DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS VIA USB UTILIZANDO TERMOPARES

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1 . UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO UFOP ESCOLA DE MINAS EM COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO CECAU DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS VIA USB UTILIZANDO TERMOPARES MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO MURILO TRINDADE DE OLIVEIRA Ouro Preto, 2008

2 iii MURILO TRINDADE DE OLIVEIRA DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS VIA USB UTILIZANDO TERMOPARES Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção de Grau em Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Henor Artur de Souza Ouro Preto Escola de Minas UFOP julho/2008

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4 v SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS RESUMO ABSTRACT vii x xi xii I. INTRODUÇÃO Descrição do problema Objetivos Metodologia Estrutura do trabalho 5 II. SENSORES DE TEMPERATURA Sensores modulantes resistivos RTD (Detector de Temperatura Resistivo) Termistor (Resistor Termicamente Sensível) Sensores modulantes de diodo Sensores modulantes de transistores Sensor de temperatura LM Termopares Termopar tipo T (Cobre - Constatan) Termopar tipo J (Ferro - Constantan) Termopar tipo E (Cromel - Constantan) Termopar tipo K (Cromel - Alumel) Termopar tipo S Termopar tipo R 18 III. PLACA DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS Circuito de potência Circuito de amplificação e compensação Amplificadores Operacionais Entradas (terminação única e terminação dupla) Operação diferencial e modo-comum Amplificadores Operacionais básicos Circuitos AMP-OPS práticos Especificações do AMP-OP (Parâmetros de offset cc) Montagem do circuito de condicionamento de sinais Entrada dos termopares Sensor de temperatura Somador e amplificador de tensões Etapas de montagem 36

5 vi IV. AQUISIÇÃO DE DADOS VIA DISPOSITIVO USB Placa de Aquisição de Dados (NI USB 6009) Conexão USB Configuração de entradas do dispositivo Labview Programação Gráfica Visualização Introdução à aquisição de dados Configurando canais de entrada analógica Instrumentação Virtual e Engenharia 55 V. APLICAÇÃO DO SISTEMA DE AQUISIÇÃO Prática de Condutividade Térmica Em condutores Em isolantes Prática condução-convecção 60 VI. CONCLUSÃO 64 VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 65

6 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Esquema do processo de condução de calor através de um elemento plano. 2 Figura 1.2: Esquema do processo de convecção de calor num ambiente. 3 Figura 1.3: Esquema do processo de radiação de calor do sol. 3 Figura 1.4: Esquema proposto para a aquisição de temperatura. 4 Figura 2.1: Estrutura de um RDT. 8 Figura 2.2: Comportamento dos termistores PTC e NTC em relação a temperatura. 9 Figura 2.3: Comportamento da barreira potencial de um diodo em relação a temperatura, 11 Figura 2.4: Sistema sensor de temperatura usando um único transistor como elemento sensor e com uma temperatura de referência. 12 Figura 2.5: Medição diferencial de duas tensões V BE nos transistores Q 1 e Q 2, onde I 1 é a corrente do coletor. 12 Figura 2.6: Vistas do sensor de temperatura LM Figura 2.7: Princípio básico de um termopar. 14 Figura 2.9: Efeito Peltier. 15 Figura 2.10: Diagrama esquemático básico de um Termopar. 16 Figura 3.1: Diagrama de blocos da fonte de alimentação. 19 Figura 3.2: Bloco Transformador do circuito de potência. 20 Figura 3.3: Bloco Retificador do circuito de potência. 20 Figura 3.4: Bloco de Filtragem do circuito de potência. 21 Figura 3.5: Bloco de Regulagem do circuito de potência. 21 Figura 3.6: Configuração dos pinos de um regulador de tensão. 22 Figura 3.7: Configuração básica de um regulador de tensão. 22 Figura 3.8: Circuito de alimentação da placa de amplificação e compensação. 23 Figura 3.9: Circuito básico de um canal de entrada. 23 Figura 3.10: Amplificador operacional básico. 24 Figura 3.11: Operação de entrada com terminação única. 25 Figura 3.12: Operação de entrada com terminação dupla (diferencial). 25 Figura 3.13: Operação modo-comum. 26 Figura 3.14: Amp-op básico 28 Figura 3.15: Equivalente ca do circuito amp-op: (a) real; (b) ideal. 29 Figura 3.16: Conexão de um amplificador operacional com realimentação.. 29 Figura 3.17: Multiplicador inversor de ganho constante. 30

7 viii Figura 3.18: Multiplicador de ganho constante não-inversor. 31 Figura 3.19: Multiplicador de ganho constante não-inversor. 32 Figura 3.20: Parâmetros de offset em um amplificador operacional. 33 Figura 3.21: Configuração dos pinos em um amplificador operacional básico. 33 Figura 3.22: Circuito diferencial para conexão dos termopares. 34 Figura 3.23: Circuito compensador da junta fria. 35 Figura 3.24: Circuito Amplificador Somador. 36 Figura 3.25: Circuito Impresso de uma placa de condicionamento com 4 canais. 37 Figura 3.26: Montagem do Circuito. 38 Figura 3.27: Calibração do Circuito. 38 Figura 4.1: Diagrama de blocos de um sistema de aquisição de dados. 39 Figura 4.2: Placas de aquisição de dados 40 Figura 4.3: Conexão RSE. 42 Figura 4.4: Novo dispositivo de aquisição de dados. 43 Figura 4.5: Tela de dispositivos do MAX (Measurement & Automation Explorer). 44 Figura 4.6: Painel frontal e Diagramas de blocos no LabVIEW. 45 Figura 4.7: Painel frontal de um Instrumento Virtual feito no LabView 46 Figura 4.8: Função While Loop. 47 Figura 4.9: Adquirindo sinais do dispositivo. 48 Figura 4.10: Especificando o sinal de entrada. 49 Figura 4.11: Os canais de entrada. 49 Figura 4.12: Configurando os canais de entrada. 50 Figura 4.13: A função While Loop e o bloco de aquisição de dados. 51 Figura 4.14: Gráficos no Diagrama de Blocos do LabVIEW. 51 Figura 4.15: Visualizando os primeiros resultados. 52 Figura 4.16: Diagrama robusto a ruídos e oscilacções. 53 Figura 4.17: O filtro. 54 Figura 4.18: Compressão de amostras. 54 Figura 5.1: Condutividade em um tubo de cobre. 56 Figura 5.2: Medição de temperatura pelos termopares 1 e Figura 5.3: Gráficos extraídos do Sistema de Aquisição dos termopares 1 e Figura 5.4: Gráficos extraídos do Sistema de Aquisição dos termopares 1 e Figura 5.5: Esquema da montagem prática 60

8 ix Figura 5.6: Evolução temporal da temperatura nos pontos medidos 60 Figura 5.7: Esquema da montagem prática 62 Figura 5.8: Evolução da temperatura com o tempo ao longo da barra de cobre 62 Figura 5.9: Evolução da temperatura com o tempo ao longo da barra de alumínio 63 Figura 5.10: Evolução da temperatura com o tempo ao longo da barra de cobre 63

9 x LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Alguns tipos de termopares 15 Tabela 2.2: Faixas de Leitura e variação de voltagem de termopares 15 Tabela 2.3: Coeficientes polinomiais para seis diferentes tipos de Termopares 16

10 xi RESUMO Os dispositivos usados para a medição de temperatura têm larga aplicação nos dias de hoje e dentre os mais utilizados encontram-se os termopares. A variedade de termopares existentes no mercado é bastante ampla e quando se procede à escolha de um termopar, deve-se ponderar qual o mais adequado para a aplicação desejada, tais como a faixa de temperatura suportada, a exatidão e a confiabilidade das leituras, entre outras. Nesse sentido, encontrar uma forma eficiente de adquirir os dados provenientes dos termopares, de acordo com sua especificidade, para o controle de temperatura de um dado processo, é de grande valia. Assim, desenvolve-se um sistema de aquisição de dados via USB utilizando termopares, interface em LabVIEW, tomando como exemplo as práticas de transferências de calor do Laboratório de Transferência de Calor e Massa da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto. A montagem da estrutura para o interfaceamento da aquisição de dados constitui-se de um conjunto de termopares responsáveis pelo sensoriamento das práticas; das placas de aquisição de dados da National Instruments; dos módulos de condicionamentos de sinais e de um computador para aquisição por meio do software LabVIEW. Aplica-se o sistema de aquisição em três práticas do laboratório, mesmo cada uma utilizando número de termopares diferentes e obtêm-se resultados consistentes, de forma a demonstrar com confiabilidade os valores de temperatura no processo envolvido. Palavras-chave: Termopares, Aquisição de dados, Condicionamento de Sinais, LabVIEW.

11 xii ABSTRACT The devices used for measuring temperature have wide application today and in their midst the most used are the thermocouples. The variety of thermocouples in the market is quite wide and when the choice of a thermocouple, one should consider what the most appropriate for the desired application, such as temperature range supported, the accuracy and reliability of readings, among other. In this sense, finding an efficient way to acquire data from thermocouples, according to its specificity, to control temperature of a given process, is of great value. Thus, develops in a data acquisition system via USB using thermocouples, interface in LabVIEW, taking as an example the practice of transfer of heat from the Laboratory of Heat and Mass Transfer of the School of Mines from Universidade Federal de Ouro Preto. The assembly of the structure for the interfacing the acquisition of data is is a set of thermocouples responsible for the sensing of practice; slabs of the acquisition of data from National Instruments; modules of the constraints of signals and a computer for purchase through the LabVIEW software. It applies the purchasing system in three practices of the laboratory, even each using number of thermocouples different and there are consistent results, in order to demonstrate reliability with the values of temperature in the process involved. Keywords: Thermocouples, Data Acquisition, Conditioning Signs, LabVIEW.

