CONSTRUÇÃO DE MEDIDOR DE CONDUTIVIDADE DIGITAL PORTÁTIL E DE BAIXO CUSTO
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Almir Vinicius de Souza Teixeira¹* e Adriana Vieira dos Santos
*Bolsista PIBIC Jr., e-mail: [email protected]
1-Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia – campus Santo Amaro.
Artigo submetido em agosto/2013 e aceito em junho/2013
RESUMO
O condutivímetro é um equipamento que
devido ao seu custo acaba sendo pouco utilizado em
laboratórios de educação básica, desta maneira, na
busca por uma alternativa surgiu a proposta de construir
um condutivimetro portátil e de baixo custo. O
dispositivo comercial é pouco utilizado nas praticas
laboratoriais no ensino médio. Testes de condutividade
através de meios qualitativos é um dos métodos mais
aplicados para verificação da diferença de condução
elétrica, no entanto a disponibilização de meios
quantitativos de medição de condutividade fazem-se
interessantes para a rotina laboratorial. A utilização da
plataforma de prototipagem do Arduino, possibilitou a
aquisição de dados digitais, seguindo ainda a proposta
do baixo custo.
PALAVRAS-CHAVE: medidor de condutividade, Arduino, baixo custo.
CONSTRUCTION OF DIGITAL PORTABLE CONDUCTIVITY METER AND LOW COST
ABSTRACT
The conductivity meter is a device that due to
its high cost ends up being little used in laboratories for
basic education in this way in the search for an
alternative was proposed to build a portable
conductivity and low cost. The commercial device is
rarely used in practice in the school laboratory.
Conductivity tests by means of qualitative methods is
applied to check the difference in electrical conduction,
however the availability of quantitative means of
measuring conductivity make it interesting for the
routine laboratory. The use of the Arduino prototyping
platform, enabled the acquisition of digital data, still
following the proposal's cost.
KEY-WORDS: conductivity meter, Arduino, low cost
Anais do Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e Inovação, 2013
ISBN nº978-85-67562-01-8
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TEIXEIRA&SANTOS (2013)
CONSTRUÇÃO DE CONDUTIVÍMETRO PORTÁTIL E DE BAIXO CUSTO
INTRODUÇÃO
A medição da condutividade em soluções teve início entre os anos de 1869 e 1880 por
Friedrich Kohlrausch, na Alemanha, com o objetivo de obter produto iônico, através de sua
invenção conhecida como a ponte Kohlrausch (HORIBA, 2001). Em aperfeiçoamento a técnica
empregada pela ponte Kohlrausch surgiu o condutivímetro.
O condutivímetro é um equipamento utilizado na verificação da condutividade de
eletrólitos, avaliando a sua capacidade de condução elétrica e possibilizando uma transcrição
visual dessa análise, seja por números, ponteiros ou emissores de luminosidade. A capacidade
de conduzir eletricidade varia de uma substância a outra, dependendo da quantidade de íons, da
polaridade, e até mesmo da concentração, onde as correntes são deslocadas através dos cátions
e ânions dissolvidos na solução (FIGUEIRÊDO, 2008). Essa variação em relação ao número de íons
e suas velocidades em meio aquoso vai determinar a condutância do eletrólito e possibilitará
medir a capacidade de condução elétrica ou até mesmo a resistência de uma solução.
Os medidores de condutividade são aplicados em analises químicas, onde a identificação
de íons e a polaridade colaboram na identificação de espécies químicas em soluções aquosas.
Também é aplicado em verificações de potabilidade de água, na determinação da sua pureza e
diluição de íons, necessários em observações de concentrações de solutos e padrões de consumo
humano (SANTOS, MÓL, 2005). Estes dispositivos podem facilmente ser aplicados em aulas de
eletroquímica, ácidos, bases e sais e uma gama de assuntos referentes a físico-química, mas
devido ao seu alto custo, a utilização não abrange as sala de aula e nem as experiências práticas
em laboratórios para os estudantes do ensino médio, especialmente.
