Sensor de salinidade indutivo

Maria João Neves de Alvim Barroso Sensor de Salinidade Indutivo Sensor de Salinidade Indutivo Uminho | 2023 Maria João Neves de Alvim Barroso Julho de 2023 ii Maria João Neves de Alvim Barroso Sensor de Salinidade Indutivo Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Instrumentação e Microssistemas Eletrónicos [IME] Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Luís Miguel Valente Gonçalves Julho de 2023 ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercialSemDerivações CC BY-NC-ND h tt p s : // c rea t i v e c o mm on s . or g / li c en s e s / b y - n c - nd / 4 . 0 / Universidade do Minho, 30 de Julho de 2023 Maria João Neves de Alvim Barroso iii AGRADECIMENTOS Esta dissertação de Mestrado foi desenvolvida de forma individual, entretanto, não posso deixar de expressar minha profunda gratidão pelo apoio e presença de várias pessoas ao longo desta jornada. Desejo expressar meu sincero reconhecimento ao meu orientador e coordenador do projeto, Luís Miguel Gonçalves, pelo aconselhamento, orientação e pelas condições proporcionadas durante todo o processo. Aos meus colegas de laboratório, gostaria de agradecer pelo companheirismo, apoio e colaboração constante. Em particular, agradeço imensamente a João Rocha, Carlos Faria e Maria Camila Penso pela generosidade e pelo suporte que forneceram. Às oficinas do departamento de eletrónica, especialmente a Carlos Torres e Paulo Silva, quero expressar minha gratidão pela partilha de conhecimento e pelo acesso ao material que foram essenciais para o desenvolvimento deste trabalho. Gostaria de dedicar um agradecimento especial aos meus pais, irmãos e namorado, pela paciência, apoio e compreensão inestimáveis ao longo de todo este percurso. A todas as outras pessoas que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste trabalho, meu sincero agradecimento. Por fim, desejo expressar minha profunda gratidão a todos os mencionados e a todos aqueles que estiveram presentes e ofereceram seu apoio ao longo desta jornada. Meu mais sincero obrigado a todos. Este trabalho foi financiado pelo Programa Operacional Regional do Norte (NORTE2020), Projeto Atlantida, NORTE-01-0145-FEDER-000040 e por fundos nacionais da FCT, projeto PlastiSensor, PTDC/EAM-OCE/6797/2020. iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Universidade do Minho, 30 de julho de 2023 Maria João Neves de Alvim Barroso v Sensor de Salinidade Indutivo RESUMO A salinidade é definida como o peso em gramas de sais dissolvidos num quilograma de água do mar. A medição da salinidade é importante em oceanografia na medida em que tem efeito sobre a vida marinha e a qualidade da água. Condutividade e salinidade anormais são indicativas de poluição, independentemente de fontes antropogénicas ou naturais. As espécies aquáticas adaptam-se a níveis específicos de salinidade. Se este nível for alterado, pode resultar na morte dessas espécies devido às alterações nas concentrações de oxigénio (maior salinidade, menor concentração de oxigénio dissolvido). Por essa razão, algumas espécies adaptaram-se a viver em estuários, onde a salinidade está constantemente a mudar. A determinação da salinidade é geralmente feita de forma indireta, medindo a condutividade elétrica, que depende da salinidade e da temperatura. Ao longo desta dissertação é demonstrado o desenvolvimento de um sensor de salinidade indutivo de baixo custo e baixo consumo a integrar numa rede de sensores para medição da coluna de água desde estuários até aplicações em oceanos profundos. Palavras-Chave: Baixo consumo, Condutividade, Salinidade, Sensor Indutivo vi Inductive Salinity Sensor ABSTRACT Salinity is defined as the weight in grams of dissolved salts in one kilogram of seawater. Salinity measurement is important in oceanography as it influences marine life and water quality. Abnormal conductivity and salinity are indicative of pollution, regardless of anthropogenic or natural sources. Aquatic species are adapted to specific levels of salinity. If this level is altered, it can result in the death of these species due to changes in oxygen concentrations (higher salinity, lower dissolved oxygen concentration). For this reason, some species have adapted to live in estuaries, where salinity is constantly changing. The determination of salinity is usually done indirectly by measuring electrical conductivity, which depends on salinity and temperature. Throughout this dissertation the development of a low-cost and low-power inductive salinity sensor to be integrated in a sensor network for water column measurement from estuaries to deep ocean applications is demonstrated. Keywords: Conductivity, Inductive Sensor, Low-Power, Salinity vii ÍNDICE Agradecimentos ....................................................................................................................... iii Resumo .................................................................................................................................... v Abstract ................................................................................................................................... vi Índice de Figuras ....................................................................................................................... x Índice de Tabelas .................................................................................................................... xiv Índice de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos .............................................................................. xv 1 Introdução ...................................................................................................................... 1 1.1 Enquadramento e Motivação ........................................................................................... 1 1.2 Objetivos ........................................................................................................................ 4 1.3 Organização do Documento ............................................................................................ 4 2 Fundamentos teóricos e revisão da literatura ................................................................... 7 2.1 Métodos de medição de salinidade ................................................................................. 7 2.1.1 Titulação de Cloro ................................................................................................... 7 2.1.2 Sensores de condutividade de contacto ................................................................... 8 2.1.3 Sensores de condutividade indutivo ......................................................................... 9 2.1.4 Refratómetro ......................................................................................................... 10 2.2 Sensor Indutivo ............................................................................................................. 11 2.2.1 Princípio de Funcionamento .................................................................................. 11 2.2.2 Sensor Indutivo utilizando dois transformadores .................................................... 12 2.2.3 Indutor .................................................................................................................. 13 xiv Índice de Tabelas Tabela 2-1Valores dos parâmetros para o cálculo da salinidade ................................................. 25 Tabela 2-2Resumo Revisão da Literatura ................................................................................... 32 Tabela 3-1Dimensões dos modelos A, B,C e D .......................................................................... 35 Tabela 3-2-Dimensões dos modelos E e F ................................................................................... 38 Tabela 3-3Dimensões do modelo de N87 .................................................................................. 40 Tabela 3-4Dimensões do modelo de Mn-Zn ............................................................................... 42 Tabela 3-5Resumo testes realizados em laboratório .................................................................. 44 Tabela 4-1Valores de tensão, em mV na bobina de receção com o sensor encapsulado ............. 65 Tabela 4-2Resultados de testes finais, em mV, no sensor encapsulado ...................................... 