Broadband Measurement Techniques for Impedance Spectroscopy- and Time Domain Reflectometry Applications

Kurzbeschreibung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der breitbandigen elektrischen Impedanzmessung, häufig auch Impedanzspektroskopie genannt, sowie verwandten breitbandigen Messmethoden wie der Zeitbereichsreflektometrie. Breitbandige Messungen der komplexen elektrischen Impedanz einer Probe werden bereits seit rund einem Jahrhundert erfolgreich eingesetzt, um charakteristische frequenzabhängige elektrische und dielektrische Materialeigenschaften zu ermitteln. Anhand gewonnener Messdaten und mittels geeigneter Auswerteverfahren und Modelle kann in vielen Fällen eine Aussage über den Zustand der Probe gemacht werden. Das potentielle Anwendungsgebiet der Impedanzspektroskopie und der verwandten Zeitbereichsreflektometrie umfasst fast alle Bereiche des täglichen Lebens und reicht von medizinischen, biologischen und chemischen Anwendungen über KFZ-, Industrie- und Umweltmesstechnik bis hin zur Pharmazie und Lebensmittelanalyse. Obwohl dieses Forschungs- und Arbeitsgebiet bereits seit langem bekannt ist und unzählige Publikationen existieren, gibt es bis heute vergleichsweise wenige technische Realisierungen in Form von Produkten. Ein Grossteil der publizierten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten behandelt theoretische Grundlagen und weist die prinzipielle Machbarkeit in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen nach. In vielen Fällen ist zu beobachten, dass die bereits publizierten Ergebnisse auf der Basis von Laborversuchen mittels teurer und aufwendiger Labormesstechnik beruhen. Ein Nachweis der prinzipiellen Anwendbarkeit der Messmethode ist damit meist zwar geführt, zu einer Umsetzung in Form eines real nutzbaren Produktes kommt es jedoch in vielen Fällen aufgrund der hohen Kosten nicht. Neben den zahlreichen bereits untersuchten Anwendungsfällen gibt es auch immer noch viele Aufgaben- und Problemstellungen, die sich zwar mit Hilfe breitbandiger Messverfahren prinzipiell lösen lassen, aber noch nicht bzw. nicht ausreichend untersucht wurden. Viele dieser noch nicht untersuchten Anwendungsgebiete befinden sich in Marktsegmenten, die zusätzliche oder spezielle Anforderungen an entsprechende Produkte stellen wie z.B. eine miniaturisierte Bauform, energieeffizientes und batteriebetriebenes Messen und nicht zu letzt niedrige Kosten. Die vorliegende Arbeit ist inhaltlich in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil beschäftigt sie sich mit der ausführlichen Untersuchung von drei praktischen Aufgabenstellungen. Zwei davon aus dem Bereich der Medizintechnik sowie eine weitere aus dem Bereich Feuchtemesstechnik. Im zweiten Teil der Arbeit werden neu entwickelte universelle elektronische Schaltungskonzepte und Messkonzepte erläutert, mit denen es möglich ist die untersuchten Anwendungen kostengünstig in reale Produkte zu überführen. In der ersten medizintechnischen Anwendung wird ein kapazitiver Sensor entwickelt, der basierend auf Impedanzmessungen in der Lage ist, den Hämatokritwert (HCT) von Blut zu bestimmen. Besonderheit dieses Sensors ist, dass er in bestehenden Systemen mit extrakorporalen Blutkreisläufen von aussen an einem Schlauch angebracht werden kann, ohne direkten Kontakt zum Blut zu haben. Mit dem neu entwickelten Sensor wurde im Labor eine Messgenauigkeit von 4 % HCT erreicht bei einer Auflösung von etwa 0,1 % HCT. In der zweiten untersuchten medizintechnischen Anwendung wird biologisches Gewebe an der Spitze einer Kanüle während des dynamischen Einstechvorgangs impedanzspektroskopisch analysiert und klassifiziert. Dies ermöglicht eine genaue Positionierung der Kanülenspitze in einem bestimmten Zielgewebe mit minimalem technischem Aufwand. Durch die Verwendung eines koaxialen Kanülenaufbaus wird eine hohe örtliche Auflösung erreicht die in etwa dem Durchmesser der Kanüle entspricht. Der Einsatz von kurzen Chirp-Signalen als Messsignal ermöglicht eine Gewebeerkennung innerhalb einer Mess- und Auswertezeit von unterhalb einer Millisekunde. Die dritte untersuchte Anwendung kommt aus dem Bereich der Feuchtemesstechnik. Hier wird mithilfe der Zeitbereichsreflektometrie eine ortsaufgelöste Erkennung des Wasserstandes von Grundwasser bzw. die Erkennung von eindringendem Fremdwasser in Gebäude realisiert. Die entwickelte Messelektronik ermöglicht durch den Einsatz geeigneter Abtast- und Auswerteverfahren eine Detektion von Wasser entlang der verwendeten Messleitung mit einer örtlichen Auflösung im Bereich weniger Millimeter und einer Genauigkeit von