcj fazoczułej. Pomary Automatyka Kontrola, nr 6, s

3 [22]. Hoja J., Lentka G., 2007, Ogranczena wrtualnego mernka mpedancj opartego na karce akwzycj danych, Pomary Automatyka Kontrola, Vol. 53, Nr 9 bs, s [23]. Hoja J., Lentka G., 2008, Analzator do spektroskop wysokompedancyjnej z wykorzystanem CPS, Pomary Automatyka Kontrola, Vol. 54., Nr 3, s [24]. Hoja J., Lentka G., 2010, System do bezprzewodowego montorowana jakośc powłok antykorozyjnych obektów trudnodostępnych, Pomary Automatyka Kontrola, Vol. 56, Nr 9, s [25]. Hoja J., Lentka G., 2012, Przenośny analzator mpedancj z detektorem fazoczułym, Pomary Automatyka Kontrola, Vol. 58., Nr 9, s Publkacje w wydawnctwach zborowych recenzowanych (17): [26]. Lentka G.: Pomary mpedancj w warunkach ekstremalnych. XIII Krajowa Konferencja Naukowa Bocybernetyka Inżynera Bomedyczna. Gdańsk, 1013 wrześna t. 2 Bopomary s [27]. Lentka G., Nedostatkewcz M., 2004, The Goertzel flterbank usage n the nonstatonary mpedance measurement.. Proc. 13th Int. Symp. on Meas. for Research and Industry Applcatons IMEKO TC4. Athens 2004, Vol. 1, pp [28]. Lentka G., Hoja J., 2004, The nfluence of samplng parameters on accuracy of capactance measurement n the method based on DSP, Proc. 13th Int. Symp. on Meas. for Research and Industry Applcatons IMEKO TC4. Athens 2004, Vol. 1, pp [29]. Hoja J., Lentka G., 2004, Analzator do spektroskop wysokompedancyjnej obektów techncznych modelowanych obwodam elektrycznym. Kongres Metrolog KM Wrocław, t. 2, s [30]. Hoja J., Lentka G., 2004, The hgh mpedance measurng probe for ganphase analysers. Proc. XII Int. Conf. on Electrcal Bompedance & V Electrcal Impedance Tomography. Gdańsk 2004, Vol. 2, pp [31]. Hoja J., Lentka G., 2005, The nfluence of parameters of nput probe on the error of hgh mpedance measurement, Proc. 14th IMEKO TC4 Int. Symp. on New Technologes n Measurement and Instrum September 2005, Gdyna/Jurata, Vol. 1, pp [32]. Nedostatkewcz M., Lentka G., 2007, Frequences selecton for accelerated CNLS parameter dentfcaton of antcorroson coatngs, 15th Internatonal IMEKO TC4 Symposum on Noveltes n Electrcal Measurements and Instrumentaton, Ias, Romana, 1822 September, Vol. 1, pp [33]. Lentka G., Hoja J., 2007, Fast mpedance measurement method usng Laplace transformaton, 15th Internatonal IMEKO TC4 Symposum on Noveltes n Electrcal Measurements and Instrumentaton, Ias, Romana, 1822 September, Vol. 1, pp [34]. Hoja J., Lentka G., 2008, Fast mpedance spectroscopy method usng square pulse exctaton, 12th IMEKO TC1&TC7 Jont Symp. on Man Scence & Measurement Annecy, France September 35, 2008, pp [35]. Hoja J., Lentka G., 2008, Electrochemcal mpedance spectroscopy analyzer wth dgtal potentostat, 16th IMEKO TC4 Explorng New Fronters of Instrumentaton and Methods for Electrcal and Electronc Measurements and 13th Workshop on ADC Modellng and Testng, Florence, Italy, September 2224, pp [36]. Nedostatkewcz M., Lentka G.: Test frequences selecton crtera for parameter dentfcaton of antcorroson coatng usng blnear transformaton, 16th IMEKO TC4 3

4 Explorng New Fronters of Instrumentaton and Methods for Electrcal and Electronc Measurements and 13th Workshop on ADC Modellng and Testng, Florence, Italy, September 2224, pp [37]. Hoja J., Lentka G., 2009, Portable analyzer for mpedance spectroscopy, XIX IMEKO World Congress: Fundamental and Appled Metrology, Sept. 611, 2009, Lsbon, Portugal, pp [38]. Lentka G., Kowalewsk M., 2011, Improvement of the fast mpedance spectroscopy method usng square pulse exctaton, Jont Internatonal IMEKO TC1TC7TC13 Symposum, Jena, Germany, August 31stSeptember 2nd, [39]. Kowalewsk M., Lentka G., Hoja J., 2012, Evaluaton of the fast mpedance spectroscopy method n the laboratory measurement system, IEEE Int. Instrumentaton & Measurement Technology Conf. (I2MTC), Graz, Austra, 1316 May 2012, pp [40]. Kowalewsk M., Lentka G., 2012, Remote Montorng System for Impedance Spectroscopy usng Wreless Sensor Network, XX IMEKO World Congress Metrology for Green Growth, Busan, Republc of Korea, September 9 14, 2012, pp.14. [41]. Hoja J., Kowalewsk M., Lentka G., 2013, Unversal Laboratory Measurement System for Evaluaton of the Impedance Spectroscopy Method Based on Multharmonc Exctaton Sgnal, 19th IMEKO TC 4 Symp. and 17th IWADC Workshop Advances n Instrumentaton and Sensors Interoperablty, 1819 June 2013, Barcelona, Span. [42]. Hoja J., Lentka G., 2013, Mnaturzed mpedance analyzer usng AD5933, Int. Workshop on Impedance Spectroscopy, 2527 Sept. 2013, Chemntz, Germany, pp Monografe rozdzały w monografach (1): [43]. Hoja J., Lentka G., 2011, Szybke metody spektroskop mpedancyjnej, Rozdzał w monograf: Problemy metrolog elektroncznej fotoncznej, Nr 4, red. Janusz Mroczka, Wrocław: Ofcyna Wydawncza Poltechnk Wrocławkej, s Patenty (2): [44]. Patent PL : Sposób układ do montorowana powłok antykorozyjnych. Poltechnka Gdańska, Wynalazcy: J. Hoja, G. Lentka, Decyzja UP RP z [45]. Patent PL : Sposób układ do spektroskop mpedancyjnej powłok antykorozyjnych, Poltechnka Gdańska, Wynalazcy: J. Hoja, G. Lentka. Decyzja UP RP z Publkacja dostępna onlne w baze pełnotekstowej: (1) IMEKO Proceedngs ( (2) IEEE Xplore Dgtal Lbrary (eeexplore.eee.org) (3) IOPscence (opscence.op.org) (4) Deutshe Natonal Bblotek (portal.dnb.de) 4

