ITRM20100479A1

ITRM20100479A1 - PERMITTENCE METER AND ELECTRIC RESISTIVITY FOR NON-INVASIVE INVESTIGATIONS ON MATERIALS

Info

Publication number: ITRM20100479A1
Application number: IT000479A
Authority: IT
Inventors: James Arokiasamy Baskaradas; Cesidio Bianchi; Giovanni Santarato; Alessandro Settimi; Achille Emanuele Zirizzotti
Original assignee: Istituto Naz Di Geofisica E Vulcanologia
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2012-03-16

Description

Misuratore di permittività e resistività elettrica per indagini non invasive sui materiali Permittivity and electrical resistivity meter for non-invasive investigations on materials

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Il misuratore di permittività e resistività elettrica per indagini non invasive sui materiali è uno strumento per P indagine non invasiva sui materiali che sfrutta l’induzione elettrica tramite un accoppiamento capacitivo con il mezzo. Lo strumento utilizza una sonda di quattro elettrodi che servono a iniettare una tensione a radio frequenza nel mezzo e a prelevare i segnali di tensione e di corrente indotta. Dal rapporto tra la tensione trasmessa e la corrente indotta ricevuta si determina l’impedenza complessa del mezzo. Da quest’ultima poi, tramite formule d’inversione che contengono anche i rapporti geometrici tra le distanze e le disposizioni dei terminali, si determinano la permittività e la conducibilità elettrica del mezzo. Lo strumento sfrutta la tecnica del sottocampionamento, in fase e in quadratura che unita ad alcune operazioni di calcolo del microcontrollore, conferiscono allo strumento le prestazioni volute. Infatti è possibile eseguire anche un elevato numero di medie che insieme ad alcune soluzioni circuitali riducono l’errore in ampiezza e fase del segnale acquisito. Lo strumento può operare a frequenza variabile pur mantenendo una adatta frequenza di campionamento che sfrutta a pieno le prestazioni degli acquisitori analogico-digitale, sia in velocità che in dinamica. The electrical permittivity and resistivity meter for non-invasive investigations on materials is a tool for non-invasive investigation of materials that uses electrical induction through a capacitive coupling with the medium. The instrument uses a probe with four electrodes which serve to inject a radio frequency voltage into the medium and to pick up the voltage and induced current signals. The complex impedance of the medium is determined from the relationship between the transmitted voltage and the induced current received. From the latter then, through inversion formulas that also contain the geometric relationships between the distances and the dispositions of the terminals, the permittivity and electrical conductivity of the vehicle are determined. The instrument exploits the subsampling technique, in phase and in quadrature which, combined with some calculation operations of the microcontroller, give the instrument the desired performance. In fact, it is also possible to perform a high number of averages which together with some circuit solutions reduce the error in amplitude and phase of the acquired signal. The instrument can operate at variable frequency while maintaining a suitable sampling frequency that fully exploits the performance of the analog-digital acquisitions, both in terms of speed and dynamics.

Campo dell’invenzione Field of the invention

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo che, tramite ima misura d’ ampiezza e fase del segnale indotto rispetto al segnale inviato, valuta l’impedenza complessa del mezzo. La corrente che scorre è dipendente dall’ impedenza complessa del mezzo. Una volta valutata l’impedenza complessa del mezzo, da questa si può risalire alle grandezze elettriche fenomenologiche che caratterizzano il mezzo stesso. Tali grandezze sono la conduttività elettrica e la permittività relativa. Pertanto lo strumento permette di effettuare misure di resistività elettrica e permittività elettrica simultaneamente. Da queste grandezze infine, si possono dedurre alcune caratteristiche chimico-fisiche del mezzo analizzato. The present invention refers to a device which, by measuring the amplitude and phase of the induced signal with respect to the signal sent, evaluates the complex impedance of the medium. The flowing current is dependent on the complex impedance of the medium. Once the complex impedance of the medium has been evaluated, from this it is possible to trace the phenomenological electrical quantities that characterize the medium itself. These quantities are the electrical conductivity and the relative permittivity. Therefore the instrument allows to carry out measurements of electrical resistivity and electrical permittivity simultaneously. Finally, from these quantities, some chemical-physical characteristics of the analyzed medium can be deduced.

