Modelagem Sistêmica e Simulação: I4 Modelagem computacional

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1 Desenvolvimento de um software para automatizar processos de calibração Modelagem Sistêmica e Simulação: I4 Modelagem computacional Luan Marlon Hirano (UNIOESTE) lu_marlon@yahoo.com.br Eduardo Leseire Poletto (ITAIPU) poletto@itaipu.gov.br Carlos Roberto Mendonça da Rocha (UNIOESTE) croberto@unioeste.br Resumo: Este trabalho foi desenvolvido para automatizar processos de calibração no setor de padrões do laboratório de manutenção da Itaipu. Inicialmente foi realizado um estudo sobre a metrologia e os procedimentos de calibração, em seguida verificou-se possíveis ferramentas a serem utilizadas neste processo de automação, sendo escolhido o software LabView da National Instruments acompanhado da interface de comunicação IEEE-488, conhecida como GPIB. O programa, que foi elaborado, tem como função coletar dados de arquivos de entrada, aplicar sinais e realizar leituras através do GPIB, relacionando os dados coletados dos arquivos com os dados recebidos da leitura dos instrumentos, para que, ao fim deste processo, seja elaborado um certificado de calibração. Pôde-se verificar que um programa para automatizar esse processo possui grandes vantagens sobre os métodos de calibração manual. Palavras chave: Calibração, metrologia, automação, LabView, GPIB. Development of software to automate the calibration procedures Abstract The project was conducted to automate the calibration procedures in the area of patterns for the maintenance laboratory of Itaipu. Initially studies were performed on the metrology and the process of calibration, that in this case the software used was the LabView of the National Instruments together with the interface communication IEEE-488, called GPIB. The program must collect data from input files, apply signs and perform readings through the GPIB, relating the collected from files with the data received from the reading of the instruments, that at the end of this process be prepared a calibration certificate. One can see that a program to automate this process has many advantages on the conventional calibration method. Key-words: Calibration, metrology, automation, LabView, GPIB. 1 Introdução Os processos de medições têm uma grande importância no cotidiano das pessoas, tanto nas questões profissionais quanto nas questões pessoais. Para a manutenção, desenvolvimento e análise de qualquer estágio da tecnologia e da ciência, faz-se necessário realizar um controle

2 sobre informações relevantes, controle que por sua vez é obtido através de medições e quantificações. As medições quando realizadas, são comparadas com um elemento referencial, tomado como padrão. O elemento de referência deve estar ajustado para que os resultados das medições sejam coerentes, para isso existem métodos de calibração que avaliam a margem de confiança desses instrumentos. Na prática não existem medições sem erros, porém os erros podem ser minimizados. Em um processo de calibração manual, fica difícil considerar todas as fontes de erros, uma vez que este método é longo e cansativo, além de estar sujeito a frequentes erros humanos. Pode-se considerar inumeras vantagens ao se automatizar os processos de calibração direta, dentre as quais as mais importantes são: a consideração de maiores fontes de erros, a minimização do tempo para a realização da calibração, cálculos mais precisos e elaboração de um certificado de calibração automático. O projeto foi desenvolvido no setor de padrões do laboratório de manutenção da Itaipu Binacional, que tem como função calibrar e manter em perfeitas condições de uso todos os instrumentos e metodologias utilizadas. Atualmente a calibração é realizada pelo método manual. A proposta deste trabalho foi desenvolver um software para automatizar esse processo, de modo que possam ser realizadas as calibrações para vários instrumentos ao mesmo tempo, com o instrumento padrão não precisando ser, necessariamente, a fonte de sinais. Com esse processo evolutivo, a produtividade dos serviços prestados é excepcionalmente melhor e mais rápida, dando um ganho a todas as outras áreas dependentes destes serviços. 2 Metodologia O referencial teórico deste projeto está relacionado diretamente à metrologia. A calibração pode ser entendida como um conjunto de operações que estabelece a relação entre os valores indicados por um instrumento ou por um sistema de medição e os valores das grandezas estabelecidas por padrões. A calibração pode ser caracterizada através de etapas, as quais são