5 c) Omówene celu naukowego ww. prac osągnętych wynków wraz z omówenem ch ewentualnego wykorzystana I. Wstęp Głównym celem naukowym prac badawczych, realzowanych po uzyskanu stopna naukowego doktora nauk techncznych było rozwjane opracowane nowych metod, przyrządów systemów pomarowych do spektroskop mpedancyjnej. Metody pomarowe opracowano na potrzeby dagnostyk różnorodnych obektów techncznych (powłok antykorozyjne, ognwa elektrochemczne palwowe, czujnk gazów) bologcznych. Metody te weryfkowano optymalzowano w laboratoryjnych systemach pomarowych, a następne mplementowano w przyrządach pomarowych, które wdrożono do produkcj seryjnej. Opracowano równeż przyrządy pomarowe (analzatory mpedancj) umożlwające sterowane telemetryczne łączene w systemy pomarowe, równeż rozproszone terytoralne. Przedstawony do oceny cykl prac obejmuje 45 wybranych publkacj, w tym 16 w czasopsmach ndeksowanych w baze JCR oraz 2 patenty, przy czym 2 z nch to prace ndywdualne autora. W prezentowanej pracy naukowej można wyróżnć klka zasadnczych, spójnych ze sobą, tematów prowadzonych badań: 1. Metody pomarowe spektroskop mpedancyjnej (omówone w pkt. III), 2. Laboratoryjne systemy pomarowe mpedancj (omówone w pkt. IV), 3. Opracowana analzatorów mpedancj (omówone w pkt. V), 4. Systemy pomarowe mpedancj (omówone w pkt. VI). Perwszy zwązany jest ogólne z poszukwanem, opracowanem doskonalenem nowych lub modyfkowanych metod pomaru mpedancj oraz dentyfkacj parametrycznej badanych obektów, pod kątem ch wykorzystana w spektroskop mpedancyjnej obektów techncznych. Istotnym elementem tego nurtu jest optymalzacja metod pod kątem skrócena czasu pomaru, a w efekce przyspeszena spektroskop mpedancyjnej, publkacje [1, 2, 5, 9, 13, 15, 16, 27, 28, 3234, 36, 38, 39, 41, 4345]. Drug temat, wynkający bezpośredno z perwszego, zwązany jest z mplementacją opracowywanych metod w laboratoryjnych systemach pomarowych opracowywanych na potrzeby testowana optymalzacj metod pomarowych oraz ch weryfkacj laboratoryjnej we wspomnanych systemach pomarowych, publkacje [2, 5, 9, 12, 15, 22, 38, 39, 41]. W trzecm temace badawczym skupono sę na opracowanu przyrządów pomarowych (analzatorów mpedancj lub ch bloków) dedykowanych spektroskop mpedancyjnej obektów techncznych bezpośredno w terene oraz mplementacj metod pomarowych optymalzowanych pod kątem mnmalzacj wymagań mplementacyjnych (np. wymagana pamęć /lub moc oblczenowa). Wększość opracowanych przyrządów została wdrożona do produkcj lub są w stane nadającym sę do wdrożena (w trakce utechnologcznena), publkacje [24, 68, 11, 12, 14, 16, 1721, 2325, 2931, 35, 37, 42]. Czwarty temat prac badawczych dotyczy zagadneń dostosowana przyrządów do pracy w systemach pomarowych, dedykowanych pomarom na obektach rozległych terytoralne lub o welu obektach wymagających jednoczesnych pomarów mpedancj (np. matryca mpedancyjnych czujnków gazowych), publkacje [10, 14, 24, 26, 40]. 5

6 II. Spektroskopa mpedancyjna Spektroskopa mpedancyjna jest narzędzem badawczym, szeroko stosowanym w nauce, technce bomedycyne do badań stanu, oceny jakośc dagnozowana różnorodnych obektów techncznych bologcznych oraz materałów. Jest stosowana m.n.: w fzykochem do montorowana dagnozowana zabezpeczeń przecwkorozyjnych; w badanach procesów membranowych, ognw elektrochemcznych palwowych, czujnków; w budownctwe do badań struktury betonu kontrol stanu zbrojeń zabezpeczeń konstrukcj żelbetowych; w materałoznawstwe do badań materałów delektrycznych; w geolog do rozpoznawana struktur geologcznych, stopna przesąkana wałów przecwpowodzowych oraz w medycyne do badań schorzeń skóry nnych organów, tomograf elektrompedancyjnej, badań chropowatośc powerzchn mplantów. Idea spektroskop mpedancyjnej polega na pomarze mpedancj obektu w pewnym zakrese częstotlwośc, a następne analze uzyskanej charakterystyk częstotlwoścowej mpedancj, dlatego w metodyce badań wyróżnć można 2 etapy: pomarowy analtyczny. W perwszym etape wykonuje sę wektorowe pomary mpedancj Z, w szerokm zakrese częstotlwośc, wyznaczając składową rzeczywstą Re(Z) urojoną Im(Z), bądź moduł Z argument arg(z) mpedancj. Wynk pomarów mpedancj przedstawa sę w zależnośc od potrzeb w różnych układach współrzędnych. Najczęścej stosowane są: układ Nyqusta przedstawający na płaszczyźne zespolonej zależność częśc urojonej Im(Z(ω)) od częśc rzeczywstej Re(Z(ω)) mpedancj, gdze parametrem jest pulsacja ω; układ Bode go przedstawający moduł Z argument arg(z) mpedancj w funkcj częstotlwośc f. Zbór punktów opsujących mpedancję dla różnych częstotlwośc (pulsacj) sygnału pomarowego, w określonym układze współrzędnych tworzy wdmo mpedancyjne, którego przebeg charakteryzuje strukturę parametry badanego obektu. W drugm etape analtycznym, na podstawe wdma mpedancyjnego można dokonać dentyfkacj parametrów modelu obektu np. w postac weloelementowego dwójnka. Najczęścej wykorzystywanym narzędzem dopasowana parametrów modelu do uzyskwanych danych emprycznych (zmerzonego wdma mpedancyjnego) jest teracyjna metoda Complex Nonlnear Least Square (CNLS). Spektroskopa mpedancyjna jest stosowana od welu lat [26], jednak charakteryzuje sę pewnym nedogodnoścam utrudnającym jej stosowane w praktyce. Problemy te zostaną przedstawone na przykładze dagnostyk powłok antykorozyjnych przeprowadzanej w laboratorach na próbkach testowych, a także na obektach w terene. Korozja obektów techncznych (mostów, rurocągów, tp.) jest zjawskem nszczącym, dlatego stneje potrzeba skutecznej ochrony antykorozyjnej. Wśród welu metod zabezpeczena przed korozją, jedną z powszechne stosowanych są powłok ochronne. Ze względów bezpeczeństwa, a także ekonomcznych (korozja powoduje duże straty gospodarcze), koneczne jest określene stanu powłok antykorozyjnych w celu wyznaczena momentu ch renowacj. Wymusza to potrzebę dagnozowana stanu powłok antykorozyjnych bezpośredno na chrononym obekce, zazwyczaj w terene. Istneje wele metod oceny stanu powłok antykorozyjnych, jednakże spektroskopa mpedancyjna oferuje możlwośc nedostępne dla nnych metod, mędzy nnym całkowtą beznwazyjność, możlwość montorowana stanu powłok w całym okrese jej życa, a także obserwacj powstana rozwoju korozj podpowłokowej. 6

