Sensor de Turbidez.

Sensor de Turbidez
Turbidity Sensor
Cesar Roberto de Souza
EXTECAMP
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP
[email protected]
Resumo: Este artigo tem por objetivo apresentar a
implementação de um sensor de turbidez fazendo uso de
IR e Fototransistor. Devido a altos índices de detritos
sendo despejados em rios e lagos causado por diversos
fatores, como chuvas, que acabam por levar agrotóxicos
que são pulverizados em plantações. Este sistema tem por
objetivo propor uma forma de monitoramento desses
detritos, entre outros, que são levados a rios e lagos.
Abstract: This article aims to present the implementation
of a turbidity sensor using IR and Phototransistor. Due to
high levels of waste being dumped in rivers and lakes
because of several factors like rainfall, which finally lead
pesticides that are sprayed on crops. This system aims to
propose a way of monitoring these debris, among others,
brought to the rivers and lakes.
1. Introdução
Na atualidade um dos grandes problemas enfrentados
pelo homem é a poluição, que afeta o solo, o ar e
principalmente os recursos hídricos. As inovações
tecnológicas nos permitem analisar as alterações
decorrentes da contaminação dos recursos naturais, no
momento que a mesma está ocorrendo, ou simplesmente
para controlar os níveis de poluição já existentes, evitando
o agravamento da mesma.
Sabendo da importância da mensuração da turbidez,
para identificar alterações decorrentes da poluição do
meio ambiente, principalmente nos recursos hídricos, e
não havendo na literatura, um mecanismo para
monitoração continua da mesma. Essas informações
podem ser armazenadas e analisadas no decorrer do
tempo para verificar as mudanças e suas possíveis causas.
Este artigo teve como objetivo desenvolver através da
engenharia e com baixo custo, um sensor para esta
finalidade.
2. Turbidez
Turbidez é o termo aplicado a matéria de qualquer
natureza suspensa na água. Normalmente a turbidez é
ausente em águas subterrâneas e se faz presente em águas
na superfície e é medida em Unidades Nefelométricas de
Turbidez – NTU (Sigla em Inglês).[11]
De forma geral a turbidez mede a dificuldade de um
feixe de luz a atravessar uma determinada quantidade de
água, ou seja, quanto mais turva a água menos luz
consegue atravessar. As principais causas da turbidez são:
matérias suspensas, matérias orgânicas e inorgânicas,
organismos microscópicos, algas. A origem desses
materiais podem ser os mais diversos como o solo,
mineração, as indústrias, ou o esgoto doméstico lançados
nos mananciais.
O uso da água no setor agroindustrial tem grande
importância, pois é muito utilizada desde a limpeza de
equipamentos e do ambiente, até o processamento de
alimentos. Portanto é muito importante a manutenção da
qualidade de água [5]. Diante deste fato, é de fundamental
importância o monitoramento da água, para permitir que
esta apresente adequadas especificações quanto à
qualidade física, química e bacteriológica.
Para tal monitoração um dos parâmetros utilizados é a
medição de turbidez, que tem a sua importância por ser
um método utilizado na caracterização de águas para fins
de balneabilidade, piscicultura e abastecimento [8]. A
turbidez é caracterizada pela redução da transparência da
água, ocasionada pelo material em suspensão, que reflete
a luz, dificultando a sua passagem pela solução.
Figura 1. Fatores que influenciam no bloqueio da
passagem de luz. Fonte: IOCCG (2000, p. 9).
Na Figura 1 pode-se visualizar os fatores que
influenciam a luz emergente que deixa o corpo de água.
Na seqüência de “a” até “e”, podemos verificar
respectivamente o retro-espalhamento pelo material
inorgânico em suspensão, o retro-espalhamento pelas
moléculas de água, a absorção pela matéria orgânica
dissolvida, a reflexão do fundo e o retro-espalhamento
pelo fito plâncton.
foi utilizada a borracha isolando e selado com veda rosca.
Dessa forma, evitando a penetração da água. A Figura 3
demonstra os sensores devidamente montados e isolados.
