AVALIAÇÃO DE MEDIÇÃO DA UMIDADE RELATIVA DO AR PELO MÉTODO DO PONTO DE ORVALHO USANDO MATERIAIS ACESSÍVEIS E SISTEMA DE CONTROLE CONVENCIONAL

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1 GUSTAVO NEVES MARGARIDO AVALIAÇÃO DE MEDIÇÃO DA UMIDADE RELATIVA DO AR PELO MÉTODO DO PONTO DE ORVALHO USANDO MATERIAIS ACESSÍVEIS E SISTEMA DE CONTROLE CONVENCIONAL Disseração apresenada ao Insiuo Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo IFSP como requisio para obenção do íulo de Mesre em Auomação e Conrole de Processos. São Paulo 2014

2 M28a MARGARIDO, Gusavo Neves. Avaliação de medição da umidade relaiva do ar pelo méodo do pono de orvalho usando maeriais acessíveis e sisema de conrole convencional / Gusavo Neves Margarido. São Paulo: [s.n.], f.: il. Orienador: Prof. Dr. Carlos Frajuca. Disseração (Mesrado Profissional em Auomação e Conrole de Processos) - Insiuo Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo, IFSP, Higrômero de espelho resfriado 2. Pono de orvalho 3. Higrômero de referência 4. Medição de umidade II. Insiuo Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. III. Tíulo CDU 681.0

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4 DEDICATÓRIA Dedico esse rabalho à minha família e amigos, pelo incenivo, paciência e apoio. Aos meus pais que sempre incenivaram meus esudos.

5 AGRADECIMENTOS Reservo inicialmene, um especial agradecimeno ao orienador e amigo, Prof. Dr. Carlos Frajuca, professor iular do IFSP, pela paciência e aenção dispensada no raameno das dúvidas que foram surgindo no percurso desa jornada, com seu vaso conhecimeno na área da merologia, além das dicas, conselhos, e pela dedicação e o incenivo à ese rabalho. Agradeço ao coorienador, Prof. Fábio da Silva Boroli, pela aenção dispensada ao rabalho. Um especial agradecimeno ao amigo, Prof. Dr. Júlio Carlos Teixeira, professor iular da UFABC, pela ideia, sugesão e incenivo de rabalhar esse ema, além dos conselhos e pela ajuda proporcionada pelo seu vaso conhecimeno na área da merologia, principalmene no início do rabalho. Agradeço a aenção e as sugesões do Prof. Dr. Ricardo Pires, professor iular do IFSP. Um agradecimeno especial ao Prof. Dr. Francisco Tadeu Degasperi, professor iular da FATECSP, por aceiar fazer pare da comissão julgadora, além da aenção e das valiosas conribuições dadas ao rabalho com seu vaso conhecimeno na área da merologia. Ao IFSP pela promoção do curso de pós-graduação srico sensu em nível de mesrado, especialmene pelo oferecimeno no período nourno, o que possibilia aos pesquisadores poderem conribuir com suas vivências profissionais em rabalhos cieníficos. Aos servidores da secrearia de pós-graduação do IFSP, pela educação, aenção e pelo bom rabalho oferecido aos alunos. Agradeço à direção e aos colegas do IPEM-SP, pela disponibilização de seus laboraórios para a realização dos ensaios, possibiliando assim, a produção de resulados confiáveis para a meodologia esada. Ao INMETRO pela políica nacional de incenivo aos esudos na área de merologia e qualidade, bem como, pela disponibilização de base de dados com um vaso e valioso conhecimeno merológico.

6 RESUMO Ese rabalho apresena o desenvolvimeno de um sisema de medição de umidade relaiva do ar, baseado no fenômeno do pono de orvalho, que é a emperaura na qual a umidade presene no ar começa a enrar no processo de condensação. Uilizando componenes de cusos mais baixos e de fácil aquisição, o sisema visa a promover uma maior adesão à meodologia. Para ano, foi uilizado um sisema ópico que acusa a condensação de água em uma superfície espelhada, que é resfriada aravés de uma placa de Pelier, reconhecendo-se dessa forma, que é aingida a emperaura de pono de orvalho. Após a abordagem da monagem, é realizada uma série de medições e comparações com padrões, para promover uma análise dos erros e das incerezas de medição, relaivos ao méodo e ao insrumeno monado. Os resulados mosram que a meodologia é reproduível e pode ser uilizada para medição da umidade ambienal, proporcionando mais uma opção de higrômero a ser uilizado pelos laboraórios. Palavras-chave: higrômero de espelho resfriado, pono de orvalho, higrômero de referência, medição de umidade.

7 ABSTRACT This paper presens he developmen of a sysem for measuring relaive humidiy, based on he phenomenon of dew poin, which is he emperaure a which moisure in he air begins o ener he condensaion process. Using componens from lower cos and easy o purchase, he sysem aims o promoe greaer adherence o he mehodology. For his purpose, an opical sysem ha accuses he condensaion of waer on a mirror surface, which is cooled by a Pelier cooler, recognizing ha is reached he emperaure of he dew poin. Afer addressing he assembly, is performed a series of measuremens and comparisons wih sandards, o promoe an analysis of errors and measuremen uncerainies concerning he mehod and he assembled insrumen. The resuls show ha he mehod is reproducible and can be used o measure he ambien humidiy, offering a furher opion of hygromeer o be used by he laboraories. Keywords: chilled mirror hygromeer, dew poin, reference hygromeer, humidiy meering.

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Represenação de uma cara psicromérica Figura 2 - Filros de elemenos sensores de higrômeros elerônicos Figura 3 Higrômero mecânico simples usando fio de cabelo Figura 4 Diagrama com relação enre umidade e resisência elérica apresenada por sensor resisivo de umidade Figura 5 - Diagrama com relação enre umidade relaiva e capaciância elérica (sea à esquerda), e ensão de saída (sea à direia), apresenado por sensor capaciivo de umidade.. 34 Figura 6 Psicrômero de parede (ermômero de bulbo seco e bulbo úmido) Figura 7 Diagrama de bandas de valência e condução para maeriais isolanes, semiconduores e conduores Figura 8 - Desenho consruivo e esquemáico de um LED Figura 9 Princípio de funcionameno e desenho esquemáico de um Foodiodo Figura 10 - Composição de uma placa de Pelier Figura 11 Monagem e funcionameno de uma célula de Pelier Figura 12 - Represenação da lei do circuio homogêneo com: circuio homogêneo (A) e circuio não-homogêneo (B) Figura 13 - Represenação da lei dos meais inermediários em ermopares Figura 14 - Represenação da lei das emperauras inermediárias em ermopares Figura 15 - Unidades inernas de um microprocessador Figura 16 - Unidades inernas de um microconrolador Figura 17 - Represenação de funcionameno do circuio PWM Figura 18 - Represenação de fornecimeno da meade da poência Figura 19 - Represenação da variação da poência fornecida pela largura do pulso Figura 20 - Condição do pulso: Ideal e Real Figura 21 - Esquema de monagem dos módulos do disposiivo de medição Figura 22 Placa polida de aço inoxidável usada como sensor do insrumeno Figura 23 Monagem do dissipador de calor na placa de Pelier Figura 24 Monagem do conjuno com cooler para o dissipador de calor Figura 25 - Visa explodida do conjuno principal do disposiivo Figura 26 - Dealhe do insuflador de ar para a placa e circuio de conrole Figura 27 - Esquema do circuio amplificador da placa de Pelier Figura 28 - Caixa de acrílico uilizada nos ensaios Figura 29 - Termômero digial e sensor ermopar da placa Figura 30 - Monagem do conjuno para realização dos ensaios Figura 31 - Insrumenação empregada nos ensaios Figura 32 - Disposição do conjuno e insrumenos na capela de laboraório Figura 33 - Unidade de chaves de comando do sisema Figura 34 - Monagem dos disposiivos de emissão e deecção de luz Figura 35 - Dealhe da placa refleora no esado "normal" de reflexão Figura 36 - Dealhe da placa refleora após condensação em sua superfície Figura 37 - Conjuno emissor-deecor de luz durane embaçameno da placa Figura 38 - Esquema de monagem do disposiivo de medição com capura de imagem Figura 39 - Imagem da placa em condição plena de refleância Figura 40 - Imagem da placa no início da condensação da umidade Figura 41 - Dealhe da câmera refleido pela placa sem resfriameno Figura 42 - Dealhe da câmera refleido pela placa no início de condensação Figura 43 - Possibilidade de medição com uso de compuador inegrado ao processo

