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CONSTRUÇÃO DE PROTÓTIPO DE SENSOR DE TEMPERATURA PARA USO COMO GEOTERMÔMETRO
ARTHUR BRANDÃO, LUCIANA CORRÊA DE LIMA, RICHARD FRAGA, WESLEY MATEOS, EDUARDO BECK.
Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, Avenida Mauro Ramos, 950 - Centro, Florianópolis - SC, 88020-300
tuti_brandao@hotmail.com, lu_cclima@hotmail.com, richardfraga01@hotmail.com, negoley@hotmail.com, ebeck@ifsc.edu.br.
RESUMO
O uso de sensores eletrônicos em estações meteorológicas se justifica pela praticidade, baixa manutenção, confiabilidade dos dados e possibilidade de sensoriamento remoto. O objetivo deste estudo foi o desenvolvimento de um sensor de temperatura para utilização futura como geotermômetro, utilizando componentes eletrônicos de baixo custo e fácil aquisição no mercado. Diferentes associações entre termistores e resistores foram utilizadas, com a finalidade de avaliar qual a melhor opção em função de resposta de cada circuito aos testes de variação de temperatura. O experimento realizado em laboratório demonstrou que a utilização de termistores produziu resultados aceitáveis, dentro da faixa de temperatura utilizada.
Sensor, Solo, Termistor NTC.
ABSTRACT:
The use of electronic sensors in weather stations is justified by practicality, low maintenance, data reliability and possibility of remote sensing. The aim of this study was the development of a temperatures sensor for future use as a geothermometer, using electronic components with low cost and with easy acces. A couple association between thermistors and resistors used, in order to evaluate the best option due each circuit in response to the temperature change tests. The laboratory experiment demonstrated that the use of thermistors produce acceptable results within the temperature used.
Keywords: COEFFICIENT OF DETERMINATION, LINEARITY, POLYNOMIAL REGRESSION, THERMISTOR NTC, SENSOR, SOIL.
1. INTRODUÇÃO
A temperatura do solo é uma variável de grande importância para a agricultura. No estudo da agrometeorologia pode-se entender melhor sua importância, pois se esta variável for desfavorável poderá gerar retardamento no desenvolvimento de cultivos agrícolas. Esta variável é responsável pela germinação das sementes, atividade funcional das raízes, e ocorrência e severidade de doenças nas plantas (Hillel, 1998 apud Cardoso et al., 2010). Horticultores e agricultores tem se esforçado para ter o pleno conhecimento dos tipos de solo ideais para cada cultivo, pois ter conhecimento sobre os aspectos do solo traz ao agricultor a possibilidade de planejar sistemas de irrigação ou coberturas, permitindo assim o controle da temperatura do solo.
A temperatura do solo é determinada pelo aquecimento da superfície através da radiação solar e transporte de calor. Ao atingir a superfície da terra, parte dessa radiação é
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absorvida, e parte é refletida. A radiação que obteve absorção interage com a superfície e transforma-se em energia térmica (Sentelhas e Angelocci, 2009). Essa interação acarretará em aumento na temperatura do solo o qual dependerá da duração da radiação. Cada tipo de solo tem sua própria dinâmica de temperatura, pois a sua condutividade térmica depende da matéria orgânica presente no solo, quantidade de água, do tipo de relevo e da cobertura na superfície (Derpsch et al., 1985 apud Souza et al., 2009). Para o acompanhamento e controle da temperatura do solo são utilizados os geotermômetros, que, comumente, possuem como elemento sensível o mercúrio, que tem como principio de medição a dilatação do mesmo em função da temperatura, e geralmente, possuem custo elevado.
Além dos geotermômetros convencionais citados, sensores eletrônicos de temperatura também podem ser usados para medição da temperatura do solo. Por estarem associados ao uso de estações meteorológicas automáticas, os sensores eletrônicos possuem a vantagem a possibilitar a realização de leituras e armazenamento dos dados em frequências mais elevadas, permitindo observações e acesso remoto aos dados. Os mesmos utilizam como elemento sensível os termopares e termistores, componentes eletrônicos que variam suas características elétricas em função da temperatura.
Dentre os termistores disponíveis no mercado estão os termistores do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient). Os termistores NTC possuem coeficiente negativo de temperatura, ou seja, ao serem expostos a um aumento de temperatura, diminuem sua resistência elétrica (Souza, 2008). A utilização de circuitos em série associando termistores NTC e resistores, alimentados por uma fonte de tensão contínua (também chamados de circuitos divisores de tensão) resulta em, quando expostos a variação de temperatura, mudanças na resistência total do circuito, o que faz com que a corrente total e a tensão resultante sobre o resistor dessa associação varie. Tal variação de tensão pode ser medida e matematicamente convertida em variação de temperatura.
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de protótipo de sensor eletrônico de temperatura, utilizando termistores de baixo custo e fácil aquisição, avaliando assim a
Meteorológica do IFSC.
2. METODOLOGIA
Para compor nosso protótipo utilizamos diferentes associações entre termistores do tipo NTC, e resistores. A escolha de termistores NTC se deu pela boa sensibilidade a temperatura, baixo custo e fácil aquisição, o que justifica seu uso em muitos sensores de temperatura que existem no mercado. As diferentes associações entre termistores NTC e resistores utilizados estão descritas na Tabela 1. A associação TS0 foi encapsulada utilizando tubo de polipropileno como revestimento para o sensor, para fins de avaliar possíveis interferências deste material nas medições.
Tabela 1. Valores de termistores e resistores associados e suas respectivas tensões de alimentação. TS0 (encapsulado), TS1 e TS2 (matriz de contato).
