Hackeando as Águas

Markos


Setembro de 2014

Histórico de Revisões
Revisão 1Março de 2015
Cloração
Revisão 2Outubro de 2015
Condutimetria
Revisão 3Março de 2016
Irrigador
Revisão 4Janeiro de 2017
Banco de Dados com SQLite
Revisão 5Março de 2017
Biblioteca Plotchart
Revisão 6Abril de 2017
Fotômetro
Revisão 7Junho de 2018
Redes Neurais Artificiais
Revisão 8Julho de 2019
Modelos Empíricos com Regressão Linear Univariada
Revisão 9Setembro de 2019
Modelos Empíricos com Regressão Linear Multivariada
Revisão 10Outubro de 2019
Calibração Univariada
Revisão 11Novembro de 2019
Calibração Multivariada
Revisão 12Dezembro de 2019
Planejamento de Experimentos
Revisão 13Janeiro de 2020
Análise de Componentes Principais (PCA)
Revisão 14Fevereiro de 2020
Regressão pelo método das Componentes Principais (PCR)
Revisão 15Abril de 2020
Reinício do projeto Fotômetro
Revisão 16Setembro de 2020
Projeto Potenciostato
Revisão 17Junho de 2021
Projeto Avaliação de Carvão Ativo
Revisão 18Setembro de 2021
Sistema Multipropósito para o Controle Automatizado de Instrumentos/Equipamentos
Revisão 19Outubro de 2021
Bomba de Seringa Controlada por Servomotor
Revisão 20Dezembro de 2021
Arduino Multicomando
Revisão 21Março de 2023
Montagem de um EletroClorador para Desinfecção de Água

