Dispositivo para medir a pressão atmosférica e o seu uso para realizar as previsões do tempo local.
O dispositivo descrito neste artigo, baseia-se no uso de sensores de pressão electrónicos mais económicos, que podem encontrar-se actualmente no mercado. Permite leituras na gama de 950 a 1050 mb, com uma precisão de 2 a 3 mb, que cobre a gama completa de pressões atmosféricas. O barómetro electrónico contém um circuito de memória para reter o valor da leitura de pressão anterior.
Existem várias técnicas para expressar a pressão atmosférica. A mais fiável consiste em medir a altura da coluna de um barómetro de mercúrio. Normalmente, a altura é expressa em centímetros ou milímetros. Nestas escalas, a pressão atmosférica normal é de 760 mm de mercúrio. Os barómetros de tipo aneroide estão normalmente graduados nestas escalas, mesmo apesar de trabalharem segundo um princípio de funcionamento totalmente diferente e não terem coluna de mercúrio.
A pressão também se pode medir em kilogramas ou newtons por centímetro quadrado. No entanto, esta unidade usa-se mais em engenharia. Actualmente, todas estas unidades foram substituídas pela unidade científica de pressão, o pascal (Pa). Um pascal é a pressão de um newton por metro quadrado. Nesta escala, a pressão atmosférica média é da ordem de 100.000 Pa, ou 100 KPa. No entanto, em metereologia, o pascal não substituíu a antiga unidade de pressão, o Bar.
Uma pressão de um bar equivale a uma pressão de 100 KPa. Como consequência, a pressão atmosférica média é da ordem de um bar. Por comodidade, a pressão atmosférica costuma expressar-se em miligramas de bar, ou milibares. Esta é a unidade nos mapas do tempo diários dos jornais e da TV e é a que indica o visualizador do barómetro electrónico. A pressão atmosférica num determinado local varia continuamente e esta variação costuma estar associada às mudanças do tempo.
Ao nível do mar não é provável que a pressão seja inferior a 950 mb. A pressão pode cair para baixo deste valor durante furacões muito fortes mas, nestas condições ninguém está interessado em ler barómetros. De modo análogo, existe um limite superior de pressão ao nível do mar, que é de cerca de 1.050 mb. Se o leitor viver sobre uma colina ou numa zona montanhosa, comprovará que as pressões são inferiores às pressões ao nível do mar. Isto deve-se a que, com a altura, existe menos quantidade de atmosfera por cima. Além disso, a densidade da atmosfera diminui com a altitude. Portanto, a redução de pressão com a altitude é uma relação complexa.
Em altitudes baixas, a pressão diminui aproximadamente 0,12 mb por cada metro acima do nível do mar. Como consequência, a 250 m acima do nível do mar, as pressões são 30 mb inferiores. Isto tem de se ter em conta quando se comparam leituras efectuadas com o barómetro, com as pressões indicadas nos mapas do tempo, uma vez que estas últimas costumam ser as existentes ao nível do mar. Não se vivendo a este nível, é fácil ajustar o barómetro para que funcione numa gama de pressões ligeiramente mais baixas.
Para a previsão do tempo, a informação mais importante que um barómetro proporciona, é se a pressão é relativamente alta ou baixa, se sobe ou baixa e se a sua variação é lenta ou rápida. O nível exacto não é tão importante. Se se tratar de utilizar o barómetro electrónico para a previsão local, é desnecessário calibrá-lo de modo muito preciso ou ajustá-lo para que meça as pressões ao nível do mar.
O sensor de pressão utilizado neste dispositivo é o MXP100A da Motorola. A sua acção depende de um transdutor piezoeléctrico, ao qual se aplica uma referência de vácuo num dos seus extremos e a pressão atmosférica (ou outra) no extremo oposto.
As diferenças de pressão de cada lado do transdutor produzem um esforço que dá como resultado uma diferença de potencial que aparece entre os terminais de saída do sensor (V+ e V-) e indica-se como saída do transdutor (Vsaida).
A diferença de potencial (ou saída) é linear em relação à diferença de pressão. Tipicamente, uma diferença de pressão de 1.000 mb gera uma saída de 60 mV.