Relacionar a concentração, a resistência e a condutância e demonstrar através de meios
visuais e dados numéricos, facilita a compreensão, possibilitando uma experiência de
aprendizado mais completa, em junção com tecnologias acessíveis e com custos mais baixos. Este
trabalho apresenta construção de um medidor de condutividade utilizando o Arduino originado
do projeto de "Construção de equipamentos de baixo custo e fácil aquisição" desenvolvido no
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia campus Santo Amaro.
MATERIAIS E MÉTODOS
A medição de condutância de forma digital deveria ser realizada sob um aspecto prático.
Para aferir e obter esses dados digitais, é necessário utilizar micro controladores e um circuito
eletrônico preciso, que pelo método de queda de tensão avaliasse esses valores de condutância.
Pelo custo e facilidade da montagem dos circuitos, foi escolhida a plataforma de
prototipagem Arduino em sua versão Arduino Uno. Esta plataforma possibilitou a aquisição de
dados analógicos e convertê-los em digitais atuando em uma tensão de 5 volts, um oscilador de
cristal de 16 MHz e uma verificação de sinal digital em uma faixa com valores de 0 a 1023, por
possuir um micro controlador ATmega328 de 8 bits.
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As ferramentas de trabalho empregadas foram o ferro de soldar, a solda de estanho, fios
de cobre e de alumínio, multímetro (ohmimetro), leds, pilhas de 9 V , além de resistores com
variados valores de resistência.
Os eletrodos são essenciais nos medidores de condutividade, isto porque conduzem a
corrente do circuito ao eletrólito, sendo os terminais necessários para transferir a energia e
receptá-la e assim retornar a corrente novamente ao circuito. Assim pode-se verificar a diferença
de potencial dos eletrodos para poder encontrar a resistência, e a condutância será o inverso da
resistência encontrada.
O material, que constituiu os eletrodos, foi escolhido tanto pela disponibilidade de
materiais como pela resistência que ele possui. A tabela 1 demonstra a resistência dos materiais
dos eletrodos, medidos individualmente com 2 mm de diâmetro e 15 mm de comprimento cada.
Tabela 1. Resistência dos materiais dos eletrodos
Materiais
Resistência
Aluminio
0,7 ohm
Carbono
6,1 ohm
Cobre
0,8 ohm
Liga de Aluminio
0,7 ohm
Quanto menor a resistência dos eletrodos, maior facilidade terá a corrente elétrica de
corrente contínua ao atravessar o circuito e possibilitando valores de condutância dos eletrólitos
com pouca interferência da resistência do material do eletrodo. O cobre tem um alto custo. O
alumínio sofre algumas reações químicas facilmente. Já o carbono possui uma resistência um
pouco alta em relação aos outros materiais. Sendo a melhor alternativa uma liga de alumínio
utilizada em pontas de provas de alguns tipos de multímetros analógicos e digitais.
O Arduino por ter um conversor A/D (Analógico/Digital) iria converter os valores de
entrada. Porém esse dados ainda precisavam ser processados e submetidos a formulação que
garanta que os valores sejam dados na unidade que se queria obter, que é o mS (miliSiemens).
Sabendo que a condutância, dada em S (Siemens) é o inverso da resistência, dada em Ω (Ohm),
concluiu-se que:
mS = 103/ Ω
Fórmula (1)
A elaboração do algoritmo, para controle do medidor de condutividade através do
Arduino, foi baseado no script de medição de resistência, sendo este:
val = analogRead(aPinIn);
Vout = (Vin/1023.0) * float(val);
Resistencia = Rcontrole*((Vin/Vout) - 1);
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Fórmula (2)
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A variável analogRead(aPinIn), indica a leitura do sinal convertido; Vin , a tensão de
entrada; float(val), o valor de leitura do sinal convertido; Vout, tensão de saída. Como também a
resistência da carga (Rc) foi medida com:
Rc = 1023*R/analog – R
Fórmula (3)
Sendo analog o valor de entrada analógica do arduino, ou seja, o valor de conversão do
sinal analógico (0 a 5v) para o digital na faixa de 0 a 1023. A resistência da carga (Rc) é a do
eletrólito. E o R é a resistência do resistor de controle.
