Kentte ve Bodrum’da Kadın Olmak

Após a conclusão dos experimentos apresentados na seção anterior a expectativa era de que a medição de temperatura com o sistema construído estava corretamente ajustada. Assim, foi realizado um terceiro procedimento, agora com o objetivo de comprovar o ajuste do sistema do sistema. Novamente, um método de comparação foi utilizado. O termômetro de referência foi montado tal como na etapa anterior, ou seja, um termistor de precisão PR103J2, um multímetro 34401A, e o programa ExpsLog em execução no computador hospedeiro. Porém, para obter completa independência entre as etapas de ajuste e validação foram utilizados exemplares diferentes de termistor e multímetro. O novo multímetro também teve sua calibração certificada em laboratório credenciado pelo INMETRO, poucos meses antes da sua utilização no experimento.

Dado o problema de grande diferença no tempo de resposta entre o termômetro e o sensor, conforme a Figura 7.12 mostrou, para o procedimento de validação foi utilizada uma montagem aperfeiçoada em relação àquela da seção anterior. Tal montagem corresponde

exatamente aquela da Figura 7.10, ou seja, ao contrário da seção anterior agora o termistor e o encapsulamento do MSP430 estavam em contato direto. O esperado é que com a nova montagem as constantes de tempo para o termômetro e o sensor fossem iguais, ou pelo menos próximas. Assim, foi repetido o experimento de resposta a um degrau de variação de temperatura. De acordo com os resultados da Figura 7.13, confirmou-se a expectativa, pois, as constantes de tempo do termômetro de referência e do sensor foram 200 s e 196 s, respectivamente, uma diferença de apenas 4 s, ou 2%.

Para o procedimento de validação, a temperatura de um banho de água destilada foi variada continuamente em um ciclo com pontos de inflexão em 23, 50, 23, 24, 24, e 20 graus Celsius, como mostrado na Figura 7.14. O banho tinha um volume de 4300 cm3. Os aumentos de temperatura entre [23, 50] e [23, 24] foram por meio de uma resistência blindada alimentada por uma fonte de tensão alternada variável. A queda de temperatura entre [24, 20] foi obtida pela troca de volumes do banho por água a 0 oC. Finalmente, os intervalos entre [50, 23] e [20, 21] ocorreram de forma natural, ou seja, apenas pelo efeito da temperatura ambiente sobre o banho. O ciclo completo consumiu um tempo total de 69 horas. Os pontos de medição eram obtidos a cada 20 s. As taxas de aquecimento e resfriamento lentas mostradas na Figura 7.14

0 1000 2000 3000 4000 5000 20 30 40 50 Sensor ajustado Termômetro de referência 2 63,2 % do degrau de temperatura (s) t ( C)o T

Figura 7.13 - Evolução da temperatura durante o segundo experimento de resposta à variação de temperatura. O sensor e o termômetro de referência inicialmente estavam em um banho com temperatura de 23 oC. No tempo t = 2415 s ambos foram transferidos para um banho com temperatura de 44,7 oC, ou seja, um degrau de temperatura de 21,7 oC. A montagem neste experimento era exatamente aquela da Figura 7.10.

7 - Sistema de Monitoramento de Temperatura 145 0 0.5 1 1.5 2 2.5 x 105 20 30 40 50 Sensor ajustado Termômetro de referência 2 ( C)o T (s) t

Figura 7.14 - Resultados do experimento de validação.

foram deliberadas. A razão para isso foi tornar desprezível qualquer efeito relativo à diferença entre os tempos de resposta do sensor e do termômetro.

Nas curvas da Figura 7.14, a diferença entre os valores é mais significativa nos pontos extremos, 50 oC e 20 oC, onde a diferença absoluta é 0,5 oC e 0,4 oC, respectivamente. Para os pontos entre os extremos a diferença reduz-se gradualmente. Por exemplo, na faixa de maior interesse para estudos biomédicos envolvendo mamíferos, 35 oC a 42 oC, a diferença atinge um máximo absoluto de 0,28 oC.

7.6 Discussão

Os resultados da seção anterior mostram a validade do conceito de sistema de medição proposto nesta Tese, ou seja, um sistema onde as funções de comunicação e alimentação para um sensor implantável são realizadas por meio de uma seção de RF passiva, operada segundo o princípio de acoplamento indutivo. O sensor de temperatura, constituído apenas por dispositivo RFID e microcontrolador comerciais, operou corretamente sem o uso de qualquer fonte de energia que não aquela originária do sinal de RF do interrogador.

