Sensor J&J para sistema de monitoramento de condutividade de osmose

LANDIM, Jorge de Lima ^[1], LIMA, Jaylton Matos ^[2], LESSA, Avanir Carlos ^[3], QUINTINO, Luís Fernando ^[4]

LANDIM, Jorge de lima. Et al. Sensor J&J para sistema de monitoramento de condutividade de osmose. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 09, Vol. 06, pp. 57-74 Setembro de 2018. ISSN:2448-0959

RESUMO

Este artigo tem por objetivo apresentar protótipo e auxiliar no desenvolvimento de futuros desenvolvimentos de sistemas similares, servindo como base para o seu aperfeiçoamento. O artigo descreveu o sensor de osmose cuja função analisou aspectos de grandezas e propriedades da água, demonstrando resultados significativos para a melhor utilização da água, em razão de diversas aplicações, por exemplo, o de osmose, sendo esta a responsável por analisar a condutividade e temperatura da água, fazendo com que ela seja purificada para ter condições de ser utilizada na próxima etapa do sistema. No decorrer deste artigo desenvolveu-se o sensor J&J de osmose, sendo este detalhado, especificado podendo ser informatizado, de forma que uma pessoa de poucas informações técnicas poderá entender este sistema e com treinamento adequado, executá-lo. Assim, foi elaborado hardware que venha facilitar o seu uso, sendo este inovador e que se mostrou eficaz, de baixo custo e fácil acessibilidade. O protótipo foi ensaiado e testado em laboratório e obteve de forma satisfatória a identificação da água em condições especificada de desmineralização.

Palavras chave: Osmose, Condutividade, Sensor.

INTRODUÇÃO

Um sistema de controle é um conjunto de componentes elétricos, eletrônicos e mecânicos que trabalham para tomar decisões “inteligentes” sobre um processo. Conforme (OLIVEIRA, 2012), grande parte dos controladores utilizam os circuitos eletrônicos complexos (como processadores) para realizar a medição do processo e tomar as devidas ações.

A água este presente em quase tudo, como no ar em que respiramos, no solo, nas plantas e em nossos corpos. Com base nisso, se uma pessoa ingerir certa quantidade de água contaminada, ela ficará doente ou até mesmo poderá vir a óbito em decorrência da água não purificada ou apropriada para o consumo humano. Isto ocorre também com as máquinas que fazem uso de água, seja para produção, refrigeração ou limpeza que irão diminuir sua capacidade de produção, vida útil e até se tornar inútil em determinada função (RHEINNHEIMER, 1998).

Para tanto, as máquinas que dependem de água para produção ou refrigeração tem a necessidade de passar por um sistema de filtração, cujo nome do sistema é osmose reversa, que, nada mais é do que um sistema com um conjunto de filtros previamente desenvolvidos, com o objetivo de retirar as impurezas e minerais que danificam os equipamentos.

Para muitos, será apenas um sistema de filtro, mas dentro do contexto de áreas como química, farmácia, saúde e engenharia, é um sistema mais complexo do que tão somente um filtro caseiro, sendo um sistema de controle que permite evidenciar através de amostras realizadas em laboratórios especializados e/ou, em um equipamento instalado na própria osmose reversa que evidencia se o resultado final (produto) está de acordo com o esperado e especificado.

Este equipamento de controle e analise são desenvolvidos através de uma modelagem matemática que apresenta um resultado (BEGA, 2011).

Os parâmetros mais conhecidos são Ph (Potencial hidrogênico), Temperatura, PPM (Partículas Por Milhão) e Condutividade. Através do Ph da água é possível identificar a viscosidade da água. No caso dos equipamentos existe a preocupação quanto ao PPM, Temperatura e Condutividade e para um melhor entendimento foi abordado o contexto da importância da condutividade da água (FERNANDE, 2013).

A amostragem da água em PPM é uma analise através de uma sonda formada por dois eletrodos separados a um cm² de distancia um do outro, tendo por objetivo analisar a quantidade de partículas existente na distância de um cm².

Esta amostragem é realizada através de uma tensão fixa de entrada, tendo o devido cuidado com o tipo de tensão aplicada, sendo necessários cuidados quanto ao material analisado e à qualidade da água, que contém íons que quando aplicado uma tensão faz com que os íons expandam-se criando assim, resultados.

A temperatura também é um fator que pode interferir nos resultados. O ideal é que esta água quando analisada esteja o mais próximo de uma temperatura de 25ºC.