Infelizmente, existem algumas complicações que se têm de superar antes desta saída se poder utilizar como indicadora da pressão. Quando a diferença de pressão for nula (0 mb de cada lado do transdutor), a saída é da ordem dos 10 mV. Esta tensão de deslocamento tem de subtraír-se da tensão de saída antes de se poder calcular a pressão.
Outra complicação deve-se à tensão de saída não depender apenas da pressão, mas também da temperatura. Tipicamente, a redução da saída é de 0,19% por cada grau centígrado de aumento de temperatura.
Em princípio, isto não parece muito, mas não se deve esquecer que, quando se medem pressões atmosféricas, intervêm variações de pressão relativamente pequenas. Por exemplo, uma elevação de temperatura de 10° C produz uma queda de tensão de 1,9%. Em termos de pressão, isto equivale a um erro de 19 mb sobre 1.000 mb.
Como se trata de medir pressões dentro de uma gama de 950 a 1.050 mb, ou seja, dentro de uma gama de 100 mb, um erro de 19 mb é importante. Uma variação de temperatura devido à variação das condições do tempo pode mascarar qualquer variação de pressão, pelo que a leitura do barómetro não teria utilidade.
Existem sensores compensados em temperatura, mas são bastante mais caros do que o MPX100A. Um método para compensar este sensor, em temperatura, consiste em utilizar circuitos adequados que tenham incorporado um sensor de temperatura.
Isto não é fácil de fazer, porque a tensão de deslocamento também depende da temperatura. Como consequência, o ajuste de um circuito que use este método é bastante complicado.
No barómetro descrito neste artigo, foi adoptada uma técnica bastante mais simples. O sensor está encerrado num "forno", no qual se mantém uma temperatura constante, por intermédio de um simples termóstato. Isto elimina a necessidade da compensação da temperatura.
Uma terceira fonte erro refere-se à histerese. O seu efeito é tal, que, se a pressão estiver a aumentar, a saída correspondente a uma determinada pressão é maior do que se a pressão estivesse a diminuir.
Felizmente, este efeito só se evidencia com variações de pressão relativamente importantes. Quando se mede a pressão atmosférica, trata-se de pequenas variações e, como consequência, a histerese pode ignorar-se.
Outro factor a ter em conta, refere-se à grandeza do sinal de saída depender da tensão de alimentação. Neste circuito, a tensão de alimentação está regulada a +5 V.
No diagrama de blocos do sistema, representado na figura 1, mostra-se o sensor de pressão encerrado no seu forno, cujo interior se mantêm a uma temperatura constante de 35° C.
A temperatura exacta não tem importância, sempre que seja constante e ligeiramente superior à temperatura ambiente à qual funcionar o dispositivo. Devido ao calor produzido pelo transformador e pelos componentes do circuito, a temperatura no interior da caixa do aparelho, será de alguns graus superior à temperatura ambiente. Portanto, a temperatura no interior do forno deverá ser de alguns graus superior a esta última.
A saída do sensor (Vsaida) faz-se passar por uma cadeia de três amplificadores operacionais que realizam os cálculos necessários para a converter numa tensão adequada para excitar o aparelho de medida. No protótipo usou-se um medidor de 50 µA com uma resistência em série para o converter num voltímetro de 1 V no fundo da escala. Os cálculos realizados pelo circuito devem distribuir-se em três etapas:
1) Acha-se Vsaida utilizando um amplificador com subtractor, para subtrair V- de V+. O resultado é uma Va muito próxima da Vsaida, mas que pode conter pequenos erros devidos às tolerâncias dos componentes e à tensão de deslocamento de entrada do amplificador. O circuito compensa estes erros na etapa seguinte.
2) Soma-se uma tensão de deslocamento para compensar a de saída do sensor de pressão a pressão nula (aproximadamente 10 mV) e para qualquer erro dos amplificadores operacionais. Também é necessária uma grande tensão de deslocamento para permitir que quando a pressão for de 950 mb, a saída do aparelho de medida seja nula. O deslocamento total necessário nesta região é de -67 mV, se bem que deva poder permitir as tolerâncias de fabrico ao ajustar o circuito. A soma realiza-se utilizando um amplificador operacional ligado como somador, obtendo-se a saída Vb. Como o somador também inverte a soma, a saída do segundo amplificador é uma tensão negativa.
