U N I V E R S I D A D E
D E
S A O P A U L O
I N S T I T U T O
D E F i s I C A
D E
s A o
C A R L O S
D e p a r t a m e n t o
d e F i s i c a
e I n f o r m a t i c a
P E S Q U I S A
E M
I N S T R U M E N T A C A o
E L E T R O N I C A
M I C R O P R O C E S S A D A
P A R A
A M E D I D A
D E
P A R A M E T R O S
F I S I C O S
E Q U I M I C O S
D A A G U A
U S P / iF Q S C
j
S B !
ill~ II~ 1
1 1 1 1 1 1 ~ lllllllllIllllli
6-2-'001f2.9
Disserta<;ao
apresentada
ao
Instituto
de Fisica de Sao Carlos,
da
Universidade
de
Sao
Paulo,
para obten<;ao do titulo de M estre
em Ciencias (Fisica Aplicada).
S a o C a r l o s
Bruno, Ronaldo
Pesquisa em Instrumentayao
Eletronica M icroprocessada
para a M edida de
Parametros Fisicos e Quimicos da AguaJRonaldo Bruno.-Sao
Carlos, 1997.
145p.
UNIVERSIDADE
DE
sAo
PAULO
: - 'v . D r . C a r l o s B o t e l h o . 1 4 6 5 C E P 1 3 5 6 0 - 2 5 0 - S a o C a n o s - S P B r a s i i
F o n e ( 0 1 6 ) 2 7 2 - 6 2 2 2 F a x ( 0 1 6 ) 2 7 2 - 2 2 1 8
•
Ao
Prof.
Valentin
Obac
Roda,
meu
orientador.
pelo
carM er,
serenidade, apoio e total disponibilidade.
•
Aos amigos M aximilian Luppe, Raul Junji Nakashima e Jose Pott, os
quais contribuiram para urn otimo ambiente de trabalho.
•
Ao pessoal do Laboratorio
de Instrumentayao:
Lirio, Bene, M arcos,
Ailton e I vanilda.
•
A
W laderez da seyao de alunos sempre simpatica e atenciosa.
•
Ao pessoal do Laboratorio de Hidniulica e Saneamento,
Julio Cesar
Trofino
e
Paulo
Fragiacomo
pelo
inestimavel
auxilio
no
desenvolvimento
do medidor de turbidez.
•
Ao Newton
da Industria
F AC L TDA, pela enorme
gentileza
em
fomecer
0sensor de oxigenio dissolvido.
•
Ao M ateus
(Ressonancia
M ag.) pelo auxilio
na linguagem
Visual
L i s t a d e F i g u r a s
iv
L i s t a d e T a b e l a s
vi
R e s u m o
vii
A b s t r a c t
viii
1 .
Introdu~ao
12 . I n s t r u m e n t o s
5
2 . 1 . C o n d u t i v i m e t r o
5
2.1.1 Introduyao
5
2.1.2 Definiyao e unidades
5
2.1.3 Natureza da Condutividade
6
2.1.4 Considerayoes pniticas
8
2.1.5 Preparo de Soluyao Padrao
9
2.1.6 M edidor de Condutividade
10
2 . 2 . M e d i d o r d e p H 1 4
2.2.1 Introduyao
14
2.2.2 Definiyao
14
2.2.3 0 Sensor
15
2.2.4 Circuito de entrada
17
2.2.5 M edidor de pH
19
2 . 3 . M e d i d o r d e T u r b i d e z 2 2
2.3.1 Introduyao
22
2.3.2 Principio da M edida
23
2.3.3 Aspectos Construtivos
24
2.3.4 Circuito do Turbidimetro
26
2.3.5 Preparo da Soluyao Padrao
27
2.3.5.1 Roteiro para preparayao das soluyoes
28
2.3.6 Calibrayao e Desempenho do Turbidimetro
28
2 . 4 . T e r m o m e t r o
31
2 . 5 . M e d i d o r d e O x i g e n i o
32
2.5.1 Introduyao
32
2.5.2
Principio de M edida
33
2.5.3 Caracteristicas
dos Sensores de Oxigenio Dissolvido
35
2.5.3.1 Eletrodo Principal (Catodo)
35
2.5 .3 .2 M em brana
36
2.5 .3 .3 Temperatura
37
2.5.3.4 Pressao
37
2.5.4 Unidades
37
2.5.5 Preparo das Soluyoes Padrao e Eletr6lito do Sensor.
38
2.5.5.1 Soluyao Padrao
38
2.5.5.2 Eletr6lito
39
2.5.6 Circuito do M edidor de Oxigenio Dissolvido
39
2.5.7 Calibrayao
40
2.6.1 Introdu<;ao . f1
2.6.2 Princi pia de M edida 42
2.6.3 Sistema M edidor 42
3 . C i r c u i t o P r i n c i p a L 47
3 . 1 . I n t r o d u c ; a o 47
3 . 2 . M i c r o c o n t r o l a d o r P I C 1 6 C 8 4 48
3.2.1 Programa<;ao das Portas 50
3 . 3 . I n t e r f a c e R S 2 3 2
51
3 . 4 . C o n v e r s o r
AID
533 . 5 . M u l t i p l e x a c ; a o d a E n t r a d a AnaI6gica 54
3 . 6 . E s c a l a s A u t o m a t i c a s 56
3 . 7 . I n t e r r u p c ; a o - M e d i d o r d e P r o f u n d i d a d e 57
3 . 8 . F o n t e s d e A l i m e n t a c ; a o 58
4 . P r o g r a m a « ; a o 60
4 . 1 . I n t r o d u c ; a o 60
4 . 2 . P r o g r a m a e m L i n g u a g e m M o n t a d o r a d o
PIC16C84
61
4.2.1 W atch Dog Timer. 68
4.2.2 Interrupyao 69
4.2.3 Rotinas de imp1ementa<;ao da RS232 69
4.2.3.1 Rotina de transmissao 70
4.2.3.2 Rotina de recep<;ao 70
4 . 3 . P r o g r a m a d e V i s u a l i z a c ; a o d o s D i s s o l v i d o Dados 71
4.3.1 Introduyao 71
4.3.2 Visao Gera1 do Programa Desenvo1vido 72
4.3.3 J ane1a Principal (M AIN) 74
4.3.3.1 M enu 74
4.3.3.2 Botao P o w e r 77
4.3.3.3 Botao S a v e 77
4.3.3.4 Botao R e s e t 77
4.3.3.5 Rotina Principal ( M a i n R o u t i n e ) 78
4.3.3.6 Rotina de Inicializa<;ao (Form) 79
4 . 3 . 3 . 7 V E X da Porta Serial.. 80
4 . 3 . 3 . 8 T i m e r da Aquisiyao de Dados 80
4.3.3.9 Timer do W atchDog Timer 81
4.3.4 Janela para M anipulayao de Arquivos ( F I L E S ) 82
4.3.4.1 Comando "Ok" 83
4.3.4.2 Sub-rotinas Auxiliares 84
4.3.4.2.1 Sub-rotina N_ADF ( N e w A c q u i s i t i o n D a t a F i l e ) 84
4.3.4.2.2 Sub-rotina
0_
ADF ( O p e n A c q u i s i t i o n D a t a F i l e ) 844.3.4.2.3 Sub-rotina O_CF ( O p e n C a l i b r a t i o n F i l e ) 8 4
4.3.4.2.4 Sub-rotina S_CF ( S a v e C a l i b r a t i o n F i l e ) 85
4.3.5 Janela para Visualizayao de Arquivos de Dados ( D A T A V I E W ) 85
4.3.6 Janela de Ca1ibrayao do M edidor de pH ( P H C A L ) 86
4.3 .6. 1 B0tao .,Start" 87
4.3.6.2 Botao "Cancel" 88
4 . 3 . 6 . 3 T i m e r s 1
e
2 ( b u f f e r s 1e
2) 884.3.8 Janela de Apresentac;ao do Programa
( S T A R T U P )89
5 . T r a n s m i s s a o d o s D a d o s v i a R a d i o f r e q i i e n c i a92
5 . 1
Introdu~ao
92
5 . 2 S i s t e m a d e T r a n s m i s s a o
