Transcript
UNIRADIAL ESTÁCIO FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA P4A – 1º SEMESTRE 2009
PROJETO INTEGRADO GERENCIAMENTO E CONTROLE DE TEMPERATURA EM FLUÍDOS ALESSANDRO DE FREITAS RODRIGUES ALEXANDER GONÇALVES CASTRO ANDRÉ DE OLIVEIRA BORBA VANILDO TEIXEIRA SILVA
SÃO PAULO JUNHO DE 2009
UNIRADIAL ESTÁCIO FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROJETO INTEGRADO SISTEMA ELETRÔNICO DE MEDIÇÃO E CONTROLE DE TEMPERATURA Trabalho de Projeto Integrado submetido à banca examinadora para avaliação e composição da nota relativa à respectiva matéria, do quarto semestre do Curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Automação Industrial. ALESSANDRO DE FREITAS RODRIGUES ALEXANDER GONÇALVES CASTRO ANDRÉ DE OLIVEIRA BORBA VANILDO TEIXEIRA SILVA
Orientador: Prof. Juan Bardina
2
„Bez pracy nie ma kołaczy“ - “Sem trabalho não há pão” Antigo provérbio polonês
3
ÍNDICE
INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................................... 5
A HISTÓRIA DO TERMÔMETRO .......................................................................................................................... 5
PROJETO ........................................................................................................................................................... 10
FUNCIONAMENTO ............................................................................................................................................. 10
PLANEJAMENTO ............................................................................................................................................... 10
ARQUITETURA................................................................................................................................................... 10
ESQUEMA ELÉTRICO .........................................................................................................................................11
FORÇA MOTRIZ ................................................................................................................................................. 12
ATUADORES ...................................................................................................................................................... 12
IHM – INTERFACE HOMEM/MÁQUINA .............................................................................................................. 12
ALOCAÇÃO DAS TAREFAS............................................................................................................................... 12
ESTIMATIVAS DE CUSTOS ................................................................................................................................ 12
CRONOGRAMA.................................................................................................................................................. 13
CONCLUSÃO ..................................................................................................................................................... 14
BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................................................................15
4
OBJETIVO Construir um sistema eletrônico de medição e controle automático de temperatura, utilizando conceitos estudados em sala de aula e de acordo com as disciplinas do quarto semestre do curso de Engenharia Elétrica com Ênfase em Automação Industrial (controle de malha fechada).
INTRODUÇÃO A HISTÓRIA DO TERMÔMETRO O termômetro é um instrumento que mede quantitativamente a temperatura de um sistema. A maneira mais fácil de se fazer isso é achar uma substância que possua uma propriedade que se modifica de modo regular com a temperatura. A forma direta mais 'regular' é a forma linear: t(x) = ax + b Onde: t é a temperatura da substância utilizada e muda com a propriedade x da substância. As constantes a e b dependem da substância utilizada e podem ser calculadas especificando dois pontos na escala o o de temperatura, tais como 0 para o ponto de congelamento da água e 100 para o seu ponto de ebulição. Por exemplo, o elemento mercúrio (o único metal líquido em baixas temperaturas) é líquido no intervalo de temperatura de -38.9° C a 356.7° C. Como todo líquido, o mercúrio expande na medida em que ele é aquecido. Sua expansão é linear e pode ser calibrada com precisão.
O TERMOSCÓPIO Em 1592, o italiano natural de Pisa, Galileu Galilei, supostamente inventou um precursor do termômetro moderno, o termoscópio, para medir as variações de temperatura, baseando-se em conceitos dos antigos filósofos gregos. Existe certa controvérsia à respeito desta invenção, uma vez que alguns pesquisadores a atribuem ao médico italiano Santorio Santorre, que em 1612 haveria desenvolvido um termoscópio à ar, com uma escala graduada para leitura. Nada mais natural que o nome do aparelho fosse então uma fusão de duas palavras gregas (termo - i.e. “calor” e skopeo – i.e. literalmente: “olhar com atenção”.) ***Há uma variante deste instrumento que teria usado álcool colorido ao invés da água. Isto teria sido um aperfeiçoamento feito por Cosme I (Grã-Duque de Toscana), que, além disso, utilizou o termoscópio invertido, ou seja, com o bulbo para baixo!
