PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM SENSOR DE UMIDADE … · O projeto e construção desse sensor...

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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

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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 Constante [Adimensional]

b Constante [Adimensional]

c Constante [Adimensional]

d Constante [Adimensional]

UR Umidade relativa (%)

Potência [J/s]

R 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

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.

2

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)

3

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.

4

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 coletor-

base 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.

Tabela 1. Componentes eletrônicos utilizados no circuito.

Nome Quantidade Modelo

Bateria 1 Alcalina, 9V

Resistor 2 100 kΩ 1/8W

Transistor 1 BC547B

Capacitor 1 Cerâmico (cortado ao meio)

5

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.

6

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)

7

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

8

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

9

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