92
5 . 3 T r a n s m i s s o r
93
5 . 4 R e c e p t o r 9 4
5 . 5 D e s e m p e n h o d o S i s t e m a
97
6 . C o n c l u s a o
99
6 . 1
Introdu~ao
99
6 . 2
Otimiza~ao
d o P r o j e t o100
6.2.1 M edidor de Profundidade
,. 100
6.2.2 Fonte de alimentac;ao
101
6 . 3 T r a b a l h o s F u t u r o s
101
6.3.1 Sistema com
D a t a L o g g e r ,101
6.3.2 Sistema automatico de medidas
102
6.3.3 Sistema Telemetrico via Radiofrequencia
102
6.3.4 Sistema Telemetrico via Internet
102
B i b l i o g r a f i a
103
A p e n d i c e s
106
A p e n d i c e A -
Esquemas dos Circuitos
106
A p e n d i c e B -
Programac;ao em Linguagem M ontadora do PIC16C84
115
A p e n d i c e C -Descric;ao das Variaveis do Programa em
V i s u a l B a s i c123
L i s t a
d e F i g u r a s
Figura 1 - Ilustrayao do principio de uma celula de dois eletrodos
6
Figura 2 - Circuito equivalente de uma celula de dois eletrodos
8
Figura 3 - Dependencia,
com relayao ao material dos eletrodos. da faixa de
condutividade
utilizavel de uma celula de dois eletrodos
10
Figura 4 - Dependencia,
com relayao
a
freqtiencia, da faixa de condutividade
utilizavel de uma celula de dois eletrodos de ayo inox
11
Figura 5 - Celula de dois eletrodos
12
Figura 6 - Diagrama em blocos do condutivimetro
12
Figura 7 - Principio de medida da condutividade
13
Figura 8 - Sensor de pH integrado
17
Figura 9 - Resposta tipica de urn sensor integrado
18
Figura 10 - Circuito de entrada para
0sensor de pH integrado
18
Figura 11 - Sinal do sensor de pH modificado pelo circuito de entrada
19
Figura 12 - Esquema basico de urn turbidimetro
25
Figura 13 - Fonte de tensao regulada para a hlmpada do turbidimetro
26
Figura 14 - Circuito de amplificayao e adaptayao do sinal do foto-sensor
27
Figura 15 - Linearizayao da escala de alta sensibilidade do turbidimetro
29
Figura 16 - Linearizayao da escala de baixa sensibilidade
do turbidimetro
30
Figura 17 - Circuito de ligayao do LM 35D
32
Figura 18 - Polarograma do sensor de oxigenio dissolvido
34
Figura 19 - Desenho do sensor de oxigenio dissolvido
35
Figura 20 - Sensor de oxigenio com compensayao de pressao
36
Figura 21 - Circuito do medidor de oxigenio dissolvido
40
Figura 22 - Sistema proposto para a medida de profundidade
42
Figura 23 - Sistema do medidor de profundidade
44
Figura 24 - Sinais gerados quando
0 e n c o d e rgira no sentido anti-horario
45
Figura 25 - Sinais gerados quando
0 e n c o d e rgira no sentido horario
45
Figura 26 - Circuito que gera os sinais de pulso e sentido
45
Figura 27 - Formas de onda dos sinais do foto-transistor.
46
Figura 29 - Esquema de transmissao de dados no padrao RS232
53
Figura 30 - Palavra de 16
b i t sgerada pelo conversor
A I D54
Figura 31 - Protocolo de comunicayao do M AX187
54
Figura 32 - Esquema da multiplexayao do canal ana16gico do M AX187
56
Figura 33 - Diagrama em blocos do circuito da [onte
59
Figura 34 - Fluxograma do programa em assembler do PICI6C84
64
Figura 35 - Fluxograma da rotina que escolhe a escala do condutivimetro
66
Figura 36 - Fluxograma da rotina que escolhe a escala do turbidimetro
67
Figura 37 - Temporizayao
da leitura de urn
b y t erecebido pela porta serial.
71
Figura 38 - Janela principal do analisador de agua
75
Figura 39 - Exemplo das janelas da barra de menu
75
Figura 40 - Janela para manipulayao de arquivos
83
Figura 41 - Janela para visualizayao dos dados enviados pela sonda
86
Figura 42 - Janela de calibrayao do medidor de pH
87
Figura 43 - Janela de calibrayao do medidor de oxigenio dissolvido
90
Figura 44 - Tela de Apresentayao do Analisador Virtual de Agua
91
Figura 45 - Transmissor de dados em 3.57M Hz
94
Figura 46 - Sinal digital da porta serial e portadora modulada em amplitude
95
Tabela 1 - M obilidade dos ions (cations e anions) em funyao da temperatura
7
Tabela 2 - Condutividade
em funyao da concentrayao da soluyao
10
Tabela 3 - Dados do turbidimetro construido. Escala de alta sensibilidade
29
Tabela 4 - Dados do turbidimetro construido. Escala de baixa sensibilidade
30
Tabela 5 - Valores medidos com
0turbidimetro montado em comparayao com os
padr5es preparados
31
Tabela 6 - Solubilidade do oxigenio em funyao da temperatura
38
Tabela 7 - Seleyao das entradas ana16gicas
51
Tabela 8 - Seleyao das escalas do condutivimetro
em funyao dos bits RB 1 e RB5
51
Tabela 9 - Niveis 16gicos das saidas dos transistores comandados pelo CD4028B. .. 55
Tabela 10 - Palavra de 12
b i t sgerada pelo conversor
A I D 6 3o
presente trabalho prop5e a construyao de urn instrumento microprocessado
multissensor
para a medida de parametros
tlsicos e quimicos da agua. As variaveis
medidas
sac:
temperatura,
turbidez,
pH,
oxigenio
dissolvido,
condutividade
e
profundidade.
0
sistema
e composto
por uma sonda multissensora
e urn micro
padrao IBM /PC que permite a visualizayao e armazenagem
dos dados. No circuito da
sonda sac utilizados
componentes
recentes como
0microcontrolador
PIC16C84
e
0conversor
A I Dserial de 12
b i t sM AX187. 0 programa para
0PC foi desenvolvido
na
linguagem
V i s u a l B a s i c 3 . 0em ambiente
W i n d o w s .A comunicayao entre a sonda e
0The present work proposes the development
of a multi sensor
microprocessor-based instrument
for the measurement
of physical
and chemical water parameters.