Para a modelagem, a condutividade da água foi interpretada como o inverso da resistência elétrica, ou seja, a resistência elétrica como o próprio nome a sugere se opõem a passagem da corrente elétrica e quando maior esta resistência menor será esta corrente elétrica que passa por ela. Já a condutividade trata-se da parte contraria a esta resistência, ou seja, é a capacidade que um meio possui de propagar (conduzir) a corrente elétrica na água mineralizada, tratando assim como uma água rica em sais minerais.

Esta condutividade tende a ser elevada obrigando desta forma a instalação de um sistema que vai controlar essa condição. Assim, a fim de diminuir a condutividade da água neste meio foi possível através de modelagem matemática, definindo com precisão e objetividade o resultado. Uma vez especificado o valor do resultado foi possível o desenvolvimento do sistema, que tem por objetivo aferir o resultado deste produto (água desmineralizada).

Tratando do ambiente da química e engenharia, a condutividade elétrica na grande maioria tem sua representação por sólidos na água rica em minerais. Dois sólidos possuem um destaque:

• Os compostos que possuem cargas negativas, tendo na sua camada de valência elétrons livres que são os compostos iônicos, fosfatos, cloretos, sulfatos.
• O outro são os que possuem cargas positivas, com perda de elétrons na camada de valência, que são os compostos catiônicos, cujos exemplos têm-se o sódio, ferro, cálcio, alumínio e amônia (VILLAS, 2013).

Quando se trata da condutividade elétrica de uma determinada amostragem, esta, por sua vez, está sendo feita uma quantificação de uma quantidade grande de compostos reunidos nesta mostra, sendo alguns negativos e outros positivos. Estes compostos em solução permitem a passagem da eletricidade, na água destilada ou deionizada. Esta água que contém apenas H2O, a sua condutividade é próxima de zero uS/cm², ou seja, é de certo modo uma água isolante de valor nulo de condutividade elétrica.

A equação para expressar a condutividade elétrica é:

A sua unidade é o Siemes (S), (BEGA, 2011).

OBJETIVO

O nosso artigo descreve o funcionamento de um sensor de condutividade controlado por um microcontrolador PIC – 18F4520 com uma faixa de trabalho de 0 a 00,55uS/cm¹.Este sistema evidencia através de um display LCD 16×2 o valor obtido no sensor de condutividade, que é transmitido até um amplificador operacional modelo lm741 que tem um ganho ajustado através de um potenciômetro de 100kΩ. Este valor é enviado até o microcontrolador PIC – 18F4520, onde é mostrado no visor LCD 16×2.

O microcontrolador também é responsável pela leitura do sensor de temperatura interna e externa, modelo LM35.Para evidenciar o valor obtido no display LCD foi desenvolvido um sistema IHM com três menus:

• O primeiro, a temperatura interna em graus Celsius (INT).
• O segundo, a temperatura externa em graus Celsius (EXT).
• O terceiro, a condutividade em µS/cm¹ (cond).

O microcontrolador está programado para trabalhar de 0 a 00,55uS/cm¹, no qual permite o funcionamento de uma saída com um rele que faz chaveamento em corrente alternada (AC) e permitindo que uma osmose reversa funcione, produzindo água desmineralizado com fator de pureza de 0 a 00,55uS/cm¹. Caso este valor seja ultrapassado do valor máximo programado, o sistema desliga a saída e assim não permite a contaminação da água já produzida e armazenada em reservatórios apropriados, e desta forma cumprindo com objetivo proposto que foi monitorar e controlar um sistema de osmose reversa evitando falhas por contaminação, caso haja falha dos filtros (MIYADAIRA, 2014).

FUNCIONAMENTO

Osmose reversa são etapas de separação que usa uma pressão para forçar uma solução através de uma membrana que retém o soluto em um lado e permite que o solvente passe para o outro lado. Na figura 01 é possível visualizar uma osmose reversa modelo Water System. O sistema de osmose mais formalmente é forçar a solução de uma região de alta concentração de soluto através de uma membrana para uma região de baixa concentração de soluto, através da aplicação de uma pressão externa que exceda a pressão osmótica (MAJOP, 2011).

Figura 1: Osmose reversa modelo.

