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Detector de infiltrações de ar 1-74


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Mensagem por Railson em Sex 28 Out 2011 - 21:11


Com este sensível termómetro podem localizar-se as fissuras de entrada de ar frio.

Detector de infiltrações de ar 001gtn


Figura 1 - Esquema do detector de infiltrações de ar. As linhas tracejadas encerram a parte que constitui o módulo electrónico que é montado numa placa de circuito impresso. A resistência NTC é o elemento sensível à temperatura.

Ao aproximar-se a época mais fria do ano, muitas pessoas começam a programar os gastos de calefacção e a estudar todas as formas possíveis de poupança de energia na protecção dos seus lares contra os rigores do Inverno.
Por exemplo, tapam as eventuais fissuras em portas e janelas, substituem por outros de maior espessura, os vidros rachados ou partidos e tratam de localizar os pontos da casa onde se produzem correntes de ar Para esta última tarefa é necessário utilizar um instrumento detecto r, naturalmente electrónico, como o descrito neste artigo.
Este dispositivo é um termómetro muito sensível, concebido para detectar diferenças de temperatura de até um décimo de grau centígrado, de modo muito rápido e preciso, dotado com todas as características necessárias para detectar as mínimas variações de temperatura ao longo dos percursos que conduzem o calor, desde as fontes quentes até às zonas frias. Quer dizer que se trata de um detector de gradientes de temperatura.
As aplicações práticas deste dispositivo centram-se na afinação e na melhoria das instalações de calefacção ou de acondicionamento térmico nos locais em que se habita, se trabalha ou se conservam produtos alimentares
Outra aplicação muito interessante, de tipo experimental, consiste em fornecer ao leitor uma visão completa das complicadas leis que governam os movimentos de convecção do ar quente no espaço tridimensional, quando este é descontínuo e irregular.

Indicador analógico
Para a busca de correntes de ar frio não é possível utilizar um termómetro de tipo tradicional, como o de coluna de mercúrio, porque a sua inércia tornaria a busca interminável e muito imprecisa.
Portanto, o dispositivo deve basear-se num indicador de temperatura totalmente electrónico, sensível e fiável, e deve possuir um sensor de pequenas dimensões e isolado de massas grandes (o que permitirá detectar variações bruscas de temperatura), ou seja, que possa estar imerso no ambiente submetido a medida, sem receber influências alheias a ele.
O referido ambiente pode ser um gás ou um líquido não inflamáveis, dos quais se quiser estudar as complexas evoluções dinâmicas que se produzem no seu seio, devidas a fenómenos térmicos.
No entanto, os termómetros electrónicos disponíveis actualmente no mercado, excepto os de grande precisão, de preço proibitivo, não têm a suficiente sensibilidade para as aplicações sugeridas anteriormente.
Além disso, estes aparelhos de medida têm um visualizador digital, que apesar de ser muito cómodo para ler valores absolutos de temperatura, não permite avaliar as tendências de variação abaixo do último número apresentado, quando são precisamente estas que se trata de detectar.
Por esta razão, o projecto deste dispositivo orientou-se desde o início para o uso de um indicador analógico que, em princípio, não é necessário que realize medidas de valores, pelo que se pode adquirir a um bom preço ou recuperar-se de um aparelho fora de uso.
Isto é possível porque a sensibilidade e a precisão do aparelho dependem exclusivamente do circuito electrónico. Isto é, o micro amperímetro de agulha usado no dispositivo serve só de aparelho indicador, com as únicas características necessárias de uma certa robustez e um bom sistema de amortecimento.