The water parameters
that can be measured are: temperature,
pH, dissolved oxygen,
conductivity
and depth.
The system
includes
the multisensor
instrument
and an
IBM /PC
microcomputer
that allows data recording
and viewing.
The instrument
circuit is based on recent components such as the microcontroller
PIC16C84
and the
1. Introdu~ao
Com
0crescimento
da populayao
e
0consequente
aumento
das atividades
industriais.
a estudo das caracteristicas
fisicas e quimicas da agua tern se tornado
cada vez mais importante.
Tal estudo tern aplicac;oes em divers as areas, como: no
controle
da qualidade
das aguas de abastecimento,
na caracterizac;ao dos efluentes
liquidos
de aguas
residuarias
industriais
au
domesticas
e na caracterizac;ao
de
diferentes corpos de aguas naturais, como rios, lagos, POyOSetc.
A completa
caracterizayao
de urn corpo de agua
l32Jenvolve
a medida
de
muitos parametros. No entanto, usualmente,
a avaliac;ao da qualidade da agua da-se
em func;ao da utilizac;ao da me sma. Assim,
selecionam-se
apenas
as parametros
relevantes
a fim de otimizar tanto
0equipamento
como
0processo
de medida.
as
parametros
mais
comuns
no
estudo
de
aguas
sao
a
temperatura,
a
pH.
a
condutividade.
a concentrac;ao de gases dissolvidos, a turbidez. a car, a penetrac;ao de
luz. entre outras.
Ate pouco tempo atras, e ainda hoje em paises pouco desenvolvidos.
essas
medidas eram feitas individualmente,
par diferentes instrumentos.
atraves da coleta
a automayao
do processo
de avaliayao
da qualidade
da agua. Alem disso. certas
propriedades
sao interdependentes,
variando simultaneamente.
Recentemente,
equipamentos
de
medida
com
sensores
multiplos.
que
penn item quantificar simultaneamente
algumas variaveis, tern sido desenvolvidos
em
diferentes paises e tern contribuido significativamente
para a melhoria do processo de
mediyao,
bem
como
oferecendo
uma
abordagem
mais
eficiente
na soluyao
de
diferentes
problemas.
Como exemplo,
as alterayoes
de algumas
caracteristicas
da
agua de urn rio ocasionadas
por descargas de poluentes
podem ser analisadas
com
precisao
atraves
da
utilizayao
de
sensores
multiplos
instalados
em
pontos
eqiiidistantes
a partir de uma fonte pontual.
Um rio e um fluxo de agua on de a
velocidade das mudanyas
e
urn problema quando se realizam medidas discretas. Um
outro exemplo e urn lago,
0qual e urn estoque de agua, que leva mais tempo para ser
limpo
ou depurado
criando
gradientes
ou estratos
com
caracteristicas
distintas
levando
a uma compartimentalizayao
do sistema. 0 esforyo amostraL portanto.
e
muito mais intenso para uma caracterizayao
dos diferentes compartimentos.
Muitos
estudos
nesses
sistemas
ficam
prejudicados
pela
ausencia
de
uma
tccnologia
adequada para as mediyoes das variaveis hidrol6gicas.
Com a utilizayao
de microprocessadores
e possivel
0desenvolvimento
de
equipamentos
bastante versateis e especificos que, alem de coletar dados de maneira
eficiente.
permitem
urn pre-processamento
e armazenamento
dos mesmos.
Urn
instrumento
microprocessado
permite,
ainda.
a transmissao
digital
do valor
da
variavel medida de urn ponto ao outro. Isso evita interferencias
causadas por campos
magnericos.
campos eletricos e umidade nos cabos, pois
0sinal digital e muito mais
No
presente
trabalho
de
rnestrado
foi
desenvolvido
urn
instrurnento
rnicroprocessado
para a rnediyao de parametros
fisicos e quirnicos
da agua, rnais
especificarnente
temperatura,
pH, turbidez, condutividade
especifica e concentrayao
de oxigenio
dissolvido.
Esse instrumento
consiste
em uma sonda multissensora
sustentada
por urn cabo
de ayo, a qual faz a aquisiyao
dos dados
e os envia
digitalmente
no padrao RS232 a urn microcomputador
do tipo
l a p - t o p ,situado em
uma embarcayao, contendo urn programa de visualizayao e armazenamento
de dados.
No circuito
eletr6nico
da sonda foram
utilizados
componentes
de ultima
gerayao. notadamente
0rnicrocontrolador
PIC16C84 e
0conversor
AID
M AXI87.
0
PIC 16C84
pertence
a uma
familia
de microcontroladores
R I S C ,fabricada
pela
A r i z o n a M i c r o c h i p .
Os componentes
dessa familia saG bastante compactos.
cada urn
apresentando
urn grupo diferente
de recursos. Assim, de acordo com a aplicac;ao,
escolhe-se
0componente
mais
adequado.
0
PIC16C84
e dotado
de
E E P R O Mintema,
0que facilita muito a fase de depurayao do programa. Alem disso, devido ao
fato do microcontrolador
possuir poucas
instruyoes,
0aprendizado
da linguagem
montadora
e muito rapido. 0
M AX187 e urn conversor
A I Dde 12
b i t scom saida
serial alojado num encapsulamento
de apenas 8 pinos. 0 pequeno tamanho
do
C Ialiado aos circuitos
embutidos.
tais como uma referencia
de tensao e circuito
de
s a m p l e - h o l d .
sirnplifica a placa de circuito impressa, com
0conseqtiente aumento da
confiabilidade.
Na parte analogica do circuito vale ressaltar a ausencia de resistores
variaveis, que sempre sofrem variayao de valor devido ao envelhecimento.
o
sistema como urn todo, baseia-se na tecnica de instrumentac;ao virtual. a
qual utiliza a tela de urn microcomputador
para visualizar e controlar graficamente
programa
na linguagem
V i s u a l B a s i c .Esta linguagem
segue a filosofia
atual de
programayao:
a programayao
utilizando objetos visuais. A abordagem visual permite
a construyao de interfaces graficas de alta qualidade com urn minimo de esforyo na
programayao.
A apresentayao
deste trabalho
esta dividida
em quatro partes principais:
0capitulo 2 trata do projeto dos instrumentos,
0capitulo 3 trata do circuito geral da
sonda, no capitulo 4 encontram-se
os assuntos relacionados
aos programas tanto em
linguagem
montadora
como em
V i s u a l B a s i ce nos apendices estao os esquemilticos
de todos os circuitos bem como a listagem completa dos programas
desenvolvidos.
No capitulo
2 incluiu-se
0projeto
de urn medidor
de profundidade,
essencial
no
levantamento
dos panlmetros
da agua de urn lago. No capitulo 5
e
apresentada
uma
2 . 1 . C o n d u t i v i m e t r o
2 . 1 . 1
Introdu~ao
Diferentemente
da malOna dos metodos
de amilise quimica
que utilizam
medidas eletricas, a condutividade[IJ e uma medida nao-seletival]J. Ou seja, todos os
ions presentes
numa soluc;ao sao detectados.
A contribuic;ao de cada ion no valor
total da medida
depende da sua mobilidade,
carga e concentrac;ao[11. Os sensores
utilizados sao passivos necessitando de uma fonte extema para a gerac;ao de urn sinal
o qual alimenta urn amplificador.