Para que todo sistema de osmose reversa funcione de forma correta deve ser colocado um processo de monitorizarão, onde o mesmo indique que a água tratada esteja com valores de solutos corretos e condutividade aplicável. O objetivo é que a conformidade de processos industriais, farmacêuticos e hospitalares que utilize este sistema venha a garantir que este recurso esteja tratando aquela água sem anomalia.

O sensor de condutividade mede a capacidade de conduzir uma corrente elétrica entre dois eletrodos com afastamento de um cm² entre eles. A corrente elétrica flui através do transporte do íon resultando em valor de condutividade (uS/cm²), também conhecida como (mho) e são medidas em micro Siemens, devido a Siemens ser uma unidade muito grande (BEGA, 2011).

Para o sensor de condutividade medindo a condutância, é importante encontrar a condutividade da água em amostra. Para determinar a condutividade, é utilizada a seguinte equação:

Onde, G representa a condutância. Uma ddp (diferença de potencial) é aplicada aos dois eletrodos. A corrente resultante é proporcional à condutividade da água em amostra. Esta corrente é convertida em uma tensão que será lida no microcontrolador Pic 18F4520 e demonstrada através do display LCD 16×2.

A aplicação do sensor de condutividade é encontrar a concentração de sólidos e cálcio total dissolvido.

Para calibrar o sensor está sendo usado um sensor portátil de TDS&EC (hold) modelo B-MAX e aquisidor de dados, Agilent 34972A para temperatura. (SPLABOR; 2012).

PLACA DE CONTROLE

Na figura 2 é possível identificar o analisador portátil que foi utilizado com referência para ajuste do sensor de condutividade e Analisador para temperatura.

As caraterísticas do sensor utilizado TDS&EC modelo B-MAX.

Condutividade; 0 a 9999uS/cm.

TDS; 0 a 9999PPM.

Celsius; 0.1 a 80.0ºC.

Fahrenheit; 32.0 a 176.0ºF.

As caraterísticas do padrão de temperatura utilizado AGILENT modelo 34972ª com termopar tipo T.

Temperatura; -200 a 200ºC

Figura 2: Analisadores TDF&EC.

Para simulação do projeto foi utilizado um display LCD modelo 16×2 interligado a um microcontrolador PIC, modelo 18F4520 com cristal externo de 4MHZ, todos instalados na protobord com tensão máxima aplicada de 5V conforme pode ser visto na figura

Figura 3: Simulação do Protótipo na protobord.

Na figura 4 é possível uma demonstração da leitura do sensor de temperatura em Graus Celsius e leitura do sensor de condutividade vista através do leitor de LCD 16×2.

Figura 4. Visualização do display LCD 16×2.

Na figura 5 é possível visualizar o Layout da placa controle com microcontrolador, PIC – 18F4520, para o funcionamento foi adotado um transformador de 6V/1A, um regulador de tensão 7805 para fornecer a tensão de trabalho do PIC -18F4520 (CAPUANO, 2013).

Figura 5:Descrição de componentes da placa de controle frente e verso.

MATERIAIS E METODOLOGIA

A condutividade é definida como a capacidade de um material em conduzir (ɪ) corrente elétrica, representada pela letra grega σ ou K, pode ser definida como a razão entre a densidade da corrente (j) e campo elétrico (E) temos, , a intensidade da corrente em determinadas soluções é dependente da resistência elétrica que esta associada a esta mesma solução. (RAMALHO, 2009).

Figura 6:Sistema de analise de condutividade com eléctrodos.

Para evitar uma alteração nos valores aferidos foi adotada uma tensão e para a resistência entre os eletrodos aplica-se a lei de ohm (Ω).

R representa a resistência elétrica, ohm (Ω), V representa a tensão elétrica (volt), I representa a corrente elétrica, ampare (A). Na figura 6 é possível identificar o comportamento dos íons em uma solução (RAMALHO, 2009).

Outra dependência da condutividade com relação à medição é referente à área da superfície do eléctrodo e também a distancia um do outro.Para isso é utilizado uma constante geométrica(), que representa uma constante de célula onde pode ser definida a condutividade utilizando a equação:

A constante de célula é o inverso de metro . Assim, a equação que define a condutividade:

Sendo que ρrepresenta a resistividade, pode se definir a resistência através da equação:

Onde representa a distancia entre os eléctrodos, “a” representa a área entre os eléctrodos, sendo, . (RAMALHO, 2009). É muito importante notar que a constante de célula (), uma vez que é utilizada na equação para indicar a resistência e o valor da condutividade.