O resistor de controle funcionou como valor base para medição, sendo a referência que
se tomou no processamento dos dados, por ser um valor constante com quase nenhuma
variação, além de proteger o circuito de uma corrente direta. E dividindo a tensão com eletrólito
pode-se utilizar o método do divisor de tensão.
Sabendo o método para medir, definiu-se o circuito base realizando um simples desenho
esquemático para verificar as ligações de teste.
Figura 1. Desenho esquemático do circuito base para medição de condutância
A corrente liberada através do pino 5v da plataforma de prototipagem passa pelo
eletrólito atravessando os eletrodos, onde a corrente tem uma passagem pelo resistor de
controle (que é tido como referência e impede problemas no micro controlador), chegando na
entrada analógica da plataforma, definido pino 0, onde os sinais são convertidos. A conexão
serial entre o Arduino Uno e a IDE do Arduino, permitiu a leitura de dados pelo Serial Monitor, e
a transcrição de dados no monitor do computador pela janela do programa ou pelo USB Serial
Monitor Lite para Sistema Operacional Android.
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O resistor de controle utilizado foi de 1KΩ (ohm), devido a maior disponibilidade. No
entanto o resistor de controle poderia ser de qualquer valor de resistência, mas deveria ser
especificado no algoritmo de processamento do micro controlador do Arduino.
Para comportar todo o circuito utilizou-se uma caixa patola, servindo como um case para
o dispositivo. Os eletrodos foram dispostos a uma distância de 1 cm, um em relação ao outro.
Para definir a portabilidade, o Arduino seria alimentado com uma pilha de 9 V e a aquisição de
dados poderia ser feita por qualquer notebook, celulares e até tablets com o sistema operacional
Android.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O modelo de protótipo construído apresentou 140 gramas. Tendo 10 bits de resolução,
devido ao micro controlador utilizado (ATmega328). Atuando em uma faixa em torno de 0,0009
mS a 512 mS. O custo total de construção ficou R$ 72,18 conforme a pequena lista de materiais da tabela
2.
Tabela 2. Custos componentes do medidor de condutividade
Componentes
Arduino
Resistor 1K
Caixa Patola
Custo Total
Preço (R$)
59,90
0,28
12,00
R$ 72,18
A pilha de 9 volts que seria utilizada para alimentação da plataforma de prototipagem foi
retirada por não ser necessário, devido a própria alimentação USB fornecer eletricidade para
aquisição de dados e funcionamento do Arduino.
O algoritmo é enviado para o IDE (programa responsável por compilar a programação a
ser enviada para o micro controlador) do Arduino e é feito o upload para o microcontrolador no
qual retorna com resultados no Serial Monitor. Nos testes, foram verificados problemas relativos
a unidades e a erros simples de caracteres, mas funcionando adequadamente. Com a conversão
feita da forma correta, os valores passaram a retornar na sua devida unidade e os resultados
atualizados em períodos curtos de tempo.
Se o objetivo do operador do medidor de condutividade é apenas a digitalização de sinais
analógicos instrumentais, a interface proposta com o Arduíno pode ser considerada uma
alternativa bastante atraente, devido ao seu baixo custo (cerca de R$72,18) e sua facilidade de
construção.
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NaCl
Figura 2. Variação da condutividade em função da concentração molar (NaCl).
A figura 2 demonstra os valores de condutividade obtidos em diferentes concentrações de
soluções preparadas a partir do cloreto de sódio (NaCl). Percebe-se que quanto maior a
concentração, maior a condutividade do eletrólito (solução eletrolítica).
O algoritmo criado a partir da medição de resistência pelo método do divisor de tensão é
mostrado na figura 3 na IDE do Arduino. Já a figura 4, demonstra o seu funcionamento no serial
Monitor. Para medir a condutividade, colocou-se, no campo do serial monitor, a tecla “a” e teclar
ENTER ou clicar no Send. Assim aparece o valor de condutividade medida pelo dispositivo (Figura
4).
