Um pequeno volume de água “pura” parece ser incolor, mas a água apresenta uma cor azulada “intrínseca” que se torna mais intensa à medida que aumenta o caminho óptico (>= 1 metro de caminho óptico) devido à absorção na região final do vermelho (~698 nm). (Fonte: Color of Water - Wikipedia)

Essa coloração azulada é mais uma característica excepcional da água pois, ao contrário da maioria das substâncias, ela é devida a transições vibracionais e não a transições eletrônicas. (Fonte: Why is Water Blue?)

Fora a cor azul intrínsica, a cor da água é geralmente um indicador da presença de metais (Fe, Mn), húmus (matéria orgânica oriunda da degradação de matéria de origem vegetal), plâncton (conjunto de plantas e animais microscópicos em suspensão nas águas) dentre outras substâncias dissolvidas.

A determinação “manual” de cor comumente é feita pela comparação visual com soluções de cloroplatinato de cobalto ou com discos de cor semelhantes à coloração das soluções de cloroplatinato de cobalto. É recomendável que seja feita no momento da coleta, evitando a estocagem o que poderia ocasionar variações no pH.

Costuma-se definir cor aparente e a cor verdadeira.

Mas muitos laboratórios medem a cor por medidas de absorbância num espectrofotômetro, mas não existe um comprimento de onda padrão para tais medições.

A turbidez é uma medida do espalhamento de luz produzido pela presença de partículas coloidais ou em suspensão e é expressa como unidade nefelométrica de turbidez (NTU - Nephelometric Turbidity Unity) usando-se como padrão para calibração do turbidímetro uma suspensão de polímero formazin (sulfato de hidrazina + hexametileno tetramina) ou uma suspensão de látex ou então micro esferas de estireno-divinilbenzeno, conforme o fabricante do equipamento.

A turbidez é um parâmetro indicador da possível presença de argila, silt, substâncias orgânicas (Ex: húmus) ou inorgânicas (Ex: óxidos) finamente divididas, plâncton e algas. Indicando, por exemplo, o risco de entupimentos de filtros e tubulações.

A determinação deve ser feita o mais rápido possível evitando alterar a temperatura e o pH da amostra.

Mudanças no pH podem alterar a cor e/ou provocar a coagulação de partículas em suspensão alterando as leituras de turbidez.

Pode ser recomendável, em alguns casos, degasar a amostra para a remoção de micro bolhas de gases dissolvidos com o uso de vácuo ou ultra-som, mas com cuidado.

No entanto, a nossa proposta é desenvolver metodologias “não convencionais” que sejam viáveis e acessíveis em projetos “Maker” para “Ciência Cidadã” e “Monitoramento Cidadão”.

E por isso, não vamos considerar o uso de padrões de calibração tais como cloroplatinato de cobalto (cor) e formazina (turbidez).

Existem muitos projetos de Fotômetros (DIY) que usam diferentes tipos de sensores tais como: “Fotoresistores (LDR)”, “Fotodiodos”, “Fototransístores”, “LEDs”, “Câmeras Web (Webcam)” e “Smartphones”.

Figura 199. Exemplos de projetos de fotômetros utilizando cubetas como compartimento de amostra e LDRs como sensores.

Figura 200. Exemplos de projetos de fotômetros utilizando cubetas como compartimento de amostra e LEDs como sensores.

Vamos montar inicialmente um protótipo “de bancada” (não portátil), para uso “manual”. Será útil para definir vários parâmetros que serão usados na montagem de outros fotômetros “em fluxo” para serem usados de forma automatizada em sistemas de monitoramento automatizado.

Com esse protótipo poderemos definir parâmetros tais como: o melhor circuito para amplificação, requisitos do programa de controle, faixas de linearidade etc.

A figura 201 mostra as etapas iniciais para a montagem do suporte para cubeta.

Figura 201. Montagem inicial do suporte para cubeta

Figura 202. Perfuração “simultânea” dos dois suportes laterais da cubeta para garantir o “alinhamento” dos LEDs (emissores e detectores)

Escolhi usar como modelo de cubeta a caixa das balinhas de menta da marca Tic-Tac™ (Figura 203). Afinal esse é um projeto “DIY”. :-)

Figura 203. Caixa das balas de menta Tic-Tac usada como cubeta

Em uma chapa de “piso laminado” fixei 4 barras com rosca e porcas para fixação de uma base na qual foram instalados os suportes laterais da cubeta como mostra a figura 204.

Figura 204. Fixação da base em uma base de madeira e colocação dos suportes laterais da cubeta.

Em seguida instalamos suportes para os LEDs em um ângulo de 90° em relação aos LEDs emissores, para medidas de “Turbidez” e “Fluorescência”. (Seção LEDs para medidas de “Turbidez” e “Fluorescência”)

Vamos agora providenciar um circuito de alimentação para mais 6 LEDs (3 para medidas de Turbidez e 3 para medidas de Fluorescência).

A caixa do MultiFotômetro foi montada conforme as sequências indicadas na figura 205 utilizando pedaços de chapas de piso laminado, parafusos, trilho e Silver Tape™.

Figura 205. Sequência de montagem da caixa para o MultiFotômetro utilizando placas de “piso laminado”.

