RADIO FREQUENCY SENSOR ARRAYS FOR DIELECTRIC CONSTANT ESTIMATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Muhammad_Tayyab_Thesis_Final.pdf - Accepted Version Download (11MB) | Preview

Arabic Abstract

الإتيان بمجسات راديوية التردد (RF) وطرق لتقدير ثابت العزل الكهربائي للمواد في مجال متطور. تلك المجسات لديها تطبيقات هامة في مجالات الأبحاث النفطية والطبية الحيوية بالإضافة إلى مجالات أخرى. هذا العمل يستعرض مصفوفة مجس RF لتطبيقات الأبحاث النفطية والطبية الحيوية. القياسات الخاصة بقسم أحادي الطور في تدفق متعدد الأطوار هام جداً في صناعات النفط والبتروكيماويات. هذا العمل يستعرض تصميم مجس RF لتقدير ثابت العزل الكهربائي لتركيبات ثنائية أو ثلاثية الأطوار من نفط وماء وغاز. مجس RF ذو الـ28 منفذ تم تصميمه ومعايرته ليعمل على تردد 250 ميجاهيرتز. استخدام معامل الانتقال لكل منفذ مجس RF، تم الحصول على معادلة لتقدير ثابت العزل الكهربائي من خلال تطبيق طريقة التربيعات الأقل (LS). ثلاثة تركيبات مختلفة ثنائية الأطوار تحتوي على نفط-ماء، غاز-ماء، غاز-نفط وتركيبات ثلاثية الأطوار من نفط-ماء-غاز تم التحقق منها عملياً مع معدل نسب خطاً مُقاسة 5.5%، 17.3%، 16% و6.2% بالترتيب. اختبار اهتزازي (حالة متحركة) للتركيب ثلاثي الأطوار تم تطبيقه لمماثلة التدفق ثلاثي الأطوار الحقيقي وكان معدل الخطأ المُقاس 9.3%. المجس المقترح يمكنه تقدير تركيب ثنائي أو ثلاثي الأطوار من نفط، ماء وغاز بمتوسط خطأ أقل من 10%. المجس المقترح منخفض السعر، مع تعقيد منخفض وهو الأول الذي يوفر تقديرات منخفضة الخطأ لتدفقات ثابتة أو متحركة ثنائية أو ثلاثية الأطوار التي تم تنفيذها على مادة AP9131 مرنة بسمك مقداره 0.1016 ملليميتر وحجم 6×27.93 سنتيميتر مربع التي بالإمكان لفها حول أنبوب أكريليكي. الجزء الثاني من العمل يستعرض التصميم لمصفوفة مجس RF لمراقبة الوذمة الرئوية داخل صدر المريض. تم اقتراح مصفوفة مجس RF منخفض التعقيد، منخفض القدرة، صغير الحجم، قابل للارتداء، مطبوع من خلال نفث الحبر، رخيص غير ضارة لمراقبة الوذمة الرئوية والانتفاخ الرئوي داخل صدر المريض. مجس الـRF يحتوي على 38 قطب كهربائي و37 منفذ. حجم المجس هو 4×89.4 سنتيميتر مربع. المجس تم معايرته ليعمل على تردد 60 ميجاهيرتز. معاملات الانتقال Si1تم قياسها على كل منفذ غير فعالومن ثم تم استخدام طريقة التربيعات الأقل LS لتكوين معادلة لتقدير معدل ثابت العزل الكهربائي. طريقة تقدير ثابت العزل الكهربائي تم استخدامها لكشف ظهور فائض ماء/هواء في الرئتين. باستخدام عدة تقديرات العازل (DAK)، تم الحصول على الخصائص الكهربائية للطبقات الداخلية والخارجية للإنسان ورئيتي الخزير باستخدام محاليل مختلفة من ماء، ملح، ايزوبروبيل (IPA) وجلسيرين. معدل ثوابت العزل الكهربائي المُقاسة لرئتي الإنسان الطبيعي، المصابة بالوذفة الرئوية والمصابة بالانتفاخ الرئوي تم تقديرها بنسبة خطأ 3.54%، 4.83% و4% بالترتيب. اختبار آخر تم باستخدام الخصائص الكهربائية لرئة الخنزير والتي تم تشكيلها باستخدام مزيج من الماء والملح. لكشف المراحل المختلفة للوذمة الرئوية، تم إدخال كرات تحوي 200 مل ماء للطبقة الداخلية من نموذج الصدر. الخطأ المُقاس يساوي 2.68%، 0.87%، 2.18% و2.8% لرئة الخنزير الطبيعية، بإضافة 6 كرات من الماء، بإضافة 12 كرة من الماء وبإضافة 18 كرة من الماء، بالترتيب. مصفوفة المجس المقترحة يمكنها أن تتكامل مع الملابس، لذا، تصبح سهلة لمراقبة المرضى.

