Medidor de umidade relativa (ART352)

Processos industriais, câmaras de secagem, câmaras ou silos de armazenamento de alimentos exigem um controle rígido da umidade relativa do ar. Os meios eletrônicos existentes para a medida da umidade relativa exigem o emprego de sensores especiais como os do tipo capacitivo. Neste artigo, descrevemos o princípio de funcionamento de um sensor e damos o circuito prático de um medidor de umidade relativa do ar.

A água pode coexistir em nosso ambiente natural em três estados: sólido, líquido e gasoso. No estado gasoso, as moléculas de água se espalham pela atmosfera, dotando-lhe portanto de um certo grau de umidade.

No entanto, existe um limite para a "quantidade" de água em estado gasoso que pode existir em determinado volume de ar na atmosfera e que depende de sua temperatura.

Assim, quando este limite é atingido (ponto de orvalho), o excedente condensa-se, voltando ao estado líquido (ou sólido, se a temperatura for muito baixa, ocorrendo uma "sublimação").

Entre zero e o máximo de água em estado gasoso que um certo volume de ar admite de água em estado gasoso podemos ter qualquer valor que se denomina "umidade relativa".

Uma escala em porcentagem é então adotada (0 a 100) permitindo assim, em função da temperatura e da pressão estabelecer exatamente a quantidade de água em suspensão (estado gasoso) que existe num determinado volume de ar.

Existe um limite (função da temperatura) para água que pode permanecer m estado gasoso num certo volume de ar.

Para os meteorologistas, a umidade relativa do ar é um fator de grande importância na obtenção de previsões de tempo; para a industria, o grau de umidade de determinados ambientes deve ser mantido sob rigoroso controle.

Através da eletrônica é possível ter a medida e o controle da umidade relativa e com esta finalidade existem sensores especiais que veremos neste artigo.

A MEDIDA DA UMIDADE RELATIVA DO AR

O processo mais simples de se ter uma indicação da umidade relativa do ar é utilizando-se dispositivos que se baseiam na variação de dimensões que certas substâncias apresentam quando absorvem umidade.

Um dos tipos de medidor de umidade relativa mais simples, denominado também higrômetro, é o "higrômetro de cabelo" representado de forma simplificada na figura 2.

Um higrômetro de cabelo.

O que ocorre é que os fios de cabelo humano e mesmo as crinas de cavalo, podem alterar seu comprimento de mais de 10% quando a umidade relativa do ar varia de 0 a 100%. Assim, basta acoplar um fio de cabelo a uma agulha indicadora para que a posição da agulha numa escala passe a depender de maneira algo precisa da umidade relativa do ar, a qual é absorvida pelo fio.

Evidentemente, para sistemas modernos que envolvem computadores, circuitos digitais, contar com fios de cabelo ou crinas de cavalo pode não ser muito "técnico".

A eletrônica, entretanto pode fornecer um sensor alternativo para esta finalidade.

SENSORES CAPACITIVOS DE UMIDADE

O tipo mais usado para medida de umidade relativa em higrômetros de uso doméstico, comercial ou industrial é o capacitivo, cujo aspecto é mostrado na figura 3.

O sensor de umidade 2322 691 90001 da Philips Components.

Este sensor (este sensor é bastante difícil de encontrar no nosso mercado. Não pense em utilizá-lo antes de conseguir achá-lo) é formado por uma folha de material não condutivo coberta nas duas faces por uma finíssima camada de ouro (condutor), numa estrutura que corresponde justamente a um capacitor plano.

A construção desse capacitor entretanto é tal que a umidade do ar pode penetrar com facilidade no material dielétrico, alterando sua capacitância. Com a penetração da umidade a capacitância aumenta.

Para um sensor típico, a capacitância se altera de aproximadamente 112 pF para uma umidade relativa de 10% para 144 pF para uma umidade relativa de 90% (que é a faixa de utilização do sensor).

Para dar acesso à umidade ao dielétrico, o conjunto é montado num invólucro dotado de pequenos orifícios.

O SENSOR DE UMIDADE DA PHILIPS COMPONENTS

Com um número de catálogo bastante complicado para se usar numa loja, o sensor 2322 691 90001 da Philips Components possui características que permitem sua utilização em higrômetros de boa precisão. Algumas publicações técnicas tratam este sensor como um "umidistor" mas não achamos que este seja um nome conveniente.

As principais características deste sensor são:

* Faixa de umidades medidas: 10% a 90%

* Capacitância a 25 graus centígrados com 43% de umidade relativa numa frequência de 100 kHz: 122 pF (+/-15%)

* Sensibilidade entre 12 e 75% de umidade relativa: 0,4 pF /%.

* Faixa de frequências de operação: 1 kHz a 1 MHz

* Tensão máxima AC ou DC: 15 V

* Faixa de umidade para armazenamento: 0 a 100%

* Faixa de temperaturas de operação: 0 a 85 graus centígrados

APLICAÇÃO PRÁTICA

Na figura 4 temos uma aplicação típica em blocos para este tipo de sensor.