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Ensaio com venilação - 1ª faixa Tabela 2 - Incerezas de medição - 1ª faixa (com venilação) Tabela 3 - Ensaio com venilação - 2ª faixa Tabela 4 - Incerezas de medição - 2ª faixa (com venilação) Tabela 5 - Ensaio com venilação - 3ª faixa Tabela 6 - Incerezas de medição - 3ª faixa (com venilação) Tabela 7 - Ensaio com venilação - 4ª faixa Tabela 8 - Incerezas de medição - 4ª faixa (com venilação) Tabela 9 - Ensaio com venilação - 5ª faixa Tabela 10 - Incerezas de medição - 5ª faixa (com venilação) Tabela 11 - Ensaio sem venilação - 1ª faixa Tabela 12 - Incerezas de medição - 1ª faixa (sem venilação) Tabela 13 - Ensaio sem venilação - 2ª faixa Tabela 14 - Incerezas de medição - 2ª faixa (sem venilação) Tabela 15 - Ensaio sem venilação - 3ª faixa Tabela 16 - Incerezas de medição - 3ª faixa (sem venilação) Tabela 17 - Ensaio sem venilação - 4ª faixa Tabela 18 - Incerezas de medição - 4ª faixa (sem venilação) Tabela 19 - Ensaio sem venilação - 5ª faixa Tabela 20 - Incerezas de medição - 5ª faixa (sem venilação) Tabela 21 - Comparação dos valores de erros das duas meodologias

10 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 - Comporameno do foodeecor (ensaio com venilação) Gráfico 2 - Comporameno do foodeecor (ensaio sem venilação) Gráfico 3 - Represenação das medições - 1ª faixa (com venilação) Gráfico 4 - Represenação das medições - 2ª faixa (com venilação) Gráfico 5 - Represenação das medições - 3ª faixa (com venilação) Gráfico 6 - Represenação das medições - 4ª faixa (com venilação) Gráfico 7 - Represenação das medições - 5ª faixa (com venilação) Gráfico 8 - Represenação das medições - 1ª faixa (sem venilação) Gráfico 9 - Represenação das medições - 2ª faixa (sem venilação) Gráfico 10 - Represenação das medições - 3ª faixa (sem venilação) Gráfico 11 - Represenação das medições - 4ª faixa (sem venilação) Gráfico 12 - Represenação das medições - 5ª faixa (sem venilação) Gráfico 13 - Comparação de erros das duas meodologias

11 LISTA DE SIGLAS CPU - Cenral Processing Uni DITER - Divisão de Merologia Térmica (INMETRO) FATECSP - Faculdade de Tecnologia de São Paulo GUM - Guide o he Expression of Uncerainy in Measuremen IFSP - Insiuo Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo INMETRO - Insiuo Nacional de Merologia, Qualidade e Tecnologia IPEM-SP - Insiuo de Pesos e Medidas do Esado de São Paulo ISO - Inernaional Organizaion for Sandardizaion LAHIG - Laboraório de Higromeria (INMETRO) LED - Ligh Emiing Diode NPL - Naional Physical Laboraory PWM - Pulse Widh Modulaion RAM - Random Access Memory REMESP - Rede Merológica do Esado de São Paulo ROM - Ready Only Memory RTD - Resisance Temperaure Deecors SPMET - Sociedade Poruguesa de Merologia TLV - Termômero de líquido em vidro UC - Unidade de Conrole UFABC - Universidade Federal do ABC ULA - Unidade Lógico-Ariméica USB - Universal Serial Bus VIM - Vocabulário Inernacional de Merologia

12 LISTA DE SÍMBOLOS P - pressão - volume n - número de moles R - consane universal dos gases perfeios T - emperaura es - pressão de vapor saurado ea - pressão de vapor aual UR - umidade relaiva u - emperaura de bulbo úmido s - emperaura de bulbo seco A - consane da equação do psicrômero - emperaura q - fluxo de calor V min(off) - ensão mínima no foodeecor com a placa desligada V max(off) - ensão máxima no foodeecor com a placa desligada V leiura - ensão no foodeecor no início do pono de orvalho V off - ensão no foodeecor com a placa desligada T Amb - emperaura do ar do ambiene T placa - emperaura da placa a - emperaura do ar do ambiene p - emperaura da placa U U - inceerza de medição expandida (méodo) u a - incereza relaiva à emperaura do ar do ambiene u p - incereza relaiva à emperaura da placa U H - incerezas envolvidas na leiura dos padrões de umidade c a - coeficienes de sensibilidade de u a c p - coeficienes de sensibilidade de u p

13 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FORMULAÇÃO DO PROBLEMA OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESTRUTURA DO TRABALHO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA UMIDADE: CONCEITOS TERMODINÂMICOS TEMPERATURA DO PONTO DE ORVALHO A MEDIÇÃO DE UMIDADE OS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO TIPOS DE HIGRÔMETROS O HIGRÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO Componenes do higrômero de pono de orvalho OS SEMICONDUTORES Semiconduores emissores e deecores de luz Placas de Pelier SENSORES DE TEMPERATURA SISTEMAS DE CONTROLE Microprocessadores e microconroladores Conrolador PWM MÉTODOS MATERIAIS UTILIZADOS PROCEDIMENTO RESULTADOS E DISCUSSÕES CÁLCULO DOS ERROS E INCERTEZAS ENSAIO COM VENTILAÇÃO ENSAIO SEM VENTILAÇÃO COMPARAÇÃO DOS ERROS ENTRE OS MÉTODOS ANÁLISE DE MEDIÇÃO UTILIZANDO IMAGENS CONCLUSÕES REFERÊNCIAS Apêndice A Cálculo dos coeficienes de sensibilidade Apêndice B Programa usado no microconrolador Anexo A Especificações do microconrolador Anexo B Especificações da placa de pelier

14 14 1. INTRODUÇÃO 1.1 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA O conhecimeno da quanidade de vapor de água presene no ar mosra-se muio imporane no esudo de sisemas de condicionameno de ar para conseguir serem alcançadas as condições de conforo ambienal, uma vez que o conforo érmico não depende apenas da emperaura, mas ambém da quanidade de vapor de água presene no ar. O conrole da umidade ambém em elevada imporância nos ambienes onde esa influencia as aividades exercidas no local. Tais como laboraórios, onde a umidade pode influenciar nos resulados de exames, medidas e ensaios, bem como nos armazéns de grãos e cereais, onde a umidade pode compromeer grandes esoques deses maeriais, exercendo ambém grande influência na conservação de alimenos em geral bem como de ouras mercadorias (cimeno, cal, ec.). A umidade, ainda é um faor imporane para o funcionameno de ceros equipamenos, ais como: circuios elerônicos de ala impedância, componenes sensíveis à elericidade esáica, disposiivos de ala ensão, mecanismos finos, ec. (FRADEN, 2004, p. 393). A necessidade do valor conrolado de umidade pode variar de valores muio baixos, para as chamadas salas limpas, aé valores proposialmene alos enconrados em algumas salas hospialares. Para o conforo humano (e de animais), é necessário o conrole da umidade em ceros paamares. Para FRADEN (2004), a regra de ouro, para um ambiene comum, é garanir uma umidade relaiva próxima a 50% com uma emperaura ambiene enre 20 e 25 C.

15 15 O higrômero é o insrumeno uilizado para a medição da umidade de um gás ou amosfera, e é uilizado especialmene para medir a quanidade de vapor de água na amosfera. Os principais ipos de higrômeros são: o mecânico, o eleroelerônico, o químico e os psicrômeros. Geralmene, os higrômeros apresenam a medição da umidade relaiva: que pode ser enendida como o quociene de vapor de água realmene presene no ar e a máxima massa possível de vapor de água no ar. A umidade relaiva se expressa geralmene como percenagem (%). Há fenômenos que são observados, que podem indicar a umidade presene no ar ou em algum gás, ais como a emperaura de pono de orvalho, que é definida como a emperaura na qual o resfriameno de ar úmido conduz a formação de água de condensação. Iso significa que: quando o ar úmido se resfria aé o pono de condensação, a umidade relaiva sobe a 100%. O méodo que uiliza ese fenômeno para medir a umidade é o chamado: espelho de pono de orvalho. Nese, a emperaura de uma superfície refleora (espelho) se esfria aé o pono onde começa a condensação. A emperaura medida nese pono corresponde à emperaura do pono de orvalho, da qual se pode calcular a umidade. A uilização desse méodo resula em um procedimeno muio preciso para a medição de umidade relaiva. Os medidores de umidade que rabalham com o fenômeno do pono de orvalho, geralmene uilizam aparaos óicos, ais como superfícies espelhadas (ou espelhos), deecores de luminosidade, medidor de emperaura e sisema para conrole de emperaura da superfície espelhada (com elemeno de aquecimeno), além do sisema de resfriameno do espelho (geralmene aravés de compressor). Esse sisema de medição acaba sendo menos uilizado frene aos demais devido ao cuso, mesmo sendo considerado um insrumeno que apresena uma boa exaidão nas medições (LUFFT, s.d.).