etwa +/- 3 cm. Durch den universellen und modularen Aufbau und Charakter der entwickelten Elektroniken eignen sich diese darüber hinaus hervorragend auch zur Lösung weiterer messtechnischer Aufgaben in verwandten Themengebieten. Ziel der Schaltungsentwicklungen ist es, den Platzbedarf, die Stromaufnahme und die Kosten gegenüber dem aktuellen Stand der Messtechnik deutlich zu senken, so dass sich basierend auf den entwickelten Prototypen leicht anwendungsspezifische Produkte realisieren lassen. Obwohl die breitbandige Impedanzmesstechnik kein neues wissenschaftliches Arbeitsgebiet ist, herrscht derzeit immer noch ein grosser Mangel an miniaturisierter und kostengünstiger Messtechnik. In den letzten Jahren gab es jedoch insbesondere im Bereich der programmierbaren bzw. konfigurierbaren digitalen Logikschaltungen einigen technischen Fortschritt, so dass heute extrem leistungsfähige Bausteine zu sehr geringen Kosten zur Verfügung stehen. Die in dieser Arbeit entwickelten Schaltungskonzepte basieren auf dem Einsatz solcher programmierbarer Logikschaltungen. Die technischen Moglichkeiten der verwendeten Bausteine werden genutzt in Verbindung mit geeigneten Messsignalen und Abtastprinzipien. Als Ergebnis dieser Arbeit stehen zwei unterschiedliche Plattformen zur Verfügung. Die erste Plattform ist optimiert für statische Anwendungen, in denen die Messdauer ein unkritischer Parameter ist, jedoch hohe Anforderungen an die (virtuelle) zeitliche Auflösung des gemessenen Signals gestellt werden. Das technische Abtastprinzip dieser Plattform basiert auf dem Verfahren der Unterabtastung eines periodischen Messsignals, wobei zur Abtastung eine digitale Variante eines Delta-Modulators verwendet wird. Die zweite entwickelte Plattform ist optimiert für dynamische Anwendungen, bei denen die benötigte Messdauer zur Aufnahme eines komplexen Impedanzspektrums ein kritischer Parameter ist. Aufgrund der hervorragenden Skalierbarkeit in Bezug auf Signaldauer, Signalamplitude und Signalbandbreite sowie der Möglichkeit einer sehr schnellen digitalen Verarbeitung der abgetasteten Signale in Hardware werden hier Chirp-Signale als Messsignale eingesetzt. Basierend auf den messtechnischen Überlegungen wurden jeweils Prototypen - Schaltungen aufgebaut und erfolgreich getestet. Die Plattform zur Messung mit virtuell sehr hoher zeitlicher Auflösung wurde zusätzlich im Rahmen eines Projektes mit der University of Queensland, Brisbane, Australien, weiterentwickelt zu einem miniaturisierten hochauflösenden Zeitbereichsreflektometer. Derzeit werden in Pilotstudien in der Nähe von Brisbane 20 dieser Geräte genutzt zur ortsaufgelösten Messung des Grundwasserpegels. Weitere 20 Geräte wurden in Kooperation mit der TU Darmstadt modifiziert und werden erfolgreich in der Gebäudetechnik zur Feuchtemessung eingesetzt. Description The following thesis focuses on the application of broadband impedance measurements, often referred to as impedance spectroscopy, as well as similar measurement methods such as Time Domain Reflectometry (TDR). Broadband complex impedance measurements of a sample have been successfully conducted since about a century for obtaining characteristic frequency dependent electric and dielectric material properties. The condition of a sample can be determined based on measured data as well as suitable data processing methods and models. Potential practical applications for impedance spectroscopy are widely found in almost all areas of the daily life and include medical, biological, chemical, automotive, industrial, environmental, pharmaceutical and food quality applications. Although impedance spectroscopy is a well known scientific field with a huge amount of existing publications, there are only few real products based on this technology available today. Most scientific publications elaborate on the theoretical background and demonstrate the applicability of the method within many different applications. In most cases it can be observed that presented research results are based on measurements which have been conducted with expensive state-of-the-art laboratory equipment. The suitability of the impedance spectroscopy method is proven in many cases but mostly there is no resulting product available due to the high cost of the measurement equipment. In addition to the already studied applications there are still a lot of applications and problems where impedance spectroscopy could be used but which are not or not fully investigated yet. Many of these applications can be found in market segments where additional requirements exist such as