Conforme indicado na figura 205, o suporte para cubetas foi instalado na chapa base e em seguida foram montadas as laterais. Instalamos um “trilho” para encaixar a tampa e o interior foi pintado com tinta preta fosca.

Para o nosso projeto vamos usar LEDs como fonte de luz e como fotodetector. Para mais detalhes sobre o uso de LEDs como detectores feja a seção Usando LEDs como Fotodetectores.

Inicialmente vamos montar um circuito para alimentação do LED emissor e testar diferentes circuitos para uso de LEDs como detectores.

Os LEDs têm como característica gerar uma diferença de potencial que depende do comprimento de onda de emissão (cor).

Os dados da tabela 16 foram obtidos de diferentes fontes:

Um parâmetro importante que deve ser controlado é a corrente que deve ser de, no máximo, 20 mA (ou 0,020 A) independente da cor do LED.

Por isso não se deve ligar um LED diretamente a uma fonte de energia (pilha ou transformador), mas sempre usar um resistor em “série” que limite a corrente como o circuito da figura 206.

Figura 206. Circuito básico para um LED emissor

E como calcular o valor desse resistor?

Considerando que vamos acender um led vermelho usando o circuito da figura 206 com uma fonte de 5V. Nesse caso um LED vermelho vai gerar uma queda de tensão média de 2,0 V, e o resistor vai estar submetido a uma tensão restante de 3V (5V - 2V).

Portanto precisamos selecionar um resistor R que submetido a uma tensão de 3V permita a passagem de uma corrente de 20 mA (0,020 A).

Usando a “Lei de Ohm”:

V = R x I

(5 - 2) = R x 0,020

R = 3,0 / 0,020

R= 150 Ω

Para verificar experimentalmente o comportamento dos LEDs de diferentes cores montei o circuito da figura 206 aplicando uma tensão de 4,97V com 3 diferentes valores de resistência:

O gráfico da Figura 207 mostra que para os LEDs vermelho e amarelo a corrente ficou acima do limite recomendado (20 mA) quando usei uma resitência de 100 ohms. E com o LED de infravermelho eu nem fiz medidas com resitência de 100 Ω com receio de queimar o LED.

Adotando uma corrente de ~15mA como um limite seguro de operação podemos usar R = 200 Ω para os LEDs infravermelho, vermelho e amarelo, R = 150 Ω para os LEDs verde, azul e branco, e R = 100 Ω para o LED UV.

Figura 207. Correntes obtidas para LEDs de diferentes cores com diferentes resistências R no circuito da figura 207

Agora vamos avaliar o comportamento dos LEDs como fotodetectores e para isso usamos um amplificador operacional 741 como um seguidor de voltagem conforme o circuito da figura 208

Figura 208. Circuito para medida da intensidade de luz através da medida da fototensão gerada. (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

O sinal “~” indica que as leituras do multímetro oscilavam na faixa de mV, e o sinal “x” indica que a medida não foi feita.

Essas medidas confirmam o que os artigos mostram, ou seja:

Precisamos de um circuito que permita fazer a transformação adequada da propriedade elétrica (tensão, corrente ou capacitância) que será usada para fazer a “transdução” da luz em sinal elétrico.

A medida da intensidade luminosa pode ser feita por medições de corrente, ou no modo fotocorrente (Figura 209):

Figura 209. Medida da intensidade de luz através da medida da fotocorrente gerada usando um Amplificador Operacional no modo Amplificador Inversor (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

A fotocorrente pode ser facilmente medida com a ajuda de um amplificador operacional na configuração do um amplificador inversor (conversor I-V ou seguidor de corrente) como mostrado na Figura 209. Ou na configuração de um amplificador não inversor dependendo da polarização do LED (direta ou invertida). Em ambos os casos a tensão de saída do amplificador é proporcional à intensidade da luz.

Figura 210. Amplificação da fotocorrente de um LED com circuito amplificador inversor (Fonte: How to Use LEDs to Detect Light)

A intensidade luminosa também pode ser medida por tensão no modo fotovoltaico (Figura 211):

Figura 211. Medida da intensidade de luz através da medida da fototensão gerada. (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

No modo fotovoltaico mede-se a tensão do diodo, normalmente com um amplificador operacional operando como um seguidor de tensão para evitar a drenagem de fotocorrente do LED.

A fotocorrente é proporcional à intensidade da luz, enquanto que no modo fotovoltaico obtém-se uma resposta logarítmica. Para medições quantitativas, o modo de fotocorrente é geralmente preferido, uma vez que o modo fotovoltaico tem menor precisão, causada principalmente por uma dependência significativa da temperatura. (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

Uma forma alternativa para medir a intensidade de luz pode ser feita por medidas do tempo de descarga da capacitância “parasita” do LED, ou modo de descarga da junção (Figura 212):

Figura 212. Medida da intensidade de luz por medidas do tempo de descarga da junção. (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

Nas medidas de “tempo de descarga da junção” os terminais do LED detector são ligados a dois pinos digitais de uma placa Arduino configuradas como OUTPUT e no estado LOW (0 V). Para a realização da medida o LED emissor é “desligado” e o pino digital ligado ao catodo (-) do LED passa para o estado HIGH (5 V), polarizando inversamente o LED durante um curto intervalo de tempo (~0,1 ms), e carregando a capacitância intrínseca da junção do LED. Em seguida este pino é configurado como INPUT (alta impedância) e o LED emissor é ligado.