Índice

1. Hackeando as Águas
2. Monitoramento & Controle
2.1. Águas em Fluxo: Desafios no Monitoramento Químico de Ambientes Dinâmicos
3. Funcionalidades Básicas em Projetos envolvendo Água (Recursos Hídricos)
3.1. Blocos Construtivos Físicos (Building Blocks)
4. Bombeamento
4.1. Frasco Pressurizado
4.2. Bomba Peristáltica
4.3. Bomba de Seringa ou de Pistão
4.4. Bomba Centrífuga
5. Comutação
6. Detecção
6.1. Métodos Instrumentais de Análise
7. Condicionamento
7.1. Tratamento de Água para Consumo Humano
7.2. Qualidade das Águas
7.3. Compostos Inorgânicos em Água Naturais
7.4. Alguns links sobre Qualidade da Água
8. Detecção de Parâmetro Físico - Vazão
8.1. Transdutor Resistivo de Força
8.2. 24/04/2017 - Célula de carga para medidas de vazão gravimétrica
9. Sistema Didático Demonstrativo com módulos para Bombeamento, Comutação e Detecção
9.1. Estrutura Física
9.2. Circuito de controle com Arduino
9.3. Sensor (transdutor) Resistivo de Força (SRF) para Medidas de Vazão Gravimétrica
10. Sistema Didático - Programação em Tcl/Tk.
10.1. Programação do Arduino (Sketch)
10.2. Programa em Tcl/Tk
10.3. Calibração
11. Condicionamento - Desinfecção Química com Cloro
11.1. Desinfecção
11.2. Cloração
11.3. Química do Cloro
11.4. Demanda de Cloro
11.5. Cloro e os Compostos de Nitrogênio - Cloraminas
11.6. Cloração ao Breakpoint
11.7. Um Exemplo de Cálculo de Cloraminação
11.8. Toxicidade
11.9. Alguns links
12. Detecção de Parâmetro Químico (I) - Cloro
12.1. Reações de Oxiredução dos Compostos de Cloro.
12.2. Monitoramento de Cloro com Medidas de ORP
13. Detecção de Parâmetro Químico (II) - Cloro por ORP
13.1. Potenciômetro
14. Detecção de Parâmetro Químico (III) - Cloro por Voltametria
14.1. Montagem de um Potenciostato para Determinação Amperométrica de Cloro Ativo
14.2. Potenciostato controlado pelo Arduino
14.3. Testes Exploratórios I
14.4. Testes Exploratórios II
14.5. Testes Exploratórios III
14.6. Comentários Eletroquímicos
14.7. Modificações no Potenciostato
14.8. Interface Gráfica (GUI) para Controle do Potenciostato
14.9. Cela de Fluxo
14.10. Alguns links:
15. Montagem de um EletroClorador para Desinfecção de Água
15.1. Circuito Elétrico I
16. Detecção de Parâmetro Físico - Umidade do Solo
17. Detecção de Parâmetro Físico-Químico - Condutividade (Parte I)
17.1. Aplicações da Condutimetria
17.2. Experimentos de Condutividade com Arduino
18. Montagem de um Condutivímetro Convencional - Condutividade (Parte II)
18.1. Módulo Oscilador
18.2. Módulo Amplificador
19. Detecção de Parâmetros Físico-Químicos: Cor, Turbidez & Fluorescência, usando Fotômetro com LEDs
19.1. Cor
19.2. Turbidez
19.3. Fotômetros DIY
19.4. Suporte para Cela de Leitura (Cubeta) Convencional
19.5. MultiFotômetro
19.6. Como Ligar o LED Emissor?
19.7. Qual a Sensibilidade do LED como Detector?
19.8. Modos de Operação dos LEDs como Fotodetectores
19.9. Circuitos para uso da Fotocorrente, Fototensão e Capacitância da Junção
19.10. Ajuste de Offset para Compensar o Efeito da Temperatura
19.11. Montagem da Placa de Controle
19.12. Ajustes
19.13. LEDs para medidas de Turbidez e Fluorescência
19.14. Circuito de alimentação dos LEDs para medidas de Turbidez e Fluorescência.
19.15. Links
20. Cela de Fluxo para Fotômetro com LEDs
20.1. Cela de Fluxo I
20.2. Cela de Fluxo II
20.3. LED RGB
21. Programa para Controle do Fotômetro com LEDs usando Máquina de Estados
21.1. Máquina de Estados do MultiFotômetro
21.2. Árvore de Comportamento (Behaviour Tree - BT) correspondente ao Diagrama de Estados
21.3. Definição das Classes Photometer, Led, Sample, Measure e Controller.
21.4. Interface Gráfica
21.5. Alguns Links:
22. Programa para Controle do MultiFotômetro com LEDs usando Máquina de Estados Orientada a Objeto
22.1. Diagrama de Estados Hierárquicos para o MultiFotômetro
22.2. Classes Photometer e Led
22.3. Classe controllerStateInstrument
22.4. Interface Gráfica
22.5. Monitoramento e Controle do Multifotômetro
22.6. Desconexão
22.7. Fluxo de Dados
22.8. Alguns links de interesse no desenvolvimento do programa de controle:
