projeto e construção de um sensor de umidade relativa do

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM SENSOR DE
UMIDADE RELATIVA DO TIPO RESISTIVO
por
Christian Augusto Wartchow
Herberth Birck Fröhlich
Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas
Professor Paulo Smith Schneider
Porto Alegre, Janeiro de 2013
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor de umidade relativa baseado na
alteração da resistência de um capacitor cerâmico sujeito a um fluxo de ar úmido. O projeto e
construção desse sensor passaram pelas etapas de pesquisa de um componente eletrônico com
propriedades higroscópicas, construção de um protótipo, construção da curva de calibração,
curva para operação e uma equação contínua para leitura. Os resultados foram obtidos para uma
faixa de 20 a 70% de UR (como fora proposto no problema), sendo que o sensor operava melhor
no intervalo de 20 a 45% e apresentava uma alta variação na leitura entre 64 e 70%. O sensor se
mostrou uma boa alternativa para a medição, pois é de baixo custo e não apresentou histerese.
Ainda sobre os resultados, devido ao comportamento anômalo em algumas faixas de medição e a
não realização de mais medições, não foi possível o cálculo das incertezas de medição.
Palavras-chave: capacitor cerâmico, sensor resistivo, umidade relativa
ABSTRACT
This paper presents the development of a relative humidity sensor based on the change in
resistance of a ceramic capacitor subjected to a stream of moist air. The design and construction
of this sensor went through the steps of an electronic component search with hygroscopic
properties, building a prototype, construction of the calibration curve, curve for operation and an
equation for continuous reading. The results were obtained for a range of 20 to 70% RH (as
proposed in the problem), and that the sensor operated best in the range of 20 to 45% and had a
high variation in readings between 64 and 70%. The sensor showed a good alternative for the
measurement because it is inexpensive and showed no hysteresis. Still on the results, due to
anomalous behavior in some measuring ranges and not performing further measurements, it was
not possible to calculate the measurement uncertainties.
Keywords: ceramic capacitor, resistive sensor, relative humidity
LISTA DE SÍMBOLOS
a
b
c
d
UR
R
Constante [Adimensional]
Constante [Adimensional]
Constante [Adimensional]
Constante [Adimensional]
Umidade relativa (%)
Potência [J/s]
Resistência Elétrica [Ω]
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 1
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ........................................................................................ 1
3.1. Psicrometria ..................................................................................................................... 1
3.2. Umidade Relativa ............................................................................................................. 2
3.3. Processos Piscrométricos .................................................................................................. 2
3.5. Componentes Eletrônicos ................................................................................................. 3
3.5.1. Capacitores ................................................................................................................. 3
3.5.2. Resistores ................................................................................................................... 4
3.5.3. Transistores ................................................................................................................ 4
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS .......................................................................................... 4
5. VALIDAÇÃO ....................................................................................................................... 5
6. RESULTADOS ..................................................................................................................... 7
6.1. Incerteza de Medição ........................................................................................................ 7
7. CONCLUSÕES..................................................................................................................... 7
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................... 7
1. INTRODUÇÃO
Medidores de umidade relativa são necessários para controlar um ambiente tanto pelo
bem estar de seus ocupantes, como também para preservação de equipamentos ou
estabelecimento de uma atmosfera desejada. Na indústria eles se tornam obrigatórios em certas
ocasiões, interferindo nos gastos e na praticidade de sua utilização na mesma.
Existem diversos tipo de medidores dos mais diferentes princípios no mercado
atualmente, dentre eles se destaca os medidores de umidade relativa pela temperatura de bulbo
úmido e bulbo seco. Este que por sua vez se torna inviável por se tratar de um medidor de
resposta muito lenta.
Assim chegamos ao âmbito deste trabalho: a apresentação de um medidor com resposta
rápida, com grande precisão e que possa ser utilizado em diferentes temperaturas. Este que deve
operar entre 20% e 70% de umidade relativa.