A partir do instante em que o LED emissor é ligado é feita a contagem do tempo para o pino digital, configurado como INPUT, passar do estado HIGH (5V) para o estado LOW (0V), que corresponde ao tempo de descarregamento da capacitância parasita do LED. O tempo de descarregamento é proporcional à fotocorrente gerada que por sua vez é proporcional à intensidade luminosa incidente sobre o LED.(Figura 213)

Figura 213. Influência da intensidade luminosa no tempo de descarregamento da capacitância parasita do LED. (Fonte: T³: Using LEDs as light sensors (Sparkfun))

Dasgupta e colaboradores (LEDs for Analytical Chemistry, 2014) demonstram, a partir da equação de Shockley, que com alta intensidade de iluminação (I) a fototensão (V_D) gerada pelo LED é proporcional ao logaritmo da intensidade de luz (ln I) segundo a equação 25.

Equação 25. Relação logarítmica entre a fototensão (V_D) e a intensidade de luz (I) incidente sobre o LED

E com baixa intensidade luminosa a relação é linear conforme a equação 26:

Equação 26. Relação linear entre a fototensão (V_D) gerada e a intensidade de luz (I) incidente sobre o LED

Essa é uma informação que pode ser útil para ajustar o modelo de calibração ao tipo de resposta esperada.

A figura 214 mostra a intensidade máxima e as regiões de maior sensibilidade para 5 diferentes LEDs: 3 LEDs com emissão no vervelho (R1, R2 e R01), 1 LED amarelo (Y1) e 1 LED verde (G1).

Figura 214. O gráfico superior mostra as regiões de emissão máxima para os LEDs: R1 (630 nm), R2 (635 nm), R01 (637 nm), Y1 (595 nm) e G1 (578 nm). E o gráfico inferior mostra as regiões de maior sensibilidade para os mesmos LEDs sendo usados como fotodetectores. (Fonte: Duy Anh BUI, 2016)

O gráfico indica que os LEDs R1 e R2 (vermelho) seriam adequados como fotodetectores para o LED G1 (verde), e o LED R01 (vermelho) seria mais adequado para uso como fotodector do LED Y1 (amarelo).

No entanto isso não é uma regra pois a sensibilidade dos LEDs varia dependendo do fabricante e até mesmo para diferentes lotes de um mesmo fabricante. Ou seja, a região de sensibilidade máxima deve ser avaliada para cada LED individualmente. :-(

Alguns links sobre o uso de LEDs como fotodectores:

Antes de montar o circuito definitivo dentro do MultiFotômetro, vamos montar, em protoboard, 3 tipos de circuitos para avaliar parâmetros como a sensibilidade, tipo de resposta (linear, logarítimica), faixa de linearidade, fundo de escala, tempo de resposta e estabilidade, e selecionar o tipo de circuito mais adequado para processar os sinais elétricos gerados pelos LEDs quando expostos à luz.

19.9.1. Conexões Elétricas

Os LEDs de cada cor (transparentes), emissores e receptores, foram colocados no suporte e conectados aos cabos eletricos conforme a figura 215.

Figura 215. Sequência de montagem dos LEDs emissores e receptores com os respectivos cabos.

Atenção

Atenção! No circuito que aparece na figura 216 o LED está invertido.

Figura 216. Circuito amplificador para os testes iniciais montado em uma protoboard.

19.9.2. Tempo de Descarga da Capacitância de Junção

Uma forma alternativa para medir a intensidade de luz pode, em princípo, ser feita por medidas do tempo de descarga da capacitância “parasita” do LED, ou modo de descarga da junção, como mostra a figura 212).

Nas medidas de “tempo de descarga da junção” os terminais do LED detector são ligados a dois pinos digitais de uma placa Arduino configuradas como OUTPUT e no estado LOW (0 V). Para a realização da medida o LED emissor é “desligado” e o pino digital ligado ao catodo (-) do LED passa para o estado HIGH (5 V), polarizando inversamente o LED durante um curto intervalo de tempo (~0,1 ms), e carregando a capacitância intrínseca da junção do LED. Em seguida este pino é configurado como INPUT (alta impedância) e o LED emissor é ligado.

A partir do instante em que o LED emissor é ligado é feita a contagem do tempo para o pino digital, configurado como INPUT, passar do estado HIGH (5V) para o estado LOW (0V), que corresponde ao tempo de descarregamento da capacitância parasita do LED. O tempo de descarregamento é proporcional à fotocorrente gerada que por sua vez é proporcional à intensidade luminosa incidente sobre o LED.(Figura 213)

No entanto o tutorial destaca o seguinte problema: Note that we put the LED directly into the Arduino's pins. I originally tried wiring the sense LED to a breadboard from the Arduino, but the inductance and capacitance from the wires and breadboard threw the readings way off. This means the input LEDs need to be fairly close to the microcontroller's pins to work. (Fonte: Using LEDs as Light Sensors - Sparkfun)

Apesar desse alerta resolvi avaliar na prática a viabilidade dessa estratégia seguindo inicialmente o código do tutorial Using LEDs as photodiodes (light sensors):

