TRABALHO METROLOGIA TÚNEL DE VENTO CEZAR SCHMITZ GUILHERME VIEIRA LOPES

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1 TRABALHO METROLOGIA TÚNEL DE VENTO CEZAR SCHMITZ GUILHERME VIEIRA LOPES JOINVILLE JULHO 2016

2 1 INTRODUÇÃO A intenção desse trabalho é aplicar os conhecimentos adquiridos na unidade curricular de metrologia, desenvolvendo um sistema térmico fechado onde seja possível controlar tanto o aquecimento quanto o resfriamento. Para isso foi pensada uma estrutura mecânica que visa não possibilitar troca de calor com o ambiente externo através do isolamento térmico. As grandezas medidas nesse projeto foram a temperatura e o fluxo de vento, com sensores do tipo termistor para temperatura e um anemômetro para o fluxo de vento. O controle projetado foi um controle via PWM para a tensão de dois coolers, que geram o fluxo de vento, e de duas células de Peltier, que geram o aquecimento/resfriamento. Para o gerar e adquirir os sinais analógicos e digitais foi usada uma placa NI 6008 e uma NI 6009, que trabalham em conjunto com o software LabVIEW, onde é possível implementar controles e gerenciadores dos sinais obtidos e gerados, além de proporcionar uma interface agradável e intuitiva ao usuário.

3 2 OBJETIVO O objetivo deste projeto é desenvolver um sistema capaz de controlar tanto a temperatura interna, através de sinais gerados pelo termistor, do túnel de vento quanto a velocidade dos ventiladores internos (coolers), que será medida com um anemômetro. Para isso utilizaremos um controle PWM nos ventiladores e das células de peltier. Na parte interna do túnel de vento terá dois ventiladores para gerar o fluxo de ar e transportar a temperatura, um anemômetro para medição de tal fluxo e duas células de peltier que farão tanto o aquecimento como o resfriamento. Sendo assim o controle dos ventiladores e das cèlulas de peltier permitirão um melhor desempenho para atingir a temperatura desejada.

4 3 DESENVOLVIMENTO 3.1 Grandezas medidas Em um primeiro estágio iremos dar um breve esclarecimento referente as grandezas medidas no projeto, temperatura e fluxo de ar. Para medir tais grandezas utilizaremos termistores e um anemômetro que serão descritos em XXXXXX. A temperatura é uma medida estatística do nível de agitação entre moléculas, relacionado com o deslocamento da energia cinética de um átomo ou molécula. Em Física, a temperatura está relacionada com a energia interna de um sistema termodinâmico. Ela é medida por um termômetro e indica o grau de intensidade, sendo que a variação de temperatura dependem de vários fatores, como o vento, a umidade do ar, a latitude, o ângulo de incidência do raio solar na superfície terrestre, etc. Em física o fluxo de uma grandeza pode ser usado de dois significados distintos, como fluxo de um campo vetorial através de uma superfície e no contexto de fenômenos do transporte, como fluxo de uma dada grandeza através de uma superfície, para o projeto utilizaremos o segundo caso, pois trata se da taxa que que essa superfície é atravessada pela grandeza considerada, no caso particular o fluxo de vento que irá proporcionar uma melhor distribuição da temperatura interna do projeto aplicado. 3.2 Mecânica A estrutura mecânica é composta de tubos de PVC de 100mm, joelhos 90 e para não haver uma alta troca de temperatura do ambiente interno como o externo a maior parte da estrutura está isolada com calhas de isopor. Na figura 1 podemos ver a estrutura montada com os tubos e joelhos de 100mm. Na figura 2 acontece a colagem do isopor e na figura 3 a estrutura montada com todas as peças mecânicas.