Apesar da nao-seletividade
a condutividade
tern grande importlncia
e e. com
excec;ao da medida de pH, a tecnica eletroquimica
mais utilizada no monitoramento
de aguas.
A condutividade
Ke definida como sendo a condutfmcia G de uma celula de
dois eletrodos pIanos com area de
1cm] distanciados de I em. Tal tipo de celula po de
ser caracterizado
pela sua constante[1]
k=
d / Ade
aeordo com a figura
1 .Apesar
dessa expressao.
0valor de
k
e, na prcitica. calculado com base em soluc;6es com
F i g u r a 1 - Ilustrac,:ao do principio de uma celula de do is eletrodos. As linhas de campo eletrico nao terminam na borda dos eletrodos. Logo, a constante k = dJA da celula nao pode ser calculada apenas
T a b e l a 1[1] - M obilidade dos ions (cations e anions) em fun< ;ao da tem peratura em solu< ;ao aquosa. O s valores constantes na tabela foram extrapolados para concentra< ;ao zero. O s ions Ht
e O H - seguem urn m ecanism o diferente de transporte, baseado em pontes de hidrogenio entre os ions e os dipolos da agua.
i o n s
o D e
1 8D e
2 5D e
100
De
H
225
315
350
637
L i'
19
" ". J . J39
120
N a-
26
43
50
150
K -
40
64
74
200
A g
. J . J"...•53
62
180
1/2
C a
2-
31
50
60
187
1/3
L a)'
r
~)60
70
220
O R
105
174
200
446
C l'
41
66
76
207
r
42
67
77
N O .1'
40
63
71
189
M nO
j'36
53
6"
_1112
S O /
41
69
80
256
r - - - l
I
C ,
l
I
f ? 2I
caso C
2Alem disso uma pequena corrente de fuga pode surgir por efeito semelhante
ao que ocorre numa pilha eletroquimica.
Neste caso essa corrente indesejavel
indica
uma alterayao no valor medido de R
xe no circuito equivalente e representada
por R
2•Vale ainda observar que esses efeitos aumentam com
0valor da condutividade.
Logo
eles acabam impondo urn limite superior na faixa de medidas.
Para minimizar
os efeitos
de polarizayao
dois procedimentos
basicos
sao
tornados:
uso
de tensao
altern ad a de freqiiencia
adequada
e uso
de materiais
convenientes
na fabricayao dos eletrodos.
Na figura 3 e mostrada a influencia do material usado nos eletrodos no valor
da constante
da celula,
no caso
k=
1.00 cm'l. Note
que com
0aumento
da
condutividade
a partir de urn determinado
valor ocorre urn aumento
aparente
da
constante
k .Na figura 4 tem-se
0incremento da constante
kinicialmente igual a 1.00 cm,j
com relayao
a
freqiiencia e ao valor da condutividade.
2 . 1 . 5 P r e p a r o d e S o l U ( ; a o P a d r a o
Na definiyao de condutividade
fez-se referencia
a
constante
da celula, que
compoe
0sensor, a qual deve ser obtida experimentalmente
atraves de soluyoes com
condutividade
conhecida. Urn metodo simples de obtenyao de soluyoes padronizadas
e
0seguinte:
dissolvem-se
74.55lg
de
KCL seco em 1 litro de agua pura. Essa
soluyao possui concentrayao
de 1 mol/L. As concentrayoes de 0.1 e 0.01 mol/L sao
obtidas
por diluiyao
simples
da soluyao
de 1 mol/L.
As condutividades
dessas
T e m p e r a t u r a C oncentra~ao ( M o l / I )
(0C )
0 . 1 0 . 0 5 * 0 . 0 1 0 . 0 0 5 * 0 . 0 0 1 * 0 . 0 0 0 5 *
1 5 92.54m IO .48m 5.50m 1.147m 5 7 6 . 3 1 1 115.711 5 8 . 0 1 1
2 0 102.09m 11.67m 6.13m 1.278m 6 4 2 . 2 1 1 129.011 6 4 . 6 1 1
2 5 111.80m 12.88m 6.77m 1.4l3m 710.011 142.611 71.411
130
k I
120
100
I I
!
I
1J 20 50 100 200 500 2 5 10 20 50 100 200 500 1000
- - ( . u S / c m ) - - - + - - - ( , m S / c m)
130
k
120
10 20 50 100 200 500
()-ISIe m )
5 10 20 50 100 200 500 1000
- - - ~ - - - - ( m S / e m )
F i g u r a
4
11] - D ependencia, com relavao it freqiiencia, da faixa de condutividade utilizavcl de um a celula de dois eletrodos de avo inox. A faixa utilizavel deve ser onde k= 1.O O cmi .Oscilador
1KHz
Retificador onda completa
\ Oscilodor
o coeficiente
de atividade
sao a tem peratura,
a forc;a i6nica, a constante
dieletrica,
a
carga do ion,
0tam anho dos ions e a densidade do solvente.
A escala usual para a m edida de pH e baseada na constante de dissociac;ao da
agua,
Kw=
a f { + . aO l/E m agua pura as concentrac;oes desses ions sao iguais a
10-7 M
a 25°C .
S endo
Kwconstante,
fixada
a tem peratura,
sao, entao,
estabelecidos
os
lim ites de 0 a 14 para a m edida de pH .
E m soluc;oes fortem ente
acidas ou alcalinas
valores fora dessa faixa podem
ser encontrados.
T odavia, em geral, nao ha interesse prM ico na m edida de pH dessas
soluc;oes.
o
sensor[8] para m edida
de pH funciona
atraves
da diferenc;a de potencial
gerada por um a celula galvanica[8] (eletrodo
+eletrodo de referencia). E sses eletrodos
apresentam ,
em geral, resistencias
internas de ate
IG O
( l00)e sao m uito suscetiveis
a
polarizac;ao. L ogo,
0circuito de entrada[9] que capta
0sinal gerado pelo eletrodo
deve apresentar alta im pedancia
( >10
120 )e baixa corrente de
o f f - s e t«10-
12A ) .
o
potencial produzido pelo eletrodo segue a seguinte expressao:
E
=
E o + 2 . 3 0 3 ( R T / F )log
f a f { + J ,conhecida
com o equac;ao de N ernst
l6J,onde:
E
=potencial do eletrodo em V /pH
E o
=potencial assim etrico,
0qual varia com
0passar do tem po (idade)
R
=constante gasosa (8.3144 J K I m ol-I)
T = tem peratura
em K elvin
P ara
0sensor
integrado[5
J(eletrodo
e
eletrodo
de
referencia),
tem os,
sim plificadam ente:
v
=tensao produzida nos term inais do sensor
V
o=
tensao de
o f f - s e tvariavel com
0passar do tem po.
T
=tem peratura
em
D CpH
=
valor do pH da am ostra
A tensao V
oteoricam ente
deveria ser nula. N a pr< itica a m esm a apresenta
urn
pequeno
valor (positivo
ou negativo)
que varia de acordo
com
0sensor e com
0passar do tem po (idade do sensor).
N a figura 8
e
m ostrado
urn sensor integrado tipico e na figura 9, a resposta
desse tipo de sensor.
