OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTERefere-se o presente relatório a um oxímetro utilizado para

medidas de baixa corrente que permite avaliar a concentração deoxigênio dissolvido com boa precisão e com ampla faixa de operação,

5 permitindo seu uso em diversas aplicações.Os especialistas na área sabem que a medida da concentração de

oxigênio dissolvido é uma necessidade em diversas áreas de atuação:pesquisas laboratoriais e médicas, monitoramento da qualidade da águaem rios e lagos e condicionamento da água em viveiros para piscicultura.

10 Apesar desta necessidade e de sua importância os equipamentos etécnicas para tais medições ainda são pouco difundidos, relativamentecaros e/ou complexos, além de disponíveis apenas através deimportação.

Deparando-nos com estas condições desenvólvemos um sistema15 simplificado e de custo reduzido que permite avaliar a concentração de

oxigênio dissolvido com boa precisão e com ampla faixa de operação,permitindo seu uso em diversas aplicações.

Atualmente duas técnicas para a avaliação da concentração deoxigênio dissolvido em um meio são difundidas. Ambas envolvem o uso

20 de eletrodos sensíveis a oxigênio, diferindo na forma como é realizado omonitoramento destes eletrodos.

Uma das técnicas, empregada geralmente em laboratório, é realizaro monitoramento desta corrente através de eletrômetros, que sãoequipamentos para a medição de correntes de amplitude muito baixa.

25 As desvantagens deste método são o custo e a complexidade deoperação do aparelho. 0 outro método utiliza-se de medidores portáteis,e é empregado em geral para controle da qualidade e condicionamentode água.

O sistema de medição desenvolvido é constituído por um30 microeletrodo de membrana sensível a oxigênio e um circuito eletrônico

que realiza a polarização e o monitoramento deste microeletrodo. Foiutilizado o microeletrodo OP-9343, fabricado pela Radelkis, representadona Figura 1.

Este eletrodo é constituído por um cilindro plástico (1) que em uma35 das extremidades é vedado por membrana de permeabilidade seletiva ao

oxigênio (3), fixada com um anel de borracha (4). 0 cilindro é entãopreenchido com solução eletrolítica e na outra extremidade são inseridoscátodo e ânodo, contidos numa única peça (2). Este conjunto é entãoimerso no meio em que se deseja realizar as medições, de forma que a

40 membrana age como uma interface entre a solução eletrolítica e o meio.

0 oxigênio molecular dissolvido no meio flui através da membranapara o cátodo, onde é reduzido e gera uma corrente elétrica. Estacorrente é coletada por um circuito de amplificação corrente-tensão, quepermite monitorá-la. Já que esta corrente é diretamente proporcional à

5 concentração de oxigênio na solução, conhecendo-a podemos determinara concentração de oxigênio dissolvido no meio.

A principal dificuldade no monitoramento desta corrente encontra-se em sua magnitude muito reduzida – da ordem de nano-ampères, oque impede que ela seja medida por técnicas ou aparelhos

lo convencionais. Em geral o monitoramento de correntes desta ordempode ser realizado apenas com equipamentos específicos. E exatamenteneste ponto que apresentamos nossa principal inovação: desenvolvemospara o monitoramento da corrente um circuito amplificador simplificado ecom custo reduzido, mas com boa precisão e ampla 'faixa de operação.

15 0 circuito de amplificação foi construído empregando-se umamplificador operacional, seguindo a topologia apresentada na Figura 2.

0 amplificador operacional é um dispositivo semicondutor utilizadopara a amplificação de sinais de corrente e tensão. Dada uma tensão (e)entre seus terminais de entrada (+ e - ), denominados de entradas não

20 inversora e inversora, respectivamente), uma tensão de saída (Vsaída)gerada entre o terminal de saída e a referência (terra) tal que:

Vsaida = k eOnde k, para a topologia apresentada, assume o valor de Rf. A

limitação da tensão de saída é dada pela tensão de polarização aplicada25 ao amplificador operacional, não podendo superá-la em módulo (convém

ressaltar que a tensão de polarização aplicada ao amplificadoroperacional é distinta da tensão Vpolarizaçao aplicada ao microeletrodo).

A polarização do amplificador operacional é realizada através deduas baterias de 9V, o que permite a portabilidade do sistema e garante

30 boa faixa de operação. Já a polarização do microeletrodo é realizadaaplicando-se a tensão de –600mV, com uma fonte regulada, ao terminalnão-inversor do amplificador operacional.

É intrínseco ao funcionamento do amplificador operacional que estatensão aplicada num dos terminais seja igualada no outro, de forma a

35 polarizar o microeletrodo conectado na entrada inversora.Desta forma a tensão de saída é dada por:

Vsaida Vpolarização Rf®Y-eletrodoPermitindo que a corrente gerada pelo eletrodo seja determinada

em função da tensão de saída, já que os outros parâmetros do sistema40 são constantes.