7 Rysunek 1 a przedstawa zdjęce typowych celek do pomaru mpedancj powłok antykorozyjnej, a rys. 1 b przekrój powłok celk pomarowej. Kedy powłoka jest nowa jej dzałane ochronne opera sę na mechanzmach barerowych oraz ne ma penetracj powłok przez elektrolt, w układze zastępczym występują jedyne dwa elementy modelujące właścwośc materału powłok: pojemność C c (rzędu klkudzęsęcu klkuset pf) rezystancja R p (klku klkuset GΩ). Po pewnym czase powłoka trac właścwośc barerowe, następuje penetracja powłok przez elektrolt, ale wcąż zachowuje własnośc adhezyjne ne występuje korozja podpowłokowa. W tym etape uwdaczna sę wpływ rezystancj elektroltu w porach na rezystancję R p, której wartość maleje tym bardzej, m bardzej elektrolt penetruje powłokę. Dodatkowo, penetracja elektroltu w powłokę, powoduje wzrost stałej delektrycznej, a tym samym wzrost wartośc pojemnośc C c. W kolejnym etape następuje przerwane cągłośc powłok pojawa sę korozja podpowłokowa, co na schemace zastępczym jest obrazowane przez nowe elementy: pojemność warstwy podwójnej C dl rezystancję przenesena ładunku R ct. Elektrolt Powłoka R p Korozja R ct podpowłokowa Cdl C c Pokrywany metal Elektroda 1 (AgAgCl) Pokrywka polamdowa Perśceń polamdowy Uszczelk slkonowe Elektrolt (3% NaCl) Elektroda 2 a) b) Powłoka Zabezpeczana konstrukcja stalowa Rys. 1. Dagnostyka powłok antykorozyjnych metodą spektroskop mpedancyjnej a) zdjęce celek do pomaru mpedancj powłok antykorozyjnej na słupe wysokego napęca, b) przekrój powłok antykorozyjnej celk pomarowej Reasumując, znajomość parametrów układu zastępczego powłok pozwala ocenć jakość powłok antykorozyjnej wykryć początek powstawana korozj podpowłokowej. Jest to bardzo ważny moment w dagnostyce powłok, gdyż natychmastowa renowacja pokryca może zapobec rozwojow korozj. Na rysunku 2 przedstawono układ zastępczy powłok antykorozyjnej na etape penetracj powłok przez elektrolt pojawena sę korozj podpowłokowej oraz jego wdmo mpedancyjne w różnych układach. Trudność dentyfkacj układu zastępczego powłok tkw w tym, że elementy RC są bardzo zróżncowane co do wartośc, a elementy o wartoścach małych dużych bocznkują sę wzajemne. Stąd, dla poprawnej dentyfkacj parametrycznej powłok, koneczne jest przeprowadzene pomarów dla welu częstotlwośc. Borąc pod uwagę charakter dagnozowanego obektu (bardzo dużą rezystancję, rzędu GΩ na rys. 2 b moduł mpedancj osąga wartość 12 GΩ, zbocznkowaną pojemnoścą) koneczne są pomary na częstotlwoścach nskch bardzo nskch (rzędu mhz ponżej), co oznacza stotne wydłużene czasu pomarów. Główne problemy tkwą w etape pomarowym są zwązane z konecznoścą pomaru dużych mpedancj w szerokm zakrese częstotlwośc, jak równeż z przystosowanem do badań obektów w warunkach rzeczywstych w terene. Implkuje to koneczność mnaturyzacj, energooszczędnośc odpornośc układu pomarowego na trudne warunk zewnętrzne przy zachowanu parametrów metrologcznych porównywalnych z laboratoryjnym analzatoram mpedancj. 7

8 Cc Cdl a) Rp Rct 14 G 90 6 G Z [Ohm] 12 G 10 G 8 G 6 G 4 G 2 G Z arg (Z) arg (Z) [deg] Im(Z) [Ohm] 5 G 4 G 3 G 2 G 1 G 20Hz 50Hz 10Hz 2Hz 5Hz 10mHz 2uHz b) 0 0 0,001 0,01 0, k 10 k 100 k 1 M f [Hz] G 4 G 6 G 8 G 10 G 12 G 14 G Re(Z) [Ohm] c) Rys. 2. Powłoka antykorozyjna na etape penetracj powłok przez elektrolt: a) układ zastępczy, b) wdmo mpedancyjne w układze Bodego, c) wdmo mpedancyjne w układze Nyqusta (c), gdze: R p rezystancja elektroltu w porach powłok, C c pojemność powłok, R ct rezystancja przenesena ładunku, C dl pojemność podwójnej warstwy elektrycznej Z wymenonym trudnoścam są zwązane otwarte problemy spektroskop mpedancyjnej ukerunkowanej na dagnostykę obektów techncznych, rozwązanu których pośwęcono omawany cykl publkacj III. Metody spektroskop mpedancyjnej Powszechne do realzacj spektroskop mpedancyjnej stosowane są analzatory mpedancj wykorzystujące technkę pomaru mpedancj polegającą na pobudzenu obektu sygnałem harmoncznym wektorowym pomarze dwóch sygnałów: napęca prądu płynącego przez obekt merzony (rys. 3). Obekt testowany u g Generator sygnału pobudzena x u x Obwód wejścowy u u u Detektor Re,Im Detektor Re,Im Układ sterowana wzualzacj Rys. 3. Schemat blokowy analzatora mpedancj Główną wadą tej technk jest bardzo dług czas pomaru, szczególne przy bardzo małych częstotlwoścach pomarowych (mhz, μhz). Wykorzystane w spektroskop mpedancyjnej nskch częstotlwośc jest koneczne w przypadku dentyfkacj obektów o bardzo dużym module mpedancj Z x 1 GΩ. Taka sytuacja ma mejsce m. n. w badanach grubowarstwowych powłok antykorozyjnych, materałów delektrycznych powoduje, że pomar wdma mpedancyjnego trwa nawet do klku godzn jest możlwy do przeprowadzena tylko w warunkach laboratoryjnych. Potrzeba dagnozowana obektów techncznych w terene nakłada stotne ogranczena czasowe. Innym czynnkem skłanającym do poszukwana możlwośc skrócena czasu pomaru jest zmenność obektu (zwłaszcza fzykochemcznego lub bologcznego), co utrudna (lub unemożlwa) spełnene warunku (quas) stacjonarnośc obektu. Wobec tego, występuje potrzeba opracowana alternatywnych metod pomaru wdma mpedancyjnego: 8

