UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SO FRANCISCO

UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SO FRANCISCO PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

AGRCOLA

Danielle Morais Amorim

SENSORES DE UMIDADE DO AR

JUAZEIRO - BA 2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SO FRANCISCO

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA AGRCOLA

Danielle Morais Amorim

SENSORES DE UMIDADE DO AR

Trabalho submetido ao docente

DSc. Mrio de Miranda V. B. R.

Leito para avaliao na disciplina

Instrumentao para Anlise

Fsica do Ambiente Agrcola do

Programa de Ps Graduao em

Engenharia Agrcola.

JUAZEIRO BA 2014

SUMRIO

1. INTRODUO .................................................................................... 4

2. OBJETIVO .......................................................................................... 4

3. REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................... 5

3.1 Umidade relativa do ar................................................................................ 5

3.2 Instrumentos para medir a umidade do ar ................................................ 8

3.2.1 Psicrmetro.......................................................................................................... 8

3.2.2 Higrgrafo de cabelo .......................................................................................... 9

3.2.3 Termohigrgrafo ............................................................................................... 10

3.2.4 Higrmetro ......................................................................................................... 10

3.2.5 Termohigrmetro .............................................................................................. 11

3.2.6 Sensores capacitivos ....................................................................................... 12

3.2.7 Sensores resistivos .......................................................................................... 13

4. REFERNCIAS ................................................................................. 14

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1. INTRODUO

O uso de mquinas, ferramentas, instrumentos e equipamentos dos mais

modernos cada vez mais intenso nas atividades agrcolas. Na meteorologia

no diferente. Vrios so os equipamentos utilizados nessa grande rea da

engenharia agrcola, onde se faz uso de instrumentos desde os mais remotos

at os mais atuais e avanados que se dispe hoje no mercado.

Segundo o INMET (2014), os instrumentos meteorolgicos so

equipamentos utilizados para adquirir dados meteorolgicos. Assim, as

variveis ambientais podem ser mensuradas atravs dos instrumentos

meteorolgicos.

A umidade, uma das variveis ambientais, pode ser medida e registrada por

diferentes instrumentos.

Os avanos tecnolgicos proporcionados pela sofisticao eletrnica dos

dias atuais possibilitaram o surgimento de uma ampla gama de sensores

(BALBINOT e BRUSAMARELLO, 2011), inclusive os de umidade. De acordo

com Amorim (2013), os sensores eletrnicos utilizados na coleta de dados de

temperatura e umidade relativa do ar fazem parte do rol de recursos modernos

em uso no monitoramento das variveis meteorolgicas.

A mensurao da umidade do ar essencial em vrios ramos da atividade

humana. Sabe-se que a umidade ambiente um dos fatores que condicionam

o desenvolvimento de muitos microorganismos patgenos que atacam as

plantas cultivadas e ela tambm influencia na transpirao vegetal, estando

esse processo relacionado com o teor de umidade do ar adjacente.

2. OBJETIVO

O objetivo desse trabalho foi apresentar os instrumentos utilizados na

medio da varivel ambiental umidade relativa do ar.

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3. REVISO BIBLIOGRFICA

3.1 Umidade relativa do ar

O vapor dgua um dos mais importantes constituintes atmosfricos.

Sua concentrao praticamente nula nas regies desrticas e nos extremos

polares, at 4% em volume, nas regies tropicais quentes e midas. Sua

presena absolutamente indispensvel para toda espcie de vida na Terra

(VIANELLO & RAINIER, 1991).

O vapor dgua presente na atmosfera recebe o nome de umidade.

Geralmente, a forma mais comum de medir o contedo de umidade do ar

atravs da umidade relativa (UR) (CASTRO, 2011). Oliveira (2009) define a

umidade relativa do ar como a relao entre a quantidade de vapor dgua

contido na atmosfera e a quantidade mxima de gua que o ar poder conter

nas mesmas condies de temperatura e presso. Corroborando Castro

(2011), Vianello & Rainier (1991) afirmam que o termo umidade atmosfrica se

refere presena de vapor de gua na atmosfera, e no presena de gua

nas formas lquida e slida.