12 1 I. INTRODUÇÃO Medir a temperatura é um processo, que dependendo da situação em questão, pode exigir desde alternativas simples a meios mais robustos na sua definição. A princípio, pode-se tomar como exemplo o corpo humano, que é um péssimo instrumento de medição para tal, pois distingue apenas o que é mais frio e o que é mais quente (diferencial), sem levar em consideração, variáveis como a condução térmica; provocando erros muito freqüentes, ao achar por exemplo, que um material de metal está mais frio do que outro de madeira, quando na verdade estão a mesma temperatura. É visto nos dias de hoje que a temperatura é uma medida física de notável interesse, devido à ampla influência que exerce em diversas áreas, que incluem desde componentes da eletroeletrônica a processos industriais pesados. Sendo assim, os fenômenos acerca da temperatura, como a troca de energia (calor) precisam ser evidenciados para melhor se projetar e adaptar os processos nele envolvidos. E achar o valor das variáveis para definir tais fenômenos é fundamental, assim como um sistema de medição adequado para realizar tal tarefa. Há necessidade de citar a influência da temperatura em áreas como a eletrônica, como por exemplo, o uso de dissipadores de calor; utilizado tanto em processadores de PC s quanto em reguladores de tensão (78XX e 79XX) para diminuir a sua dependência com essa grandeza; a influência da temperatura nas resistências, transistores e os dispositivos em geral, cujas características são alteradas conforme a temperatura aplicada no componente. A relação da temperatura com os processos químicos e/ou siderúrgicos, para os quais quaisquer variações podem alterar a eficiência das reações e causar perdas de produtividade; no ser humano, já que é sabido que após uma determinada temperatura as enzimas responsáveis por catalisar reações químicas são desnaturadas. Então, o primeiro detalhe a se levar em consideração na medição da temperatura é o elemento que vai sentir a temperatura a partir de um valor conhecido ou definido, ou seja, aquele que vai estar em contato com o corpo a ser medido e como ele irá transmitir essa medida para um aparato que dê um valor adequado para essa medição. Para isso, é necessário escolher de forma apropriada um sensor de temperatura, o qual será conveniente dentre as especificações de sensores existentes. Como forma de explicar o que ocorre, em termos de fenômenos físicos relacionados à temperatura, é de vital importância conhecer os valores exatos de tal forma a descrever estes

13 2 processos físicos e assim fenômenos como passagem da energia térmica de um corpo para outro ou de uma parte para outra de um mesmo corpo por meio das três maneiras possíveis: condução, convecção e radiação. A condução é o processo de transmissão de calor em que a energia térmica passa de um local para outro através das partículas do meio que as separa. A passagem da energia de uma região para outra se faz da seguinte maneira: na região mais quente, as partículas têm mais energia, vibrando com mais intensidade; com esta vibração cada partícula transmite energia para a partícula vizinha, que passa a vibrar mais intensamente; esta transmite energia para a seguinte e assim sucessivamente. A condução de calor é um processo que exige a presença de um meio material e que, portanto, não ocorre no vácuo como na Figura 1.1, a qual apresenta um elemento plano. Figura 1.1: Esquema do processo de condução de calor através de um elemento plano. Fonte: INCROPERA; DeWITT, 2003 A convecção é um movimento de massas de fluido, trocando de posição entre si. Não tem significado falar em convecção no vácuo ou em um sólido, isto é, convecção só ocorre nos fluidos. Considere uma sala na qual se liga um aquecedor elétrico em sua parte inferior. O ar em torno do aquecedor se aquece, tornando-se menos denso que o restante. Com isto ele sobe e o ar frio desce, havendo uma troca de posição do ar quente que sobe e o ar frio que desce, exposta na Figura 1.2.

14 3 Figura 1.2: Esquema do processo de convecção de calor num ambiente. Fonte: INCROPERA; DeWITT, 2003 A radiação é o processo de transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas (ondas de calor). A energia emitida por um corpo (energia radiante) se propaga até o outro, através do espaço que os separa, como na Figura 1.3. Sendo uma transmissão de calor por meio de ondas eletromagnéticas, a radiação não exige a presença do meio material para ocorrer, isto é, a radiação ocorre no vácuo e também entre meios materiais. Figura 1.3: Esquema do processo de radiação de calor do sol. Fonte: INCROPERA; DeWITT, Descrição do problema A proposta do trabalho é realizar a aquisição da temperatura nas práticas de transferência de calor, existentes no Laboratório de Transferência de Calor e Massa da Escola de Minas da UFOP.

15 4 A princípio, é necessário enxergar as formas a fim de realizá-la. A partir de então, viu-se que era bem simples a integração entre o software LabVIEW e as placas de aquisição da National Instruments, por sua fácil interface e instalação. Conseqüentemente, precisava-se verificar o funcionamento da aquisição com os termopares e a faixa de percepção da placa. Já que o sinal elétrico de saída dos termopares é da ordem de microvolts, o que se conclui por meio de testes, resultados com o erro exagerado, causado pela placa de aquisição ao converter um dado analógico para digital, sabendo da limitação de sua resolução, gerando erro de aproximadamente 10ºC. Deste ponto, foi visto a necessidade de inserir ao sistema uma placa de condicionamento de sinal, ou seja, um instrumento pelo qual se amplificaria o sinal proveniente dos termopares e faria a compensação da junta fria, por meio de um sensor de temperatura ambiente. Portanto, isto foi um fator decisivo para o desenvolvimento do sistema. Na Figura 1.4, explicitado o esquema proposto. Figura 1.4: Esquema proposto para a aquisição de temperatura. Fonte: Adaptado de NATIONAL INSTRUMENTS, Objetivos Desenvolver um sistema de aquisição de dados via USB utilizando termopares para as práticas de transferências de calor com interface em LabVIEW Metodologia O desenvolvimento do trabalho tem uma abordagem experimental que compreende a montagem de uma estrutura para a aquisição de dados via USB utilizando termopares. A montagem da estrutura para interfaceamento da aquisição de dados seguiu as seguintes etapas:

16 5 Confecção dos termopares tipo T (soldagem do cobre e constantan); Aquisição das placas da National Instruments, NI USB-6009, com oito entradas analógicas de 14 bits e taxa de transferência de 48 ksamples/s; Desenvolvimento dos módulos de condicionamento de sinais dos termopares; Montagem da placa de circuito impresso e calibração (ajuste dos offsets e ganhos dos amplificadores operacionais da placa). Interfaceamento dos módulos de condicionamento de sinais com o computador via placas da National Instruments USB-6008; Estudo do software National Instruments LabVIEW 8.2, um programa de linguagem de programação gráfica, composto pelo painel frontal, que contém a interface com o usuário, e pelo diagrama de blocos, que contém o código gráfico do programa; Desenvolvimento do projeto de aquisição de dados de temperatura no software. Aplicação em três práticas de transferência de calor com número diferente de termopares; Verificação dos resultados obtidos Estrutura do trabalho No capítulo 1 faz-se uma descrição geral do problema, explicitando os objetivos e as etapas necessárias para a solução do problema proposto. No capítulo 2 apresenta-se uma descrição dos tipos de sensores de temperatura, focando com mais detalhes os termopares. No capítulo 3 descreve-se desde a base teórica para projeto e funcionamento da placa de condicionamento de sinais às etapas de montagem. No capítulo 4 apresenta-se o sistema de aquisição de dados obtido por meio do interfaceamento do sinal de entrada com o software LabVIEW.

17 6 No capítulo 5 faz-se a aplicação do sistema de aquisição desenvolvido em três práticas de transferência de calor obtendo os dados por meio do software. No capítulo 6 apresenta-se as considerações finais e as conclusões.

18 7 II. SENSORES DE TEMPERATURA Dado um problema particular, os pesquisadores questionam-se: Quais variáveis possíveis de se medir são necessárias para a pesquisa? Qual a freqüência e sobre qual período de tempo as medidas devem ser realizadas? Qual a precisão é necessária? Qual instrumento irá satisfazer os requisitos para a medição? Estas perguntas básicas precisam ser respondidas antes que os pesquisadores saiam para o campo. O pesquisador deve rever a literatura relevante e conceitos teóricos para apontar na determinação das variáveis que devem ser medidas para a resolução do problema (DEFELICE, 1998). A escolha do instrumento requer as seguintes considerações: escala, limitação, resposta, solução, resolução, sensibilidade e precisão do instrumento, compatibilidade com outros instrumentos, simplicidade do projeto, facilidade de leitura, armazenamento ou transmissão de dados da saída, robustez, durabilidade, custo inicial e custo de manutenção. Também é importante que o sinal de saída do instrumento escolhido cubra as faixas de valores desejados para a experiência. Assim, na escolha de um instrumento de medida é necessário levantar todos os dados possíveis para realizar um estudo mais preciso e adequado para escolha acertada do sensor. Dessa forma, a fim de estabelecê-lo é preciso dividir em categorias para uma análise em separada e detalhada. Assim, os sensores podem ser divididos da seguinte maneira: Ativos (modulantes): termo-resistor, termo-diodo e termo-transistor; Passivos (auto-suficientes): termopares Sensores modulantes resistivos O princípio de medição de temperatura utilizando termômetros de resistência se baseia na variação do valor da resistência elétrica de um material em função da temperatura RTD (Detector de Temperatura Resistivo) O RTD (Detector Resistivo de Temperatura) como o nome indica, é um sensor utilizado para medir a temperatura relacionando a resistência do elemento RDT com a temperatura. A maior

19 8 parte dos elementos RDT consiste em um fino fio de arame enrolado, acondicionado em cerâmica ou vidro em torno do núcleo, como mostrado na Figura 2.1. O elemento normalmente é bastante frágil, por isso, muitas vezes, é colocado dentro de uma sonda embainhada para protegê-la. O RDT é feito a partir de um material puro cuja resistência a diferentes temperaturas têm sido documentadas. Ou seja, assim que a temperatura se altera, o material tem previsível alteração na resistência, caracterizando-o de forma a relacionar a temperatura com a resistência. Figura 2.1: Estrutura de um RDT. Fonte: Adaptado de RESISTANCE..., Os materiais mais comuns para a construção do termômetro de resistência são platina, níquel e cobre. A platina é o metal mais utilizado pela sua ampla faixa de utilização, boa linearidade e melhor resistência à oxidação, inércia química, além de ser relativamente fácil obtê-lo na forma pura. A curva da temperatura de resposta é dada pela seguinte equação, na qual A, B, C e R O são constantes específicas de cada material e resistência: R 2 3 = R [1 + AT + BT + CT ( T 100)] ( 200º C < T 0º C) (2.1) T O < R 2 = R [1 + AT + BT ] (0º C T 850º C) (2.2) T O < As principais vantagens deste tipo de sensor são: a alta precisão; o baixo ruído; a ampla faixa de operação e por ser adequado para aplicações de alta precisão. Por outro lado apresenta limitações tais como: (a) RTD s em aplicações industriais são raramente usados acima 660 C. A temperaturas acima desta, torna-se cada vez mais difícil de impedir a platina de ser contaminada pelas impurezas do metal da bainha do termômetro. Esta é a razão pela qual o padrão de termômetros em laboratórios tendem a substituir o metal por um invólucro de vidro. Em temperaturas muito baixas, inferiores a -270 C (ou 3 K), a

