Desenvolvimento de um chaveador multicanais de baixo custo para aplicação de sensores do tipo língua eletrônica.

ISBN 978-85-85905-23-1

Área

Química Analítica

Autores

Andrade, C.D.S.S. (UNIVERSIDADE FEDERA DO MARANHÃO) ; Sinfrônio, F.S.M. (UNIVERSIDADE FEDERA DO MARANHÃO) ; Santos, I.S. (UNIVERSIDADE FEDERA DO MARANHÃO) ; Barros Filho, A.K.D. (UNIVERSIDADE FEDERA DO MARANHÃO) ; Santana, E.E. (UNIVERSIDADE FEDERA DO MARANHÃO)

Resumo

Aplicar um único instrumento de medição na tarefa de mensurar certo número de parâmetros elétricos em múltiplos dispositivos, ou monitorar um experimento através de sinais provenientes de múltiplos sensores pode reservar um alto grau de complexidade. Neste trabalho foi desenvolvido um chaveador de 8 canais baseado em relés eletromecânicos, associado a ponte LCR para medição de parâmetros de impedância e capacitância em um capacitor cerâmico ordinário. Os resultados obtidos demonstraram que que independentemente do canal acionado, os valores de capacitância, impedância, fator de dissipação e desvio de fase do sistema variaram próximos aos valores de suas médias.

Palavras chaves

Multiplexador; Impedância; Língua Eletrônica

Introdução

Em projetos de sistemas analógicos e digitais, que desejamos efetuar a medida de uma ou múltiplas grandezas simultaneamente, e de forma automatizado, ou seja, que uma única linha seja necessária para transportar dois ou mais sinais diferentes. Naturalmente, apenas um sinal por vez pode ser colocado em uma linha, sendo assim necessário um dispositivo que nos permita selecionar, em diferentes instantes, o sinal que desejamos colocar nessa linha comum. Tal circuito é conhecido como multiplexador. Um multiplexador é um circuito lógico combinacional que alterna uma das várias linhas de entrada através de uma única linha de saída comum pela aplicação de um sinal de controle (MANTOVANI, 2014). Multiplexadores são utilizados na eletrônica para combinar um conjunto de sinais elétricos, também podem ser utilizados no processamento de sinais digitais para obtenção de fluxo de dados distintos e combina-los num único fluxo de dados e não obstante podem ser utilizados na telecomunicação para compartilhar um meio de transmissão entre vários canais de comunicação Em sistemas de medição de grandezas elétricas automatizados, como é o caso das línguas eletrônicas, o multiplexador conecta a entrada do equipamento de medição aos terminais do dispositivo do sensor propriamente dito; portanto, embora múltiplos sensores possam ser empregados, não há compartilhamento dos condutores responsáveis pela conexão destes dispositivos com o instrumento de medição, exceção feita apenas à conexão entre a saída do multiplexador e a entrada do instrumento de medição (BRAGA, 2012). Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um chaveador de oito canais, microcontrolado, aplicável a medição de parâmetros elétricos para aplicação em sensores do tipo língua eletrônica.

Material e métodos

O software KiCad® foi empregado no desenvolvimento topológico das placas, com o intuito de mitigar possíveis deformações dos sinais elétricos, bem como, na otimização do número de componentes eletrônicos associados. As PCB (Printed Circuit Boards) foram produzidas por processo de fotolitografia, seguindo padrão FR-4 (Flame Retardant type 4) e utilizando substrato de fibra de vidro com face simples. Para tanto, os vincados e as furações destas placas foram geradas por processo CNC (Computer Numeric Control), sendo posteriormente empregadas máscaras de solda em camada única (cor verde) e serigrafias (cor branca) com acabamento em cobre metálico. Utilizamos para a construção do multiplexador de oito canais relés eletromecânicos do tipo NEC EC2-5NJ, devido as suas características contactoras frente ao controle de sinais de baixas potência e frequência, bem como, um microcontrolador PIC 18F4550. Com o intuito de reduzir os custos associados a confecção do equipamento e ampliar o número de parâmetro elétricos avaliados, foi empregado uma ponte LCR 4263-B, marca Agilent Technologies, como dispositivo gerador/analisador de sinais, sendo desta forma utilizado um sinal senoidal de 1,0 V (1,0 kHz). Os microelétrodos interdigitados projetados foram fabricados pela empresa NanoSPR (Chicago - EUA) via microfabricação por processo eletrodeposição. Os parâmetros capacitância, impedância, fator de dissipação e desvio de fase foram medidos no sistema do tipo língua eletrônica, como o auxílio ou não do multiplexador multicanais. Para tanto, conectou-se o DUT (capacitor cerâmico 100 pF), diretamente à ponte LCR, tomando-se as medições dos parâmetros desejados. Em seguida, o chaveador multicanais foi interposto entre a ponte LCR e o DUT, para a obtenção das medidas subsequentes.

