MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA EM UM DUTO COM ESCOAMENTO DE AR UTILIZANDO SENSOR DE TEMPERATURA DHT22, VENTOINHA EARDUINO UNO

Transcrição

1 ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENG03108 MEDIÇÕES TÉRMICAS MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA EM UM DUTO COM ESCOAMENTO DE AR UTILIZANDO SENSOR DE TEMPERATURA DHT22, VENTOINHA EARDUINO UNO por OTÁVIO FERNANDES CLIVATTI Trabalho Final da disciplina de Medições Térmicas Professores: Paulo Smith Schneider e Alexandre Vagtinski de Paula Porto Alegre, julho de 2015

2 Resumo Este trabalho consiste na fabricação de um protótipo para medição de vazão mássica num escoamento de ar dentro de um duto que realize a leitura de dados através de um micro controlador. Algumas características deste protótipo são a utilização de um micro controladorarduino Uno, sensor de temperatura DHT22 e utilização de componentes de baixo custo. O protótipo foi construído de forma artesanal. Após a construção, o protótipo foi calibrado através da comparação de valores obtidos pelo instrumento aqui apresentado e o instrumento já calibrado presente no LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos). Concluiu-se que o protótipo obteve ótimos resultados quanto a calibração do sensor de temperatura, uma vez que a dispersão entre os valores do protótipo e do instrumento calibrado foram muito baixas (entre 0,01 C e 0,28 C). Os resultados para a medição de vazão foram inconclusivos. Notou-se que o protótipo não obteve bons resultados em relação a perda de carga causada no escoamento, dada que a perda de carga foi de 16,5 mmca, visto que não foram utilizados instrumentos para atenuar as obstruções ao escoamento. Palavras-chave: medição de vazão mássica, arduino uno, medição térmica com microcontroladores.

3 Abstract This project is based on the manufacture of a prototype to measure the mass flow in an air flow inside a duct, and to be able to read/obtain the data through an Arduino Uno microcontroller, a temperature sensor DHT22 and using low cost electric components. The prototype was handmade. After it s build, it was calibrated through the comparisons of the data obtained with it and the data obtained with another instrument, which is already calibrated and is placed at LETA ((Laboratório de EnsaiosTérmicos e Aerodinâmicos). The prototype had great results about the temperature sensor calibration, once the dispersion of the prototype s values and the instrument s values were very close (between 0,01ºC and 0,28ºC). The flow measure s results were inconclusives. The prototype didn t obtain good results about the charge loss, once it was 16,5mm water column, since there were not instruments to attenuate the flow obstructions.

4 Sumário 1. Introdução Revisão Bibliográfica Fundamentação Teórica Metodologia Experimental Fabricação do Protótipo para medição de Temperatura Medidor de Vazão Mássica Programação do Arduíno Uno Calibração do sensor DHT Calibração da Ventoinha Validação Resultados Calibração do Sensor de temperatura Valores Recalculados para o DHT Calibração da Ventoinha Análise da Perda de Carga Conclusão ReferênciasBibliográficas... 18

5 Índice de Ilustrações Figura 4.1.Desenho esquemático da bancada de trabalho para o experimento. [Edital ]. 8 Figura 4.2. Foto da parte externa do protótipo antes da implementação do medidor de vazão. 9 Figura 4.3.Figura 3- Vista do posicionamento do sensor DHT22 no interior do tubo Figura 4.4.Circuito retificador de onda completa com filtro Figura 4.5.Protótipo Final Figura 5.1. Curva de calibração para o sensor DHT22...Erro! Indicador não definido. Figura 5.2.Equação para o ajuste de curva e seus coeficientes Figura 5.3. Gráfico de calibração da ventoinha Figura 5.4. Manômetro de medição da perda de carga