3 apresentadas nos tópicos abaixo: - Definição dos objetivos da calibração; - Caracterização do sistema de medição a calibrar; - Seleção do padrão; - Planejamento e preparação do experimento; - Execução da calibração; - Processamento e documentação; - Análise dos resultados; - Certificado de calibração; Um sistema de medição ideal não possui erros, porém na prática não existe medições sem erros. Então os erros que podem ser considerados são divididos em erros sistemáticos e erros aleatórios. Considerando um número de medições finitas, os erros sistemáticos são aproximados e chamados de tendência, na qual é estabelecida da diferença entre o valor médio das indicações e o valor verdadeiro convencional. O erro sistemático está relacionado com a precisão, ou seja, com o grau de dispersão das indicações. Já o erro aleatório, que está relacionado com a exatidão, é calculado para cada indicação pela diferença entre o valor da indicação e a média das indicações. O maior valor de erro aleatório estabelece uma faixa de dúvida que é simétrica em torno do valor médio, na qual se pode haver uma indicação. O melhor método para solucionar este fato é aproximar a ação do erro aleatório com a curva gaussiana. Desta, pode-se tirar a média e o desvio-padrão. O desviopadrão estabelece essa faixa de valores relacionado por até. Em termos de incerteza o desvio-padrão é multiplicado pelo coeficiente t de student para se obter uma incerteza com um grau de confiabilidade, esta incerteza é chamada de repetitividade.

4 As incertezas estão relacionadas diretamente a dúvidas, pois se trata de qualquer fator que pode significar dúvida no resultado dos processos de medições. As principais fontes de incerteza são: condições ambientais, resolução do instrumento sob medição, resolução do instrumento padrão, incerteza especificada pelo fabricante e repetitividade. A correção final para o resultado de medição é a combinação das correções existentes na medição e no certificado de calibração do padrão. Já a incerteza é combinada por meios de cálculos um pouco mais complexos: Onde, - é a incerteza combinada; - é a incerteza-padrão da enésima fonte de incerteza; O resultado de medição é obtido após todo o processo de calibração e definido através da equação: Em que, - é o resultado de medição; - é o valor verdadeiro convencional; - é a correção; - é a incerteza expandida; O objetivo de um processo de calibração é a obtenção do certificado de calibração dos instrumentos que estavam submetidos a ensaio. Os resultados de uma calibração são expressos na forma de um certificado, ou ainda, um relatório contendo as principais informações que deve ser levado em consideração em uma calibração.

5 De acordo com Albertazzi (2008), os requisitos mínimos que deve conter um certificado de calibração são: - Descrição e identificação individual do instrumento a calibrar; - Data da calibração; - Os resultados da calibração após, e quando relevante, os obtidos antes dos ajustes efetuados; - Identificação do procedimento de calibração utilizado; - Identificação do padrão utilizado, com data e entidade executora da sua calibração, bem como sua incerteza; - As condições ambientais relevantes e orientações expressas sobre quaisquer correções necessárias ao SM a calibrar; - Declaração das incertezas envolvidas na calibração e seus efeitos acumulativos; - Descrições sobre quaisquer manutenções, ajustes, regulagens, reparos e modificações realizadas; - Qualquer limitação de uso (por exemplo: faixa de medição restrita); - Identificação e assinatura da(s) pessoa(s) responsável(eis) pela calibração, bem como do gerente técnico do laboratório; - Identificação individual do certificado, com número de série ou equivalente; 3 Ferramentas utilizadas Para o desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado o LabView, pelo fato de ser uma linguagem de programação muito eficiente e com ótimo desempenho para processos de medições. Conforme segue, a interface de comunicação do controlador, que no caso é o computador, com os instrumentos, é a IEEE 488, também conhecida como GPIB. O LabView, acrônimo para Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, é uma

6 linguagem de programação da National Instruments. Os programas em LabVIEW são chamados de instrumentos virtuais ou, simplesmente, IVs. São compostos pelo painel frontal, que contém a interface, e pelo diagrama de blocos, que contém o código gráfico do programa. O programa não é processado por um interpretador, mas sim compilado. Deste modo a sua performance é comparável à exibida pelas linguagens de programação de alto nível. A linguagem gráfica do LabVIEW é chamada "G". A figura 1 demonstra a facilidade da programação em LabView, ela apresenta um programa que mostra a soma e a subtração de dois números, controlados no painel frontal pelas variáveis X e Y. Esses controladores podem ser verificados dentro de uma estrutura de while loop na janela do diagrama de blocos, essa rotina tem como função executar o loop até que o controlador booleano STOP seja acionado. Figura 1 Exemplo de um programa em LabView Fonte: Elaborado pelo autor Outra importante função que o software possui é a de exportar e importar arquivos com diferentes extensões, ou seja, como um exemplo disso, pode-se entrar com um arquivo de dados com extensão para o software EXCEL, rodar o programa e exportar os resultados para outro arquivo com outra extensão, como bloco de notas ou qualquer outra extensão que desejar. O General Purpose Interface Bus, GPIB, foi desenvolvido pela Hewllett-Packard por volta da década de 60. Durante muito tempo, ficou conhecido como HP-IB e tinha como função

