Automatização e integração do protótipo de um sistema
autônomo de medição da resistividade (condutividade) do solo
Automation and integration of the prototype of an autonomous
system for the measurement of soil resistivity (conductivity)
Matheus Frizo da Fonseca, matheusfrizo@gmail.com Cláudia Francisca Escobar de Paiva
Marcelo Bender Perotoni Stilante Koch Manfrin
Universidade Federal do ABC, Santo André, São Paulo
Submetido em 01/03/2017
Revisado em 01/03/2017 Aprovado em 02/05/2017
Resumo: O conhecimento das características do solo é imprescindível para profissionais de diversas áreas, por isso, o projeto visa a construção de um sistema autônomo e automatizado para a medição da condutividade do solo a partir de uma sonda geotécnica. Desenvolveu-se simulações computacionais que orientaram a confecção de Placas de Circuito Impresso, as quais foram interligadas ao microcontrolador Arduino UNO®, responsável por ler sinais elétricos, interpretar seus valores e apresentar os resultados finais aos usuários. Palavras chave: Automatização, condutividade, solo, sonda geotécnica.
Abstract: The knowledge of the soil properties is indispensable for the professionals of several areas, therefore, this project aim the construction of an autonomous and automated system for the measurement of the soil conductivity based on a geotechnical probe. Computational simulations were developed to guide the confection of Printed Circuit Boards, connecting them to the microcontroller Arduino UNO®, which is responsible for read the electrical signals, interpret the values and show the final results to the users.
Introdução
O conhecimento das características do solo é imprescindível para profissionais de áreas como a construção civil e a agropecuária, pois permite a escolha de técnicas adequadas a cada situação, a fim de alcançar os melhores resultados para as aplicações planejadas.
Dessa forma, torna-se necessário o desenvolvimento de técnicas e instrumentos que realizem a averiguação geológico-geotécnica das áreas de interesse. Nesse sentido, destacam-se os métodos geofísicos, uma vez que permitem a obtenção de resultados rápidos e econômicos, além de não afetarem as propriedades físicas do material analisado.
A partir dos princípios dos sistemas geofísicos desenvolveu-se uma sonda geotécnica para medição da resistividade (condutividade) do solo1. Tal sonda é composta por uma rosca central de latão, na qual fixou-se uma ponteira cônica do mesmo material. Acoplados a essa rosca, encontram-se eletrodos de latão e anéis isoladores de nylon, dispostos de maneira intercalada nesse instrumento.
Para a realização das medições é necessário, além da sonda em si, um circuito eletrônico, responsável por fornecer um sinal elétrico capaz de alimentar esse instrumento. Tal circuito consiste em um oscilador por deslocamento de fase em 1kHz, com amplitude ajustável entre 0 e 8 volts; um circuito isolador (buffer) e um conversor tensão-corrente com o amplificador operacional OPA548T, que possui uma saída máxima de 5 ampères.
O valor da condutividade elétrica do solo (σ) é obtido com base nos valores da tensão ( V) - medida nos eletrodos centrais da sonda – e da corrente (I) que alimenta os terminais externos do conjunto, conforme mostrado na equação (1), sendo K a constante de calibração da sonda em m-1:
= (1)
A sonda geotécnica possui três conjuntos de anéis isoladores de nylon, com alturas iguais a 11, 20 e 30 mm. Há também três conjuntos de eletrodos de
1 PAIVA, C. F. E., et al., “Caracterização Geológico-Geotécnica através de Investigação Geofísica
latão, com alturas iguais 3, 10 e 15 mm, possibilitando, dessa forma, nove configurações distintas para essa sonda.
Para cada uma dessas configurações há um valor diferente para a constante de calibração da sonda (K). Tal constante é obtida pela relação entre condutância (I/ V) e a condutividade (σ), sendo definida, experimentalmente, a partir de ensaios realizados com soluções de cloreto de potássio (KCl), cujas condutividades são conhecidas.
Nesse contexto, o presente trabalho visa converter o sistema de medição de condutividade, que inicialmente utilizava fontes de tensão de bancada para alimentação e multímetros para a medição dos valores de tensão e corrente, em um sistema autônomo e automatizado, ou seja, com fonte de energia própria e que realize todas as medições internamente, apenas apresentando os resultados finais para o usuário. Tal sistema está esquematizado na Figura 1.