6 1. Introdução O monitoramento das condições de operação de dutos com escoamento de fluidos é essencial para a preservação destes. Este monitoramento é importante tanto em pequenos dutos industriais quanto em grandes gasodutos que atravessam continentes ou na extração de petróleo. Dado este panorama, este trabalho oferece uma solução alternativa para o monitoramento de vazão mássica, temperatura, velocidade, dentre outras características do escoamento. Este trabalho propôs a utilização de equipamentos de baixo custo, aliados a facilidade de fabricação, que, com o auxílio de um microcontroladorarduino Uno, pudessem obter resultados para esse monitoramento. O Arduino Uno é um microcontrolador amplamente utilizado, desde instalações domiciliares até grande instalações industriais. Além disso, utilizou-se um sensor de temperatura DHT22, para auxiliar na capitação não só da temperatura, mas também aplicar sua influência sobre outras propriedades, como a densidade do fluido. O protótipo foi fabricado e calibrado em laboratório, para que assim, pudesse fornecer resultados confiáveis a cerca de suas medições. 2. Revisão Bibliográfica De acordo com Baker, 2014, o uso de um arduino para a realização de medições se justifica por ser um componente que fornece os dados necessários mesmo com seu baixo custo, baixo uso de energia e fácil manuseio para vasta aplicabilidade. Já Liu et. al., 2013, justifica o uso do sensor DHT22 por sua simples construção, trabalhar em um sistema de operação estável e fácil implementação. 3. Fundamentação Teórica Este trabalho foi dividido em duas etapas principais: calibração do sensor de temperatura DHT22 e medição de vazão mássica. As principais características do sensor DHT22 são apresentadas na Tabela 1. Tabela 1- Características do sensor DHT22. Tensão de 3,3V 5.5V (5V recomendado) Alimentação Faixa de medição Umidade relativa: 0% - 99,9%Temperatura: -40ºC 125ºC Precisão Umidaderelativa: +- 2% Temperatura: +- 0,2ºC Resolução Umidaderelativa: 0,1% Temperatura: 0,1ºC Período de medição 2s

7 Este sensor teve seus resultados comparados com a um sensor de temperatura PT100, que tem como sinal de saída um valor de resistência elétrica, convertida em temperatura seguindo a Equação 1. T = (R lida 100,45) (1) 0,3916 Onde T é a temperatura em C e R lida é a resistência elétrica, em Ω, lida em um multímetro. Posteriormente usou-se a Equação 2 para calcular a densidade do ar. ρar = P R ar T (2) Sendo P a pressão absoluta em Pa, R ar a constante universal dos gases ideais para o ar, com valor de 287,058 J/(kgK) e T a temperatura do fluido em Kelvin. Já na segunda etapa do trabalho, utilizou-se a Equação 3 para converter a pressão manométrica de mmca para Pascals. P =. g.10³ (3) Onde P é a diferença de pressão em Pascal, h é a altura da coluna de água em mm e g é a gravidade, assumindo o valor de 9,81 m/s² e 10³ é a densidade da água Com os valores diferenciais de pressão, foi possível calcular a vazão volumétrica e a velocidade do escoamento, apresentadas nas Equações4 e 5, respectivamente. V = C d A t 1 V = V A 1 ( D t D )4 2 P ρ ar (4) (5) OndeV a vazão volumétrica em m³/s, C d é o coeficiente de descarga, assumido como 0,98, A t é a área da garganta do Venturi em m², A é a área do duto em m²,d t é o diâmetro na garganta do Venturi, de 67 mm, D é o diâmetro maior do Venturi, de 100 mm, P é a diferença de pressão medida no Venturi, em Pa. Finalmente, pode-se calcular a vazão mássica através da Equação 6. m =V ρar (6) Onde m é vazão mássica, em kg/s.