16 OBJETIVO GERAL O objeivo dese rabalho é desenvolver um sisema de medição de umidade relaiva do ar, baseado no fenômeno do pono de orvalho, uilizando componenes de baixo cuso, de forma que seja possível ser monado e uilizado em laboraórios, promovendo assim a popularização do mesmo no uso como padrão de umidade. Os usuários desa meodologia poderiam enão, ganhar maior precisão nas medidas de umidade. 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Esudar a uilização de componenes de baixo cuso, para confecção do sisema, e um sisema de conrole para que o sisema seja resfriado com velocidade compaível com a possibilidade de leiura do indicador de emperaura do sisema. Após a monagem, serão realizados ensaios uilizando o modelo esudado. De posse dos valores alcançados nos ensaios, e com as informações de leiura de padrões de umidade (usados para comparação), serão analisadas algumas caracerísicas merológicas do méodo e do insrumeno monado. 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O rabalho foi dividido em cinco capíulos, sendo o primeiro capíulo reservado à inrodução, explorando a moivação e objeivos do rabalho. No segundo capíulo é apresenada uma revisão bibliográfica, explorando a eoria dos diversos ópicos envolvidos no esudo. A meodologia e dealhes da monagem do disposiivo e realização dos ensaios são

17 17 apresenados no capíulo 3. No capíulo 4 são apresenados os resulados obidos em cada ensaio, junamene com as observações consideradas. O capíulo cinco apresena a conclusão do rabalho, com as devidas considerações finais e sugesões para o esudo que foi realizado.

18 18 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA A monagem de um disposiivo para a realização de medições envolve diversas écnicas e considerações. Assim sendo, orna-se fundamenal o conhecimeno da grandeza que se deseja rabalhar. 2.1 UMIDADE: CONCEITOS TERMODINÂMICOS Pode-se definir a umidade como a quanidade de água conida em um líquido, sólido ou gás, que pode ser removida sem alerar as suas propriedades químicas. A umidade pode ser expressa de muias maneiras, muias vezes dependendo do meio a ser uilizado seu conhecimeno (indúsria, laboraórios, agropecuária, meeorologia, ec.). A umidade dos gases pode ser expressa pela massa de vapor de água para um dado volume. O ar amosférico é um gás formado por uma misura de gases. O ar seco é principalmene composo de nirogênio (corresponde à aproximadamene 78% da misura) e oxigênio (que paricipa com 21%, aproximadamene), conendo ouros gases em menor quanidade, como: argônio (corresponde aproximadamene a 0,9%), dióxido de carbono (conribuição aproximada de 0,05%), hidrogênio, hélio, ec. (POTTER; SCOTT, 2007, p. 250). No conceio de gás ideal, um gás pode ser formado pela misura de gases ideais. Pode ser aplicada nesse caso, a equação universal dos gases perfeios para esudar al composição: Pν = nrt onde,

19 19 P - é a pressão do gás ν - é o volume do recipiene R - é a consane universal dos gases perfeios T - é a emperaura do gás n - é o número de moles A pressão oal de uma misura de gases ideais é igual à soma das pressões parciais dos gases ideais componenes dessa misura (TIPLER; MOSCA, 2009, p. 578). A pressão desse gás poderia ser escria como: Poal = P 1 + P 2 + P 3 A expressão descria é conhecida como modelo de Dalon, e em grande imporância na deerminação da umidade do ar amosférico, já que esa é simplesmene vapor de água (água na fase gasosa), que pode ser considerado ambém como um gás, sendo aplicáveis as regras relaivas às pressões parciais. Assim a pressão padrão do ar amosférico (aproximadamene 101,3 kpa), é a soma das pressões parciais do nirogênio, oxigênio, dos vários ouros gases (que esão em quanidades muio menores no ar) e ambém por vapor de água (POTTER; SCOTT, 2007, p. 250). A pressão parcial máxima que pode ser exercida pelo vapor de água é esabelecida pela emperaura do gás, sendo esa pressão conhecida como a pressão de vapor saurado, represenada pelo símbolo es, sendo a pressão de vapor do esado aual de um gás represenada pelo símbolo ea (ambos em Pa). A relação das variáveis é direamene

20 20 proporcional, assim aumenando-se a emperaura inerna do sisema, aumenará o nível energéico das moléculas e resulará em aumeno da evaporação. Quano mais ala a emperaura, mais ala a pressão do vapor de sauração e mais vapor de água o ar consegue coner. Assim, o ar quene em maior capacidade de coner vapor de água do que o ar frio. Pode ser calculada a pressão de vapor saurado (es), uilizando modelos maemáicos empíricos, sendo um dos primeiros, e mais conhecido o modelo de Magnus (1844), para o cálculo da pressão (em Pa), de sauração de vapor de água puro (RIBEIRO; MARTINS, 2007), sendo definido por: es. e. A fórmula é escria em função de, que é a emperaura do ar úmido. Os valores de α, β e λ, são consanes deerminadas de forma experimenal ou por simulação compuacional. Enconramos em A guide o he measuremen of humidiy (NPL, 1996, p. 53), a recomendação de uilização do modelo com as seguines consanes (chamado no documeno de Magnus formula): ln e w 17,62. ln 611,2 243,12 Onde, é a emperaura dada em graus Celsius ( C).

21 21 Nese modelo, o valor de e w corresponde ao valor de es, e é dado em pascals (Pa). Ese mesmo modelo pode ser escrio, seguindo o molde aneriormene exibido, como: es 611,2 17,62 exp 243,12 As consanes uilizadas na fórmula acima são dias consanes do modelo de Sonnag (1990). Oura forma muio enconrada, da mesma fórmula com ouros coeficienes, é o modelo de Teens, que escreve a fórmula da seguine maneira: es 610,8 17,3 exp 237,3 Tano o modelo de Sonnag quano o modelo de Teens, resulam o valor da pressão em pascals (Pa), sendo as fórmulas, funções da emperaura do gás (ar, no caso), dada em grau Celsius ( C). Como já menciona COSTA JÚNIOR (2011): [...]o ar funciona como um reservaório que se expande ou conrai com acréscimo ou decréscimo da emperaura, sendo que a emperaura do ar deermina sua pressão de sauração [...]. O esudo da pressão de vapor, em conjuno com ouros faores como emperaura e velocidade do veno, em grande imporância na deerminação da axa de evaporação da água líquida, sendo ese dado muio imporane nos esudos meeorológicos aplicados em aividades de agronomia.

22 22 Algo que deve ser considerado nos gases, é aplicação inversa do modelo de Dalon, ou seja, a promoção de aleração na pressão oal de um gás promoverá uma aleração nas pressões parciais de odos os gases componenes, e por consequência, o vapor de água. Uma duplicação da pressão oal promoveria a duplicação das pressões parciais de odos os gases componenes. Assim, a pressão de vapor aual (ea) é aumenada, porém a pressão do vapor saurado (es), permanece com mesmo valor, pois é função apenas da emperaura. É observado em anques onde há aumeno de pressão (como em compressores), formação de água condensada, daí a necessidade de drenos nesses equipamenos. Nos líquidos e nos sólidos, a umidade por vezes é expressa como uma porcenagem de água pela massa oal, podendo usar como base o peso úmido (mais comum), mas ambém podendo usar como base seu peso seco. A umidade em líquidos com baixa miscibilidade é normalmene expressa pela água conida, como pares por milhão em peso (FRADEN, 2004, p. 393). Quando a medida da umidade em um gás é referene à massa de vapor de água para um dado volume, em-se o conceio de umidade absolua. A relação fica: Umidade Absolua = Massa do vapor de água Volume do gás Assim a umidade acaba sendo relacionada como uma medida absolua de densidade do componene vapor de água em um gás. Quando se refere à umidade do ambiene, a umidade absolua normalmene é expressa em gramas por mero cúbico de ar (g/m 3 ). Assim, pode ser medida a umidade do ar, fazendo passar uma quanidade dese ar aravés de um absorvene de umidade e descobrir a massa de água pela diferença de valores obidos pela pesagem dese absorvene anes e após o processo de absorção.