3) Amplifica-se Vb de modo que quando esta tensão mudar de 0 V para -6 mV, a entrada para o aparelho de medida aumente de 0 para 1 V. Por esta razão é necessário usar um amplificador operacional ligado como inversor com um ganho de 167. A saída deste amplificador é indicada como Vc. A tabela 1 mostra a tensão nos extremos da gama de pressões. Para realizar a soma, a equação que têm de resolver estes amplificadores é: Vc = 167 (VA -0,067) Volts
Os sensores individuais variam até ao extremo de que Va pode aumentar só 4,5 mV, ou 9 mV no máximo, para aumentos de pressão de 100 mb, pelo que tem de ser possível ajustar o seu ganho entre 111 e 222.
Como se referiu anteriormente, é importante saber se a pressão aumenta ou diminui e com que rapidez. O clássico barómetro aneroide costuma ter uma agulha situada na parte da frente, que se pode rodar manualmente para a fixar na pressão actual. Deste modo, ao fim de algumas horas, pode ver-se qual foi a variação de pressão desde que se ajustou a agulha.
No barómetro electrónico dispõe-se de uma função semelhante. Depois da cadeia de amplificadores operacionais, previu-se um divisor de tensão variável, alimentado por uma tensão estabilizada de 1,26 V proveniente de um diodo de referência de tensão.
O divisor de tensão ajusta-se manualmente até que o aparelho indica a mesma leitura que se está a obter dos amplificadores. Portanto, este divisor actua como uma memória.
Quando o barómetro se utiliza a seguir, a leitura do divisor de tensão não terá variado e pode comparar-se com a nova leitura obtida dos amplificadores.
O circuito do sensor de pressão e do amplificador do barómetro electrónico são mostrados na figura 2. IC1 calcula Va. IC2 soma o resultado à tensão que existe no cursor do potenciómetro P1. Este potenciómetro de ajuste regula-se de modo que a tensão no cursor seja -67mV, ou qualquer valor necessário para produzir o deslocamento requerido. Para P1 usa-se um modelo multivoltas para poder ajustar esta tensão de modo preciso.
A saída Vs de IC2 é o inverso da soma, -(Va-0,067). IC3 amplifica e inverte Va. Para um sensor típico, P2 ajusta-se de modo que o seu valor mais o da resistência R13 seja igual a 1,67 MΩ, o que proporciona um ganho de 167. Portanto, a saída Vc é de 167(VA-0,067). A saída de IC3 passa pelo comutador S1 e pela resistência R15 ligada ao terminal positivo do aparelho de medida. Como todas as tensões estão referenciadas à linha de 2,5 V (figura 2), o terminal negativo do medidor liga-se a esta linha.
O aparelho de medida utilizado no protótipo foi um microamperímetro de 50µA de fundo de escala. A resistência R15 converte-o num voltímetro de 1 V de fundo de escala, aproximadamente.
Quando se aplica uma tensão de 1 V, a corrente que circula pela resistência combinada de R15 com a bobine do aparelho de medida (1,5 KΩ)é de 42µA. Portanto, na prática, a tensão necessária para que a agulha indique o fundo da escala é algo superior a 1 V. Esta discrepância soluciona-se aumentando ligeiramente o ganho do amplificador inversor IC3.
Portanto, não há necessidade de usar uma resistência de precisão para R15. Se se tiver um voltímetro de 1 V, de fundo de escala, poderá utilizar-se em vez do aparelho de medida indicado e prescindir de R15. Se se tiver um microamperímetro com um fundo de escala diferente, deverá calcular-se o valor de R15 mediante a fórmula R=1/(f.e.), resistência da bobine do aparelho de medida.
O circuito do termostato para o forno, está representado na figura 3. O sensor proporciona uma tensão de saída de 0,01 V por cada grau centígrado acima de 0° C. IC5 compara esta tensão com outra fixa estabelecida por intermédio do potenciómetro de ajuste P4.
Para uma temperatura de 35°C, a tensão na saída do sensor é de 0,35 V. Se o curso de P4 se ajustar para produzir a mesma tensão, a saída de IC5 aumentará cada vez que a temperatura diminua para menos de 35° C. Isto tornará condutor o transístor TR1 e circulará corrente por R18 e R19.
Estas resistências devem ter uma dissipação de 0,5 W e actuam como elementos de aquecimento. Observe-se como a corrente que circula por estas resistências é proveniente da alimentação de 12V, com o que se aumenta o seu efeito térmico. Este circuito mantém constante a temperatura interna do forno dentro de uma variação de meio grau centígrado.