Aqui foi apresentado o desenvolvimento de um sensor de umidade relativa baseado na
alteração da resistência de um capacitor cerâmico sujeito a um fluxo de ar úmido que passava
por dentro de uma canalização. Um sensor de baixo custo composto por um circuito que
apresenta poucos componentes em um simples arranjo, dentre eles uma bateria, um capacitor
modificado, um transistor, resistências e demais componentes de montagem de circuitos.
Um sensor baseado na alteração da resistência de um capacitor é praticamente único e
exige então que uma devida calibração seja feita. Para isso foi utilizada uma bancada de testes
que se encontra no Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos – LETA, para que assim
pudesse ocorrer uma comparação com os valores de umidade relativa apresentados por outro
sensor já presente na bancada.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Na literatura existem diferentes medidores de umidade relativa, com princípios de
funcionamento dos mais variados: mecânico (baseado em alteração de propriedades mecânicas
de um material como volume, peso ou tamanho), resistivos (alteração da passagem de corrente
pelo material) e capacitivo (alteração da capacitância de um dielétrico devido a umidade
relativa). Porém, equipamentos baseados na alteração da resistência de um capacitor cerâmico
são escassos. Feita uma revisão da bibliografia encontrada, um medidor de umidade relativa que
use o princípio deste trabalho não pôde ser localizado. Mesmo que ele já tenha sido objeto de
estudos em outros momentos não foi verificada sua aplicação em larga escala, tanto em
pesquisas quanto em publicações.
Com as informações sobre medidores baseado na alteração da resistência de um capacitor
cerâmico são pouco existentes, é apresentado no próximo capítulo a fundamentação teórica
desenvolvida para a descrição de onde foi baseado este trabalho.
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1. Psicrometria
Primeiramente deve-se estabelecer o ar e sua constituição. Têm-se o ar seco, que é uma
mistura de diversos componentes gasosos: nitrogênio (maior porção), oxigênio, argônio, dióxido
de carbono, neônio, hélio e outros em menor quantidade (Beyer, 2012). Ar úmido é uma mistura
de ar seco com vapor d’água, vapor que varia de zero até um valor máximo dependente da
temperatura e pressão. Por fim há o ar atmosférico que é o ar úmido misturado com poluentes
como: fumaças, pólen, poluentes gasosas e particuladas.
1
Agora é possível estabelecer a psicrometria, que segundo Ashrae, 2009, é o uso das
propriedades termodinâmicas para analisar as condições e os processos que envolvem o ar
úmido.
3.2. Umidade Relativa
Novamente, segundo Ashrae, umidade relativa é definida como a relação entre a fração
molar do vapor d’água
em uma dada mistura de ar pela fração molar
do vapor d’água
saturada a mesma temperatura e pressão total. A umidade relativa pode ser obtida por cartas
psicrométricas (Figura 1), diferentes para certas faixas de temperatura, sendo função da
temperatura de bulbo seco (termômetro protegido da radiação ambiente).
Figura 1 - Carta psicrométrica do ar úmido (Beyer, 2012)
3.3. Processos Piscrométricos
Qualquer estado do ar úmido é bem definido em uma carta psicrométrica com o
conhecimento de duas de suas propriedades (Bayer, 2012). Dessa forma, podem-se realizar
processos que alteram algumas de suas propriedades de forma controlada. Entre os processos
possíveis podemos ilustrar dois que foram utilizados na bancada para alteração da UR:
aquecimento do fio quente em contato com o fluxo de ar, Figura 2, e a adição de vapor d’água ao
fluxo de ar, Figura 3.
Figura 2 - Alteração da UR com aquecimento por fio quente. (Beyer, 2012)
2
A Figura 2 ilustra um processo de diminuição de UR onde não ocorre alteração do
conteúdo de umidade. É realizado por um dispositivo que adiciona calor ao fluxo e é largamente
utilizado em secadores industriais e residenciais pois consegue uma diminuição da UR
aumentando seu potencial de secagem.