7 prioritária a utilização em conjunto com instrumentos da HP. Esse barramento foi desenvolvido com intuito de conectar e controlar instrumentos programáveis com uma interface padrão para a comunicação entre produtos de diversos fabricantes diferentes. Em 1975 foi aceito como padrão pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos (IEEE 488). Criada a SCPI (Standard Commands Programmable Instrumentation) junto com outro padrão, a IEEE 488.2, são eliminadas as ambigüidades do antigo IEEE 488, na qual agora é definindo um formato de dados padrão e comandos comuns de forma que todos os instrumentos possam responder de uma maneira predefinida. Os dispositivos de comunicação são capazes de identificar quatro diferentes tipos de comandos: eventos, comandos, perguntas e dados. Tendo isso em vista, tem-se que a comunicação do controlador para o instrumento baseia-se no envio da mensagem de programa, enquanto que a comunicação do instrumento com o controlador se trata do envio das mensagens de respostas. A figura 2 representa como pode ser conectados os cabos para a comunicação entre os instrumentos, uma vez que o GPIB permite a ligação em paralelo de varios instrumentos, identificando-os por meio de endereçamento. Figura 2 Exemplo de ligação de um processo de calibração Fonte: Elaborado pelo autor

8 4 Desenvolvimento Foi elaborado um manual contendo uma documentação para que os operadores conseguissem desenvolver uma calibração utilizando o programa. Este manual trata simplesmente de como operar o programa. São pelo menos cinco arquivos de entrada, quando a calibração é apenas para um instrumento, e aumenta-se um arquivo de entrada para cada instrumento a mais que se deseja calibrar. Na interface do programa existem os campos onde se podem carregar os arquivos de entrada e um botão para especificar se nos arquivos com as especificações dos instrumentos existem os dados informando a resolução deles. Outro campo a ser preenchido é os dados que devem estar contidos no certificado de calibração, sendo o nome do cliente, o endereço, qual instrumento está sendo calibrado, número de série, etc. Essas informações podem ser esclarecidas nas ilustrações das figuras 3 e 4. Figura 3 Interface de dados do programa Fonte: Elaborado pelo autor

9 Figura 4 Interface de elaboração do certificado de calibração Fonte: Elaborado pelo autor Na figura 4, podem ser verificados os campos que devem ser preenchidos. Cada coluna preenchida se refere a um instrumento que estará sob calibração. Se nenhuma coluna for preenchida, por mais que ocorra a aplicação de sinais nos instrumentos, não será elaborado certificado algum. A tabela 1 relaciona quais as grandezas elétricas que podem ser calibradas pelo programa. Grandeza elétrica Tensão contínua Tensão alternada Corrente contínua Corrente alternada Resistência a 2 fios Resistência a 4 fios Frequência Capacitância Sigla VDC VAC IDC IAC RES FRES FREQ CAP Tabela 1 Possíveis grandezas a serem calibradas Fonte: Elaborado pelo autor O funcionamento deste programa baseia-se na leitura de arquivos de entrada, os arquivos devem ser elaborados de maneira padrão, que está explicada na documentação do programa, ou seja, o programa funciona através de rotinas de loop e busca de caracteres para identificação dos limites desses loops. Portanto, esses arquivos devem sempre manter um