Descrição do circuito
A tarefa mais importante a realizar no circuito da figura 1 é o ajuste do zero central do micro amperímetro M1. Esta operação deverá fazer-se com o aparelho estabilizado à temperatura de referência existente num determinado ponto de um local e sem a presença de uma ventilação aparente.
Deste modo, quando o operador se desloca com o dispositivo na mão, pode detectar e identificar os caminhos dos movimentos de convecção do ar. Também se poderá aplicar o elemento sensível (uma resistência NTC) às paredes do recinto e comprovar os gradientes de temperatura que existem nela em várias direcções.
No esquema da figura 1 põe-se em evidência a simplicidade do circuito detector de infiltrações de ar frio, graças, principalmente, ao uso do circuito integrado IC1, o modelo μA741.
Este componente permite simplificar o circuito porque realiza várias e complexas funções e, sem ele, seria necessária uma grande quantidade de componentes discretos para conseguir as mesmas possibilidades do aparelho.
O circuito integrado IC1 compara a tensão existente no divisor de tensão constituído por R2 e R3, com a que existe no ponto de ligação de P1 com a resistência censora NTC, que formam parte do divisor de tensão R1-P1-NTC.
A resistência NTC caracteriza-se por ter um forte coeficiente de temperatura negativa, o que significa que o seu valor óhmico diminui notavelmente com o aumento da temperatura.
Por exemplo, o modelo escolhido para este circuito, indicado na lista de material, apresenta os seguintes valores em função das temperaturas indicadas:
0ºC = 10KΩ
+20° C = 4,7KΩ
+40° C = 2,2KΩ
Quando a resistência da NTC varia, ainda que ligeiramente, entre as duas entradas de IC1 (a inversora e a não inversora), cria-se uma diferença de potencial de alguns milivolts, que IC1 inverte e amplifica.
Na condição de equilíbrio da ponte ligada entre as entradas de IC1, a tensão na saída deste último é de 2,5 V, ou seja, metade da tensão de alimentação de 5 V, devido à presença de R2 e R3, que são do mesmo valor.
Portanto, segundo a variação da tensão aplicada às entradas de IC1, a sua saída variará em mais ou em menos, em relação ao valor de equilíbrio de 2,5 V. Esta tensão de saída pode variar-se também com o potenciómetro P1, o que permite ajustar a posição da agulha de M1 no zero central.
Tendo em conta que IC1 amplifica as diferenças de tensão que aparecem nas suas entradas em função da relação entre os valores da resistência R4, da NTC e do conjunto série R2-P1, é fácil deduzir que a um aumento do valor de R4 corresponde um aumento da sensibilidade do circuito, mas também uma maior dificuldade para ajustar o zero central do aparelho de medida M1. Em teoria, a máxima sensibilidade que o circuito pode ter, consegue-se com a omissão de R4 (R4=∞).
A resistência NTC está ligada directamente à entrada inversora de IC1 (terminal 2). Portanto, as variações de tensão na saída são de sentido oposto às variações da tensão na entrada e, como consequência, um aumento da tensão aplicada aos terminais de M1.
Como se comentou anteriormente, o zero central do aparelho de medida analógico, ou que é o mesmo, o valor da tensão de repouso na saída de IC1, estabelece-se em metade do valor da alimentação mediante o divisor de tensão R2-R3, pelo que é necessário que M1 se alimente através do divisor de tensão R5-R6.
No esquema da figura 1 pode observar-se a presença de um segundo circuito integrado IC2, modelo 78L05, que é um regulador de tensão de tipo série. Este componente estabiliza em 5 Vcc a tensão de 9 Vcc proveniente, por exemplo, de uma pequena pilha.
O díodo LED DL1, ligado em série com a alimentação do circuito, serve para indicar ao operador que o dispositivo está em funcionamento.
O uso de uma pilha de alimentação é aconselhável por dois motivos muito precisos: para tornar o aparelho transportável e porque o consumo de corrente do circuito é de apenas 5 mA.

Montagem do detector de infiltrações


Detector de infiltrações de ar 002qa


Figura 2 - Traçado do circuito impresso

Detector de infiltrações de ar 003xrg


Figura 3 - Implantação dos componentes

A realização completa do detector de infiltrações de ar frio realiza-se na placa de circuito impresso de uma única face e de 6x5,3 cm, representada na figura 2 e de acordo com o esquema prático da figura 3.
Tal como mostra a figura 4, o dispositivo é formado por duas partes: o módulo electrónico que está alojado numa caixa metálica, e o elemento detector, que contém a resistência NTC, e que tem de o transportar na mão para identificar a presença de correntes de ar.
Na caixa estão montados, além do módulo electrónico, o potenciómetro de calibração P1, o micro amperímetro de zero central M1, o diodo LED DL1, o interruptor S1 e a pilha de9V.
Ao montar o módulo electrónico, é recomendável consultar a disposição dos terminais de IC2 para evitar qualquer erro de ligação. Para IC1 será usado um suporte, mas o circuito integrado não se montará nele enquanto não se tiver terminado a montagem. Não se deve esquecer o shunt colocado em paralelo com R5 e R6 (figura 3), que simplifica muito o traçado das pistas de cobre. Sem este shunt, o circuito não funcionará.
Quanto à realização do tubo da sonda térmica, terá de se consultar o esquema de ligação da figura 4. O tubo, de plástico e de uns 10 cm de comprimento, deve ser enchido com algodão hidrófilo, espuma de borracha ou poliuretano expandido, para que o cabo fique pouco no interior do tubo e, muito importante, para isolar a resistência NTC do calor da mão do operador, que falsearia totalmente as medidas.
A resistência NTC deve ter pequenas dimensões para favorecer a velocidade da sua resposta térmica. Um modelo de 5 mm de diâmetro leva 40 a 70 segundos a estabilizar-se.
As pequenas NTC de vidro comportam-se melhor mas são caras. Em qualquer caso, antes de adquiri-la, há a ter em conta que os modelos de pequenas dimensões são os que apresentam respostas mais rápidas.
O cabo da sonda pode ter um comprimento de 1,5 m, que é suficiente para actuar com toda a liberdade durante as operações de detecção de temperaturas.
O potenciómetro P1, de variação linear, pode substituir-se por um modelo multivoltas ou desmultiplicado, o que proporcionará uma maior comodidade durante as operações de calibração.

