65ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 7. Física Geral

TERMOMETRIA E ARDUÍNO: LINEARIZAÇÃO E AJUSTE DE CURVA DE UM RESISTOR SENSÍVEL À TEMPERATURA

Bruno Nascimento de Albuquerque - Depto. de Física - UFRRJ Francisco Antonio Lopes Laudares - Prof. Msc./Orientador - Depto. de Física - UFRRJ

INTRODUÇÃO:

Sem dúvida alguma a introdução dos computadores para aquisição e análise de dados tem gerado grandes efeitos positivos nos laboratórios de Ensino de Física. Com o avanço tecnológico tem surgido novas oportunidades da introdução de interfaces, computacionais ou não, para o mesmo objetivo. Tais interfaces aumentam as possibilidades de interação com o experimento, diminuindo o esforço em sua construção, uma delas é a plataforma Arduíno. Nela podemos introduzir componentes eletrônicos sem a necessidade da construção de circuitos extras, como conversores A/D. Um dos componentes mais utilizados em experimentos de termologia, por exemplo, é o NTC (Negative Temperature Coefficient), que varia sua resistência com a temperatura, e sua conexão com o Arduíno é simples. Nestes laboratórios são utilizados termômetros analógicos que não oferecem precisão adequada para alguns tipos de experimentos, ou termômetros eletrônicos, que em geral são instrumentos caros. A utilização do NTC, junto ao Arduíno, é uma forma de se fazer aquisição e tratamento de dados em tempo real, além de diminuir os custos finais. Como a resposta deste componente não é linear, deve-se fazer a linearização para uma correta correspondência entre a resistência e a temperatura.

OBJETIVO DO TRABALHO:

Nesse trabalho, propomos a linearização da resposta de um resistor sensível a variação da temperatura, o NTC, para ser utilizado em projetos de física experimental, em especial na termologia. Para isso utilizamos a plataforma Arduíno como ferramenta tecnológica para aquisição dos dados.

MÉTODOS:

Para a linearização do NTC, foi utilizado um Notebook Lenovo Intel core i3, com sistema operacional Ubuntu 11.10, conectado à Plataforma Arduíno. A aquisição de dados seguiu as seguintes etapas: (1) Criação de uma rotina específica para leitura da resistência do NTC em função do tempo a ser executada pelo Arduíno; (2) conectar o NTC à plataforma; (3) Elaboração de um programa, escrito em Python, e executado pelo Geany, para salvar os dados em arquivo txt; (4) Para a montagem do aparato, foram utilizados: uma tina de vidro com 1 litro de água com gelo e um copo de vidro com água, inserido no interior da tina, ambos a 5,7ºC; (5) um aquecedor de água de 127V, foi colocado no interior da tina; (6) Em seguida foi colocado o NTC dentro do copo junto com a sonda de um termômetro digital Gulterm 1200; (7) ao iniciar o aquecimento, foram anotadas as temperaturas e as resistências em intervalos de 5,0°C, até a temperatura de 90,0°C; (8) com os dados da resistência e temperatura em intervalos de 20,0° C, determinou-se, através da equação de Steinhart-Hart, as constantes de linearização; (9) Com as constantes, linearizou-se os dados obtidos, e estes analisados utilizando o programa gratuito QtiPlot.

RESULTADOS E DISCUSSÃO:

Analisando o gráfico através do software QtiPlot, percebeu-se que a curva fornecida pelo componente, antes de maneira não-linear, se tornou uma reta que cresce linearmente de acordo com o aumento de temperatura em função do tempo. Como todo experimento, foi importante ficar atento às condições para qual foi realizado e a fatores que influenciam diretamente nos valores medidos, tais como: a temperatura ambiente do laboratório e os métodos empregados na aquisição dos dados, por exemplo. Por se tratar de um experimento de termometria, foi preciso garantir que todo o sistema composto por água e sensor iniciassem com praticamente a mesma temperatura. Utilizamos o copo em “banho-maria”, pois assim foi possível limitar as prováveis convecções da água ocasionadas pelas diferenças de temperatura em diferentes pontos dentro do copo. É importante ressaltar também que a linearização pela equação de Stein-Hart é bastante eficaz na faixa de temperatura para qual o NTC foi submetido. Para valores fora dessa faixa de temperatura, o uso já não se torna aconselhável devido à diminuição da precisão e um aumento na discrepância dos valores reais da variável.

CONCLUSÕES:

Pudemos observar que o NTC funciona muito bem para experimentos de termometria, pois ele oscila muito pouco quando comparado com outros tipos de sensores, garantindo maior estabilidade e confiança nos dados adquiridos. Através do gráfico gerado pelo programa Qtiplot, conseguimos comprovar a eficácia da equação de Stein-Hart quanto à linearização do componente na aplicação em experimentos de instrumentação no ensino de física, em particular no estudo da termometria. O trabalho mostrou que a utilização do NTC pode se tornar viável em projetos de baixo custo quando se tem um Arduíno e um termômetro digital, para calibração. A grande vantagem é que quando linearizamos um NTC é possível aplicar os valores obtidos a vários sensores de um mesmo lote de fabricação, padronizando todos e garantindo um vasto estoque no laboratório para projetos que precisem de sensores sensíveis a temperatura.

Palavras-chave: Instrumentação, Ensino de Física, Arduíno.