DESENVOLVIMENTO DE UM VISCOSÍMETRO SAYBOLT FUROL EM TEMPERATURAS VARIADAS, UTILIZANDO O CONCEITO DA ABP NA DISCIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA

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1 DESENVOLVIMENTO DE UM VISCOSÍMETRO SAYBOLT FUROL EM TEMPERATURAS VARIADAS, UTILIZANDO O CONCEITO DA ABP NA DISCIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA Alex Ferreira Moreira alexfmgt@hotmail.com Nicolas Demetrius da Silva nicolasdemetriusifpb@gmail.com Deivison Lima da Silva deivison_prb@hotmail.com Auriclécio Patrezzi Limeira da Silva cleciopatrezzi@gmail.com Victor Ramon França Bezerra de Souza vicramonee@hotmail.com Francisco Emanoel Ferreira de Almeida emanoel.almeida@ifpb.edu.br Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) Bacharelado do Curso de Engenharia Elétrica Ademar Gonçalves da Costa Júnior ademar.costa@ifpb.edu.br Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) Laboratório de Instrumentação, Sistemas de Controle e Automação (LINSCA) Av. Primeiro de Maio, 720, Jaguaribe João Pessoa Paraíba Resumo: O ensino experimental é alvo de grande dificuldade, visto que os equipamentos dos laboratórios demandam, muitas vezes, um custo elevado, tornando a prática experimental inviável dentro das atividades de ensino. Diante de tal problema, o objetivo deste artigo é o desenvolvimento, caracterização e otimização de um viscosímetro de Saybolt Furol (SSF), construído com material de baixo custo que, determine de forma simples e automatizada a viscosidade de óleos conhecidos, em temperaturas variadas. A automatização do dispositivo foi realizada através do uso de um microcontrolador MSP430F5529, que realiza o controle de dispositivos atuadores e o monitoramento de variáveis através de sensores. Os resultados foram satisfatórios para determinadas temperaturas, mostrando coerência com os valores encontrados na literatura, indicando que o protótipo pode ser utilizado em aulas de laboratório para a determinação de viscosidade de fluidos. Palavras-chaves: Abordgem baseada em problemas, Saybolt Furol, Viscosímetro de Saybolt, Viscosidade. 1. INTRODUÇÃO Uma forma de aumentar o interesse dos alunos dos cursos da área de Tecnologia é a união entre a teoria de uma disciplina e um problema prático, no qual podem utilizar os conhecimentos adquiridos na disciplina cursada, e sua integração multidisciplinar. Segundo GOMES & SILVEIRA (2007), a educação em Engenharia de Controle e Automação enfrenta desafios na relação ensino-aprendizagem, em demandas sociais, na eliminação de postos de trabalho, no risco tecnológico e ainda os reflexos dos problemas do ensino médio e fundamental.