66 xv Índice de Abreviaturas, Siglas e Acrónimos AC Alterning Current Co Cobalto Cu Cobre d Diâmetro Fe Ferro Mn Manganês Ni Níquel O Oxigénio PCB Printed Circuit Board RF Radio Frequency r Raio Zn Zinco 1 1 Introdução 1.1 Enquadramento e Motivação A salinidade define-se como o peso em gramas de sais dissolvidos num quilograma de água do mar. A medição da mesma é importante no estudo dos oceanos, pois, alterações na salinidade têm efeitos na vida marinha e na qualidade da água. As determinações de salinidade são feitas indiretamente, através da condutividade elétrica que, por sua vez depende, da salinidade e da temperatura. A condutividade e a salinidade podem ter um impacto na vida aquática e na qualidade da água [1]. Valores incomuns podem ser indicativos de poluição, independentemente de ter sido causado pelo homem ou por fontes naturais (chuva excessiva ou seca). As espécies aquáticas adaptam-se a níveis específicos de salinidade. Quando os valores de condutividade e salinidade se afastam demasiado da sua gama normal, podem ser prejudiciais para a vida aquática. Geralmente, os organismos aquáticos toleram apenas uma faixa específica de salinidade. A adaptação fisiológica de cada espécie é determinada pela salinidade do ambiente circundante. A maioria das espécies de peixes são do tipo estenalina (“ Stenohaline ”), ou são exclusivamente de água doce ou exclusivamente de água salgada. No entanto, existem alguns organismos que podem adaptarse a uma variedade de salinidades. Esses organismos são denominados por eurialinos (“ Euryhaline ”). Dentro deste grupo podem ser: • Anádromosvivem em água salgada, mas reproduzem-se em água doce. • Catádromos - vivem em água doce e migram para a água salgada para desovar. • Eurialinos verdadeirospodem ser encontrados em água salgada ou doce em qualquer momento do ciclo de vida [1]. Na Figura 1-1 é possível observar a faixa de tolerância de salinidade de diversas espécies. 2 Figura 1-1Faixa de tolerância de salinidade das espécies A tolerância à salinidade depende dos processos osmóticos dentro de um organismo. Como já referido, cada grupo de organismos adapta-se a concentrações iônicas dos ambientes, e absorve ou excreta sais conforme necessário. A alteração da condutividade do ambiente, aumentando ou diminuindo os níveis de sal, afetará negativamente as habilidades metabólicas dos organismos. Para além disso, pode resultar em mortes dos seres vivos, isto porque, há alterações nas concentrações de oxigénio (maior salinidade, menor concentração de oxigênio dissolvido). Algumas espécies, as mais resistentes, adaptaram-se à vida nos estuários, onde a salinidade está constantemente em fluxo. Embora as espécies estuarinas apresentem uma maior tolerância a mudanças rápidas nos níveis de salinidade em comparação com seus equivalentes de água doce e marinha, é importante notar que mesmo essas espécies podem sofrer se a salinidade se tornar excessivamente extrema. Por outro lado, como já citado, um aumento ou diminuição repentina da condutividade pode indicar poluição. O escoamento agrícola ou vazamento de esgoto aumentará a condutividade devido aos iões de cloreto, fosfato e nitrato adicionais. Um derramamento de óleo ou adição de outros compostos orgânicos diminuiria a condutividade, pois esses elementos não se decompõem em iões. Em ambos os casos, os sólidos dissolvidos adicionais terão um impacto negativo na qualidade da água. 3 Figura 1-2Óleo ou hidrocarbonetos podem reduzir a condutividade da água. (crédito da foto: Lamiot via Wikimedia Commons) A salinidade contribui, também, para a convecção do oceano. Quanto maior for a concentração de sal dissolvido, maior é a densidade da água. O efeito da salinidade na densidade da água é uma das forças motrizes por detrás da circulação oceânica. Sempre que o gelo marinho se forma perto das regiões polares, não inclui os iões de sal. Em vez disso, as moléculas de água congelam, forçando o sal a formar bolsas de água salgada. Esta salmoura acaba por drenar do gelo, deixando uma bolsa de ar, aumentando assim a salinidade da água que envolve o gelo. Como esta água salina é mais densa do que a água circundante, afunda-se, criando um padrão de convecção que pode influenciar na circulação oceânica em centenas de quilómetros. Figura 1-3Efeito da salinidade na convecção do oceano Uma das motivações para este projeto foi a área de aplicação, pois há pouco conhecimento em áreas aquáticas comparando com áreas terrestres. Desenvolver um sensor confere e cria maiores aptidões, aumentando o espírito critico. 4 1.2 Objetivos O objetivo da dissertação é desenvolver um sensor de salinidade indutivo, de baixo custo e elevada autonomia, para integrar numa rede de sensores para medir em coluna de água. Esta dissertação integra-se no projeto ATLANTIDA, onde o objetivo, é desenvolver uma plataforma de monitorização do Oceano Atlântico Norte e ferramentas para a exploração sustentável dos recursos marinhos. O sensor é composto por duas bobinas, bobina de acionamento e bobina de receção, e é projetado de forma que parte do meio líquido forme um caminho fechado de corrente. Aplicando uma tensão AC sinusoidal à bobina de acionamento induz uma corrente. A bobina de receção recebe o fluxo magnético do ciclo da água do mar e origina uma tensão por indução. É esperado uma relação linear entre a condutividade e a tensão de saída na bobina de receção. A partir da tensão induzida na bobina de receção, calcula-se a condutividade elétrica estimada, e a partir desta realiza-se o cálculo aproximado do valor da salinidade, tendo em conta a temperatura e pressão. 1.3 Organização do Documento Esta tese documenta o trabalho realizado na elaboração de um sensor indutivo destinado a ser instalado numa coluna de água. O corpo principal está dividido da seguinte forma: • Capítulo 1: Introdução Este capítulo introduz o contexto e a motivação por trás do desenvolvimento do sensor indutivo. • Capítulo 2: Fundamentos teóricos e revisão da literatura Neste capítulo, são abordados os princípios teóricos que sustentam o trabalho realizado, bem como uma análise detalhada da literatura disponível sobre sensores indutivos e suas diversas aplicações em colunas de água. • Capítulo 3: Projeto do Sensor Indutivo Neste capítulo, são apresentados os detalhes da análise e do projeto do sensor indutivo. São abordadas as considerações de engenharia, como o dimensionamento dos componentes, circuitos para o correto funcionamento do sistema e a seleção dos materiais adequados para a elaboração do sensor. 5 Também são tratados os aspetos relacionados ao design da placa de circuito impresso (PCB) utilizada no sensor indutivo. São abordados os desafios de layout e as considerações de fabricação. 6 • Capítulo 4: Testes e Resultados Este capítulo descreve a implementação prática do sensor indutivo na coluna de água. São apresentados os testes e simulações dos circuitos projetados, tanto na breadboard como na PCB. São discutidos, também, os procedimentos de instalação, calibração e integração do sensor. • Capítulo 5: Conclusão e Trabalho Futuro O capítulo final apresenta as conclusões derivadas do trabalho realizado, destacando os principais resultados alcançados e suas implicações. Além disso, são sugeridas direções para trabalhos futuros, visando aprimorar ainda mais o sensor indutivo desenvolvido. 7 2 Fundamentos teóricos e revisão da literatura A realização deste projeto requer uma revisão abrangente do estado atual do conhecimento sobre o tópico específico que é objeto de análise ou estudo. O objeto de estudo é o desenvolvimento de um sensor indutivo que visa medir a salinidade da água do mar. Neste capítulo são abordados os diferentes métodos de medição de salinidade indutiva, bem como, a revisão do trabalho desenvolvido para o assunto específico. 2.1 Métodos de medição de salinidade Para mensuração de salinidade, a água do mar não pode simplesmente ser evaporada para uma medição de massa de sal seco, pois os cloretos são perdidos durante o processo [2]. Por essa razão, foram necessários métodos para a salinidade ser medida. 2.1.1 Titulação de Cloro Durante um longo período, a determinação do teor de sal em amostras de água do mar, era feita através da determinação química do teor de haletos. Este método é conhecido como método de Mohr ( Mohr , 1856) [3]. Este procedimento, consiste em titular uma amostra de água do mar com solução de nitrato de prata de concentração conhecida, até ao ponto em que todos os haletos, cloreto mais uma pequena quantidade de brometo, fossem precipitados como haleto de prata, conforme detetado por indicadores ou sistemas de elétrodos adequados. Figura 2-1-Bureta de Knudsen Figura 2-2--Martin Knudsen no laboratório Uma das principais desvantagens deste método reside no tempo gasto por amostra e a exigência de habilidade analítica do operador. 