9 dużo szybszych, dedykowanych do zastosowań w tanej zmnaturyzowanej aparaturze pomarowej, nadającej sę do pracy, zarówno w laboratorum, jak w terene, temu zadanu pośwęcony był perwszy temat badawczy. Z tego względu prace mające na celu opracowane metod pozwalających na przyspeszene spektroskop mpedancyjnej prowadzone były w zakrese 3 cel badawczych: 1. przyspeszena procesu dentyfkacj parametrów układu zastępczego obektu badanego, 2. skrócena czasu pomaru mpedancj z pobudzenem obektu sygnałem harmoncznym, 3. zastosowane nowych sygnałów pobudzena obektu w celu skrócena czasu wyznaczena wdma mpedancyjnego. III.1. Przyspeszene procesu dentyfkacj modelu obektu testowanego W ramach perwszego celu poszukwano metod alternatywnych dla klasycznej spektroskop mpedancyjnej, gdze na podstawe otrzymanego wdma mpedancj, znajduje sę parametry układu zastępczego obektu badanego, w postac dwójnka weloelementowego. Najczęścej wykorzystywanym narzędzem dopasowana parametrów układu zastępczego do uzyskanych danych emprycznych jest teracyjna metoda CNLS. Wadą tej metody jest koneczność wykonywana welu pomarów w szerokm zakrese częstotlwośc, co mplkuje dług czas eksperymentu. Dodatkową wadą jest duża złożoność programów komputerowych, realzujących dentyfkację parametryczną, trudnych do mplementacj w przenośnych urządzenach dagnostycznych. Dlatego dla znanych konfguracj układów zastępczych badanych obektów, bazując na metodze opracowanej w ramach pracy doktorskej, opracowano nową, orygnalną metodę [1], która wykorzystuje przekształcene blnowe do przedstawena mpedancj układu zastępczego dwójnka weloelementowego Z(jω), jako funkcj każdego elementu p : A ( jω) p B ( jω) Z( jω, p ) = =1, 2, (1) C ( jω) p D ( jω) gdze: ty element układu zastępczego p = p 1. p n, A, B, C, D współczynnk zespolone spełnające warunek: A,D B C 0, dla każdego elementu. Odwrotne przekształcene blnowe pozwala na wyznaczene wartośc każdego z elementów dwójnka z osobna na podstawe pomarów mpedancj Z dla jednej częstotlwośc f : m m D ( jω ) Z B ( jω ) p = A ( jω ) C ( jω ) Z Częstotlwośc są doberane ndywdualne dla każdego dentyfkowanego elementu, a węc lczba częstotlwośc pomarowych odpowada lczbe merzonych elementów, co pozwala znacząco skrócć czas pomarów. Istotnym elementem tej metody jest tak dobór częstotlwośc pomarowych, aby dla każdej z nch tylko jeden, dentyfkowany element, mał decydujący wpływ na wartość merzonej mpedancj układu zastępczego, przy jednocześne pomjalnym wpływe pozostałych elementów. Pomar mpedancj dla tak dobranej częstotlwośc umożlwa dentyfkację elementu na podstawe odwrotnego przekształcena blnowego (2). Opracowana metoda umożlwa przeprowadzene procedury dentyfkacj w dwóch etapach: wybór optymalnych częstotlwośc pomarowych (etap przedtestowy) właścwa dentyfkacja na podstawe sekwencyjne wykonanych pomarów towarzyszących m oblczeń (wartośc współczynnków A, B, C, D dla optymalne dobranej częstotlwośc wartośc elementów ze wzoru (2)) kolejno dla każdego elementu. m (2) 9

10 Wybór optymalnych częstotlwośc pomarowych jest najważnejszym czynnkem decydującym o dokładnośc dentyfkacj wartośc elementów układu zastępczego obektu badanego. Z tego względu opracowano zasady wyboru optymalnych częstotlwośc pomarowych dla dentyfkacj każdego elementu merzonego dwójnka [1, 5], przedstawone na przykładze 7elementowego układu zastępczego czujnka wlgotnośc (rys. 4) [5]. Rw Rb Rp Rs Cpw Cb Cp Rys. 4. Układ zastępczy czujnka wlgotnośc z tlenku glnu Impedancję dwójnka można przedstawć jako funkcję blnową (1) dla każdego z 7elementów p {C pw, R s, R w, R b, R p, C b, C p }. Na płaszczyźne zespolonej obrazem przekształcena blnowego wybranego elementu (zmenającego wartość w przedzale L określonym wartoścą mnmalną p maksymalną ) jest fragment okręgu (łuk) nazywany krzywą dentyfkacyjną. Na rysunku 5 pokazano wygląd krzywych dentyfkacyjnych dla L H zman każdego parametru w zakrese p p Wartośc nomnalne elementów dobrano dla parametrów czujnka przy wlgotnośc 54% (tab. 1). Tabela 1. Wartośc elementów układu zastępczego czujnka przy zmane wlgotnośc Rh [43] Rh [%] R s [Ω] R w [Ω] R p [Ω] C p [μf] R b [MΩ] C b [μf] C pw [nf] H p a) b) Rys. 5. Wygląd przykładowych krzywych dentyfkacyjnych elementów układu zastępczego czujnka wlgotnośc dla wybranych częstotlwośc: a) 20 khz, b) 0,04 Hz Jak wdać, kształt rozmeszczene krzywych na rys. 5 w stotny sposób zależy od częstotlwośc. Na przykład na rysunku 5a najdłuższe są krzywe dla elementów R w C pw, a na rys. 5 b domnuje element C b. Interesujące jest znalezene takch częstotlwośc pomarowych, dla których wartośc mpedancj byłyby zależne główne od wartośc 10

11 dentyfkowanego elementu, a wpływ pozostałych elementów można by pomnąć, tzn. aby łuk te mały dużo różnące sę długośc (jeden domnujący, pozostałe jak najmnejsze). Taka sytuacja występuje dla przypadku przedstawonego na rys. 5 b, gdze mpedancja dwójnka jest zależna główne od elementu C b. Pomar Z na tak dobranej, optymalnej częstotlwośc f, umożlwa dentyfkację tego elementu na podstawe odwrotnego przekształcena blnowego (2). Wybór optymalnej częstotlwośc pomarowej dla każdego elementu jest przeprowadzany w dwóch etapach. W perwszym poszukwana jest częstotlwość zapewnająca maksymalną czułość mpedancj merzonej od dentyfkowanego elementu. Wyznaczana jest ona na podstawe analzy długośc łuków, które są oblczane dla różnych częstotlwośc z zależnośc: m S L 2 S L 2 ( Re( Z ) Re( Z ) ( Im( Z ) Im( Z ) H S 2 H S 2 ( Re( Z ) Re( Z ) ( Im( Z ) Im( Z ) 1 S 2 S 2 d = ( Re( Z ) ( Im( Z ) (3) gdze: S L H Z, Z, Z wartośc mpedancj dentyfkowanego elementu, wartość początkowa S (startowa) p jest położona pomędzy mnmalną p L maksymalna p H wartoścą L (w oblczenach przyjęto p = 0.1 p S H p = 10 p S ). Zmanę długośc łuków dla omawanego obektu pokazano na rys. 6 [5]. Rys. 6. Znormalzowane długośc łuków [5] Analzując rys. 6 można zauważyć, że stneją różne optymalne częstotlwośc pomarowe dla każdego elementu układu zastępczego czujnka wlgotnośc (np. dla elementu C pw wększa od 100 khz, dla R w ok. 100 Hz). Aby uznać wymenone częstotlwośc za optymalne, należy sprawdzć jaka jest wrażlwość dentyfkowanych elementów, na tych częstotlwoścach na zmany pozostałych elementów. W tym celu, w etape drugm poszukwana optymalnej częstotlwośc pomarowej, analzowana jest względna wrażlwość dentyfkowanego elementu na podstawe zależnośc: S Δp p ( x p ) = (4) Δx x gdze: S p ( x ) względna czułość parametru p na zmany x, x { C pw, R s, R w, R b, R p, C b, C p } x p. 11