No protótipo esta sendo utilizado um modelo de eléctrodo concêntrico apresentado na figura 6, que possibilita uma constante, , com valores de 0,01 a 0,1.

Para o desenvolvimento deste protótipo foi realizado pesquisas através de livros e artigos acadêmicos relacionados ao assunto de condutividade (RAMALHO, 2009).

Foi utilizado o micro controlador- pic18F4520 com clock de 4MHZ externo uma vez que entendido que melhor se adequada quanto ao experimento em questão também foi utilizado o Amplificador operacional LM741c nisso. Uma vez que a tensão aplicada ao eletrodo precisa ser convertida para um valor eficaz que posso ser ajustado através do potenciômetro de 10KΩ para ajuste de sinal, foi necessário converter a tensão aplicada em valor eficaz. Para leitura de temperatura foi utilizado o LM35 onde foi interligado com pic18F4520 e ajustado através da programação como fator de correção de 1023bits, correspondente a tensão máxima de trabalho do circuito 5 V. Alista de componentes estão na tabela 1.

Tabela 1- Lista de componentes

Fonte: AUTORES, 2018.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Durante o desenvolvimento do protótipo foi encontrado grande dificuldade em encontrar material adequado, que permitisse uma modelagem matemática referenciando a condutividade da água em termos de controle por um sensor. Após encontrar o material adequado foi encontrada outra dificuldade referenciada aos valores obtidos que não eram coerentes com valor lido pelo padrão. Como solução foi adotada o modelo de amplificador lm358 e iniciado um controlador por janela a qual não foi obtido sucesso visto que,o valor de condutividade era muito baixo e não permitindo um ajuste preciso no valor máximo obtido.Após algumas pesquisas foi levado em consideração que o próprio microcontrolador Pic 18F4520 permite este ajuste de controle máximo, uma vez programado a variável de conversão.Assim,foi possível um ajuste de ganho que permitiu um ajuste de valor por comparação com padrão adotado.Utilizando um Amplificador Operacional modelo, LM741, que pode ser visto seu diagrama esquemático na figura 7 e para evidenciar os valores de leitura,foi adotado o display LCD modelo 16×2,que na primeira linha é referenciado o parâmetro em analise e na segunda linha inferior é identificado o valor de leitura, este sistema IHM possui três menus a qual pode ser variado através de dois botões um avança e outro retorna.

Figura 7:Placa de sensor de condutividade.

Após a programação foi realizado testes de leitura em alguns pontos de coleta. Ambos foram satisfatórios para o objetivo proposto que era controlar e monitorar um sistema de osmose reversa através de um sensor de condutividade da água.

Na figura 8 é possível verificar o diagrama esquemático do protótipo com os devidos componentes.

Figura 8:Diagrama esquemático.

Para evidenciar os resultados foi realizado teste para atestar o funcionamento do sensor de condutividade. Os valores visualizados no display LCD foram anotados na Tabela 2 e desenvolvido um gráfico com as informações na figura 9.

Tabela 2 – Dados do teste de Condutividade do Sensor.

Fonte: AUTORES, 2018.

Durante o teste de condutividade o sensor demonstrou pouca variação dentro do valor máximo de controle 55µS. Os valores foram anotados com intervalos de 1 minutos no período de 9 minutos.

Figura 9: Gráfico do teste com sensor de condutividade.

Na figura 10 foi possível visualizar os valores de temperatura dos sensores Lm35 interno, externo e sensor padrão utilizado (termopar tipo T).

Figura 10: Gráfico do teste com sensores de temperatura.

Após um tempo determinado de uso é necessário realizar a troca dos filtros da osmose reversa. Este tempo é estabelecido através de estudos de resultados obtidos nesta troca sendo o primeiro o visual quanto às condições deste filtro e outro meio é através de analise de valores de condutividade da água. Na figura 11, apresenta um filtro de carvão ativado e um filtro de 5µ.Na hora da troca após um mês de uso e uma comparação com um filtro 5µs em uso.Isso justifica a importância do sensor de condutividade para o controle de água desmineralizada, uma vez que esta contaminação estivesse chegada ao reservatório de água desmineralizada teria contaminado a linha, impregnado a tubulação danificando a maquina e produto final.

Figura 11: A – Filtro de carvão, B – Filtro 5µ, C – comparativo do filtro antes e depois da troca. Fonte: AUTORES, 2018.