23. Avaliação do Multifotômetro
23.1. Medidas com Sulfato de Cobre
23.2. Medidas com Betalaínas do Extrato de Beterraba
23.3. Medidas com Clorofila do Extrato de Espinafre
23.4. Fluorescência
23.5. Algumas referências sobre o uso de LEDs em sistemas de análise:
24. Detecção do Parâmetro Físico-Químico Cor - Fotometria com Webcam
25. Sistema com Bombeamento e Detecção - Irrigador com balança
25.1. Estrutura do Irrigador
25.2. Programação do Arduino
25.3. Programa de Controle do Irrigador
25.4. Máquina de Estados Hierárquicos
25.5. Interface Gráfica
25.6. Classe Controller
25.7. Conexão
25.8. Calibração
25.9. Configuração
25.10. Irrigação
26. Válvula de 3 vias Controlada por Servomotor
26.1. Módulos
26.2. Protótipos Alternativos
26.3. Calibração
26.4. Links Interessantes
27. Válvula de 3 vias Controlada por Servomotor - II
28. Bomba de Seringa Controlada por Servomotor
28.1. Links
29. Sistema Multipropósito para Monitoramento e Controle de Processos em Laboratório - SisProLab
29.1. Módulo SLM para a Bomba de Seringa
29.2. Comando execScript no TSC para a execução de subrotinas (scripts)
29.3. Comando stopExp para interromper o experimento
30. Arduino Multicomando
30.1. Comando setPosition
30.2. Comando help
30.3. Comandos startPump e stopPump para acionamento da bomba de seringa controlada por servomotor
30.4. Comandos startFlowMeter e stopFlowMeter para ativar e desativar um Medidor de Vazão de Gases.
30.5. Links úteis:
31. Sistema com Comutação, Bombeamento e Detecção para a Avaliação da Capacidade de Adsorção de Carvão Ativo
31.1. Carvão Ativo
31.2. Estrutura do Sistema
31.3. Montagem da Estrutura
31.4. Teste de Escoamento I
32. Sistema com Comutação, Bombeamento e Detecção para a Avaliação da Capacidade de Adsorção de Carvão Ativo - II
33. Sistema de Análise em Fluxo I
33.1. Conceito de Análise em Fluxo
34. Medida Instrumental de Oxigênio Dissolvido (OD)
34.1. Sensor Eletroquímico para Oxigênio Dissolvido (OD)
34.2. Sensor Óptico para Oxigênio Dissolvido (OD)
A. Fonte Simétrica
B. Amplificadores Operacionais
B.1. Características e Usos dos AOs
B.1.1. Ponto Comum e Potencial Terra
B.1.2. O Amplificador Operacional 741
B.1.3. Modos de Operação dos Amplificadores Operacionais
B.1.4. Circuitos com Realimentação Negativa
B.1.5. Efeito da Frequência do Sinal de Entrada no Ganho de um AO com Realimentação Negativa
B.1.6. Circuito Seguidor de Voltagem
B.1.7. Circuito Diferencial ou Subtrator
B.1.8. Aplicações do AO em Química Analítica
B.1.9. Alguns links sobre Amplificadores Operacionais
C. Hackeando uma Balança Digital
C.1. Utilizando um Amplificador Diferencial de Instrumentação
D. Eletroquímica
D.1. Ligação entre Química & Eletricidade
D.1.1. Reações de Oxiredução
D.1.2. Eletrodo de Hidrogênio Padrão
D.1.3. Convenção de Sinais para Potenciais de Eletrodos
D.2. Eletrólise
D.2.1. O Efeito da Concentração em Células Eletroquímicas
D.2.2. O Efeito da Corrente em Células Eletroquímicas
D.2.3. O Efeito da Polarização dos Eletrodos
D.2.4. Fatores que Afetam a Velocidade das Reações Eletroquímicas
D.3. Potenciometria
D.3.1. Eletrodo de Referência
D.3.2. Eletrodo Indicador
D.3.3. Medida Potenciométrica
D.4. Condutimetria
D.4.1. Condução Eletrônica X Condução Iônica
D.4.2. Medida de Condutividade em Solução
D.4.3. Alguns links
E. Quimiotrônica - Química & Eletrônica
F. Cloro Livre, Combinado e Ativo (ou Disponível)
F.1. Cálculos para Dosagem de Cloro
G. Solução do Cálculo de Cloraminação
H. Cálculo do potencial da reação de oxidação de Fe+2 pelo HOCl
I. Exemplo de cálculo do ORP de uma solução contendo Cloro
J. Fotometria
J.1. Fundamentos
J.1.1. Natureza Eletromagnética da Luz
J.1.2. Radiação Eletromagnética
J.1.3. Cores
J.1.4. Absorção da Radiação (Fonte: Skoog, 2002)
J.1.5. Absorção de Luz
J.1.6. Lei de Lambert-Beer
J.2. Instrumentos para Espectrofotometria
J.2.1. Espectrofotômetros de Absorção
J.2.2. Fontes de Radiação
J.2.3. Sistema Óptico
J.2.4. Detectores - Transdutores de Radiação
J.2.5. Usando LEDs como Fotodetectores