Figura 3 - Alteração da UR com inserção de vapor d’água. (Beyer, 2012)
A Figura 3 ilustra um segundo processo de alteração de UR, onde com a inserção de
vapor d’água acarreta no acréscimo de UR e da quantidade de umidade do fluxo de ar. Neste
processo o que permanece constante é a temperatura de bulbo seco.
3.5. Componentes Eletrônicos
3.5.1. Capacitores
Capacitor é um componente que armazena energia em um campo elétrico. É composto
por duas placas separadas por uma distância ‘d’ e no meio dessas placas está presente um
isolante ou dielétrico. A capacidade de armazenar energia é denominada capacitância e depende
da distância ‘d’, do isolante ou dielétrico e da variação da tensão que passa pelo capacitor.
Quando utilizado em corrente contínua um equilíbrio é alcançado entre as placas e a corrente não
pode passar pelo capacitor, contudo, quando em corrente alternada a corrente pode fluir.
Figura 4 - Tipos de capacitores encontrados no mercado (Google Images)
Capacitores podem ser de vários tipos, Figura 3, e os mais utilizados são os cerâmicos e
os eletrolíticos.
3
3.5.2. Resistores
Resistores são elementos de circuitos que restringem a passagem de corrente. Possuem
linhas coloridas em sua superfície que determinam sua resistência, em Ohms, Figura 5.
Figura 5 - Representação de um resistor. (Google Images)
3.5.3. Transistores
Transistores são componentes que amplificam pequenas mudanças no sinal recebido.
Possuem 3 conexões: a base, o coletor e o emissor. O ganho acontece quando a junção coletorbase é polarizada reversamente e a junção base-emissor é polarizada diretamente. A corrente de
saída será tão maior quanto for a corrente de base, assim, quando uma pequena tensão é aplicada
à base, a resistência entre o emissor e o coletor diminui permitindo a passagem da corrente. A
ilustração e o esquema de um transístor podem ser visto na Figura 6.
Figura 6 - Esquema de um transistor e seu símbolo em circuitos. (Google Images)
4. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS
A ideia inicial foi a de um conjunto pequeno, que pudesse ser instalado em qualquer parte
da canalização, não ocasionasse perda de carga e fosse de fácil acesso à seus componentes. Com
isso em mente, optou-se por um sensor resistivo, construído dentro de uma carcaça de plástico
(para evitar contato do circuito com o ambiente), com pequenos dutos que levassem o
componente que sofreria a influência da umidade relativa para dentro do cano com comprimento
maior que 10 vezes o tamanho do capacitor.
Nome
Bateria
Resistor
Transistor
Capacitor
Tabela 1. Componentes eletrônicos utilizados no circuito.
Quantidade
Modelo
1
Alcalina, 9V
2
100 kΩ 1/8W
1
BC547B
1
Cerâmico (cortado ao meio)
4
Figura 7 - Circuito para medição da umidade.
O circuito resultante pode ser observado na Figura 7 e seus componentes estão listados na
Tabela 1.
O componente responsável por detectar a variação da umidade relativa foi um capacitor
cerâmico, com sua capacitância desprezada, atuando em corrente continua como um resistor.
Esse capacitor foi cortado ao meio com o auxílio de um alicate tendo suas placas e seu material
dielétrico expostos ao fluxo de ar. Conforme a umidade era alterada a tensão que passava pelo
capacitor também o era produzindo uma leitura no multímetro. Contudo, esse sinal era muito
baixo sendo assim necessária a inclusão do transistor.
Algumas resistências foram utilizadas para prevenir uma eventual queima do transistor,
que era alimentado por uma bateria de 9V.
Com o circuito montado, Figura 8, foi necessário alojá-lo de maneira eficiente. Para isso
foi utilizada uma carcaça de mouse que pôde ser presa em cima do cano. Esse cano foi furado e
dois pequenos canos introduzidos levando dois fios onde o capacitor cortado ao meio seria
fixado com a parte exposta direcionada em sentido contrário ao do fluxo.
Figura 8 – Circuito montado e seus componentes.
5. VALIDAÇÃO
O protótipo foi montado após um cotovelo de noventa graus, Figura 9, e isso ocasionava
alguma turbulência, pois o sensor era extremamente sensível.