Stato della tecnica State of the art

Le indagini non invasive di natura elettrica sui materiali di interesse nella ricerca in generale e, in particolare, in ambito geofisico, architettonico e archeologico, si eseguono con due tecniche principali quali la tomografia della resistività elettrica e le prospezioni con il georadar. Entrambe le tecniche si impiegano alle varie scale spaziali e vengono applicate soprattutto per indagini nel sottosuolo ed offrono immagini bi- e tri-dimensionali della distribuzione della resistività elettrica, o permittività elettrica utili per indagini non invasive sui materiali. Relativamente alla prima tecnica, essa può venire utilmente applicata anche per la valutazione dello stato di degrado di manufatti (presenza di umidità) o per la presenza di vuoti e fatturazioni. Il principale ostacolo alla diffusione di tale tecnica nell’ambito dei controlli non distruttivi è costituito dalla necessità di ottenere un contatto diretto (ohmico) tra l’apparecchiatura ed il materiale da investigare, normalmente realizzato da elettrodi metallici. Ciò non solo dilata i tempi di esecuzione, rispetto ad altre ben note tecniche diagnostiche, come il georadar, ma implica una certa invasività, resa necessaria dal contatto diretto. Tale invasività della misura a volte è del tutto contro-indicata nell’analisi di superimi particolari dove sono presenti affreschi, mosaici con tessere vitree ecc. Accanto a queste vi è anche una tecnica che sfrutta l’induzione completa che consiste nel porre il materiale da esaminare tra le armature di un condensatore. Tale tecnica richiede però una preparazione del materiale e non è applicabile su materiali pregiati e mezzi estesi. Lo strumento proposto non richiede il contatto ohmico e riesce a eseguire un numero elevato di misure su cui si effettua un’operazione di media. Questa operazione di media, riduce gli errori di misura della fase e dell’ampiezza. Questo consente di ottenere le necessarie accuratezze nella determinazione della misura della permittività e della conducibilità elettrica del mezzo. Inoltre sfruttando la tecnica del softocampionamento , in fase e in quadratura, del segnale acquisito si possono impiegare frequenze molto elevate ed eseguire una spettroscopia elettrica . Non-invasive electrical investigations on materials of interest in research in general and, in particular, in the geophysical, architectural and archaeological fields, are performed with two main techniques such as electrical resistivity tomography and prospecting with the georadar. Both techniques are used at various spatial scales and are applied above all for investigations in the subsoil and offer two- and three-dimensional images of the distribution of electrical resistivity, or electrical permittivity, useful for non-invasive investigations on materials. With regard to the first technique, it can be usefully applied also for the evaluation of the state of deterioration of manufactured articles (presence of humidity) or for the presence of voids and billings. The main obstacle to the spread of this technique in the context of non-destructive testing is the need to obtain direct (ohmic) contact between the equipment and the material to be investigated, normally made from metal electrodes. This not only extends the execution times, compared to other well-known diagnostic techniques, such as the georadar, but implies a certain invasiveness, made necessary by direct contact. This invasiveness of the measure is sometimes completely counter-indicated in the analysis of particulars where there are frescoes, mosaics with glass tiles, etc. Alongside these there is also a technique that exploits complete induction which consists in placing the material to be examined between the plates of a capacitor. However, this technique requires preparation of the material and is not applicable on valuable materials and extensive media. The proposed instrument does not require ohmic contact and is able to perform a large number of measurements on which an average operation is carried out. This averaging operation reduces phase and amplitude measurement errors. This allows to obtain the necessary accuracy in determining the measurement of the permittivity and electrical conductivity of the medium. Furthermore, by exploiting the technique of soft sampling, in phase and in quadrature, of the acquired signal, it is possible to use very high frequencies and perform an electrical spectroscopy.