J.2.6. Configuração dos Espectrofotômetros Convencionais
J.2.7. Cubetas
J.2.8. Celas de Fluxo
K. Série de Sólidos
L. O que é Arduino™?
M. Instalação da IDE do Arduino no Debian 5.0 (Lenny)
N. Instalação da IDE do Arduino no Debian 6.0 (Squeeze)
O. Instalação da IDE do Arduino no Debian 9.0 (Stretch)
O.1. Links
P. Banco de Dados com SQLite
P.1. Sintaxe da SQL no SQLite
P.1.1. Criando uma Tabela
P.1.2. Inserindo Dados
P.1.3. Consultando Dados
P.1.4. A cláusula restritiva WHERE
P.1.5. Ordenando a Saída
P.1.6. Agrupando a Saída
P.1.7. Consultando Dados em Diversas Tabelas
P.1.8. Modificando Dados
P.1.9. Removendo Dados
P.1.10. Transações
P.1.11. Links
P.2. SQLite com Tcl/Tk
P.2.1. Executando uma Consulta
P.2.2. Inserindo, Modificando e Removendo Dados
P.2.3. Consultando a Estrutura do Banco de Dados
P.2.4. Links
Q. Plotchart - Gráficos com Tcl/Tk
Q.1. Exibindo Leituras de um Pluviômetro
R. Quimiometria ou Machine Learning aplicado à Química
R.1. Etapas para a Análise de Dados
R.1.1. Organização dos dados
R.1.2. Visualização dos dados
R.1.3. Pré-tratamento dos dados
S. Modelos Empíricos com Regressão Linear Univariada
S.1. Modelo Univariado usando Python
S.1.1. Cálculo das estimativas dos parâmetros β0 e β1 da equação de regressão
S.1.2. Significância Estatística da Regressão
S.1.3. Intervalos de confiança das estimativas dos parâmetros (β0, β1 ...) da equação de regressão.
S.1.4. Modelo Quadrático
S.1.5. Usando a biblioteca Matplotlib para exibir gráficos.
S.1.6. Usando a biblioteca Pandas para acessar e processar dados
S.1.7. Links
T. Modelos Empíricos com Regressão Linear Multivariada
T.1. Dados Multivariados
T.1.1. Exemplo de um Modelo Hidrológico
U. Calibração Univariada
U.1. Calibração Univariada Clássica
U.1.1. Calibração Univariada Inversa
V. Calibração Multivariada
V.1. Calibração Multivariada Inversa
V.1.1. Calibração Multivariada Inversa com Interseção
W. Análise de Componentes Principais (PCA) & Modelos de Regressão com Componentes Principais (PCR)
W.1. Exemplo de PCA com os dados de um Modelo Hidrológico
W.1.1. Pré-processamento dos Dados Originais
W.1.2. Calculando a matriz de covariância da matriz de dados escalonada X_scaled
W.1.3. Cálculo da matrizes de Loadings (U) e de Scores (T)
W.1.4. Construindo o modelo de regressão PCR
W.1.5. Reduzindo a dimensionalidade do modelo de regressão PCR
W.1.6. Links
W.2. Exemplo de aplicação de PCA e PCR com os dados espectrais UV/Vis
W.2.1. Abrindo os arquivos de dados
W.2.2. Cálculo da matriz de covariância da matriz Y
W.2.3. Cálculo da matriz de Loadings (U)
W.2.4. Cálculo da matriz de Scores (T)
W.2.5. Modelo de Regressão com os Componentes Principais (PCR)
W.2.6. Uso do Modelo para a Estimar as Concentrações dos Componentes da Mistura
W.2.7. Erro das Estimativas de Concentração
W.2.8. Número de Componentes Principais no Modelo de Regressão PCR e a Correlação entre [Pireno]real X [Pireno]estimada
X. Análise de Agrupamentos por Métodos Hierárquicos - HCA
Y. Planejamento de Experimentos
Y.1. Pensamento Multifatorial ou Multivariado
Y.1.1. Montando a Matriz de Planejamento (2n) e a Matriz de Coeficientes de Contraste
Y.1.2. Cálculo do Modelo Estatístico usando Python
Y.1.3. Entendendo o Modelo Estatístico
Y.1.4. Intervalos de Confiança dos Coeficientes dos Efeitos
Z. Redes Neurais (ou Neuronais)
Z.1. Redes Neurais Artificiais
Z.1.1. O perceptron elementar
Z.1.2. Treinamento do Perceptron para o Reconhecimento de Imagem
Z.1.3. Problemas Linearmente Inseparáveis
Z.1.4. Redes Neurais em Camadas
Z.1.5. Função de ativação Linear e Sigmóide
Z.1.6. Treinamento da Rede com o Algoritmo de Retropropagação
Z.2. Uma Rede Neural com Tcl/Tk
Z.2.1. Construindo a Rede
Z.2.2. Inicializando a Rede
Z.2.3. Gravando a Rede
Z.2.4. Lendo o Dataset
Z.2.5. Calculando o Erro
Z.2.6. Exibindo a Rede
Z.2.7. Treinando a Rede
Z.2.8. Gráfico do Erro
Z.2.9. Teste da Rede com o Dataset Iris Flower
Z.2.10. Dividindo o Dataset em Treinamento e Validação
Z.2.11. Links Adicionais
AA. Solução de Gás em Líquido
glossário
Bibliografia