8 4. Metodologia Experimental 4.1. Para a realização do experimento foi utilizada uma bancada esquematizada pela Figura Figura 4.1.Desenho esquemático da bancada de trabalho para o experimento. [Edital ]. Em (1) o ar ambiente é admitido na bancada de forma forçada por um ventilador. Sua temperatura e vazão são medidas em (2) por um sensor do tipo PT100 e por uma placa de orifício, respectivamente. O escoamento segue para o aquecedor (3), e posteriormente para a seção de ensaio (6), reservada para a instrumentação elaborada pelos alunos. Duas tomadas de pressão são colocadas em (4) e (7) para medir a perda de carga do medidor e uma tomada para leitura da temperatura do ar em (5). O protótipo elaborado pelos grupos será montado em um trecho curto de tubo PVC, idêntico ao da bancada, e a ela conectada por meio de 2 luvas. O escoamento é finalmente descarregado para o exterior após passar por outro trecho reto (8). [Schneider e de Paula, 2015] Fabricação do Protótipo para medição de Temperatura Para a fabricação do protótipo foram utilizados os seguintes materiais: um pedaço de tubo PVC de 100mm de diâmetro, um sensor DHT22, uma resistência elétrica de Ω, um Arduíno Uno, três cabos de conexão, um cabo USB, um pedaço de madeira, fita isolante, parafusos e fita VHB, além de uma furadeira SCHULZ 12V e solda de estanho 25W. Com os materiais citados acima estando disponíveis, deu-se início ao processo de fabricação do protótipo. Inicialmente foi soldada a resistência elétrica junto aos pinos 1 (energia) e 2 (transmissão de dados) do sensor DHT22. Em seguida, também com o auxílio da solda de estanho, soldou-se os cabos para conexão entre o sensor e o Arduíno Uno. Cada um dos três cabo foi soldado a um pino, sendo esses os pinos 1, 2 e 4 (pino terra) e por último, visando uma maior segurança aos pontos de soldagem, esses foram envoltos por uma fita isolante. Finalizada a união entre o sensor e os cabos de transmissão de dados, foi aberto um orifício no tubo de PVC, uma vez que o sensor foi instalado na parte interior do duto e o arduíno era localizado na parte exterior do duto, possibilitando a união entre os cabos e o arduíno. Para isto, foi utilizada a furadeira com broca de 5 mm de diâmetro, suficiente para a passagem dos cabos. Uma vez feito o orifício, fixou-se o arduíno uno no duto de PVC. Nesta etapa foi utilizada um suporte de madeira, onde, de fato foi fixado o arduíno com auxílio de parafusos e, posteriormente essa placa de madeira foi

9 fixada junto ao duto por meio de uma fita adevisa dupla face VHB, para vedação do orifício aberto no duto, foi utilizada fita isolante, o que já traria resultados satisfatórios ao experimento. O protótipo é ilustrado pelas Figura 4.2 e Figura 4.3. Figura4.2. Foto da parte externa do protótipo antes da implementação do medidor de vazão. Figura 4.3-Vista do posicionamento do sensor DHT22 no interior do tubo Medidor de Vazão Mássica Para a medição de vazão mássica utilizou-se uma ventoinha com 80mm de diâmetro, uma protoboard, 4 diodos n4007, uma resistência elétrica de 3.3 k Ω, uma resistência elétrica de 73,2 Ω, um capacitor de 220μF e cabos para conexão. Após a instalação do sensor de temperatura, iniciou-se a instalação da ventoinha ao protótipo. Foi utilizada uma ventoinha com 80mm de diâmetro adaptada ao diâmetro interno do duto, proporcionando seu encaixe e, posteriormente fixada com cola de silicone. Ao testar o sinal de tensão elétrica emitido pela ventoinha quando sujeita ao escoamento foi verificada a instabilidade do sinal, fato solucionado com o auxílio de

10 um retificador de onda completa com filtro, visando a estabilização do sinal de tensão. O circuito é ilustrado pelas Figura 4.4 e o protótipo final, Figura 4.5. Finalizando o processo de instalação no medidor de vazão do dispositivo foram conectados os terminais de saída positivo e terra do circuito retificador nas portas analógica 0 (Analog(0)) e, GND (ground), permitindo a leitura dos dados pelo Arduíno. Figura 4.4.Circuito retificador de onda completa com filtro. Figura4.5.Protótipo Final