Sommario dell’invenzione Summary of the invention

La presente invenzione ha per oggetto la realizzazione di uno strumento per la misura della resistività e della permettività elettrica dei mezzi materiali. Lo strumento è in grado non solo di acquisire l’informazione della resistività elettrica senza contatto diretto, ma anche, utilizzando campi elettromagnetici a frequenze opportune, la permittività elettrica relativa, parametro indipendènte rispetto alla resistività elettrica stessa. Quindi la misura simultanea dei due parametri che caratterizzano elettricamente il mezzo, permette di inferire le altre grandezze fisiche-chimiche del materiale, le discontinuità e le anomalie del materiale investigato. Quest’ultima caratteristica relativa alla simultaneità della misura delle grandezze menzionate, unita alla non invasività della misura (contatto non necessariamente ohmico) e l’elettronica relativamente ridotta, conferisce a questo strumento delle buone prestazioni nella diagnostica dei mezzi investigati. La misura della impedenza complessa tra la tensione del segnale iniettato nel mezzo e la corrente prelevata ai capi dei terminali riceventi, si ricava direttamente dal rapporto modulo e fase del segnale in tensione trasmesso e quello ricevuto in corrente. Lo strumento impiega una sonda costituita da 4 elettrodi ad accoppiamento capacitivo e utilizza una tecnica di sottocampionamento per eseguire il necessario numero di medie sui dati campionati allo scopo di aumentare l’accuratezza della misura. Il sistema di campionamento in fase e quadratura richiede però un errore minimo sulla determinazione della fase e dell’ampiezza, rispettivamente intorno ai 0.2 gradi sulla fase e inferiore a due parti su diecimila sull’ampiezza. Tali precisioni si possono ora facilmente raggiungere con soluzioni circuitali non particolarmente difficili e costose. Queste peculiarità derivanti dal metodo del sottocampionamento conferisce a strumento ottime prestazioni in quanto si possono raggiungere accuratezze sia nella permittività che nella conducibilità elettrica inferiori a 1%. Queste accuratezze sono considerate un buon punto di partenza per eventuali caratterizzazioni chimico-fisiche dei mezzi investigati. The present invention relates to the realization of an instrument for measuring the resistivity and electrical permittivity of material means. The instrument is able not only to acquire the information of electrical resistivity without direct contact, but also, using electromagnetic fields at appropriate frequencies, the relative electrical permittivity, a parameter independent of the electrical resistivity itself. Therefore the simultaneous measurement of the two parameters that electrically characterize the medium, allows to infer the other physical-chemical quantities of the material, the discontinuities and the anomalies of the investigated material. This last feature relating to the simultaneity of the measurement of the aforementioned quantities, combined with the non-invasiveness of the measurement (contact not necessarily ohmic) and the relatively small electronics, gives this instrument good performance in the diagnostics of the investigated media. The measurement of the complex impedance between the voltage of the signal injected into the medium and the current drawn at the ends of the receiving terminals is obtained directly from the modulus and phase ratio of the transmitted voltage signal and the current received one. The instrument employs a probe consisting of 4 capacitively coupled electrodes and uses a subsampling technique to perform the necessary number of averages on the sampled data in order to increase the accuracy of the measurement. However, the phase and quadrature sampling system requires a minimum error on the determination of phase and amplitude, respectively around 0.2 degrees on the phase and less than two parts on ten thousand on the amplitude. These accuracies can now be easily achieved with circuit solutions that are not particularly difficult and expensive. These peculiarities deriving from the subsampling method gives the instrument excellent performance as it is possible to achieve accuracy in both permittivity and electrical conductivity of less than 1%. These accuracies are considered a good starting point for any physico-chemical characterizations of the investigated media.

