Analise e Funcionamento de Circuito pHmetro - Engenharia Elétrica

Enunciado O profissional de Engenharia Elétrica pode atuar em diversos segmentos na indústria e em muitos deles a instrumentação e os sistemas de medição requerem especial atenção Entre os equipamentos usados na indústria podemos citar o pHmetro como um dispositivo simples e rápido usado para a medição de acidez e alcalinidade de um determinado fluido Um dispositivo medidor de pH é uma espécie de voltímetro medindo a DDP Diferença de Potencial Elétrico entre um eletrodo de referência e o eletrodo de pH A evolução tecnológica dos eletrodos chegou ao eletrodo combinado de pH que é um dispositivo aplicado em procedimentos de medição de potencial de hidrogênio que pode ser aplicado em indústrias e até mesmo em laboratórios Funciona por meio de um sensor que calcula a DDP diferença de potencial elétrico gerado pela concentração de íons H O principal diferencial desse tipo de eletrodo para outros é o seu sensor combinado que atua como os sensores de pH e de referência juntos Assim como os modelos com os dois sensores o eletrodo combinado de pH pode ser aplicado em diversos segmentos como os trabalhos industriais de pequeno a grande porte em instituições de ensino e sistemas de tratamento de água entre outros Funciona como uma pilha e fornece uma tensão em função do pH se for neutro pH 7 não produz tensão se for ácido produz tensões negativas mV se alcalino base produz tensões positivas A cada 1pH a Tensão Elétrica no eletrodo varia em módulo 5816 mV a 20C cinquenta e oito milivolts e dezesseis décimos a Com suas palavras explique o funcionamento do circuito b Qual a função da associados dos resistores R23 e R24 com o Resistor Variável RV3 c Qual o valor de tensão elétrica deverá ser medido no pino J9 Justifique corretamente d Qual a função dos Diodos Zener D4 e D5 e Qual a principal característica para a escolha do TL082 neste circuito f Considerando a aplicação e os níveis de tensão com variações da ordem de mili Volts qual recomendação você daria como projetista para a especificação de componentes passivos como os resistores utilizados no Circuito Importante Sempre desenvolva textos com sua própria argumentação Nunca copie e cole informações da Internet de outro colega ou qualquer outra fonte como sendo sua produção já que essas situações caracterizam plágio e invalidam sua atividade produz tensão se for ácido produz tensões negativas mV se alcalino base produz tensões positivas A cada 1pH a Tensão Elétrica no eletrodo varia em módulo 5816 mV a 20C cinquenta e oito milivolts e dezesseis décimos a Com suas palavras explique o funcionamento do circuito b Qual a função da associados dos resistores R23 e R24 com o Resistor Variável RV3 c Qual o valor de tensão elétrica deverá ser medido no pino J9 Justifique corretamente d Qual a função dos Diodos Zener D4 e D5 e Qual a principal característica para a escolha do TL082 neste circuito f Considerando a aplicação e os níveis de tensão com variações da ordem de mili Volts qual recomendação você daria como projetista para a especificação de componentes passivos como os resistores utilizados no Circuito Importante Sempre desenvolva textos com sua própria argumentação Nunca copie e cole informações da Internet de outro colega ou qualquer outra fonte como sendo sua produção já que essas situações caracterizam plágio e invalidam sua atividade Folha de Resposta AVC 2doc 17 agosto 2021 1410 ensino e sistemas de tratamento de água entre outros De forma geral o eletrodo combinado de pH é usado para avaliar a qualidade de um determinado meio principalmente aquoso O controle do pH das soluções determina a assertividade de cada processo de fabricação pois seus valores podem influenciar na cor sabor gosto durabilidade entre outros fatores Considerando que uma fábrica de chocolates estava recebendo um elevado número de reclamações devido a qualidade de seus produtos fato que levou todos os departamentos envolvidos com a formulação dos produtos e com os processos de fabricação a iniciarem uma minuciosa investigação para descobrir o que estava ocasionando a diferença no sabor em alguns lotes de produto Após descobrir que o problema com os produtos estava diretamente ligado a uma alteração no nível de pH de algumas soluções aquosas utilizadas nos processos de fabricação do chocolate o departamento de controle de qualidade solicitou à engenharia que desenvolvesse um equipamento que informasse em tempo real o nível de pH O circuito a seguir demonstra o circuito eletrônico do dispositivo desenvolvido pela Engenharia para leitura do nível de pH das soluções aquosas utilizadas no processo de fabricação do chocolate O sinal com a informação do nível de pH é disponibilizado para a entrada de um Microcontrolador este inicia o processo de automação que por sua vez sinaliza