O amplificador operacional empregado foi o modelo OPAl28JM daBurr-Brown, configurado para ganho de 10x10 6 (Rf=10M52). Entretantouma das vantagens do sistema proposto é sua flexibilidade com relação àescolha do ganho e do componente a ser empregado. Sistemas em que

5 não é necessária alta precisão, sendo mais interessante uma maior faixade operação, podem ser obtidos substituindo-se o amplificadoroperacional por modelos de desempenho mais modesto.

Ou então, no futuro, a precisão do sistema poderá ser aumentadacom o uso de eventuais componentes de maior desempenho. Além disso

io a variação do valor de Rf pode ser realizada facilmente, aumentando oudiminuindo o ganho do sistema, e desta forma intercambiando precisão efaixa de operação. 0 esquema das conexões elétricas do circuito sãoapresentados na Figura 3.

O circuito projetado foi montado numa placa de circuito impresso,15 cujo layout é apresentado na Figura 4. Este layout foi definido seguindo

diretrizes para redução de interferências, uma vez que, devido à pequenamagnitude das correntes envolvidas no sistema de medição, sinaisexternos poderiam comprometer as medidas realizadas.

O layout foi então impresso numa placa de fibra de vido de dupla20 face e os componentes fixados manualmente utilizando uma solda de

estanho. Para proteção adicional contra interferências, o circuito foiacomodado dentro de uma caixa de material ferromagnético, servindocomo gaiola de Faraday.

Esta caixa foi então fixada sobre uma placa do mesmo material25 onde foram arranjados os outros componentes do sistema. A conexão do

microeletrodo com o circuito de amplificação foi realizada com cabocoaxial.

O monitoramento da tensão de saída foi realizado com ummultímetro convencional, porém também pode ser feito através de um

30 osciloscópio ou um conversor analógico/digital dedicado, conforme formais conveniente para a aplicação em questão.

O funcionamento do sistema pode ser sumarizado da seguinteforma:1) As moléculas de oxigênio presentes no meio fluem através da

35 membrana, atingindo o microeletrodo.2) 0 microeletrodo, devidamente polarizado, reduz os átomos deoxigênio, gerando uma corrente elétrica.3) Esta corrente elétrica é coletada pelo circuito de amplificação econvertida numa tensão que pode ser monitorada por métodos

40 convencionais.

A operação do sistema consiste} na preparação do microeletrodo(colocação da membrana, preenchimento com a solução eletrolítica) esua conexão ao circuito de monitoramento/polarização. Após a conexãosão necessários apenas alguns segundos para que o sistema se

5 estabilize, sendo então a tensão gerada pelo amplificador um indicativoconfiável da quantidade de . oxigênio dissolvida no meio.

0 funcionamento do circuito de amplificação foi testadoisoladamente, permitindo verificar sua linearidade em toda a faixa deoperação desejada, conforme pode ser verificado na Figura 5.

10 Foi utilizado para este ensaio um resistor Rf de 30MS2, e observou-se no circuito de amplificação um ganho médio de 30,04 x 10 6, com umdesvio padrão 161,2 x 10 3, que representa variação de aproximadamente0,55%.

Considerando que os próprios componentes empregados na15 construção do circuito possuem tolerância de 1% em seus valores

nominais, esta variação deixa de ser representativa. Pode-se concluirentão que o sistema apresenta-se estável em toda a faixa de operação,garantindo que a tensão de saída fornece uma representação precisa dacorrente na entrada do circuito.

20 Verificou-se também a presença de um nível DC somado à saída doamplificador (um deslocamento em relação ao zero). Este deslocamentoé chamado de offset, e é característica intrínseca dos AmplificadoresOperacionais, decorrente do seu processo de fabricação.

A folha de especificações do componente utilizado quantifica o25 offset de entrada deste dispositivo como sempre inferior a 1mV. Dentre

os ensaios realizados, com variadas configurações de ganho, verificamosque os níveis mantiveram-se de acordo com as especificações dodispositivo.

Na operação do sistema completo será necessário um ensaio30 preliminar de calibramento com valores conhecidos de corrente em

especial pode-se mergulhar o eletrodo em uma solução livre de oxigênio,de forma que o valor de offset possa ser lido diretamente. Uma vezdeterminado ele deverá ser levado em consideração na leitura dos dados,mas não causará qualquer prejuízo à precisão das leituras.

35 Outro ponto importante observado é que o circuito de amplificaçãomanteve-se bastante robusto a interferências ambientais, o que foi umapreocupação constante durante seu projeto, especialmente devido aosníveis de corrente reduzidos presentes no sistema. Todos os ensaiosresultaram em valores bastante próximos aos previstos teoricamente,

40 indicando relativa independência de fatores externos.

A verificação do comportamento do sistema em função da variaçãoda concentração de oxigênio dissolvido no meio foi obtida através de umensaio em que era variada a temperatura da amostra (água), uma vezque a solubilidade do oxigênio cai com o aumento da temperatura.

