a condutividade elétrica da Água é a c ap a ci d a d e q u e a á g u a p o s s u i e m conduzir...

7/24/2019 A Condutividade Eltrica Da gua a c AP a Ci d a d e q u e a g u a p o s s u i e m Conduzir Corrente Eltrica

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1 - RESUMO

1.1 Princpio de medio

A condutividade do lquido pode variar bastante. Uma vez que o lquido atinge olimite determinado a partir da altura de instalao dos eletrodos, o meio lquido fecha o

circuito da corrente DC entre os dois eletrodos ou entre a parede do recipiente e um

eletrodo!. Um sinal de chaveamento " produzido a partir do aumento repentino do

consumo de energia.

#cidos, li$vias e solu%es que contenham &gua so condutoras e so

detectadas seguramente. 'quidos agressivos podem ser detectados sem problemas

utilizando sondas feitas de materiais altamente resistentes. 'quidos combustveis, tais

como, (leos e solventes no so condutivos e no podem ser medidos atrav"s desteprincpio de medio.

2 - COMO FUNCIONA

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A condutividadeel"trica da &gua " a cap acid ad e q u e a &g u a p ossui e m conduzir corrente el"trica. )sse par*metro est& relacionado com a presenade ons dissolvidos na &gua, sendo ons as partculas carregadas eletricamente. +uantomaior a presena desses ons,maior a condutividade .

utros fatores alteram a condutividade,um dos mais importantes" a temperatura.

Acr"scimo de um grau de temperatura provoca um aumento de mais ou menos - nacondutividade )/012, 345-!. 6ortanto, a temperatura deve ser mantida controladapara se obter uma boa preciso na medida da condutividade.

A medida da condutividade da &gua tem grande import*ncia na an&lise de impactoem ambientes naturais. 6ois, apesar da condutividade no determinar especificamentequais ons esto presentes numa amostra de &gua, " possvel reconhecer atrav"s daconcentrao de ons, impactos que ocorreram na bacia de drenagem, ocasionados porlanamentos de resduos industriais,minas e esgotos,entre outros fatores. s sensores utilizados para medir a condutividade so classificados basicamenteem dois tipos7 sensores de contacto e sensores indutivos. s sensores de contactospossuem dois, tr8s ou quatros eletrodos. Atrav"s de um circuito s"rie , formado pela

resist8ncia da &gua, e resistores de valores conhecidos, " possvel obter a condut*ncia da&gua. Acondutividade depende da condut*ncia assim como da geometria do sensor.Atrav"s destes par*metros " possvel obter a condutividade da &gua. 9& os sensoresindutivos, tamb"m denominados de sensor sem contacto, utilizam duas bobinas. Umabobina induz corrente el"trica na &gua, e uma segunda bobina capta parte do sinal induzido.

A corrente induzida " proporcional a condutividade da &gua :A;A'>01 ) >:U)0: ) ;)D)0:


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2.2 Sol"o An!ltic!

O sensor consti tud o por duasplacas de cobre dispostas paralelamente .Nas ex

t remidades ap li cado um si na l senoidal que se propaga no meio condutor. Doiseletrodos

inseridos entre as placas captam a onda que se propaga e so utilizados para medir a condutividade.

Na base tem-se um sensorpara medir a temperatura. !igura 1 mostra o sensor desenvolvido.

!igura 1 " #ensor para medir condutividade e nvel da $gua

Com o obEetivo de investigar a propagao da onda no meio conduto,ser& utilizado osistema de coordenadas retangulares conforme a Figura -.

Asplacasdecobreesto localizadasnascoordenadas $G? e $G', onde um sinal senoidal defreqH8ncia angular I " aplicado.Utilizandose a equao de ;a$Jell K:AU< ) CA:L):, 345M!para um meio condutor podese escrever a seguinte e$presso7

%1&

N G permeabilidade el"trica, =. ; -1O

P G condutividade el"trica,


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6ara o meio condutor * ++ , e vale/

M!

campo el"trico em funo da dist*ncia " dado por7

R!

) o potencial el"trico pode ser obtido por7

%S!

1o entanto, conforme ser& mostrado no pr($imo par&grafo,x 00 1 nestas condi%es opotencial el"trico varia linearmente em funo da dist*ncia $, ou

#$%& ' #o( % T!

6ortanto, a diferena do potencial de medida entre dois pontos do meio condutor,cont"m informao sobre condutividade do meio, de acordo com a equao M!.

A condut*ncia, entre dois eletrodos localizados dentro da &gua, " dada por7

) ' i 5! *

A condutividade depende tamb"m da geometria do sensor sendo calculada atrav"s daequao7

+',c ) @!

nde2 c " a constante da c"lula%m-1&. )sse par*metro " em funo das dimens%es do sensor e pode

ser calculado pela equao 7

, c ' 4!

