#061 - Medidor de Umidade Relativa Eletrônico

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O objetivo desta postagem é mostrar o projeto de um indicador de umidade relativa com indicação analógica.

Escrito e desenvolvido por Léo Corradini

O projeto baseia-se no circuito integrado HIH-4000 da Honeywell.




Esse circuito integrado gera uma tensão entre 0,8 a 3,9V para a faixa de 0 a 100% de umidade relativa em 25°C.

A fórmula que define seu funcionamento é:

U=(((E/V)-0,16)/0,0062)/(1,054-(0,00216xT))

Onde:

U = Valor da umidade relativa (%).
E = Tensão na saída do sensor (V). 
V = Tensão de alimentação do sensor (5V).
T = Temperatura do sensor (°C).

A temperatura é fácil de medir, já a umidade relativa exige um artifício que envolve o uso de sais puros, costumo usar o cloreto de magnésio e o cloreto de sódio.


Pode-se obter dentro de um pequeno volume fechado uma umidade relativa bem estabelecida a uma determinada temperatura.
Para tanto, basta que tenhamos uma solução saturada com excesso de MgCl2 ou NaCl em contato com o ar desse pequeno volume.

Assim, uma solução saturada e com excesso de cloreto de magnésio gera a 25°C uma umidade relativa de 33%. 
Já o cloreto de sódio, nas mesmas condições, produz uma umidade relativa de 75,3%.


Valores para outros sais e temperaturas:

.......Sal.....temp.°C...........5......10.....15......20......25
  
Cloreto de Lítio...............11,3...11,3...11,3...11,3...11,3  
Cloreto de Magnésio........33,6...33,5...33,3...33,1...32,8  
Carbonato de Potássio.....43,1...43,1...43,1...43,2...43,2  
Brometo de Sódio............63,5...62,2...60,7...59,1...57,6  
Cloreto de Sódio.............75,7...75,7...75,6....75,7...75,3  
Cloreto de Potássio.........87,7...86,8...85,9....85,1...84,3  
Sulfato de Potássio.........98,5...98,2...97,9....97,6...97,3  

Esquema experimental para os testes com o sensor de umidade HIH-4000.




Usei um multímetro digital de alta impedância (10 Mohm), na escala de tensão, para fazer as medidas na saída do sensor.

O consumo de corrente é pequeno (~3mA) que permite o uso de uma bateria alcalina de 9V.

A tensão que alimenta o sensor é regulada em 5V pelo circuito integrado 78L05.

Coloquei um filtro na saída do sensor, composto pelo resistor de 100 kohm e um capacitor de 100nF, para minimizar eventuais interferências eletromagnéticas.

Protótipo do circuito com conector para testar o sensor.









A tensão de saída foi 3,04V a temperatura ambiente era 25°C.

A tensão na saída do regulador 78L05 é 5,038V.

Entrando esses valores na fórmula teórica:

U=(((E/V)-0,16)/0,0062)/(1,054-(0,00216xT))

E=3,04V  V=5,038V   T=25°C

U=(((3,04/5,038)-0,16)/0,0062)/(1,054-(0,00216x25))

U=71,5%


Usando um galvanômetro para indicar a umidade relativa.

No geral, os galvanômetros necessitam de uma corrente relativamente grande para funcionar.

No entanto, só podemos drenar na saída do HIH-4000, segundo a Honeywell, o máximo de 50 µA.

Essa corrente é insuficiente para acionar o galvanômetro escolhido para esse projeto  que necessita de 1 mA para atingir o fim de escala. 





Em princípio, para indicar a umidade relativa usando o HIH-4000 e alimentado com 5 V à 25°C necessitamos de um voltímetro com início de escala em 0,8 V e 3,9 V no fim de escala.

Ou seja com uma tensão de 0,8 V na entrada nosso voltímetro deve indicar 0% de umidade relativa e com 3,9 V deve indicar 100% e não pode drenar uma corrente superior a 50 µA do sensor. 

Quando usamos o multímetro digital, que costuma ter uma alta impedância de entrada (em geral  maior ou igual a 10 Mohm), não temos problemas com a corrente drenada do sensor.

Porém ele, o multímetro, fornece apenas a tensão de saída do sensor, então temos que entrar esse valor na fórmula geral junto com a temperatura ambiente para chegarmos ao valor de umidade relativa.

Para usar o galvanômetro, temos que recorrer a um circuito eletrônico elaborado especialmente para essa finalidade.


Assim, é necessário recorrer ao canivete suíço da eletrônica analógica, o amplificador operacional.

Com o amplificador operacional podemos compatibilizar a corrente de saída do sensor com a corrente necessária para esse galvanômetro e ajustar os valores de início e fim de escala.

Usei o amplificador operacional duplo LM358A para esse projeto.






Protótipo da placa de circuito impresso do medidor:




Placa montada no galvanômetro:





Inicialmente, calibrei o aparelho no início (zero) e no fim de escala (span) com os valores teóricos 0,8 e 3,9V.


Na prática, os sinais de saída do sensor podem não ser os valores informados no datasheet do fabricante.

Assim, temos que desenvolver meios para calibrar o medidor em condições reais de funcionamento.

Decidi fazer a calibração em dois pontos: com 0% e em 75,3% de umidade relativa.

Para gerar 0% utilizei um pote de vidro com uma tampa de metal, evitei o uso do plástico porque a umidade pode atravessar através dele.