12 Wartośc wrażlwośc zostały wyznaczone przy użycu numerycznego różnczkowana funkcj wyznaczającej wartość dentyfkowanego elementu (2). Przykładowe wynk oblczeń przy użycu programu Matlab, umeszczono na rys Dobór częstotlwośc pomarowych jest przeprowadzany dla każdego elementu z osobna. Kolejność poszukwana częstotlwośc odpowada kolejnośc dentyfkacj elementów. Dla analzowanego obektu stneje potrzeba wyznaczena tylko 3 częstotlwośc, dla elementów C pw, R w R p, gdyż tylko one zmenają parametry przy zmanach wlgotnośc (tab. 1). Pozostałe elementy ne wpływają na wynk pomaru wlgotnośc ne będą dentyfkowane. Jako perwsza poszukwana jest optymalna częstotlwość pomarowa f Cpw umożlwająca dentyfkację elementu C pw, który jest najmnej zagneżdżony w strukturze dwójnka. Na rys. 7 a przedstawono wykres względnej wrażlwośc C pw na zmanę R w. Zaznaczona częstotlwość (100 khz) jest wartoścą granczną, powyżej której wrażlwość jest mnejsza od zadanej wartośc progowej (0,001) w całym zakrese możlwych zman wartośc elementu R w. Względna wrażlwość dentyfkacj C pw na zmanę R p będze mnmalna, jeśl częstotlwość pomarowa będze, zgodne z rysunkem 7b, wększa od 10 Hz. Podobne wpływ elementów ne zmenających wartośc: R s, C p, C b, R p (tab. 1) można zmnmalzować przeprowadzając pomary przy częstotlwoścach wększych od 1 khz. a) b) Rys. 7. Wykres wrażlwośc względnej elementu C pw : a) zależne od elementu R w b) od elementu R p Borąc pod uwagę wymenone trzy warunk oraz przebeg długośc łuku odwzorowana blnowego mpedancj czujnka od elementu C pw (rys. 6) można stwerdzć, że optymalna częstotlwość pomarowa dla C pw pownna być wększa od 100 khz. Jako drugą wyznaczono optymalną częstotlwość pomarową f Rw umożlwającą dentyfkację elementu R w. Z analzy rys. 6 wynka, że optymalna częstotlwość f Rw ze względu na maksymalną zależność mpedancj Z od R w (najdłuższy łuk) jest neznaczne powyżej 100 Hz. Rysunek 8 a pokazuje, że f Rw pownna być mnejsza od 10 Hz w całym zakrese zman R p. Z analzy wykresów wrażlwośc S Rw na pozostałe elementy wynka, że dla częstotlwośc z przedzału 10 Hz 10 khz jest ona mnejsza od ustalonej wartośc progowej. Reasumując, optymalna częstotlwość pomaru przy dentyfkacj R w pownna być newele wększa od 100 Hz. Przy poszukwanu optymalnej częstotlwośc f Rp umożlwającej dentyfkację ostatnego elementu R p wykorzystano wykresy przedstawone na rysunkach 6 8 b. Na ch podstawe wyznaczono częstotlwość f Rp = 1 Hz zapewnającą najwększą czułość Z = f(r p ) (rys. 6) oraz małą wrażlwość S Rp na pozostałe elementy (np. od R w na rys. 8 b). 12

13 a) b) Rys. 8. Wykres wrażlwośc względnej elementów: a) dla elementu R w zależne od zman elementu R p b) dla elementu R p zależne od zman elementu R w Na podstawe powyższych rozważań opracowano unwersalny algorytm dentyfkacj parametrycznej układów zastępczych obektów modelowanych weloelementowym dwójnkam RC. Algorytm został opracowany pod kątem mplementacj w urządzenach dagnostycznych, których możlwośc oblczenowe są determnowane zastosowanym procesoram o małych mocach przetwarzana danych. Z tego względu rozróżnono etap przedtestowy (krok 14), który jest realzowany z wykorzystanem symulacj w komputerze PC oraz właścwy etap dentyfkacj onlne w urządzenu dagnostycznym (krok 57). Etap przedtestowy: S p 1. Zadawane są wartośc początkowe elementów składowych badanego dwójnka. W zależnośc od opsywanego obektu, mogą reprezentować, np. parametry nowej powłok antykorozyjnej, parametry zdrowej skóry podlegającej dagnostyce lekarskej lub parametry czujnka wlgotnośc dla wartośc środkowej zakresu pomarowego (50% wlgotnośc względnej). L 2. Ustalane są wartośc granczne ( p, ) dopuszczalnych zman poszczególnych elementów, które także zależą od specyfk obektu badanego. 3. Dla przyjętych wartośc początkowych na podstawe zależnośc (3) wyznacza sę częstotlwośc pomarowe f (maksymalne n) zapewnające maksymalną czułość mpedancj dla poszczególnych elementów. 4. Korzystając z zależnośc (4) dla każdego dentyfkowanego elementu sprawdzana jest jego względna wrażlwość na zmany pozostałych elementów. Badana są przeprowadzane dla zakresu zman wartośc elementów ustalonych w kroku 2 pownny one potwerdzać pomjalny ch wpływ na dentyfkowany element. Spełnene obu kryterów (krok 3 4) oznacza, że dentyfkowany element ma decydujący wpływ na wartość mpedancj Z dwójnka weloelementowego, merzonej na wybranej częstotlwośc f, przy pomjalnym wpływe pozostałych elementów. Etap dentyfkacj: 5. W perwszy kroku algorytmu zamplementowanego w urządzenu dagnostycznym, H p przeprowadzany jest pomar częśc rzeczywstej Re( Z ) urojonej Im( Z ) mpedancj dwójnka przy optymalnej częstotlwośc (wyznaczonej w kroku 3) dla perwszego dentyfkowanego elementu ( = 1). 6. Współczynnk A, B, C, D transformacj blnowej są oblczane dla perwszego ( = 1) dentyfkowanego elementu, a następne wyznaczana jest wartość elementu p 1 zgodne ze wzorem (2). 7. Krok 56 są powtarzane dla kolejno wyznaczanych optymalnych częstotlwośc f 2, f 3,..., co pozwala dentyfkować wartośc pozostałych elementów p 2, p 3,... m m 13