8 Por esse motivo, o método de Mohr foi substituído pela medição da condutividade elétrica como meio de estimar a salinidade. Para medir a condutividade dos líquidos, podem ser usados dois métodos: indutivo ou de contacto (com dois elétrodos ou quatro elétrodos). 2.1.2 Sensores de condutividade de contacto Os sensores de condutividade de contacto normalmente utilizados são os sensores de condutividade de dois elétrodos ou de quatro elétrodos. Sensores de condutividade de dois elétrodos, consistem em dois elétrodos distanciados a um comprimento constante. Quando os elétrodos estão submersos numa amostra de água, a corrente é induzida entre eles (Figura 2-3 e Figura 2-4). Quanto mais iões estiverem presentes na solução da amostra, maior será a corrente e, por essa razão, maior será o valor de condutividade da solução. As faixas de medição típicas são 0 µS / cm a 20 mS / cm. [4] Uma célula de condutividade de quatro elétrodos (Figura 2-5 e Figura 2-6) introduz mais dois elétrodos no sensor, comparando com o anterior. Uma tensão AC no par mais externo dos elétrodos gera uma corrente na amostra. Os dois elétrodos mais internos medem a diferença de potencial na amostra, que depende da condutividade da mesma. As faixas de medição típicas 1 µS / cm a 600 mS / cm. [4] Figura 2-3-Esquema sensor com dois elétrodos Figura 2-4-Sensor com dois elétrodos comercial 15 2.2.3.2 Toroide O toroide é formado a partir de uma bobina curvada em forma de círculo fechado (Figura 2-17) [16]. As linhas de campo são paralelas seguindo a simetria das espiras, desta vez de forma circular [17]. É possível observar que só existe campo magnético no interior da bobina toroidal (Figura 2-18). Pela Lei de Ampére, [18], em que, N é o número de espiras, I é a corrente que atravessa nas espiras, r, o raio (médio) da bobina, 𝜇𝑟 e 𝜇𝑟 respetivamente a permeabilidade relativa do meio e do vazio. Através da Figura 2-18 e equação 2-3, observa-se que o campo magnético gerado nos toroides depende do raio do mesmo, entre outros fatores. 𝐵 =𝜇𝑟𝜇𝑜𝑁𝐼 2𝜋𝑟 2-3 Figura 2-18-Campo magnético na bobina toroidal Comparando com os solenoides é possível dizer que [18-19]: • Os toroides são mais difíceis de enrolar. • Os toroides são mais eficientes na produção de indutâncias. Ou seja, para uma mesma indutância, os toroides requerem menos voltas e um tamanho menor que os solenoides. Figura 2-17Bobina com formato toroidal 16 • Os toroides podem ser colocados próximos de outros componentes eletrónicos, visto que só há campo magnético no interior do toroide. De forma análoga, a indutância (L) de um indutor em toroide pode ser calculado com a 2-4 : L=μ𝑟μ0N2A 2πr 2-4 Onde: N - Número de espiras r – Raio médio do núcleo toroidal (m) AÁrea transversal efetiva do núcleo (𝑚2) μ𝑟Permeabilidade relativa do núcleo μ0Permeabilidade ar 4π×10-7 H/m 2.2.3.3 Modelo otimizado de um indutor Num indutor ideal há apenas indutância, mas na realidade, um indutor de fio enrolado, tem alguma resistência nos enrolamentos. Por outro lado, há uma capacidade parasita em paralelo com a combinação em série da resistência parasita e a indutância ideal. Isto surge principalmente porque as espiras da bobina estão próximas umas das outras. Essas características não ideais levam a um modelo de indutor como ilustrado na Figura 2-19: Figura 2-19-Modelo elétrico equivalente de um Indutor real A frequência de auto ressonância (SRF) de um indutor é a frequência na qual ocorre a ressonância entre a indutância e a capacidade parasita do indutor [20]. A frequência de ressonância é dado pela equação 2-5. 2-5 17 𝐹 = 1 2𝜋×√𝐿𝐶 Onde: LIndutância (H) CCapacidade (F) FFrequência de Ressonância (Hz) Até à frequência de ressonância, o indutor tem um comportamento indutivo, como é desejado. Ao ultrapassar a frequência de ressonância, a influência capacitiva parasita torna-se dominante. Assim conclui-se que na região de frequência acima da frequência de ressonância, o comportamento dominante do dispositivo deixa de ser o indutivo, conforme representado na Figura 2-20 [20]. Figura 2-20-Diagrama de bode da impedância do indutor, funcionamento como indutor e condensador Como já referido, um indutor que possui fio enrolado, tem alguma resistência nos enrolamentos, representado pela resistência R da Figura 2-19. A resistividade, cujo símbolo é 𝜌, consiste na propriedade característica de um material que expressa a maior ou menor resistência que este opõe ao ser atravessado pela corrente elétrica. De acordo com a equação 2-6, para 1 metro de fio, quanto menor for o diâmetro do fio, maior a resistência do fio e, por sua vez, haverá mais perdas [21]. 𝑅 =𝜌𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 ×𝐿 𝐴 RResistência do fio (Ω) 𝜌Resistividade do material (Ωm) LComprimento do fio (m) AÁrea da transversal secção transversal do fio (𝑚2) 2-6 18 Para além do número de espiras e diâmetro do fio que possui é importante ter em consideração o tipo de núcleo do indutor. Os mais comuns são do tipo ar, ferromagnético, aço laminado e ferrite [22]. 2.2.3.4 Núcleos Como já referido, a indutância depende do núcleo do sensor a ser utilizado. Segundo Almeida & Silva [23] os núcleos podem ser de: Ar - Não necessita de utilizar núcleo magnético para obter indutância. São geralmente utilizados com núcleo de plástico, cerâmica, ar, ou qualquer tipo de material não-magnético. A vantagem do núcleo de ar é, pelo facto de este oferecer uma baixa indutância em relação a outros núcleos. São utilizados em aplicações onde a frequência é superior a 1 MHz, pois não possuem perda de energia no núcleo. FerromagnéticoUtilizam um núcleo magnético, como por exemplo o ferro. Os núcleos magnéticos têm como o objetivo de aumentar a indutância, porque, como o ferro tem alta permeabilidade magnética, o campo magnético aumenta. A desvantagem que este núcleo apresenta é o facto de haver perdas por histerese e correntes de Foucault , que leva à saturação mais facilmente. Aço LaminadoSão muito parecidos com os núcleos dos transformadores. O núcleo é feito de finas camadas de aço amontoadas, recobertas individualmente com uma camada isolante. Este isolamento Figura 2-21-Núcleo de ar Figura 2-22-Núcleo de Ferro 19 evita que as correntes de Foucault circulem entre as lâminas. Por outro lado, também reduz as perdas por histerese. FerriteSão utilizados para altas frequências, pois a ferrite é cerâmica ferromagnética nãocondutora. Por essa razão, as correntes de Foucault no núcleo são nulas. Além disso, a magnetização do material pode facilmente mudar de direção, reduzindo as perdas de energia por histerese, aumentando assim a indutância em relação aos outros núcleos. Para o projeto, serão utilizados núcleos de ferrite devido à sua alta sensibilidade e resistência à corrosão, tornando-a a opção mais eficiente e confiável para monitorar os níveis de salinidade em ambientes aquáticos. Para além disso, os sensores indutivos são muito sensíveis a fatores externos inresolviveis, alterando significativamente o seu comportamento. Para minimizar esse acontecimento, é importante que o núcleo tenha a minima interferência, quer por perdas de Foucault quer por histerese. Figura 2-23-Aço Laminado Figura 2-24-Núcleo de Ferrite 20 2.3 Núcleos do Indutor As ferrites são compostas por ferro, cobalto, níquel ou zinco. Para um projeto que envolve o uso de ferrites, é importante considerar a escolha entre as ferrites macias e duras, uma vez que elas possuem diferentes propriedades magnéticas. A principal característica que define a distinção entre esses dois tipos de materiais é a coercividade, que é a força necessária para mudar a direção do campo magnético num material. As ferrites duras têm uma coercividade mais alta, o que significa que são mais resistentes à desmagnetização e são frequentemente utilizadas como ímãs permanentes em sistemas de refrigeração ou em alto-falantes. Por outro lado, as ferrites macias possuem uma coercividade mais baixa, o que as torna mais fáceis de magnetizar e desmagnetizar. Isso resulta em poucas perdas de energia durante o ciclo de magnetização e desmagnetização, tornando-as ideais para diversas aplicações [24]. Em geral, estas últimas, possuem uma estrutura cúbica do tipo espinélio com fórmula genérica MeFe2O4, onde Me representa um ou mais dos metais de transição Mn, Fe, Co, Ni, Cu ou Zn. As ferrites macias compostas por Ni-Zn e Mn-Zn são as mais amplamente utilizadas no mercado. Entre elas, as ferrites de níquel-zinco (Ni-Zn) são compostas por ferro, níquel e zinco e são conhecidas por apresentarem alta permeabilidade