Montei um cabo de extensão na tampa para ligar o sensor ao circuito.





Dentro do pote de vidro coloquei cerca de vinte gramas de óxido de cálcio em um pequeno recipiente de plástico e, apenas como referência, um indicador comercial de umidade relativa que usa uma espiral com o par metal-polímero.

O CaO é um excelente sequestrante de água, porém faz isso de forma relativamente lenta.

Depois de cinco dias a umidade relativa começou a estabilizar em 0% no indicador comercial e 6% no indicador eletrônico.





Fiquei surpreso com o valor indicado no medidor comercial, imaginei que o erro nesse tipo de indicador fosse maior! 

Para fazer a pré-calibração, primeiro ajusta-se a tensão no ponto "A" em relação ao ponto "C" do circuito em 0,8V atuando no trimpot de 50kohm (zero). 



Para fazer o ajuste de span desconecta-se o sensor HIH-4000 do circuito e injeta-se 3,9V no ponto "B", usando o ponto "C" como terra, em seguida atua-se no trimpot de 1kohm (span) até que o ponteiro do galvanômetro atinja a marca de 100%.



A dependência térmica do sensor.

Pela fórmula geral podemos encontrar a deriva de tensão na saída do HIH-4000 em função da temperatura para um determinado valor de umidade relativa.

U=(((E/V)-0,16)/0,0062)/(1,054-(0,00216xT))

Onde:

U = Valor da umidade relativa (%).
E = Tensão na saída do sensor (V). 
V = Tensão de alimentação do sensor (5V).
T = Temperatura do sensor (°C).

Para os cálculos, vou considerar dois valores de temperatura e três valores de umidade relativa.


Para: T=25°C U=100%  V=5V  Temos: E=3,9000V 
      T=35°C U=100%  V=5V  Temos: E=3,8330V

Deriva da tensão na saída: -6,7mV/°C

Para: T=25°C U=60%  V=5V  Temos: E=2,6600V 
      T=35°C U=60%  V=5V  Temos: E=2,6198V

Deriva da tensão na saída: -4mV/°C

Para: T=25°C U=0%  V=5V  Temos: E=0,8000V 
      T=35°C U=0%  V=5V  Temos: E=0,8000V

Deriva da tensão na saída: 0mV/°C


A tensão na saída do sensor diminui com o aumento da temperatura e essa redução é mais forte com valores mais altos da umidade relativa.

Porém, é uma deriva pequena se considerarmos a indicação analógica, mais representativa se a indicação for digital.

No pior caso (U=100%) um aumento de 10°C representa uma redução na leitura de 2,2%.
Com indicação de umidade relativa de 60% o erro será de 1,3%, para uma indicação com ponteiro, é um erro aceitável. 





Para calibrar o medidor de umidade relativa em um ponto próximo do fim de escala usei uma solução saturada e com excesso de Cloreto de Sódio.

O NaCl molhado produz em um volume fechado à 25°C o equivalente à 75,3% de umidade relativa.

Usei  o sal grosso para esse ajuste, coloquei os cristais sobre uma peneira e lavei ligeiramente com água destilada para reduzir a quantidade de impurezas.




O sal por força da legislação é aditivado com íons iodato, cuja presença usei para testar a eficiência da purificação.

O íon iodato reage com o íon iodeto em meio ácido produzindo Iodo livre.

(IO³-) + (5I-)  + (6H+) = 3I2 + 3H²O

O iodo livre, nesse ensaio, pode mostrar-se do incolor até o amarelo claro, dependendo da concentração.

Para aumentar a sensibilidade usei um pouco de amido, que se tinge de roxo quando em contato com o iodo livre.

Procedimento: 

- Dissolvi um grama de amostra do sal em 10ml de água destilada.

- Acrescentei duas gotas de solução com um grama de iodeto de potássio dissolvido em 10ml de água destilada.


- Mais duas gotas de solução com 1,25mL de ácido clorídrico em 25ml de água destilada.

- Finalmente, três gotas de solução de amido solúvel a 1%. 

Uma cor variando de azul claro até roxo escuro indicará a presença do iodato.

Repeti esse ensaio com o sal lavado, a fraca cor azul mostrou que o sal está relativamente descontaminado.

Na foto, o resultado de seis purificações sucessivas, usando água filtrada e sem cloro.

O primeiro frasco da esquerda mostra o resultado da análise de uma amostra da água, teste em branco.





Acredito que para essa finalidade, o sal já está suficientemente limpo.

Atualmente, estou usando o cloreto de sódio grau analítico.

As funções "EQN" e "SOLVE" da calculadora hp35s são uma mão na roda com as equações.




A função "EQN" permite inserir equações de forma simples e sem a necessidade de criar um programa.

No display, a equação fica igual, ou seja:

U=(((E/V)-0,16)/0,0062)/(1,054-(0,00216xT))

A função "SOLVE" permite resolver qualquer variável da equação sem a necessidade de colocá-la em evidência.



Veja também:

Medindo a Umidade Relativa com o Cloreto de Cobalto
https://potassio-40.blogspot.com.br/2018/02/medindo-umidade-relativa-com-o-cloreto.html

Umidade relativa
https://potassio-40.blogspot.com.br/2017/11/o-objetivo-deste-ensaio-e-mostrar-uma.html














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