23 23 A umidade absolua é um parâmero mais uilizado nos processos de secagem, assim como ambém, é comum o conceio de axa de misura, que pode ser enendido como a relação enre a massa do vapor de água e a massa do gás seco (sendo geralmene expressa em gramas por quilograma de ar seco). Um conceio mais uilizado para o ar amosférico é a umidade relaiva, que é definida como a razão enre a pressão de vapor de água aual do ar para uma emperaura (ea), e a pressão de vapor saurado (es), na mesma emperaura. A umidade relaiva (UR) pode ser definida como: UR ea es 100 % O cálculo da umidade relaiva fica dependene da emperaura do ar, já que o valor do denominador é função dessa variável. Assim em um ambiene com uma umidade relaiva de 50%, para uma cera emperaura, pode ser observada a diminuição dessa umidade relaiva com o aumeno da emperaura. A pressão ambém alera a umidade relaiva em proporção direa, assim a duplicação da pressão do ar promove a duplicação da umidade relaiva, sob emperaura consane. O valor da pressão de vapor aual (ea), pode ser calculado com o auxílio da equação do psicrômero, enconrada em A guide o he measuremen of humidiy (NPL, 1996, p. 53), que é descria como:

24 24 ea es AP u s u Na fórmula, P é a pressão amosférica (em Pa), e A é uma consane psicromérica que depende da condição do psicrômero quano à circulação de ar, sendo: A = 6, C -1 para psicrômeros com venilação forçada A = 8, C -1 para psicrômeros sem venilação forçada Na equação, es( u ) é o valor da pressão de vapor de sauração uilizando a emperaura de bulbo úmido como variável. A emperaura de bulbo úmido ( u ), é a emperaura indicada por um ermômero embrulhado numa bainha de algodão molhado. A emperaura de bulbo seco ( s ) é a emperaura exibida por um ermômero normal e represena a emperaura do ar do ambiene. A umidade relaiva ambém pode ser obida com a uilização de caras psicroméricas (figura 1), com o cruzameno enre as linhas de indicação de emperaura (de bulbo seco e úmido), e as linhas de indicação de umidade relaiva ou umidade absolua. Nesas caras, as linhas vericais represenam a emperaura de bulbo seco, e as linhas inclinadas represenam a emperaura de bulbo úmido.

25 25 Figura 1 - Represenação de uma cara psicromérica Também pode ser calculado o valor da pressão de vapor aual (ea), de água no ar, de forma mais precisa com o cálculo da pressão de vapor saurado da emperaura de pono de orvalho, já que nessa condição, corresponde a mesma pressão de vapor aual para um mesmo valor de umidade do ar (MORAN, SHAPIRO, 2008, p. 458). 2.2 TEMPERATURA DO PONTO DE ORVALHO Conforme abordado aneriormene, o ar amosférico age como um reservaório de água capaz de reê-la na forma de vapor, sendo que essa quanidade dependerá da emperaura do ar: quano maior a emperaura, maior a capacidade de reenção. Havendo a siuação do conínuo resfriameno dessa misura gasosa, chega-se a um esado no qual qualquer redução

26 26 da emperaura, além do pono chegado, fará com que a água conida no ar, em forma de vapor, orne-se líquida durane um processo chamado condensação. A emperaura na qual ocorre esse fenômeno é chamada de "emperaura de sauração", ou "emperaura de pono de orvalho" ( dew poin em inglês), nessa emperaura a fase líquida e de vapor de água apresenam-se em equilíbrio. A formação de orvalho é o fenômeno que ocorre de madrugada nas folhas de planas, com o aparecimeno de pequenas goas de água devido ao esfriameno do ar, sendo que o princípio de formação é o mesmo que ocorre na condensação sobre vidros e formação de nuvens. O fenômeno ocorre quando a pressão de vapor aual do ar (ea) se orna maior do que a pressão de vapor saurado (es), que aumena ou diminui em função da emperaura do ar. A emperaura do pono de orvalho fica mais precisamene definida como: a emperaura na qual a pressão parcial do vapor de água, conido em um gás úmido, esaria em seu máximo, ou em ouras palavras, na condição de vapor de sauração. Se a emperaura do pono de orvalho esiver abaixo de 0 C, enão usa-se o ermo emperaura do pono de congelameno, já que nessas condições o fenômeno promoveria a formação de gelo ao invés de água. A fórmula de cálculo da pressão de sauração do gelo é diferene da fórmula de cálculo da pressão de sauração da água. Quando a umidade relaiva é igual a 100%, significa que a emperaura ambiene é igual à emperaura do pono de orvalho, assim quano menor a emperaura do pono de orvalho comparada à emperaura do gás, mais seco é esse gás. As medições do pono de orvalho são muio comuns nos processos de secagem (ar seco e secagem de ar comprimido), bem como nos esudos de meeorologia, com a previsão de formação de neblinas e geadas.

27 A MEDIÇÃO DE UMIDADE Como foi descrio aneriormene, o conhecimeno e conrole da umidade presene na amosfera em grande imporância na produção, esocagem, e na qualidade de diversos produos, e ainda em influência no funcionameno de diversos equipamenos. Assim a medida precisa do valor de umidade apresena grande imporância. Verificando a eimologia da palavra higromeria, que podemos considerar como a ciência que esuda a umidade dos corpos, observa-se que a palavra é derivada do grego hygros, que significa umidade, e meria, que significa medida (COSTA JÚNIOR, 2011). O insrumeno uilizado para a realização de medição da umidade do ar é chamado de higrômero. Na confecção desse insrumeno, é uilizada alguma subsância com capacidade de absorver a umidade amosférica de forma que ese vapor de água ineragir com o elemeno sensor. De acordo com sua naureza de funcionameno e consrução, o higrômero pode ser do ipo mecânico, químico ou elero-elerônico. Ouro insrumeno uilizado na medição da umidade ambienal é o chamado psicrômero, que é a composição de dois ermômeros: um ermômero de bulbo seco, e um ermômero de bulbo úmido. As condições do ambiene em que esá sendo realizada a medição de umidade podem influenciar nos resulados obidos, assim é desejável que seja escolhido um local de medição que represene bem o ambiene a ser medido, principalmene em que não haja diferenças de emperaura já que, conforme explicado, a emperaura do ar influi nos valores obidos da umidade. Oura recomendação é a de cerificar-se da livre passagem de ar (ou gás) pelo elemeno sensor do insrumeno, de forma que o insrumeno possa realizar uma boa

28 28 amosragem, e caso esse sensor eseja submeido a uma amosfera conaminane, alvez seja ineressane uilizar filros ou ouros disposiivos de proeção (figura 2). Fone: hp:// Figura 2 - Filros de elemenos sensores de higrômeros elerônicos 2.4 OS INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO Os higrômeros, assim como ouros insrumenos uilizados em medições, apresenam caracerísicas próprias que irão fazer pare da chamada idenidade merológica, sendo esa consiuída de variáveis de fundamenal imporância para a orienação da correa forma de uilizar ais insrumenos nos processos de medições, bem como (e principalmene), a inerpreação correa dos resulados proporcionado por eses, e a previsão de possíveis desvios e resulados errôneos. As principais caracerísicas são: o erro, a sensibilidade, a exaidão, a resolução, a hiserese (de medição) e a deriva. Tais caracerísicas são deerminadas ou conhecidas, por um processo denominado de calibração, que é definida pelo Vocabulário Inernacional de Merologia (INMETRO, 2012, p. 27), como:

29 29 Operação que esabelece, sob condições especificadas, numa primeira eapa, uma relação enre os valores e as incerezas de medição fornecidos por padrões e as indicações correspondenes com as incerezas associadas; numa segunda eapa, uiliza esa informação para esabelecer uma relação visando a obenção dum resulado de medição a parir duma indicação. A caracerização merológica faz-se enão necessária para saber-se mais sobre as qualidades e peculiaridades do insrumeno, bem como o ipo de uilização que será indicado, do ambiene em que ele poderá ser uilizado, das condições às quais poderá ser submeido e da frequência em que ele poderá ser uilizado, sendo que algumas dessas caracerísicas serão influenciadas não só pelas caracerísicas merológicas, mas ambém pela forma como o insrumeno é fabricado e dos maeriais uilizados em sua fabricação. Como foi mencionado, o erro é aponado pelo processo de calibração, apresenando grande imporância para o correo uso do insrumeno ou medida maerializada e ambém esando direamene ligado à caracerísica merológica referene à exaidão. O valor do erro é definido pelo Vocabulário Inernacional de Merologia (INMETRO, 2012, p. 21), como: Diferença enre o valor medido duma grandeza e um valor de referência. Assim podemos uilizar a seguine relação: Erro = Valor medido Valor de referência (Padrão) Um faor imporane que esá envolvido na apresenação dos resulados obidos pela calibração é a incereza de medição ( uncerainy measuremen em inglês), que é definida pelo Vocabulário Inernacional de Merologia (INMETRO, 2012, p. 24), como: Parâmero não negaivo que caraceriza a dispersão dos valores aribuídos a um mensurando, com base nas informações uilizadas.