magnética, baixa perda dielétrica e alta estabilidade térmica. Essas características torna-as ideais para aplicações elétricas e magnéticas em dispositivos eletrónicos. Além disso, essas ferrites apresentam boa resistência à corrosão e oxidação, o que é de grande importância para aplicações em ambientes desfavoráveis. A permeabilidade deste tipo de material pode variar de 15 a 1500, o que permite uma ampla gama de aplicações. São geralmente utilizadas em aplicações de alta frequência, variando de 2 MHz até centenas de MHz. Com essas propriedades, as ferrites de Ni-Zn são amplamente empregadas em transformadores de alta frequência, indutores, núcleos de impedância, filtros de sinal e outros dispositivos eletrónicos [25]. As ferrites de manganês-zinco (Mn-Zn) são compostas por uma combinação de ferro, manganês e zinco. Assim como as ferrites de Ni-Zn, estas ferrites também apresentam alta permeabilidade magnética e baixa perda dielétrica, o que as tornam ideais para uso em dispositivos eletrónicos. As ferrites Mn-Zn são mais adequadas para aplicações em que a 21 frequência operacional é inferior a 5 MHz. São amplamente encontradas no mercado e usadas em aplicações de até 2 MHz. Essas ferrites possuem alta permeabilidade, podendo variar de 750 a 30.000, e uma resistividade elétrica mais baixa em comparação com as ferrites Ni-Zn. Outro ponto a considerar é a estrutura cristalina, onde os átomos metálicos ocupam ou não posições bem definidas em relação aos átomos de oxigénio. Existem três tipos principais de estruturas nas ferrites: amorfa, cristalina e nano cristalina. Na estrutura amorfa não existe ordem na estrutura atómica. Os átomos estão dispostos aleatoriamente no material, o que implica uma alta resistividade elétrica, baixa coercividade e alta permeabilidade magnética. Já na estrutura cristalina, os átomos estão organizados e ordenados periodicamente, o que implica uma baixa resistividade elétrica, anisotropias magneto-cristalina e coercividade altas. As ferrites com estrutura nano cristalina são compostas por cristais de tamanho nanométrico imersos num material amorfo. Essa estrutura pode combinar as propriedades dos dois tipos de estrutura, resultando num material com alta permeabilidade magnética, alta resistividade elétrica e alta coercividade [26]. Figura 2-25Estrutura cristalina da ferrite As ferrites com material amorfo e macio serão submetidas a testes neste projeto para avaliar sua adequação e desempenho na medição de salinidade em ambientes aquáticos. 2.4 Condutividade elétrica A condutividade, é um dos parâmetros de qualidade da água mais úteis. Além de ser a base da maioria dos cálculos de salinidade e sólidos dissolvidos totais, a condutividade é um indicador precoce 22 de mudança em ambiente aquático. A maioria dos organismos aquáticos mantém uma condutividade razoavelmente constante que pode ser usada como base de comparação para medições futuras [27]. A condutividade e a salinidade têm forte correlação. Como a condutividade é mais simples de ser medida, é usada em algoritmos de estimativa de salinidade, que afetam a qualidade da água e a vida aquática. A condutividade depende da salinidade, na medida em que, o fluxo da água e as alterações do nível da água, tais como fases da maré e evaporação, contribuem para a oscilação dos níveis de salinidade e, consecutivamente, para a condutividade. Na Figura 2-26, observa-se vários fatores que afetam a condutividade ao longo do ano, tais como: chuva intensa, inundações, evaporação e escoamentos. A condutividade pode ser calculada com a ajuda da resistência, corrente, tensão e condutância [27]. A condutância (G) é definida por: 𝐺 = 1 𝑅 [𝑆] 2-7 A resistência, através da Lei Ohm, é dada por: 𝑅 =𝑈 (𝑉) 𝐼 (𝐴) [Ω] 2-8 Logo, 𝐺 = 𝐼 𝑈 2-9 A condutividade, por sua vez, é representada pela seguinte equação: 𝜎 =𝐺× 𝐾 [ 𝑆 𝑐𝑚] 2-10 Figura 2-26-Fatores que afetam o volume da água (como chuva forte ou evaporação) afetam a condutividade 23 Onde: 𝐾 = 𝑑 (𝑐𝑚) 𝐴 (𝑐𝑚2) [𝑐𝑚−1] ddistância entre elétrodos AÁrea dos elétrodos 2-11 Estas equações não podem ser utilizadas para sensores de condutividade indutivos, visto que, a tensão medida no segundo toroide é resultado da indução eletromagnética causada pela variação do campo magnético. A fórmula de condutividade elétrica não leva em consideração este processo. Para além disso, a resposta do sensor indutivo é influenciada por diversos fatores, como a geometria do indutor, as propriedades magnéticas, diâmetro do fio, indutância, entre outros. 2.4.1 Condutividade e Temperatura A condutividade também depende da temperatura. A temperatura da água pode fazer com que os níveis de condutividade flutuem diariamente. Para além do seu efeito direto na condutividade, a temperatura também influencia a densidade da água, o que leva à estratificação. A água estratificada pode ter diferentes valores de condutividade a diferentes profundidades. Para cada 1 °C de aumento, os valores de condutividade podem aumentar dois a quatro por cento. A temperatura afeta a condutividade aumentando a mobilidade iónica, bem como a solubilidade de muitos sais e minerais. Isto pode ser visto em variações diurnas, à medida que um corpo de água aquece devido à luz solar, a condutividade aumenta. Posteriormente arrefece, durante a noite, diminuindo a condutividade. Devido ao efeito direto da temperatura, a condutividade é medida ou corrigida a uma temperatura normalizada, geralmente 25 °C, para comparabilidade. As variações sazonais da condutividade, embora afetadas pelas temperaturas médias, são também afetadas pelo fluxo de água [28]. 24 Figura 2-27Dependência da condutividade em relação à temperatura Como já referido, a condutividade depende da temperatura da água do mar. A correção é feita utilizando a 2-13, onde, T é a temperatura de medição, 𝑇𝑅𝑒𝑓 é a temperatura de referência, 𝜎𝑇 é a condutividade medida na temperatura T e 𝜎𝑅𝑒𝑓 é a condutividade calculada na temperatura 𝑇𝑅𝑒𝑓 e o 𝛼 é um coeficiente de temperatura. Se o coeficiente de temperatura da amostra específica não for conhecido, pode ser determinado experimentalmente a uma temperatura de referência de referência 𝑇1, geralmente, 25 °C e a segunda temperatura, 𝑇2, com uma diferença de 10 °C ou mais [29]. 𝜎𝑅𝑒𝑓 =𝜎𝑇 1+ 𝛼 100%×(𝑇−𝑇𝑅𝑒𝑓) [ 𝑆 𝑐𝑚] 2-12 Onde, 𝛼 =(𝜎𝑇2 −𝜎𝑇1)×100 (𝑇2−𝑇1)×𝜎𝑇1 [%] 2-13 31 O papel do isolamento é evitar curto-circuitos entre o núcleo magnético e as bobinas. As dimensões de todo o sensor são de 40 mm, 20 mm e 0.3 mm, enquanto a largura das bobinas solenoides é de 10 mm. Além disso, as dimensões do núcleo magnético são de 40 mm, 7 mm e 0.025 mm, respetivamente. Ambas as bobinas de excitação geram simultaneamente um campo magnético AC, que periodicamente, conduz o núcleo magnético à saturação. Quando não existe campo magnético externo, a tensão induzida que pode ser medida na bobina de deteção é simétrica e só é possível detetar harmónicos desconhecidos na forma de onda. Se um campo magnético externo for aplicado na direção de deteção, a simetria da tensão induzida é perturbada, e assim os harmónicos começam a aparecer na forma de onda. Segundo o artigo, a aplicação do campo magnético pode ser medida através da sua proporcionalidade em relação ao segundo harmónico ou ainda mais elevados harmónicos da tensão induzida na bobina de deteção. Tendo em conta o estado da arte, é complexa a determinação da configuração da bobina que apresenta melhores resultados. Analisando a Tabela 2-2, a escolha da configuração de sensores indutivos centra-se em formatos toroidais a uma frequência de trabalho espectável entre os 150-300 kHz. Concluise, também, que estes sensores, tendem a medir gamas superiores aos típicos valores de salinidade da água do mar. Por outro lado, o número de enrolamentos necessários para cada bobina e o tamanho do mesma são incertos, sendo necessário realizar um estudo do mesmo. Figura 2-35-Esquemático do sensor Indutivo (Schoinas et al) 32 Embora os resultados indiquem que os sensores têm uma tendência para medir níveis de salinidade abaixo e acima do esperado, não conseguem fornecer informações sobre a consistência das medições. No entanto, adquirir um sensor de condutividade indutiva comercial pode ser extremamente caro, razão pela qual a fabricação personalizada pode reduzir os custos em até 100 vezes. Por essas razões, o sensor de condutividade indutiva será fabricado de raiz, com a análise minuciosa de cada componente envolvido, levando em consideração possíveis influências que podem impactar o desempenho do mesmo. Tabela 2-2Resumo Revisão da Literatura 33 3 Projeto de Sensor de Salinidade Neste capítulo, são detalhadas a análise e o projeto do sensor indutivo, com ênfase nas considerações de engenharia. Inclui dimensionamento dos componentes e circuitos necessários para o funcionamento adequado do sistema, bem como a seleção dos materiais apropriados para a construção do mesmo. Além disso, são tratados aspetos relacionados ao design do circuito impresso (PCB) utilizado no sensor. 