2 Desta forma, a utilização de protótipos em forma de planta piloto ou na reprodução de uma forma didática mais simples de um determinado princípio físico, em proporções reduzidas, é muito útil nos cursos de graduação em Engenharia. Além disso, no ambiente de Automação e Controle, a implantação de algoritmos de sistemas de controle e a realização de testes comparativos entre os diferentes tipos de sensores e atuadores, motivam alunos e professores no ensino e na pesquisa. No ambiente acadêmico, a construção de protótipos educacionais em disciplinas ou em trabalhos de iniciação científica ganha cada vez mais espaço, devido ao custo de aquisição dos protótipos das empresas que os comercializam, além da dependência tecnológica ao ser realizada esta aquisição, não se permitindo muitas vezes, a incorporação de novas tecnologias ou uso de novos algoritmos computacionais para testes comparativos (GOMES et al, 2011; MÁXIMO et al, 2011). Para fomentar o interesse dos alunos da disciplina de Instrumentação Eletrônica, do curso de Engenharia Elétrica, do Instituto Federal da Paraíba (IFPB), campus João Pessoa, e como forma de utilização da metodologia de ensino, Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP) onde alguns trabalhos desenvolvidos obtiveram bons resultados com esta metodologia de ensino (DANDA et al, 2013; ROCHA et al, 2013; DOURADO et al, 2014). Durante o início do semestre foram propostos projetos em equipe que envolvessem a utilização de sensores e o condicionamento do sinal, além da integração multidisciplinar com outras disciplinas do currículo do curso. Deste modo, o objetivo deste artigo é apresentar a construção de um protótipo de viscosímetro de Saybolt Furol com controle de temperatura, no qual a aquisição, o processamento e o controle do sistema são realizados através do uso do microcontrolador MSP430F5529. Este artigo está dividido deste modo. Na Seção 2 é apresentada a ABP e sua aplicabilidade na disciplina de Instrumentação Eletrônica do curso de Engenharia Elétrica do IFPB. Na Seções 3 são apresentados o viscosímetro de Saybolt Furol e o protótipo elaborado, respectivamente. Na Seção 5 são apresentados os resultados obtidos com o protótipo de viscosímetro de Saybolt e na Seção 6, as considerações finais deste trabalho. 2. APRENDIZAGEM BASEADA EM PROBLEMAS APLICADA NA DISCIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA A metodologia pedagógica denominada de Aprendizagem Baseada em Problemas (ABP) surgiu no Canadá na década de 60 do século passado, sugerida e implantada pela Universidade de MacMaster, sendo adotada posteriormente por diversas universidades no mundo. No Brasil, diversos trabalhos vêm sendo publicados, decorrentes de sua implantação em diversos cursos de nível superior e de pós-graduação. Na abordagem ABP, os papéis dos alunos e docentes em sala de aula, diferem da abordagem convencional, esta centrada no professor (RIBEIRO, 2005). Segundo Woods apud Ribeiro (2005), assumir responsabilidade pela própria aprendizagem em uma abordagem ABP significa que os alunos cumpram as seguintes tarefas: Exploração do problema, levantamento de hipóteses, identificação de questões de aprendizagem e elaboração das mesmas; Tentativa de solução do problema com o que sabem, observando a pertinência de seu conhecimento atual; Identificação do que não sabem e do que precisam saber para solucionar o problema; Planejamento e delegação de responsabilidades para o estudo autônomo da equipe; Aplicação do conhecimento na solução do problema; Avaliação do novo conhecimento, da solução do problema e da eficácia do processo utilizado e reflexão sobre o processo.

3 A abordagem adotada é que o aluno construa o seu próprio conhecimento a partir do desenvolvimento de um problema proposto ou sugerido pelo mesmo. Este problema é estudado na forma de um projeto prático, no qual, é desenvolvido em função dos conteúdos da disciplina, buscando a interdisciplinaridade, o que faz com que o problema seja compreendido, fundamentado e analisado, como, por exemplo, é realizado através de uma metodologia de gerenciamento de projetos. No IFPB, em específico, na disciplina de Instrumentação Eletrônica do curso de Engenharia Elétrica, esta metodologia vem sendo utilizada, baseada na informação de que o engenheiro moderno não precisa do conhecimento memorizado, decorado e acumulado, mas sim, do conhecimento necessário para a resolução de problemas baseado na construção do conhecimento. 3. CONCEITO DE VISCOSIDADE, E O VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT FUROL Para o projeto de diversos tipos de máquinas de fluxo, como bombas, ventiladores, compressores e turbinas são necessários os conhecimentos dos princípios básicos da Mecânica dos Fluidos. Segundo Brunetti (2008), fluído é uma substância que não tem uma forma própria, assume o formato do recipiente. Fox et al (2006) complementam este conceito, afirmando que o fluido se deforma continuamente, sob a aplicação de uma tensão de cisalhamento (tangencial), não importando quão pequena ela seja. A viscosidade é uma propriedade inerente a todos os líquidos, e pode ser definida, de maneira simples, como a resistência que um líquido oferece ao seu escoamento. Esta resistência deve-se ao fato que, quando existe um escoamento líquido, em determinadas condições, pode-se considerar que existe um movimento relativo entre as camadas deste líquido. Havendo movimento relativo destas camadas, não é difícil de entender que, para que uma camada deslize sobre a outra, é necessário ser vencida uma resistência, causada pela coesão intermolecular do líquido, e que é tanto maior, quanto maior for a sua viscosidade. Deste modo, verifica-se que a viscosidade de um líquido, representa uma fonte de atrito, que é função direta daquela grandeza (ROUSSO, 1980). Post (2013) afirma que a viscosidade depende da temperatura, e que nos líquidos, a viscosidade diminui com o aumento da temperatura, a qual a primeira é inversamente proporcional à mobilidade das moléculas. Como as moléculas estão bem próximas umas das outras, elas se movem com mais dificuldade em um líquido do que em um gás. Os viscosímetros são aparelhos de laboratório que fornecem a viscosidade cinemática. Em geral, determina-se nos viscosímetros, o tempo que determinado volume de líquido gasta para escoar, através de um orifício, ou de tubo capilar (BASTOS, 1983). A medição da viscosidade de fluidos, no contexto das aulas práticas na disciplina de Fenômenos de Transporte, geralmente é realizada por viscosímetros de coluna líquida, também denominados de viscosímetros de Stokes. Entretanto, esse equipamento é limitado apenas aos fluidos translúcidos, sendo sua aplicação inadequada aos fluidos opacos como óleos de lubrificação. Diversos países utilizam métodos diferentes para a medição de viscosidade. Na Europa, em geral, emprega-se o viscosímetro Engler para medir a viscosidade. Na Inglaterra adota-se o viscosímetro de Redwood. Nos Estados Unidos utiliza-se, habitualmente, o viscosímetro Saybolt Universal para pequenas e médias viscosidades, que se exprimem em SSU (Second Saybolt Universal), sendo muito utilizado na indústria petrolífera. Nesse método, determinase o tempo total, em segundos, necessários para escoar 60 cm² do líquido, a uma temperatura conhecida, através de um tubo curto padronizado, e de reduzido diâmetro (VISWANATH et al, 2007), no qual seu uso é normatizado pela ASTM (American Society for Testing and Materials) D88-07/2013.