O transporte e a distribuio de calor na atmosfera, a evaporao e a

evapotranspirao, a absoro de diversos comprimentos de onda da radiao

solar e terrestre so processos fsicos naturais onde o vapor dgua presente

na atmosfera e suas mudanas de fase atuam de forma relevante (PEREIRA et

al., 2007).

A transferncia de vapor dgua para a atmosfera causada pela

evaporao da gua no solo e das superfcies lquidas, bem como pela

transpirao dos vegetais e sublimao do gelo. Ao ingressar na atmosfera, o

vapor dgua leva consigo o calor latente consumido na transio de fase,

atuando assim como um eficiente veculo de calor (VAREJO-SILVA, 2006).

Como j foi dito anteriormente, o teor de vapor dgua na atmosfera

varia de valores quase nulos at valores de 4% (PEREIRA et al., 2007).

Quando um ambiente possui a quantidade mxima possvel de vapor dgua

em uma determinada temperatura, diz-se que tal ambiente encontra-se

saturado. No caso da atmosfera, quando a quantidade de vapor atinge o

mximo, diz-se que o ar est saturado, e a presso mxima exercida pelo

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vapor dgua nessas condies chama-se presso de saturao (VAREJO-

SILVA, 2006). Plotando-se em um grfico os valores de presso de saturao

do vapor dgua versus temperatura, ter-se- uma curva denominada curva de

saturao, conforme Figura 1(VIANELLO & RAINIER, 1991).

Figura 1 Curva de saturao do vapor dgua. O ponto X(e,t) representa uma amostra de ar

mido; A, B e C, trs diferentes modos de se obter sua saturao.

Quando a presso exercida pela massa atual de vapor dgua existente

na atmosfera (presso parcial de vapor) zero, diz-se que o ar est totalmente

seco (PEREIRA et al., 2007). Quando esta presso se iguala presso de

saturao, diz-se que o ar est saturado. Em qualquer outra situao, o ar

dito mido (VAREJO-SILVA, 2006).

Pereira et al. (2007) definem a umidade relativa do ar como a relao

entre a umidade atual e a umidade de saturao (eq. 1), que equivale relao

entre a presso parcial do vapor (atual) e presso de saturao.

(1)

A presso exercida pelo teor saturante do vapor dgua no ar (eS),

expressa em kPa, pode ser encontrada pela equao de Tetens (eq. 2) a partir

da temperatura do ar, expressa em C.

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(2)

J a presso atual do vapor obtida pela equao psicromtrica (eq. 3),

sendo P a presso atmosfrica local (KPa) e A um coeficiente psicromtrico. O

produto AP o que se conhece por constante psicromtrica. Ts e Tu so,

respectivamente, a temperatura de bulbo seco e de bulbo mido. A varivel esu

(presso de saturao de vapor dgua para a temperatura do termmetro de

bulbo mido) encontrada a partir da equao de Tetens (eq.2) fazendo-se Tar

= Tu.

(3)

Quando a presso de vapor se iguala presso de saturao a uma

determinada temperatura, tem-se o ponto de orvalho. Este ponto a

temperatura na qual a atmosfera contm a mxima quantidade de gua que o

ar pode conter (ar saturado).

A medida da umidade relativa de um meio no pode ser feita de maneira

direta. Porm, uma variao da concentrao de vapor dgua em determinado

meio provoca em alguns materiais efeitos como mudanas em suas

propriedades eltricas, deformao mecnica, dentre outras e, atravs desses

efeitos, pode-se relacionar os valores de umidade relativa (CASTRO, 2011).