1. Hackeando as Águas

Acredito que o Movimento Hacker com a proposta de Faça Você Mesmo, pode trazer importantes contribuições para os desafios que temos, como sociedade, para garantir que a Água esteja disponível para todos em quantidade e qualidade adequada, assim como garantir a adequada manutenção dos serviços ambientais essenciais.

E nesse sentido o Movimento Hacker estabelece muitas interfaces com outro movimento igualmente muito importante chamado Ciência Cidadã (Citizen Science).

Enquanto a Ciência Cidadã se dedica, dentre outras atividades, ao monitoramento ambiental, o Movimento Hacker desenvolve as ferramentas necessárias para essas atividades.

Um indicador recente que mostra a importância desses movimentos é o relatório Proteção Ambiental Pertence ao Público produzido pelo NACEPT para a EPA sobre o papel da ciência cidadã no monitoramento ambiental.

Os 28 membros do NACEPT (Conselho Consultivo Nacional de Política e Tecnologia Ambiental) é um conselho consultivo da EPA e representam o mundo acadêmico, empresas e indústria, organizações não-governamentais e todos os níveis de governo.

Em 2015, a EPA (Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos) encarregou o NACEPT de elaborar um conjunto de recomendações a respeito das oportunidades de transformação das organizações científicas cidadãs e comunitárias com relação ao meio ambiente.

Neste relatório, a NACEPT elaborou treze recomendações sobre as ações que a EPA deveria tomar com respeito aos desenvolvimentos tecnológicos e sociológicos na área da Ciência Cidadã (Citizen Science).

Este relatório recomenda uma maior integração entre a EPA e as iniciativas de Ciência Cidadã e as iniciativas de desenvolvimento de capacidades que promovam a missão da agência de proteger o ambiente e a saúde humana.

Outro relatório que mostra a interface entre o Movimento Hacker e a Ciência Cidadã é o relatório Low Cost Water Quality Monitoring Needs Assessment (Avaliação de Necessidades de Monitoramento de Baixo Custo da Qualidade da Água).

Dentro desse contexto, o espaço Hackeando as Águas disponibiliza algumas pequenas iniciativas usando Software Livre e Hardware Livre, dentro do conceito Faça Você Mesmo (Do It Yourself - DIY) utilizando sucata, materiais de uso cotidiano, Arduino e Software Livre (Linux, Tcl/Tk etc) mas a serviço (direta ou indiretamente) do tema Água.

Atenção

Este conteúdo é disponibilizado com o objetivo de ser útil, e me empenho para que as informações estejam corretas. Mas não me responsabilizo por quaisquer danos, prejuízos ou incovenientes que o uso dessas informações possa eventualmente causar.

Por favor, envie suas sugestões, contribuições & críticas para o email:

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