14 Jeżel pomar parametrów obektu wymaga cyklcznego powtarzana (np. pomar mpedancj czujnka wlgotnośc w celu wyznaczena aktualnej wlgotnośc względnej) algorytm jest powtarzany począwszy od kroku 5. Wartośc początkowe, potrzebne do wyznaczena optymalnych częstotlwośc pomarowych, zostają zastąpone wartoścam uzyskanym z ostatnej procedury dentyfkacyjnej dla nch w kroku 5 określone są nowe częstotlwośc pomarowe. W pracach [1, 2] przedstawono wynk symulacj metody blnowej na przykładze modelu powłok antykorozyjnych, a w pracy [5] na przykładze modelu czujnka wlgotnośc. W ramach projektu badawczego KBN 8T10C , opracowana metoda została przeze mne zamplementowana przebadana w laboratoryjnym systeme pomarowym [2], a także w autonomcznym przyrządze pomarowym [2]. Podsumowując, należy stwerdzć, że opracowana blnowa metoda dentyfkacj parametrów mpedancyjnych obektów modelowanych dwójnkam weloelementowym, bazując na pomarze mpedancj obektu dla klku optymalne dobranych częstotlwośc, których lczba jest równa lczbe elementów układu zastępczego, wykazuje szereg zalet w odnesenu do znanej metody CNLS dopasowana wdma mpedancyjnego, a manowce: prosty algorytm dentyfkacj umożlwa mplementację metody w tanch przyrządach dagnostycznych nadających sę do pracy w różnych warunkach (np. w terene), dentyfkacja każdego parametru z osobna dla optymalne dobranych częstotlwośc pozwala na klkakrotne skrócene czasu pomaru mpedancj, natomast w metodze CNLS koneczny jest pomar mpedancj w szerokm zakrese częstotlwośc dla klkunastu do klkudzesęcu częstotlwośc pomarowych, wynk z jednego cyklu pomarowego są wykorzystywane jako dane wejścowe następnego cyklu, dlatego bardzo dobrze nadaje sę do cyklcznego montorowana zman parametrów mpedancyjnych dagnozowanego obektu wyznaczana ch aktualnych wartośc, przeprowadzone badana symulacyjne dla 7elementowego modelu czujnka wlgotnośc potwerdzają pełną przydatność metody do dentyfkacj 3 parametrów wyznaczających wlgotność względną. Maksymalny błąd wyznaczena wartośc tych elementów ne przekraczał 0,52% w zależnośc od położena elementu w strukturze układu zastępczego czujnka [5]. Reasumując, gdy znana jest struktura merzonego obektu oraz rząd wartośc elementów składowych, opracowana blnowa metoda dentyfkacj jest znaczne korzystnejsza od metody CNLS spełna warunk pozwalające na jej mplementację w tanch przyrządach dagnostycznych. Opsana metoda sposób pomaru zostały opatentowane [44]. III.2. Skrócene czasu pomaru mpedancj z pobudzenem sygnałem harmoncznym W ramach drugego celu badań perwszego tematu badawczego, zapoczątkowanego w ramach pracy doktorskej, opracowano, a następne przeprowadzono badana symulacyjne zamplementowano w laboratoryjnym systeme pomarowym [2, 17, 22, 28] cyfrową metodę pomaru mpedancj opartą na defncj mpedancj Z x = U x /I x, gdze I x, U x są to odpowedno zespolone wartośc prądu napęca na mpedancj merzonej. Sygnały te są odpowedzam na sygnał pobudzena u g (programowanego generatora sygnałowego typu DDS) są wydzelane w obwodze wejścowym mkrosystemu w postac sygnałów u u u x u x (rys. 3). Po ustalanym czase opóźnena, w którym zankają stany przejścowe, następuje synchronczne z sygnałem taktującym generatora, zberane dwóch cągów N próbek napęć u u u z częstotlwoścą próbkowana f s, za pomocą przetwornków a/c. Wynkem tej operacj jest dyskretna reprezentacja obu napęć, wyrażona wzorem: u m u m = u ( m Δt), u = u ( m Δt) (5) u 14

15 gdze: m = 0, 1,..., N1, Δt = 1/f s, f s częstotlwość próbkowana. Na podstawe zebranych w pamęc próbek, za pomocą transformaty DFT, wyznaczane są k reprezentacje przebegów u u u w dzedzne częstotlwośc, w której kty prążek U u k U opsany jest odpowedno wzoram: U k u = U u ( k Δf ) = N 1 m= 0 u m u e 2π m k j N, U k = U ( k Δf ) = N 1 m= 0 u m e 2π m k j N (6) fs 1 gdze : k = 0,1,..., L,..., N 1, Δf = = N N Δt Jeżel próbkowane sygnały u u u są sygnałam snusodalnym oraz spełnona jest następująca relacja mędzy lczbą próbek N lczbą próbkowanych okresów sygnałów L, N Δt = L (7) to w wynkowym wdme będze występował tylko jeden Lty nezerowy prążek. Wymagane to zostało spełnone. Częstotlwośc taktowana układu generatora układu próbkującego dobrano tak, aby stanowły welokrotnośc lczby próbek. Dzęk temu podczas generacj próbkowana uzyskano zawsze w gromadzonej lczbe próbek (N) całkowtą lczbę okresów (L) przebegu pomarowego. Zastosowano klasyczny algorytm DFT, poneważ oblczana jest wartość tylko jednego prążka (L), a w pamęc generatora DDS jest dostępna tablca funkcj snus (cosnus). W rezultace wyznaczene częśc rzeczywstej lub urojonej każdego z napęć sprowadza sę do wymnożena cągu jego próbek przez cąg próbek cosnusa lub snusa, zgodne ze wzoram: Re( U Re( U L u L ) = ) = N 1 m= 0 N 1 m= 0 u m u u m 2π m L cos( ), N 2π m L cos( ), N T uo Im( U Im( U L u L ) = ) = N 1 m= 0 N 1 m= 0 u m u u m 2π m L sn( ) N 2π m L sn( ) N Oblczena (8) są wykonywane w układze sterowana na konec każdego cyklu pomarowego. Wpływ parametrów próbkowana na dokładność metody pomaru był szczegółowo analzowany w pracach [22, 28]. Omówona metoda pozwala na dokonywane pomarów mpedancj na baze pojedynczego okresu przebegu snusodalnego lub nawet jego częśc, przy pogorszonej dokładnośc [2], co stanow atrakcyjną alternatywę dla klasycznych, np. opartych na analogowych układach mnożących, metod pomaru mpedancj wymagających klku okresów dla uzyskana wynku. III.3. Zastosowane nowych sygnałów pobudzena w celu skrócena czasu wyznaczena wdma mpedancyjnego obektu. Uzyskane skrócene czasu pomaru w omawanej w poprzednm punkce metodze jest jednak w welu sytuacjach newystarczające, zwłaszcza gdy dla poprawnego odwzorowana wdma potrzebne jest dokonane pomarów na welu częstotlwoścach, stąd też w trzecm celu badawczym perwszego tematu badań poszukwano nowych sygnałów pobudzających umożlwających skrócene czasu akwzycj całego wdma. W perwszym podejścu rozważano możlwość pobudzena multsnusodalnego, deę metody pokazano na rys. 9 [43]. Jest ona uogólnenem jednoczęstotlwoścowej metody pomaru mpedancj z cyfrowym wyznaczanem składowych za pomocą transformacj DFT. (8) 15