5 Primeiramente, com um termostato, a amostra era aquecida até umadada temperatura.

Após o aquecimento bombeava-se, com uma bomba peristáltica, arpara a amostra, visando saturá-la de oxigênio. O ar era bombeado porcinco minutos, sendo então a amostra mantida por mais três minutos sob

io agitação, para a estabilização da mistura. A tensão de saída gerada pelocircuito de amplificação era então medida.

A fim de evitar a supersaturação da amostra, as medidas foramrealizadas aquecendo a amostra até a temperatura máxima e entãoreduzindo-a gradualmente. 0 comportamento do sistema é apresentado

15 na Figura 6.Sabendo-se que a corrente gerada pelo eletrodo é diretamente

proporcional à concentração de 0 2 na amostra e verificando-se nostestes que o circuito de amplificação possui um comportamento linear, oresultado esperado no ensaio era uma tensão que variasse linearmente

20 com a concentração.Calculando a correlação para os valores experimentais

apresentados obtivemos o valor de 0,985, indicando que a tensão desaída do circuito fornece uma indicação confiável da concentração deoxigênio na amostra. Foi realizada ainda uma réplica deste ensaio, em

25 que se obtiveram resultados compatíveis, validando assim o sistemaproposto.

As principais vantagens do sistema apresentado são baixo custo eoperação simplificada, com boas precisão e faixa de operação, além deportabilidade. Há também grande flexibilidade para a configuração do

30 sistema, permitindo que ele seja otimizado para uso em diversasaplicações.

REIVINDICAÇ©ES1. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTk caracterizadopor ser constituído por um microeletrodo de membrana sensível aoxigênio e um circuito eletrônico que realiza a polarização e o

5 monitoramento deste microeletrodo.2. OXIMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor permitir que a corrente gerada pelo eletrodo seja determinada emfunção da tensão de saída, já que os outros parâmetros do sistema sãoconstantes.

10 3. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor apresentar grande flexibilidade com relação à escolha do ganho e docomponente a ser empregado.4. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor permitir o intercâmbio entre precisão/faixa de operação conforme o

15 amplificador operacional empregado.5. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor apresentar estabilidade em toda a faixa de operação , garantindo quea tensão de saída forneça uma representação precisa da corrente naentrada do circuito.

20 6. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor propiciar a manutenção da robustez do circuito de amplificação faceàs interferências ambientais.7. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor apresentar resultados práticos muito próximos aos previstos

25 teoricamente.8. OXÍ TETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizadopor indicar que a tensão de saída do circuito fornece resultado confiávelda concentração de oxigênio na amostra.9. OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizado

30 por apresentar baixo custo, operação simples, boa precisão, faixa deoperação e portabilidade adequada.10.OXÍMETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE, caracterizado por manter grande flexibilidade operacional, permitindo que tenhaaplicação em variados segmentos.

FIGURA 11

= Vpolarizaçáo

Rf

leletrodo

Vsaída=Vpolarização+Rf.leletrodoEletrodo

Fic- ri a,7,1 cD 2

Vsaída

FIGURA 03

FIGU VA, 04

Am plificação Corrente-Tensão

0 50 100 150 200 250 300

-1000

-2000

-3000

>E -4000R:=3• -5000

N

� -6000

-7000

-8000

-9000

lentrada (nA)

FIGURA 05

•

•

•

•

•

•

95 10

Tensão de Saída x Concentração de 02

-3000

-3200.-.

E-3400

ca.̂^

-3600a)

otN -3800C(1)

F--4000

-42006 5 7 7,5 8 8,5 9

Concentração de 02 (mg/I)Correlação: 0,985

FIGURA 06

RESUMO

- XI ETRO PARA MEDIDAS DE BAIXA CORRENTE.Do tipo utilizado para medidas de baixa corrente que permite

avaliar a concentração de oxigênio dissolvido com boa precisão e com5 ampla faixa de operação, permitindo seu uso em diversas aplicações.

Dotado de um microeletrodo OP-9343, fabricado pela Radelkis(FIGURA 01), constituído por um cilindro plástico (01), vedado poruma membrana de permeabilidade seletiva ao oxigênio (3), fixada comum anel de borracha (4), quando então o cilindro é preenchido com

1 o uma solução eletrolítica e na outra extremidade são inseridos umcátodo e ânodo, contidos numa única peça (2). Oxímetro queapresenta um circuito de amplificação que emprega um amplificadoroperacional, seguindo a topologia apresentada na FIGURA 02. Aesquematização das conexões elétricas çstá demonstrada na FIGURA

1 5 03, com uma placa de circuito impresso ilustrado por layout na FIGURA04, cujo funcionamento do circuito de amplificação foi testadoisoladamente, permitindo verificar sua linearidade em toda a faixa deoperação desejada conforme demonstrado na FIGURA 05 e cujocomportamento em função da concentração de 02 em amostra de

20 água é mostrado na FIGURA 06.