Detector de infiltrações de ar 004esy


Figura 4 - Ligações entre a placa de circuito Impresso e os diversos componentes montados na caixa. O sensor, no qual está montada a resistência NTC, está ligado ao aparelho por Intermédio de um cabo de 1,5 m de comprimento e não é necessário que seja blindado.

Uma vez terminada a montagem e colocado IC1 no respectivo suporte, tendo em conta a sua orientação (ver a figura 4), deverá proceder-se à calibração do aparelho, consistindo no ajuste do zero do micro amperímetro por intermédio do potenciómetro P1.
Depois de aplicar a alimentação ao circuito fechando S1, regula-se P1 até que a agulha de M1 coincida exactamente com o zero central da escala.
A seguir, aproxima-se um zero da resistência NTC, mantendo-a a uma distância de 5 a 10 cm durante um certo tempo Se a agulha de M1 se deslocar para a direita desde a posição ') zero, significará que o dispositivo funciona correctamente porque indica um aumento de temperatura.
Porém, se a agulha se deslocar para a esquerda, significará que, apesar do circuito funcionar correctamente, o micro amperímetro M1 tem as suas ligações invertidas; bastará trocá-las para obter indicações correctas.
Uma vez realizada esta calibração, será conveniente dotar o botão do comando P1 com uma pequena escala, tal como se representou na figura 5. Para tal, deverá utilizar-se um termómetro, que indicará se a temperatura de um local é, por exemplo, de 18º C.

Detector de infiltrações de ar 005if


Figura 5 - Exemplo de uma subdivisão em graus centígrados de uma escala para determinar temperaturas dentro de uma pequena gama

Uma vez estabilizada a leitura de M1, ajusta-se P1 para que indique zero central da escala e no eixo de P1 monta-se o botão com uma marca ou seta e indica-se a temperatura na escala.
Para marcar as outras temperaturas, esta operação deverá repetir-se nos ambientes que tiverem as temperaturas desejadas.
Realizadas estas operações, o detector poderá utilizar-se nas diferentes habitações do apartamento, orientando o sensor para as juntas de portas e janelas, assim como ao longo das paredes e janelas, para identificar os pontos de menor temperatura, que quase sempre correspondem a correntes de ar frio ou a dispersões térmicas.
Se o aparelho for sensível a parasitas de alta frequência ou aos 50 Hz da rede, convirá ligar um condensador cerâmico de 0,1μF entre os terminais 2-6, 2-4 e 3-4 de IC1.
Estes condensadores serão indispensáveis se se desejar aumentar o ganho do circuito sem recorrer à blindagem do cabo da resistência NTC.
Este aumento de ganho pode obter-se elevando o valor da resistência R4 da malha de realimentação de IC1.

Lista de material
Resistências 1/4W ±5%
R1 = 2,2KΩ
R2, R3 = 6,8KΩ
R4 = 22KΩ
R5, R6 = 3,9KΩ

Condensadores
C1, C2 = 100nF cerâmico

Semicondutores
IC1 = UA741
IC2 = 78L05
DL1 = LED vermelho
NTC = 4,7KΩ a 20º

Diversos
P1 = Potenciómetro linear 4,7KΩ
M1 = Microamperímetro de 100-0-100 μA
S1 = Interruptor de alavanca
1 suporte DIL para IC de 8 terminais
1 conector de pilha de 9V



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