//
// This example shows one way of using an LED as a light sensor.
// You will need to wire up your components as such:
//
//           + digital2
//           |
//           >
//           > 100 ohm resistor
//           <
//           |
//           |  LED Cathode (LED_N_SIDE, normally (-))
//           |
//         -----
//          / \  LED, maybe a 5mm, clear plastic is good
//         -----
//           |
//           |  LED Anode (LED_P_SIDE, normally (+))
//           |
//           + digital3
//
// What we are going to do is apply a positive voltage at digital2 and
// connect digital3 to GND. This is backwards for the LED, current will
// not flow and light will not come out, but we will charge up the 
// capacitance of the LED junction and the Arduino pin.
//
// Then we are going to disconnect the output HIGH drivers from 
// digital2 (making it now a high-impedance INPUT) and count how
// long it takes the stored charge at digital2 to bleed off through 
// the LED to GND at digital3. The brighter the light, the faster it will 
// bleed away to digital3 (GND), thereby causing the INPUT reading
// at digital2 to change from HIGH to LOW.
//
// Then just to be perverse we will display the brightness back on the 
// same LED by turning it on for a millisecond. This happens more often
// with brighter lighting, so the LED is dim in a dim room and brighter 
// in a bright room. Quite nice.
//
// (Though a nice idea, this implementation is flawed because the refresh
// rate gets too long in the dark and it flickers disturbingly.)
//
#define LED_N_SIDE 2
#define LED_P_SIDE 3

void setup()
{}

void loop()
{
  unsigned int j;

  // Apply reverse voltage, charge up the pin and led capacitance
  pinMode(LED_N_SIDE, OUTPUT);
  pinMode(LED_P_SIDE, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_N_SIDE, HIGH);
  digitalWrite(LED_P_SIDE, LOW);

  // Isolate the pin 2 end of the diode by changing it from OUTPUT HIGH to 
  // INPUT LOW (high impedance input with internal pull-up resistor off)
  pinMode(LED_N_SIDE, INPUT);
  digitalWrite(LED_N_SIDE,LOW);  // turn off internal pull-up resistor

  // Count how long it takes the diode to bleed back down to a logic 0 at pin 2
  for ( j = 0; j < 30000; j++) {
    if ( digitalRead(LED_N_SIDE)==0) break;
  }
  // You could use 'j' for something useful, but here we are just using the
  // delay of the counting.  In the dark it counts higher and takes longer, 
  // increasing the portion of the loop where the LED is off compared to 
  // the 1000 microseconds where we turn it on.

  // Turn the light on for 1000 microseconds
  digitalWrite(LED_P_SIDE, HIGH);
  digitalWrite(LED_N_SIDE, LOW);
  pinMode(LED_P_SIDE, OUTPUT);
  pinMode(LED_N_SIDE, OUTPUT);
  delayMicroseconds(1000);
  // we could turn it off, but we know that is about to happen at the loop() start
  }
  

Para controlar os LEDs emissor e receptor pela placa Arduino montei inicialmente o circuito conforme o diagrama da figura 217.

Figura 217. Circuitos dos LEDs Emissor e Receptor para os testes iniciais de intensidade de luz com base no tempo de descarga da capacitância de junção.

E para o sketch de controle no Arduino usei a lógica descrita no diagrama da figura 218.

Figura 218. Diagrama de fluxo do sketch para controle dos LEDs emissor e receptor pelo Arduino, para medidas do tempo de descarga da capacitância de junção.

Com base na lógica do diagrama de fluxo da figura 218 testei o seguinte código:

#define LED_EMITTER_P_SIDE 6
#define LED_EMITTER_N_SIDE 7
#define LED_SENSOR_P_SIDE 3
#define LED_SENSOR_N_SIDE 2

unsigned int value_pin;

void setup()
{
  
  Serial.begin(9600);
  
  Serial.flush();

}

void loop()
{
  Serial.println("=Inicio=");

  //Ligar LED emissor
  pinMode(LED_EMITTER_N_SIDE, OUTPUT);
  pinMode(LED_EMITTER_P_SIDE, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_EMITTER_N_SIDE, LOW);
  digitalWrite(LED_EMITTER_P_SIDE, HIGH);

  //Carregar capacitância do LED sensor

  pinMode(LED_SENSOR_P_SIDE, OUTPUT);
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, OUTPUT);
    
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,HIGH); 
  digitalWrite(LED_SENSOR_P_SIDE,LOW); 
  
  delay(100);

  //Descarregar o LED sensor
  
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, INPUT);
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,LOW); 

  //Medir o tempo de descarregamento

  value_pin = 0;
  while (digitalRead(LED_SENSOR_N_SIDE) != 0) {
  value_pin++;
  }

  //Exibir o tempo de descarregamento com luz
  
  Serial.print("Tempo descarga COM luz: ");
  Serial.println(value_pin);

  //Desligar o LED emissor
  
  digitalWrite(LED_EMITTER_P_SIDE, LOW);

  delay(1000); 

  //Carregar capacitância do LED sensor
  
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,HIGH); 
  
  delay(100);

  //Descarregar o LED sensor
  
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, INPUT);
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,LOW); 

  //Medir o tempo de descarregamento
  
  value_pin = 0;
  while (digitalRead(LED_SENSOR_N_SIDE) != 0) {
  value_pin++;
  }

  //Exibir o tempo de descarregamento sem luz
  
  Serial.print("Tempo descarga SEM luz: ");
  Serial.println(value_pin);
  
   
  Serial.println("=Fim=");
  delay(2000);
  
  }

No início parecia estar funcionando com diferença significativa entre o tempo de descarregamento com luz (~50) e sem luz (~2000). Mas após alguns minutos o foi possível observar uma grande instabilidade das leituras.