English Abstract

Coming up with radio frequency (RF) sensors and methods for estimating the dielectric constant of substances in an evolving field. Such sensors have important applications in biomedical and oil exploration areas in addition to many others. This work will present RF sensor arrays for the biomedical and oil exploration applications. The measurement of the single phase portion in a multiphase flow is very important to oil and petrochemicals industries. This work presents an RF sensor design for dielectric constant estimation of two or three phase combinations of oil, water and gas. The 28-port RF sensor is designed and optimized to operate at 250 MHz. Using the transmission coefficient of each RF sensor port, an equation is obtained for dielectric constant estimation by applying the Least Squares (LS) method. Three different static two phase combinations including oil-water, gas-water, gas-oil and three phase combination of oil-water-gas are experimentally validated with an average measured error percentages of 5.5%, 17.3%, 16% and 6.2% respectively. A shake test (dynamic case) for the three phase combination was performed to resemble an actual three phase flow and the average measured error was 9.3%. The proposed sensor can estimate two or three phase combination of oil, water and gas with an average error of less than 10%. The proposed sensor is low cost, with low complexity and is the first to provide low error estimations to 2 or 3-phase static or dynamic flows that was implemented on a flexible AP9131 substrate of 0.1016 mm thickness and 6 27.93 cm2 size that can be wrapped around an acrylic pipe. The second part of this work presents the design of an RF sensor array for pulmonary edema monitoring inside the patient chest. A low complexity, low power, small size, wearable, Inkjet printed, cheap and non-invasive radio frequency (RF) based sensor array for pulmonary edema and emphysema monitoring inside the patient chest is proposed. The RF sensor consists of 38 electrodes and 37 ports. The size of the sensor is 4cm by 89.4cm. The sensor is optimized to operate at 60 MHz. The transmission coefficients Si1 are measured at each passive port and then the LS method is used to form an equation for average dielectric constant estimation. The dielectric constant estimation method is used to detect the presence of excess water/air in the lungs. Using a dielectric assessment kit (DAK), the electrical properties of outer and inner layers of a human and porcine lungs are obtained using different solutions of water, salt, isopropyl alcohol (IPA) and glycerin. The average measured dielectric constants of normal human lung, edema and emphysema infected lungs are estimated with errors of 3.54%, 4.83% and 4%, respectively. Another test was conducted using porcine lung electrical properties which are formed using a water and salt mixture. To detect the different stages of pulmonary edema, 200 ml water balls are inserted in the inner layer of the chest model. The measured errors are 2.68%, 0.87%, 2.18% and 2.8% for normal porcine lung, adding 6 water balls, adding 12 water balls and adding 18 water balls, respectively. The proposed sensor array can be integrated within clothes, thus making it easy for patients to be monitored.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, Mohammad S.
Committee Members:	Al-Sarkhi, Abdelsalam and Qureshi, Khurram Karim
Depositing User:	MUHAMMAD TAYYAB (g201512510)
Date Deposited:	23 May 2017 05:32
Last Modified:	31 Dec 2020 08:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140320