10 formato especifico para que o programa possa realizar a calibração de maneira correta. São pelo menos cinco arquivos de entrada que devem ser carregados para o funcionamento do programa, sendo estes: o arquivo com o procedimento da calibração, o arquivo com o certificado de calibração do instrumento padrão, os arquivos com os dados específicos do instrumento padrão, o arquivo com os dados específicos do instrumento sob calibração e o arquivo com os comandos. Para cada instrumento a mais para calibrar, deve ser carregado o respectivo arquivo com os dados específicos do instrumento. Através de rotinas, o programa busca os dados para aplicação de sinais nos instrumentos, que estão contidos no arquivo de procedimento. Após a aplicação destes sinais, é feita a leitura de cada instrumento sob calibração e do instrumento padrão para que possa ser calculada a média e o desvio-padrão para conhecimento da correção e das incertezas devido a repetitividade. Paralelamente a essa função, são realizadas leituras dos outros arquivos de entrada para identificar outras fontes de incerteza, para que assim, através dos cálculos especificados na fundamentação teórica, possa ser encontrada a incerteza combinada. Dentro das rotinas do programa existem algumas funções para a proteção dos equipamentos que estarão em teste, como por exemplo, aplicar uma tensão maior que o valor da escala. Quando ocorrer isso, o programa irá gerar uma janela informando ao operador que deve encerrar o funcionamento do programa. Outra função de proteção é a indicação para se ter atenção quanto a ligação dos cabos entre a fonte de sinais e os instrumentos para cada grandeza a ser calibrada. Então, com o funcionamento correto, o programa irá elaborar um certificado de calibração que contém a grandeza, a faixa, o valor verdadeiro convencional, a média do valor indicado pelo instrumento, a correção, a incerteza, o grau de liberdade e o coeficiente de abrangência, que é dado pelo fator t de student. Atualmente, o certificado de calibração está sendo exportado para o software EXCEL, mas o objetivo futuro é que este seja exportado para o software WORD. 5 Validação do programa Para validar o programa, foi realizado um ensaio na qual o objetivo era calibrar o multímetro Agilent 34410A, utilizando o FLUKE 5500A como a fonte de sinais e outro multímetro

11 Agilent 34401A como instrumento padrão. O procedimento adotado foi calibrar apenas duas grandezas, a tensão contínua e a tensão alternada, sendo respectivamente duas e três faixas, três pontos para cada faixa e três aplicações para cada ponto. O arquivo do procedimento deste caso pode ser verificado no anexo deste documento. Alguns pontos desse procedimento foram calculados manualmente para verificar se o programa está calculando corretamente as incertezas e as correções. Portanto, foi provado que os dados exportados para um certificado de calibração elaborado pelo programa estão sendo corretamente calculados. A figura 6, no anexo deste documento, demonstra o certificado de calibração exportado pelo programa para o software EXCEL com base nos dados da calibração obtida devido ao procedimento citado acima. Após uma pesquisa com o operador de calibrações do laboratório, foi constatado que uma calibração manual para esse procedimento levaria aproximadamente uma hora e vinte minutos. O ensaio realizado levou apenas cinco minutos para aplicar todos os pontos, fazer as leituras e elaborar o certificado de calibração. Outros testes foram realizados para a verificação do funcionamento do programa. Por exemplo, o ensaio para a calibração de dois multímetros ao mesmo tempo e o ensaio calibrando outras grandezas. 6 Conclusão É possível notar diversas vantagens em se automatizar um sistema de calibração, mas com o maior destaque, aparece a diferença entre o tempo de uma calibração manual e uma calibração automatizada. Outro fator relevante seria as fontes de incertezas que são consideradas em um sistema automatizado que muitas vezes é descartado em um sistema manual. Essas incertezas, de fato influenciam, em maior ou menor grau, no resultado de medição. Mediante aos testes submetidos até o momento, o sistema automatizado apresentou resultados satisfatórios. Neste sentido, será um grande benefício a utilização deste software para o setor

12 de padrões do laboratório de manutenção da Itaipu, pois a produtividade aumentará consideravelmente. Alguns detalhes, como a elaboração dos arquivos de entrada, ainda podem ser melhorados. Contudo, a documentação possibilita um bom entendimento do processo de montagem dos arquivos. 7 Referências ALBERTAZZI, Armando G. Jr.; SOUSA, André R. de. Fundamentos de metrologia científica e industrial. 1ª ed. São Paulo: Manole, INMETRO; ABNT; SOCIEDADE BRASILEIRA DE METROLOGIA; PROGRAMARH METROLOGIA. Guia para a expressão da incerteza de medição ISO GUM. 2.ed.Rio de Janeiro:1998. NATIONAL INSTRUMENTS. Manual de treinamento do LabView Básico I. 1ª Ed Austin Texas: outubro de NATIONAL INSTRUMENTS. GPIB controller for Hi speed USB. Disponível em: Acesso em: 14/05/2010.

13 ANEXO O arquivo abaixo ilustra o arquivo de procedimento adotado no ensaio para a validação do programa. Nota-se a ordem seqüencial dos dados preenchidos neste arquivo, que devem sempre seguir esses padrões para que o programa consiga ler corretamente os dados. Figura 5 Arquivo do procedimento da calibração Fonte: Elaborado pelo autor

14 Figura 6 Certificado de calibração Fonte: Elaborado pelo autor