Descrizione dell’invenzione Description of the invention

La presente invenzione sarà ora descritta in relazione a una sua realizzazione preferita illustrata nelle accluse tavole di disegno in modo esclusivamente esemplificativo e non limitativo degli scopi e della portata dell’invenzione. Il contenuto delle tavole è riassunto di seguito. The present invention will now be described in relation to one of its preferred embodiments illustrated in the attached drawing tables in an exclusively illustrative and non-limiting manner of the purposes and scope of the invention. The contents of the tables are summarized below.

Il misuratore di permittività e resistività elettrica è uno strumento in grado di sintetizzare un segnale a una opportuna frequenza, la quale dopo una opportuna amplificazione, essa viene iniettata nel mezzo tramite un elettrodo ad accoppiamento capacitivo. La corrente indotta nel mezzo viene prelevata da un terminale collegato a un convertitore corrente-tensione virtualmente connesso a massa. La tensione ai capi dell’impedenza costituita dal mezzo viene misurata sui due elettrodi collegati a un amplificatore di tensione. I quattro elettrodi possono essere disposti in linea, oppure ai vertici di un rettangolo che costituiscono la sonda. Un fattore geometrico tiene conto della configurazione adottata nella determinazione del valore dell’impedenza. Dal rapporto tra la tensione misurata e la corrente indotta si può determinare l’impedenza complessa del mezzo. Lo schema a blocchi semplificato riportato in figura 1 rappresenta le sezioni e le funzioni principali dello strumento. Partendo da sinistra in figura 1 sono indicati: la sonda costituita da quattro elettrodi (1), la tensione trasmessa (2), l’unità analogica trasmittente (3), la tensione analogica prelevata sugli elettrodi riceventi (4), l’amplificatore di tensione con compensazione d’impedenza (5), il segnale di tensione (8), il convertitore analogico-digitale , A/D, del segnale di tensione (9), l’uscita digitale del segnale di tensione (10), la corrente indotta (6), il convertitore corrente- tensione (7), l’uscita in tensione proporzionale alla corrente ricevuta (1 1), il convertitore A/D dels segnale di corrente (12), l’uscita digitale del segnale di corrente (13), la sintesi digitale delle frequenze , o Digital Direct Synthesis DDS e, codifica segnale per i due A/D (14), il controllo degli A/D (15), il segnale di tensione per il trasmettitore (16), il segnale di controllo del DDS e del circuito di codifica ( 17), il microcontrollore e display (18). The electrical permittivity and resistivity meter is an instrument capable of synthesizing a signal at a suitable frequency, which after an appropriate amplification, it is injected into the medium through a capacitively coupled electrode. The induced current in the medium is drawn from a terminal connected to a virtually grounded current-to-voltage converter. The voltage across the impedance constituted by the medium is measured on the two electrodes connected to a voltage amplifier. The four electrodes can be arranged in line, or at the vertices of a rectangle that make up the probe. A geometric factor takes into account the configuration adopted in determining the impedance value. The complex impedance of the medium can be determined from the relationship between the measured voltage and the induced current. The simplified block diagram shown in figure 1 represents the main sections and functions of the instrument. Starting from the left in figure 1 are indicated: the probe consisting of four electrodes (1), the transmitted voltage (2), the transmitting analog unit (3), the analog voltage taken from the receiving electrodes (4), the impedance compensated voltage (5), the voltage signal (8), the analog-to-digital converter, A / D, of the voltage signal (9), the digital output of the voltage signal (10), the current (6), the current-voltage converter (7), the voltage output proportional to the received current (1 1), the A / D converter of the current signal (12), the digital output of the current signal ( 13), the digital synthesis of frequencies, or Digital Direct Synthesis DDS and, signal coding for the two A / Ds (14), the control of the A / Ds (15), the voltage signal for the transmitter (16), the control signal of the DDS and coding circuit (17), the microcontroller and display (18).