20 9 resistência de um RDT é principalmente determinada pela dispersão de impurezas e de fronteira e, portanto, fundamentalmente independente da temperatura. Como resultado, a sensibilidade do RDT é essencialmente zero e, por conseguinte, inútil; (b) RTD s em comparação com a termistores são menos sensíveis a pequenas mudanças de temperatura e tem uma resposta mais lenta no tempo. No entanto, os termistores têm menor amplitude térmica e estabilidade Termistor (Resistor Termicamente Sensível) Os termistores diferem dos detectores de temperatura resistivos, RTD s, pelo tipo de material usado na sua confecção, sendo geralmente uma cerâmica ou polímero, enquanto que os RTD s são materiais metálicos puros. A curva da temperatura de resposta é bem diferente e são menos usuais quando a faixa de operação pedida ao sensor é grande. As constantes a, b, c e R são específicas para cada material. 1 = a + bln( R) + c ln 3 ( R ) (2.3) T Os termistores podem ser classificados em dois tipos dependendo do sinal do coeficiente k, relacionado com o material que constitui o sensor. Se k é positivo, a resistência aumenta com o aumento da temperatura e o dispositivo é chamado de termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC), ou posistor. Se k é negativo, a resistência diminui com o crescimento da temperatura e o dispositivo é chamado de termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC), Figura 2.2. Resistências que são concebidas para não serem termistores são projetadas para ter o menor k possível, de modo que sua resistência se mantém praticamente constante ao longo de uma ampla faixa de temperaturas. Figura 2.2: Comportamento dos termistores PTC e NTC em relação a temperatura. Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT

21 10 Termistores PTC podem ser utilizados desde dispositivos de limitação de corrente no circuito de proteção até para a substituição de fusíveis. A corrente que atravessa o dispositivo provoca uma pequena quantidade de aquecimento resistivo. Se a corrente é grande o suficiente para gerar mais calor do que o dispositivo pode perder para a superfície envolvente, o dispositivo aquece, provocando o aumento de sua resistência, e, por conseguinte, causando ainda mais calor. Isto cria um efeito de auto-reforço que comanda a resistência para cima, reduzindo a corrente e tensão disponíveis para o dispositivo. Termistores NTC são utilizados como termômetros de resistência em medições de temperatura baixa, da ordem de 10 K. Termistores também são comumente utilizados em modernos termostatos digitais para controlar a temperatura durante a carga das baterias Sensores modulantes de diodo Diodo é o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado normalmente como retificador de corrente elétrica, porém, possui outras utilidades como emissores de luz, sensores de temperatura entre outras aplicações. O diodo é um dispositivo ou componente eletrônico composto de dois cristais semicondutores de silício ou germânio cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. Depois de dopadas, cada face dos dois tipos de cristais (P e N) terá uma determinada característica diferente da oposta, gerando regiões de condução no cristal. Uma com excesso de elétrons (face N, negativa), outra com falta de elétrons, lacunas (face P, positiva), e entre ambas, haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção na qual haverá uma barreira de potencial. E de acordo a temperatura, essa barreira será maior ou menor para a condução. À temperatura ambiente, ela assume valor de 0,7 V para o silício e de 0,3 V para o germânio. Na Figura 2.3 mostra-se a variação da barreira potencial de um diodo em função da temperatura ao qual ele está exposto.

22 11 Figura 2.3: Comportamento da barreira potencial de um diodo em relação a temperatura, Fonte: FRUETT, A queda de potencial no diodo apresenta um comportamento bastante linear a partir de 20K, tornando possível utilizá-lo como sensor de temperatura nesta faixa de operação, devido a sua proporcionalidade Sensores modulantes de transistores Os transistores têm suas características alteradas quando utilizados em diferentes temperaturas, o que torna possível relacioná-lo com a temperatura e utilizá-lo também como sensor de temperatura. Existe uma relação direta entre temperatura e corrente de coletor do transistor. Aumentando-se a temperatura de um transistor, sua corrente de coletor também é aumentada. Da mesma forma, aumentando-se a corrente de base, aumenta-se conseqüentemente a corrente de coletor que por sua vez aumenta a temperatura (Efeito Joule) constituindo assim uma "reação em cadeia". E por meio da tensão base-emissor (V BE ) do transistor bipolar é possível estabelecer uma relação direta entre a temperatura e a corrente do coletor. Na Figura 2.4 apresenta-se um sistema utilizando um único transistor como elemento sensor.

23 12 Figura 2.4: Sistema sensor de temperatura usando um único transistor como elemento sensor e com uma temperatura de referência. Fonte: FRUETT, Por meio da medida diferencial de duas tensões V BE de transistores operando com densidades de corrente diferentes como mostrado na Figura 2.5, pode-se eliminar a temperatura de referência e assim apresentar o valor absoluto da temperatura. Esta tensão V BE é chamada de Tensão Proporcional à Temperatura Absoluta ou VPTAT. Como sensores de temperatura comerciais baseados na tensão VPTAT têm-se: LM34: sensor de temperatura para a escala de Fahrenheit LM35: sensor de temperatura para a escala de Celsius Figura 2.5: Medição diferencial de duas tensões V BE nos transistores Q 1 e Q 2, onde I 1 é a corrente do coletor. Fonte: FRUETT, 2006.

24 Sensor de temperatura LM35 O sensor LM35 é um prático sensor de temperatura, de tamanho bastante reduzido (cerca de 3 por 3 mm), e que pode ser utilizado em variadas aplicações, entre elas, em conjunto com termopares para eliminação de uma junta fria (o presente caso). É facilmente encontrado no mercado, fornece 10 mv/ o C, independente da tensão de alimentação na faixa de +4V a +20V. Na Figura 2.6 é mostrada os pinos de alimentação, conexão ao Terra (GND) e o de saída do sensor. Figura 2.6: Vistas do sensor de temperatura LM35. Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT O LM35 não necessita de qualquer calibração externa ou trimming para fornecer com exatidão, valores de temperatura com variações de ¼ºC ou até mesmo ¾ºC dentro da faixa de temperatura de 55ºC à 150ºC. Este sensor tem saída com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente precisa, fazendo com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples, barateando todo o sistema em função disto Termopares O tipo de sensor que será utilizado no Sistema de Aquisição de Dados descrito é o termopar. É possível com este sensor, medir temperaturas em uma ampla faixa, que vai de aproximadamente -270 o C até cerca de 2800 o C. O principio de medição da temperatura é definido em função da tensão elétrica gerada a partir do diferencial de temperatura em dois terminais do termopar. Ou seja, as duas juntas do termopar são submetidas a diferentes temperaturas, o que gera uma diferença de potencial, necessária para a aferição; tendo como referência a temperatura de uma das juntas, normalmente uma junta fria a temperatura constante de 0ºC. No esquema mostrado na Figura 2.7, pode-se verificar o princípio do termopar e como é possível determinar a temperatura de

25 14 uma junta por meio de uma tensão gerada. T 1 é uma temperatura conhecida, T 2 é temperatura medida e no terminal mede-se a diferença de potencial, por meio da qual é possível supor o valor de T 1. Figura 2.7: Princípio básico de um termopar. Fonte: FRUETT, As vantagens em se utilizar os termopares são a confiabilidade, precisão, repetibilidade, baixo custo, padronização e precisão além da grande abrangência da faixa de temperatura. O princípio físico do termopar se baseia em três efeitos da termometria: os efeitos Seebeck, Peltier e Thomsom. O efeito Seebeck diz que a partir de dois fios condutores, formam-se duas junções; estas mantidas a diferentes temperaturas T 1 e T 2 e T 1 > T 2 ; a partir de então, é visto que haverá nestes condutores a circulação de corrente diretamente proporcional à diferença de temperatura proveniente das duas junções. Se a temperatura de uma das junções é conhecida e mantida constante (junta de referência) é possível determinar a temperatura da outra junta conhecendo também a diferença de potencial gerada nesse circuito, Figura 2.8. Figura 2.8: Efeito Seebeck. Já o efeito Peltier prova que o caminho inverso também é verdadeiro. Ou seja, um circuito com duas junções à mesma temperatura, ao ser percorrido por uma corrente proveniente de uma alimentação externa, Figura 2.9, é perceptível e mensurável a mudança de temperatura das duas juntas. Assim, há um aquecimento de uma junta e o resfriamento de outra; transferência de calor de um pólo ao outro.

26 15 Figura 2.9: Efeito Peltier. O efeito Thomson se refere à emissão ou absorção reversível de calor que ocorre quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor homogêneo através do qual um gradiente de temperatura é mantido, não importando se a corrente está sendo introduzida externamente ou induzida pelo próprio termopar. Na tabela 2.1 apresenta-se tipos de termopares. Basicamente, termopares geram uma voltagem de acordo com a temperatura aplicada em uma junção de dois tipos de metais. Na tabela 2.2 podem-se observar as faixas de leitura de temperatura e faixas de variação de voltagem dos termopares. Tabela 2.1: Alguns tipos de termopares TIPO MATERIAL POSITIVO MATERIAL NEGATIVO E Cromel Constantan J Ferro Constantan K Cromel Alumel N Nicrosil Nisil R Platina 13% Ródio Platina S Platina 10% Ródio Platina T Cobre Constantan Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT Tabela 2.2: Faixas de Leitura e variação de voltagem de termopares TIPO FAIXA DE FAIXA DE VOLTAGEM [mv] TEMPERATURA [ o C] T (Cobre - Constantan) -185 a a J (Ferro - Constantan) -185 a a K (Cromel - Alumel) -185 a a E (Cromel - Constantan) 0 a a N (Nicrosil - Nisil) -270 a a S (Platina 10% Ródio Platina) 0 a a R (Platina 13% Ródio - Platina) 0 a a Platina 30% Ródio Platina 38 a a Platinel 1813 Platinel a a 51.1 Irídio 60% Ródio 40% Irídio 1400 a a 9.55 Tungstênio 3% Rênio Tungstênio 25% Rênio 10 a a Tungstênio Tungstênio 26% Rênio 16 a a Tungstênio 5% Rênio Tungstênio 26% Rênio 0 a a Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT

27 16 Para determinação da temperatura em função da tensão gerada pelo termopar é usado um polinômio da forma: 2 n T1 T2 = a0 + a1v 0 + a2v a n V0 (2.4) Sendo T 1, a temperatura em determinado ponto; T 2, a temperatura na junta de referência, geralmente zero grau Celsius; a 0, a 1, a 2,..., a n, os coeficientes característicos para cada tipo de termopar, Tabela 2.3 e V 0, a tensão em volts, medida conforme mostrado na Figura Tabela 2.3: Coeficientes polinomiais para seis diferentes tipos de Termopares a n E [-100 a 1000 o C] J [0 a 760 o C] K [0 a 1370 o C] R [0 a 1000 o C] S [0 a 1750 o C] T [-160 a 400 o C] a a a a E a E E a E E E E E +11 a E E E E E +13 a E E E E E +14 a E E E E a E E Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT Figura 2.10: Diagrama esquemático básico de um Termopar. Fonte: BRUSAMARELLO; BALBINOT São apresentadas a seguir as características dos tipos de termopares mais comumente utilizados na medição de temperatura em processos industriais Termopar tipo T (Cobre - Constatan) O termopar tipo T pode ser utilizado em atmosferas inertes, oxidantes ou redutoras. Devido à grande homogeneidade com que o cobre pode ser processado, possui uma boa precisão. Em