D evido
a resposta
do
sensor
vanar
com
0passar
do
tem po
e com
a
tem peratura,
e
sem prc
necessaria
um a
rotina
de
calibrayaol'J] antes
de
serem
realizadas m edidas nas quais deseja-se grande precisao. A calibrayao
e
feita tom ando
com o
referencia
soluyoes
com valores
conhecidos
de pH . P odem -se
usar um a
O Um ais soluyoes padronizadas,
norm al m ente duas ja fornecem boa precisao. N o caso de
calibrayao
por um a unica soluyao consegue-se
apenas
0"zeram ento"
do
o f f - s e t .J a
com duas soluyoes
alem do
o f f - s e t ,ajusta-se,
tam bem ,
0ganho do sensor. A inda.
para m edidas
nas quais deseja-se
extrem a acuracidade
e
usual escolher as soluyoes
- - 1 0
9
----6
5
4
-3
-2
1
••
V ( m V )
600 .
500
400
. ~ - ~
-678
pH
~100
200 .
300
400
500
600
F i g u r a 9 - R esposta tearica de urn sensor integrado - E letrodo i eletfodo de refer':ncia. A Q G C I curva apresenta inclinay30 de 5 4 . 2 0 m v /oC : a2 5 ° e , 5 9 .16m V/ l o C e a lO O ° e , 74.04m V/ 0 e .
*-.L ----< > G N D A I3
F i g u r a 1 0 - C ircuito de entrada para 0 sensor de pH integrado. 0 prim eiro operacional cria a
entrada de alta im pedancia. 0 segundo inverte 0 sinal e som a um a com ponente de tensao continua
- - - - ~ 1 2 1 3 1 4 p H
F i g u r a 1 1 - S inal do sensor m odificado pelo circuito de entrada. A m odificayao aum enta 0 ganho.
tom a a correspondencia pH -tensao diretam ente proporcional e faz com que 0 sinal seja apenas
m ( T )
=
- ( 5 4 . 2 0 + 0 . 1 9 8 T ) . G ( _ )p H = V - V ( 7 ) + 7 .
T " - V ( 7 )
p H = = + 7
meT)
V I - l" c M = =
Ct e m p
=
L 1 T . G ( _ ) . ( - 0 . 1 9 8 ) ,v -
V ( 7 )p H = .
+ 7.
2 . 3 . 2 P r i n c i p i o d a M e d i d a
A
unidade
de
m edida
da
turbidez
e 0 N T U
-
N e p h e l o m e t r i c T u r b i d i t yU n it s [ ! O ] .
0 m etodo escolhido para a m edida de turbidez baseia-se na reflexao de luz
pelas
particulas
em
suspensao.
A am ostra
e ilum inada
convenientem ente,
com o
m ostrado
m ais adiante. e faz-se a detecyao da luz refletida. E xistem
outros m etodos
para
esse
tipo
de m edida.
D entre
eles
0 que
se baseia
na
intensidade
de
luz
transm itida.
A atribuiy30 de val ores de N T U e feita atraves da com parayao
da intensidade
de luz refletida
pel a am ostra,
sob condiyoes
detinidas,
com
a intensidade
de luz
refletida
por um a suspens30
padr30 de referencia[JoJ. Q uanto m aior a quantidade
de
luz refletida m aior a turbidez.
A lguns fatores[lO ]afetam sensivelm ente
a m edida da turbidez:
- particulas
flutuantes,
podem
obstruir a passagem
da luz indicando
valores
m ais baixos de turbidez;
- particulas pesadas, as quais sedim entam rapidam ente:
- bolhas de ar. refletem
significativam ente
a luz; logo ocorre um a indicay30
de turbidez m aior que a real;
- a presenya
de cO lO ray30 na soluyao
absorve
a luz proveniente
da fonte
lum inosa fazendo 0 turbidim etro
indicar baixos valores:
-valores
de turbidez
m aiores
que 40 N T U ; em m edidas
nas quais deseja-se
alta acuracidade
a am ostra
deve ser diluida
e ser m edida
novam ente.
0 valor da
turbidez
da soluy3o original e, entao, calculado
com base na proporyao
da diluiy30
Instrumentos
de campo de mediyao continua medem diretamente incorrendo em uma
margem de erro maior.
Existem
diversas maneiras de construir urn turbidimetro.
Urn exemplo
esta
mostrado
na figura
12. Esse modelo
foi usado na construc;ao do turbidimetro
do
presente trabalho.
Algumas
considerayoes[JOJ devem
ser
feitas
acerca
da
construyao
do
turbidimetro :
- Entre a lfunpada e a entrada do tubo deve haver uma lente para concentrar a
luz
proximo
ao ponto
de
detecyao,
aumentando
a eficiencia
e diminuindo
0espalhamento;
- A distancia,
ao longo do tubo, da fonte de luz (lampada)
e
0ponto
de
detecyao nao deve ser superior a 1Ocm:
- 0 angulo entre
0caminho da luz incidente e
0detector deve ser de 90°;
- 0 detector deve aceitar luz incidente com urn angulo solido de no maximo
- 0 tubo que contem a amostra deve ser construido
internamente
em vidro
incolor e mantido absolutamentc
limpo. Externamente.
esse tuba deve ser recoberta
com material (tinta, plastico etc.) preta, a que evita reflexoes internas e interferencia
r
S e n s o r( f o t o t r a n s i s t o r )o p t i c o~ - - . . .
I .
m e
)
o
=
B a ix o s e n s ib ilid o d e 1 :::Alto s e n s ib ilid o d eF ig u r a 1 4 - C ircuito de am plifical;:3o e adaptal;:3o do sinal proveniente do foto-sensor do
D uas soluyoes iniciais devem ser preparadas:
S olucao 1: D issolver
1.00g de sulfato de hidrazina em agua e diluir ate 100m l
num balao volum etrico.
S olucao 2: D issolver
10.00g de hexam etilenotetram ina
em agua c diluir ate
100m l num balao volum etrico.
N um terceiro balao volum etrico
de 100m l m isturar 5m l da soluyao 1 com 5m l
da
soluy3.o 2.
D iluir
ate
a
m arca
e
agitar.
M antenha
a
m istura
num a
tem peratura
de 25
±
3 ° e
e aguarde 24 horas. A soluyao resultante
apresenta
0valor de 400 N T U . D iluindo-se
convenientem ente
essa soluyao chega-se
aos
valores desejados de turbidez.
A soluyao
de 400 N T U
deve
ser usada
dentro
de um
m eso A s
soluyoes
derivadas devem ser usadas dentro de um a sem ana. A nao observfm cia desses
prazos ocasiona erros na leitura da turbidez, pois pode ocorrer aglutinayao
das
particulas em suspensao.