Figura 1 – Esquematização do Sistema de Medição Integrado
Fonte: O autor.
Para alcançar tais objetivos, estabeleceu-se uma série de metas, como: a análise e produção de PCI’s (Placas de Circuito Impresso) dos circuitos empregados no projeto; testes de bancada a fim de averiguar a equivalência entre as simulações e os resultados práticos; desenvolvimento de um sistema microcontrolado para calcular a condutividade do solo e um mecanismo de transporte do sistema de medição autônomo, permitindo testes de campo.
Metodologia
O desenvolvimento do projeto iniciou-se no estudo do funcionamento dos circuitos eletrônicos necessários para prover o sinal de corrente da sonda. Tal análise foi realizada utilizando o software de simulação National Instruments
Multisim®, no qual inseriu-se um modelo virtual dos circuitos a serem estudados,
permitindo a observação do comportamento elétrico de seus componentes para os ensaios realizados.
Com base nessas versões virtuais, pode-se confeccionar um layout de PCI associado ao circuito oscilador utilizado no sistema. Tal processo foi realizado a partir do software National Instruments Ultiboard®. Nessa etapa, foram realizadas quatro versões distintas de layout, de forma que a cada versão desenvolvida os erros apresentados nas anteriores fossem minimizados.
A versão final do layout deu origem a uma PCI produzida pela prototipadora LPKF® E33. Os componentes foram inseridos nessa placa e os circuitos foram testados em laboratório, com o intuito de comparar os resultados obtidos com as simulações computacionais. Uma vez que os resultados foram similares, tais circuitos foram utilizados em todas as etapas subsequentes do trabalho.
Em sequência, realizou-se a montagem de uma nova configuração da sonda para ser analisada nesse projeto. A nova estrutura foi elaborada utilizando eletrodos de 15mm de altura e anéis de nylon com 30mm de altura. Para ser estudada, essa configuração passou por um processo de calibração que consistia na sua colocação em soluções de cloreto de potássio, com condutividades conhecidas, de forma a aferir os valores de tensão e corrente sobre a sonda, permitindo a obtenção do coeficiente de calibração relativo àquela configuração.
A etapa crucial do desenvolvimento desse projeto consistiu na implementação de um sistema automatizado para a medição e apresentação dos dados relativos a condutividade do solo.
Esse processo foi realizado com base na confecção de um código computacional para o micro controlador Arduino Uno®, de forma que esse elemento fosse capaz de receber os sinais de tensão vindos da sonda, os quais são lidos por suas portas de entrada analógica; calcular a corrente que é
fornecida aos eletrodos externos da sonda com base em uma resistência pré-definida, relacionando-a com um valor de tensão medido.
Utilizando-se tais valores, o micro controlador realiza o cálculo da condutividade do solo e o apresenta para os usuários em um display LCD 16x2 (colunas x linhas), que está conectado às portas digitais do micro controlador.
Esse código foi desenvolvido para, além de realizar a obtenção dos sinais elétricos e seu respectivo tratamento, ser responsável por realizar a varredura de um teclado USB, por meio de um elemento adicional conhecido como USB Host Shield. Esse sistema é capaz de receber informações dos usuários acerca de qual o valor relativo a constante de calibração a ser utilizado no processamento matemático das informações.
Por fim, a metodologia de execução desse trabalho encerrou-se na elaboração de uma maleta de transporte, na qual o sistema autônomo, desenvolvido com o micro controlador acima citado, era interligado com o circuito oscilador presente na PCI desenvolvida, sendo ambos alimentados por um banco de baterias. Essa configuração proporciona autonomia ao sistema de medição, desvinculando-o da rede elétrica fixa.
Vale ressaltar o cuidado associado a colocação de um circuito integrado (LM 7809) entre a alimentação e o Arduino Uno®, de forma a limitar o nível da tensão de alimentação do micro controlador sempre em um patamar adequado.
Resultados
Dentre os resultados obtidos nesse trabalho, destacam-se a confecção de um layout e a consequente produção de uma PCI, vistos na Figura 2, que foram elementos de suma importância para o desenvolvimento do projeto.
Figura 2 – (a) Layout desenvolvido e (b) PCI confeccionada
Fonte: O autor.