28 17 temperaturas acima de 300 C, a oxidação do cobre torna-se muito intensa, reduzindo sua vida útil e provocando desvios em sua curva de resposta original. O termoelemento positivo é o cobre (Cu100%) e o termoelemento negativo é o constantan Cu55%Ni45%. A faixa de utilização é de -270 C a 400 C e a f.e.m. produzida varia entre -6,258 mv a 20,872 mv Termopar tipo J (Ferro - Constantan) O termopar tipo J pode ser utilizado em atmosferas neutras, oxidantes ou redutoras. Não é recomendado em atmosferas com alto teor de umidade e em baixas temperaturas (o termoelemento TP torna-se quebradiço). Acima de 540 C o ferro oxida-se rapidamente. Não é recomendado em atmosferas sulfurosas acima de 500 C. O termoelemento positivo é o ferro (Fe 99,5%) e o termoelemento negativo é o Constantan (Cu55%Ni45%). A faixa de utilização é de -210 C a 760 C e a f.e.m. produzida varia entre -8,096 mv a 42,919 mv Termopar tipo E (Cromel - Constantan) O termopar tipo E pode ser utilizado em atmosferas oxidantes, inertes ou vácuo, não devendo ser utilizado em atmosferas alternadamente oxidantes e redutoras. Dentre os termopares usualmente utilizados é o que possui maior potência termoelétrica, bastante conveniente quando se deseja detectar pequenas variações de temperatura. O termoelemento positivo é o cromel (Ni90%Cr10%) e o termoelemento negativo é o constantan (Cu55%Ni45%). A faixa de utilização é de -270 C a 1000 C e a f.e.m. produzida varia entre -9,835 mv a 76,373 mv Termopar tipo K (Cromel - Alumel) O termopar tipo K pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes. Pela sua alta resistência à oxidação é utilizado em temperaturas superiores a 600 C, e ocasionalmente em temperaturas abaixo de 0 C. Não deve ser utilizado em atmosferas redutoras e sulfurosas. O termoelemento positivo é o cromel (Ni90%Cr10%) e o negativo é o alumel (Ni95%Mn2%Si1%A12%). A faixa de utilização é de -270 C a 1200 C e a f.e.m. produzida varia entre -6,458 mv a 48,838 mv.

29 Termopar tipo S O termopar tipo S pode ser utilizado em atmosferas inertes e oxidantes, apresentando uma estabilidade, ao longo do tempo em altas temperaturas, muito superior à dos termopares não constituídos de platina. Seus termoelementos não devem ficar expostos a atmosferas redutoras ou com vapores metálicos. Nunca devem ser inseridos diretamente em tubos de proteção metálicos, mas sim primeiramente em um tubo de proteção cerâmico, feito com alumina (Al2O3) de alto teor de pureza (99,7%), comercialmente denominado tipo 799 (antigo 710). Existem disponíveis no mercado tubos cerâmicos com teor de alumina de 67%, denominados tipo 610, mas sua utilização para termopares de platina não é recomendável. Para temperaturas acima de 1500 C utilizam-se tubos de proteção de platina. Não é recomendada a utilização dos termopares de platina em temperaturas abaixo de 0 C devido à instabilidade na resposta do sensor. Em temperaturas acima de 1400 C ocorre um fenômeno de crescimento dos grãos, tornando-os quebradiços. O termoelemento positivo é o Pt90%Rh10% e o termoelemento negativo é o Pt100%. A faixa de utilização é de -50 C a 1768 C e a f.e.m. produzida varia entre -0,236 mv a 18,693 mv Termopar tipo R O termopar tipo R possui as mesmas características do termopar tipo S, sendo em alguns casos preferível a este por ter uma potência termoelétrica 11% maior. O termoelemento positivo é o Pt87%Rh13% e o termoelemento negativo é o Pt100%. A faixa de utilização é de -50 C a 1768 C e a f.e.m. produzida varia entre -0,226 mv a 21,101 mv. Os tipos de termopares R e S são denominados termopares nobres, por terem como elemento básico a platina.

30 19 III. PLACA DE CONDICIONAMENTO DE SINAIS Para o termopar utilizado, no caso o tipo T (Cobre - Constantan), a faixa de utilização da temperatura é de -170 ºC a 400 ºC e a força eletromotriz tem amplitude de 27,13 mv, variando de -6,258 mv a 20,872 mv; o que resulta em uma relação de 40,5 µv/ºc, uma faixa muito estreita e que dificulta a percepção dos instrumentos de medida, seja ele um multímetro ou uma placa de aquisição. Mesmo assim, foram feitos testes utilizando apenas os termopares e a placa de aquisição da National Instruments para verificar a resolução da placa e percebeu-se uma oscilação de cerca de 10 ºC nos valores reais da temperatura. Dessa forma, ficou evidente a necessidade de um aparato que amplificasse o sinal de forma a diminuir o erro, pois a resolução dos canais de entrada da placa é insuficiente para a leitura do sinal dos termopares. Com a idéia desse aparato, a necessidade de uma junta fria (zero ºC) também seria eliminada, já que seria possível implementar na própria, um sensor de tensão proporcional à temperatura absoluta, o LM35, de funcionamento bastante simples com a finalidade de obter a temperatura ambiente e dessa forma somar ao sinal amplificado dos termopares, eliminando a necessidade de uma junta do termopar imersa em um bloco de gelo. Assim, a placa de condicionamento de sinais é divida em duas partes: o circuito de potência e o circuito de amplificação e compensação, o qual possui a função principal da placa Circuito de potência O circuito de potência constitui uma das etapas básicas dos equipamentos elétricos e/ou eletrônicos. A função dessa etapa inicial é adequar a tensão elétrica fornecida pela rede domiciliar/industrial com as tensões adequadas às demais etapas do equipamento. É o caso, por exemplo, de dispor de uma tensão de 117 V ac ou 220 V ac e necessitar de uma tensão de 12 Vcc. Uma fonte de alimentação básica é, via de regra, constituída por quatro blocos, cada um com sua finalidade específica, assim representada na Figura 3.1. Figura 3.1: Diagrama de blocos da fonte de alimentação. Fonte: Adaptado de NETTO, 2008.

31 20 O bloco 1 (Transformador) altera os parâmetros de tensão e corrente de entrada alternada para outros valores de tensão e corrente de saída alternada como mostrado na Figura 3.2. Figura 3.2: Bloco Transformador do circuito de potência. Fonte: Adaptado de NETTO, O bloco 2 (Retificação) retifica os pulsos de saída do transformador, produzindo uma nova saída polarizada, pulsante e contínua. A ponte de diodos retifica os dois semi-ciclos da tensão alternada, chamada assim de retificação em onda-completa, Figura 3.3. Da tensão de entrada na ponte, perde-se 1,4 V, pois cada diodo determina uma queda de potencial elétrico de 0,7 V (típica da junção PN de silício); e há sempre dois diodos em condução em cada semi-ciclo. Há, portanto, o semi-ciclo positivo no terminal um e o negativo no terminal dois. Figura 3.3: Bloco Retificador do circuito de potência. Fonte: Adaptado de NETTO, O bloco 3 (Filtragem) filtra a tensão pulsante de saída do bloco retificador eliminando boa parte de sua pulsação. A ação do capacitor de filtragem é suavizar os picos dos semi-ciclos provenientes da retificação, convertendo-os em um fornecimento mais contínuo das cargas elétricas, como mostrado na Figura 3.4. O diagrama destaca a tensão não filtrada (em linha pontilhada) e a contínua suavizada (em linha sólida).

32 21 Figura 3.4: Bloco de Filtragem do circuito de potência. Fonte: Adaptado de NETTO, A filtragem aumenta significativamente a tensão média em corrente contínua para o valor de pico (1,4 valor RMS). Assim, a partir de uma saída de 15 V ACrms no secundário do transformador, retifica-se por meio de uma ponte, da qual obtêm-se 13,6 V CCrms (1,4 volts foram perdidos na retificação). A ação da filtragem eleva essa tensão para seu valor de pico, ou seja, 1,4 x 13,6 V CCrms = 19,04 V CCpico. O bloco 4 (Regulagem) regula eletronicamente a saída do bloco de filtragem de modo a se obter uma tensão contínua e constante, conforme exposto na Figura 3.5. Esse bloco pode incluir uma proteção contra diversos tipos de curto. Figura 3.5: Bloco de Regulagem do circuito de potência. Fonte: Adaptado de NETTO, Os reguladores de tensão positiva (78XX) e os reguladores de tensão negativa (79XX) são circuitos integrados lineares. Ao terminal E (Entrada) aplica-se a tensão a ser estabilizada e regulada pelo integrado. No terminal S (Saída) recolhe-se a tensão já fixada automaticamente no valor correspondente ao código do integrado (Exemplo: 7805 diz que a tensão de saída regulada é de 5 Volt), Figura 3.6.

33 22 Figura 3.6: Configuração dos pinos de um regulador de tensão. Fonte: NETTO, A tensão de entrada (E), não regulada, deve ser, pelo menos, três Volts maior do que a tensão de saída (S) regulada, para um perfeito funcionamento. Quanto mais alta for a tensão real de entrada (E) maior será a dissipação no integrado, função também da corrente real pedida pela carga ou circuito ligado à sua saída (S). Nesse caso, é conveniente acoplar um dissipador de calor ao integrado. Os integrados 78XX e 79XX apresentam excelentes protecções automáticas, internamente estabelecidas, contra aquecimento excessivo e curto-circuitos na sua saída. Capacitores de desacoplamento são necessários na entrada e saída, conectados ao Terra (Ground) como mostrado na Figura 3.7. Figura 3.7: Configuração básica de um regulador de tensão. Fonte: NETTO, Dessa forma, o circuito completo com todas as etapas da fonte de alimentação teria o desenho como o mostrado na Figura 3.8.

34 23 Figura 3.8: Circuito de alimentação da placa de amplificação e compensação. O diodo emissor de luz (LED), após a etapa de regulagem de tensão indica se o circuito está ligado ou desligado Circuito de amplificação e compensação Esse circuito representa a função principal da placa; o sinal de entrada deste circuito é proveniente dos termopares, tendo como finalidade amplificá-lo da ordem de microvolts para milivolts, assim como somá-lo ao sinal do sensor de temperatura ambiente vindo do LM35 como forma de compensação da ausência da junta fria. Cada termopar é conectado a um canal do circuito, sendo cada canal composto por dois sistemas de amplificadores operacionais que tratam o sinal diferencial dos termopares, amplificam e somam ao sensor compensador que é único e conjunto a todos os canais da placa, como mostrado na Figura 3.9. Figura 3.9: Circuito básico de um canal de entrada.