ao sistema de supervisão as alterações para que se inicie o processo para a correção necessária do nível de pH Considere que A Saída do circuito varia de 0 a 5 Volts linearmente sabendo que 5V corresponde a 0 pH e 0V corresponde a 14 pH V 12 Volts V 12 Volts Calibração é realizada por Software do Microcontrolador Tipo de Elemento Sensor Eletrodo combinado de pH No eletrodo o pH 7 neutro representa o centro da escala com valor de 0V sabendo que a escala varia conforme a fonte simétrica em 7 a 0 pH e em 7 a 14 pH Funciona como uma pilha e fornece uma tensão em função do pH se for neutro pH 7 não 2 AVC AVALIAÇÃO CONTÍNUA FOLHA DE RESPOSTA Disci INFORMAÇÕES IMPORTANTES LEIA ANTES DE INICIAR A Avaliação Contínua AVC é uma atividade que compreende a elaboração de uma produção dissertativa Esta avaliação vale até 100 pontos Atenção 1 Serão consideradas para avaliação somente as atividades com status enviado As atividades com status na forma de rascunho não serão corrigidas Lembrese de clicar no botão enviar Atenção2 A atividade deve ser postada somente neste modelo de Folha de Respostas preferencialmente na versão Pdf Importante Sempre desenvolva textos com a sua própria argumentação Nunca copie e cole informações da internet de outro colega ou qualquer outra fonte como sendo sua produção já que essas situações caracterizam plágio e invalidam sua atividade Se for pedido na atividade coloque as referências bibliográficas para não perder ponto CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES DISSERTATIVAS Conteúdo as respostas não possuem erros conceituais e reúnem todos os elementos pedidos Linguagem e clareza o texto deve estar correto quanto à ortografia ao vocabulário e às terminologias e as ideias devem ser apresentadas de forma clara sem incoerências Raciocínio o trabalho deve seguir uma linha de raciocínio que se relacione com o material didático Coerência o trabalho deve responder às questões propostas pela atividade Embasamento a argumentação deve ser sustentada por ideias presentes no conteúdo da disciplina A AVC que atender a todos os critérios sem nenhum erro conceitual de ortografia ou concordância bem como reunir todos os elementos necessários para uma resposta completa receberá nota 10 Cada erro será descontado de acordo com sua relevância CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DAS ATIVIDADES CÁLCULO Caminho de Resolução O trabalho deve seguir uma linha de raciocínio e coerência do início ao fim O aluno deve colocar todo o desenvolvimento da atividade até chegar ao resultado final Resultado Final A resolução do exercício deve levar ao resultado final correto A AVC que possui detalhamento do cálculo realizado sem pular nenhuma etapa e apresentar resultado final correto receberá nota 10 A atividade que apresentar apenas resultado final mesmo que correto sem inserir as etapas do cálculo receberá nota zero Os erros serão descontados de acordo com a sua relevância Disciplina UNISA Universidade Santo Amaro 2 Resolução Resposta a Com suas palavras explique o funcionamento do circuito O segundo amplificador da esquerda para a direita é um amplificador diferencial de ganho 62 pois Av Rf Rin 62 kΩ 10 kΩ 62 O amplificador diferencial amplifica a tensão diferencial aplicada nos terminais do AMPOP O sinal proveniente do sensor é aplicado à entrada inversora e a entrada não inversora é mantida numa tensão fixa proveniente de um divisor de tensão formado por R23 R24 e RV3 Analisando as especificações dadas no problema veremos que para os extremos de ph ph 0 e ph 14 e para o meio exato que é ph neutro ph 7 teremos os seguintes valores de tensão vindos do sensor que está mergulhado no líquido de interesse Para um líquido de pH 7 a tensão é 0 V Para um líquido de pH 0 a tensão é negativa e vale 7 5816 mV 40712 mV Para um líquido de pH 14 a tensão é positiva e vale 7 5816 mV 40712 mV Como a saída é linear valores entre esses extremos são facilmente interpretados pois são proporcionais A diferença entre o valor medido que entra na entrada inversora e o valor de referência da entrada nãoinversora será amplificada e o sinal será então enviado ao microcontrolador que poderá interpretar esse sinal de tensão e traduzilo para a escala de pH Já o primeiro amplificador está configurado como um amplificador de ganho 1 Ele tem função de isolar a entrada de alta impedância o líquido ao mesmo tempo que fornece uma saída de baixa impedância que permite fornecer corrente para o segundo amplificador sem que haja queda de tensão Sem esse amplificador de ganho 1 a resistência do líquido faria parte do circuito alterando o ganho de tensão e degradando o CMRR rejeição em modo comum b Qual a função da associação dos resistores R23 e R24 com o Resistor Variável RV3 2 Eles formam um divisor de tensão que serve para ajustar a calibração inicial do pHmetro