5 Figura 1: estrutura mecânica tubos e joelhos. Figura 2: Colagem isopor.

6 Figura 3: Estrutura completa. 3.3 Elétrica e eletrônica A eletrônica do projeto é composta por algumas placas de circuito impresso, as placas servem para enviar os sinais do atuadores do projeto, o anemômetro e a célula peltier, os circuitos são os seguintes: Dente de serra, esse circuito serve para enviar um sinal conhecido como dente de serra, subida em rampa e descida instantânea. Esse sinal é usado nos comparadores com Ampop s para gerar o sinal PWM. O esquemático e a placa podem ser vistos nas figuras 4 e 5. Gerador de PWM, esse circuito compara o sinal vindo da dente de serra com o sinal vindo da placa USB 6008 ou USB Comparando os dois sinais o circuito gera um PWM com largura de pulso proporcional a tensão de referência da placa USB 600X. O esquemático e a placa podem ser vistos nas figuras 6 e 7. Placa potência Peltier, esse circuito tem por finalidade acionar a célula Peltier do projeto, como a célula consome uma corrente elevada é necessário usar um transistor do tipo MOSFET que permite uma corrente de até 8A. A placa ainda tem dois relés mecânicos que servem para inverter a polaridade da célula de Peltier, fazendo com que ela mude de resfriar para esquentar. O esquemático e a placa podem ser vistos nas figuras 8 e 9.

7 Figura 4 Esquemático dente de serra. Figura 5 Placa dente de serra montada.

8 Figura 6 Esquemático circuito gerador PWM. Figura 7 Placa gerador de PWM montada.

9 Figura 8 Circuito de comando e potência célula de peltier. Figura 4 Placa potência e comando célula de peltier.

10 3.4 Aquisição de dados A aquisição de dados foi feita através de duas placas DAQ da NI, uma USB 6008 e outra USB 6009, para a programação delas foi utilizado o software LabVIEW Foram utilizadas duas placas para que pudessem ser controladas as duas grandezas, temperatura e fluxo de ar, ao mesmo tempo. A aquisição de dados de temperatura foi feita através de um termistor utilizando a equação dada pelo fabricante para descobrir a temperatura através da variação de resistência. A aquisição de dados de fluxo de ar foi feita através de um anemômetro o qual gerava um sinal senoidal de tensão que foi medido e mensurado o RMS, conforme aumentava o fluxo de ar aumentava o RMS. O programa pode ser consultado nos arquivos do professor Rodrigo Coral e visto quais foram os métodos de programação para chegar ao resultado da aquisição de dados e do controle das variáveis. A figura 10 e 11 mostram o painel frontal do programa. Figura 10 Painel Frontal Temperatura

11 Figura 11 Painel Frontal Fluxo Ar

12 4 RESULTADOS A equipe conseguiu alcançar os resultados esperados, no entanto algumas dificuldades foram encontradas no processo, foram elas: Placa de Potência Peltier, nessa placa algumas dificuldades foram encontradas em relação a tensão de saída, quando aplicado o PWM no gate do MOSFET o mesmo, sem carga, gerava a tensão esperada na saída sem mais problemas, no entanto quando era adicionada a carga, a célula Peltier, houve uma queda de tensão significativamente grande, foi constatado que isso ocorria devido a falta de potência do sinal PWM, foi construído um circuito auxiliar para aumentar essa potência utilizando um transistor. Pode se notar uma melhora, no entanto a tensão ainda não estava no seu máximo. Fica como desafio para possível continuação do projeto resolver esse problema. Sinal anemômetro, o sinal do anemômetro quando adquirido por uma fonte de vento com uma distância considerável do mesmo podia ser medido com precisão, no entanto quando esta fonte de vento, caso estivesse muito próxima, estivesse com baixa tensão, a ponto de não mexer o rotor, o anemômetro sofria influência desse campo eletromagnético e acusava valores errôneos. A solução encontrada para esse problema foi afastar o cooler do anemômetro e afastar os cabos da célula de Peltier, os cabos que passavam mais corrente, para que as medições continuassem precisas.