Embora os resultados mostrem a viabilidade da proposta apresentada, o sistema construído tem duas restrições.

Primeiro, na parte do interrogador foi utilizado apenas o circuito recomendado na documentação do CI utilizado (STMicroelectronics, 2005). Isto corresponde a um interrogador com limitações importantes nos aspectos de potência de RF e desempenho na decodificação da modulação de carga gerada pelo transponder. De acordo com tais limitações, o sistema construído somente foi capaz de operar para distâncias de separação menores do que 17 mm, isso apesar do projeto para o acoplamento indutivo ter sido realizado conforme o método das seções 6.5, 6.6 e 6.8, onde a distância de 30 mm deveria levar ao melhor desempenho, tanto em termos de transferência de potência quanto em termos de eficiência nas comunicações. Foi identificado que o aspecto mais crítico no sistema construído são as comunicações no sentido do transponder para o interrogador. Nesse sentido, distâncias de separação maiores do que 17 mm resultavam em uma taxa de erros tão alta que era inviável a comunicação. No sentido oposto, ou seja, do interrogador para o transponder, com distâncias de até 25 mm o sensor ainda tinha tensão VDD suficiente para operar, e, além disso, era capaz de decodificar os

comandos recebidos do interrogador. Acredita-se que apenas com o aumento na potência de saída do interrogador seja possível melhorar o desempenho do sistema no sentido interrogador para transponder. Porém, para o sentido oposto, ou seja, aquele que envolve a decodificação da modulação de carga, o CI interrogador utilizado é muito limitado. O próprio fabricante desse dispositivo propõe para a viabilidade de maior alcance uma versão mais sofisticada de interrogador, onde circuitos de amplificação e filtragem adicionais são acrescentados em torno do CI interrogador (STMicroelectronics, 2006b).

A segunda restrição é que embora o sensor construído tenha obtido uma qualidade nas medidas compatível com a aplicação de monitoramento de temperatura em pesquisas com pequenos animais, isto exigiu um procedimento de ajuste baseado em dois pontos de temperatura. Este foi o ônus originado pelo benefício do sensor integrado dentro microcontrolador, evitando-se circuitos adicionais no implante. Porém, o procedimento de ajuste exigido é de alto custo, dado o instrumental, tipo de montagem e tempo necessários.

O sistema descrito neste capítulo pode ser visto como uma plataforma de sensoriamento sem fio sobre a qual novos tipos de medidas podem ser acrescentados. Tal plataforma pode ser utilizada também para aplicações de tipo diferente das propostas neste trabalho. A princípio, pode se beneficiar do tipo de sistema desenvolvido qualquer aplicação onde exista necessidade

7 - Sistema de Monitoramento de Temperatura 147

de medições ao longo de grandes períodos de tempo, sem possibilidade de acesso por cabos e sem possibilidade de reposição de baterias, e que aceite os baixo alcance de comunicação e energização para o sensor. Aplicações onde tais requisitos podem ocorrer são medidas no interior de estruturas em construção civil (Merlino, 2009), em cabos e dutos enterrados, e em partes de difícil acesso em veículos, equipamentos e ferramentas.

CAPÍTULO 8

CONCLUSÃO

Este trabalho realizou uma investigação relativa ao acoplamento indutivo de acordo com sua aplicação a um sistema de implante biomédico. Essa investigação teve um maior foco nos métodos para o projeto dos circuitos diretamente responsáveis pela transferência de energia entre o subsistema externo e o dispositivo implantado. Tais circuitos correspondem aos indutores de acoplamento, redes de casamento e resistências adicionais nos ramos dos indutores.

No Capítulo 2, nós definimos um diagrama de blocos para um moderno sistema de implante. Também foi definida uma terminologia para o sistema.

Nos Capítulos 2, 3 e 4 diversas limitações do acoplamento indutivo em um implante foram analisadas. Primeiro, devido à legislação relativa à irradiação de sinais de RF, somente certas faixas do espectro de freqüências estão disponíveis para a aplicação. Segundo, o tecido biológico tem limites quanto à intensidade de campo de RF a que pode ser submetido. Assim, a compensação de eventuais falhas no funcionamento do sistema por meio do aumento da intensidade do campo interrogador está condicionada ao respeito a tais limites. Terceiro, conforme a operação deve ocorrer dentro da região de campos próximos, a faixa ISM de 900 MHz e aquelas superiores não são adequadas. Quarto, a dimensão do indutor de acoplamento no lado do implante tem que ser muito reduzida, de modo que o implante seja menos invasivo. O tamanho reduzido desse indutor faz com que o coeficiente de acoplamento seja baixo, o que torna crítica a viabilidade do sistema.