Para a quantificao do vapor dgua presente na atmosfera

necessrio dispor de mtodos rpidos e eficientes, que informem com boa

preciso a sua distribuio nessa regio (VIANELLO & RAINIER, 1991). O

conhecimento da quantidade de vapor dgua existente no ar essencial em

vrios ramos da atividade humana. Um dos parmetros utilizados para definir o

grau de conforto ambiental para pessoas e animais, por exemplo, a umidade

atmosfrica reinante no local em questo (VAREJO-SILVA, 2006).

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3.2 Instrumentos para medir a umidade do ar

Para determinao da umidade relativa do ar so utilizados diversos

instrumentos que tm alguma propriedade associada ao teor de vapor dgua

na atmosfera (PEREIRA, et a., 2007). Esses instrumentos so utilizados em

estaes meteorolgicas convencionais e automticas, em laboratrios, em

ambientes controlados e em diversas outras situaes.

Atualmente existem vrios sensores eletrnicos que tambm permitem o

monitoramento da umidade quando operados com sistemas de aquisio de

dados. Pesquisas comprovam que sensores podem monitorar um fenmeno

fsico de interesse de forma eficiente, econmica e confivel (SILVA, 2009).

Existem vrios tipos de sensores para a quantificao da umidade

relativa do ar, desde os mais comuns at aqueles mais modernos (ALMEIDA,

2012). Os sensores utilizados para medir a umidade relativa do ar so

baseados em um princpio capacitivo ou resistivo (CASTRO, 2011).

3.2.1 Psicrmetro

um instrumento constitudo por dois termmetros de mercrio: um com

um bulbo seco para medir a temperatura real do ar, e outro com o bulbo

envolto em uma gaze sempre umedecida. Esta gaze perde gua a uma taxa

dependente da concentrao de vapor dgua no ar. Quanto maior a diferena

entre as temperaturas dos dois termmetros, maior o poder evaporante do ar,

indicando assim que a concentrao de vapor dgua na atmosfera est

distante do valor saturante, ou seja, a umidade relativa est baixa. Por outro

lado, quando as temperaturas desses termmetros esto prximas, isso

significa que o teor atual de vapor dgua est prximo do valor de saturao,

estando assim a umidade relativa com um valor alto (PEREIRA et al., 2007).

O psicrmetro um equipamento utilizado nas estaes meteorolgicas

convencionais, sendo instalado dentro do abrigo termomtrico. A partir das

medidas psicomtricas (Ts e Tu) possvel calcular todas as variveis que

caracterizam a umidade do ar. Nos modelos de psicrmetros mais

aperfeioados, uma ventoinha aspira o ar por sobre os bulbos a uma

velocidade constante (> 5 m.s-1). Estes so os chamados psicrmetros

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ventilados. Dentro do abrigo meteorolgico convencional utiliza-se comumente

o psicrmetro do tipo no-ventilado (ordinrio) (PEREIRA et al., 2007).

Figura 2 Psicrmetro de ventilao natural (a) e de ventilao forada (b)

.

3.2.2 Higrgrafo de cabelo

Higrgrafos so higrmetros registradores (SILVA et al., 2009). O

higrgrafo de cabelo um aparelho mecnico registrador utilizado em estaes

meteorolgicas convencionais para medir a umidade relativa do ar. Baseia-se

no princpio de modificao das dimenses de uma mecha de cabelo humano

(arranjado em forma de harpa) com a variao da umidade do ar. Um sistema

de alavancas acionado com a modificao do comprimento da harpa, que

movimenta uma pena sobre um diagrama (papel registrador), o qual est fixado

sobre um mecanismo de relojoaria, permitindo o registro contnuo da umidade

do ar. Esse instrumento deve ser instalado da mesma forma do psicrmetro, ou

seja, dentro de um abrigo meteorolgico.

Contudo, um instrumento que precisa de calibrao frequente,

principalmente, pela perda de elasticidade dos fios de cabelo. Necessita

tambm de limpeza por conta da poeira que se fixa nos fios de cabelo.

