O Sensor de pH Arduino é um dispositivo de medição utilizado em diversos setores, capaz de fazer a medição da acidez e da basicidade de um determinado líquido, mostrando através de uma escala fixa se o líquido está em condições de um elemento base, ou ácido, sendo 7 considerado um pH de elemento neutro, nem ácido, nem básico.
Saber o pH é uma informação importante que pode possibilitar diversas análises diferentes, uma das mais comuns está associada ao controle da água de piscinas, uma vez que dependendo do seu valor, a água deve ser tratada com diferentes agentes químicos.
Através deste projeto, iremos fazer a medição do pH de alguns líquidos, calibrar a leitura e entender um pouco mais sobre esta tecnologia que está sendo estudada e amplamente utilizada, tanto em sistemas para controlar o funcionamento correto da hidroponia, quanto em outros projetos que envolvem manter a água em condições favoráveis para uso.
O que é pH?
O pH é uma unidade de medida que identifica de forma quantitativa, a alcalinidade ou acidez de determinada solução, de forma mais teórica, o pH mede a quantia de íons de hidrogênio contida na solução, onde a faixa de pH pode apresentar variação entre valores de 0 a 14.
Um pH de valor igual a 7 é considerado um líquido neutro, uma vez que a água tende a um valor próximo a isto, já valores entre 1 e 6 são considerados líquidos ácidos e valores de pH entre 8 e 14 são considerados líquidos alcalinos, assim como podemos observar na imagem abaixo:
Índice de pH conforme valor de referência
A sequência que a escala de pH tem é logarítmica, o que significa que a diferença entre uma unidade numérica e outra pode ser 10 vezes mais básica ou ácida dependendo do caso.
Sensor de pH Arduino
O sensor de pH é capaz de captar os índices de pH em líquidos e pode ser utilizado com diversos modelos de microcontroladores, porém é sempre importante estarmos cientes da sua estrutura antes mesmo de iniciarmos nossos projetos utilizando o mesmo.
Como funciona o Sensor de pH Arduino?
O sensor de pH Arduino funciona medindo valor do Ph de determinada solução, ele consegue definir sua alcalinidade ou acidez, sendo amplamente utilizado no monitoramento ambiental, na agricultura, além de ser usado no tratamento de águas residuais.
Como a placa apresenta regulador de tensão integrado, suporta o fornecimento de tensão entre 3.3 e 5.5VDC, valor compatível com diversos microcontroladores disponíveis no mercado, como o Arduino.
Basicamente, o sensor é constituído a partir de uma haste, a qual geralmente é feita em vidro, apresentando na “membrana”, sendo preenchido com uma solução para armazenagem, conhecida como tampão de pH. Este design proporciona um ambiente propício no qual íons H+ ficam armazenados em seu interior e possam ser utilizados como base para futuras leituras.
Quando o sensor é mergulhado na solução de teste, os íons de hidrogênio presentes nesse liquido iniciam uma troca com íons positivamente carregados na membrana de vidro, de forma a criar um tipo de potencial eletroquímico por meio da membrana, convertendo em sinais para leitura do módulo.
Como usar o Sensor de pH Arduino?
Por se tratar de um dispositivo que trabalha com valores relativamente baixos de variação, é importante para o sucesso de nossas leituras que a calibração seja feita no sensor. Como sabemos, as leituras da haste variam entre valores compatíveis com 0 e 14 e o sensor varia sua tensão entre valores de 0 a 5V.
A medição de pH é bastante rigorosa assim como usa utilização, sendo necessário alguns procedimentos para obter resultados precisos.
Para calibração do sensor iremos iniciar com a tensão de saída, colocando em curto o pino central no BNC com a parte externa do conector, o que fará com que ao conectarmos o módulo ao Arduino, este mostre o valor médio que convertido em tensão deve ser o mais próximo possível de 2,5V após regulagem.
Sistema de calibração BNC Sensor pH Arduino
Com o passo acima executado, iremos conectar o módulo ao Arduino e para isto, conectaremos o V+ com o 5V do Arduino, o G com o GND e o Po com o pino Analógico A0 do Arduino, assim como podemos ver na imagem abaixo:
Esquema de ligação do sensor de pH Arduino
Existem dois métodos para realizarmos a leitura dos 2,5V, através do Arduino, onde utilizamos o método demonstrado acima ou através de um multímetro, posicionando a ponta de prova no pino central e na carcaça de isolamento do BNC.
Como o intuito é realizarmos a leitura com o Arduino, faremos a leitura do sinal analógico recebido pelo Arduino e converteremos este valor em Volts através de um código específico, veja:
Este é um programa bastante simples, o seu objetivo é ler o pino analógico Po e através do Arduino, exibir a tensão no monitor serial. Para a compilação do código, certifique-se de que a placa Arduino está selecionada e também verifique se a porta de comunicação certa está selecionada.
Depois que o programa foi carregado, abra o monitor serial e observe os valores fornecidos.
