15. Detecção de Parâmetro Físico-Químico - Condutividade (Parte II)

Depois de algumas experiências desagradáveis com fabricantes e representantes de equipamentos analíticos, comecei a procurar projetos para a montagem de um condutivímetro para uso no monitoramento da condutividade em biorreatores e como detector em sistemas de análise em fluxo.

A intenção é montar um condutivímetro DIY e utilizar a placa Arduino para fazer a aquisição de dados.

Apesar de me sentir um leigo em eletrônica, criei coragem para estudar o assunto e procurar projetos de condutivímetro de baixo custo e relativamente fáceis de montar.

Escolhi como ponto de partida o projeto disponível no artigo A Low-Cost and High-Performance Conductivity Meter publicado no Journal of Chemical Education.

Este projeto utiliza o Amplificador Operacional TL084CN

Nota

Para conhecer com mais detalhes as características e usos dos Amplificadores Operacionais, leia antes o tutorial disponível na seção Amplificadores Operacionais

A figura seguinte mostra os blocos funcionais que compõem o condutivímetro com os perfis dos sinais na saída de cada bloco.

Figura 131. Diagrama de blocos com os blocos funcionais do condutivímetro e os respectivos sinais na saída de cada bloco.

Diagrama de blocos com os blocos funcionais do condutivímetro e os respectivos sinais na saída de cada bloco.

A figura seguinte mostra o diagrama do circuito proposto no artigo.

Figura 132. Diagrama do circuito do Condutivímetro.

Diagrama do circuito do Condutivímetro.

O circuito é composto basicamente de 4 módulos com funções específicas conforme ilustrado na figura seguinte.

Figura 133. Diagrama do circuito destacando o módulo oscilador, amplificador, retificador e filtro.

Diagrama do circuito destacando o módulo oscilador, amplificador, retificador e filtro.

Especificação dos componentes:

Tabela 13. Tabela dos componentes

CódigoNomeValorEspecificação
R1 resistor 1,00 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R2 resistor 220 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R3 resistor 200 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R4 resistor 4,99 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R5 resitor 499 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R6 resistor 10,0 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R7 resistor 10,0 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R8 resistor 2,00 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
R9 resistor 8,06 kΩ filme metálico, tolerância de 1%
C1, C3 e C4 capacitor 100 nF cerâmico
C2 capacitor 47 μF eletrolítico, 25 V
P1 trimpot 1 kΩ 15 voltas
S1 chave -- 1 polo X 2 posições
D1, D2 diodo 1N914 --
A1-A4 amplificador operacional TL084 4 AOs em um único CI

Os resistores fixos podem ser de Filme de Carbono ou de Filme Metálico. Os primeiros são de uso geral e os de Filme Metálico possuem valores mais precisos de resistência, com tolerância de 1% a 2%.

Os resistores fixos são comumente especificados por três parâmetros: o valor nominal de resistência elétrica, a tolerância, ou seja, a máxima variação em porcentagem do valor nominal, e a potência elétrica dissipada. (Fonte: www.li.facens.br/~machado/iee/materiais/Apostila2012.pdf).

Por exemplo, o resistor R1 de 1,00 kΩ (1000 Ω) e 1% de tolerância pode ter uma resitência real entre 990Ω e 1010Ω.

15.1. Módulo Oscilador

O circuito oscilador gera ondas triangulares conforme a figura seguinte.

Figura 134. Diagrama do circuito oscilador gerador de ondas triangulares.

Diagrama do circuito oscilador gerador de ondas triangulares.

No módulo oscilador é utilizado os amplificadores A1 e A2, onde A2 funciona como um integrador.

No AO A1 a entrada inversora (pino 2) está ligada ao ponto comum do circuito e a entrada não-inversora (pino 3) está inicialmente em um potencial desconhecido. Caso ela esteja ligeiramente superior ao ponto comum, o amplificador A1 irá amplificar essa diferença e gerar um potencial (Vo) positivo no pino 1 no valor máximo da alimentação. Esse sinal positivo aplicado na entrada inversora do integrador A2 (pino 6) gera uma saída linear decrescente no pino 7, que está ligado a um dos eletrodos do sensor de condutividade.

Os resistores P1, R1 e R2 atuam como um divisor de tensão retornando para a entrada não-inversora de A1 (pino 3) a resultante das diferenças de potencial entre as saídas de A1 e A2 (que apresentam sinais opostos). Quando esta diferença de potencial se anula e atinge o valor do ponto comum o amplificador A1 inverte a polaridade para o potencial mínimo de alimentação e o integrador passa a gerar uma saída crescente no pino 7. Quando A1 inverte a polaridade novamente um novo ciclo se inicia.

Para entender o funcionamento deste módulo utilize o simulador disponível na página http://www.falstad.com/circuit/e-triangle.html.

Segundo os autores, a frequência do sinal gerado por este circuito oscilador pode ser calculada pela fórmula:

Equação 18. Equação para o cálculo da frequência do sinal triangular gerado pela oscilador.


Considerando

E a amplitude da onda triangular é calculada pela equação:

Equação 19. Equação para o cálculo da amplitude do sinal triangular gerado pela oscilador.


VQcorresponde à voltagem aplicada pela fonte de alimentação simétrica que alimenta os AOs (12 V neste caso).

Providenciamos a montagem deste módulo e medimos o sinal gerado na saída de A2 com um osciloscópio (EM125[6]) conforme a figura seguinte.

Figura 135. Tela do osciloscópio (EM125) indicando o perfil do sinal de saída do AO2 do circuito oscilador.

Tela do osciloscópio (EM125) indicando o perfil do sinal de saída do AO2 do circuito oscilador.

15.2. Módulo Amplificador



[6] O manual do osciloscópio EM125 está disponível para download aqui