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3.2.3 Termohigrgrafo

Os termohigrgrafos so instrumentos mecnicos duplos que medem e

registram conjuntamente a umidade e a temperatura do ar. Possuem um

sensor de umidade e um de temperatura, que normalmente uma lmina

bimetlica. Como a lmina constituda pela justaposio de duas finas placas

de metal com diferentes coeficientes de dilatao, variaes de temperatura

fazem mudar sua curvatura, acionando um sistema de alavancas.

Termohigrograma o nome do diagrama utilizado nesse tipo de instrumento.

Tal diagrama tem duas faixas distintas: uma corresponde escala de umidade

e outra da temperatura (VAREJO-SILVA, 2006).

3.2.4 Higrmetro

Os higrmetros so instrumentos que avaliam o grau de umidade na

atmosfera. So de vrios os tipos, diferenciando o princpio de funcionamento.

O higrmetro de absoro se baseia na propriedade que alguns materiais

possuem de variar suas dimenses com a variao da umidade. O higrmetro

de condensao se baseia no fato do vapor dgua se condensar em

superfcies frias. Mantendo fria uma cpsula e fazendo passar o vapor de gua

por esta, o vapor condensa-se. Efetuando a medio da temperatura a que os

condensados se produzem e conhecendo a temperatura ambiente, possvel

determinar a humidade. O higrmetro qumico aquele que recorre a um tubo

contendo cido sulfrico que absorve a gua de um determinado volume de ar.

Pelo aumento da massa do tubo determina-se a massa de vapor de gua retida

pelo cido. O higrmetro eltrico aquele que utiliza a propriedade de alguns

materiais que caracterizada pela sua resistncia eltrica ao variar a umidade.

Utilizam-se eltrodos metlicos revestidos de sais com a propriedade acima

referida, o que permite determinar as variaes de umidade e temperatura.

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3.2.5 Termohigrmetro

O termohigrmetro um instrumento que permite obter diretamente as

medidas de temperatura e a umidade relativa do ar atravs de dois sensores

conjugados. O conjunto protegido em um abrigo meteorolgico nas estaes

meteorolgicas automticas e conectado a um datalogger para aquisio dos

dados.

Um modelo de termohigrmetro muito utilizado atualmente nas estaes

meteorolgicas automticas o CS 215 da Campbell Cientific. O CS215

uma sonda projetada para uso geral em aplicaes para registro de dados

meteorolgicos e tem como elemento sensor o SHT75. Eletrnicos de baixa

potncia dentro do CS215 controlam as medies feitas pelo elemento sensor,

fazendo as devidas correes e linearizao das leituras, fornecendo medies

precisas e estveis de temperatura do ar em graus Celsius e umidade relativa

do ar. Quando exposto luz solar deve ser alojado nos abrigos meteorolgicos.

Sua faixa de medio de umidade de 0 a 100%, em temperaturas entre -20C

a 60C. (CAMPBELL SCIENTIFIC, 2007).

Figura 3 Termohigrmetro CS215 da Campbell Scientific

Outro modelo de termohigrmetro tambm bastante utilizado nas

estaes meteorolgicas automticas o HMP45C da Vaisala Inc.m Helsinki,

Finland. um sensor robusto para medidas de alta preciso e utiliza o sensor

capacitivo Humicap para medida da umidade relativa. Sua faixa de medio de

umidade de 0,8 a 100%. O HMP45C fabricado pela Vaisala, Inc. (Woburn,

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MA), porm modificado (e vendido) pela Campbell Scientific para uso em

seus dataloggers.

(a) (b)

Figura 3 Termohigrmetro HPM45C Vaisala Inc.m Helsinki, Finland (a) e o mesmo instrumento

j alojado em um abrigo meteorolgico (b).

3.2.6 Sensores capacitivos

Um sensor de umidade um dispositivo transdutor que converte um

estmulo fsico ou mecnico, causado pela umidade relativa do ambiente, no

valor da umidade relativa correspondente.