5
Figura 9 – Vista frontal e vista superior da montagem do protótipo na bancada
A calibração foi iniciada em 20% de umidade relativa mensurada pelo sensor de
referência e foram marcados pontos de 5 em 5 % (logo, de forma crescente). Durante a
calibração o reservatório responsável pela inserção de vapor d’água no fluxo de ar esvaziou e o
aumento da umidade relativa só foi possível com a diminuição da temperatura. Isso ocasionou
uma variação no modo do sensor identificar a variação da umidade (ou pode ser um
comportamento inerente do sensor) fazendo com que duas curvas de calibração fossem
necessárias, como pode ser visto na Figura 10.
Figura 10 - Curva de calibração Tensão x UR (CurveExpert): abaixo de 49 UR e
acima, até 70 UR.
Com os pontos obtidos utilizou-se o software CurveExpert e diversas curvas de calibração
foram plotadas. Foi escolhida uma para a curva abaixo de 49 UR, Equação 1, e uma para acima
de 49 UR ( até 70 UR), Equação 2.
(1)
Onde a = 1,3340609, b = -0,0037076946 e c = 0,025410379.
(2)
6
Onde a = -0,0018940666 e b = -72,000124.
6. RESULTADOS
Através da Equação1 e Equação 2, resolvendo para umidade relativa, chegou-se às curvas
de operação do equipamento plotadas pelo software EES para uma dada faixa de umidade
relativa, Figura 11. Assim, como o sensor montado não tem conexão com uma CPU, é necessária
a utilização de um multímetro para visualizar o valor de tensão e assim inserir em uma rotina do
software supracitado para obtenção da leitura.
Figura 11 - Curva Curva de operação UR x V (EES): abaixo de 49 UR e
acima, até 70 UR.
6.1. Incerteza de Medição
Como o sensor era um capacitor que foi utilizado de forma inovadora, não havia tabelas
ou gráficos de referência. Descobriu-se então que quando utilizado dessa forma este se mostrava
extremamente sensível e oscilava principalmente em altas umidades relativas. Sobre a
reprodução do protótipo, mesmo possuindo outros capacitores cerâmicos, tentativas de realizar
um corte semelhante foram feitas, mas falharam, sendo assim necessário um instrumento de
corte mais preciso. Isso tudo, somado ao alto número de grupos e a procura por horários no
laboratório ocasionando uma impossibilidade da utilização da bancada, tornou impossível o
cálculo das incertezas.
7. CONCLUSÕES
O protótipo foi construído para realizar medições a faixa de 20 a 70% de UR sendo
necessário um multímetro que possua escala de mV para que seja possível essa leitura. Pela
visualização da Figura 10 nota-se que a melhor faixa de utilização seria de 20 a
aproximadamente 45% de UR. Uma possível desvantagem é a região entre 64 e 70% de UR onde
o medidor se torna muito instável. Por outro lado, o sensor utiliza uma função contínua, onde não
é necessária a gravação de tabelas enormes, sendo a resposta mais rápida dessa forma e também
não apresentou histerese.
Outra vantagem desse medidor é seu preço, que totalizou menos de R$15,00. O
componente mais caro foi a bateria (R$12,00).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ASHRAE, 2009, “Handbookof Fundamentals”, ASHRAE, Atlanta
7
SCHNEIDER, P.S., 2012, Notas de Aula da Disciplina de Medições Térmicas do Curso
de Engenharia Mecânica / UFRGS, Porto Alegre
BEYER, P.O., 2012, Apostila Curso de Climatização do Curso de Engenhria Mecânica,
UFRGS, Porto Alegre
SEDRA, A.S. e KENNETH,C.S.,2007, Microeletrônica, Person Prentice Hall, Atlanta
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Eficácia
Criatividade
Qualidade
Comunicação
Técnica
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Capacidade
de leitura na
faixa indicada
Perda
de
carga
Incertezas
Criatividade
Conformidade
com
as
normas
de
redação
do
concurso
9