A pos a construyao
do turbidim etro
fez-se um levantam ento
da sua resposta
em tensao em funy3.o da turbidez das am ostras, tanto na escala de baixa sensibilidade
Turbidimetro (alta sensibilidade)
y
=
-8 E -0 5 x3 + 0 ,0 1 0 8 x2 + 0 ,2 2 9 2 x + 0 ,6 5:J 4 0 ,0 0
I -Z
~ 3 0 ,0 0
" 0
:e
::l I-• T u rb id e z
_ _ P o lin o m io
0 ,0 0
0 ,0 0
F ig u r a 1 5 - L inearizayao da escala de alta sensibilidade do turbidim etro, 0 polin6m io de 3° grau
foi calculado atraves dos dados contidos na tabela 3,
Turbidez Tensao(%) 1 Tensao(%) 2 Tensao(%) 3 Media
0 ,0 0 0 ,8 1 0 .4 6 0 .8 3 0 .7 0
4 .0 0 7 .5 0 7 .0 0 7 .0 0 7 .1 7
2 0 .0 0 3 9 .5 0 3 8 .0 0 3 7 .0 0 3 8 .1 7
4 0 .0 0 6 4 .5 0 6 5 .8 0 6 6 .8 0 6 5 .7 0
Turbidimetro (baixa sensibilidade)
y
=
-2E-05x4 + 0,0084x3 -0,2841x2 + 8,8719x + 0,0636400,00
350,00
300,00
S 250,00 I-~
N 200,00 0> "0
:e
150,00:l
I-100,00
50,00
0,00
0,00
• Turbidez
__ Pollnom io
F i g u r a 1 6 - Lineariza<;:ao da escala de baixa sensibilidade do turbidimetro. 0 polinomio de 4° grau foi calculado atraves dos dados contidos na tabela 4.
Turbidez Tensao(%11 Tensao(%) 2 Tensao(%) 3 Media
T a b e l a 5 - Valores medidos com 0 turbidimetro montado em compara~ao COIll os padroes
preparados.
._'...
P a d r a o M e d i d a 1 M e d i d a
1
M e d i d a 3 M e d i a E r r o(NTU)
Turbidimetro
limpo
(%)
0
0.5*
0.8*
0.8*
0.7*
4
3.1 *
3.0*
3.0*
3.0*
24.2
20
20.6
20.6
19.3
20.2
0.8
40
41.5
41.7
39.2
40.8
2.0
50
51.6
51.5
50.9
51.3
2.7
50 **
54
54
52
53.3
6.7
80
82
82
73
79.0
1.3
100
100
102
90
97.3
2.7
200
202
209
173
194.7
"1. . . . I...,400
430
448
427
435.0
8.8
* Esses valores san dependentes do o j f ~ s e t l d r i f t do amplificador usado no circuito. No momenta da medida nao estavam disponiveis operacionais com baixo o f f - s e t / d r i f t
V cc 2K 2
I_L_M _3
5 _ D _ I~ a id :\/\/\;~
-gnd
+ 7.5V
II
----~
entrada
(AID)
N o presente
trabalho,
utilizou-se
urn sensor com ercial
no projeto
da sonda.
L ogo, a abordagem
lim itou-se
a urn breve estudo dos aspectos construtivos
a fim de
obter
inform ac;oes acerca do com portam ento
eletrico e, assim , projetar urn circuito
de condicionam ento
de sinal, bem
com o
rotinas
de calibrac;ao, para
esse tipo
de
2 .5 .2 P r in c ip io d e M e d id a
A quantidade
de oxigenio dissolvido
e baseada na m edida da corrente eletrica
gerada devido
a
aplicac;ao de um a tensao em dois eletrodos im ersos em um a soluc;ao
eletrolitica[
12].U tilizando-se
urn
eletrodo
de
m etal
nobre,
ouro
ou
platina,
polarizado
negativam ente
de 0.6 a 0.8V
em
relac;ao a urn outro
eletrodo
de referencia
de
A g/ A gC l am bos im ersos num a soluc;ao de K C l isolada por um a m em brana[l3] sem
i-perm eavel.
consegue-se
a reduc;ao[l4]do O
2no prim eiro eletrodo. A reac;ao de reduc;ao
im plica
num
"consum o"
de eletrons,
que
e a corrente
eletrica,
proporcional
it
quantidade
de O
2reduzida.
A razao da utilizac;ao de tensoes da ordem de 0.6 a 0.8V
e
dada pelo grafico
de tensao-corrente
conhecido
com o
polarogramd
12]m ostrado
na figura
18. D e 0 a
0.6V a corrente aum enta com
0aum ento da tensao. D e 0.6 a 0.8V praticam ente
nao
ha variac;ao da corrente com relac;ao it tensao. A partir de 0.8V a corrente cresce com
o aum ento
da tensao
devido
principalm ente
a
eletr6lise
da agua. F ixando-se
um a
tensao na faixa de 0.6 a 0.8V obtem -se.
entao. um a leitura de corrente diretam ente
-~-~----~~--~--~----
---I
I
I
T e n s a o d e p o la riz a \(a o =-D.N
I
I
I I
2D
F ig u r a 1 8 -
A
esquerda esta a corrente gerada por urn sensor de oxigenio dissolvido em fU ny30 datens30 aplicada (porcentagern de oxigenio fixa).
A
dire ita. a corrente em fU ny30 da porcentagern dea oA m p lific a d o r
+
F ig u r a 1 9 - D esenho do sensor de oxigenio dissolvido utilizado na avaliayao do desem penho da
a o A m p lific a d o r
+
F ig u r a 2 0 -S ensor de oxigenio com com pensa< ;:ao de pressao. A m em brana de com pensa< ;:ao, nao
A sensibilidade
dos sensores
de oxigenio
aumenta
com a temperatura
de
maneira
exponencial.
Logo, a compensaryao deve ser feita atraves de tabelas
que
contem a resposta do sensor para cada temperatura. No caso de instrumentos
digitais
essas tabelas podem ser convertidas em curvas e implementadas
via
s o f t w a r e ,como
foi feito nesse trabalho.
Alem
da
variaryao da
sensibilidade
do
sensor
com
a
temperatura,
a
solubilidade
do O
2tambem varia com a temperatura,
0que e compensado
da mesma
maneira atraves de tabelas. Na tabela
l17]6 esti a solubilidade
do
00nas diversas
A solubilidade[15] do O
2varia tambem
com a pressao, sendo essa variaryao
linear e diretamente
proporcional
a
variaryao da pressao.
Assim.
dependendo
da
altitude na qual se faz a medida deve-se corrigir
0valor da solubilidade do
02'
a) Porcentagem:
calibra-se
0instrumento
com base em duas soluryoes uma
sem oxigenio (0%) e uma outra saturada de ar ou oxigenio puro (100%).
b) mg/l ou ppm: com base na porcentagem
e tabelas de solubilidade
calcula-se a concentraryao do oxigenio na soluryao. Por exemplo, uma amostra esta a
2 0D Ce a
8.84mg/l
na
saturayao. L ogo, a concentrayao
de oxigenio nessa am ostra
e
0.3 x 8.84
=
2 .6 5 m g /l.E
im portante
observar que se a pressao na qual a am ostra se encontra
for
diferente da pressao no m om ento
da calibrayao,
e
necessario
fazer a correyao.
T a b e la 6 [1 7 ] - S olubilidade do oxigenio em func;:ao da tem peratura.