30 30 Para as incerezas envolvidas nos processos de medição e calibração, podemos considerar dois ipos disinos de acordo com a origem da incereza. O VIM (INMETRO, 2012, p. 24), explica da seguine forma: A incereza de medição geralmene engloba muias componenes. Algumas delas podem ser esimadas por uma avaliação do Tipo A da incereza de medição, a parir da disribuição esaísica dos valores provenienes de séries de medições e podem ser caracerizadas por desvios-padrão. As ouras componenes, as quais podem ser esimadas por uma avaliação do Tipo B da incereza de medição, podem ambém ser caracerizadas por desvios-padrão esimados a parir de funções de densidade de probabilidade baseadas na experiência ou em ouras informações. Para o cálculo da incereza de medição do ipo A, que esá relacionada à dispersão dos valores obidos pela realização das medidas, é fundamenal o cálculo da variância dos valores obidos, como é definido no Guia para a expressão de incereza de medição (GUM do inglês guide o he expression of uncerainy in measuremen ), que exibe a fórmula para o cálculo da variância (INMETRO, 2012, p. 10): Sendo a média dos valores obidos nos ensaios, obida pela seguine fórmula (INMETRO, 2012, p. 10): 2012, p. 10): A fórmula a seguir calcula a variância da média, conforme o GUM 2008 (INMETRO,

31 31 A incereza pode ser expressa pela variância média das medidas, da seguine forma (INMETRO, 2012, p. 10): Temos que, para o cálculo da combinação das incerezas (para a incereza oal), deve ser aplicada a seguine fórmula (INMETRO, 2012, p. 19): Já as incerezas do ipo B não são obidas aravés das variâncias das medições, mas sim aravés de avaliação baseada em informações (LIRA, 2009, p. 93), ais como: medições aneriores, experiência ou conhecimeno do comporameno e propriedades dos maeriais e insrumenos, especificações fornecidas pelo fabricane, dados de calibração e cerificados, incereza obida de manuais, ec. 2.5 TIPOS DE HIGRÔMETROS O primeiro higrômero foi consruído em 1820 pelo cienisa inglês John Frederic Daniell ( ), explorando-se o fenômeno de condensação (pono de orvalho), uilizando-se um par de ubos de ensaio com coberura de praa no fundo. Ar forçado a passar pelo fundo de um dos ubos ocasionava o arrefecimeno, e ese a condensação de água nas paredes de praa, quando aingido o pono de orvalho. Os principais higrômeros podem ser do ipo mecânico (ou de absorção), eleroelerônicos, os de condensação (como o exemplo

32 32 acima), os químicos e os psicrômeros. Os higrômeros mecânicos em seu funcionameno baseado na dilaação e conração de alguns maeriais que são sensíveis à variação da umidade. Cabelos e pêlos são alguns bons exemplos deses maeriais, sendo que se enconra a uilização de pêlos de cavalo em alguns insrumenos de medição e conrole de umidade. Nesses ipos de higrômeros, a variação no comprimeno do elemeno será proporcional à variação da umidade no ambiene (figura 3). Os higrômeros de cabelo requerem manuenção regular para eviar o ressecameno e a quebra dos fios, devendo eses serem raados. Fone: hp:// Figura 3 Higrômero mecânico simples usando fio de cabelo. Os sisemas eleroelerônicos de medição de umidade se baseiam em dois ipos principais de sensores: Sensor resisivo: ese é feio com maerial especial que esá apo a absorver umidade, e esa irá alerar a resisividade do elemeno sensor (figura 4). A variação de resisividade será enão lida e relacionada à umidade do ambiene.

33 33 Fone: WILSON - Sensor echnology handbook Figura 4 Diagrama com relação enre umidade e resisência elérica apresenada por sensor resisivo de umidade. Sensor capaciivo: há a variação da capaciância de acordo com a absorção de umidade do maerial dielérico. Consise em dois elerodos planos, enre os quais esá siuado um encapsulado higroscópico sinéico, elericamene isolado. Ese elemeno, agindo como dielérico, pode absorver a água presene no ar. Com o aumeno da umidade do ar a capaciância do condensador, sensível à umidade, ambém aumena (figura 5).

34 34 Fone: FRADEN - Handbook of modern sensors Figura 5 - Diagrama com relação enre umidade relaiva e capaciância elérica (sea à esquerda), e ensão de saída (sea à direia), apresenado por sensor capaciivo de umidade. O sensor capaciivo é o mais comumene usado por apresenar um bom cuso benefício para o uso em insrumenos de medição de umidade, apresenando como desvanagem a necessidade de compensação de emperaura nas medidas. O higrômero de ermômero de bulbo úmido e seco, ambém chamado de psicrômero, é formado por dois ermômeros colocados um ao lado do ouro, sendo que um rabalha com o bulbo de forma seca e o ouro com o bulbo manido molhado pelo envolvimeno de uma mecha de algodão em conao com reservaório de água desilada (figura 6). O princípio de

35 35 funcionameno se baseia no fao de que o ermômero com o reservaório úmido regisrará uma emperaura mais baixa do que o que em o reservaório seco, devido ao resfriameno pela perda de calor pela evaporação da água. A diferença de emperaura verificada possibilia chegar ao valor da umidade relaiva presene no ar, aravés de cálculos ou cruzando os valores lidos nos insrumenos em uma cara psicromérica. Fone: hp://dc151.4shared.com Figura 6 Psicrômero de parede (ermômero de bulbo seco e bulbo úmido). Enre os problemas de uilização dos psicrômeros para a medição de umidade, pode ser desacada a necessidade do consane conrole do nível da água no reservaório do ermômero de bulbo úmido, e a necessidade de que o insrumeno não fique exposo ao sol. Como exemplo de higrômero químico, cia-se o sisema que uiliza um ubo conendo ácido sulfúrico que absorve a água de um volume de ar. Pelo aumeno da massa do ubo deermina-se a massa de vapor de água reida pelo ácido. Esse ipo de higrômero requer que o maerial químico seja rocado consanemene, fora o problema de ser necessário fazer medições de massa do sisema.

36 O HIGRÔMETRO DE PONTO DE ORVALHO Ese higrômero baseia a medição de umidade pelo conhecimeno do pono de orvalho, uilizando para isso, um procedimeno onde se avalia a emperaura de uma superfície onde ocorre o fenômeno de condensação do vapor de água presene na amosfera, sendo que iso ocorre quando sua emperaura abaixa além do pono de orvalho. Ese é o mais eficiene méodo de medição da emperaura do pono de orvalho para o cálculo da umidade absolua ou relaiva (FRADEN, 2004, p. 402). A maioria dos sensores de umidade apresenam alguns problemas de repeibilidade, especialmene de hiserese com um valor ípico de 0,5% a 1 % de umidade relaiva. Nesse conexo, os méodos de medições baseados na higromeria óica apresenam melhores resulados em confiabilidade na medição. Essa maior confiabilidade na precisão acaba sendo a grande jusificaiva para uilização desses méodos óicos apesar de apresenarem um cuso maior do que as ouras meodologias com sensores convencionais (FRADEN, 2004, p. 402). Consegue-se um procedimeno muio preciso de medição de umidade, quando uilizamos uma superfície espelhada, que se esfria aé o pono de orvalho, sendo que esa emperaura é medida por um ermômero digial. Traa-se de um méodo que, a priori, não necessia de calibração, conudo o sisema deve ser capaz de deecar com precisão o momeno exao de início da condensação (GÜTHS, PAULO, 1998, p. 29). Temos que um dos deparamenos do INMETRO, a Divisão de Merologia Térmica (DITER), em um laboraório para a guarda e manuenção dos padrões de referência em umidade do país, uilizando higrômeros de pono de orvalho, como já menciona Brionizio (2005):

37 37 [...] a Divisão de Merologia Térmica do Inmero (Dier) desenvolveu um laboraório para ser uilizado como base para a guarda e manuenção dos padrões de referência em umidade do país. O Laboraório de Higromeria (Lahig) iniciou a presação de serviços de calibração em 1998 endo como padrão de referência um higrômero de pono de orvalho, do ipo espelho resfriado, para a faixa de 75ºC a +20ºC de emperaura de pono de orvalho. A limiação da faixa na emperaura de pono de orvalho de 20ºC causava diversas resrições. Para a calibração de higrômeros, os ponos de umidade relaiva eram geralmene medidos na emperaura de 20ºC. Quano mais se excedia a emperaura de 20ºC, mais se resringia o limie superior da faixa de umidade relaiva. Para acabar com essa limiação, o laboraório adquiriu em 2001 um novo higrômero de pono de orvalho, do ipo espelho resfriado, para ser uilizado como padrão de referência na faixa de 40ºC a +80ºC de pono de orvalho. [...] Quano à quesão da rasreabilidade que os referidos padrões nacionais de umidade proporcionam, em relação aos padrões inernacionais, Brionizio (2005), esclarece: Os higrômeros de referência do laboraório esão rasreados aos padrões de insiuos nacionais de merologia de ouros países. A calibração dos insrumenos foi realizada aravés de geradores de referência. A maioria dos insiuos nacionais de merologia uilizam geradores de umidade como padrões de referência. Tais geradores geralmene baseiam-se no princípio de duas emperauras ou de duas pressões. A ideia básica do higrômero óico é a uilização de uma bomba de calor para regular a emperaura da superfície espelhada. A emperaura é abaixada aé a formação de orvalho (condensação de água na superfície). Se o espelho esiver submeido à emperaura de pono de orvalho, o ar (ou gás), em sua superfície, libera umidade sob a forma de goículas de água. As propriedades reflexivas do espelho sofrem mudanças com a condensação de água, porque essas goículas de água causam dispersão dos raios de luz que incidem no espelho. Isso pode ser deecado por um foodeecor apropriado. Uma placa de Pelier (descria adiane), pode ser usada como bomba de calor. O sisema de deecção óica de condensação pode ser feio com um emissor de luz posicionado a um ângulo de 45 em relação a um espelho, e um deecor de luz simericamene oposo ao emissor, de forma a receber a luz do emissor refleida pelo espelho.