Resolvi modificar o circuito conforme o diagrama da figura 219.

Figura 219. Diagrama do circuito dos LEDs Emissor e Receptor, usando o pino terra, para os testes iniciais de intensidade de luz com base no tempo de descarga da capacitância de junção.

E fiz as seguintes alterações no sketch:

#define LED_EMITTER_P_SIDE 6
#define LED_SENSOR_N_SIDE 2

unsigned int value_pin;

void setup()
{

  pinMode(LED_EMITTER_P_SIDE, OUTPUT);
  
  Serial.begin(9600);
  
  Serial.flush();

}

void loop()
{
  Serial.println("=Inicio=");

  //Ligar LED emissor
  digitalWrite(LED_EMITTER_P_SIDE, HIGH);

  delay(100);

  //Carregar capacitância do LED sensor
  
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, OUTPUT);
    
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,HIGH); 
    
  delay(10);

  //Descarregar o LED sensor
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, INPUT);
  
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,LOW); 

  //Medir o tempo de descarregamento
  value_pin = 0;
  while (digitalRead(LED_SENSOR_N_SIDE) != 0) {
  value_pin++;
  }

  //Exibir o tempo de descarregamento com luz
  
  Serial.print("Tempo descarga COM luz: ");
  Serial.println(value_pin);

  //Desligar o LED emissor
  digitalWrite(LED_EMITTER_P_SIDE, LOW);

  delay(1000); 

  //Carregar capacitância do LED sensor
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,HIGH); 
  
  delay(10);

  //Descarregar o LED sensor
  pinMode(LED_SENSOR_N_SIDE, INPUT);
  digitalWrite(LED_SENSOR_N_SIDE,LOW); 

  //Medir o tempo de descarregamento
  value_pin = 0;
  while (digitalRead(LED_SENSOR_N_SIDE) != 0) {
  value_pin++;
  }

  //Exibir o tempo de descarregamento sem luz
  Serial.print("Tempo descarga SEM luz: ");
  Serial.println(value_pin);
  Serial.println("=Fim=");
  
  delay(4000);
  
  }

Mas não funcionou!

As leituras oscilam e não apresentam uma regularidade.

Aparentemente é inviável usar essa estratégia com os LEDs a longa distância da placa Arduino como já observado no tutorial Using LEDs as Light Sensors - Sparkfun: Note that we put the LED directly into the Arduino's pins. I originally tried wiring the sense LED to a breadboard from the Arduino, but the inductance and capacitance from the wires and breadboard threw the readings way off. This means the input LEDs need to be fairly close to the microcontroller's pins to work.

Links adicionais:

• Led As Light Sensor

• Une LED qui mesure l'éclairement et qui éclaire !

• Using LEDs as Light Sensors - Sparkfun

• Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs

• Vídeo - Very Low-Cost Sensing and Communication Using Bidirectional LEDs

• DIY LED-Photometer with Arduino

• How to Make DIY Spectrometer | Optical spectrum analyzer | Light analysis

19.9.3. Circuito para Fototensão

Para avaliar o comportamento de um fotodetector baseado em medidas de fototensão montei em uma protoboard o circuito Amplificador Não-Inversor conforme o diagrama da figura 220.

Figura 220. Circuito com o AO LM324 para medidas de fototensao

Tabela 19. Testes iniciais da Fototensão gerada, sem cubeta, ao incidir LEDs com diferentes cores montados conforme o circuito da figura 220. (A fototensão gerada é amplificada pelo circuito amplificador não-inversor da figura 220)

LED emissor	Rf (Ω)	Ri (Ω)	LED sensor	V (com LED emissor ligado) (Volts)	V (com LED emissor desligado) (Volts)
Violeta	1080	953	Azul	3,8 - 4,0	3,2
Azul	100	953	Verde	4,4	2,4
Verde	137	953	Vermelho	4,25	3,19
Vermelho	5300	953	Infravermelho	4,5	2,6

O objetivo desse teste é avaliar a faixa de variação do sinal de fototensão gerada pelo LED sensor quando está no escuro ou iluminado.

Quando se compara os valores obtidos pelos mesmos LEDs em diferentes modos de operação: fotocorrente (Tabela 20) e fototensão (Tabela 19), pode-se observar que a amplitude é muito maior no modo fotocorrente do que no modo fototensão. Isso significa, a princípio, que se pode obter maior “resolução” nas leituras de intensidade de luz utilizando-se os LEDs sensores no modo fotocorrente.

No entanto, vamos lembrar de que essas medidas foram feitas com uma distância de ~4cm entre o LED emissor e o detector, e com uma corrente de alimentação do LED emissor na faixa de 10-20 mA. E segundo os estudos de Dasgupta e colaboradores (LEDs for Analytical Chemistry, 2014) a fototensão (V_D) gerada pelo LED que com alta intensidade de iluminação (I) é proporcional ao “logaritmo” da intensidade de luz (ln I) segundo a equação 25.