35 24 Contudo, é necessário antes de qualquer aprofundamento no circuito compreender o funcionamento do componente essencial ao circuito, o amplificador operacional, responsável pelas características fundamentais da placa Amplificadores Operacionais Um amplificador operacional, ou amp-op, é um amplificador diferencial de ganho muito alto com impedância de entrada muito alta e impedância de saída baixa. É comum o amplificador operacional ser utilizado para a obtenção de variações na tensão (amplitude e polaridade), em osciladores, filtros e diversos tipos de circuitos de instrumentação. Um amp-op contém alguns estágios amplificadores diferenciais para atingir um ganho de tensão muito alto. Na Figura 3.10 mostra-se um amp-op básico com duas entradas e uma saída como resultado da utilização de um estágio de entrada de amplificador diferencial. Cada entrada resulta ou em uma saída de mesma polaridade (ou fase) ou em uma saída com polaridade (ou fase) oposta, dependendo do sinal: se ele está aplicado à entrada positiva (+) ou à entrada negativa (-). Figura 3.10: Amplificador operacional básico. Fonte: BOYLESTAD, Entradas (terminação única e terminação dupla) A operação de entrada com terminação única tem origem quando o sinal de entrada é conectado a uma entrada com a outra conectada ao Terra (GND). Na Figura 3.11 são mostrados os sinais conectados para essa operação. Na Figura 3.11a, o sinal de entrada é aplicado à entrada positiva (com a entrada negativa aterrada), resultando em uma saída com a mesma polaridade do sinal de entrada aplicado. Na Figura 3.11b é mostrado um sinal de entrada aplicado à entrada negativa, com saída, sendo, então, de fase oposta ao sinal aplicado.

36 25 (a) (b) Figura 3.11: Operação de entrada com terminação única. Fonte: BOYLESTAD, Utilizando-se apenas um sinal de entrada, pode-se aplicar sinais a ambas as entradas, o que é chamado de operação com terminação dupla. Na Figura 3.12a é mostrada uma entrada V d aplicada entre os dois terminais de entrada (lembrando que nenhuma entrada está aterrada) com a saída amplificada resultante em fase com aquela aplicada entre as entradas positiva e negativa. Na Figura 3.12b é mostrada a situação originada quando dois sinais separados são aplicados às entradas, com a diferença de sinal V1 V2. (a) (b) Figura 3.12: Operação de entrada com terminação dupla (diferencial). Fonte: BOYLESTAD, Quando os mesmos sinais de entrada são aplicados a ambas as entradas, o resultado é uma operação modo-comum, como mostrado na Figura Idealmente, as duas entradas são amplificadas de maneira igual e, uma vez que produzem sinais de polaridades opostas na saída, esses sinais se cancelam, resultando em uma saída de zero volt. Na prática, o resultado é um pequeno sinal de saída.

37 26 Figura 3.13: Operação modo-comum. Fonte: BOYLESTAD, Uma importante característica de uma conexão diferencial é que os sinais, os quais são opostos nas entradas, estes são altamente amplificados, enquanto que aqueles que são comuns às entradas são apenas pouco amplificados a operação amplifica o sinal de diferença e rejeita o sinal comum às duas entradas. Como o ruído (qualquer sinal de entrada não desejado) geralmente é comum a ambas as entradas, a conexão diferencial tende a atenuar essa entrada indesejada e fornece uma saída amplificada do sinal de diferença aplicado às entradas. Essa característica operacional, chamada de rejeição de modo-comum Operação diferencial e modo-comum Umas das características mais importantes de uma conexão de circuito diferencial existente em um amp-op é a capacidade de o circuito amplificar muito sinais opostos nas duas entradas, enquanto amplifica muito pouco os sinais comuns a ambas as entradas. Um amp-op fornece um componente de saída que se deve a aplicação da diferença dos sinais aplicados às entradas positivas e negativas, e um componente que se deve aos sinais comuns a ambas as entradas. Uma vez que a amplificação dos sinais de entrada opostos é muito maior que a dos sinais de entrada comuns, o circuito fornece uma rejeição de modo-comum descrita por um parâmetro chamado de razão rejeição modo-comum. Quando entradas separadas ou entradas diferenciais são aplicadas ao amp-op, o sinal diferença resultante é a diferença entre as duas entradas. V d = V V i 1 i 2 (3.1) Quando os sinais de entrada são iguais ou são entradas comuns, o sinal comum às duas entradas pode ser definido como a média aritmética entre sinais.

38 27 1 V c = ( V + V 2 i 1 i 2 ) (3.2) Uma vez que qualquer sinal aplicado a um amp-op tem, em geral, componentes tanto em fase (entradas comuns) como fora de fase (entradas diferenciais), a saída resultante pode ser expressa como: V = A V + AV o d d c c (3.3) Onde, V d é a tensão de diferença dada pela Equação (3.1); V c é a tensão comum dada pela Equação (3.2); A d é o ganho diferencial do amplificador; e A c é o ganho de modo-comum do amplificador. A) Entradas de polaridades opostas Se entradas de polaridades opostas aplicadas a um amp-op são sinais idealmente opostos, V = i 1 = Vi 2 Vs, a tensão diferença resultante é: V = V V = V ( V ) = 2V d i1 i2 s s s, (3.4) enquanto a tensão comum resultante é: V c 1 1 Vi V = [ + ( )] = 0, 1 i V 2 s V 2 2 = s (3.5) de maneira que a tensão de saída resultante é: V = A V + A V = A 2V ) + 0 = 2A V. o d d c c d ( s d s (3.6) Isso mostra que, quando as entradas são sinais idealmente opostos, nenhum elemento comum, a saída é o ganho diferencial vezes o dobro do sinal de entrada aplicado a uma das entradas. B) Entradas de mesma polaridade Se entradas de mesma polaridade são aplicadas a um amp-op, V i 1 = Vi 2 = Vs, a tensão diferença resultante é: V d = V s i V = = 1 i V 2 s V 0, (3.7)

39 28 enquanto a tensão comum resultante é: 1 1 V c = Vi Vi = ( V ) 2 s + Vs = V s, (3.8) de maneira que a tensão de saída resultante é: V = A V + A V = A 0) + A V = A V. o d d c c d ( c s c s (3.9) Isso mostra que, quando as entradas são sinais ideais em fase, nenhum sinal de diferença, a saída é o ganho de modo-comum vezes o sinal de entrada, V s, o qual mostra que somente a operação de modo-comum ocorre Amplificadores Operacionais básicos Um amplificador operacional é um amplificador de ganho muito alto com uma impedância de entrada muito alta (normalmente alguns megaohms) e uma baixa impedância de saída (menor do que 100Ω). O circuito básico é construído utilizando-se um amplificador de diferença com duas entradas (positiva e negativa) e pelo menos uma saída. Na Figura 3.14 mostra-se uma unidade de amp-op básica. Conforme já discutido, a entrada positiva (+) produz uma saída que está em fase com o sinal aplicado, enquanto um sinal de entrada negativa (-) resulta em uma saída com polaridade oposta. O circuito ca equivalente do amp-op é mostrado na Figura Como mostrado o sinal de entrada aplicado entre os terminais de entrada vê uma impedância de entrada, R i, normalmente muito alta. A tensão de saída é mostrada como sendo o ganho do amplificador vezes o sinal de entrada, tomado através de uma impedância de saída, R o, normalmente muito baixa. Um circuito amp-op ideal, mostrado na Figura 3.15b, teria impedância de entrada infinita, impedância de saída zero e um ganho de tensão infinito. Figura 3.14: Amp-op básico Fonte: BOYLESTAD, 2004.

40 29 (a) (b) Figura 3.15: Equivalente ca do circuito amp-op: (a) real; (b) ideal. Fonte: BOYLESTAD, O circuito básico que utiliza um amp-op é mostrado na Figura Ele opera como um multiplicador de ganho constante. Um sinal de entrada V i é aplicado através do resistor R 1 à entrada negativa. A saída é, então, conectada de volta à mesma entrada negativa através do resistor R f (realimentação). A entrada positiva é conectada em GND. Como o sinal V 1 é aplicado exclusivamente à entrada negativa, a saída resultante é oposta em fase ao sinal de entrada, de modo que o módulo da razão da tensão de saída pela tensão de entrada é equivalente a razão dos valores do resistor R f pelo R 1. V V o R = 1 R 1 f (3.10) Figura 3.16: Conexão de um amplificador operacional com realimentação. Fonte: BOYLESTAD, R Se R f = R 1, o ganho de tensão é equivalente a f = 1, R um ganho de tensão unitário com inversão de fase de 180º. 1 de maneira que o circuito fornece

41 30 Se R f for múltiplo de R 1, o ganho geral do amplificador é uma constante. Por exemplo, se R f R =10 R 1, então o ganho de tensão é equivalente a f = 10, e o circuito fornece um ganho R de tensão de exatamente 10 com uma inversão de fase de 180º do sinal de entrada. Selecionando-se valores precisos para R f e R 1, pode-se obter uma ampla faixa de ganhos, sendo o ganho tão preciso quanto os resistores utilizados e apenas levemente afetado pela temperatura e por outros fatores do circuito Circuitos AMP-OPS práticos O amp-op pode ser conectado conforme uma grande variedade, estabelecendo várias possibilidades operacionais de circuitos. As conexões dos amplificadores operacionais utilizadas no circuito de amplificação e compensação se basearam no: A) Amplificador Inversor O amplificador de ganho constante mais amplamente utilizado é o amplificador inversor, mostrado na Figura A saída é obtida pela multiplicação da entrada por um ganho fixo ou constante, fixado pelo resistor de entrada (R 1 ) e o resistor de realimentação (R f ). Essa saída também é invertida em relação a entrada.utilizando a Equação (3.5) pode-se escrever: V o R f = V1 (3.11) R 1 Figura 3.17: Multiplicador inversor de ganho constante. Fonte: BOYLESTAD, 2004.

42 31 B) Amplificador Não-Inversor O amlificador não-inversor não é utilizada no circuito, entretanto como forma de diferenciar do amplificador inversor, essa configuração é apresentada. A conexão mostrada na Figura 3.18 apresenta um circuito com amp-op que trabalha como um amplificador não-inversor ou um multiplicador de ganho constante. Observe que a conexão amplificador inversor é mais amplamente utilizada por ter melhor estabilidade em freqüência. Para determinar o ganho de tensão do circuito, pode-se utilizar a representação da Figura Observe que a tensão através de R 1 é aproximadamente V 1. Isso também vale para a tensão de saída através do divisor de tensão entre R 1 e R f, de maneira que: V V o 1 = R 1 + R R 1 f = 1 + R R f 1 (3.12) (a) (b) Figura 3.18: Multiplicador de ganho constante não-inversor. Fonte: BOYLESTAD, C) Amplificador Somador Provavelmente, o mais utilizado dos circuitos amp-ops é o circuito amplificador somador mostrado na Figura O circuito mostra um circuito amplificador somador de três entradas que fornece um meio de somar algebricamente (adicionando) três tensões, cada uma multiplicada por um fator de ganho constante. Utilizando-se a representação equivalente, mostrada na Figura 3.19, a tensão de saída pode ser escrita em termos das entradas como: V o R f R f R f = V1 + V2 + V3 R1 R2 R3 (3.13)

43 32 Em outras palavras, cada entrada adiciona uma tensão à saída, multiplicada pelo seu correspondente fator de ganho. Se mais entradas são utilizadas, cada uma acrescenta um componente adicional à saída. Figura 3.19: Multiplicador de ganho constante não-inversor. Fonte: BOYLESTAD, Especificações do AMP-OP (Parâmetros de offset cc) Em principio, a saída do amp-op deve ser de zero volt quando a entrada for de zero volt, mas, na prática, há um certo valor de tensão diferente de zero denominado de tensão de offset. Por exemplo, se for aplicado zero volt a ambas as entradas do amp-op e se na saída medir-se 26 mv (cc) na saída, essa tensão seria indesejada e gerada pelo circuito, e não pelo sinal de entrada. Mas como o usuário pode conectar o circuito amplificador para operação com vários ganhos e polaridades, o fabricante especifica uma tensão de offset de entrada para o amp-op. A tensão de offset de saída é então determinada pela tensão de offset de entrada e pelo ganho do amplificador conforme determinado pelo usuário. A tensão de offset de saída pode ser afetada por duas condições de circuito independentes, que são: (1) uma tensão de offset de entrada e (2) uma corrente de offset devido à diferença nas correntes resultantes nas entradas positivas (+) e negativas (-), mostradas na Figura 3.20.