Para o controle da osmose foi instalado um cabo com uma tomada de 10A que tem a alimentação de tensão interrompida quando o sistema detecta uma condutividade superior ao programado que é 00,55µS. Conforme a figura 8, para alimentar esta tomada o sistema aguarda 10 segundos para iniciar seu funcionamento a fim de evitar que ocorra uma oscilação do tipo liga desliga seguidamente, ou seja, o sistema aguarda 10 segundos toda vez que é interrompido a alimentação da base do transistor BC 547. Opino RB7 do microcontrolador PIC – 18F4520 é o responsável por este chaveamento. O sistema também possui um fusível de proteção na entrada. Na figura 12 é possível visualizar o protótipo acabado com o sensor de Condutividade e Temperatura Interna.

Figura 12: A – Parte interna do protótipo, B – Parte externa do protótipo.

CONCLUSÃO

O sistema de monitoramento para osmose demonstra de forma metodológica a criação de um sistema confiável conforme estudo e aplicação do conteúdo. O protótipo foi aplicado para leituras de grandezas citadas em artigo. De maneira apresenta dano contexto, o protótipo assegura aos objetivos propostos. Entretanto, melhorias podem deixar o dispositivo com mais informações quanto a água a ser desmineralizada, a quantidade de produtos a ser utilizado, a previsão de troca dos filtros, comunicação entre a IHM e sistemas supervisórios.

Este produto pelo qual está sendo demonstrado evidencia claramente como qualquer sistema pode ser melhorado, o sensor J&J tem capacidade técnica e especifica para agradar tanto o comprador como o utilizador. Seu valor em mercado está totalmente dentro dos padrões de venda conforme tabela de componente de fácil aquisição, demonstrado sua utilização simples conforme visto em seu funcionamento.

Para o processo pelo qual o protótipo foi adequado é uma nova estratégia de modelo onde tudo ficará visível para o utilizador desde o que está acontecendo no sistema conforme normas e até seu desligamento para possíveis erros de procedimentos com indicadores. Pela sua modelagem é capaz de ser instalada em lugares de fácil acesso e sua leitura visível agradará quem utilizar o sensor J&J. Em virtude do que foi comentado, leva-se a questão de que nosso protótipo pode ser utilizado para diversas estruturas, onde o mesmo foi testado em fluxos altos sem haver variações, mas para principio de atividade o mesmo resultou em valores excelentes com fluxos baixos.

Pela observação dos aspectos analisados graficamente, entende-seque a resposta do sensor de condutividade apresentado é muito apropriada, devido sua baixa variação e de forma confiável de sua utilização, visto que também a analise de temperatura, comparada com um padrão onde o sensor registrou variações mínimas em comparação a outros equipamentos.

Conclui-seque os resultados foram significativos e eficazes. Desta forma o sensor J&J pode ser utilizado de maneira confiável.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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<https://www.agsolve.com.br/noticias/como-e-porque-medir-a-condutividade-eletrica-ce-com-sondas-muiltiparametros>. acesso: 13 de Abril de 2018.

ZANCO, Wagner da Silva. Microcontroladores PIC18 com Linguagem C.1ª edição São Paulo: Editora, Erica, 2010

Anexo I

Figura 13:Diagrama esquemático.

^[1] Possui formação técnica em eletrônica, 2010, Graduando em Engenharia Eletrônica pela Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, possui curso de Ofensiva de liderança fase I e fase II pela VOLVO do Brasil onde começou como técnico de Geometria, promovido a Almoxarife A e chefe de almoxarifado, possui conhecimento e pratica em validação e qualificação térmica na área, Hospitalar, Indústria farmacêutica e Alimentícia, atualmente trabalha com engenharia clinica pela empresa Formedical

^[2] Graduando em Engenharia Eletrônica pela faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, possui curso técnico em equipamentos médicos, técnicos em eletrônica, Reside no Estado de atualmente trabalha com engenharia clinica

^[3] Professor Mestre Orientador, dos cursos de Graduação em Engenharia Eletrônica e Automação Industrial na Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP, Possui graduação em ENGENHARIA ELÉTRICA pela Universidade Federal de Juiz de Fora (1977). Mestrado em ENGENHARIA ELÉTRICA pela Universidade Federal do ABC.

^[4] Coordenador dos cursos de Graduação em Engenharia Eletrônica e Automação Industrial na Faculdade Carlos Drummond de Andrade – Tatuapé – SP