A


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em s"rie com o sensor conforme mostra a Figura M. )nto podemos escrever que a tensosobre o resistor : "7

#R ' # % R

$R / RC /RS &0 / 1C 3?!

nde L " a tenso na sada do conversor digital anal(gico. valor do resistor : deve ser escolhido de tal forma que as seguintes e$press%es seEamv&lidas7

R $ RS /RC& e 1C R

1estas condi%es7

%11&

capacitor C8

" proporcional ao nvel do lquido,portanto ao medir a tenso sobre

o resistor : temse informao do nvel de &gua. Devido a dist*ncia entre as placas,', sermaior do que um dos lados do capacitor, ento o efeito das bordas interfere no valor dacapacit*ncia, sendo calculada pela equao abai$o

3-!

nde d " a largura do capacitor.A &rea pode ser e$pressa em funo do nvel, ouseEa7

A ' 3 4 d 3M!

6ortan to, a par tir da equao 3-! podemos verificar que a capacit*ncia variade forma linear em funo do nvel de &gua, e o efeito das bordas " de apenas aumentar

o valor da capacit*ncia.

capacitor 9x " constitudo por dois capacitores em paralelo.Um dos capacitores" o formado pelo meio ar, 9x0 e outro pelo meio condutor,9x 1. Atrav"s da equao 3-!podeAse estimar o valor da capacit*ncia 9x . 6ara a fai$a de utilizao do sensor,o nvelvaria entre R a 34 cm, o valor obtido para a capacit*ncia situaAse entre 3-pF a R5pF. valordo resistor : deve ser escolhido de tal forma que para o valor do maior capacitor,R5pF, aimped*ncia seEa pelo menos3? vezes maior do que a resist8ncia :.

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2.5 Si6tem! de A7"i6io

diagrama em blocos do sistemade aquisi o " mostrado na F iguraM. microcontroladorAduc@3-, fabricado pelaAnalogDevices, " o respons&vel por geraro sinal senoidal,pelo tratamento das entradas anal(gicas, e envio dessas i

n f

o r

ma

%e

s para omicrocontrolador

60C3TF@55. sinal gerado pelo Aduc@3- "uma onda senoidal de freqH8ncia de 3???=z e amplitude m&$ima de SL. )ste sinal est&disponvel na sada do conversor digitalanal(gico DVA!, e " aplicado no sensor,representado pelo capacitor 9x . sinal senoidal, descrito na equao -! " captadoem tr8s pontos distintos. resistor :c representa a dificuldade da corrente em

conduzir na &gua. 9& :s " um resistor de bai$o valor utilizado para obter a corrente do

circuito, e atrav"s da tenso no resistor : medise o nvel de &gua. Conforme citado naintroduo, a temperatura da &gua deve ser monitorada. Um sensor de temperatura dotipo 1C foi utilizado para esta finalidade . Atrav"s de um resistor em paralelo com osensor de temperatura, foi possvel obter varia%es de tens%es lineares em funo datemperatura, na fai$a de -?WC a R?WC. odos esses dados so processados nas

entradas anal(gicas do microcontroladorAduc@3-.

!igura ) " Diagrama em blocos do sistema de aquisi(o

Devido a bai$a freqH8ncia do oscilador do Aduc@3-, utilizouse um cristal de33,?S4-;=z, e tamb"m pelo fato do mesmo gerar e adquirir dados em tempo crtico,foi necess&rio a utilizao de um segundo microprocessador, neste caso o 60C3 T F @ 5 5 , d a ; i c r o c h i p . )sse microprocessador recebe informa%es doAduc@3-, intervalos regulares,atrav"s da porta serial, e ap(s processamento e$ibe osdados no 'CD X'iquid Cristal DisplaYZ! gr&fico de 3-@ colunas e TR linhas.As informa%esdisponveis so7 temperatura, condutividade e o nvel da &gua.

:


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2.8 C9lc"lo d! Cond"ti*id!de e do N*el d! :"!

flu$ograma da Figura R mostra as etapas necess&rias para se obter acondutividade e o nvel de &gua. A intervalos regulares so feitas leituras nas entradasanal(gicas A13 a A1R. primeiro valor a ser processado " a corrente.Atrav"s do valorda entrada A1- e do;

s

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2

angular,, " igual a6,28x103 rad6s e a permeabilidade magn"tica, ? 1,2x10-6 @6m para omeio condutor.6ara os valores de $ entre? a M?cm, verificase que a condio x 00 1 "v&lida. 6ortanto, obteve teoricamente os valores do potencial el"trico em funo dadist*ncia e comparouAos com os valores e$perimentais, conforme a Figura S. s valorese$perimentais foram obtidos colocandose eletrodos entre os terminais do sensor emedindoAse a tenso de pico. A temperatura foi monitorada e manteveAse igual a24A511B9. Calculouse o desvio padro, sendo igual a ?,3RR, cuEo valor aponta para avalidade do modelo.