44 33 Figura 3.20: Parâmetros de offset em um amplificador operacional. Fonte: Adaptado de STOUT; KAUFMAN, Conforme a folha de dados do circuito integrado (Anexo II) e analisando a conexão de pinos, é possível eliminar o efeito da tensão de offset conectando um potenciômetro nos pinos 1, 7 e 8, de acordo com o esquema mostrado na Figura 3.21, por meio do qual é possível ajustar o offset de entrada. Figura 3.21: Configuração dos pinos em um amplificador operacional básico. O potenciômetro na entrada inversora (pino 2) regula o ganho do amplificador operacional. A alimentação negativa e positiva são conectadas nos pinos 4 e 7, respectivamente; para filtrar quaisquer possíveis ruídos na alimentação são acoplados capacitores para um fornecimento contínuo das cargas elétricas.

45 34 Com um potenciômetro regulando o ganho e outro ajustando a tensão do offset de entrada é possível adequar o amplificador para o mais perfeito funcionamento. A calibração do circuito é analisada com mais detalhe no Anexo I Montagem do circuito de condicionamento de sinais Do esquema mostrado na Figura 3.9, pode-se dividir o circuito em três partes analisando-as conforme suas funções dentro do circuito. Assim é descrito o circuito: (a) entradas diferenciais dos termopares, (b) sensor compensador de temperatura ambiente e (c) somador e amplificador de tensões Entrada dos termopares A primeira parte do circuito tem a finalidade de conectar os termopares ao amplificador e ter como sinal resultante, a diferença de potencial ou a f.e.m. de Seebeck. Este sinal será negativo, pois o terminal positivo do termopar é conectado na entrada inversora do amplificador operacional e vice-versa. A intenção é ter um sinal negativo. A amplificação do sinal é realizada na parte (c) do circuito. Na Figura 3.22, é possível observar que o sinal do elemento positivo do termopar é conectado na entrada inversora e o sinal do elemento negativo na entrada não inversora, gerando uma tensão negativa na saída do amplificador operacional. Figura 3.22: Circuito diferencial para conexão dos termopares.

46 Sensor de temperatura A eliminação da junta fria facilita bastante o projeto para o sistema de aquisição de dados, já que com o sensor compensador de temperatura ambiente, a referência de junta fria em um bloco de gelo faz-se desnecessária. A intenção é ter uma referência de temperatura ambiente por meio do sensor LM35 e somá-lo ao sinal resultante dos termopares. Então, a parte (b) do circuito capta a temperatura ambiente proporcionalmente a tensão (10 mv/ºc), inverte o sinal da tensão por meio do amplificador operacional e entrega o sinal de -10 mv/ºc a parte (c) do circuito. O sensor de temperatura é comum a todos os canais da placa, ou seja, todos os canais de cada termopar utilizam o sinal do sensor compensador. No esquema mostrado na Figura 3.23 é definido a conexão do LM35 na entrada inversora e o ganho no amplificador igual a um, tendo como resultado -10 mv/ºc. Figura 3.23: Circuito compensador da junta fria Somador e amplificador de tensões À parte (c) do circuito chegam o sinal oriundo da entrada do termopar e o sinal de referência do sensor compensador; entretanto a proporcionalidade da tensão em relação à temperatura em cada um deles é diferente. Portanto, é necessário uniformizá-los, amplificando o sinal do termopar de forma a ter um sinal proporcional a temperatura equivalente ao do sensor LM35 para assim, somar ambos. Na Figura 3.24, é mostrado que os sinais são conectados a entrada

47 36 inversora, lembrando que estes são valores negativos na entrada. Ao sinal do LM35 é aplicado um ganho igual a um (R2G = R1B), já ao sinal das entradas diferenciais do termopar é aplicado um ganho equivalente a resistência de entrada com a resistência de realimentação (R1A/R2G) tendo como objetivo ter saída equivalente a 10 mv/ºc. Figura 3.24: Circuito Amplificador Somador Etapas de montagem O primeiro passo para a confecção da placa é desenhá-lo em forma de circuito impresso como mostrado na Figura Dessa forma, tem-se o desenho de uma placa com 4 canais de entrada.

48 37 Figura 3.25: Circuito Impresso de uma placa de condicionamento com 4 canais. Com o circuito impresso na placa, é necessário afixar os componentes, soldando-os a placa, como apresentado na Figura 3.26.

49 38 Figura 3.26: Montagem do Circuito. Depois do circuito montado é necessário ter montar uma infra-estrutura para a calibração. No presente caso, irá utilizar um recipiente com uma lâmpada dentro, pelo qual controla-se a temperatura no interior por meio de um aparato externo conforme mostrado na Figura Depois de regulada, a placa estará adaptada para exercer suas funcionalidades, de acordo o termopar calibrado. Figura 3.27: Calibração do Circuito.

50 39 IV. AQUISIÇÃO DE DADOS VIA DISPOSITIVO USB Um sistema de aquisição de dados básico é composto por quatro partes básicas: os sensores/transdutores; condicionador de sinais; o conversor A/D e controles associados e o software, conforme apresentado na Figura 4.1. Figura 4.1: Diagrama de blocos de um sistema de aquisição de dados. Os sensores são os elementos que captam as variações físicas e convertem-nas em sinais e impulsos elétricos. A escolha dos sensores é um passo importante para a obtenção dos resultados com a precisão adequada. Os condicionadores de sinais são circuitos eletrônicos que adequam os sinais analógicos para a conversão digital conforme as especificações para tal processo. Os principais componentes dos condicionadores são os amplificadores, filtros e isoladores. Por meio dos amplificadores, o sinal analógico é amplificado para ajustar-se à faixa de entrada do conversor A/D; e quando necessário, o amplificador responsabiliza-se também pela alimentação dos sensores. Os filtros reduzem os ruídos do sinal analógico, ou seja, diminuem eventuais interferências que podem ser originadas por diversas fontes: radiofrequência, rede elétrica, aterramento, etc. Os isoladores, quando presentes, têm a função de proteger os outros módulos contra eventuais sobrecargas de tensão e corrente, as quais podem causar danos irreversíveis aos circuitos eletrônicos digitais. O conversor A/D (analógico para digital) é o elemento responsável por traduzir uma grandeza elétrica numa representação numérica adequada ao tratamento digital do sinal adquirido. Para tanto é necessário que o sinal proveniente do condicionador respeite algumas condições: a taxa de variação do sinal deve respeitar a taxa de amostragem da aquisição e o sinal deve ser adequado à faixa de entrada do A/D, sinais muito pequenos não permitem uma boa resolução na conversão digital.

51 40 Após a conversão analógica para digital é necessário que esta informação chegue ao computador, tendo inúmeras formas para isto: comunicação serial RS (RS-232, RS-422, RS- 485, etc); comunicação USB; comunicação através da porta paralela (porta usada pela impressora); conexão ao slot PCI (barramento interno) do computador e comunicação em rede Ethernet. Esta tecnologia apresenta inúmeras vantagens para a aquisição de dados. Pode-se utilizar dos muitos avanços nesta tecnologia em um sistema de aquisição de dados, tais como a capacidade de conexão a longa distância seja por fio ou rádio (wireless LAN) ou fibra óptica. Entretanto existem sistemas USB de baixo custo que permitem perfeitamente adquirir, tratar e enviar dados, de forma bem simples como é o caso da placa de aquisição National Instruments USB Na Figura 4.2, são demonstradas as formas de comunicação mais usuais com computador. Figura 4.2: Placas de aquisição de dados O programa de Aquisição de Dados é o responsável pelo controle do sistema, permitindo ao usuário parametrizar, comandar e monitorar o processo de aquisição de dados. Os programas de aquisição de dados armazenam os sinais captados na forma de arquivos que podem ser consultados posteriormente. Assim, o software trabalha em conjunto com o dispositivo que é o ente físico que recebe e/ou envia os sinais. O software adequado para o dispositivo NI USB 6009 é o Labview pertencente também a National Instruments. Este programa possibilita a visualização e edição dos dados adquiridos, bem como a geração de relatórios e outras documentações impressas.

52 Placa de Aquisição de Dados (NI USB 6009) O dispositivo de aquisição de dados é responsável pelo método de comunicação entre o sinal proveniente do condicionador de sinal e o computador. É o meio de conversão do sinal analógico para o digital, conectado diretamente ao computador. É importante frisar que as formas de comunicação com o PC são bastante amplas, desde Wi-Fi e Ethernet a PCI e Serial. No presente caso, foi utilizado um dispositivo da National Instruments USB 6009 como mostrado na Figura 4.2. Este dispositivo tem a característica de ter oito entradas analógicas para o modo RSE (Single-Ended) ou quatro entradas para o modo Diferencial. O primeiro tem uma resolução de 13 bits para a faixa de amplitude do sinal de entrada, captando no máximo a faixa de ±10V e no mínimo ±1V. Já o segundo tem resolução de 14 bits para captar no máximo a faixa de ±20V e no mínimo ±1V. Por meio da equação (4.1) é possível calcular o valor mínimo perceptível pelo dispositivo conforme a faixa de amplitude e o modo de conexão do dispositivo (RSE ou Diferencial). O dispositivo tem uma taxa de amostragem máxima de amostras por segundo. R = FA, 2 n (4.1) onde R é a resolução, o valor mínimo possível para a entrada do sinal em volts; FA é a faixa de amplitude do sinal de entrada em volts; n é o número de bits. Além das entradas analógicas, o dispositivo possui duas saídas analógicas, 12 canais de entrada e saída digital um contador de 32 bits. Entretanto, essas funções são dispensáveis para a tarefa de aquisição proposta Conexão USB A conectividade do dispositivo USB segue o modelo apresentado na Figura 4.3; os termopares são ligados nos canais de entrada da placa de condicionamento de sinais; os canais de saída são conectados à placa de aquisição de dados. É importante frisar que a amplitude do sinal bem como as características dos dados tem que ser compatíveis com a conexão na placa de aquisição de dados. Para conexão, é preciso diferenciar os sinais digitais e analógicos, as portas de entrada e saída e a referência para o sinal de saída. Há dois tipos de referência para os sinais de entrada, o primeiro é o sinal em modo diferencial, no qual o valor do sinal é a diferença dos valores absolutos dos sinais, como é o caso dos termopares. Entretanto, neste

53 42 caso, a placa de condicionamento já realiza essa diferenciação e entrega um dado com referência em Terra, que é o caso do modo RSE sinal com referência em Terra (ground). Ou seja, o sinal proveniente da placa de condicionamento de sinais tem a tensão ou diferença de potencial com referência em Terra (GND). Daí então conecta-se o NI USB 6009 ao computador por meio de um cabo USB, segundo o modo RSE. Figura 4.3: Conexão RSE Configuração de entradas do dispositivo Para o computador ao qual se deseja realizar a aquisição é necessário antes de tudo, instalar os aplicativos do NI-DAQmx anexos ao pacote do dispositivo USB de aquisição de dados e a suíte de softwares do LabVIEW. Dessa forma, ao conectar o dispositivo ao computador, uma caixa de diálogo abre-se como mostrado na Figura 4.4.