3.1 Projeto do Sensor Indutivo Para este trabalho, foram escolhidas bobinas em forma de toroide. Esta seleção deve-se ao facto de estes apresentarem uma maior eficácia na produção de indutâncias. Ou seja, para a mesma indutância, os toroides requerem menos voltas e um tamanho menor do que os solenoides. Para além disso, também apresentam menor perda de fluxo, e, o campo magnético é gerado apenas dentro do toroide. O protótipo a ser desenvolvido é composto por duas bobinas, em forma de toroide. O núcleo da bobina será de ferrite e é fornecido com N enrolamentos de fio de cobre. O sensor é projetado de forma que parte do meio líquido forme um caminho de corrente fechado que passa por ambas as bobinas, conforme ilustrado na Figura 3-1. Figura 3-1-Funcionamento do sensor Analisando a Figura 3-2, o primeiro enrolamento N1 produz um campo magnético na água, fazendo com que uma corrente flua na mesma (a água implementa o enrolamento secundário N2 do transformador T1), que por sua vez é proporcional à condutância da água (representada pela resistência R). Esta corrente (que também é o enrolamento primário N3 do segundo transformador T2) causa um campo magnético no enrolamento secundário (N4) do segundo transformador, onde é medida a tensão 34 (ou corrente) no segundo enrolamento. O toroide ou bobina de acionamento tem uma indutância L1 e o toroide recetor tem uma indutância L3. O sensor é imerso num líquido, neste caso água do mar. Segundo a Figura 3-2, o toroide ou bobina de transmissão tem uma indutância L1 e o toroide recetor tem uma indutância L3. A aplicação de uma tensão AC ou corrente sinusoidal à bobina transmissora induz uma corrente, uma tensão indutiva V2 na água do mar, proporcionando uma corrente na resistência R. R representa a resistência da água, obtida a partir da condutividade e formato do meio condutor. A bobina recetora recebe o fluxo magnético da corrente na água do mar e fornece uma tensão indutiva V3 [35]. Figura 3-2-Princípio de funcionamento Relativamente ao núcleo toroidal, foi escolhida a ferrite, como já mencionado, uma vez que as correntes de Foucault no núcleo são zero, a magnetização do material pode facilmente mudar de direção, ou seja, reduz as perdas de energia devido à histerese, aumentando assim a indutância em comparação com os outros núcleos. Para garantir medições precisas de salinidade, será incluído um sensor de temperatura para corrigir o efeito da variação térmica na condutividade. Toda a eletrónica e seus módulos serão isolados e protegidos por resina epóxi . O sistema será controlado por um microcontrolador, que é responsável por comunicar com os sensores, recolhendo os dados das variáveis. 3.1.1 Seleção dos indutores A fim de escolher o protótipo mais adequado para medir a salinidade da água do mar, foram realizados e testados alguns protótipos. O teste, em primeiro lugar, concentra-se na verificação de comportamentos de diferentes núcleos de ferrite amorfa disponíveis. Em ferrites de dimensões semelhantes foram colocados o mesmo número de voltas para uma possível análise. 35 Para isso, foram escolhidos quatro núcleos de dimensões diferentes de ferrite amorfa, com diferente número de voltas com fio de cobre isolado, tal como apresentado na Erro! A origem da referência n ão foi encontrada.. Como descrito anteriormente, duas bobinas foram utilizadas para implementar um sensor de salinidade. As duas bobinas que constituem cada modelo (A, B, C e D) são iguais entre si. Para verificar o funcionamento de cada modelo, primeiramente, com uma amostra de água proveniente do mar, a tensão na bobina de receção foi medida para diferentes tensões de alimentação a diferentes frequências. Na Figura 3-3 é possível observar a tensão na bobina de receção, de cada modelo, para tensões de alimentação entre 50 mV a 1.5 V, aplicando frequências entre os 5 kHz a 400 kHz. Toroides A B C D Diâmetro Interno (mm) 19,73 7,5 10,7 12,16 Diâmetro Externo (mm) 33,25 17,4 18,1 24,35 Espessura (mm) 11,05 8,6 5,4 11,05 Número de Voltas 50 25 25 50 Diâmetro do Fio de Cobre (mm) 0,46 0,35 0,35 0,38 Referência MP7548MDGC MP1506L4AS MP1603L4AS MP2310MDGC Tabela 3-1Dimensões dos modelos A, B,C e D 36 Figura 3-3-Tensão na bobina de receção nos diferentes modelos O teste realizado anteriormente permitiu verificar o princípio do funcionamento teórico de um sensor indutivo. Confirma-se que ao aplicar uma tensão AC à bobina de acionamento, esta irá induzir uma corrente, que por sua vez gera uma tensão indutiva na bobina de receção. Validado o teste anterior, foram efetuados em laboratório, através de um copo, um conjunto ensaiado desde a água com baixa salinidade, até à água mais saturada (desde 1 PSU a 50 PSU), como mostra a Figura 3-4. Figura 3-4-Teste em laboratório Os sensores fabricados foram testados com tensão de excitação sinusoidal (amplitude na gama de 1V). Esta escolha deve-se ao facto de, para tensões de entrada mais altas, foram obtidas tensões de saída mais altas e, consequentemente, uma relação sinal-ruído mais alta, devido à tensão de ruído 37 constante. A tensão foi medida na bobina recetora. Para cada bobina, testada em frequência única com uma única amostra de água, é espectável que a tensão de saída seja proporcional à tensão de entrada. A Figura 3-5 apresenta a amplitude da tensão de saída (eixo y), em função da frequência aplicada (eixo x) para diversos valores de salinidade da água (diferentes cores de linha). Para além disso, é também exibida a tensão de saída (eixo y), em função da salinidade da amostra (eixo x) para diversos valores de frequência (diferentes cores de linha), para cada modelo. Pela análise do gráfico do lado esquerdo da Figura 3-5, verifica-se que existe uma frequência ressonante apenas num dos modelos, D (aproximadamente 200 kHz), na gama de frequências analisada (50-300kHz). A frequência de ressonância caracteriza-se por uma tensão de saída superior, MODELO A MODELO B MODELO C MODELO D Figura 3-5-Tensão de saída em função da frequência (lado esquerdo) e tensão de saída em função da salinidade (lado direito) de cada modelo 38 comparativamente à tensão de saída obtida nas outras frequências. No modelo D, à frequência de ressonância, a salinidade influencia a tensão de saída. Abaixo ou acima desta frequência de ressonância, a influência da salinidade é menos notória. No entanto, através da análise da tensão de saída em função da salinidade do modelo D (Figura 3-5) a variação da tensão de saída não é monótona (uma tensão é monótona se for sempre crescente ou decrescente), logo não permite determinar a salinidade pelo valor de tensão obtida. Para um determinado valor de tensão de saída correspondem vários valores de salinidade. Não foram utilizadas frequências superiores, dado tornar a eletrónica mais complexa. Verifica-se, também, que nenhum dos modelos consegue discriminar adequadamente as diferentes concentrações de sal, embora o modelo A, a 300 kHz seja o que apresentou melhores resultados. Por essa razão, para este teste, foram adicionados mais dois conjuntos de sensores, caracterizados na Tabela 3-2. Os sensores E e F usam bobinas de tamanhos diferentes, combinando os modelos A e C e os modelos A e D, respetivamente. Realizando o mesmo teste, a Figura 3-6 apresenta a tensão de saída (eixo y), em função da frequência aplicada e também, a tensão de saída (eixo y) em função da salinidade (eixo x) para diversos valores de frequência. Toroides E A+C F A+D Diâmetro Interno (mm) 19,73 19,73 10,7 12,16 Diâmetro Externo (mm) 33,25 33,25 18,1 24,35 Espessura (mm) 11,05 11,05 5,4 Número de Voltas 100 100 25 50 Diâmetro do Fio de Cobre (mm) 0,46 0,46 Tabela 3-2-Dimensões dos modelos E e F 39 Estes modelos também apresentam frequências de ressonância na gama medida (50-300 kHz). No modelo E e F é, respetivamente,130 kHz e 120 kHz, aproximadamente. Verifica-se também que, no modelo F, apenas próximo da frequência de ressonância a tensão de saída varia com a salinidade. No modelo F, foram analisadas detalhadamente frequências entre 100 kHz e 150 kHz, Figura 3-7, e é notório que numa escala logarítmica de salinidade a relação é quase linear, aumentando a capacidade de implementação de um sensor de grande escala, medindo desde água