Somado a esses resultados, houve a montagem de uma nova configuração da sonda. A calibração desta nova configuração utilizou a metodologia empregada na configuração anterior, utilizando soluções de cloreto de potássio com condutividades conhecidas. Essa técnica possibilitou obter a curva de calibração mostrada na Figura 3.
Na Figura 3, pode-se observar que o coeficiente angular da reta plotada representa o valor da constante de calibração da sonda, conforme explicitado anteriormente. Dessa forma, o valor para essa nova constante foi de K2 = 0,2732m-1, possuindo uma variação considerável quando comparada com a constante associada a configuração anterior (K1 = 0,2057 m-1).
O resultado mais significativo, entretanto, foi a produção de um mecanismo de medição da condutividade do solo de forma autônoma e automatizada, requisitos os quais haviam sido definidos como os principais objetivos iniciais do projeto. Esse sistema resultou em processo de medição mais rápido e amigável para o usuário, uma vez que possui uma interface de comunicação simples e objetiva.
Esse método apresentou um mecanismo muito eficaz na captação dos sinais de tensão e corrente nos terminais da sonda, de maneira a permitir o cálculo adequado do valor da condutividade do solo. Além disso, apresentou uma interface com o usuário mais simples e direta, como indicado na Figura 4.
Figura 4 – (a) Menu Inicial, (b) Confirmação da Constante de Calibração, (c) Valor medido para a Condutividade do Solo, (d) Mensagem de Erro no Preenchimento do Menu Inicial
Fonte: O autor.
Nesse contexto, o usuário inicia sua aplicação selecionando o valor da constante de calibração associado à configuração da sonda em questão, verificando, na sequência, a validade da escolha realizada e, enfim, pode observar o valor medido para a condutividade do solo analisado.
Além disso o sistema permite captar valores mal inseridos no menu inicial de escolha da constante de calibração, apresentando mensagens de erro para que o usuário identifique plenamente as incongruências ocorridas.
A última etapa realizada foi a construção da maleta de transporte, apresentada na Figura 5. Esse aparato permite que o sistema seja empregado em testes de campo sem que sejam necessários pontos de rede elétrica, fiação em excesso ou outros instrumentos para medição.
Figura 5 – Fotografia da vista superior da maleta de transporte
Discussão
Os resultados obtidos foram, em suma maioria, condizentes com os objetivos do trabalho. Porém, devido a questões de cronograma, não foram realizados testes de campo com a maleta de transporte que evidenciassem todo o funcionamento do sistema desenvolvido nesse projeto, eximindo-o de falhas.
Dentre os pontos positivos do trabalho, pode-se destacar a intensa pesquisa realizada para o desenvolvimento do sistema de medição automatizado. Nesse sentido, foram necessários estudos intensos e aprofundados a respeito da programação do Arduino Uno®, uma vez que foram utilizados muitos conceitos antes desconhecidos pelos membros da equipe.
Dentre esses conceitos, vale citar dois que agregaram muito ao conhecimento do autor: o método de comunicação USB e a captura de um número significativo de amostras de sinais senoidais. Quanto ao primeiro aspecto, tornar o Arduino Uno® um hospedeiro USB foi um processo muito produtivo, permitindo adquirir conhecimentos acerca do funcionamento do micro controlador bem como um estudo mais aprofundado sobre mapeamento de teclados e sua interligação com outros componentes.
Já em relação ao segundo conceito, pode-se dizer que esse foi provavelmente foi o mais desafiador e agregador de conhecimento. Nesse caso, necessitou-se de um estudo sobre como aumentar a velocidade de leitura do
Arduino Uno®, permitindo que esse conseguisse descrever de maneira fiel o
comportamento da onda senoidal que tal equipamento se dedicava a mensurar. Tal estudo resultou não só na obtenção de um método que suprisse as necessidades encontradas inicialmente, como também permitiu adquirir conhecimentos computacionais a partir da análise da função responsável por aumentar essa taxa de amostragem.
Nesse contexto, o projeto de iniciação científica para ingressantes na graduação (Programa Pesquisando Desde o Primeiro Dia) foi de fundamental importância na vida acadêmica e pessoal do aluno, fazendo-o conhecer uma nova oportunidade de trabalho, cativando-o a seguir suas atividades de pesquisa.
Referências
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