Resultado e discussão

O desenvolvimento das placas controladoras teve como base a manutenção das características intrínsecas dos sinais empregados e a mitigação de possíveis interferências eletrônicas que possam afetar a operação de medição quando mediada pelo chaveador multicanais. Nesse contexto, foi adotada a arquiteturas de comutação baseadas em estruturas de relés e canais em módulo de chaveamento (MUX). Uma vez escolhida a topologia, adotamos as seguintes ações no design das placas controladoras: relés eletromecânicos controlariam os sinais de entrada; usaríamos uma arquitetura 5T; conectores BNC no acoplamento da ponte LCR e todos os sensores foram aterrados utilizando um terminal comum; e foi empregado um micro-controlador associado a porta USB, para controle dos relés. Observamos a variação dos parâmetros elétricos obtidos com o capacitor cerâmico, em função do canal acionado pelo multiplexador. De modo geral, a variação de capacitância oscila próxima a faixa de detecção do sistema sem a utilização do multiplexador (Cp=107,11±0,01). Por outro lado, o fator de dissipação apresentou valores muito próximos ao limite de detecção do sistema não chaveado (D=9,3x10-4±4,8x10-5), demostrando uma baixa perda de potência devido a efeitos termoelétricos parasitários. No caso da impedância total, todos os canais demostraram valores significativamente próximos ao valor mediano não chaveado (Z=-89,97 ± 0,03 M), bem como de menor variação entre as próprias medidas. Tal fato sugere, a priori que, o multiplexador atua como um filtro frente a avaliação do sinal AC gerado pela ponte LCR. Por fim, o valor de desvio de fase apresentou uma pequena variação quanto aos canais 2 e 7, ainda que seus valões medianos sejam também próximos aqueles obtidos sem o multiplexador (=1,590±4,989o).

Conclusões

Com relação ao desenvolvimento das placas controladoras podemos perceber que foi mantida as características intrínsecas do sinal e foi possível observar a mitigação de possíveis interferências eletrônicas que poderiam afetar a operação de medição quando o sinal passasse pelo chaveador multicanais. De modo geral, a variação dos parâmetros estudados ficou próximo a faixa de detecção do sistema sem a utilização do multiplexador, demostrando assim uma baixa defasagem do sinal aplicado. Nesse contexto, podemos aplicar o dispositivo desenvolvido na aquisição de dados de uma língua eletrônica.

Agradecimentos

Agradecemos a FAPEMA, CNPq e UFMA pelo suporte financeiro. Ao laboratório Central de Energia e Ambiente (CEA) e laboratório do Processamento da Informação Biológica pela infraestrutura cedida.

Referências

BRAGA, G. S.; Paterno, L. G.; Fonseca, F. J. Performance of an electronic tongue during monitoring 2-methylisoborneol and geosmin in water samples. Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 171, pp. 181-189, 2012.

MANTOVANI, Suely Cunha Amaro; DE OLIVEIRA, José Raimundo. Síntese de Circuitos Digitais por Evolução de Circuitos. Anais do XXXVII Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional, CD-V1, p. 1820-1831, 2004.