3. Metodologia
Para tal implementação foi utilizado um LED, um
Emissor IR e 2 fototransistores que foram submersos em
água para analisar a quantidade de luz que chega ao
fototransistor. A utilização de 2 emissores um dentro da
faixa de freqüência visível e outro fora da faixa de
freqüência visível, se deu para analisar a resposta de cada
um em diferentes níveis de turbidez da água.
Os dois emissores não operam ao mesmo tempo, no
qual, um faz a leitura e 13 segundos depois o outro efetua
a leitura. Para mesclar as leituras foi implementado um
programa no PIC16F877 que envia um pulso a cada 13
segundos que alimenta a base dos transistores que
efetuam o chaveamento dos sensores. O PIC também
efetua a leitura da tensão do receptor e envia via serial
para um banco de dados para posterior análise do nível de
turbidez.
Figura 3. Cápsulas montadas para isolar os
sensores de fontes luminosas exteriores.
Para evitar influências luminosas externas foram
utilizadas, uma caixa preta para circuito e um tubo de
filme, no qual, na caixa preta encontra-se o emissor IR e
no tubo de filme o LED. O isolante preto foi escolhido,
pois o preto absorve todas as cores, evitando fontes
luminosas externas. Os testes foram efetuados em
diversas substancias, como Cal, terra preta, terra
vermelha. Porém para análise dos resultados foram
utilizados os testes efetuados com a terra preta e terra
vermelha.
Em um Becker de 2000ML com água foram
despejadas, em curtos espaçamentos de tempo, a terra
preta e em cada um desses momentos a turbidez da água
foi medida por meio de um turbidímetro, aparelho
utilizado para medição de turbidez, e a tensão de saída no
receptor de cada um dos sensores era coletado, para
posteriores análise dos resultados. Esse procedimento era
repetido de hora em hora, pois, durante esse período a
turbidez da água iria diminuindo devido a decantação da
terra contida na mesma. Após os testes com a terra preta
os mesmo testes foram efetuados com terra vermelha.
Figura 2. Circuito desenvolvido no PSpice
Student.
Na Figura 2 encontra-se circuito implementado, no
qual, em A e B o PIC enviará o sinal para chavear a
alimentação dos emissores e no ponto C o PIC efetuará a
leitura da tensão do receptor, após este receber o sinal do
receptor. Quanto maior o sinal que o receptor receber,
menor será esta tensão e vice-versa. Um dos principais
desafios a serem superados foi o isolamento dos sensores,
pois estes deveriam ficar submersos em água. Para isso,
Teste
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Figura 4. Monitoração da turbidez.
Na figura 4 encontram-se da esquerda para a direita, o
laptop utilizado para coletar os dados, o circuito para
efetuar a interface entre o dispositivo e o laptop e
controlar o sensor, o recipiente com água turva e o
aparelho medidor de turbidez utilizado para calibrar o
sensor desenvolvido.
4. Resultados
Com os resultados coletados durante os testes, foram
montadas duas tabelas e testes de correlação e regressão
linear foram efetuados. A aplicação desses testes foi
motivado pelo fato de os testes terem apresentados
respostas aparentemente linear [1][2]. Os resultados
coletados durante os testes com terra preta e terra
vermelha estão representados nas Tabelas 1 e 2
respectivamente.
Teste
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
LED
0.20
0.90
1.57
1.45
1.30
1.05
0.88
0.73
0.56
0.45
IR 0.22
0.56
0.38
0.30
0.29
0.28
0.27
0.27
0.26
0.26
NTU
3.20
757
435
394
334
328
292
274
255
228
Tabela 1. Resultados medidos com terra preta.
LED
0.11
0.11
0.11
0.11
0.12
0.11
0.11
0.11
0.11
0.11
0.11
0.11
IR 0.20
0.75
0.63
0.54
0.50
0.46
0.32
0.29
0.28
0.27
0.27
0.24
NTU
1.90
1332
879
620
516
465
460
411
364
313
280
233
Tabela 2. Resultados medidos com terra
vermelha.
Nas Tabelas 1 e 2 os dados foram distribuídos na
ordem dos testes, contendo uma coluna com os resultados
obtidos no sensor implementado com LED, uma coluna
com as respostas do sensor implementado com IR e uma
coluna de turbidez, que é medida em NTU.