T em p. 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
0 14.16 14.12 14.08 14.04 14.00 13.97 13.93 13.89 13.85 13.81
I 13.77 13.74 13.70 13.66 13.63 13.59 13.55 13.51 13.48 13.44
2 13.40 13.37 13.33 13.30 13.26 13.22 13.19 13.15 13.12 13.08
3 13.05 13.01 12.98 12.94 12.91 12.87 12.84 12.81 12.77 12.74
4 12.70 12.67 12.64 12.60 12.57 12.54 12.51 12.47 12.44 12.41
5 12.37 12.34 12.31 12.28 12.25 12.22 12.18 12.15 12.12 12.09
6 12.06 12.03 12.00 11.97 11.94 11.91 11.88 11.85 11.82 11.79
7 11.76 11.73 11.70 11.67 11.64 11.61 11.58 11.55 11.52 11.50
8 11.47 11.44 11.41 11.38 11.36 11.33 11.30 11.27 11.25 11.22
9 11.19 11.16 11.14 11.11 11.08 11.06 11.03 11.00 10.98 10.95
10 10.92 10.90 10.87 10.85 10.82 10.80 10.77 10.75 10.72 10.70
11 10.67 10.65 10.62 10.60 10.57 10.55 10.53 10.50 10.48 10.45
12 10.43 10.40 10.38 10.36 10.34 10.31 10.29 10.27 10.24 10.22
13 10.20 10.17 10.15 10.13 10.11 10.09 10.06 10.04 10.02 10.00
14 9.98 9.95 9.93 9.91 9.89 9.87 9.85 9.83 9.81 9.78
15 9.76 9.74 9.72 9.70 9.68 9.66 9.64 9.62 9.60 9.58
16 9.56 9.54 9.52 9.50 9.48 9.46 9.45 9.43 9.41 9.39
17 9.37 9.35 9.33 9.31 9.30 9.28 9.26 9.24 9.22 9.20
18 9.18 9.17 9.15 9.13 9.12 9.10 9.08 9.06 9.04 9.03
19 9.01 8.99 8.98 8.96 8.94 8.93 8.91 8.89 8.88 8.86
20 8.84 8.83 8.81 8.79 8.78 8.76 8.75 8.73 8.71 8.70
21 8.68 8.67 8.65 8.64 8.62 8.61 8.59 8.58 8.56 8.55
22 8.53 8.52 8.50 8.49 8.47 8.46 8.44 8.43 8.41 8.40
23 8.38 8.37 8.36 8.34 8.33 8.32 8.30 8.29 8.27 8.26
24 8.25 8.23 8.22 8.21 8.19 8.18 8.17 8.15 8.14 8.13
25 8.11 8.10 8.09 8.07 8.06 8.05 8.04 8.02 8.01 8.00
26 7.99 7.97 7.96 7.95 7.94 7.92 7.91 7.90 7.89 7.88
27 7.86 7.85 7.84 7.83 7.82 7.81 7.79 7.78 7.77 7.76
28 7.75 7.74 7.72 7.71 7.70 7.69 7.68 7.67 7.66 7.65
29 7.64 7.62 7.61 7.60 7.59 7.58 7.57 7.56 7.55 7.54
30 7.53 7.52 7.51 7.50 7.48 7.47 7.46 7.45 7.44 7.43
31 7.42 7.41 7.40 7.39 7.38 7.37 7.36 7.35 7.34 7.33
32 7.32 7.31 7.30 7.29 7.28 7.27 7.26 7.25 7.24 7.23
33 7.22 7.21 7.20 7.20 7.19 7.18 7.17 7.16 7.15 7.14
34 7.13 7.12 7.11 7.10 7.09 7.08 7.07 7.06 7.05 7.05
a)
S olucao com nivel
zero de oxigenio (0% ): existem substancias
que reagem
com
0oxigenio
dissolvido
consum indo-o.
U rn
exem plo
e
0S ulfito
de
S 6dio
(N a
2S 0
3).E ste deve ser dissolvido
na solw ;ao na propon;ao
de lO O m g de sulfito por
S m l de soluyao.
b) S olucao saturada de oxigenio (100% ): urn m etodo sim ples para obter um a
soluyao com lO O % de oxigenio dissolvido consiste em borbulhar ar ou oxigenio num
recipiente
contendo urn liquido, geralm ente
agua destilada, livre de m ateria viva que
possa consum ir
oxigenio. E sse borbulham ento
deve durar pelo m enos 30m in, pois
0tem po para ocorrer
0equilibrio e grande.
o
tipo de eletr6lito varia m uito em funyao do tipo de sensor utilizado. D evido
ao con sum o de ions,
0eletr6lito deve ser trocado periodicam ente.
N o sensor utilizado
nesse trabalho a com posiyao
do eletr6lito e a seguinte:
-0.3 M ol de K C I
-0.15 M ol de N aH
2P 0
4-aproxim adam ente
3 m oles
de N aO H ,
que
sao
adicionados
ate
obter-se
o
circuito de urn m edidor de oxigenio deve ser capaz de fom ecer um a tensao
fixa entre 0.6 e 0.8V (0.7V nesse trabalho) e de m edir a corrente gerada pelo sensor.
A
intensidade
dessa
corrente,
com o
m encionado
anteriorm ente,
varia
m uito
em
5 V 6 B K 2
III IC
'" '"I ( )
para
90%
do valor e
80s para 100% do valor. V ale observar,
ainda, que existe urn
tem po
relativam ente
grande,
cerca de 5rnin, para
0sensor estabilizar
logo que e
ligado (aplica< ;ao dos 0.7V ).
D evido
a
estratifica< ;ao
que
ocorre
em
aguas
com
pouca
agita< ;ao,
notadarnente
nos lagos, os param etros fisicos e quim icos da agua variam ao longo da
profundidade.
L ogo,
torna-se
indispensavel
agregar
a um
grupo
de
m edidas
a
profundidade
na qual
0m esm o e realizado.
A te pouco tem po atras, m edia-se
a profundidade
atraves de m arcas no cabo
que sustentava
os instrurnentos.
E sse m etodo e bastante im preciso
e incom odo,
alem
de nao ser passivel de autom a< ;ao.
E xistem
varios
rnetodos
eletronicos
para
a m edi< ;ao de profundidade
em
rela< ;ao
a
superficie.
0 rnais adequado para
0caso de um a sonda m icroprocessada
e
m edir a pressao, atraves de um sensor especifico,
e, considerando
a densidade[18] da
agua, calcular a profundidade.
N o presente
trabalho,
nao se conseguiu
um sensor de pressao
com ercial
e
tarnpouco
houve interesse
na constru< ;ao de urn, principalrnente
pela cornplexidade
rnecanica de tal instrurnento. A ssirn, optou-se par urn outro m etodo de rnedida
0qual
o
foto-transistor.
A ssim
sac gerados pulsos eletricos
a
m edida que a polia gira. D e
acordo
com
0num ero
de "dentes"
do
encoder
tem -se a precisao
da contagem .
P or
exem plo: deseja-se um a precisao de lcm na m ediyao da profundidade.
A dm itindo-se
um a polia de 2.87cm de raio, tem -se urn perim etro
de 2m = 2 x 3.14 x 2.87 = 18cm .
L ogo, a cada volta da polia sac lanyados ao lago 18cm de cabo. A ssim , se
0encoder
tiver 18 "dentes". urn pulso sera gerado a cada centim etro.
A detecyao do sentido de rotayao da polia vem da analise dos sinais gerados
pelos dois sensores posicionados
convenientem ente.
N a figura 24 estao m ostradas
as
form as de onda colhidas nos foto-transistores
posicionados
conform e a figura 23 com
a polia girando no sentido anti-horario.
O s sinais sac defasados de 90°, num arranjo
conhecido com o quadratura[22
J •U rn dos sinais e tornado com o referencia. no caso a borda de subida
ldo sinal
1. A quantidade
de puisos e contada a cada borda de subida do sinal 1. N a figura 25
0m esm o
arranJo da figura
24 e m ostrado,
porem
com
a polia
girando
no sentido
horario.