5
O termoscópio consiste de um bulbo esférico de vidro, acoplado a um tubo cilíndrico longo com diâmetro reduzido. Este tubo é imerso dentro de um recipiente contendo água colorida artificialmente. A pressão atmosférica atuante sobre a superfície da água faz com que ela suba pelo tubo, formando uma coluna d’água. Aquecendo-se o bulbo, o ar contido em seu interior sofre uma expansão, empurrando a coluna d’água para baixo. Deste modo, quanto maior for a temperatura aplicada, maior a expansão do ar e menor a quantidade de água na coluna. O interessante é que o aparelho de Galileu não possuía uma graduação ou escala para quantificar a variação da temperatura. Desta maneira, a “medição” das variações era feita visualmente (percepção da alteração do volume na coluna de água) o que certamente não conferia confiabilidade a medida. Na verdade, o objetivo maior desse instrumento era medir uma quantidade até então indefinida, de maneira mais objetiva do que simplesmente as sensações fisiológicas de “calor” e “frio”. Existem relatos do uso de um termômetro de líquido em vidro pelo também médico francês Jean Rey, em 1637. Pode-se chamar o aparelho de termômetro por que as variações eram indicadas de maneira semelhante aos termômetros atuais, porém com a extremidade superior ainda aberta. Em 1644, o matemático italiano Evangelista Torricelli, (inventor do barômetro) descobriu a variabilidade da pressão do ar e ajudou a esclarecer que a pressão atmosférica influenciava a medição de temperatura nos termômetros abertos. Alguns anos mais tarde (1654) Fernando II (grã-duque da Toscana), desejando medir temperaturas inferiores ao ponto de solidificação da água construiu um termômetro utilizando como variável a dilatação do álcool, porque este congela a uma temperatura mais baixa que a água.
6
Para evitar a evaporação do álcool Fernando II selou a parte superior do termômetro, construindo assim, um termômetro igual ao que utilizamos na atualidade - isto ocorreu justamente por que ao ter a sua extremidade selada, o dispositivo não sofria mais a influência da pressão atmosférica! O Duque Fernando II contribui muito para o desenvolvimento da termometria, fundando em meados do século 17 a Accademia del Cimento, especializada na construção de termômetros, na cidade de Florença, Itália. Foi na Accademia que foram projetados e construídos diversos tipos de termômetros, inclusive os de mercúrio.
ESCALAS DE TEMPERATURA Um grande problema com relação aos termômetros fabricados na Accademia era que havia uma grande variação nas escalas de um modelo do instrumento para outro (falta de padronização). Durante a década de 1660, o cientista inglês Robert Hooke passou a desenvolver um padrão para as escalas de temperatura, baseando-se, tal qual Cláudio Galeno, nos pontos de congelamento e ebulição da água. Com o passar dos anos, entretanto, as mais diversas escalas e padrões foram propostos e realmente não havia um acordo em relação à uma única escala. Foi então que em 1714, entrou em cena um holandês chamado Gabriel Fahrenheit, que utilizou sua habilidade de fabricante de instrumentos de precisão para construir termômetros precisos e com um padrão que lhes conferia uma uniformidade muito grande de leitura. Fahrenheit atrelou a marca zero da escala dos seus termômetros à medição de uma mistura de gelo e sal (a temperatura mais baixa que ele conseguia gerar) e então determinou que esta seria de 32 graus. Como marca máxima da escala, Fahrenheit escolheu a temperatura do corpo humano e determinou que esta seria de 96 graus. Os termômetros fabricados por Fahrenheit tornaram-se então extremamente populares, graças principalmente a qualidade dos instrumentos. Algum tempo depois, em 1742, o astrônomo sueco Anders Celsius sugeriu que o ponto de fusão do gelo e o da ebulição da água fossem adotados para definir uma nova escala de temperaturas. A princípio o “zero grau” foi atribuído ao ponto de ebulição da água (ao nível do mar) e os “100 graus” ao ponto de congelamento da mesma. Depois estes pontos foram invertidos, criando-se a escala Centígrada, ou seja, dividida em cem graus. Somente em 1948 esta escala foi oficialmente batizada de escala “Celsius”, em homenagem ao inventor. No início dos anos 1800, William Thomson (ou Lorde Kelvin), criou uma escala universal embasada em um coeficiente de expansão de um gás ideal. Foi estabelecido assim o conceito de “zero absoluto” e a escala Kelvin foi dotada como padrão para a termometria moderna.