Mas com baixa intensidade luminosa a relação é linear conforme a equação 26.

Ou seja, os resultados obtidos com as leituras de fototensão poderiam ser diferentes se fosse reduzida a intensidade de iluminação do LED emissor.

19.9.4. Circuito para Fotocorrente

A figura 221, do artigo Light-Emitting Diodes as Sensors for Colorimetric Analyses, mostra o diagrama de um circuito que usa o amplificador operacional LM324 para medir a fotocorrente gerada.

Figura 221. Circuito com o AO LM324 para medidas de fotocorrente (Fonte: Light-Emitting Diodes as Sensors for Colorimetric Analyses)

Montei o circuito em uma protoboard, alimentando com uma fonte de 6V e fazendo as medidas com um multímetro para avaliar se as correntes e tensões produzidas são compatíveis com a placa Arduino.

Iniciei os testes com um resistor de feedback de 10K, um led vermelho como sensor e um led verde como emissor.

Depois de alguns testes percebi que a configuração do led sensor indicada pelo circuito da figura 221 deveria ser invertido conforme o circuito da figura 222.

Figura 222. Circuito com o AO CA3140 em modo “amplificador inversor” para medidas de fotocorrente (Fonte: Martina O'Toole, 2007)

Depois de alguns testes também percebi que o valor da resistência de feedback para o LED sensor de infravermelho deveria ser bem maior do que os resistores dos demais leds sensores (GΩ), como indicado no tutorial da Analog Devices: Counting Electrons: Making Ultra-high Sensitivity Femtoamp Measurements.

Neste tutorial também percebi que é possível usar os LEDs em ambos os sentidos, com polaridade direta ou inversa.

Mas, pelo que entendi, como se trata de um "amplificador inversor" é importante ter em mente que se o LED gerar um potencial “positivo” o “amplificador inversor” vai inverter o sinal e gerar um sinal “negativo”. E isso só será possível se o AO for alimentado por uma fonte simétrica.

Acabei escolhendo a configuração indicada pela figura 223.

Figura 223. Circuito com o AO LM324 para medidas de fotocorrente (Fonte: Light-Emitting Diodes as Sensors for Colorimetric Analyses)

Com os 4 amplificadores operacionais disponíveis escolhi os seguintes pares de LEDs emissor-detector:

1. Ultravioleta (emissor) 340-400 nm -> Azul (sensor)

2. Azul (emissor) 430-500 nm -> Verde (sensor)

3. Verde (emissor) 500-570 nm -> Vermelho (sensor)

4. Vermelho (emissor) 620-670 nm -> Infra-Vermelho (sensor)

Figura 224. Circuito com o AO LM324, para medidas de fotocorrente, para detecção nos 4 comprimentos de onda (Ultravioleta, Azul, Verde e Vermelho) (Fonte: Light-Emitting Diodes as Sensors for Colorimetric Analyses)

E fiz os primeiros testes sem cubeta para ajustar os valores das resistências de feedback para os 4 LEDs sensores obtendo os seguintes valores (Tabela 20):

Tabela 20. Testes iniciais da Fotocorrente gerada, sem cubeta, ao incidir LEDs com diferentes cores montados conforme o circuito da figura 224. (A fotocorrente gerada é convertida em tensão pelo circuito amplificador inversor da figura 224)

Cor LED emissor	R circuito alimentação (Ω)	Cor LED sensor	R de feedback do circuito amplificador (Ω)	V (com LED emissor ligado) (Volts)	V (com LED emissor desligado) (Volts)
Violeta	110	Azul	1,2MΩ	4,52	0,01
Azul	110	Verde	890kΩ	4,50	0,00
Verde	150	Vermelho	1,5MΩ	4,58	0,02
Vermelho	200	Infravermelho	40MΩ	4,46	0,43

As tensões de fotocorrente amplificadas são medidas para cada LED sensor nos pinos:

• LED sensor azul: pino 1

• LED sensor verde: pino 7

• LED sensor vermelho: pino 8

• LED sensor infravermelho: pino 14

A sensibilidade dos LEDs como fotodetectores sofre a influência da temperatura, como mostra o artigo “Analytical devices based on light-emitting diodes - a review of the state-of-the-art”, que está anexado na tese Duy Anh BUI, 2016.

Uma possível alternativa para compensar o efeito da temperatura seria subtrair as leituras com LED emissor ligado das leituras com o LED emissor desligado (Dark Current - Corrente de Escuro), considerando que o efeito da temperatura seria o mesmo tanto na leitura com luz quanto na leitura no escuro. Mas para isso deveríamos ter um sinal de Dark Current significativamente maior do que “0”.

Para o LED receptor infravermelho, a amplificação foi suficiente para gerar uma corrente de escuro na faixa de 0,4V, o que aparentemente já poderia ser usado sem a necessidade de “offset”.

Mas para os demais LEDs a corrente de escuro é muito baixa (0,00 a 0,02) e nesse caso podemos aplicar um potencial de referência na entrada não inversora para elevar o sinal da Corrente de Escuro conforme a referência: How to Design Stable Transimpedance Amplifiers for Automotive and Medical Systems.

