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 192. 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.
O circuito é composto basicamente de 4 módulos com funções específicas conforme ilustrado na figura seguinte.
Especificação dos componentes:
Tabela 15. Tabela dos componentes
| Código | Nome | Valor | Especificação |
|---|---|---|---|
| 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 resistência real entre 990Ω e 1010Ω.
O circuito oscilador gera ondas triangulares conforme a figura seguinte.
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:
Considerando
E a amplitude da onda triangular é calculada pela equação:
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[11]) conforme a figura seguinte.
Figura 196. Tela do osciloscópio (EM125) indicando o perfil do sinal de saída do AO2 do circuito oscilador.
O módulo amplificador é formado por um circuito amplificador inversor para medida de condutância conforme a figura 197
Neste caso Rx representa a resistência da cela de condutividade e o seu valor pode ser obtido pela relação:
Figura 198. Rearranjo da equação do circuito amplificador inversor para o cálculo de Gx (Condutância) a partir de Vo.
A resistência Rf é representada por R4 ou R5 podendo ser selecionada pela chave S1, o que permite selecionar diferentes níveis de amplificação para diferentes faixas de condutividade.