54 43 Figura 4.4: Novo dispositivo de aquisição de dados. A princípio, é preciso configurar e testar o dispositivo e assim, a alternativa Configure and Test This Device é a mais adequada e usual, pois por meio do software Measurements & Automation Explorer (MAX) o ambiente é mais amigável do que o do LabVIEW para as configurações básicas. Nele tem-se uma melhor visão do status do dispositivo e dos canais conectados. Se estes não forem configurados no MAX, eles terão que ser configurados posteriormente dentro do programa criado em LabVIEW. No momento em que um canal virtual é criado no MAX, ele está automaticamente disponível para ser utilizado em qualquer programa no LabVIEW. É muito importante deixar claro que o fato de ter um canal virtual configurado no MAX não significa que este canal será obrigatoriamente usado, significa apenas que ele pode vir a ser usado, se o usuário assim desejar. Os canais virtuais no MAX são utilizados principalmente para testes. Uma característica interessante do MAX é que as configurações não precisam ser gravadas (salvas) desde que não se pretenda alterar a configuração e depois retornar para a anterior. Ou seja, se a configuração for feita, o MAX for fechado e o computador desligado, mesmo sem salva-lá; a configuração continuará sendo a mesma assim que o computador seja ligado outra vez.

55 44 O procedimento para configuração de um canal no MAX necessita primeiramente, que o dispositivo seja reconhecido para assim criar efetuar a tarefa. Na Figura 4.5 é mostrado, como visualizar o dispositivo dentro do ambiente do software. É viável renomear o dispositivo para não criar conflitos, caso queira conectar outros dispositivos similares para aquisição de outros dados. Figura 4.5: Tela de dispositivos do MAX (Measurement & Automation Explorer) Labview O LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica pertencente à National Instruments, pioneira na área de instrumentação virtual. Ele disponibiliza um ambiente fácil de utilizar e foi desenvolvido focando as necessidades dos engenheiros e cientistas, mostrado na Figura 4.6. Tem ainda poderosas características que facilitam a conexão a uma grande variedade de hardware e de outros softwares. Os principais componentes que constituem os IV s no LabVIEW são: Painel frontal: faz a interface com o usuário; Diagrama de Blocos: contém o código gráfico fonte que define as funcionalidades dos instrumentos virtuais;

56 45 Ícone e Painel de ligação: identifica o instrumento virtual de modo que é possível inserir este em outro instrumento virtual e corresponde ao conceito de sub-rotina numa linguagem baseada em texto. Figura 4.6: Painel frontal e Diagramas de blocos no LabVIEW Programação Gráfica Uma das características mais poderosas que o LabView oferece é um meio ambiente de programação que é gráfico. Com o LabView pode-se desenhar instrumentos virtuais sob medida criando interfaces gráficas com o usuário no painel do computador na qual se pode: 1 operar o programa de instrumentação; 2 Controlar o hardware selecionado; 3 Analisar e visualizar os dados adquiridos; Pode-se personalizar o painel com botões, mostradores, gráficos a fim de simular instrumentos tradicionais, criar painéis com ensaios personalizados representar visualmente o controle de operações e processos como apresentado na Figura 4.7.

57 46 Figura 4.7: Painel frontal de um Instrumento Virtual feito no LabView É possível determinar o comportamento dos instrumentos virtuais conectando ícones entre si para criar diagramas de blocos, que são notações de desenho usuais na engenharia. Com essa linguagem gráfica pode-se desenvolver sistemas mais rapidamente do que com linguagens de programação convencionais, enquanto que conserva a potência e a flexibilidade necessárias para criar uma variedade de aplicações Visualização O LabView inclui um conjunto de ferramentas de visualização para apresentar os dados na interface do usuário de instrumentação virtual, tanto para gráficos contínuos como também para gráficos 2D e 3D. É possível configurar instantaneamente, os atributos para apresentação dos dados tais como: cores, tamanho da fonte, tipos de gráfico, efetuar rotação, foco (zoom), etc. Ao invés de programar gráficos e seus atributos a partir do início, simplesmente arrasta e retira estes objetos de dentro dos painéis dos instrumentos.

58 Introdução à aquisição de dados Os parâmetros principais nos processos de aquisição de dados são: dispositivo, canais, valores superiores e inferiores dos sinais a serem medidos, taxa de amostragem e número de amostra. Para a aquisição de dados, no momento em que se define a taxa de amostragem e o número de amostras, também está se determinando o tempo de amostragem (tempo de amostragem = número de amostras / taxa de amostragem). Isso implica que se o seu instrumento virtual não estiver dentro de algum tipo de loop, ao findar-se o tempo de amostragem o instrumento virtual irá parar. Na prática, quando se deseja que o instrumento permaneça funcionando ininterruptamente, mesmo após o término do tempo de amostragem, utiliza-se um while-loop do tipo pare se verdade (stop if true) ligado a um botão stop. Quando pressionado, o botão stop muda o status lógico de falso para verdadeiro, parando assim o loop e, por conseguinte, o processo de medição. Ao abrir um novo instrumento virtual ou Blank VI, abrirão duas janelas, uma será o painel frontal, a interface do instrumento e a outra será a janela do diagrama de blocos, onde se encontra a lógica do programa. Neste, é possível acessar o painel de funções clicando com o botão direito do mouse; dessa forma acessa-se a função Structures >> Programing >> While Loop, conforme mostrado na Figura 4.8. Figura 4.8: Função While Loop.

59 Configurando canais de entrada analógica A principal função do instrumento virtual é adquirir os dados do dispositivo. E dessa forma, primeiramente é necessário criar o bloco o qual possua essa função. Assim, novamente acessa-se o painel de funções na janela de diagrama de blocos com o botão direito e seleciona-se a função Express >> Input >> DAQ Assistant conforme apresentado na Figura 4.9, inserindo-a dentro da área de While Loop. Figura 4.9: Adquirindo sinais do dispositivo. Após essa etapa, especifica-se qual tipo de entrada (analógica ou digital) e qual a unidade de medida do sinal de entrada; o qual será aferido no sistema de aquisição de dados. No caso particular desse projeto, será utilizada uma entrada analógica para medir a diferença de potencial ou voltagem, conforme detalhado na Figura 4.10.

60 49 Figura 4.10: Especificando o sinal de entrada. Ao selecionar o tipo de entrada para execução das tarefas de aquisição, é necessário informar quais canais estão conectados aos sinais a serem coletados, conforme mostrado na Figura A fim de realizar a tarefa sem risco de perda de tempo é viável conferir as conexões dos canais de entrada conforme apresentado na Figura 4.3 (Modo RSE). Assim, selecionam-se quais e quantos canais que irão ser utilizado. Figura 4.11: Os canais de entrada.

61 50 Após selecionar os canais, é preciso, a partir daí, configurá-los um a um; o modo de aquisição, a amplitude do sinal de entrada, a configuração do terminal de entrada (modo RSE ou diferencial) e o número de amostras, bem como sua taxa de amostragem. A configuração para este sistema de aquisição de dados foi realizada conforme apresentado na Figura A amplitude do sinal e a configuração do número de amostras e taxa de amostragem seguiram a configuração padrão (pré-estabelecida pelo software). Já na configuração do terminal, optouse pelo modo RSE, já que o sinal proveniente do sistema de condicionamento de sinais segue o padrão de Tensão (diferença de potencial) com referência em Terra (GND). No modo de aquisição optou-se pelo modo contínuo, a fim de realizar o sensoriamento por um longo período de tempo, determinado pela função While Loop. Figura 4.12: Configurando os canais de entrada.

62 51 Ao findar essa etapa, o sistema já adquire o sinal com controle de tempo de aquisição determinado pelo usuário. O esquema na janela de diagrama de blocos segue o modelo apresentado na Figura 4.13, com a função de While Loop setando a função de parada do sistema de aquisição Figura 4.13: A função While Loop e o bloco de aquisição de dados. A fim de visualizar os resultados, faz-se necessário a inserção de blocos, cuja função ilustre o estado da temperatura, seja no presente instante ou ao longo do tempo. Dessa forma, há dois blocos com essas características, entre outros existentes no LabVIEW: Waveform Chart, o qual transcreve em forma de gráfico os valores da temperatura ao decorrer do tempo e o Waveform Graph, o qual transcreve momentaneamente (aproximadamente a cada 0,8 segundo) os valores da temperatura. Na figura 4.14, foi inserido o Waveform Graph para uma análise superficial e principiante dos dados. Figura 4.14: Gráficos no Diagrama de Blocos do LabVIEW.

63 52 Ao fim da etapa inicial de aquisição, é útil analisar os resultados para tirar as primeiras conclusões acerca e procurar, dentre as ferramentas existentes no software, mecanismos a fim de otimizá-los como forma de extrair dados mais consistentes. Percebe-se nos resultados mostrados na Figura 4.15, que há um ruído que gera uma oscilação com grande amplitude em torno de valores médios e que a freqüência de amostragem está alta, provocando no resultado um erro muito grande. Figura 4.15: Visualizando os primeiros resultados. Devido à necessidade de obter dados os mais concisos e precisos possíveis no sistema de aquisição de dados, prevalece a necessidade da inserção dos blocos de filtro e compressão de amostras. Na Figura 4.16, além dos blocos de filtro e compressão de amostras, foram inseridos blocos de indicador numérico e um gráfico Waveform Chart.