38 38 Acima do pono de orvalho, o espelho esá seco e sua refleividade é o mais ala. Com a redução da emperaura do espelho aravés da bomba de calor, no momeno em que ocorre a condensação da água, a refleividade do espelho cai abrupamene, sendo acusado pelo deecor de luz. Nese insane, é deerminada a emperaura do pono de orvalho. Há alguns problemas associados a ese méodo, sendo que um deles esá relacionado ao cuso do insrumeno, que é relaivamene elevado. Ouro problema é o poencial de conaminação do espelho, além de uma poência relaivamene elevada de consumo pela bomba de calor (FRADEN, 2004, p. 403). Seguindo esa meodologia, endo-se a informação da emperaura do pono de orvalho, que é obida pelo méodo óico descrio, aliada com a informação da pressão baromérica e emperaura do ar (ou gás), pode-se calcular com precisão, a umidade, ou ainda enconrar o seu valor pelo cruzameno de informações em caras psicroméricas, além de ouros parâmeros de umidade, ais como a umidade relaiva (UR), e a pressão de vapor Componenes do higrômero de pono de orvalho O higrômero de pono de orvalho uiliza alguns componenes elerônicos, como: a placa de Pelier, que irá proporcionar o resfriameno da superfície espelhada; o disposiivo de emissão de luz e o disposiivo de deecção de luz, que deverão auar em conjuno, de forma que a luz proporcionada pelo disposiivo emissor seja refleida pela superfície espelhada (que esará sendo resfriada), e deecada pelo disposiivo de deecção. Dessa forma, ese conjuno irá auar como um sensor de condensação da superfície espelhada para a indicação do momeno de leiura do sensor de emperaura da placa.

39 39 Esses componenes se baseiam na ecnologia de maeriais semiconduores, e irão auar no sisema de medição de forma a proporcionar uma medida rápida e confiável. 2.7 OS SEMICONDUTORES Fazendo-se eses de conduividade elérica observa-se que alguns maeriais apresenam-se como melhores ou piores conduores de elericidade. Uma das explicações para al aconecimeno esá baseada nas bandas de energia consideradas para um crisal unidimensional (SWART, s.d). Há ambém a eoria do gás elerônico, a qual explica que, para os meais os elérons esão em movimeno conínuo, numa dada nuvem de elérons, faciliando a conduividade e explicando assim o fao de que geralmene os meais são bons conduores. Para a eoria das bandas de energia, emos que cada banda coném uma quanidade de esados quânicos e a conduividade irá depender da ocupação de elérons nesas bandas. Assim emos que os conduores não êm sua úlima banda oalmene preenchida, ou apresenarem sua úlima banda oalmene preenchida, mas com sobreposição da banda seguine. Os isolanes em sua úlima banda oalmene preenchida, sem sobreposição com a banda seguine, e ainda, uma banda proibida larga que orna improvável a passagem de um eléron para a banda de condução (figura 7). Os maeriais semiconduores são maeriais que podem ser considerados de naureza isolanes, endo como diferença a magniude da banda proibida de energia do seu diagrama de bandas de aé 3 ev, sendo que os maeriais isolanes apresenam valores maiores. Em emperauras um pouco acima de 0 K, emos que em um maerial semiconduor, com largura

40 40 da banda proibida reduzida, alguns elérons da banda de valência adquirem energia érmica da rede e poderão passar para a banda de condução. Nese caso o maerial apresenará um esado, em que, ano a banda de valência como a banda de condução (parcialmene preenchida), podem conduzir correne elérica, diferenemene dos maeriais isolanes. Figura 7 Diagrama de bandas de valência e condução para maeriais isolanes, semiconduores e conduores. O maerial semiconduor inrínseco, ou puro, irá apresenar uma esruura com organização aômica regular em que os áomos são manidos em suas posições por ligações chamadas de ligações covalenes, porém o maerial semiconduor ainda pode ser dopado, que é o processo em que se inroduz um pequeno número de áomos de impureza, ornando o maerial semiconduor do ipo n (com maior carga negaiva e com facilidade de doação de elérons), ou p (maior carga posiiva e com facilidade de receber elérons). O diodo semiconduor é basicamene uma junção pn no qual a correne elérica enconra fore condução em um senido e quase nula no senido inverso Semiconduores emissores e deecores de luz

41 41 Em um diodo com polarização direa, os elérons livres aravessam a junção e combinam-se com as lacunas. À medida que esses elérons caem de um nível mais alo de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. No diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. Os LEDs (figura 8), apresenam como principais caracerísicas: baixa ensão de funcionameno, vida longa e rápida mudança de esado enre ligado e desligado. Os maeriais semiconduores comumene uilizados nesses disposiivos são: arsenieo de gálio, fosfeo de gálio e índio. Fone: SOUZA, PEREIRA - Foodiodos e Fooransisores Figura 8 - Desenho consruivo e esquemáico de um LED. O foodiodo é um disposiivo que convere a luz recebida em uma deerminada quanidade de correne elérica. Quano à consrução, pode ser definido como um diodo de junção consruído de forma especial, de modo a possibiliar a uilização da luz como faor deerminane no conrole da correne elérica, com um disposiivo de junção pn semiconduor cuja região de operação é limiada pela região de polarização reversa e com caracerísica de ser sensível à luz (figura 9). A aplicação de luz à junção resulará em uma ransferência de energia das ondas luminosas incidenes (na forma de fóons) para a esruura aômica, resulando em um aumeno do número de poradores minoriários e um aumeno do nível da correne reversa.

42 42 Fone: hp:// Figura 9 Princípio de funcionameno e desenho esquemáico de um Foodiodo. O fooransisor é uma combinação de do diodo foodeecor, porém associado ao efeio ransisor. Ele pode, ao mesmo empo, deecar a incidência de luz e fornecer um ganho denro de um único componene Placas de Pelier Enconramos hoje pequenos resfriadores (principalmene para auomóveis), de pequenas dimensões, que funcionam por um processo conhecido como efeio Pelier. Os refrigeradores ermoeléricos são bombas de calor de esado sólido usadas para esabilização de emperaura ou para resfriameno, sendo consruídos com disposiivos ermoeléricos baseados no efeio Pelier, que consise na produção de um diferencial de emperaura quando uma correne elérica é aplicada a uma junção formada por dois maeriais diferenes. O físico francês Jean Charles Ahanase Pelier, observou, em meados de 1834, que quando uma correne elérica passa por uma junção de dois meais diferenes um efeio érmico ocorre, fazendo com que o calor seja ransferido de um lado ao ouro da junção agindo como uma bomba de calor (SPANHOLI, FOLMER, 2008). Assim um lado da junção esfria e o ouro lado aquece.

43 43 Os disposiivos de efeio Pelier geralmene usam semiconduores para uma maior densidade de correne, e assim, de poência. São as chamadas pasilhas ermoeléricas composas de junções geralmene feias com o maerial semiconduor feio de elureo de bismuo (Bi2Te3), (ALVES, 2007). Fone: hp:// Figura 10 - Composição de uma placa de Pelier. Uma dos lados é dopado para auar como um maerial do ipo p, e o ouro lado para auar como um maerial do ipo n. Ao se aplicar uma correne elérica conínua no erminal de maerial do ipo n, elérons migram do maerial do ipo p para o maerial do ipo n. Com isso, essas junções irão permiir o fluxo de calor, fazendo com que uma superfície resfria-se, e a oura aquena, sendo esse calor dissipado.