No tutorial HOW TO BIAS AN OP-AMP, encontramos dicas de como definir os valores das resistências para aplicar o deslocamento da corrente de escuro.

Resolvi experimentar a estratégia de aplicar uma tensão nas entradas não-inversoras para gerar um “offset” e uma corrente de escuro (dark current) que seja subtraída de cada leitura (Figura 225). E dessa forma tentar compensar eventuais efeitos de variação da temperatura nas leituras.

Figura 225. Circuito para medidas de fotocorrente com aplicação de tensão na entrada não inversora para ajuste de offset.

A tensão V_b no ponto intermediário é obtida pela fórmula (Circuito divisor de tensão):

V_b =V_s × R₃/(R₂ + R₃)

As resistências R₂ e R₃ são os segmentos de um resistor variável de 100 kΩ.

Para obter esse efeito modifiquei o circuito da figura 224 (valores da tabela 20) introduzindo um divisor de tensão para aplicar uma tensão na entrada não-inversora e dessa forma gerar um “offset” e consequentemente uma corrente de escuro (dark current) mensurável.

Figura 226. Circuito com o AO LM324, para medidas de fotocorrente, para detecção nos 4 comprimentos de onda (Ultravioleta, Azul, Verde e Vermelho), com aplicação de tensão nas entradas não inversoras para ajustes de offset apenas para os leds sensores Azul, Verde e Vermelho. (Fonte: Light-Emitting Diodes as Sensors for Colorimetric Analyses)

As resistências de feedback (R_f) foram ajustadas para gerar um sinal de saída no Amplificador abaixo de 5,0 V (~4,5V) para proteger a placa Arduino de tensões maiores do que 5V, quando o LED receptor for iluminado com intensidade máxima (sem cubeta com amostra).

A corrente máxima do amplificador é ~1V abaixo da tensão de alimentação do amplificador, que é de 6V.

Uma outra possível alternativa para aumentar a Corrente de Escuro seria reduzir a intensidade de luz do LED emissor e aumentar R_f para aumentar a amplificação dos sinais.

A redução da corrente no LED emissor ainda tem uma vantagem adicional que é o aumento do tempo de vida do LED.

19.10.1. Circuito para Compensação da Temperatura no Brilho do LED Emissor

Uma alternativa para compensar o efeito da temperatura na variação do brilho do LED Emissor, seria implementar um circuito como mostra a figura 227

Figura 227. Circuito para compensar o efeito da temperatura no brilho do LED (Fonte: Temperature Compensation Circuit for Constant LED Intensity, Application Brief I-012, Ref. 5963-7544EN, Avago Technologies, 2010.)

Com essas informações providenciamos a montagem do circuito em uma placa conforme o diagrama da figura 228

Figura 228. Diagrama do circuito montado em uma placa. (LED E - LED Emissor, LED S - LED Sensor)

Figura 229. Etapas da montagem

Após a montagem foram colocadas etiquetas para identificar os componentes e a placa foi fixada dentro do fotômetro como mostra a figura 230.

Figura 230. Placa com etiquetas de identificação (esquerda) e fixada dentro do fotômetro (direita).

E em seguida foi fixada uma placa Arduino no mesmo compartimento, além dos cabos de comunicação e de alimentação do circuito da placa de controle como mostra a figura 231.

Figura 231. Placa do circuito de controle e Arduino fixadas no interior do fotômetro

Em seguida fizemos os primeiros testes de aquisição das leituras com a placa Arduino implementando um programa que faz duas leituras do LED Sensor, uma com o LED Emissor ligado e outra com o LED Emissor desligado.

/*
Programa para testes iniciais de aquisição das leituras de intensidade de luz
*/

#define LED_EMITTER_1 2
#define LED_EMITTER_2 3
#define LED_EMITTER_3 4
#define LED_EMITTER_4 5

#define LED_SENSOR_1 A1
#define LED_SENSOR_2 A2
#define LED_SENSOR_3 A3
#define LED_SENSOR_4 A4

int sensorValue;
float voltage;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.flush();
  pinMode(LED_EMITTER_1, OUTPUT);
  pinMode(LED_EMITTER_2, OUTPUT);
  pinMode(LED_EMITTER_3, OUTPUT);
  pinMode(LED_EMITTER_4, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_EMITTER_1, LOW);
  digitalWrite(LED_EMITTER_2, LOW);
  digitalWrite(LED_EMITTER_3, LOW);
  digitalWrite(LED_EMITTER_4, LOW);
  Serial.println("=Inicio=");
Serial.println("UV(ON);UV(OFF);Azul(ON);Azul(OFF);Verde(ON);Verde(OFF);Vermelho(ON);Vermelho(OFF)");
}

void loop() {
  
  digitalWrite(LED_EMITTER_1, HIGH);
  delay(500);
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_1);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_1, LOW);
  delay(500);
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_1);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
 
  digitalWrite(LED_EMITTER_2, HIGH);
  delay(500);
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_2);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_2, LOW);
  delay(500);
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_2);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_3, HIGH);
  delay(500);  
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_3);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_3, LOW);
  delay(500);  
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_3);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_4, HIGH);
  delay(500);                     
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_4);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.print(";");
  digitalWrite(LED_EMITTER_4, LOW);
  delay(500);                     
  sensorValue = analogRead(LED_SENSOR_4);
  Serial.print(sensorValue);
  Serial.println();
  delay(4000);
}

Com o programa descrito acima foram feitas 240 leituras cujos resultados estão no gráfico da figura 232. O objetivo do teste foi avaliar a sensibilidade e a estabilidade das leituras ao longo do tempo.