Primeiramente foi efetuada uma análise, por meio do
diagrama de dispersão, um diagrama que apresenta a
tendência da relação entre os eixos x e y. Esses gráficos
foram gerados pelo software BioStat 2008, que é um
software utilizado para efetuar análises estatísticas. Os
Gráficos 1 e 2 representam um diagrama das respostas
apresentadas pelo LED e IR respectivamente durante o
teste com terra preta.
Diagrama de dispersão LED x NTU
Gráfico 1. Diagrama de dispersão da amostra
(LED x NTU).
apresentam o diagrama de dispersão apresentadas pelo
LED e IR respectivamente durante o teste com terra
vermelha.
Gráfico 2. Diagrama de dispersão da amostra
(IR x NTU).
No Gráfico 1 é possível analisar uma resposta
favorável na relação LED x NTU, exceto pelo fato da
segunda medição ter apresentado uma baixa leitura e um
alto valor de turibidez. Este caso pode ter se dado devido
ao fato da luz do LED pertencer a uma faixa de
freqüência visível e a cor da água ter influenciado no
resultado. No gráfico 2 a resposta foi mais favorável, na
qual, a tensão de leitura aumenta quando a turbidez
aumenta e vice-versa.
Gráfico 3: Diagrama de dispersão da amostra
(LED x NTU).
Para uma análise mais precisa, o teste de correlação r
de Pearson foi aplicado ás duas amostras. No primeiro
caso o teste de correlação não rejeitou a hipótese de
nulidade (ρ>0,05), com r = 0,5502. Portanto, não
podemos dizer que há uma relação LED x NTU. Este
resultado pode ter se dado devido ao fato da segunda
medição ter apresentado um valor consideravelmente
diferente dos demais.
No segundo caso a hipótese de nulidade (ρ<0,05) pode
ser rejeitada, ou seja, a amostra é estatisticamente
significante com coeficiente de correlação r = 0,935 que é
próximo a 1. Dessa forma, é possível dizer que a tensão
de leitura no receptor aumenta com o aumento da turbidez
da água.
Para expressar o resultado matematicamente foi
aplicado o teste de regressão linear na amostra do IR x
NTU. Este teste não foi aplicado na relação LED x NTU,
pois não podemos dizer que há uma resposta linear
durante o teste de correlação linear.
Após aplicação do teste de regressão linear na amostra,
foi obtida a seguinte expressão;
IR = 0,1511 + 0,0005 * NTU
Na qual, IR é dado em Volts e NTU é o nível de
Turbidez da água. Essa expressão demonstra de uma
forma matemática o resultado obtido na amostra,
posteriormente essa expressão foi comparada com a
obtida no teste com terra vermelha. Os Gráficos 3 e 4
Gráfico 4. Diagrama de dispersão da amostra
(IR x NTU).
Por meio do Gráfico 3 é possível analisar que a
hipótese de nulidade não pode ser descartada, não sendo
necessária o teste de Pearson, porém o teste será aplicado
para demonstrar como o coeficiente de correlação será
próximo a zero. Esse resultado foi obtido, possivelmente,
devido ao fato da cor da água não ter influencia para
dificultar a passagem da luz. Outro motivo que pode ter
influenciado no resultado é que a terra vermelha é mais
pesada e mais fina, por isso o processo de decantação é
mais rápido. Já no Gráfico 4 pode-se concluir que há uma
linearidade de acordo com o aumento da turbidez.
Para uma melhor precisão dos resultados novamente é
aplicado o teste de correlação linear de Pearson nas
amostras. Na amostra LED x NTU obtivemos o
coeficiente de correlação r = 0,0244, ou seja, muito
próximo a zero. Portanto não é possível descartar a
hipótese de nulidade (ρ>0,05) o que confirma a conclusão
obtida analisando o Gráfico 3. Já na amostra IR x NTU
foi obtida uma resposta satisfatória, cujo, coeficiente de
correlação r = 0,9365, número próximo a 1. Portanto, é
descartada a hipótese de nulidade (ρ<0,05), ou seja, a
amostra é estatisticamente significante e apresenta uma
resposta linear com o aumento da turbidez da água.