44 44 Fone: hp:// Figura 11 Monagem e funcionameno de uma célula de Pelier. 2.8 SENSORES DE TEMPERATURA A emperaura pode ser considerada uma propriedade física que deermina a relação de equilíbrio érmico enre dois corpos (MORAN; SHAPIRO, 2008, p.10). A emperaura esá direamene relacionada à energia molecular, ou do esado de agiação da maéria como uma medida da energia cinéica de vibração das parículas (FRADEN, 2004, p. 95), assim quano mais fore for o movimeno, maior será a emperaura de cada parícula. A variável emperaura em imporância significaiva no conrole e moniorameno dos processos e dos maeriais. Nesse conexo enra o rabalho dos sensores de emperaura, que em como função deecar mudanças de emperaura em função de uma aleração de um parâmero físico moniorado, ais como a resisência ou a ensão de saída.

45 45 Exisem dois ipos básicos de medição de emperaura que definem os sensores empregados: a medição com conao e sem conao. Os sensores de emperaura para a medição por conao requerem o conao físico direo com o meio ou objeo que esá sendo medido. Eses sensores podem ser usados para moniorar a emperaura de sólidos, líquidos ou gases, e podem apresenar variação elérica ou mecânica em função da variação da emperaura. Denre os disposiivos que medem a emperaura, ambém conhecidos como ermômeros, enre os mais uilizados, que uilizam sensores que se baseiam no efeio mecânico em resposa a uma variação de emperaura, desacam-se rês ipos: 1. Termômeros bimeálicos: como o nome indica, uilizam dois meais diferenes, ligados em conjuno sob calor e pressão para formar uma única ira de maerial. A submissão desse sensor a uma dada emperaura causa variações dimensionais diferenes nos meais devido a eses apresenarem coeficienes de dilaação diferenes. O resulado é a observação de deformações mecânicas do conjuno em função da emperaura, que podem ser lidas com o auxílio de uma escala; 2. Termômeros de líquido em vidro (TLVs): uilizam como sensor um bulbo de vidro com uma subsância líquida que irá expandir ou conrair no curso de um ubo fino de vidro denominado capilar. O bulbo age como uma espécie de reservaório do líquido ermomérico que irá expandir ou conrair em função da emperaura. Geralmene é uilizado como líquido ermomérico o mercúrio, ou ainda subsâncias orgânicas com corane, como o álcool ou a querosene (LIRA, 2009, p. 179);

46 46 3. Termômeros a gás: êm funcionameno baseado na lei dos gases ideais, sendo que para um volume conhecido de gás exposo a uma dada emperaura, apresenará uma pressão desse gás proporcional à emperaura experimenada. Para os sensores eléricos de emperaura, de conao direo, há a divisão em duas caegorias de acordo com o fenômeno: os sensores que apresenam variação da resisência elérica e os que apresenam mudança de valor de diferença de poencial (ou volagem), ambém conhecidos como ermopares. Enre os sensores que em o funcionameno baseado na mudança na resisência elérica, emos os RTDs (Resisance Temperaure Deecors), que consisem de um elemeno sensor feio com uma bobina de fio ou de película conduora de meal encapsulados em cerâmica ou vidro. Os RTDs são sensores quase lineares e apresenam grande precisão e esabilidade na realização das leiuras e do comporameno do sensor com o empo de uso (baixa deriva). Esses sensores são menos uilizados devido a serem mais caros que ouros ipos e à sua fragilidade a choques mecânicos. Geralmene são uilizados por laboraórios, onde são mais adequados. Ouro ipo de sensor baseado na aleração de resisência elérica são os ermisores (hermisors, em inglês). São consruídos com óxidos de meal que são sinerizados em um maerial de base cerâmica (NEWNES, 2005, p. 534). Há dois ipos: O PTC, com coeficiene de emperaura posiivo, ou seja, há o aumeno da resisência com o aumeno da emperaura, e o NTC, com coeficiene de emperaura negaivo, ou seja, há a diminuição da resisência com o aumeno da emperaura. A mudança na resisência dos ermisores é normalmene grande, proporcionando um elevado grau de sensibilidade.

47 47 Os ermopares perencem à classe dos sensores de geração de ensão, e são formados por dois conduores eléricos de meais ou ligas diferenes, unidas na exremidade. Um ermopar é um sensor passivo, pois gera ensão em resposa à emperaura, não necessiando de qualquer fone exerna de exciação (FRADEN, 2004, p. 481), e por sua consrução, podem suporar emperauras muio mais elevadas que os ouros sensores analisados. O princípio de funcionameno é baseado em um fenômeno ermoelérico conhecido efeio Seebeck, descobero por Thomas Seebeck em A diferença de emperaura enre dois ponos de um fio conduor (gradiene de emperaura), resula em uma diferença de poencial elérico enre eses dois ponos do maerial, que é provocada pela diminuição de cargas eléricas em um dos exremos e aumeno no ouro. Para a realização de medidas de emperaura com um ermopar, é necessário a uilização de duas junções: uma delas inserida no meio ao qual deseja-se realizar a medição da emperaura, e a oura junção irá servir como uma referência de emperaura, sendo que esa junção deverá ser medida por ouro sensor de emperaura, como um ermisor, ou RTD, ou ainda, poderá ser inserida em um meio com emperaura conhecida, como o chamado banho de gelo cujo esado da misura água e gelo enconra-se próximo a 0 C. Quando as exremidades são sujeias a diferenes emperauras, uma correne irá fluir nos fios e será proporcional à diferença de emperaura. A Temperaura na junção de medição é deerminada pelo conhecimeno do ipo de ermopar uilizado, os quais apresenam poenciais em milivols em função da emperaura que esá sendo medida, e da emperaura da juna de referência.

48 48 A seguir são lisados os principais ipos de ermopares, com os elemenos que os compõem e algumas recomendações: 1) Tipo T (cobre-consanan): são resisenes à corrosão em amosfera úmida. - Maerial do fio posiivo: cobre. - Maerial do fio negaivo: cobre-níquel. - Faixa de medição: -200 C a 350 C. 2) Tipo J (ferro-consanan): adequados no vácuo e em ambiene oxidane ou reduor. - Maerial do fio posiivo: ferro. - Maerial do fio negaivo: cobre-níquel. - Faixa de medição: -40 C a 750 C. 3) Tipo E (cromel-consanan): são recomendados para uso em amosferas oxidane ou inere. É o que desenvolve maior força eleromoriz por grau dos ipos vulgarmene usados. - Maerial do fio posiivo: níquel-cromo. - Maerial do fio negaivo: cobre-níquel. - Faixa de medição: -200 C a 900 C. 4) Tipo K (cromel-alumel): devido à sua resisência à oxidação é frequenemene usado em emperauras acima de 540 C. - Maerial do fio posiivo: níquel-cromo. - Maerial do fio negaivo: níquel-alumínio-manganês-silício. - Faixa de medição: -200 C a 1200 C.

49 49 5) Tipo R: considerado um ermopar nobre devido aos maeriais uilizados, são recomendados para uso conínuo em amosferas ineres ou oxidane. - Maerial do fio posiivo: plaina (87%) e ródio (13%). - Maerial do fio negaivo: plaina. - Faixa de medição: 0 C a 1600 C. 6) Tipo B: ambém considerado um ermopar nobre, não deve ser uilizado em amosferas reduoras. - Maerial do fio posiivo: plaina (70%) e ródio (30%). - Maerial do fio negaivo: plaina (94%) e ródio (6%). - Faixa de medição: 600 C a 1700 C. Para realizar-se medidas de emperaura com o uso de ermopares, é imporane considerar nas monagens e nas medições, rês leis básicas que ocorrem nos fenômenos ermoeléricos (FRADEN, 2004, p. 482): 1. Lei do Circuio Homogêneo: Esa lei esabelece que um maerial não homogêneo é necessário para a circulação de correne ermoelérica. Se um conduor é homogêneo, independenemene da emperaura submeida e do comprimeno dese, a ensão resulane é igual à zero (figura 12). A junção de dois conduores diferenes é condição necessária para a geração de volagem.

50 50 Fone: FRADEN - Handbook of modern sensors Figura 12 - Represenação da lei do circuio homogêneo com: circuio homogêneo (A) e circuio nãohomogêneo (B) 2. Lei dos Meais Inermediários: A lei esabelece que um maerial adicional C (figura 13) pode ser inserido em qualquer braço do circuio ermoelécrico sem afear a ensão resulane, com a condição de que suas junções esejam submeidas à mesma emperaura. Não há limiação do número de conduores inseridos, desde que ambos os conaos esejam submeidos à mesma emperaura. Dessa forma as junas podem ser formadas por orção, fusão ou solda (com a uilização de ouro meal em vola da junção), sem afear a precisão de medição. Fone: FRADEN - Handbook of modern sensors Figura 13 - Represenação da lei dos meais inermediários em ermopares.