Figura 232. No gráfico superior os resultados de 240 leituras (sem cubeta) dos LEDs sensores em diferentes estados dos LEDs emissores: ligado e desligado. E no gráfico inferior a diferença ON - OFF.

As leituras dos LEDs UV, Azul e Verde mostram uma estabilidade satisfatória, com leituras de Offset acima de 0, mas intensidade média do Verde e Ultravioleta ficou muito baixa, ou seja, baixa sensibilidade.

E as leituras na região do Vermelho apresentaram grandes oscilações com offset muito baixo.

Para aumentar a sensibilidade dos LEDs UV, Verde e Azul decidi incluir mais 1 resistor de 1 MΩ no feedback dos circuitos dessas 3 cores, totalizando 2,5 MΩ (1 resistor fixo de 1mΩ, 1 resistor variável de 1MΩ e 1 resistor fixo de 500kΩ).

E também ajustei o resistor de alimentação do LED Emissor de UV para aumentar a intensidade de luz.

E para melhorar a estabilidade na resposta do LED IR, sensor para o Vermelho, incluí 1 capacitor em paralelo com os resistores de feedback, 1 divisor de tensão para gerar tensão de offset e reduzi a resistência de feedback para 24 MΩ.

Os gráficos da figura 233 mostram os resultados obtidos após as alterações no circuito.

Figura 233. Resultados após mudanças no circuito. No gráfico superior os resultados de 240 leituras (sem cubeta) dos LEDs sensores em diferentes estados dos LEDs emissores: ligado e desligado. E no gráfico inferior a diferença ON - OFF.

A intensidade média na região do UV, Azul e Verde melhoraram significativamente. E foi também minimizada a variação das leituras na região do Vermelho.

Mas a resistência de alimentação do LED UV estava muito baixa (150 Ω) o que resulta em uma corrente de alimentação (33 mA) muito próxima do limite fornecido pela placa Arduino (40 mA). Por isso resolvi incluir mais um resistor de 1 MΩ no feedback dos circuito de amplificação do Azul (sensor do UV), para permitir abaixar a corrente de alimentação do LED UV a um nível mais baixo sem comprometer a intensidade do sinal.

E para minimizar a oscilação das leituras do LED Vermelho (feitas com o LED IR), resolvi reduzir o a resistência de feedback para 16 MΩ.

Os gráficos da figura 234 mostram os resultados obtidos após as alterações adicionais no circuito.

Figura 234. Resultados após mudanças no circuito. No gráfico superior os resultados de 240 leituras (sem cubeta) dos LEDs sensores em diferentes estados dos LEDs emissores: ligado e desligado. E no gráfico inferior a diferença ON - OFF.

Os gráficos mostram redução na instabilidade das leituras na região do Vermelho, e uma pequena redução na leitura média do UV.

Decidi manter, por enquanto, a configuração conforme indicada na figura 235 para poder dar prosseguimento ao desenvolvimento da interface de controle.

E, posteriormente, implementar modificações para maximizar a sensibilidade das leituras na região do UV e do Vermelho.

Figura 235. Configuração do circuito do fotômetro correspondente aos dados da figura 234, com distância de ~4cm entre os LEDs Emissores e LEDs Sensores.

Decidi fazer uma rosca interna na peça de acrílico de um dos suportes para os LEDs “transversais” e para isso usei um vira-macho (ou desandador) manual de 1/8" conforme dica do vídeo Como fazer rosca usando macho.

A figura 236 mostra, à esquerda, o suporte para os LEDs transversais com as roscas internas para fixação no suporte, e, à direita, a estrutura de suporte para os LEDs e a cubeta.

Figura 236. Estrutura de suporte para os LEDs e cubeta.

A figura 237 mostra as posições relativas dos diferentes LEDs e suas funções.

Figura 237. Estrutura de suporte para os diferentes LEDs e suas funções.

Agora precisamos projetar e montar um circuito para permitir o controle dos LEDs emissores que serão usados nas medidas de “Turbidez” e “Fluorescência”.

Vamos usar 6 LEDs (3 para “Turbidez” e 3 para “Fluorescência”) que serão controlados pelos pinos digitais da placa Arduino.

Para controlar a corrente dos LEDs emissores vamos usar os dados da tabela 17 e instalar os seguintes resistores fixos:

E dessa forma vamos montar um circuito conforme o diagrama da figura 238.

Figura 238. Diagrama do circuito de alimentação para os LEDs emissores usados nas medidas de Turbidez e Fluorescência.

Seguindo o diagrama da figura 238, montamos o circuito que foi instalado no compartimento eletrônico como mostra a figura 239.

Figura 239. Circuito de alimentação para os LEDs emissores usados nas medidas de Turbidez e Fluorescência.

Esses LEDs adicionais precisam ser incluídos no arquivo de configuração led.xml conforme descrito na seção Programa para Controle do Fotômetro com LEDs usando Máquina de Estados Orientada a Objeto.

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