Trimpot de Calibração do Sensor de pH Arduino
Caso o valor apresentado no monitor serial esteja acima ou abaixo de 2.5, utilize o trimpot de “calibração de leitura” para chegar o mais próximo possível deste valor. Ex.: 2.61
Agora para calibração das medições utilizando a sonda, iremos usar duas soluções, conhecidas como tampões, que são soluções aquosas com níveis pH conhecidos.
Caso iremos medir soluções neutras e ácidas, precisamos dos tampões de pH 7 e 4.
Caso iremos medir neutras e alcalinas, precisamos dos tampões de pH 7 e 10.
Com elas em mãos, e a sonda BNC conectada ao sensor, mergulhamos na solução de pH 7, aguardamos um minuto até a tensão no monitor serial se estabilizar, e anotamos este valor.
Agora, limpando a ponta da sonda, utilizando água deionizada e secando-a, mergulhamos na outra solução escolhida (4 ou 10), aguardamos novamente um minuto e anotamos o valor do monitor serial.
Esquema de Ligação
Para complementar os trabalhos junto ao nosso Sensor de pH Arduino, iremos incrementar ao nosso projeto um display LCD que irá nos permitir analisar os valores sem a necessidade do monitor serial e a conexão direta com um computador.
Como vimos em projetos passados, uma das opções para reduzir a quantia de fios em nosso projeto, é a utilização de um display com adaptador I2C, que reduz os fios de comunicação em apenas dois. Veja abaixo o esquema de ligação completo:
Esquema de ligação completo do Sensor de pH Arduino
Uma ligação teoricamente simples e de fácil execução, porém vale observar que neste projeto, não utilizamos o sensor de temperatura e assim, deixamos alguns pinos do nosso Sensor de pH Arduino fora de nosso circuito.
Programação do Sistema de Leitura
Agora que estamos com a nossa conexão pronta, o próximo passo é trabalharmos com o nosso código, que mesmo parcialmente complexo ainda é facilmente compreendido através dos comentários feitos em cada uma das etapas.
É um código um pouco mais complexo uma vez que conta com duas bibliotecas, porém são duas bibliotecas às quais já estamos habituados à utilizar, uma já é padrão do Arduino e outra é facilmente encontrada através do gerenciador de bibliotecas do mesmo.
Abaixo, veja o código completo:
[crayon-673f5412f23ac113579314/]
Após realizadas as conexões, inserimos os valores obtidos anteriormente nas variáveis de calibração.
O valor obtido na solução de pH 7, iremos colocar na variável “calibracao_ph7”, lembrando de utilizar ponto como separador da casa decimal (Exemplo 2.55).
Agora, se utilizamos a solução de pH 4, basta colocar o valor na variável “calibracao_ph4” e está finalizado a calibração para soluções ácidas.
Para a solução de pH 10 caso você tenha escolhido, vamos alterar o valor da variável “calibracao_ph10” e mudamos o valor da variável “UTILIZAR_PH_10” de “false” para “true”, está finalizado a calibração para soluções alcalinas.
Depois de carregar o programa, basta abrir o monitor Serial e verificar o valor do pH e está concluída a fase de calibração.
Cuidados especiais ao utilizar a sonda
Lembre-se que as medições de pH são sensíveis, então é necessário realizar a limpeza da sonda com água deionizada antes de trocarmos a sonda de solução. Também é necessário realizar a calibragem da sonda regularmente, e a temperatura ideal do ambiente é de 25°C para melhores resultados.
Caso fique um longo período de tempo sem utilizar a sonda, é necessário colocar ela mergulhada em solução KCl 3M por 8 horas para reativação da sonda, este líquido vem contido no recipiente na ponta da sonda para preservar ela ativa e umedecida, substitua quando necessário.
Se o eletrodo apresentar um desvio de polaridade após uso prolongado, a extremidade inferior do eletrodo pode ser imersa em HF 4% (ácido fluorídrico) por 3-5 segundos, lavada com água destilada e, em seguida, imersa em solução de cloreto de potássio para restaurá-lo.
Se a solução medida contiver substâncias que podem contaminar facilmente o bulbo sensível ou bloquear a solução líquida, o eletrodo irá demorar para ler, resultando em uma diminuição no gradiente de sensibilidade ou leituras imprecisas. Nesse caso, ele deve ser limpo com uma solução apropriada de acordo com a natureza do contaminante para restaurá-lo.
Ao escolher um agente de limpeza, se o líquido de limpeza puder dissolver a resina de policarbonato, como tetracloreto de carbono, tricloroetileno, tetraidrofurano, etc., a resina de policarbonato pode ser dissolvida e aplicada ao bulbo de vidro sensível, causando a falha do eletrodo. Por favor, use com cautela!
Em conclusão, o sensor necessita de cuidados especiais e uma regulagem prévia para o bom desempenho. Assim como o nosso código não contempla a utilização do sensor de temperatura para compensação dos valores de pH, aonde seria necessário adequar a calibração a cada variação de temperatura, conforme tabelas disponíveis na internet, assim obtendo resultados mais precisos independente da temperatura ambiente.
Entretanto, fica a sugestão para possíveis TCCs ou estudos, utilizar este sensor de ph Arduino, aprimorando e obtendo resultados ainda mais precisos com este sensor.