7
O APERFEIÇOAMENTO DOS TERMÔMETROS Graças aos estudos do químico inglês Sir Humphrey Davy, descobriu-se que a resistividade elétrica (ou a oposição a um fluxo de corrente elétrica) dos metais era influenciada pela temperatura. Após isso, em 1861, o engenheiro alemão, Sir Carl Wilhelm Siemens concebeu o uso de termômetros de resistência de platina, argumentando que as medições de temperatura poderiam ser realizadas a partir da variação da resistividade do material. Em 1887, o inventor inglês Guy Stewart Callendar melhorou este termômetro, e atualmente, os termômetros que utilizam platina são largamente utilizados em muitos processos de controle industrial. Por fim, em 1821, o físico alemão, Thomas Johann Seebeck, descobriu que quando um composto de dois metais diferentes (ou bimetálico) é unido em duas extremidades e um destes extremos é aquecido, uma corrente elétrica é formada – o chamado “efeito termoelétrico”. Este fato possibilitou a invenção do termopar – o mais importante sensor de temperatura utilizado na indústria!
TIPOS DE TERMÔMETRO BIMETÁLICO Baseiam-se no fenômeno da dilatação e termoeletricidade. Os do primeiro tipo podem ser construídos de forma semelhante aos termômetros a líquido: uma barra, retilínea ou não, ao dilatar-se, move um ponteiro registrador. Para isso, constroem-se lâminas bimetálicas de forma espiralada que se curvam conforme aumenta ou diminui a temperatura. Nesse movimento, a lâmina arrasta, em sua extremidade, um ponteiro que percorre uma escala graduada ou registra graficamente a variação de temperatura num papel em movimento. DIGITAL São instrumentos amplamente utilizados em empresas, destinados a medir temperatura em processos e produtos diversos, que não necessitam de uma medição constante, apenas esporádica. Um termômetro infravermelho (também denominado de pirômetro óptico) é um dispositivo que mede temperatura sem contato com o corpo/meio do qual se pretende conhecer a temperatura. Geralmente este termo é aplicado a instrumentos que medem temperaturas superiores a 600 graus Celsius. Uma utilização típica é a medição da temperatura de metais incandescentes em fundições. Há também os modelos de termômetros por contacto, que utilizam pontas sensoras, geralmente intercambiáveis, com modelos diferentes de sensores para cada aplicação. Exemplos de aplicações de termômetros digitais: medição de temperatura em fundições, em alimentos em restaurantes ou indústrias, em processos químicos, em estruturas, em fornos, em produtos diversos. Os termômetros digitais em geral podem ter aplicação industrial ou não, para monitoração constante e precisa das temperaturas de determinados equipamentos que sejam esses sensíveis a alterações de seu
8
funcionamento, em função de sua temperatura e/ou ambientes que necessitam de cuidados com a temperatura. Como um exemplo disso, temos a conservação de alimentos a baixas temperaturas em supermercados, como também em laboratórios biológicos para cultivo de bactérias ou outras espécies. São também utilizadas versões deste equipamento com uma interface de raio infravermelho (INFRARED), para verificação esporádica de temperatura sem contato físico com o objeto. MERCÚRIO O termômetro de mercúrio é o mais comum. Ele consiste basicamente de um tubo capilar (fino como cabelo) de vidro, fechado a vácuo, e um bulbo (espécie de bolha arredondada) em uma extremidade contendo mercúrio.