!igura 4 " 9ompara(o entre valores medidos e experimentais

2.> N*el de :"!

nvel de &gua " obtido atrav"s do valor da tenso no resistor :. De acordo coma equao 33!, e$iste uma relao linear entre o valor deC

;e o nvelde &gua, h. AFigura T

mostra a variao de C;

em funo do nvel. 6odeAse constatar que essa relao no "

linear,e atrav"s de aEuste polinomial do segundo grau temAse7

#R ' 0,32343 / 0,1907 3 - 0,00433 3

3M!

nde C;

" dado em volts e h em centmetros ; 3 5EE7F1.

F


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!igura :"Gensono resistor ; em Hun(o do nvel de $gua

6ara e$ibir o valor do nvel de &gua no sistema , utilizouse de recursosemelhante ao aEuste do gr&fico da Figura T, sendo que o par*metro independente foi

C;. aEuste por software mostrou bons resultados e preciso, visto que o valor do nvelpode ser aferido de forma visual no pr(prio sensor.

2.?O E7"ip!mento

equipamentodesenvolvido " o mostrado na Figura5.sdados adquiridos,em cadaaquisio, so mostradosno 'CD,sendo eles acondutividade

!igura > " O equipamento e o sensor

ApresentouAse neste artigo o desenvol vimento de um sensor para medirsimultaneaA mente a condutividade e o nvel de &gua. estes preliminares mostram aviabilidade da medio da condutividade com boa preciso. Ap(s o t"rmino da primeiraetapa do desenvolvimento do equipamento, sero realizadas novas medidas decondutividade e compar&las com outros equipamentos e m"todos.9& na medio do nvelde &gua, constatouAse a falta de linearidade entre aquele par*metro e o valor da tensoC

;. Apesarde no constituir um empecilho, visto que foi realizado o aEuste por softJare,

estudos futuros apontampara a necessidadede analisar as causas e se possvel evit&Alas.Ap(s constatar a validade do m"todo, outras formas de sensor sero estudadas,principalmente aquelas que permitam an&lise de flu$o contnuo de &gua.

E


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5 - ON@E USA@O

s sensores de nvel condutivos tipos XK61AZ e XK611Z, foram desenvolvidos pelaD020;)C para simplificar as instala%es de monitoramento de nvel, reunindo em um s(bloco o sensoriamento e o comando do nvel de reservat(rios. Com a eletr[nica montada

em robustos cabeotes em Alumnio K61A! ou em 1Ylon K61 1!, hermeticamentefechados, e as hastes de sensoriamento em ao ino$, so fi$ados diretamente no topo dereservat(rios por meio de um niple de ao ino$, rosca 3 3V- X >;>A se apaga. =avendo consumo, o nvel tende a bai$ar,descobrindo o eletrodo superior. Continuar& bai$ando at" descobrir o eletrodo inferiornvel mnimo!, quando ento vai acionar novamente o rel", religando a bomba. ) assimsucessivamente.

Funo )svaziamento76oo Artesiano, )svaziamentode um reservat(rio. Usartr8s eletrodos sendo um de nvel mnimo )0!, um de nvel m&$imo )

ser& desenergizado, podendo inter romper o funcionamento da caldeira.

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5.5 @i!r!m! de F"ncion!mento

!igura F - Funo)svaziamento !igura E - Funo )nchimento

5.8 O6 Eletrodo6 SN,

)steseletrodos so fornecidos separadamente com comprimentos mBltiplos de S?mm S?, 3??, 3S?, -??... mm! e de acordo com as dimens%es do reservat(rio a monitorar.+uando o reservat(rio for met&lico o ):! eletrodo refer8ncia pode ser dispensado,devendose conectar um cabo de ligao da carcaa do reservat(rio ao parafu so decone$o com o ):! na placa eletr[nica do aparelho. 6ara facilitar esta cone$o utilize aentrada do conector prensa cabo por onde sero passados os demais cabos de ligao.

!igura 15 - Iletrodos

5.; AG"6te d! Sen6iHilid!de e do tempo Ret!rd!do


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Assim, para o bom desempenho do aparelho deve se aEustar a sensibilidade doseletrodos em relao ao lquido. )ste aEuste deve ser sempre feito com o X9U;6Z deoperao na funo X);>AZacenda e fique aceso. motor da bomba est& ligado esvaziando o reser vat(rio. AEusteefetuado.


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8 - E%emplo6 de Sen6ore6 de imite6 Cond"ti*o6

!igura 1) " )' =astes removveis !igura 17 " )' )letrodos pendulares

!igura 14 - C1 Cabeote pequeno em alumnio 23

1)


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; - Fonte6 de Pe67"i6!

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