Sensores capacitivos so utilizados como sensores de umidade relativa

e dominam o mercado nessa rea. Termohigrmetros como o HMP45C da

Vaisala Inc.m Helsinki, Finland utilisa como elemento sensor de princpio

capacitivo Humicap. O princpio de funcionamento dos sensores capacitivo se

baseia na alterao das caractersticas do dieltrico pela umidade relativa

(ALMEIDA, 2012). Quando um sensor de umidade do ar absorve gua, o valor

de sua capacitncia alterado (CASTRO, 2011). Assim, a alterao na

capacitncia do sensor a medida da alterao na umidade relativa

(BALBINOT e BRUSAMARELLO, 2011).

De acordo com Pereira et a. (2007), sensores capacitivos so utilizados

em estaes meteorolgicas automticas. O sensor constitui-se de um filme de

polmero que absorve vapor dgua do ar alterando a capacitncia de um

circuito ativo.

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O HIH-4030-4031 um sensor capacitivo da umidade relativa

comercializado pela empresa Honeywell (Figura 4). O sinal de sada desse

sensor uma tenso proporcionalmente linear umidade em porcentagem,

sendo esta a umidade a qual ele est submetido. De acordo com seu

datasheet, o HIH-4030-4031 no necessita de calibrao externa para fornecer

com exatido valores de umidade que esto em uma faixa de temperatura

entre 20 e 25C. Para temperaturas que no se encontram nessa faixa,

necessrio fazer uma compensao da umidade. Para isso, o datasheet do

HIH-4030-4031 fornece uma equao para ser adicionada ao programa no

datalogger em uso. (HONEYWELL, 2008).

Figura 3 Sensor de umidade relativa do ar HIH-4030-4031

Ao utilizar o HIH-4030-4031 no monitoramento da umidade relativa do

ar, Amorim (2013) obteve valores muito prximos com os valores de umidade

relativa obtidos por um CS215, ambos instalados em uma estao

meteorolgica automtica.

3.2.7 Sensores resistivos

Os sensores de umidade do tipo resistivo so constitudos por um

material higroscpico cuja resistncia varia com a umidade relativa (CASTRO,

2011).

So sensores que utilizam alumnio revestido por um filme de xido de

alumnio. A estrutura desse filme apresenta poros cujo preenchimento por

gotculas de vapor de gua produz alterao do valor da sua resistncia

hmica (ALMEIDA, 2012). A quantidade de molculas de gua dentro do filme

higroscpico aumenta com o aumento da umidade relativa e da temperatura

devido ao aumento da presso de vapor. Por sua vez, este aumento

ocasionar uma maior quantidade de ons H+ devido eletrlise, o que significa

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uma diminuio da resistncia com o aumento da umidade relativa e da

temperatura do meio (CASTRO, 2011).

Essa famlia de sensores no trabalha em nveis de umidade relativa de

20% devido possibilidade de ocorrncia da condensao. So sensores que

no possuem a mesma estabilidade dos sensores capacitivos (ALMEIDA,

2012).

4. REFERNCIAS

ALMEIDA, S. S. Sistema de aquisio de dados para leituras analgicas detenso utilizando um microcontrolador PIC (interface controladora deperifricos). 2012. 66f. Dissertao (Mestrado em Irrigao e Drenagem) - Programa de Ps-Graduao em Irrigao e Drenagem da Universidade Federal Rural do Semi-rido, Mossor-RN. AMORIM, D. M. Sistemas alternativos para aquisio de dados de temperatura e umidade relativa do ar. 2013. Trabalho de concluso de curso Graduao em Engenharia Agrcola e Ambiental na Universidade Federal do Vale do So Francisco. Juazeiro-BA.

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VAREJO-SILVA, M. A. Meteorologia e Climatologia. Verso digital. Recife, Brasil. 2006. VIANELLO, R. L.; ALVES, A. R. Meteorologia bsica e aplicaes. Viosa: Ed. UFV, 1991. 449 p.