O mercúrio, como todos os materiais, dilata-se quando aumenta a temperatura. Por ser extremamente sensível, ele aumenta de volume à menor variação de temperatura, mesmo próxima à do corpo humano. O volume do mercúrio aquecido se expande no tubo capilar do termômetro. E essa expansão é medida pela variação do comprimento, numa escala graduada que pode ter uma precisão de 0,05oC. É dessa forma, pela expansão do líquido, que observamos a variação da temperatura. TABELA DE CONVERSÃO DE TEMPERATURAS
Unidade kelvin grau Celsius
Símbolo Equivalência K =1K oC = T (K) - 273,15
grau Fahrenheit oF grau Rankine oR
= 1,8 T (oC) - 32 = (5/9) K
9
PROJETO O projeto de construção de um controlador de temperatura foi sugerido pelo grupo, e prevê a aplicação dos conceitos teóricos estudados em sala de aula. Este projeto integrado tem como objetivo principal mostrar o funcionamento integral de um controle de temperatura de fluídos, sendo constituído por: captação externa de, bombeamento até o reservatório principal e pela monitoração e controle da temperatura do fluído de acordo com ajuste pré-estabelecido pelo operador.
FUNCIONAMENTO O operador ajusta, através de um “set point”, a temperatura desejada em que o fluído deverá permanecer em seu regime normal de trabalho. A leitura da temperatura do fluído, é feita por meio de um sensor imerso no reservatório principal, sendo a indicação da mesma realizada em um display de “led’s”, que informam este valor em tempo real. O controlador faz a comparação entre o valor ajustado da temperatura de trabalho do fluído e a temperatura indicada no display; se a temperatura atual do fluído estiver abaixo da desejada o controlador aciona a resistência elétrica imersa no reservatório para o aquecimento do fluído, elevando assim a temperatura do mesmo. A resistência permanece ligada até que o valor pré-ajustado seja alcançado, sendo imediatamente desligada quando o valor medido excede o previamente ajustado. Caso a temperatura do fluído atinja 1ºC acima da temperatura desejada, são acionados dois motores (do tipo “moto-bomba”) que fazem a circulação do fluído entre os reservatórios, provocando a troca de calor e baixando assim a temperatura para o valor desejado. Quando a temperatura alcança a temperatura requerida, o bombeamento é desativado. Este ciclo permanece funcionando em modo contínuo, durante todo o regime de trabalho.
PLANEJAMENTO O projeto foi executado em etapas progressivas, visando acima de tudo uma demonstração prática e objetiva da funcionalidade do sistema proposto. O grupo realizou uma primeira reunião para definir todo o escopo do projeto integrado; nesta reunião, foi elaborado um cronograma determinando os prazos, divisão das tarefas dos membros do grupo, estimativas de custos e concepção geral do projeto.
ARQUITETURA O projeto está divido em tópicos da seguinte forma: • Sensores; • Força Motriz; • Atuadores; • Controlador; • Interface Homem/Máquina – IHM
10
ESQUEMA ELÉTRICO
11
FORÇA MOTRIZ São utilizados dois motores (moto-bomba) para transferência de água entre os reservatórios - estes motores têm características similares as de um aquário comum.
ATUADORES Os atuadores serão do tipo a relés (12VDC, 10ª (120 VAC), fabricado pela TIANBO, modelo HJR-3FF-Z2). O projeto prevê um relé para o acionamento da moto-bomba instalada no reservatório 1 e outro relé para o acionamento da moto-bomba instalada no reservatório 2.
IHM – INTERFACE HOMEM/MÁQUINA Para o usuário interagir com o sistema, o projeto será composto por um display para visualização da temperatura atual e um potenciômetro para ajuste do “set-point”. A interface possui também chaves de bloqueio que permitem ao operador desligar o sistema integralmente, ou, desativar parcialmente o funcionamento do sistema.