doce até água de alta salinidade. Figura 3-7-Tensão de saída em função da salinidade entre 100 kHz e 150 kHzModelo F Analisando todos os modelos em teste, é possível verificar que o modelo F, é o mais favorável para a medição de salinidade quando utilizado com excitação a 120 kHz. Foi também possível analisar que as ferrites amorfas, nomeadamente este modelo, apesar de apresentar sempre o mesmo comportamento, não apresenta uma repetibilidade nas medições efetuadas na bobina de receção. Embora tenha sido verificado que uma ferrite com material amorfo poderia ser uma escolha vantajosa, mas com pouca repetibilidade para o objetivo do projeto, foi realizado o mesmo teste, Figura 3-6-Tensão de saída em função da frequência (lado esquerdo) e tensão de saída em função da salinidade (lado direito) do modelo E e F MODELO E MODELO F 40 utilizando uma ferrite com material Mn-Zn. A utilização de ferrites com material de Mn-Zn pode ser mais vantajosa que o material amorfo para medição de salinidade devido às suas propriedades magnéticas. A ferrite de Mn-Zn possui uma alta permeabilidade magnética, como já referido no Capítulo 2, o que significa que é altamente sensível a campos magnéticos externos. A salinidade da água afeta a condutividade elétrica, que por sua vez altera o campo magnético da solução. Além disso, a ferrite de Mn-Zn é mais estável e confiável em termos de variações de temperatura em comparação com o material amorfo. Isso é importante para medições precisas e confiáveis da salinidade, pois a temperatura da água afeta a condutividade elétrica. Verifica-se, também, que a permeabilidade magnética de um núcleo de material amorfo é, em geral, significativamente menor do que a de um núcleo de material de Mn-Zn, geralmente em torno de 10 vezes menor. Consecutivamente, o campo magnético é menos concentrado no material amorfo. Para obter a mesma indutância, um núcleo de material amorfo precisaria ter mais voltas do que um núcleo de material de Mn-Zn. Com o intuito de aprimorar o teste anterior, conduziu-se uma nova análise, utilizando núcleos de ferrite de Mn-Zn com material específico denominado N87, cujas características são apresentadas na Tabela 3-3. A principal diferença entre ferrites de Mn-Zn e a ferrite N87 reside nas composições químicas específicas e nas propriedades magnéticas resultantes. Toroides Diâmetro Interno (mm) 14.8 Diâmetro Externo (mm) 25.3 Espessura (mm) 10 Número de Voltas 27 Diâmetro do Fio de Cobre (mm) 0.35 Fabricante/Referência TDK/B64290L0618X087 Tabela 3-3Dimensões do modelo de N87 47 Figura 3-17-Tensão de saída em função da frequência (lado esquerdo), tensão de saída em função da salinidade (lado direito) e tensão de saída em função da salinidade em escala logarítmica em Plastik 70 É possível verificar que, o sensor, nestas condições, consegue discriminar as diferentes concentrações de sal, sendo similar aos primeiros testes. Neste caso, é observável que a tensão do sensor diminui à medida que a salinidade aumenta, contrariamente ao modelo F anterior (Figura 3-7) onde a amplitude da tensão aumentava com a salinidade. Não foi encontrada justificação para esta alteração do comportamento, que se verificou ao revestir as bobinas com Plastik 70. Por outro lado, é importante ressaltar que a opção de utilizar Plastik 70 como material de encapsulamento não é recomendada para este tipo de sensor. Como é aplicada uma fina camada de resina, com o passar do tempo, os sais presentes no ambiente marítimo podem começar a acumular-se entre os fios de cobre, Figura 3-18, afetando a precisão das medições e tornando os resultados não confiáveis. Figura 3-18Incrustação 48 Por essa razão, é fundamental utilizar materiais de encapsulamento mais resistentes e duráveis, capazes de proteger adequadamente o sensor contra possíveis danos e interferências externas. Após terem sido feitos testes em diferentes materiais de encapsulamento para o sensor, concluiu-se que o silicone é o material mais adequado. Quando o sensor é encapsulado em silicone, o seu comportamento não sofre alterações significativas, permitindo a discriminação das salinidades. É notório também que a frequência de ressonância é alterada. Por outro lado, quando o sensor é encapsulado em resina ou Plastik 70, a sua fiabilidade é posta em causa. No caso da resina o sensor não tem um comportamento linear, não conseguindo discriminar com precisão as diferentes salinidades. No Plastik 70, apesar de um bom resultado, os sais podem encrustar-se entre os fios de cobre e alterar o resultado. Assim, neste projeto será utilizado silicone como material de encapsulamento, garantindo assim a estabilidade e a precisão das medidas ao longo do tempo. 3.2 Eletrónica de Instrumentação Neste subcapítulo são abordados todos os componentes que permitem realizar a leitura e tratamento de dados do sensor de salinidade e a estrutura do sensor. Estes são compostos pela eletrónica de instrumentação, processamento de dados realizado pelo microcontrolador, alimentação do sistema, memórias e interfaces e o sensor de pressão e temperatura, como ilustrado na Figura 3-19. A eletrónica de instrumentação possibilita a medição da salinidade, incorporando o sensor desenvolvido. São necessários um oscilador, que alimentará a bobina de acionamento, um retificador e um filtro passa-baixo, ligado na bobina de receção, para obter um valor DC proporcional à amplitude do sinal recebido que permite a leitura pelo ADC do microcontrolador, para posterior tratamento de dados e cálculo da salinidade. 49 Figura 3-19-Diagrama de blocos do sistema total 3.2.1 Oscilador O oscilador é composto por dois andares. O primeiro andar forma um oscilador com uma saída de onda quadrada de 260 kHz, e o segundo andar, filtra os harmônicos da onda quadrada e produz uma saída de onda sinusoidal pura. O circuito é apresentado na Figura 3-20, em que o IC4 são dois ampops. A frequência do oscilador pode ser ajustada por C19 e R12. A amplitude da onda sinusoidal pode ser ajustada por R10 e R11. Figura 3-20-Esquemático do oscilador no Altium 3.2.2 Retificador de Onda Completa Na Figura 3-21 é possível observar um retificador de precisão de onda completa. Os dois ampops controlam a polarização dos díodos, com o intuito de alterar o sinal com base na polaridade do sinal de entrada, alcançando a retificação de onda completa. O condensador C16 permite a estabilidade a altas frequências, evitando oscilações. 50 Figura 3-21-Esquemático do Retificador de onda completa no Altium 3.2.3 Filtro RC De seguida, o sinal retificado é filtrado, utilizando um filtro passa-baixo RC, obtendo na sua saída o valor média do sinal retificado. O circuito RC foi dimensionado para uma frequência de 2,6 kHz. O dimensionamento dos componentes é possível através da Equação 3-1. 𝐹𝑐=1 2𝜋𝑅𝐶 3-1 𝐹𝑐=2,6 𝑘𝐻𝑧→𝑅1=1,3 𝑘𝐻𝑧 ;𝐶 =47 𝑛𝐹 Na Figura 3-22 é apresentado o esquemático do filtro RC no Altium. Figura 3-22-Esquemático filtro RC no Altium 3.2.4 Amplificador Operacional Como visto anteriormente, tanto o circuito oscilador como circuito retificador, utilizam dois ampops , sendo estes iguais. 51 Neste projeto, vão ser utilizados amplificadores operacionais de alta velocidade, OPA2889ID, como ilustra a Figura 3-23. Para além de suportar uma gama de operação entre os ± 1.3 V a ±6 V, tem uma corrente quiescente baixa, 460 µA e um consumo de 18 µA, quando o amplificador se encontra desligado ( shutdown ) [37]. A largura de banda excede 100 MHz para ganho unitário e o slew-rate é de 200 V/µS, características relevantes para o circuito a implementar. As tensão de entrada e saída situam-se entre - 2 V e +2 V, quando o ampop é alimentado a +3V e -3V. Figura 3-23-Ampop OPA2889ID 3.3 Pilha LI-ION Para alimentação da eletrónica de instrumentação e de todos os elementos associados ao tratamento de dados do sensor é utilizada uma bateria de lítio recarregável, de 3.7 V, Figura 3-24, no formato 18650 (18 mm diâmetro e 65 mm comprimento) da marca LG, com 3350 mAh de capacidade e capaz de debitar 0.65 A continuamente e 4.9 A de pico.[38] Esta bateria proporciona uma autonomia prevista de aproximadamente um ano e seis meses (face aos valores de consumo teórico de cada componente utilizado, indicado em cada subcapítulo do mesmo) ao realizar medições de 2 em 2 minutos para acompanhar a evolução da salinidade da água do mar ao longo do tempo. Esta autonomia é aceitável para garantir uma monitorização contínua e abrangente das mudanças na salinidade, permitindo uma análise detalhada ao longo de um período significativo. 