Sezione analogica e conversione digitale dei segnali Analogue section and digital conversion of signals

Le due sezioni analogica e conversione digitale del segnale sono indicate in figura 1 con le lettere A e B. Come descritto in precedenza, il dispositivo è composto da 4 puntali da apporre al materiale da investigare, due riceventi perla tensione e uno connesso a un trasduttore corrente tensione e, l’ultimo connesso al generatore RF. Vi è un dispositivo in grado di generare una corrente RF connesso a un amplificatore di tensione, un trasduttore corrente/tensione, un generatore sinousidale di alta tensione, un sistema di acquisizione numerica, e un micro-controllore. Per ciò che concerne la disposizione dei puntali il misuratore di permittività e resistività elettrica utilizza una configurazione standard in linea, oppure con elettrodi disposti ai vertici di un rettangolo. Tra le due vi è solo un fattore geometrico nella riduzione alle grandezze elettriche a partire dall’impedenza complessa. Nella figura 1 è rappresentato lo schema a blocchi della strumentazione utilizzante la configurazione in linea. Partendo da sinistra si possono notare le quattro punte , due punte sono utilizzate per la generazione della tensione applicata e la misura corrente che scorre nel materiale, (elettrodi esterni), mentre gli altri due centrali vengono utilizzati per la misura della tensione. È stato anche inserito un apposito circuito per la compensazione delle capacità parassite dei cavi e dei puntali. In questo modo si ottengono due tensioni, una proporzionale alla corrente, l’altra proporzionale alla differenza di potenziale. Queste tensioni vengono digitalizzate attraverso un convertitore analogico digitale A/D collegato ad un microcontrollore per la successiva elaborazione. Per ciascun segnale si acquisiscono due sequenze di valori, in fase e in quadratura, detti I e Q, a una specificata frequenza. In questo modo è possibile ricavare ampiezza e fase dei due segnali e da questi, l’impedenza complessa. Questo processo permette di semplificare l’elettronica necessaria alla misura che normalmente utilizzano sistemi lock-in, o similari. Tali dispositivi si basano su rivelatori di fase oppure su sistemi di generazione delle componenti seno e coseno dell’onda impiegata. La costante dielettrica e la resistività del materiale si ricavano dalla parte reale e immaginaria dell’impedenza, nonché dal fattore geometrico della sonda utilizzata. Procedendo con la parte analogica vi è: l’amplificatore della parte trasmittente indicata con il blocco 3 e le parte riceventi che prelevano il segnale di tensione 5 e di corrente 7. Quest’ultima unità (7) è composta principalmente da due stadi: Il primo è un convertitore corrente-tensione seguito da una cascata di amplificatori, per amplificare le deboli correnti caratteristiche di impedenze elevate , mentre il secondo (5) è composto da un amplificatore in tensione con una catena retroattiva di compensazione capacitiva. Questo particolare circuito è stato progettato per lavorare linearmente all’interno delle frequenze (90 a 2000 kHz). Questo è solo un limite dell’elettronica analogica relativa al prototipo. In teoria non vi è nessuna limitazione concettuale alla possibilità di utilizzare un campo di frequenza più ampio anche di qualche ordine di grandezza. Le varie unità mostrate in figura 1 sono state realizzate secondo uno standard utilizzato nella strumentazione elettronica di precisione nelle parti dove è richiesto. Le tecniche circuitali adottate per la compensazione delle capacità parassite dei cavi e dei puntali di misura sono sufficienti e permettono di realizzare misure di impedenze elevate. Il generatore di segnali, utilizzando un trasformatore ad alta tensione, permette di iniettare correnti nei materiali ad alta resistività. Una delle peculiarità tecniche dello strumento proposto è quella di realizzare un sottocampionamento in fase e in quadratura con la relativa acquisizione tramite un A/D con una dinamica di 2<n>bit con n>12. 1 principali blocchi e funzioni dell’unità di conversione analogico- digitale e digitaleanalogico sono descritte in figura 2. In essa è presente: il DDS (1), il convertitore A/D per il prelievo del segnale di tensione (2), il convertitore A/D per il prelievo del segnale di corrente dopo la conversione corrente tensione (3), il bus dati dei segnali digitalizzati verso il microcontrollore (4), la linea abilitazione del campionamento I e Q del segnale di tensione (5), linea abilitazione del campionamento I e Q del segnale di corrente (6), il bus del segnale di abilitazione di campionamento e di controllo del DDS e contatori programmabili da parte del microcontrollore (7), sintesi della frequenza per il segnale in fase I (8), sintesi della frequenza del segnale in quadratura Q (9), catena di contatori programmabili del segnale I (10), catena di contatori programmabili del segnale Q (11), codifica dell’impulso di abilitazione del campionamento I e Q del segnale ricevuto (12), codifica dell’impulso di abilitazione del campionamento I e Q del segnale trasmesso (13), rappresentazione semplificata nel caso di sotto campionamento I e Q a 1/8 della frequenza del segnale (14). La corrente indotta è dipendente dall’impedenza complessa del mezzo, Z= Z(R-jX) cioè da Ζ(Α,φ). La misura dell’impedenza complessa Ζ(Α,φ) in linea di principio si può effettuare con elevata accuratezza con un errore minimo in fase 0.2 gradi e in ampiezza l/2<n>Volt con componentistica elettronica reperibile sul mercato e implementando il processo di medie nel microcontrollore. Una particolarità dello strumento proposto è quella di evitare soluzioni circuitali costose e ingombranti ma ricorrere a un espediente che consente di valutare Ζ(Α,φ) per mezzo di una sottocampionamento eseguito a un sottomultiplo della frequenza di sondaggio. Una volta stabilita la frequenza di campionamento fssi possono iniettare nel mezzo correnti di frequenza / date da: f=Mfsdove, M è un numero intero preferibilmente, ma non necessariamente, una potenza di 2 per facilitare la circuiteria digitale. In pratica il campionamento I e Q fornisce entrambe le informazioni di cui si ha bisogno, cioè l’ampiezza A e la fase φ. Analogamente, ad amplificatori look-in molto sofisticati, la tecnica impiegata riduce l’errore in fase rispetto al campionamento uniforme e non necessita di una elettronica molto sofisticata. È stato valutato che mediando poi su un certo numero di valori acquisiti può essere ridotto Terrore di ampiezza dovuto all’errore che introduce un disturbo ad alta frequenza e anche il conseguente errore di fase. In questo scritto sono state volutamente omesse tutte le operazioni che il microcontrollore esegue sia per l’abilitazione e il controllo