64 53 Figura 4.16: Diagrama robusto a ruídos e oscilacções. A configuração do filtro de sinal seguiu a orientação apresentada na Figura Não houve a necessidade de cálculos, já que o software fornece uma configuração pré-ajustada, restando ao usuário apenas a tarefa de um ajuste fino, conforme a saída desejada. O filtro é um passabaixa com freqüência de corte de 2Hz e com topologia Butterworth de ordem 5.

65 54 Figura 4.17: O filtro. A configuração do bloco de compressão de amostras é mais simples ainda, pois tem apenas duas variáveis: o método de compressão e o fator de redução. Eles foram configurados conforme a previsão do resultado, na tela abaixo do sinal de entrada, conforme mostrado na Figura Figura 4.18: Compressão de amostras.

66 Instrumentação Virtual e Engenharia Os instrumentos virtuais oferecem vantagens significativas em cada uma das etapas do processo de engenharia, desde a análise investigativa, ensaios, simulação de processos e ensaio de manufatura. Na investigação e no projeto, engenheiros e cientistas necessitam de capacidade de desenvolvimento e realização de protótipos. Com os IV s pode-se desenvolver rapidamente um programa, tomar decisões a partir do registro dos dados de um instrumento para simular o comportamento do protótipo e analisar os resultados, tudo isso numa fração de tempo significativamente menor do que nos ensaios com instrumentos tradicionais. Quando se necessita de flexibilidade é essencial ter uma plataforma ajustável e aberta, desde computadores comuns até os sistemas mais robustos e distribuídos (SANTOS, 2008). Com os instrumentos virtuais é possível também automatizar um procedimento de ensaio, eliminando a possibilidade de erro humano e assegurando a consistência dos resultados, e também para evitar introduzir variáveis desconhecidas ou inesperadas. Dada a flexibilidade e o poder dos instrumentos virtuais, podem-se elaborar complexos procedimentos de ensaio. No campo de ensaios automáticos de desenhos de verificação. pode-se criar rotinas no LabVIEW e integrá-las com programas como o National Instruments TestStand, que tem grande capacidade para manipular os ensaios. Pode-se desenvolver código dentro do processo de desenho e logo inserir esses mesmos programas dentro de ferramentas funcionais para validação, ensaio e simulação (SANTOS, 2008). Na manufatura e simulação de processos há necessidade que o software tenha confiabilidade, seja de alto rendimento e operacionalidade. Os IV s baseados no LabView oferecem essas vantagens mediante a integração de características tais como controle de alarmes, tendência de dados históricos, segurança de rede, entradas e saídas industrialmente comerciais e conectividade. Graças a essas funcionalidades, podem-se conectar facilmente a muitas classes de equipamentos industriais, tais como PLC s, SDCD s, redes industriais e placas de aquisição de dados portáteis (SANTOS, 2008).

67 56 V. APLICAÇÃO DO SISTEMA DE AQUISIÇÃO Prática de Condutividade Térmica Em condutores Nesta prática utilizam-se quatro termopares tipo T (cobre-constantan). O objetivo da prática é determinar a condutividade térmica do cobre. A montagem experimental é realizada utilizando-se uma barra de cobre com diâmetro de 2,54 cm e comprimento de 12 cm. A barra de cobre é isolada lateralmente com cortiça. Numa das pontas a barra está em contato com vapor d água e na outra ponta está em contato com água a temperatura ambiente. Os termopares estão posicionados conforme esquemas mostrados nas Figuras 5.1 e 5.2. Após o sistema entrar em regime permanente faz-se as leituras nos termopares. Figura 5.1: Condutividade do cobre. Figura 5.2: Posição dos termopares 1 e 2. Conforme os dados obtidos pelo sistema de aquisição tem-se a temperatura do termopar 1 igual 54,0 ºC e a do termopar 2 igual a 89,6ºC, demonstradas pelos gráficos apresentados na Figura 5.3.

68 57 (a) (b) Figura 5.3: Gráficos extraídos do Sistema de Aquisição para os termopares 1 e 2. As curvas mostradas na Figura 5.3 (a) representam o sinal ao longo de um período de 10 minutos. Assim, é possível notar que as temperaturas do sistema estão em equilíbrio térmico. As curvas mostradas na Figura 5.3 (b) representam o sinal em curto período de tempo (menos de um segundo). Assim, nota-se a constância do sinal que mede a temperatura, sem variações muitos abruptas ou qualquer tipo de oscilação ou ruído. Os outros dois termopares (T 3 e T 4 ) estão conectados ao sistema de entrada e saída de água. Este sistema também troca calor com o tubo de cobre. A vazão de entrada de água é igual a vazão de saída e se processa de modo constante. Foi realizada algumas aferições da vazão e chegou-se a um valor aproximado de Q = 3,31 ml/s. Já é sabido que o fluxo de calor é constante no sistema (regime permanente); assim é viável montar uma relação entre essas duas trocas de calor, para assim definir a constante de condutividade térmica do material.

69 58 Pelo sistema de aquisição, tem-se a temperatura do termopar 3 igual 27,5 ºC e a do termopar 4 igual a 24,1ºC, mostrado pelos gráficos da Figura 5.4. (a) (b) Figura 5.4: Gráficos extraídos do Sistema de Aquisição para os termopares 3 e 4. A taxa de calor por condução ao longo da barra de cobre é determinada pela Lei de Fourier: T2 T = ka (W) (5.1) L q 1 A taxa de calor, na água, é dada pela equação: ( ) q = mc & p T 3 T 4 (5.2) onde m & = ρ água Q água (5.3)

70 59 Logo, fazendo-se um balanço de energia, tem-se: ( T2 T1 ) m& c p ( T3 T4 ) = ka L (5.4) Assim, o valor de k é igual a 313,446 W/m.ºC, e sabendo que o k teórico do cobre é de 386 W/m.ºC, o erro é dado por: k E[%] = exp. k k teórico teórico 100 = 18,8% (5.5) Para o cálculo envolvendo o erro do Sistema, é necessário incluir o erro de ±3ºC em cada valor na medição do termopar. O erro do Sistema foi feito no Microsoft Excel, no qual coletou-se 270 amostras durante o tempo de 10 segundos; e por meio de uma função prédefinida do próprio Excel foi calculado o erro com base nesses dados. Assim, para uma precisão alta no valor de k é preciso calibrar a placa de condicionamento de sinais, a partir de uma montagem com um sistema equilibrado e altamente calibrado e calcular a vazão da água com mais exatidão. Dessa forma, o erro tende a diminuir bastante e conseqüentemente ser mais condizente com a natureza do processo Em isolantes Nesta prática são utilizados seis termopares tipo T (cobre-constantan). O objetivo da prática é determinar a condutividade térmica da lã de vidro (um material isolante), numa condição de regime permanente, e mostrar a evolução temporal da temperatura, nos pontos onde estão colocados os termopares. A montagem experimental é realizada utilizando-se um tubo feito em lã de vidro, com diâmetro interno igual a 1,52 cm, diâmetro externo igual a 11,5 cm e comprimento de 62,0 cm. No interior do tubo em lã de vidro tem-se uma resistência elétrica, do tipo bastão, de mesmo comprimento. Aplicando-se uma diferença de potencial elétrico na resistência, a potência elétrica resultante é igual a taxa de calor que incide na superfície interna do tubo de lã de vidro. Os termopares estão posicionados, três na superfície interna do tubo de lã de vidro e três na superfície externa, conforme mostrado na figura 5.5. Aplicando-se uma diferença de potencial elétrico na resistência de 30 V e considerando ainda que a corrente elétrica é de 0,21 A, a taxa de calor fornecida na superfície interna do tubo de

71 60 lã de vidro é de 6,3 W. A evolução temporal da temperatura, nos pontos onde estão posicionados os termopares está mostrada na figura 5.6 Figura 5.5: Esquema da montagem prática T( o C) t (min) Termopar 1 Termopar 2 Termopar 3 Termopar 4 Termopar 5 Termopar 6 Figura 5.6: Evolução temporal da temperatura nos pontos medidos. Para o cálculo da condutividade térmica do isolante, faz-se um balanço de energia, em relação à superfície interna do tubo, considerando condução unidimensional. Na condição de regime permanente, tem-se: q i = Ti T r ln o r e i 2πkL (5.6)

72 61 onde T i representa a temperatura em relação à superfície interna e T e a temperatura em relação à superfície externa. Calculando-se o valor da condutividade térmica, na condição de regime permanente, obtém-se o valor de 0,04 W/m. ºC. Comparando-se este valor com o valor encontrado na literatura (k = 0,038 W/m. ºC) tem-se um erro em torno de 5 % Prática condução-convecção Nesta prática são utilizados doze termopares tipo T (cobre-constantan) e o objetivo é obter o perfil de temperaturas em barras cilíndricas longas. O gradiente de temperatura na direção longitudinal da barra, x, sustenta a transferência de calor no interior da barra e ao mesmo tempo ocorre o processo, por convecção, na superfície. A aplicação mais freqüente deste processo combinado condução e convecção é aquela na qual uma superfície expandida é usada com o objetivo de aumentar a taxa de transferência de calor entre uma superfície sólida e o meio fluido adjacente, usualmente chamada de aleta. Considere condições de condução unidimensional na direção longitudinal, x, condições de estado permanente, condutividade térmica (k) do sólido constante, radiação pela superfície desprezível, e que não haja geração de calor e que o coeficiente convectivo, h, seja uniforme sobre a superfície. Fazendo-se um balanço de energia num elemento infinitesimal pode-se escrever que q = q + + dq (5.7) x x dx conv Substituindo as leis básicas da condução, Lei de Fourier, e da convecção, Lei do resfriamento de Newton, e sabendo que a área superficial, A s = Px, e que a área da seção transversal, A c = cons tan te, tem-se d 2 dx T 2 hp ka c ( T T ) = 0 (5.8) cuja solução é ( x) Ph 1, (5.9) ka mx mx T = C e + C2e + T m = c

73 62 onde P é o perímetro da secção transversal, T, é a temperatura do meio fluido adjacente, C 1 e C 2, as constantes de integração, são obtidas enunciando-se as condições de contorno adequadas. Na montagem experimental têm-se duas barras cilíndricas, de materiais diferentes: uma de cobre (diâmetro igual a 16,0 mm) e uma outra de alumínio (diâmetro igual a 16,3 mm), ambas com comprimento igual a 99,0 cm. Na figura 5.7 é apresentado o esquema para uma barra somente. Figura 5.7: Esquema da montagem prática. As barras estão conectadas a uma placa com uma resistência adaptada. Aplica-se uma diferença de potencial elétrico na resistência e a potência elétrica resultante aquece a base das a placa na qual estão conectadas as barras cilíndricas. Nas figuras 5.8 e 5.9 apresenta-se a evolução da temperatura em função do tempo. Neste caso a temperatura da placa não é constante. São mostradas as curvas considerando apenas os instantes iniciais do processo. T(ºC) ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x(m) t1 t2 t3 Figura 5.8: Evolução da temperatura com o tempo ao longo da barra de cobre.