Figura 3. Código para medição da condutividade
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Figura 4. Medição de condutividade de amostra água de torneira
O Serial Monitor é open source e pode ser feito o download e executado ser necessidade
instalação no notebook ou computador pessoal. E o USB Serial Monitor Lite que faz a leitura
serial no SO Android também é open source. Assim permitiram a leitura da condutividade em
uma enorme variedade de dispositivos portáteis.
De acordo com os resultados obtidos pode-se constatar que a medição de condutividade
por um lado possa parecer fácil, mas por outro se verifica a instabilidade perante a condição que
é exposta com a passagem de elétrons, realizando uma reação de hidrólise que modifica a
estrutura química da solução com o decorrer do tempo. Sendo assim foi possível concluir o
quanto a medição de condutividade pode variar se demorar muito com os eletrodos dentro da
solução. Por isso colocou-se para realizar a medição quando for dado o comando, que seria o
caractere digitado.
CONCLUSÃO
O dispositivo proposto é um meio para obtenção de dados, tanto de uma forma didática,
como para comparações de resultados de condutividades de substâncias eletrolíticas. Essa
possibilidade abre espaço para aplicações em sala de aula, por utilizar resultados numéricos,
ferramentas como o computador, tablets e dispositivos que funcionem com o micro controlador
Arduino. O medidor de condutividade portátil permite ser utilizado não só em apenas em
ambientes fechados, mas também em ambientes externos.
Com este dispositivo pode-se constatar que o aprendizado de química e outras áreas do
conhecimento não irá se pautar apenas nas salas de aula ou em laboratórios. E mesmo em
laboratórios este aprendizado é auxiliado por equipamentos simples e de baixo custo que
possibilitam resultados necessários para incrementar as experiências e medições laboratoriais.
AGRADECIMENTOS
À Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia, pelo financiamento da bolsa de iniciação
científica PIBIC em parceria com IFBA e a Pró- Reitoria de Pesquisa, Pós-graduação e Inovação.
Agradeço também ao IFBA campus Santo Amaro e a coordenação de pesquisa pelo apoio dado
ao longo do desenvolvimento do projeto.
REFERÊNCIAS
1.
ALVARENGA B., MÁXIMO A. Curso de Física. Volume 3. 5 Ed. São Paulo: Scipione, 2000.
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Evil Quark LabsFiguring Stuff Out. Ohm meter using a Voltage Divider. Disponível em:
http://evilquark.com/blog/?p=49. Acesso em: 10 de fevereiro de 2013
3.
FERREIRA, M. Relatório referente á prática de condutividade de eletrólitos.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. Porto Alegre, 2001. Disponível em:
http://pt.scribd.com/doc/2974443/Quimica-Condutividade-Eletrolitos. Acesso em: 05 de abril
de 2013.
4.
FIGUEIRÊDO, F. V. Relatório de Aula Prática e Teórica de Análise Instrumental. Universidade
Federal de Pernambuco. Departamento de Engenharia Química. Recife, 2008. Disponível em:
Acesso em: 05 de abril de 2013.
5.
GASPAR, A. Fisica, Volume único, Ed. Ática, São Paulo, 2009.
6.
HALLIDAY, D., RESNIK, R.; KRANE, D. S. Física 3, volume 2, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004.
7.
Medidor
de
Condutividade
/
Resistividade.
Nivetec.
Disponível
em:
http://www.nivetec.com.br/htm/medanaliticocondutres istividade.htm. Acesso em: 05 de
abril de 2013.
8.
MÓL G. S., SANTOS W. L. P. (coord.) Química e Sociedade. Volume Único. 1º Ed. São Paulo:
Nova Geração, 2005.
9.
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Journal of Chemical Education, v. 70, p. 580-584, 1993.
10.
The History of Conductivity. Water Quality Analyzer Website. Horiba. Disponível em:
http://www.horiba.com/application/material-property-characterization/wateranalysis/water-quality-electrochemistry-instrumentation/ph-knowhow/the-story-ofconductivity/the-fundamentals/the-history-of-conductivity. Acesso em: 05 de abril de 2013.
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