51 51 3. Lei das Temperauras Inermediárias: Se emos duas junções, uma à emperaura T1 e oura a uma emperaura T2, que produzem uma ensão V2 pelo efeio seebeck, e as emperauras T2 e T3, que produzem uma ensão V1, enão as emperauras T1 e T3 produzirão uma ensão equivalene à V3 = V2 + V1 (figura 14). Fone: FRADEN - Handbook of modern sensors Figura 14 - Represenação da lei das emperauras inermediárias em ermopares. A medição de emperaura sem conao é baseada na inerpreação da energia radiane de uma fone de calor na forma de radiação infravermelha. Esa meodologia de medição é uilizada em sólidos não refleores e líquidos, mas não é eficaz com gases devido à sua ransparência. Todos os objeos emiem energia infravermelha desde que a sua emperaura eseja acima do zero absoluo, sendo que há uma correlação direa enre essa energia e sua emperaura (NEWNES, 2005, p. 532), dessa forma, sensores infravermelhos podem ser usados para medir a emperaura. 2.9 SISTEMAS DE CONTROLE O ermo sisema pode ser definido como a combinação de componenes que agem em conjuno para aingir um deerminado objeivo. Os sisemas érmicos são sisemas nos quais esão envolvidos o armazenameno e o fluxo de calor por condução, convecção ou

52 52 radiação (OGATA, 1998, p. 03). Os sisemas funcionam a parir da ineração das chamadas variáveis ou sinais. A variável conrolada, ou de saída é a grandeza conrolada. A variável de conrole é a grandeza modificada pelo conrolador, que mudará o valor da variável conrolada. As variáveis usadas para descrever o comporameno de um sisema érmico são: θ = emperaura [K] q = fluxo de calor [W] A modelagem dos sisemas consise basicamene na ransformação da represenação física em modelos maemáicos descrios por equações diferenciais ordinárias. Para os principais sisemas (mecânicos, eléricos, fluídicos e érmicos), são considerados os seguines fenômenos físicos que relacionam as variáveis: a resisência, a capaciância e a inerância (ou induância). Os sisemas érmicos apresenam apenas a resisência ao fluxo de calor e a capaciância érmica (FELÍCIO, 2010, p. 50). Há maneiras de fazer com que esses sisemas se comporem de maneira previamene deerminada. O conrole é enão, o ramo do conhecimeno que esuda de forma sisemáica, a promoção de comporameno desejado de um deerminado sisema. Basicamene, há dois ipos de sisemas de conrole: sisemas de conrole de malha fechada e sisemas de conrole de malha abera. Os sisemas de conrole em malha fechada, ambém conhecidos como: sisemas de conrole de feedback, funcionam basicamene com a alimenação de um circuio fechado com

53 53 sinal de erro, que é a diferença enre o sinal de enrada e o sinal de sinal de saída (ou uma função desse sinal), de forma a induzir a saída do sisema para um valor adequado para reduzir o erro. Nos sisemas de conrole de malha abera, não há realimenação do sisema com valor de erro, assim ese não influi no comporameno do sisema. Os sisemas de conrole de malha abera são programados para um comporameno do sisema, e geralmene esse programa rabalha em função do empo. Como exemplos de conrole de malha abera, podem ser ciados os sisemas de conrole de ráfego e os conroladores de máquinas de lavar roupas, que rabalham com uma programação em função do empo, sem uma realimenação do sisema em busca de um resulado esperado. A precisão dos sisemas de conrole de malha abera, para alcançar um deerminado resulado, depende de calibrações periódicas. Esses sisemas apresenam um projeo simples de consrução e com baixo cuso, apresenando ainda boa esabilidade e facilidade para a realização de manuenção, dessa forma esse ipo de sisema acaba se ornando araivo para uilização em algumas aividades. A maioria dos sisemas de conrole auais são realizados por circuios elerônicos microprocessados, que seguem uma programação feia para uma finalidade deerminada. Isso foi possível com o surgimeno do microprocessador em 1971, lançado pela Inel Corporaion: o 4004, um microprocessador de 4 bis que inha inernamene o equivalene a ransisores.

54 Microprocessadores e microconroladores O microprocessador é um disposiivo lógico programável que age sob o conrole de um programa armazenado em memória, execuando operações ariméicas e de lógica, além de possibiliar a comunicação com ouros disposiivos (figura 15). Ese disposiivo dispõe das seguines unidades básicas: Unidade Lógico-Ariméica (ULA): É a pare do processameno responsável pela realização das operações lógicas e ariméicas; Unidade de Conrole (UC): Decodifica e execua as insruções, fornecendo ainda sinais de emporização para o processador; Regisradores: Realiza o armazenameno de dados, endereços e insruções de processameno. Figura 15 - Unidades inernas de um microprocessador.

55 55 O programa nada mais é do que o conjuno de insruções organizadas e bem definidas, com o objeivo de informar ao processador qual a arefa ou função, que ele deverá execuar. Os Programas, em geral, são armazenados na memória do sisema. A memória, basicamene, pode ser de dois ipos: a) RAM (Random Access Memory): memória voláil, em que desligando o sisema perdem-se os dados. É considerada uma memória de leiura e de escria; b) ROM (Ready Only Memory): memória não-voláil, em que desligando o sisema não perde-se os dados. Os microconroladores são disposiivos que dispõem, de forma inegrada, de um microprocessador simplificado, um sisema de memória voláil, um sisema de memória nãovoláil (para a gravação da programação a ser execuada), e sisema de recebimeno e envio de dados de ouros disposiivos (figura 16). Os microconroladores, geralmene, são mais araivos para a uilização em aividades de conrole. Figura 16 - Unidades inernas de um microconrolador

56 Conrolador PWM O conrole de poência fornecida a uma carga, conhecido como linear, no qual alera-se a correne aplicada com a variação da resisência de um poenciômero ligado a essa carga, apresena o problema de dissipar uma considerável pare da energia em forma de calor. Logo o sisema de conrole começa a soliciar mais poência que o necessário à fone por dissipar uma pare dessa. Há ouras meodologias que podem ser uilizadas no lugar do conrole linear, como é o caso do PWM, que é a abreviação de Pulse Widh Modulaion (Modulação de Largura de Pulso, em poruguês). Essa ecnologia vem sendo muio usada nas fones chaveadas de alimenação, que são enconradas nos microcompuadores e carregadores de baerias. Com a variação da largura do pulso de correne aplicada a uma carga é conseguida a variação da poência fornecida na mesma proporção. Quando não há pulso, o circuio esá abero e não há correne na carga, nesse caso a poência aplicada é nula. No insane em que o circuio envia um pulso, a carga recebe a ensão oal da fone e a poência aplicada é máxima (figura 17). Geralmene é uilizado como inerrupor algum disposiivo de esado sólido como ransisores e SCRs (BRAGA, 2005, p.160). Fone: hp:// Figura 17 - Represenação de funcionameno do circuio PWM.

57 57 Se houver a siuação, por exemplo, de que um circuio enha a chave de conrole de alimenação da carga, abera em 50% do empo e fechada nos ouros 50%, enão ese circuio, eria em média meade da poência aplicada no empo considerado, que será proporcional à ensão média aplicada à carga (figura 18). Fone: hp:// Figura 18 - Represenação de fornecimeno da meade da poência Com a variação da ensão média aplicada à carga, proporcionada pela variação da frequência dos pulsos, consegue-se o conrole da poência fornecida à carga, variando-se de um pequeno valor percenual aé um valor máximo da poência da fone (figura 19). Fone: hp:// Figura 19 - Represenação da variação da poência fornecida pela largura do pulso Com o circuio abero, não há circulação de correne, e na condição de fechado, o circuio apresenaria resisência nula, assim não haveria queda de ensão, proporcionando em

58 58 ambas as condições que não fosse dissipada poência no conrole. Porém na práica, os disposiivos usados precisam de um empo para mudar de esado, e por isso não são capazes de abrir e fechar o circuio de forma ideal (figura 20). Nese inervalo de ransição, há ensão e a correne no conrole e, porano, poência dissipada em forma de calor, porém muio menores quando em comparação ao méodo de conrole linear. Fone: hp:// Figura 20 - Condição do pulso: Ideal e Real

59 59 3. MÉTODOS Para a realização dos ensaios, usando a meodologia esudada, foram monados os módulos inegranes do disposiivo de medição de umidade (figura 21). Figura 21 - Esquema de monagem dos módulos do disposiivo de medição 3.1 MATERIAIS UTILIZADOS A monagem dos módulos do disposiivo de medição de umidade e realização dos ensaios necessiaram da uilização de alguns componenes, peças, insrumenos, e maeriais. Os principais são: Placa de Pelier de 71 W; LED de luz branca (Ø 5mm);