4 Para viscosidades mais elevadas, prefere-se o viscosímetro Saybolt Furol, em que esta última palavra é a contração de FUel and Road OiLs. As viscosidades nesse tipo de viscosímetro são medidas em SSF (Second Saybolt Furol). O volume também é padronizado em 60 cm³, porém o tubo tem maior diâmetro que o Saybolt Universal. No viscosímetro Saybolt Furol, o tempo de escoamento é cerca de 1/10 do que se gasta no Saybolt Universal. Embora os valores obtidos nos viscosímetros sejam bastante aceitáveis, na prática, recomenda-se o Saybolt Universal para líquidos que apresentem tempo de escoamento () superior a 40 SSU. De modo semelhante, deve-se usar o Saybolt Furol para um que supere SSU, no caso em que fosse usado o Saybolt Universal (BASTOS, 1983). 4. PROTÓTIPO DO VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT FUROL Tendo em vista a ausência de um viscosímetro no laboratório de química do IFPB, campus João Pessoa, foi um desenvolvido um que medisse a viscosidade de fluidos, tanto translúcidos quanto opacos. Deste modo, optou-se pelo desenvolvimento de um viscosímetro Saybolt Furol, visando minimizar os erros provenientes da medição manual do tempo de escoamento do fluido, buscando automatizar e otimizar este processo através do uso de sensores e de atuadores no viscosímetro, controlados por um microcontrolador para fins de uso didático. Na fluidodinâmica, demonstra-se que a viscosidade cinemática (em centistokes, ) pode ser calculada por (BASTOS, 1983): = (1) os quais e são parâmetros que dependem do tipo de viscosímetro. Diversos experimentos indicam os valores para esses parâmetros, que estão ilustrados na Tabela 1 (BASTOS, 1983). Tabela 1 Parâmetros e estimados para alguns tipos de viscosímetros. Viscosímetro Saybolt Universal I) para 100 s. 0, II) para < 100 s. 0, Redwood Standard 0, Engler (em segundos) 0, Tendo em vista a variação da viscosidade com a temperatura, o viscosímetro deve ficar mergulhado em banhos termostáticos, além do acompanhamento da temperatura, para que esta variável seja definida, na obtenção da viscosidade. O modelo de um viscosímetro Saybolt Furol é ilustrado na Figura 1. A etapa inicial do projeto do viscosímetro foi constituída pela usinagem do recipiente de armazenamento do óleo, realizado na oficina de Mecânica do IFPB, campus João Pessoa. Nesta fase, construiu-se o copo de latão com dimensões e formas padronizadas, onde o orifício no copo possui diâmetro 3,15 mm e comprimento de 12,25 mm, no fundo do recipiente para o escoamento do fluido. A base de sustentação do dispositivo foi construída de madeira, para a fixação do copo e do recipiente do banho termostático, este construído com canos de PVC, e espumas para a isolação térmica.

