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Os parâmetros sensibilidade e tensão de off-set da função de transferência temperatura versus tensão dada por (7.1) têm uma grande variabilidade entre exemplares do microcon- trolador MSP430. Assim, pelo menos um ajuste baseado em dois pontos tem de ser realizado de modo a garantir o nível de precisão necessário para a maioria das aplicações. Para esse

propósito foi empregada uma técnica de ajuste para medição de temperatura do tipo comparação (Sommer, 2006).

O sensor foi encapsulado em um caixa de acrílico hermeticamente fechada com dimensões 44 mm × 35 mm × 23 mm, L × W × H, conforme apresentado na Figura 7.10. Diferente do que a Figura 7.10 mostra, no caso dos procedimentos desta seção o termistor do termômetro de referência foi instalado externamente à caixa. Isso foi feito por meio de um parafuso metálico de 20 mm de comprimento atravessando a parede superior da caixa. Internamente esse parafuso estava em contato com o encapsulamento do MSP430 e externamente foi fixado o termistor. Nestas fixações foi utilizado um adesivo de baixa resistividade térmica, de modo a maximizar a condução térmica entre termistor e o encapsulamento do microcontrolador. O termistor foi conectado ao multímetro por meio de um par trançado com 50 cm de comprimento.

Tanto os procedimentos de ajuste quanto aqueles de validação, descritos na próxima seção, foram realizados com a caixa acrílica imersa totalmente em banho de água. Cada procedimento consistiu de um banho específico, o qual foi realizado em uma caixa plástica sem tampa. A caixa foi revestida com paredes de isopor de 17 mm de espessura, inclusive na parte onde ficaria a tampa. Imediatamente abaixo da caixa foi instalado o indutor de acoplamento do interrogador.

O primeiro ponto usado no ajuste do sensor foi 48 oC, valor medido com o termômetro de referência. O procedimento consistiu em colocar sensor e uma resistência blindada dentro de um banho de água com volume de 4300 cm3. A temperatura do banho foi elevada até 48 oC, e mantida nesse valor por 20 minutos por meio de uma fonte de tensão alternada ajustável que alimentava a resistência.

Para o segundo ponto de ajuste foi utilizado o chamado “banho de ponto de gelo”, ou ice-point bath, conforme especificado em um padrão industrial norte-americano (ASTM, 2003). Esse banho foi preparado utilizando gelo triturado saturado em ar, com fragmentos em torno de 2 mm, sendo que o gelo foi obtido a partir de água destilada. A Figura 7.11 mostra a evolução da temperatura do banho durante esse procedimento. Os pontos de medição estavam separados por 20 s, de modo que no intervalo mostrado na Figura 7.11 foram obtidos 4620 pontos. Além do ajuste do sensor, o procedimento também permitiu verificar a correção do termômetro de referência, pois a temperatura para o banho de ponto de gelo padrão é 0 oC (273,15 K) e a temperatura medida pelo termômetro de referência foi 0,014 oC (273,164 K).

7 - Sistema de Monitoramento de Temperatura 141

Essa temperatura de 0,014 oC foi determinada a partir do intervalo entre os pontos de medição 1101 e 1219, correspondendo a aproximadamente 40 minutos onde a temperatura variou apenas 3,0786 moC.

A Figura 7.11 também ilustra os grandes erros de medição que seriam gerados se não fosse realizado qualquer procedimento de ajuste para o sensor. O princípio de funcionamento do sensor incorporado nos microcontroladores MSP430 é a dependência frente à temperatura para a queda de tensão em uma junção PN diretamente polarizada. Dentre as técnicas de medição de temperatura essa é aquela que proporciona a característica mais linear para o circuito sensor. Contudo, os parâmetros sensibilidade e offset desta característica linear variam bastante entre dispositivos, a não ser que sejam realizados ajustes a laser no circuito sensor como parte do processo de fabricação. Para a família MSP430 não é realizado ajuste na fabricação. A partir dos procedimentos apresentados nesta seção, valores de 3,53 mV/oC e 1,015 V foram obtidos para a sensibilidade e offset, respectivamente. Isso representa uma diferença de 0,8 % para a sensibilidade e uma diferença de 3% para o offset, quando comparados com os valores típicos informados na documentação do microcontrolador. A documentação também informa que a tolerância quanto à sensibilidade é de ±3%, e para o offset o significativo valor de ±20% (Texas, 2011).

Figura 7.10 - Montagem termistor+sensor conforme utilizada nos procedimentos apresentados na seção relativa à validação do sistema. A montagem utilizada para os procedimentos apresentados na seção relativa ao ajuste do sistema consiste de uma versão com o termistor conectado no lado externo da caixa de acrílico, como descrito no texto.

0 2 4 6 8 10 -10

0 10 20

Sensor não ajustado Termômetro de referência 1 x 104 (s) t ( C)o T

Figura 7.11 - Evolução da temperatura durante o banho de ponto de gelo. A curva do sensor foi obtida de acordo com os parâmetros sensibilidade e offset típicos informados na documentação do microcontrolador. O intervalo de tempo entre 22020 e 24380 segundos foi escolhido como segundo ponto de ajuste, correspondendo ao valor de 0,014 oC medido pelo termômetro de referência.

Durante os procedimentos realizados para obter os dois pontos de ajuste, nós identificamos que existia uma grande diferença entre os tempos de resposta do sensor e do termômetro frente às variações de temperatura. Para verificar esse aspecto de forma exata foi realizado um experimento onde o termômetro de referência e o sensor foram submetidos a um degrau de temperatura de aproximadamente 25 oC, como mostra a Figura 7.12. Os resultados de evolução da temperatura medida mostram a grande diferença entre a constante de tempo do sensor e aquela do termômetro de referência, de acordo com as condições de acoplamento térmico entre o termistor e o encapsulamento do MSP430. Essa condição consistia do termistor instalado do lado externo da caixa acrílica do sensor e conectado ao encapsulamento do MSP430 por meio de um parafuso metálico. De acordo com o experimento a constante de tempo foi de 21 s no caso do termômetro e de 138 s no caso do sensor. A folha de dados do termistor PR103J2 informa que sua constante de tempo é de 1 s, sendo tal valor obtido para o mesmo imerso em um banho de óleo. Além do fato do banho no experimento ser realizado com água, não foi possível identificar a origem da diferença entre o valor da folha de dados e aquele do experimento. Acredita-se que contribua para tal diferença o tempo necessário para equalizar a temperatura entre o termistor e seu cabo de conexão.

7 - Sistema de Monitoramento de Temperatura 143 0 1000 2000 3000 20 30 40 50 Sensor ajustado Termômetro de referência 1 63,2 % do degrau de temperatura (s) t ( C)o T

Figura 7.12 - Evolução da temperatura durante o primeiro experimento de resposta à variação de temperatura. O sensor e o termômetro de referência inicialmente estavam em um banho com temperatura de 23 oC. No tempo t = 960 s ambos foram transferidos para um banho com temperatura de 47,5 oC, ou seja, um degrau de temperatura de 24,5 oC. A montagem era uma versão daquela da Figura 7.10, onde o termistor era fixado no lado externo da caixa de acrílico.