52 Figura 3-24-Pilha LI-ION 3.4 Carregador de Bateria O carregador de bateria utilizado neste projeto foi o DFROBOT DFR0667, Figura 3-25. Este carregador foi projetado para baterias de lítio de 3.7 V de célula única. Devido à sua dimensão reduzida é possível integrá-lo facilmente no projeto.[39] Figura 3-25-DFROBOT DFR0667 3.5 Reguladores Uma vertente importante a considerar é que os ampops , microcontrolador, sensor de pressão de temperatura, entre outros, tenham uma tensão de alimentação constante. Por essa razão, é necessário a utilização de reguladores, dado a tensão da bateria variar entre os 4.2V quando carregada e 3V quando totalmente descarregada. Neste trabalho são empregues dois reguladores: Regulador Buck (XC9265A301MR-G), e um Regulador Inversor (LTC1261LCS8#PBF), Figura 3-26. 53 Figura 3-26-Regulador Buck (direita) e Regulador Inversor (esquerda) O Regulador Buck , alimenta os ampops , microcontrolador e sensor de pressão e temperatura, com uma tensão constante de +3 V. Este valor limita a tensão da bateria, que deve estar acima de aproximadamente 3.1V, para manter o funcionamento do regulador. O consumo de corrente deste regulador é abaixo de 0.8 µA. É possível observar, na Figura 3-27, o esquemático do regulador, como indicado no datasheet . Analisando a figura, são utilizados dois reguladores deste tipo. Isto acontece, porque o microcontrolador não pode ser desligado, ao contrário dos ampops , que devem ser desligados quando não estão em funcionamento, para reduzir o consumo. O acionamento destes é controlado pelo microcontrolador, com a utilização do pino “Enable Reg” [40]. Figura 3-27-Esquemático do Regulador Buck, no Altium O Regulador Inversor (LTC1261LCS8#PBF), Figura 3-28, por sua vez, alimenta, também, o ampop com -3 V. Na figura seguinte é apresentado o esquemático, como indicado no datasheet . Este regulador permite ajustar a tensão de saída do mesmo, dimensionando duas resistências [41]. 54 Figura 3-28-Esquemático do Regulador Inversor, no Altium A equação do seu dimensionamento é apresentada na 3-2. 𝑉𝑜𝑢𝑡 =−1.23 𝑉×(𝑅1+𝑅2 𝑅2 ) 3-2 𝑉𝑜𝑢𝑡 =−3 𝑉 ⟶𝑅1=15 𝑘Ω ;𝑅2=10 𝑘Ω Apesar de ter um consumo que excede os 650 µA, este regulador permite o shutdown , e o consumo desce para 5 µA. 3.6 Sensor de Pressão e Temperatura Foi integrado um sensor de temperatura e pressão MS5837-30BA, Figura 3-29, que mede a temperatura numa gama entre -20 ºC a 85 ºC com resolução de 0.0022 ºC. Em relação à pressão, é possível ler pressões até 30 bar com resolução de 0.2 mbar. O sensor comunica com o microcontrolador utilizando o protocolo I2C, tendo um tempo de leitura inferior a 0,5 ms e um consumo (em modo sleep) de 0,6 µA [42]. Figura 3-29-Sensor de pressão e temperatura, MS5837-30BA 55 3.7 Microcontrolador O microcontrolador é responsável por comunicar com os sensores, recolher os dados das variáveis e armazená-los na memória externa. Foi escolhido o microcontrolador STM32L010K8T6, Figura 3-30 por ser de tamanho reduzido e pertencer a uma família de microcontroladores de baixo consumo, com um número reduzido de pinos (cerca de 32 pinos) e velocidade de processamento adequadas à aplicação do sensor. Figura 3-30STM32L010K8T6 Possui um processador Cortex-M3 de 32 bits e possui 32 KB de memória flash e 8 KB de SRAM. Inclui interfaces de comunicação como USART, I2C e SPI, além de periféricos de entrada e saída como GPIOs, timers e ADCs. Opera numa tensão de alimentação de 2.0V a 3.6V.[43] O microcontrolador é responsável por adquirir variáveis de condutividade, temperatura e pressão; converter para salinidade e transmitir os dados para um datalogger , onde são armazenados. O esquema de ligações do microcontrolador está representado na Figura 3-31. Figura 3-31-Esquemático do microcontrolador no Altium 56 3.8 Desenho do Circuito Impresso Neste subcapítulo é descrito o design e resultado da colocação de todos os componentes, caracterizados anteriormente, numa PCB. A PCB, Figura 3-32, é composta pela eletrónica de instrumentação, sensor de pressão e temperatura, microcontrolador, para posterior processamento de dados e todos os componentes necessários para a comunicação. À exceção de alguns condensadores, que necessitam de se encontrar perto do microcontrolador, todos os componentes foram colocados numa camada. Figura 3-32-PCB (lado esquerdo Top Layer e do lado direito Bottom Layer) 3.9 Processamento de Dados O processamento de dados é o processo de recolher, armazenar e posteriormente analisar as informações recebidas pelo sensor. Neste projeto, é recolhido o valor do ADC, temperatura e pressão para posteriormente, essa informação, ser tratada e convertida num valor de salinidade. A monitorização desse processo é realizada pela STM32L010K8T6, características apresentadas no subcapítulo anterior. O processo de recolha é realizado pelo RS-485 ilustrado na Figura 3-33[44]. 63 Figura 4-6-Resultado teste em laboratório do retificador Os resultados em laboratório foram favoráveis, apesar de ser ainda possível verificar a onda retificada com ruído (proveniente da breadboard , fios elétricos, entre outros) e ligeira distorção. 4.2 Testes e Resultados funcionais Após fabrico da PCB é necessário examinar o seu desempenho. Na Figura 4-7 é possível observar as entradas do microcontrolador, e dos amplificadores operacionais, vindas dos reguladores. Nos reguladores positivos, alimentação do microcontrolador e alimentação positiva do ampop, pode-se ver 3.2 V, ao contrário do regulador negativo, em que a entrada é de cerca de -2.4 V. Esse valor não será uma questão, visto que não influencia o comportamento do oscilador. Figura 4-7Regulador de tensão positiva (à esquerda) e Regulador de tensão negativa (à direita) Na Figura 4-8 é possível observar a saída do oscilador, a saída da bobina recetora e a retificação da onda. 64 Figura 4-8Saída do oscilador, saída da bobina recetora e retificação da onda Ao verificar a retificação da onda, percebe-se que esta não está de acordo com o previsto. Existem duas possíveis causas para isso. Uma delas é a presença de um loop de realimentação negativa no circuito. Isso acontece quando o sinal de saída do circuito é realimentado para a entrada do amplificador operacional ( ampop ) de forma a atenuar o sinal original, em vez de amplificá-lo. Esse tipo de realimentação negativa pode ocorrer devido a uma diferença de fase entre o sinal de entrada e o sinal de saída do ampop, o que pode levar à alteração do ganho do circuito e à distorção da forma de onda retificada. A outra possível causa é a inadequação dos díodos escolhidos para o circuito. Se os díodos utilizados não forem rápidos o suficiente para acompanhar a frequência da forma de onda de entrada, isso pode levar a uma onda retificada distorcida ou incompleta. Este problema não foi uma entrave para a continuação do projeto porque ocorre uma filtragem do retificador, provocando apenas uma pequena diminuição do valor medido, que pode ser corrigido por software. 65 4.3 Testes com o sensor encapsulado Como verificado no Capítulo 3, o melhor encapsulamento seria silicone. Por essa razão, procedeuse ao isolamento do sensor da Tabela 3-3, pois era um dos conjuntos com um comportamento estável e fiável. A Figura 4-9 apresenta o sensor encapsulado em silicone. Figura 4-9Encapsulamento do sensor em silicone O sensor foi submetido a um teste usando a PCB fabricada. O teste foi repetido 5 vezes para avaliar a precisão das medições, e no final foi calculada a média dos valores obtidos. Os resultados individuais de cada teste, juntamente com a média, estão apresentados na Tabela 4-1. A partir da média, observa-se pela Figura 4-10 o comportamento do sensor após encapsulamento, apresentando a tensão de saída (eixo y), em função da salinidade. Tabela 4-1Valores de tensão, em mV na bobina de receção com o sensor encapsulado 66 Figura 4-10Tensão de saída em função da salinidade Após confirmar um comportamento adequado do sensor, foi realizado o processo final de medição. Nesta etapa, os resultados são obtidos após o sinal ser retificado, filtrado e lido pelo (ADC) do microcontrolador. Foram, novamente, realizadas 5 repetições e os valores estão na Tabela 4-2. A Figura 4-11 representa a salinidade PSU (eixo y) em função do valor (média) do ADC do microcontrolador. Os valores apresentados encontram-se em mV. Com este teste realizado é possível fazer a reta de calibração, ainda que esta não seja a final. É possível observar que uma reta de calibração possível seria função potência, Equação 4-1. 