5 Figura 1 Modelo de viscosímetro Saybolt Furol. Fonte: BRUNETTI, Para a construção do banho termostático no viscosímetro, é utilizada uma resistência de cafeteira de 150 W, conectada em série com um dimmer, que controla a temperatura desejada, ao redor do copo de latão. Para o correto funcionamento do dispositivo, o copo de latão é fixado dentro do tubo de PVC, e o espaço entre eles é preenchido com água. Este líquido é aquecido pela resistência que, consequentemente, aquece o óleo colocado no copo. O protótipo do viscosímetro montado é ilustrado na Figura 2. Figura 2 Protótipo do viscosímetro montado. No protótipo desenvolvido, a temperatura é monitorada através de um sensor de temperatura LM35, que possui sensibilidade de 10 mv/ o C, o qual o sinal de saída do sensor é processado pelo microcontrolador MSP430, para obter a temperatura do óleo. Ao atingir a temperatura do óleo desejada, uma chave é acionada, que está conectada ao microcontrolador, para acionar um servomotor, que está acoplado na parte inferior do viscosímetro, fazendo com que o fluido possa escorrer do copo. Ao escoar, o fluido é captado

6 por um Becker de 100 ml, que em conjunto com um sensor ultrassônico HC-SR04, que funciona como um sensor de nível. Ao escoar 60 ml de fluido, o sensor ultrassônico envia a informação ao microcontrolador para interromper a contagem tempo, e o servomotor volta à posição inicial, fechando o orifício de escoamento do óleo no viscosímetro, mostrando em um display LCD, o valor da viscosidade em SSF. A Figura 3 ilustra o viscosímetro e seus componentes eletroeletrônicos utilizados para a automatização da medição. Figura 3 Viscosímetro desenvolvido. 5. RESULTADOS OBTIDOS COM O PROTÓTIPO DE VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT FUROL Nos testes realizados, foram utilizados dois tipos de óleo utilizados para lubrificação de motores de veículos, o SAE40 e o SAE50. Cada um destes tipos foi submetido a quatro temperaturas diferentes, medindo-se o tempo de escoamento de cada, em três oportunidades. Nos dois ensaios, para as temperaturas abaixo de 27 o C, foram realizados em salas climatizadas para o retardo da troca de calor entre o óleo e o ambiente. Os resultados do tempo de escoamento medidos podem ser verificados nas Tabelas 2 e 3. Tabela 3 Resultados do escoamento de tempo do óleo SAE40. Temperatura ( C) Tempo 1 (s) Tempo 2 (s) Tempo 3 (s) Média (s) , , , ,67 26,41 26,75 27,3

7 Tabela 4 Resultados do escoamento de tempo do óleo SAE50. Temperatura ( C) Tempo 1 (s) Tempo 2 (s) Tempo 3 (s) Média (s) , , ,72 47,76 48,09 47,52 De posse dos valores médios do tempo de escoamento, obtidos nas Tabelas 3 e 4, multiplicou-se tais valores por 10, convertendo-se, deste modo, a viscosidade de SSF em SSU, e a partir da Figura 4 os valores das viscosidades dos óleos SAE 40 e 50 são comparados, em cada temperatura medida. Os valores transformados em SSU estão ilustrados na Tabela 5. Figura 4 - Comportamento da viscosidade de vários óleos SAE, em função da temperatura. Fonte: BASTOS, Tabela 5 Valores de SSF transformado em SSU. Temperatura ( C) Óleo SSF SSU , , ,7 SAE , , , , , ,3 SAE , , ,52 475,2 O passo seguinte é a caracterização do viscosímetro desenvolvido. Para isso, os valores em SSU dos dois tipos de óleos, na temperatura de 27ºC são tomados, e convertidos da