16 W transformatach prądu napęca otrzymywano tam pojedyncze nezerowe prążk, których zespolony loraz pozwalał oblczyć wartośc wdma mpedancj dla częstotlwośc sygnału pobudzającego. Pomar całego wdma wymagał powtarzana pomarów dla kolejnych częstotlwośc sygnału pobudzającego. u o [n] = f k sn( 2 π n ) f S x u x Z x obwód wejś cowy u 0 u u Przetwornk C/A A/C u [n] u u u [n] Npunktowe DFT Npunktowe DFT Uω N Uω 1 Iω N Iω 1 Z ) ω k U ˆ = I ˆ ω k ω k Rys. 9. Idea metody wyznaczana wdma mpedancyjnego za pomocą sygnałów multsnusodalnych Pomar wdma (lub jego częśc) w jednym cyklu jest możlwy dla obektów lnowych na podstawe twerdzena o superpozycj: przy spełnenu założena o lnowośc obektu suma odpowedz na snusodalne sygnały pobudzające jest równa odpowedz na sygnał złożony z welu snusodalnych składowych, a węc na pobudzene sygnałem multsnusodalnym. Dla dwójnka lnowego w odpowedz występują wyłączne składowe o takch samych częstotlwoścach, jak w sygnale pobudzającym, lecz o ampltudach fazach, zależnych od własnośc obektu. Choć sygnały multsnusodalne są z powodzenem stosowane do dentyfkacj obektów automatyk, ch zastosowane do wyznaczana szerokopasmowych wdm mpedancyjnych jest opsane w lteraturze znaczne skromnej. Wynka to z konecznośc pokonana w pomarach mpedancj szeregu trudnośc, zwązanych z syntezą szerokopasmowych sygnałów pobudzających oraz szybką ch analzą za pomocą algorytmów DFT. Zagadnene projektowana sygnału multsnusodalnego polega na ustalenu lczby częstotlwośc składowych, częstotlwośc próbkowana, oraz 3 zborów: ampltud, faz początkowych częstotlwośc (najczęścej unormowanych do częstotlwośc próbkowana) określających parametry dla każdej składowej. Najczęścej przyjmuje sę take same ampltudy składowych sygnału, koncentrując sę na doborze częstotlwośc faz składowych oraz częstotlwośc próbkowana. Istneje szereg kryterów optymalzacj sygnału, z których najstotnejsze to: zapewnene okresowośc w sense dyskretnym (dobór częstotlwośc) mnmalzacja zakresu zmennośc sygnału (dobór faz). Zagadnene doboru faz częstotlwośc sygnałów składowych zostało oszacowane symulacyjne w ramach projektu badawczego, którego wynkem jest m.n. praca [41]. Aplkacja powstała w ramach współpracy z Wydzałem Chemcznym PG [13]. Możlwe jest równeż połączene podejśca blnowego (pomar na klku optymalne dobranych częstotlwoścach) z wykorzystanem sygnału multharmoncznego. Krytera stosowane przy optymalzacj sygnałów multharmoncznych porównano w pracach [32, 36]. Zastosowane sygnałów multsnusodalnych może być równeż korzystne, jeśl pomary wykonywane są w warunkach nestacjonarnych stotne jest badane zmennośc parametrów obektu. W takej sytuacj zastosowane klasycznej DFT do analzy sygnału odpowedz spowoduje utratę całej nformacj o zmanach obektu w efekce oszacowana zostane wartość średna za czas równy oknu analzy DFT. Dla zachowana nformacj o zmanach mpedancj obektu w czase, koneczne jest zastosowane krótkoczasowej dyskretnej transformacj Fourera (STDFT) [13] lub jak zaproponowano w pracy [27] zastosowane banku fltrów (np. Goertzel a) do cągłej analzy sygnału odpowedz, zgodne z rys

17 A K A 1 j ( ω e n K ) e j ( ω 1 ) n u o [n] x u x Z x obwód wejścowy u o u u u przetwornk C/A A/C [n] u u [n] u e e jω 1 n e jω 1n e j ω K n j ω K n fltr DP fltr DP fltr DP fltr DP U K U 1 I K I 1 Rys. 10. Ilustracja metody wyznaczana wdma za pomocą banku fltrów [27] Przeprowadzona analza sygnałów weloharmoncznych [43] o rozpętośc klku dekad wykazała, że długość okresu, traktowana jako lczba próbek może przyjmować wartośc nerealzowalne technczne unemożlwające generację takch sygnałów konwencjonalnym metodam. Dlatego też, w pracy [27] zaproponowano wykorzystane teracyjnej metody syntezy sygnału weloharmoncznego, nezależnej od jego okresu. Wartość każdej z próbek sygnału pobudzającego u 0 [n] jest oblczana na beżąco dla każdej próbk n, jako suma K składowych, z których każda jest wynkem mnożena zadanej ampltudy jednostkowego sygnału harmoncznego o określonej częstotlwośc. Następne, sygnały wydzelone w obwodze wejścowym są analzowane za pomocą dwóch dentycznych banków fltrów. Każdy z banków złożony jest z K fltrów oblczających wartośc wdm odpowedno napęca prądu dla K częstotlwośc składowych sygnału pobudzającego. Oblczone za pomocą banków fltrów ampltudy oznaczono odpowedno U 1,..., U K dla banku analzującego sygnał napęcowy oraz I 1,..., I K dla banku analzującego sygnał prądowy. Reasumując, należy stwerdzć, że zastosowane pobudzena weloharmoncznego pozwala skrócć czas pomaru lub analzować zmenność obektu (przy zastosowanu odpowednej analzy odpowedz), jednakże metoda ta posada szereg ogranczeń [43], do których należą: trudnośc z optymalzacją syntezą przebegów [41], zwłaszcza jeśl częstotlwośc składowe są rozłożone w szerokm zakrese, problemy z analzą (dla wszystkch składowych należy zapewnć, aby w analzowanych próbkach meścła sę całkowta lczba okresów), w przecwnym raze prowadz to do przeceku wdma, wzajemnego maskowana składowych, relatywne dług czas pomaru, wyznaczony przez składową o najnższej częstotlwośc, trudnośc w prawdłowym doborze zakresu pomarowego dla obektów o dużej zmane modułu mpedancj w funkcj częstotlwośc szerokm zakrese merzonego wdma, utrata nformacj o zmennośc obektu, ze względu na właścwośc uśrednające (za okres oblczana DFT) w podstawowej wersj (z zastosowanem DFT). W celu znaczącego skrócena tradycyjnej spektroskop mpedancyjnej, realzowanej drogą pomaru mpedancj na kolejno wybranych częstotlwoścach sygnału harmoncznego, w kolejnym kroku trzecego celu perwszego kerunku badawczego, zastosowano pobudzene pojedynczym mpulsem prostokątnym [9, 33, 34, 38, 39, 43]. Pomar odpowedz na pobudzene mpedancj merzonej Z x, sprowadza sę do spróbkowana skwantowana za pomocą przetwornków a/c sygnałów u u (t) u (t) proporcjonalnych odpowedno do napęca na Z x prądu płynącego przez. Przykładowe przebeg dla obektu testowego (rys. 11 a) dla czasu trwana mpulsu 0,5 s 2,0 s pokazano na rys. 11 b. 17

18 R p 9.935GΩ C c 314.6pF R ct 4.969GΩ C dl 2.22nF a) b) Rys. 11. Ilustracja metody z pobudzenem mpulsowym: a) schemat deowy przykładowego obektu badanego, b) przebeg napęca prądu dla pobudzena mpulsowego W odpowedz prądowej u (t) napęcowej u u (t) zawarte są nformacje o mpedancj badanego obektu w funkcj częstotlwośc. W perwszym podejścu [33] zwrócono sę ku zastosowanu transformacj Laplace, co jest naturalnym podejścem przy zastosowanu pobudzena mpulsowego. Nestety, badana wykazały trudnośc mplementacyjne problemy ze zbeżnoścą oblczeń dla przebegów reprezentowanych przez dwa cąg próbek. Ujawnene ww. zależnośc jest także możlwe dzęk zastosowanu cągłej transformacj Fourera, po aproksymacj odpowedz czasowych funkcjam lnowym [34] oblczenu transformaty ze wzoru: = 0 () t exp( jωt) U ( jω ) u dt (9) k k gdze: k = lub u. Do wyznaczena transformaty Fourera koneczne jest próbkowane napęć u (t) u u (t) przy stałym odstępe mędzypróbkowym Δt. Zakładając maksymalny czas trwana pomaru 100 s częstotlwość próbkowana 10 khz, koneczne jest zebrane próbek każdego sygnału. Wyznaczene transformaty z takej lczby danych trwałoby nawet klkadzesąt mnut. Dlatego w rozwązanu [34] czasu pomaru podzelono na przedzały, w których próbkowane odbywa sę z różną częstotlwoścą. Przewdzano 6 odcnków czasu ogranczonych od góry następującym wartoścam: 0,01 s, 0,1 s, 1 s, 10 s, 100 s, 1000 s, ze stałą lczbą próbek 1000 w każdym przedzale. Stąd dla przyjętych warunków, maksymalna lczba próbek zebranych w czase pomaru wynos N = W pracy [9] zaproponowano modyfkację lczby przedzałów ch rozmeszczena zgodne z rys. 12. u mp [V] 1 τ mp Seg 1 Seg 2 Seg 3 Seg 4 Seg 5 Seg 6 Seg 7 Seg τ mp 0.1τ mp 1τ mp 1.01τ mp 1.1τ mp 2τ mp 10τ mp 100τ mp t Rys. 12. Segmenty czasowe procesu próbkowana sygnałów odpowedz przy pobudzenu obektu mpulsem prostokątnym w zmodyfkowanej propozycj metody Transformata może być polczona z defncj, a zależność (9) przyjmuje postać: 18