Sensor Termistores Resistores Alimentação
TS0 10KΩ 100Ω 1000mVDC
TS1 10KΩ 100Ω 5000mVDC
TS2 10kΩ 10KΩ 5000mVDC
Para fins de comparação, foram utilizados os sensores Young (temperatura padrão, TP) modelo 41685 e Campbell modelo 108 (temperatura Campbell, TC). O primeiro utiliza termorresistência de platina, do tipo RTD (Resistance Temperature Detector), e o segundo utiliza um termistor de 100 KΩ, do tipo NTC. Os termistores do tipo NTC não possuem resposta linear, por isso, as medições são corrigidas por regressões polinomiais de quinta ordem. A regressão polinomial do sensor Campbell
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108 está descrita abaixo (Eq. 1). Esta correção foi previamente programada na execução de leitura deste sensor.
y = 0,301x5 – 3,455x4 + 16,573x3 – 40,66x2 + 69,635x – 26,97 (Eq. 1)
Todos os sensores foram alimentados através de datalogger Campbell, modelo CR800. As leituras dos sensores foram realizadas e armazenadas a cada 30 segundos pelo datalogger. A temperatura do ar foi controlada em laboratório através do uso de ar condicionado e aquecedor de ambientes. Após a coleta dos dados foram utilizados em gráficos de dispersão, de onde foram obtidas as regressões lineares e polinomiais a
partir da distribuiçao dos dados, bem como seus respectivos valores de R2 (coeficiente de determinação), que foram utilizados para avaliar qual a melhor opção de circuito em função da resposta aos testes de variação da temperatura.
3. RESULTADOS
No experimento realizado, a temperatura do ar variou de 20,4 ºC a 24,6 ºC, conforme medições realizadas por TP (Young). Dentro desta faixa de variação, foram obtidas as medições e os gráficos de dispersão de cada sensor em relação à TP. Observou-se que o sensor TC (Campbell) apresentou resposta mais próxima da linearidade (R2 = 0, 9846, Eq. 2, Fig. 1). Isso ocorreu em função da correção realizada através da equação polinomial descrita anteriormente. As equações geradas pelas linhas de tendência, bem como os valores de R2,estão descritas abaixo (Eq. 2-5).
y=0,0526 x5 -5,9068 x4 +265,03 x3 -5937,8 x2 +66423x-296778 (Eq.4)
y=-0,1992 x5 +22,529 x4 -1018,2 x3 +22986 x2 -259198x+1E+06 (Eq.5)
O protótipo encapsulado (TS0) teve seu valor de R2 menor em relação aos outros
sensores ( R2 = 0.9846 Eq. 3, Fig. 2). Esse fato pode ser indicativo de que o encapsulamento do sensor pode ter interferido em sua sensibilidade a variação da temperatura.
Figura 1. Dispersão dos valores de leitura do sensor TC em relação ao sensor padrão, e suas respectivas linhas de tendência.
Figura2. Dispersão dos valores de leitura do sensor TS0 em relação ao sensor padrão, e suas respectivas linhas de tendência.
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Os sensores TS1 ( R2 =0.9495 Eq. 4, Fig. 3) e TS2 ( R2 =0.9805, Eq. 5, Fig. 4) apresentaram boa sensibilidade a variação de temperatura, este ultimo (TS2) apresentando uma resposta superior ao primeiro após a correção polinomial, indicando ser esta associação a melhor opção entre os circuitos testados.
Figura 3. Dispersão dos valores de leitura do sensor TS1 em relação ao sensor padrão, e suas respectivas linhas de tendência.
4. CONCLUSÃO
Originalmente, este estudo pretendia a avaliação dos protótipos de sensores em ambientes externos para fins de verificar o funcionamento em condição similar àquelas submetidas a geotermômetros, ou seja, em diferentes profundidades do solo. O experimento realizado em laboratório demonstrou que a utilização de termistores produziu resultados aceitáveis, dentro da faixa de temperatura utilizada. Ressaltamos que estes resultados são preliminares tendo em vista a curta amplitude de temperatura utilizada.
Figura 4. Dispersão dos valores de leitura do sensor TS2 em relação ao sensor padrão, e suas respectivas linhas de tendência.
Sugerimos que este estudo seja aprofundado, tendo em vista os resultados favoráveis obtidos no presente trabalho. Pesquisas futuras deverão abordar questões como a interferência do material utilizado para o encapsulamento, bem como atentar
de um ambiente termicamente melhor controlado.
Da mesma forma, as validações desses protótipos para uso como geotermômetro dependerão do desenvolvimento de novas pesquisas que levem em consideração as condições naturais de solo.
5. REFERÊNCIAS
CARDOSO, J. et al. Instalação de um sitio de geotermômetro. 2010. 8 f. Projeto Integrador (Curso Técnico em Meteorologia) – Instituto Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2010.
SOUZA, B. et al. Instalação de Geotermômetros Estação Automática do IFSC. 2009. 7 f. Projeto Integrador (Curso Técnico em Meteorologia) – Instituto Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2009.
SENTELHAS, C. P.; ANGELOCCI, L. R. Apresentação em Powerpoint de aula sobre Temperatura do solo e do ar. Disponível em http://www.lce.esalq.usp.br/aulas/lce306/ Aula6.pdf. Acesso em 31/04/2014. SOUZA, G. R. Apresentação sobre Termistores – NTC e PTC. Disponível em
http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/Gustavo&Ishizaki.pdf. Acesso em 28/04/2014.