8 viscosidade em SSU, para centistokes, através do ábaco da Figura 5. Com o valor em centistokes, e o tempo de escoamento,, os parâmetros e da Equação 1 são calculados. Resolvendo um sistema de equações, a equação geral para o viscosímetro de Saybolt Furol desenvolvido é dado por: =2, ,6 (2) Figura 5 Viscosidade equivalente entre centistokes e SSU. FONTE: 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS A metodologia de ensino ABP empregada ajuda na formação de um engenheiro preparado para os problemas encontrados no século XXI, saindo da formação antiga, que é ainda usual, o qual o professor é o centro da formação, e não o aluno. Não é consideração dos autores de que deva ser adotada para todas as disciplinas, devendo cada caso ser avaliado para a adoção. Observou-se também que os valores obtidos com temperaturas abaixo de 30 C foram bem satisfatórios, porém, ao elevarmos esse valor a 70 C, percebe-se que o resultado não se apresentou como o esperado, devido ao fato de SSF não ser recomendado para < 1000 SSU. Apesar disso, verifica-se que o viscosímetro construído é bem eficiente em temperaturas abaixo de 70 C, podendo ser utilizado em aulas práticas que necessitem da medição do coeficiente de viscosidade, possuindo uma precisão aceitável, além do baixo custo na construção, comparados com viscosímetros de Saybolt Universal comerciais. Testes com uma maior quantidade de amostras devem ser realizados, além de uma ampliação na faixa de temperatura para que possa ser averiguado, além do uso de técnicas de controle PID, para o banho termostático.

9 Agradecimentos Os autores agradecem ao IFPB, pelo financiamento de bolsa PIBICT, e pelo apoio na elaboração do projeto e no envio do artigo ao Cobenge REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASTM (American Society for Testing and Materials). D88-07, Standard test method for Saybolt viscosity, BRUNETTI, F. Mecânica dos fluidos. São Paulo: Pearson, BASTOS, F. A. A. Problema de Mecânica dos Fluídos. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, DANDA, E. F. et al. Projeto de um analisador básico de energia utilizando o método pedagógico ABP na disciplina de instrumentação eletrônica do IFPB. Anais: XLI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Gramado RS, UFRGS, DOURADO, C. F. et al. Desenvolvimento de um Esfigmomanômetro Digital como Ferramenta de Auxílio no Ensino Prático das Disciplinas de Bioengenharia. Anais: XLII Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Juiz de Fora, UFJF, FOX, R. W. et al. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 6ª ed. Rio de Janeiro: LTC, GOMES, F. J. et al. Módulo laboratorial de baixo custo, baseado em FOSS, para educação em engenharia de controle de processos Industriais. Anais: XXXIX Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Blumenau, FURB, GOMES, F. J.; SILVEIRA, M. A. Experiências Pedagógicas. In: Enciclopédia de Automática: Controle & Automação Vol. 1. São Paulo: Blucher, MÁXIMO, P. H. M. et al. Desenvolvimento de um kit didático para utilização em aulas de laboratório de controle e automação. Anais: XXXIX Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Blumenau, FURB, POST, S. Mecânica dos Fluidos Aplicada e Computacional. Rio de Janeiro: LTC, RIBEIRO, L. R. C. UFSCAR Universidade Federal de São Carlos. A aprendizagem baseada em problemas (PBL) Uma implementação na educação em engenharia na voz dos atores, p, Il. Tese (Doutorado). ROCHA, J. P. M. et al. Um exemplo do uso da ABP na disciplina de instrumentação eletrônica do IFPB Mini geladeira Peltier controlada por Arduino. Anais: XLI Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Cobenge. Gramado RS, UFRGS, ROUSSO, J. Lubrificação Industrial. Rio de Janeiro: Divisão de Estudos e Pesquisa, Convênio CNI SESI DN, SANTOS JR. J. B.; FERREIRA, J. C. Construção e caracterização de um viscosímetro didático para utilização em aulas de mecânica dos fluidos. Boletim Técnico da FATEC-SP, v. 24, pp , VISWANATH, D. S. et al. Viscosity of Liquids: Theory, Estimation, Experiment, and Data. Springer, 2007.

10 DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION DEVICE FOR MEASURE VISCOSITY IN THE SAYBOLT FUROL IN SEVERAL TEMPERATURES Abstract: The experimental teaching is the subject of great difficulty, since the equipment of laboratories require often a high cost, which makes it unfeasible to do experimental practice within the school. Faced with this problem, justifies the objective of this project, which is to develop, characterize and optimize a viscometer of Saybolt Furol (SSF), built with inexpensive material, that determines a simple and automated way the viscosity of oils known at diferent temperatures. The automation of the device was made through a MSP430F5529 microcontroller that controlled other actuators devices such as sensors and servomotor. The results were satisfactory for certain temperatures, showing consistent with values found in literature, indicating that the prototype can be used in practical classes. Keywords: Problem-based learning, Saybolt viscosimeter, Saybolt Furol, Viscosity.