A capacitância aumenta com a umidade, diminuindo a freqüência do oscilador.

O que se faz é elaborar um oscilador cuja frequência dependa da capacitância do sensor. Assim, basta converter frequência em umidade relativa por meio de um circuito apropriado e ter-se a indicação desejada.

Uma aplicação mais sofisticada, no entanto, e que permite obter maior precisão para as indicações é a mostrada nos blocos da figura 5.

Blocos da montagem descrita.

Nesta aplicação, o sensor capacitivo de umidade controla a frequência de um oscilador cujo sinal serve ao mesmo tempo de primeira referência e também é aplicado a um monoestável. O oscilador é elaborado em torno de duas portas de um circuito integrado CMOS 4001 (pinos 1,2,3,4,5 e 6 no diagrama).

A constante de tempo do monoestável é calculada em função da faixa de frequências que o oscilador gera na faixa de umidades que deve ser medida.

Assim, os sinais gerados pelo oscilador e pelo monoestável quando comparados por 4 portas de um circuito integrado 4093B resultam em pulsos cuja largura é proporcional a capacitância do sensor, mas dentro de uma faixa de valores estreita.

Esta faixa é justamente ajustada em P1 de modo a corresponde à faixa de umidades relativa que se deseja medir.

Assim, podemos ajustar as frequências e constantes de tempo de tal forma que a largura do pulso varie entre 0 e o máximo justamente entre 0 e 100% de umidade relativa, mesmo que isso signifique que o sensor varie de capacitância entre 110 e 140 pF tipicamente.

Para ter a indicação analógica ou digital basta então integrar o pulso e aplicá-lo ao indicador apropriado.

Na figura 6 temos então um circuito prático de aplicação que se baseia em integrados da família CMOS.

Medidor de umidade relativa

Nas saídas das portas do 4093B obtemos então pulsos retangulares cuja largura depende do grau de umidade relativa, ou seja, da capacitância apresentada pelo sensor.

Para obter uma tensão proporcional à umidade temos um circuito integrador dotado também de um sistema linearizador de resposta de modo a se obter melhor precisão.

Neste circuito a tensão de saída variará entre 80 mV e 1 V na faixa de variações de umidade relativa com que trabalha o sensor.

É importante observar que a precisão na indicação também esta condicionada à tensão de alimentação. O circuito pode ser alimentado com tensões na faixa de 9 a 12V (levando em conta o circuito linearizador) ou ainda com tensões menores, se o circuito linearizador for modificado ou simplificado.

A indicação digital pode ser feita a partir de um conversor A/D do tipo 7106 da Intersil ou equivalente, já que as tensões de saída estão bem dentro de sua faixa de operação.

Desta forma, pode-se obter, conforme mostra a figura 7, um bom indicador de umidade relativa de 3 dígitos e meio.

Usando conversores A/D para uma indicação digital com 3 1/2 dígitos (000,0 a 99,9%)

MONTAGEM

O circuito proposto pode ser usado experimentalmente ou como base de um indicador doméstico ou de uso mais restrito, mas nada impede que sua montagem numa placa de circuito impresso seja feita com esta finalidade.

Na figura 8 temos a sugestão de placa de circuito impresso para o higrômetro experimental que pode usar na saída um voltímetro de 0-1V com uma sensibilidade de pelo menos 10k ?/volt.

Sugestão da placa de circuito impresso do medidor.

O circuito integrado deve ser montado em soquete e o sensor deve ficar exposto à umidade ambiente, de preferência do lado externo da caixa ou diante de uma abertura na mesma.

Os resistores são todos de 1/8W com 5% ou mais de tolerância e os capacitores cerâmicos ou de poliéster, conforme valor e disponibilidade.

O ajuste de frequência e do tempo do monoestável é feito por trimpots comuns.

Como a corrente drenada é muito baixa, a unidade por ser alimentada por bateria.

AJUSTE E USO

Ligue a unidade e coloque o sensor numa caixa com sílica-gel de modo a garantir um mínimo de umidade relativa. Se tiver um higrômetro comum de cabelo (do tipo encontrado em pequenas estações meteorológicas domésticas, ele pode ser usado como referência - figura 8).

"Estação" metereológica domestica que inclui um higrômetro.

Faça o ajuste para indicação de mínima tensão de saída e depois, coloque o sensor num local saturado de umidade (a mesma caixa com um pires contendo água aquecida de modo a evaporar e saturar a atmosfera de prova).

Ajuste o circuito para indicação de máximo.

Como os ajustes são interdependentes, eles devem ser feitos várias vezes até se obter o comportamento desejado.

Entre cada ajuste deve ser esperado tempo suficiente para que o sensor tenha sua umidade equilibrada com a do meio ambiente.

Para usar posicione convenientemente o sensor, evitando que ele receba vapores de acetona ou cloro que podem danificá-lo.