dei dispositivi elettronici impiegati nello strumento oggetto dell’ invenzione, sia gli algoritmi di calcolo, in quanto reperibili nella letteratura tecnica di questa disciplina. Sono state invece evidenziate le parti originali sviluppate nello strumento. The two analogue and digital conversion sections of the signal are indicated in figure 1 with the letters A and B. As previously described, the device consists of 4 leads to be affixed to the material to be investigated, two voltage receivers and one connected to a transducer current and voltage, the last one connected to the RF generator. There is a device capable of generating an RF current connected to a voltage amplifier, a current / voltage transducer, a sinousidal high voltage generator, a digital acquisition system, and a micro-controller. As regards the arrangement of the tips, the permittivity and electrical resistivity meter uses a standard configuration in line, or with electrodes arranged at the vertices of a rectangle. Between the two there is only a geometric factor in the reduction to electrical quantities starting from the complex impedance. Figure 1 shows the block diagram of the instrumentation using the on-line configuration. Starting from the left you can see the four points, two points are used for the generation of the applied voltage and the measurement of the current flowing in the material (external electrodes), while the other two central ones are used for the voltage measurement. A special circuit has also been inserted to compensate for the parasitic capacitances of the cables and test leads. In this way, two voltages are obtained, one proportional to the current, the other proportional to the potential difference. These voltages are digitized through an analog digital A / D converter connected to a microcontroller for subsequent processing. For each signal, two sequences of values, in phase and in quadrature, called I and Q, are acquired at a specified frequency. In this way it is possible to derive the amplitude and phase of the two signals and from these, the complex impedance. This process allows to simplify the electronics necessary for the measurement that normally use lock-in systems, or similar. These devices are based on phase detectors or on systems for generating the sine and cosine components of the wave used. The dielectric constant and the resistivity of the material are obtained from the real and imaginary part of the impedance, as well as from the geometric factor of the probe used. Proceeding with the analog part there is: the amplifier of the transmitting part indicated with block 3 and the receiving part that take the voltage signal 5 and current 7. This last unit (7) is mainly composed of two stages: the first is a current-voltage converter followed by a cascade of amplifiers, to amplify the weak currents characteristic of high impedances, while the second (5) is composed of a voltage amplifier with a retroactive capacitive compensation chain. This particular circuit has been designed to work linearly within the frequencies (90 to 2000 kHz). This is only a limitation of the analog electronics relating to the prototype. In theory, there is no conceptual limitation to the possibility of using a wider frequency range even by a few orders of magnitude. The various units shown in figure 1 have been made according to a standard used in precision electronic instrumentation in the parts where it is required. The circuit techniques adopted for the compensation of the parasitic capacitances of the cables and of the test leads are sufficient and allow to carry out measurements of high impedances. The signal generator, using a high voltage transformer, allows to inject currents into high resistivity materials. One of the technical peculiarities of the proposed instrument is that of realizing a subsampling in phase and in quadrature with the relative acquisition through an A / D with a dynamics of 2 <n> bits with n> 12. The main blocks and functions of the analog-to-digital and digital-to-analog conversion unit are described in figure 2. It contains: the DDS (1), the A / D converter for taking the voltage signal (2), the converter A / D for taking the current signal after conversion from current to voltage (3), the data bus of the digitized signals to the microcontroller (4), the enabling line for sampling I and Q of the voltage signal (5), enabling line I and Q sampling of the current signal (6), the DDS sampling and control enable signal bus and programmable counters by the microcontroller (7), frequency synthesis for the signal in phase I (8), Q (9) quadrature signal frequency synthesis, I signal programmable counter chain (10), Q signal programmable counter chain (11), I and Q sampling enable pulse encoding of the received signal (12 ), coding of pulse enabling sampling I and Q of the transmitted signal (13), simplified representation in the case of sub-sampling I and Q at 1/8 of the signal frequency (14). The induced current is dependent on the complex impedance of the medium, Z = Z (R-jX) that is, from Ζ (Α, φ). The measurement of the complex impedance Ζ (Α, φ) can in principle be carried out with high accuracy with a minimum phase error 0.2 degrees and in amplitude l / 2 <n> Volt with electronic components available on the market and implementing the process medium in the microcontroller. A particularity of the proposed instrument is that of avoiding expensive and cumbersome circuit solutions but resorting to an expedient that allows to evaluate Ζ (Α, φ) by means of a subsampling performed at a submultiple of the probing frequency. Once the sampling frequency has been established, fssi can inject currents of frequency / given by: f = Mfs into the middle where, M is an integer preferably, but not necessarily, a power of 2 to facilitate digital circuitry. In practice, sampling I and Q provides both the information you need, that is, the amplitude A and the phase φ. Similarly, with very sophisticated look-in amplifiers, the technique used reduces the phase error compared to uniform sampling and does not require very sophisticated electronics. It has been estimated that by then averaging over a certain number of acquired values, amplitude terror due to the error that introduces a high frequency disturbance and also the consequent phase error can be reduced. In this paper, all the operations that the microcontroller performs both for enabling and controlling the electronic devices used in the instrument object of the invention, and the calculation algorithms have been deliberately omitted, as they can be found in the technical literature of this discipline. Instead, the original parts developed in the instrument have been highlighted.