C om parando-se
as form as de onda da figura 24 com as da figura 25, nota-se
que no m om enta
em que ocarre a borda de subida do sinal 1
0nivel do sinal 2 varia
em funyao do sentido de rotayao. S e
0sentido e anti-harario,
0nivel do sinal 2 e zero
(branco). E , se
0sentido e horario,
0nivel do sinal 2
e
urn (preto). D esta m aneira.
a
detecyao
do sentido e feita atraves da am ostragem
do sinal 2 com base na borda de
subida do sinal 1. N a figura 26 esta urn exem plo de circuita que realiza a funyao da
F i g u r a 2 3 -
A
esquerda, 0 e n c o d e r utilizado.A
direita, 0 sistema de detecyao optico. Note 0Preto =1
B ra n c o = 0
! s e n tid o d e
! ro ta c ;;a o
F ig u r a 2 4 - S inais gerados quando 0 encoder gira no sentido anti-honirio. Q uando 0 sensor I
detecta a passagem do branco para 0 preto 0 sensor 2 esta detectando 0 branco.
P re to= 1 B ra n c o = 0
s e n tid o d e ro ta c ;;a o
I
s e n s o r 2I
I
I
I
I
F ig u r a 2 5 - S inais gerados quando 0encoder gira no senti do horario. Q uando 0sensor I dctecta a
passagem do branco para 0 pre to 0 sensor 2 esta detectando 0 preto.
t
Q
C k
D
O = anti-horario
in _ --r:'~
~ ~
I
R e f = O .lV
\
\ R e f = O .lV
F ig u r a 2 7 - N o grM ico estao m ostradas as form as de onda dos sinais do foto-transistor e da saida
do com parador.
A
direita. 0 com parador.2 ln t e r r u p .; a o
e
um a func;ao dos m icroprocessadores, em geral ativada por hardware, a qual desvia a execuc;ao do program a principal para um a subrotina qualquer. A interrupc;ao pode ou nao ser atendidao
circuito proposto para a sonda esta dividido basicamente em duas
partes: a
unidade
central
e os circuitos
dos
instrumentos.
Estes ultimos
sac descritos
em
detalhe no capitulo que trata dos instrumentos. Todos eles entregam it unidade central
urn sinal ana16gico na faixa de 0 a 5V. Apenas
0medidor de profundidade
trabalha
com sinais digitais especificos.
Por motivos de portabilidade
e compatibilidade
escolheu-se
utilizar a porta
serial RS232f23J,padrao nos micros IBM/PC, para realizar a transferencia
de dados
entre a sonda eo PC.
Na figura 28, esta
0diagrama em blocos do circuito, que
e
composto por urn
microcontrolador
RISC
(PIC l6C84)f2
4J,
urn
conversor
AID
serial
de
l2bits
(MAXI 87)[25J.2 chaves anal6gicas
(DG20I)126J, urn multiplexador
(CD4028B),
4
fontes de alimentavao duplas, 1 adaptador RS232, 5 circuitos de condicionamento
e
controle dos sinais dos instrumentos e
0circuito do me did or de profundidade.
Na figura 1 do apendice A, esta
0diagrama esquematico
que serve de base
3 Host e urn computador que controla outro, geralmente centralizando 0controle
4RISe -R e d u c e d i n s t r u c t i o n S e t C o m p u t e r - Microprocessador com pequeno conjunto de instrw;:oes.
5 EEPROM - E l e t r i c E r a s e b l e P r o g r a m a b l e R e a d O n l y M e m o r y - Memoria na qual se po de gravar dados os quais SaG retidos mesmo retirando a alimental;:ao. No entanto com a aplical;:ao de sinais
eletricos convenientes pode-se apagar ou mesmo reprogramar 0conteudo da memoria
Medidor de
Turbidez
---··---r-
_
-I
Medidor de
Condutividade
Adaptador
RS232
Medidor de
DO
Chave
Ana16gica
Medidor de
Temperatura
+
12V extemos
I
3 . 2 . 1
Programa~ao
d a s P o r t a sPorta A
R A 2 , R A l , R A O :
pinos de saida formando
uma palavra de
3
b i t sa qual
endere9a
0muhiplexador
da entrada
anal6gica de acordo com a tabela
7.
R A 3 :
pino de saida que comanda a escala automatica do
turbidimetro.
Assim:
RA3=O
--+
baixa sensibilidade;
RA3= 1
--+
aha sensibilidade.
R A 4 :
pino de entrada
0qual
Ie
0sentido do deslocamento
do medidor
de
profundidade.
Porta B
RBO:
pino de entrada de interrup9ao utilizado para a contagem de pulsos do
medidor de profundidade.
R B I , R B 5 :
pinos de saida que comandam, de acordo com a tabela 8, a escala
automatica do condutivimetro.
R B 2 :
pino de entrada que recebe os dados do conversor
AID.
R B 3 :
pino de saida que envia
0sinal de
c l o c kpara a comunica9ao
serial
sincrona com
0conversor
AID.
RB6:
pino de saida que envia os dados pel a RS232
Entradas anaLOgicas
RA2
RAi
RAO
AIO
0
0
0
All
0
0
1
AI2
0
1
0
AI3
0
1
1
AI4
1
0
0
RBi
o
o
1
1
RB5
o
1
o
1
Sensibilidade
Alta
Media
Pequena
7 T r a n s i s t o r n o c o r t e significa que 0 mesmo nao esta conduzindo, ou seja apresentando alta impediincia entre coletor eemissor.
8 T r a n s i s t o r n a satura~ao significa que 0 mesmo esta conduzindo, ou seja apresentando baixa
impediincia entre coletor e emissor.
yA comunica~ao s e r i a l a s s i n c r o n a nao utiliza sinal de clock. Esse tipo de comunica<;:ao baseia-se em temporiza<;:ao pre-determinada. 0 sincronismo e feito no inicio da transmissao, quando 0 start-bit e
recebido, e, a partir dai. cada dispositivo conta seu proprio tempo para realizar a transmissao e recep<;:ao dos dados.
...
---:0;
:2;3:4:5:6:7:
Figura 30 -
P a la v ra d e 1 6 bits c o lo c a d a n o re g is tra d o r d e d e s lo c a m e n to a o fin a l d e c a d a c o n v e rs a o .o
p rim e iro b ite
0 s in a liz a d o r d e fu n d e c o n v e rs a o (E O C ).cs
~ S
S S . . . - - - '
S C L l(
- - - - f L - - s s
S
O O J T ~ ~
• ~Eoe
INTERFACE OCIOSA__ I4
E ~ ~ :~ R ~ S ~ "
I •... Eoe •..• 11 2 x 0 .2 5 0 1 1 5 ' 3 .2 5 j!s
T O T A l.1 2 .2 S 1 ts
--1--ll\1S--I~1
(Ies)
T a b e l a 9 - Niveis logicos das saidas dos transistores comandados pelo CD4028B em funyao do endereyamento.
D C B
A
SO
Sl
S2
S3
S4
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0
I IChave analogica
e
urn dlspositivo eletronico que atua de maneira similar a urn rele. Com 0 rnesrnaS in o l~