Usando um líquido de ph já conhecido que é vendido para esse fim é possível ajustar o resistor variável de modo a se obter a tensão correspondente ao ph na saída caso o líquido de calibração tenha ph 7 mexeríamos no potenciômetro até termos 25 Volt na saída do circuito que vai para o microcontrolador A tensão de saída desse divisor pode ser medido por meio do pino J9 c Qual o valor de tensão elétrica deverá ser medido no pino J9 Justifique corretamente A tensão de referência deve ser a tensão correspondente ao ph de referência que é ph 7 Como sabemos a partir as especificações e o que vimos no exercício A esse ph deve produzir uma saída em 25 V Como o ganho do amplificador diferencial é 62 encontramos que para termos essa saída de 25 V é necessário que a tensão diferencial no AMPOP seja 04032258 V pois 62 04032258 V 25 V Assim caso o sensor também seja colocado num líquido de ph 7 que como vimos nas especificações corresponde a 0 V esses 0 V serão aplicados na entrada inversora e o ganho diferencial de 62 multiplicará a tensão diferencial de 04032258 V que é obtida quando essa mesma tensão com sinal positivo é aplicado na entrada nãoinversora Tensão diferencial Vin Vin Tensão diferencial 04032258 V 0 V Tensão diferencial 04032258 V Por isso que a tensão que deve ser lida em J9 é 04032258 V Vamos provar que isso funciona para outros valores de ph que não zero Caso o ph seja 0 ácido como vimos na letra A a tensão será 40712 mV Fazendo 62 Vin Vin 62 04032258 V 40712 mV 502 V 5 V Caso o ph seja 14 básico como vimos na letra A a tensão será 40712 mV Fazendo 62 Vin Vin 62 04032258 V 40712 mV 0024 V 0 V Nos três casos a saída tem o valor esperado d Qual a função dos Diodos Zener D4 e D5 2 Os diodos zener 1N751A são de 51 V Ou seja conduzem quando a tensão sobre ele ultrapassa esse limiar de 51 V Nesta configuração estão servindo como protetores contra surto impedindo que tensões maiores que 51 V ou menores que 51 V cheguem ao microcontrolador que recebe o sinal de saída do circuito Em condições normais essa saída varia entre 0 e 5 V para ph 0 a saída é 25 volt mas defeitos na primeira etapa de amplificação ou má usoacidentes com os sensores poderia fazer com que a tensão na saída atingisse valores próximos a 12 V ou 12 V Como o diodo zener conduz imediatamente a corrente seria desviada para a fonte de alimentação e esse nível de tensão não seria aplicado à entrada do microcontrolador que poderia ser danificado caso não houvesse essa proteção e Qual a principal característica para a escolha do TL082 neste circuito O principal motivo para a escolha desse circuito integrado é seus parâmetros de ruído e de BIAS bastante baixos que o tornam adequado para circuitos que requerem precisão Como o sinal proveniente dos sensores mergulhados na solução é de baixa amplitude apenas 58 mV para cada variação de 1 no ph correntes de offset ou de ruído térmico são indesejados pois adicionam muito erro à medição A folha de dados deste circuito integrado diz que há um CMRR de 100 dB o que é muito bom em termos de rejeição a ruídos que chegam nas entradas dos AMPOPs por exemplo ruídos eletromagnéticos captados pelo circuito É também de 100 dB a rejeição a ruídos que chegam pelos terminais de alimentação do chip evitando que ruídos da fonte de alimentação impactem nas medições Como o sinal proveniente dos sensores é uma tensão contínua os parâmetros de alta largura de banda baixa distorção harmônica e alta slew rate são menos importantes para esta aplicação esses parâmetros são mais críticos quando se trabalha com sinais alternados principalmente de alta frequência f Considerando a aplicação e os níveis de tensão com variações da ordem de mili Volts qual recomendação você daria como projetista para a 2 especificação de componentes passivos como os resistores utilizados no Circuito Como se está a trabalhar com valores de tensão muito baixos e que serão amplificados é recomendável que os resistores sejam de baixa tolerância de modo a garantir que os parâmetros de projeto sejam mantidos durante o funcionamento do equipamento Variações pequenas nos valores reais dos resistores em relação aos valores de projeto podem deixar a medição prejudicada devido a alterações no ganho do AMPOP acrescentando um erro considerável no sinal de saída não representando portanto a situação real do líquido medido Sem falar que estamos falando de um circuito amplificador diferencial que exige que os resistores ligados a cada uma das entradas sejam iguais simétricos por isso R19 R20 e R21R22 Caso não sejam iguais há o aparecimento de uma tensão diferencial que será amplificada Em alguns casos o coeficiente de temperatura da resistência talvez precise ser levado em consideração seja optando por resistores com menor sensibilidade térmica ou fazendo compensação por software no algoritmo do microcontrolador