miniaturization, low-power and battery operation and last but not least low cost. The content of the following thesis is subdivided into two parts. The first part is about the detailed analysis of three practical measurement applications. Two applications belong to the field of biomedical engineering and the third application belongs to the field of moisture measurement. Within the second part of this thesis new developed circuits and measurement concepts are presented. Based on these new concepts it is possible to implement cost sensitive real products for the investigated applications. Within the first medical application a capacitive sensor is developed which is able to determine the hematocrit value (HCT) of a blood sample based on impedance measurements. This sensor can be attached to standard plastic tubing in existing machines with an extracorporeal blood circulation system without the need for a direct contact with the blood. Laboratory experiments with the new developed sensor show an accuracy of approximately 4 % HCT and a resolution of approximately 0,1 %. Within the second investigated medical application the biological tissue which is close to the tip of a needle is continuously analysed during the dynamic insertion process and based on the obtained impedance data the tissue type is classified. This allows for positioning the tip of a needle or cannula within a well defined target tissue type with a minimum technical effort. By using a coaxial cannula design the achieved high spatial resolution is in the range of the diameter of the cannula. Short chirp signals are used as measurement signals and allow for a short measurement and processing time of below 1 ms for recognizing a tissue type. The third investigated application is in the field of moisture measurement. Here a water detection system with spatial resolution along a transmission line is implemented which allows for groundwater level monitoring and detection of penetrating water in buildings. The second part of the thesis deals with the development of suitable electronic measurement equipment and circuits which cover the requirements given by the previously studied applications. Goal of the development is to dramatically reduce the size, the power consumption and the cost compared to existing standard measurement devices. In combination with the flexible design of the developed circuits and systems this allows for implementing real products in similar other applications as well. In spite of the fact that broadband impedance measurement is not a new field of work, there is still a lack of available miniaturized and cheap measurement equipment. However, in the recent past there was a lot of progress in the field of programmable and reconfigurable digital hardware. Today there are very cheap but powerful logic components available. The measurement circuits developed within this thesis are based on such programmable logic components. The technical benefits of these components are used in conjunction with suitable measurement signals and sampling methods. As a result of this thesis there are two independent platforms available. One platform is optimized for static applications where the total acquisition time is of minor importance but the requirements for a (virtual) very high temporal resolutions are present. In this case the employed sampling concept is conventional undersampling of a periodic measurement signal. The sampling system itself is based on a digital variation of a delta modulator circuit. The second developed measurement platform is optimized for dynamic applications where the required acquisition time for obtaining an impedance spectrum is a critical parameter. Chirp signals are used due to the excellent scalability with respect to signal duration, signal amplitude and signal bandwidth as well as the option for fast digital hardware signal processing. Prototype circuits have been constructed and successfully tested based on the two developed measurement concepts. In addition the first platform which employs the undersampling scheme is used within a research project in cooperation with the University of Queensland, Brisbane, Australia. The platform is modified and used for soil moisture measurements based on the Time-Domain-Reflectometry (TDR) principle. Currently 20 TDR-meter devices are installed near Brisbane, Australia within a ground water monitoring experiment. Another 20 TDR-meter prototype devices have been built in cooperation with the University of Darmstadt and are used for water detection and moisture measurement in buildings.