𝑃𝑆𝑈=0,1697×𝐴𝐷𝐶1,761 A equação foi possível obter, através da ferramenta Excel. A reta original e a função de potência encontram-se na Figura 4-11, azul e laranja, respetivamente. PSU representa a salinidade e ADC o valor obtido no ADC do microcontrolador. A cada valor do ADC foi ocorrido uma subtração de 19.5 para 4-1 Tabela 4-2Resultados de testes finais, em mV, no sensor encapsulado 67 possível offset natural. Por outro lado, a função potência nunca obterá valores negativos, o que para o projeto em questão não será um problema, visto que, não existe valores de PSU negativos. Figura 4-11Função de calibração 4.4 Protótipo Final Conforme analisado nos capítulos anteriores, o encapsulamento da parte indutiva requer o uso de silicone devido às suas propriedades específicas. Por outro lado, para a parte eletrónica, é preferível o uso de resina epóxi devido às vantagens que ela oferece. A resina epóxi é aderente e forma uma barreira sólida em torno dos componentes eletrónicos, proporcionando proteção eficaz contra danos externos. Foi possível criar um protótipo como ilustrado na Figura 4-12. Na parte superior encontra-se a parte eletrónica e na inferior o sensor indutivo. Figura 4-12Elaboração do protótipo Idealização Protótipo Final Parte superior Parte inferior 68 Especificando melhor, é possível verificar pela Figura 4-13, que na parte superior encontram-se duas roscas, onde na maior se depara com o acionamento do sistema (através de um interruptor) e o carregamento do mesmo, e na mais pequena para uma reprogramação necessária do microcontrolador do sensor. Para verificar, se o sistema está ligado, é acionado um led vermelho, onde, ao longo do seu funcionamento este liga só para confirmar que o sensor continua ligado. Figura 4-13Parte superior do protótipo Na Figura 4-14, é apresentado o esquemático de ligação do conector da rosca pequena e as ligações para o datalogger (cabo preto que sai do sistema). Figura 4-14Ligação Re-Programação Microcontrolador e Datalogger Acionamento e carregamento do sistema Reprogramação do microcontrolador Led 69 Após a integração e resinação conjunta da parte indutiva e eletrónica, é viável prosseguir com a segunda calibração, considerando a influência da temperatura. 70 5 Conclusão e Trabalho Futuro Nesta secção conclusiva, serão expostas as considerações finais desta dissertação, abrangendo as principais conclusões derivadas da mesma, bem como as perspetivas e direções para futuro. 5.1 Conclusão Ao longo da dissertação, foi explorado em profundidade o tema proposto, analisando diversos aspetos inter-relacionados. O objetivo da dissertação concentra-se no desenvolvimento de um sensor de salinidade indutivo, de baixo custo e elevada autonomia, para integrar numa rede de sensores para medir em coluna de água. Após análise, é evidente que a configuração de um sensor indutivo não possui um consenso claro. No entanto, nesta dissertação, optou-se por utilizar um sensor indutivo composto por duas bobinas em formato de toroide, que são enroladas com espiras de fio de cobre. Durante esta dissertação, foi realizada uma cuidadosa seleção do material das toróides, e o escolhido foi a ferrite. Essa escolha foi baseada em diversas vantagens associadas a esse material. Além disso, foi necessário investigar e identificar o tipo específico de ferrite a ser utilizado, levando em consideração as categorias de ferrites macias, duras, amorfas, cristalinas e nano-cristalinas. No contexto deste estudo, as toroides selecionadas foram feitas de material amorfo e com ferrites macias, caracterizadas pela sua estrutura cristalina. Para validar o funcionamento de um sensor indutivo, foram realizados uma série de testes. Várias bobinas de material amorfo, com diferentes formatos e números de voltas, foram imersas em água do mar, e foi observado que todos os conjuntos detetavam a presença de campo magnético, conforme previsto pela teoria. Em seguida, os mesmos conjuntos foram submetidos a testes num ambiente controlado, onde a quantidade de salinidade variava de 1 PSU a 50 PSU. No entanto, esses testes não forneceram resultados conclusivos, pois nenhum dos conjuntos conseguia detetar com facilidade as diferentes concentrações de salinidade. Isso indica que os conjuntos originais não eram adequados para essa finalidade específica. Diante disso, foram formados dois novos conjuntos, utilizando bobinas que foram empregadas nos testes anteriores. Num novo teste, esses conjuntos demonstraram a capacidade de discriminar as 71 diferentes concentrações de salinidade. Em particular, o conjunto F foi capaz de realizar essa tarefa com sucesso. Esses resultados apontam para a importância de selecionar adequadamente as bobinas e suas características, levando em consideração as propriedades específicas do meio em que o sensor será introduzido. A fim de investigar a capacidade discriminativa de um conjunto de bobinas feitas de material amorfo em relação às diferentes salinidades, foi conduzida uma análise adicional utilizando núcleos de ferrite de Mn-Zn, especificamente N87. Concluiu-se que o uso dessas ferrites é adequado para medições de salinidade devido à sua capacidade ampliada de concentração do campo magnético, resultando numa maior sensibilidade às mudanças de salinidade. Durante o curso deste estudo, foram realizados diversos testes para avaliar a influência da tensão de excitação na resposta do sensor. Os resultados desses testes revelaram que a tensão de excitação não exerce uma influência significativa na resposta do mesmo. Num teste subsequente, foi realizado o uso exclusivo do material Mn-Zn. Nesse teste, assim como no experimento anterior, observou-se uma discriminação da salinidade. No entanto, foi observado um aumento na frequência de ressonância, além da presença de dois comportamentos distintos: um antes da frequência de ressonância e outro após a frequência de ressonância. Este conjunto não seria adequado para o projeto, pois apresenta uma frequência de ressonância elevada. Por fim, o último teste realizado visou investigar a influência do número de voltas nas bobinas. Observou-se que, ao diminuir o número de voltas mantendo o conjunto de bobinas, a frequência de ressonância aumentou. Essa variação sugere que o número de voltas tem um impacto direto na resposta do sensor, afetando a frequência de ressonância. Na segunda parte deste estudo, o tipo de encapsulamento escolhido para o sensor também foi avaliado quanto ao seu impacto nas propriedades elétricas. Três materiais de encapsulamento foram testados: resina epóxi, silicone e plastik 70. Através desses testes, foi possível determinar qual material de encapsulamento é o mais adequado para o sensor. Após a realização dos testes com diferentes materiais de encapsulamento, concluiu-se que o silicone é o material mais indicado. Quando o sensor é encapsulado em silicone, o seu comportamento não sofre alterações significativas, permitindo a discriminação das diferentes salinidades. Além disso, observou-se que a frequência de ressonância do sensor é afetada pelo encapsulamento em silicone. Após a conclusão destes procedimentos, foi possível desenvolver o sensor e realizar o primeiro teste de calibração. O conjunto de bobinas com melhores resultados, relembra-se que este é composto pelo material de N87, foi submetido ao processo de isolamento, utilizando silicone. Foram realizados os 72 mesmos testes, a que anteriormente este foi submetido, para verificar o correto funcionamento do sensor, e, por fim, obteve-se uma reta de calibração que permite calcular a salinidade através do valor obtido no ADC do microcontrolador. A integração e encapsulamento em conjunto da parte indutiva e eletrónica, permitem prosseguir com a segunda calibração, considerando a influência da temperatura. Este projeto foi apresentado na 12ª edição do Congresso Internacional Ibero-Americano de Sensores (Aveiro, 2022) e no Congresso Nacional Ciência 2023 (Aveiro, 2023). 5.2 Trabalho futuro Para trabalho futuro, apesar de ter sido realizado um teste preliminar de funcionamento antes da aplicação do isolamento final à eletrónica, ainda não foi possível realizar uma avaliação completa do sistema. Como próximo passo, é necessário desenvolver uma curva de calibração apropriada, investigando a influência da temperatura no desempenho do sistema. Essa etapa é realizada criando um ambiente controlado de diversas temperaturas com a mesma quantidade de sal a fim de calcular o fator de correção necessário para garantir resultados mais precisos e realistas. Essa análise permitirá compreender como o sistema se comporta em diferentes condições térmicas, garantindo uma caracterização abrangente. Por último torna-se importante verificar o verdadeiro consumo de energia do sistema, e validar a autonomia.