19 k N 1 t n 1 k n= 1 t n U ( jω ) ~ u ( t) exp( jωt) dt (10) gdze: u ~ ( t ) uu ~ ( t ) są aproksymacjam lnowym poszczególnych odcnków odpowedz sygnału prądowego napęcowego. Po podstawenu aproksymacj oblczenu całek otrzymujemy: ReU k ImU k 1 ( ( ) ( ) ) u 1 1 sn 1 sn N k tn ω tn uk tn ω tn ω ( ω ) (11) = u ( 1 1) ( ) cos 1 cos n k tn uk tn ω tn ω tn t 2 n 1 tn ω 1 ( ( ) ( ) ) u 1 1 cos 1 cos N k tn ω tn uk tn ω tn ω ( ω ) (12) = u ( 1 1) ( ) sn 1 sn n k tn uk tn ω tn ω tn t 2 n 1 tn ω Wyznaczając z (11) (12) wdma sygnałów proporcjonalnych do napęca prądu na obekce merzonym, oblczono na podstawe defncj mpedancj wdmo mpedancj: Z ReU ( ω) j ImU ( ω) = (13) ReU ( ω) j ImU ( ω) u u ( ω) Rz Metodę ulepszano [9] zmnejszając lczbę przedzałów próbkowana [38], ogranczając lczbę próbek w przedzale, dzęk ch optymalnemu rozmeszczenu, dostosowanemu do charakteru zman próbkowanych przebegów [39]. Pozwolło to znacząco ogranczyć lczbę próbek ( wymaganych oblczeń), a w efekce pozwolło mplementować metodę w urządzenach o relatywne małej mocy oblczenowej. W trakce badań symulacyjnych sprawdzono wpływ różnych czynnków na uzyskwane dokładnośc, jak równeż ustalono stotne ogranczena metody: Wyznaczone moduły wdma: U U u sygnałów u (t) u u (t) są opsane funkcją typu sn(x)/x, gdze x = π k τ mp /T acq (k numer prążka) (rys. 13). Rys. 13. Wdma modułów sygnałów: pobudzena U o odpowedz napęcowej U u na Z x Wdma osągają wartośc mnmalne (teoretyczne 0) w punktach, gdze argument funkcj sn() osąga wartość m π, gdze m = 0, 1, 2... czyl m π = π k t mp /T acq, tzn. dla prążków o numerach: k = m T acq /t mp. Prowadz to w procedurze wyznaczana mpedancj (dzelene wartośc prążka napęca przez wartość prążka prądu) do bardzo dużych błędów (w omawanym zakrese częstotlwośc) o wartośc maksymalnej dochodzącej do 19

20 klkudzesęcu procent. Wymaga to omjana prążków w poblżu mnmów funkcj sn(x)/x ogranczena wyznaczana wartośc mpedancj tylko dla częstotlwośc, gdy funkcja osąga maksma lokalne (w połowe odległośc pomędzy mnmam), czyl dla prążków k = (m0.5) T acq /t mp. Zastosowana metoda wyboru częstotlwośc, zdecydowane zmnejszyła błąd wyznaczana wdma mpedancj w zakrese do 100 Hz. Natomast dla częstotlwośc wyższych dokładność jest newystarczająca, poneważ pojemność powłok C c tworzy z rezystorem ogranczającym prąd R o dzelnk napęca, tłumący ze wzrostem częstotlwośc ampltudy prążków wdma sygnału napęcowego. Koncepcja pobudzana obektu pomaru mpulsem prostokątnym, dla uzyskana wdma mpedancj w szerokm zakrese częstotlwośc (1 mhz 1 MHz), wymaga zastosowana szybkch przetwornków a/c (max. czas konwersj 100 ns) do próbkowana sygnałów odpowedz. Dlatego badano wpływ rozdzelczośc przetwornków a/c (rys. 14). a) b) Rys. 14. Błąd modułu argumentu mpedancj w przypadku zastosowana do próbkowana 12 lub 16 btowych przetwornków a/c: a) błąd modułu, b) błąd argumentu Uzyskane wnosk pozwolły zaproponować rozwązane hybrydowe (opatentowane [45]) gdze dla częstotlwośc wysokch (>100Hz) wdmo uzyskwane jest metodą tradycyjną z pobudzenem snusodalnym, zaś dla częstotlwośc nskch (<100Hz) metodą z pobudzenem pojedynczym mpulsem prostokątnym. Algorytm zaproponowanego rozwązana opsano w pracach [39, 43] pokazano na rys. 15. W kolejnym kroku celu trzecego perwszego tematu badawczego, zaproponowano metodę pomaru mpedancj wykorzystującą pobudzene sygnałem snc (snus cardnals) [15] dedykowaną dla częstotlwośc nskch (1 mhz 10 Hz). Istotnym aspektem przy doborze sygnału pobudzena, w omawanej metodze, jest kształt wdma tego sygnału. Najkorzystnejsza sytuacja ma mejsce wówczas, jeśl wartość wdma tego sygnału w rozpatrywanym zakrese częstotlwośc pomarowych jest stała ma jak najwększą wartość w stosunku do częstotlwośc spoza tego zakresu. Właścwość taką posada sygnał snc, gdyż transformata Fourera tego sygnału jest funkcją prostokątną. Zapewnene stałej wartośc transformaty Fourera sygnału pobudzena pozwala na uzyskane zblżonych dokładnośc wyznaczana modułu argumentu mpedancj badanego obektu dla wszystkch częstotlwośc pomarowych. W metodze zakłada sę pomar mpedancj Z x badanego obektu w zakrese częstotlwośc od f mn do f max, bez wprowadzana ogranczeń na wybór konkretnych częstotlwośc z tego przedzału. W tym celu dopasowuje sę parametry sygnału pobudzena snc w ten sposób, aby stała wartość wdma tego sygnału obejmowała zakres częstotlwośc od f mn do f max. Ogólną postać sygnału pobudzena snc można przedstawć za pomocą wzoru: u t) = U snc(2π f ( t )), (14) 0 ( 0 max τ 20