Tecnica e implementazione del sottocampionamento Technique and implementation of subsampling

Dato che si conosce esattamente la frequenza impiegata e, comunque si assume che altre componenti armoniche eventualmente sovraimposte al segnale siano di ampiezza trascurabile, si può efficacemente impiegare la tecnica del sottocampionamento. Il segnale che in assenza di rumore sarebbe una componente assolutamente monocromatica, viene degradato dal rumore, sia quello ambientale, sia quello generato dai circuiti elettrici dello strumento. Qui assumiamo con certezza che il segnale abbia una banda molto stretta, per cui il processo di campionamento I/Q con una operazione di medie contribuisce a reiettare frequenze diverse dalla portante f Esso in pratica agisce come un phase sensitive detector e integratore, dove il processo di campionamento rileva l’ampiezza del segnale dove la relazione in fase è assolutamente mantenuta (esso è sensibile solo alla frequenza coincidente con quella di campionamento o sottocampionamento) e, il processo di medie digitale agisce come un integratore analogico. In linea teorica non pensando a un processo di medie anche un solo campione I e Q sarebbe sufficiente a determinare l’impedenza complessa. I vantaggi del metodo che impiega il sottocampionamento, sono evidenti in quanto sono ridotte sia la velocità degli A/D che la circuiteria relativa alla sintesi delle frequenze di campionamento. Questo metodo pertanto consente di eseguire una vera spettroscopia elettrica, in quanto in linea teorica, si possono eseguire misure a qualsivoglia frequenza nel campo menzionato. L’altro indubbio vantaggio di ridurre la frequenza di campionamento risiede nel fatto che si possono impiegare A/D con un elevato numero di bit, riducendo l’errore d’ampiezze e di fase di un fattore l/2<n>, con n numero di bit, dovuto al processo di discretizzazione. In pratica quest’ultimo errore di fase dovuto alla discretizzazione dell’ampiezza è tipicamente molto piccolo se si impiega un A/D con elevato numero di bit (« >12), e predomina l’errore in fase del circuito campionamento. Tale circuito genera le due sequenze di segnali di abilitazione mM’T e mM T T/4, per gli A/Ds, dove m è un intero ( m=l,2,3 ....) e T il periodo del segnale impiegato. Qui di seguito si propongono alcune soluzioni circuitali per la riduzione di tale errore dovuti al processo di campionamento. Lo strumento basato sul metodo del sottocampionamento consente quindi di acquisire due sequenze di valori /, e £3⁄4 per cui si può ricostruire sia Γ ampiezza ottenuta dalla radice della somma I Q , che la fase del segnale ricavata dall’arcotangente del rapporto tra I e Q. Ciascuna di queste due grandezze è affetta da un errore. Valutare tali errori è di estrema importanza in quanto le prestazioni di questo strumento sono dipendenti da essi. Il processo di discretizzazione delle ampiezze dovuto alla conversione analogico -digitale e di discretizzazione del tempo introdotto dai contatori elettronici e al tipo di logica elettronica impiegata sono di seguito descritti. Con la componentistica impiegata reperibile sul mercato si ottengono errori in fase di 0.2 gradi (DDS) e errori di quantizzazione in ampiezza dell’ ordine di 1/2<12>(A/D a 12 bit) sono stati ottenuti. Mentre gli errori dovuti al rumore ambientale e interno ai circuiti si possono ridurre in ragione della radice del numero di medie partendo dagli i valori Ij e Qi . In figura 2 è rappresentato uno schema concettuale di implementazione della tecnica di sottocampionamento. Ad esempio qui la frequenza di sondaggio del segnale / è 8 volte quella di campionamento fs. Per mantenere le giuste relazioni di fase tra I e Q per qualsivoglia frequenza si può adottare 1 o schema proposto in figura 2. Tale schema assicura la corretta relazione di fase tra il segnale I e Q. Le catene di contatori programmabili, esattamente sono identiche e operano una divisione della frequenza per l’intero M e assicurano che le relazioni di fase siano conservate nella operazione di campionamento. Infine due circuiti di decodifica abilitano per ciascun A/D il processo di campionamento per le due sequenze /,· e Q{. Since the frequency used is known exactly and, in any case, it is assumed that other harmonic components possibly superimposed on the signal are of negligible amplitude, the subsampling technique can be effectively used. The signal, which in the absence of noise would be an absolutely monochromatic component, is degraded by noise, both the environmental one and that generated by the electrical circuits of the instrument. Here we assume with certainty that the signal has a very narrow band, so that the I / Q sampling process with an averaging operation helps to reject frequencies other than the carrier f It in practice acts as a phase sensitive detector and integrator, where the process sampling detects the amplitude of the signal where the relationship in phase is absolutely maintained (it is sensitive only to the frequency coinciding with the sampling or subsampling frequency) and, the digital averaging process acts as an analog integrator. In theory, not thinking of a process of averages, even a single sample I and Q would be sufficient to determine the complex impedance. The advantages of the method that uses subsampling are evident in that both the speed of the A / Ds and the circuitry relating to the synthesis of sampling frequencies are reduced. This method therefore allows to perform a true electrical spectroscopy, as theoretically, measurements can be performed at any frequency in the mentioned range. The other undoubted advantage of reducing the sampling frequency lies in the fact that A / D with a high number of bits can be used, reducing the amplitude and phase error by a factor l / 2 <n>, with n number of bits, due to the discretization process. In practice, this last phase error due to the discretization of the amplitude is typically very small if an A / D with a high number of bits ("> 12) is used, and the error in the sampling circuit phase predominates. This circuit generates the two sequences of enabling signals mM'T and mM T T / 4, for the A / Ds, where m is an integer (m = l, 2,3 ....) and T the period of the signal used . Some circuit solutions are proposed below to reduce this error due to the sampling process. The instrument based on the subsampling method therefore allows to acquire two sequences of values /, and £ 3⁄4 for which it is possible to reconstruct both Γ amplitude obtained from the root of the sum I Q, and the phase of the signal obtained from the arctangent of the ratio between I and Q. Each of these two quantities is affected by an error. Evaluating such errors is of utmost importance as the performance of this tool is dependent on them. The discretization process of the amplitudes due to the analog-digital conversion and the time discretization introduced by the electronic meters and the type of electronic logic used are described below. With the components used available on the market, phase errors of 0.2 degrees (DDS) are obtained and quantization errors in amplitude of the order of 1/2 <12> (12-bit A / D) have been obtained. While the errors due to ambient and internal noise in the circuits can be reduced by the root of the number of averages starting from the Ij and Qi values. Figure 2 shows a conceptual scheme of implementation of the subsampling technique. For example, here the sounding frequency of the signal / is 8 times that of sampling fs. To maintain the correct phase relations between I and Q for any frequency, the scheme proposed in figure 2 can be adopted. This scheme ensures the correct phase relation between the signal I and Q. The chains of programmable counters are exactly identical and they operate a frequency division for the whole M and ensure that phase relationships are preserved in the sampling operation. Finally, two decoding circuits enable the sampling process for the two sequences /, · and Q {for each A / D.