O circuito da fonte de alimentação, que se sugere, é do tipo de 5 V regulados, cujo esquema se mostra na figura 4. Também fornece uma tensão de 12 V, não regulada, às resistências de aquecimento. O circuito principal e o visualizador consomem 50 mA e as resistências de aquecimento consomem só 170 mA. No entanto, também se podem usar outros circuitos de alimentação que proporcionem saídas semelhantes. Para o regulador de 5 V, IC6, é necessário um pequeno dissipador de calor.
Se não se tiver uma fonte de alimentação de laboratório, começa-se por montar a proposta anteriormente. Na figura 5 está representada a disposição dos componentes numa placa de tiras.
A fonte de alimentação completa deve encerrar-se de modo seguro para evitar o perigo de contactos acidentais com pontos da rede, enquanto se comprova o resto do circuito.
Começar pela montagem do circuito principal, realizando a placa do sensor da figura 6 e seguindo a disposição dos componentes mostrada na figura 7. Esta placa contém o circuito do termóstato, o sensor de pressão e o primeiro amplificador operacional, IC1.
O forno consiste numa caixa cúbica que pode realizar-se com cartão espesso, como se pode ver na figura 8. Não tem fundo e repousa simplesmente sobre a placa de circuito impresso, porque não é necessário que seja hermética. Uma alheta no lado esquerdo da caixa possui um furo que permite fixá-la à placa.
No lado esquerdo, próximo da parte superior da caixa, têm de se fazer três pequenos furos. Os três terminais de IC4 fazem-se passar por estes furos e dobram-se tal como se mostra na figura de modo que o corpo deste circuito integrado fique precisamente por cima da resistência de aquecimento R18.
Utilizando uma régua de três terminais isolados, serão realizadas as ligações com fio flexível entre os três terminais de IC4 e a placa de circuito impresso.
Comprovar o circuito de aquecimento ligando-o às alimentações de +5 V e +12 V. O forno e o sensor de temperatura deverão colocar-se sobre o sensor de pressão e as resistências de aquecimento. Ajustar P4 de modo que a tensão no seu cursor seja de 0,35V. Usar um voltímetro para comprovar a saída de IC4 (terminal 2de IC5). Esta tensão deverá aumentar de modo contínuo até que chegue a ser aproximadamente de 0,35 V, e depois deverá permanecer praticamente constante. Para chegar a este estado podem decorrer uns cinco minutos ou mais.
O funcionamento do sistema de aquecimento pode comprovar-se medindo a diferença de potencial nos seus extremos. Ligar um voltímetro entre a alimentação de 12 V e o colector de TR1. Quando o circuito se põe em marcha pela primeira vez, esta diferença de potencial deverá ser da ordem de 11V, com uma corrente de só 150 mA. Ao alcançar a temperatura desejada, esta diferença de potencial deverá ter diminuído e, desde então, variar lentamente entre 0 V e 11 V.
A seguir poderá comprovar-se a saída do sensor de pressão X1. Não é conveniente medi-la antes porque, mesmo a temperatura constante, leva uns cinco minutos, a partir da entrada em funcionamento, para alcançar um estado de saída fixo.
Um voltímetro ligado nos terminais da resistência R2 deverá indicar uma diferença de tensão da ordem de 50 mV a 120 mV, conforme as características do sensor utilizado. Aparecerá uma tensão igual a esta diferença de potencial, na saída (terminal 6) de IC1, medida em relação à linha de +2,5 V.
Os outros dois amplificadores são montados numa placa à parte, situados no painel posterior da caixa do aparelho de medida; na figura 9 podem ver-se os pormenores dos cortes na placa de tiras, e na figura 10 a disposição dos componentes.
Furos realizados no painel posterior permitirão o acesso com um parafuso a P1, e P2, de modo que o circuito se possa ajustar com a caixa fechada. Depois de montar os componentes nesta placa, realizar as necessárias ligações entre as placas, a alimentação de +5 V, a linha de 0 V e a alimentação de +2,5 V e Va. Aplicar a alimentação e esperar cinco minutos para que o sensor se estabilize.