O acoplamento indutivo tipicamente é aplicado a um de sistema de implante para realizar a função de comunicação entre a parte implantada e aquela externa ao organismo. Adicionalmente, existem alguns de tipos de implante onde ele também pode ser responsável pela função de alimentação dos circuitos eletrônicos. Neste trabalho o conceito foi de que o acoplamento indutivo deve prover ambas funções e desta forma permitir que o implante opere sem bateria. Um implante para medição de grandezas fisiológicas em pequenos animais de laboratório é um tipo onde este conceito pode ser aplicado. O desenvolvimento da pesquisa foi em torno deste tipo particular de implante. Todavia, os métodos de projeto desenvolvidos podem ser aplicados a outros sistemas que empregam acoplamento indutivo, em particular aqueles para identificação por meio de sinais de RF.

No Capítulo 4, nós definimos o tipo de indutor de acoplamento mais adequado para o sistema. Esse tipo corresponde a um indutor planar de espiral circular. O modelo para o indutor bem como as fórmulas para os elementos deste modelo foram apresentadas. Nós comprovamos a validade do modelamento por meio de medições realizadas com um par de indutores de acoplamento, cada um dos quais construído utilizando técnica de placa de circuito impresso.

O Capítulo 5 tratou do equacionamento relativo à transferência de potência do interrogador para o transponder. Esse equacionamento considerou duas condições quanto ao projeto da rede de casamento do lado interrogador.

O baixo valor do coeficiente de acoplamento para um sistema de implante torna a viabilidade do sistema dependente da utilização de método de projeto criterioso. Esse foi um dos aspectos em torno do qual se desenvolveu a maior parte do Capítulo 6. Nós mostramos a obtenção de um circuito equivalente para o acoplamento indutivo em uma aplicação que utilize esta técnica para a comunicação e energização remota. Os componentes deste circuito equivalente foram discutidos. Em particular, nós apresentamos dois métodos para a determinação da carga RL equivalente para os circuitos do transponder, um essencialmente

analítico e outro por meio de medições.

Nós definimos e descrevemos no Capítulo 6, três etapas básicas para o projeto do acoplamento indutivo. A primeira etapa corresponde à determinação de parâmetros iniciais para o projeto. A segunda é a varredura de parâmetros dos indutores, método que permite determinar os indutores interno e externo. O objetivo definido para o processo de varredura corresponde à obtenção do maior coeficiente de acoplamento possível, dada uma determinada distância de separação típica entre os indutores e uma dimensão máxima para o indutor

8 - Conclusão 151

implantado. No Capítulo 4 foi desenvolvido o conceito da separação típica entre indutores para o caso particular do implante para pequenos animais, e também foi demonstrado que tal conceito é o mais adequado para uso nos métodos de projeto. A terceira etapa do projeto corresponde à determinação das redes de casamento e resistências extras nos lados de interrogador e transponder. Para tal etapa nós definimos dois objetivos de projeto, um relativo à separação onde se obtém o máximo da curva de potência transferida, e outro relativo à largura de faixa nas comunicações. Para a determinação dos componentes nós desenvolvemos quatro métodos, segundo uma ordem crescente de complexidade e de desempenho quanto ao máximo da curva de potência. Todos os quatro métodos foram baseados nas expressões matemáticas para o acoplamento indutivo que foram deduzidas no Capítulo 5 e no Apêndice B. O Apêndice B tratou do equacionamento relativo ao ganho de tensão em função da freqüência, o que permite determinar a largura de faixa dos circuitos do acoplamento indutivo.

No Capítulo 7 foi apresentada uma implementação de sistema de medição de temperatura onde o sensor opera baseado no acoplamento indutivo. Por meio desta implementação, nós realizamos uma série de medições que permitiram determinar o valor mais adequado para a carga RL no modelo tratado no Capítulo 6. Nós também mostramos que para

um sensor energizado por acoplamento indutivo e com medições realizadas por conversor A/D, a interrupção do campo de RF durante as medições pode ser um método útil para melhorar a qualidade das medidas obtidas. Finalmente, nós apresentamos procedimentos que permitiram realizar o ajuste e validação do sistema construído.