Sono chiari i vantaggi derivanti dall’ applicazione della presente invenzione. The advantages deriving from the application of the present invention are clear.

La principale caratteristica dello strumento è la misura simultanea della permittività e conducibilità elettrica. Pertanto si può eseguire nell’ambito delle frequenze utilizzate una vera spettroscopia elettrica dei mezzi materiali non conduttivi. Sono possibili accuratezze intorno all’1% o inferiori di entrambe le grandezze menzionate, dato l’alto numero di valori per eseguire il processo di media. Anche non usando frequenze particolari accuratezze inferiori al 10% sono quasi sempre possibili. Per vìa dell’ accoppiamento capacitivo con i mezzi non è necessario un contatto ohmico e questo è particolarmente apprezzabile dove si analizzano materiali pregiati. The main feature of the instrument is the simultaneous measurement of permittivity and electrical conductivity. Therefore, a true electrical spectroscopy of non-conductive material media can be performed within the frequencies used. Accuracies of around 1% or less of both the mentioned quantities are possible, given the high number of values to perform the averaging process. Even when not using particular frequencies, accuracies of less than 10% are almost always possible. Due to the capacitive coupling with the media, an ohmic contact is not necessary and this is particularly appreciable where valuable materials are analyzed.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’ invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. From the above description, the person skilled in the art is able to realize the object of the invention without introducing further construction details.

Breve descrizione delle figure Brief description of the figures

La figura 1 rappresenta un diagramma a blocchi del misuratore di permittività e resistività elettrica conforme all’invenzione con tre principali sezioni: analogica (A), digitale (B) e di elaborazione numerica (C) ; Figure 1 represents a block diagram of the electrical permittivity and resistivity meter according to the invention with three main sections: analog (A), digital (B) and numerical processing (C);

la figura 2 presenta con maggiore dettaglio la sezione B del misuratore di permittività e resistività elettrica con implementazione del sottocampionamento, in fase e quadratura, evidenziando anche le principali funzioni di abilitazione. Figure 2 presents in greater detail section B of the electrical permittivity and resistivity meter with implementation of subsampling, in phase and quadrature, also highlighting the main enabling functions.

Claims

CLAIMS Permittivity and electrical resistivity meter for non-invasive investigations on materials which through a capacitive coupling with the medium through a four-terminal probe allows the simultaneous measurement of conductivity and electrical permittivity. It includes an analog transmitting section with a voltage amplifier, a receiving part with a current-voltage converter, an A / D acquisition part using the subsampling technique, a signal processing part, in order to operate integration processes for achieve the desired accuracy in the measurement of permittivity and electrical conductivity. Permittivity and electrical resistivity meter for non-invasive investigations on materials as in claim 1, characterized by a technique that uses phase and quadrature subsampling in the acquisition of digital data. Permittivity and electrical resistivity meter for non-invasive investigations on materials as in claim 1, characterized by a circuitry that uses subsampling in the acquisition of digital data to eliminate the limitations of A / D acquisitions, both in terms of sampling rate and dynamics. Permittivity and electrical resistivity meter for non-invasive investigations on materials as in claim 1, characterized by a technique that uses variable frequencies in order to perform an electrical spectroscopy without varying the sampling frequency so as to optimize the accuracy of the measurement (around a percent), both for the permittivity and for the electrical conductivity of the material means.