A seguir, comprovar o valor de Va em relação à linha de +2,5 V. Ajustar P1 até que a tensão no seu cursor seja de -0,067 V em relação à linha de +2,5 V. A saída de IC2 deverá ter o valor de Vb, que deverá estar entre 0 mV e -6 mV.
Para se assegurar que o circuito trabalha correctamente, retirar, provisoriamente, o forno, e aplicar o extremo de um tubo de plástico à janela do sensor de pressão.
Ligar um voltímetro para medir Va e a seguir soprar ligeiramente no tubo. A indicação do voltímetro deverá aumentar ligeiramente de forma apreciável. Se, em vez de soprar pelo tubo, se fizer o inverso, devido à sucção produzir-se-á uma diminuição de Va.
Repetir estas operações medindo Vb com o aumento de pressão e um aumento com a diminuição da pressão. A seguir, ligar o voltímetro para medir Vc. Ajustar P2 de modo que a saída seja da ordem de 0,5 V, para obter uma leitura a meia escala. Soprando e sugando, deverá produzir-se um varrimento rápido da escala do voltímetro.
Fazer, uns furos na parte posterior da caixa, para os parafusos que aguentam a placa do amplificador e para o acesso a P1 e P2. No painel frontal, realizar o furo necessário para alojar o aparelho de medida e para passar os parafusos de fixação. Realizar também os furos, no painel frontal, necessários para o interruptor S2, o potenciómetro P3 e o LED DL1. Montar o aparelho de medida e completar a cablagem tal como se indica na figura 11.
Eliminar a escala graduada do aparelho de medida. Voltar a numerar a escala desde 950 a 1.050, utilizando caracteres de decalque. Acrescentar a indicação "Milibares".
Pôr em funcionamento o medidor, seleccionar "Pressão" e permitir que o sistema de aquecimento aqueça o forno e o sensor de pressão, pelo menos durante 20 minutos para que fiquem bem estabilizados.
Situar P2 no centro do seu percurso. Se se tiver um barómetro fiável, ler a pressão em milibares e calcular a sua equivalência de tensão Va: 1.013 mb=760 mm de mercúrio Vc=(pressão-950)/100 V
Ajustar P1 até que Vc (em relação à linha de +2,5 V) seja igual a este valor. Se não se tiver um barómetro, estimar a pressão local consultando um mapa meteorológico. O visualizador mostrará a pressão em milibares.
Pôr o comutador S2 na posição "Memória". Ao rodar o potenciómetro de ajuste P4, é possível que o visualizador mude em toda a escala, desde 950 mb até 1.050 mb.
Deixar o barómetro em funcionamento permanente durante vários dias. Anotar as suas leituras e as horas respectivas e compará-las com as obtidas com outro barómetro. Provavelmente poderá observar-se que a posição de ganho é demasiado alta ou demasiado baixa. O efeito disto é que, por exemplo, se outro barómetro mostrar um aumento de pressão de 20 mb, o barómetro electrónico só terá aumentado 16 mb. Neste caso, o ganho será demasiado baixo; ajustar P2 de acordo com isto, girando-o ligeiramente no sentido dos ponteiros do relógio. Porém, se o barómetro electrónico indicar um aumento de 27 mb significa que o ganho é demasiado alto e deverá girar-se P2 no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio.
Ao realizar estas operações é possível que, com P2 rodado completamente num sentido ou no outro, não seja possível ajustar o ganho para o valor necessário. Isto deve-se às variações de fabrico dos sensores individuais. Se for assim eliminar a resistência R13 e substituí-la por outra de valor mais alto ou mais baixo.
Depois de realizar estes ajustes, o barómetro deverá mostrar a quantidade de variação correcta, mas é possível que a sua leitura seja demasiado alta ou demasiado baixa. Ajustar P1 para deslocar as leituras à pressão correcta. Depois disto talvez seja necessário reajustar ligeiramente P2 e até P1 durante os dias seguintes mas, uma vez realizados estes reajustes, o barómetro estará suficientemente bem calibrado para a sua utilização normal.
Um barómetro pode proporcionar uma previsão francamente fiável do tempo local a curto prazo. Como se referiu anteriormente, o que se tem de ter em conta são as variações de pressão.
A seguir daremos algumas regras simples para as previsões:
As regras indicadas anteriormente não são aplicáveis em todas as circunstâncias e, para uma maior fiabilidade da previsão, é necessário ter em conta a direcção dos ventos.