Para finalizar a análise é aplicado o teste de regressão
linear na amostra IR x NTU para representar
matematicamente resultado obtido. A expressão obtida
após a análise segue abaixo;
IR = 0,1594 + 0,0005 * NTU
Analisando as expressões obtidas durante os testes é
possível verificar que são valores bem próximos com uma
diferença entre as expressões, apenas a partir da 3ª casa
decimal do termo constante. Portanto conclui-se, por meio
dos resultados analisados, que houve uma resposta
satisfatória da relação da turbidez conforme a penetração
de luz na água.
5. Conclusão
Com esse projeto conclui-se que através de estudos no
ambiente que se desejam obter dados para analisar
grandezas físicas e com isso, coletar informações
contundentes. Pois, a partir da teoria estudada foi possível
adaptar componentes existentes para analisar problemas
relacionados à natureza. A partir dos dados coletados e
após análises estatísticas dos mesmos, foi verificada a
linearidade da relação penetração da luz x Turbidez.
Dessa forma foi comprovada a teoria e apresentar uma
solução que pode ser empregada em rios e lagos para
verificar variações bruscas na turbidez da água.
Durante a análise dos resultados, viu-se que o sensor se
comporta melhor a altos valores de turbidez, acima de 200
NTU. Isso ocorre devido a alta intensidade de emissão de
luz pelo transmissor. Se a corrente no LED/ IR for
diminuída é possível obter resultados mais precisos para
baixos valores de turbidez. Porém, diminuiria a precisão
para níveis de turbidez mais elevados. Por isso, a
necessidade de calibração do dispositivo para coletar as
variações desejadas.
Também foi verificado como a cor da água e
substâncias em suspensão podem influenciar em uma
fonte com comprimento de onda visível, pois os
resultados obtidos a partir do emissor IR foi satisfatório
chegando a expressões muito próxima com ambas as
amostras.
Como essas informações são armazenadas em Banco
de Dados, elas podem ser cruzadas para analisar
mudanças na turbidez da água em diferentes estações e
verificar potenciais causas dessas mudanças. Além disso,
pode ser utilizado como meio de fiscalização por órgãos
públicos a fim de evitar poluições criminosas.
Referências
[1]ARANGO, HECTOR GUSTAVO. Bioestatística: Teórica e
Computacional. 2ª Edição, 2005. Minas Gerais: Editora
Guanabara Koogan. 423p.
[2]CALLEGARI-JACQUES, SIDIA M. Bioestatística:
Princípios e Aplicações. 2003. Porto Alegre: Editora
Artmed. 255p.
[3] PEREIRA, FÁBIO. Microcontroladores PIC – Programação
em C. 7ª Edição, 2007. São Paulo: Editora Érica. 358p.
[4] Água. Disponível em:
http://www.brasilescola.com/geografia/agua.htm Acesso
em: 10/10/2008.
Características da água. Disponível em:
http://www.micronal.com.br/artigostecnicos/analise_de_agu
a.htm. Acesso em: 10/10/2008.
[5] Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CETESB (2005) – Variáveis de qualidade das águas.
Disponível em:
http://www.cetesb.sp.gov.br/Agua/rios/variaveis.asp. Acesso
em: 01/12/2008.
[6] INTERNATIONAL OCEAN-COLOUR COORDINATING
GROUP. Remote sensing of ocean colour in coastal, and
other optically-complex, waters. In: Sathyendranath, S. 153
(ed). Reports of the international ocean-colour
coordinating group. Dartmouth, Canada: IOCCG, 2000.
[7] Lei das Tensões. Disponível em:
http://www.dt.fee.unicamp.br/~www/ea612/node14.html.
Acesso em: 15/10/2008.
[8]MINISTÉRIO DA SAÚDE (2005) - Portaria nº518,
Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos
ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo
humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras
providências.
[9] Poluição da água. Disponível em:
http://educar.sc.usp.br/biologia/textos/m_a_txt5.html.
Acesso em: 10/10/2008
[10]SQL Server Developer Center. Disponível
em:http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms181984.aspx.
Acesso em: 20/11/2008.
[11]Turbidez em águas. Disponível em:
http://www.policontrol.com.br/pdf/artigos_tecnicos/artigo_t
ecnico_turbidez.pdf. Acesso em: 10/10/2008.