ALOCAÇÃO DAS TAREFAS Ficaram dispostas da seguinte forma as atribuições para cada membro do grupo: • Alessandro
: Apresentação e documentação preliminar e final do projeto;
• Alexander
: Montagem mecânica e confecção da maquete;
• André
: Coordenação do projeto e desenvolvimento da parte eletrônica;
• Vanildo
: Montagem eletro/eletrônica e coordenação do projeto.
ESTIMATIVAS DE CUSTOS Após pesquisa de preços no varejo, chegamos à conclusão que a execução do projeto teria um custo inicial de aproximadamente R$ 450,00. Porém com a evolução do projeto, o valor final teve importantes alterações, que foram motivadas basicamente por imprevistos ocorridos durante a montagem do projeto. Há que se considerar que parte do material foi obtida a custo zero, uma vez que se tratavam de elementos comuns, disponíveis entre material de reciclagem. Principais componentes do projeto: •
Componentes eletrônicos:
R$ 55,00
Resistores, capacitores, circuitos integrados, led´s, sensores etc. •
Confecção de PCI (metalizada, dupla face)
R$ 200,00
Lay out da placa fabricado em empresa especializada •
Reservatórios em acrílico (x2)
R$ 45,00
12
•
Bombas elétricas (x2)
R$ 40,00
•
Válvulas/Sensores/Resistência elétrica
R$ 85,00
•
Diversos (tinta acrílica, cola, fios, e etc.)
R$ 50,00
CRONOGRAMA EVOLUÇÃO
PERÍODO – SEMANAL – Março a Abril de 2009
DO
Mar
Abr
PROJETO
23
1
Mai 6
13
20
27
1
Jun 4
11
18
25
1
Reunião do grupo para de elaboração do projeto Montagem do Cronograma Reunião para atribuição das responsabilidades do grupo P&D teórica e prática do projeto. Pesquisa de custos do projeto Apresentação da 1o Etapa do projeto Elaboração e entrega do lay out para confecção da PCI Montagem do Projeto Testes e ajustes Montagem e teste final do projeto Apresentação do projeto Entrega do relatório
13
CONCLUSÃO Nosso grupo é unânime em afirmar que, embora o conhecimento teórico e a compreensão dos fenômenos e leis naturais sejam os pilares para a atuação dos profissionais de engenharia, temos a percepção que o contato com a prática diária e o bom desempenho nos relacionamentos interpessoais, são cada vez mais destacados e valorizados nos ambientes de trabalho. Iniciativas como esta, da elaboração semestral de projetos no âmbito acadêmico, são extremamente positivas, pois nos dão a oportunidade de praticar o que aprendemos. Paralelamente à pesquisa e aplicação dos conhecimentos adquiridos, pode-se avaliar e aprimorar a qualidade da execução de tarefas e as capacidades de comunicação, negociação e discussão de idéias. Adicionalmente, sentimos que reforçamos nossa noção de pesquisa científica ao estudarmos os materiais e métodos para a construção deste projeto. Esperamos que ao longo de nosso curso, outras atividades sejam propostas para ajudar-nos a desenvolver as habilidades demandadas pelo mercado de trabalho e futuros clientes. Amparados principalmente no suporte técnico oferecido pelo professor Juan, realizamos uma criteriosa pesquisa que nos permitiu avaliar as condições técnicas, financeiras e práticas deste projeto, bem como os desafios e fatos inesperados que certamente nos deram uma ótima noção da realidade do dia a dia de um profissional de engenharia.
14
BIBLIOGRAFIA http://www.ti.com - Site da Texas Instruments, fabricante de componentes eletrônicos http://www2.ufscar.br/home/index.php - Site da Universidade de São Carlos http://www.analog.com/en/index.html - Site da Analog Devices, fabricante de componentes eletrônicos http://pt.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1gina_principal – Site da Wikipédia, biblioteca virtual “on-line”
15