11 4.3. Programação do Arduíno Uno Para a programação do arduíno utilizou-se um software para compilação homônimo, disponível no website do fabricante. Além disso, foi utilizada uma biblioteca disponível para o sensor utilizado, DHT22. Após carregar a biblioteca do sensor junto ao software de compilação, seguiu-se alguns passos pré-definidos pela biblioteca utilizada. Após a calibração do sensor de temperatura, foi inserida a equação de ajuste de curva. Para a medição de vazão mássica foram inseridas a Equação2 e a Equação 6. O código de programação está em anexo. O código de programação foi transmitido ao arduíno com o auxílio de um cabo USB, tornando assim possível a leitura dos dados do sensor Calibração do sensor DHT22 Segundo o fabricante, o sensor DHT22 vem calibrado de fábrica. Porém, como o objetivo do experimento é a comparação de dados obtidos entre o sensor utilizado pelo LETA (PT100) e o sensor utilizado pelo aluno (DHT22), fez-se necessária uma calibração prévia do sensor DHT22, visando a maior aproximação possível da leitura entre os dois sensores. Para isso, foi agendado uma visita ao LETA, onde, de posse do protótipo fabricado, fosse possível calibrá-lo, uma vez que esse seria operado em condições semelhantes ao momento das medições finais de temperatura. Utilizando a bancada de trabalho disponível no laboratório, acoplou-se o protótipo no ponto (6) da bancada de trabalho, conforme indicado na Figura 1. O sensor PT100, conforme seu funcionamento típico, indicava valores de resistência que podiam ser lidos através do auxílio de um multímetro disponibilizado pelo laboratório e, o sensor DHT22 indicava valores de temperatura que eram lidos com o auxílio de um computador. Inicialmente o ventilador foi acionado a uma temperatura de 30 ⁰C, segundo o indicador e, variou-se a temperatura em 10 momentos, sempre adicionando-se 2 ⁰C a temperatura utilizada anteriormente. Para cada valor de temperatura indicado pelo ventilador eram realizadas 3 leituras de resistência do PT100 e, simultaneamente, 3 leituras de temperatura do DHT22, totalizando 30 leituras para o PT100 e 30 leituras para o DHT22 (3 leituras para cada temperatura, ou seja, 10 temperaturas diferentes foram utilizadas). Após serem colhidos os dados, foram realizados os cálculos das médias de resistência do PT100 e de temperatura lidos pelo DHT22, com o auxílio da ferramenta computacional Microsoft Excel. Como a comparação entre resistência e temperatura é ilógica, utilizou-se da Equação 1, caracterizando a curva de calibração do sensor PT100, para transformação das resistências em temperaturas. Essa equação foi previamente obtida e disponibilizada pelo laboratório. Convertidas as resistências em temperaturas, fez-se possível a plotagem de um gráfico de Temperatura do PT100 x Temperatura do DHT22, por meio da ferramenta computacional CurveExpert 1.3, disponibilizado pelo professor no website da disciplina

12 de Medições Térmicas da UFRGS. Feita essa plotagem, o software proporcionou uma equação para a curva delineada pelo gráfico descrito acima, com o intuito de corrigir o valor lido pelo DHT22 ao valor mais próximo possível ao lido pelo PT100. Implementa-se essa equação no código do arduíno, para que, a partir de um valor lido, este seja recalculado (corrigido), por esta equação. Neste caso a equação resultante é representada pela Equação 7, onde a,b e c são constantes. T corrigido = a(b e (c.t lido ) ) (7) 4.5. Calibração da Ventoinha A calibração da ventoinha foi realizada na mesma bancada de trabalho. Foram obtidos valores de referência pelo arduíno para cada freqüência do ventilador, na faixa de 30Hz a 50Hz, com intervalos de 2Hz. A partir disso, eram recolhidos valores médios de referência da ventoinha e analisada a diferença de pressão causada pelo escoamento, por meio da leitura em mmca (milímetros de coluna d água) do dispositivo instalado na bancada de trabalho. Deste modo, com o auxílio da Equação 4, foi possível o calculo da vazão volumétrica. Associando os valores de referência da ventoinha para as determinadas freqüências com o valor de velocidade, foi possível plotar um gráfico Valor de Referência x Velocidade no software Microsoft Excel e, assim obter a curva de ajuste para o problema proposto. A Equação 8 apresenta a calibração do ventoinha. V real = V ref + 0,0224. V ref + 1,7673 (8) 4.6. Validação Mesmo calibrados os sensores apresentam incertezas e erros associados as suas medições, podendo ser de diversas naturezas. Um erro que certamente ocorreu durante esse experimento foi o de atraso na leitura dos dados, uma vez que a leitura da temperatura indicada pelo DHT22 e da resistência indicada pelo PT100 deveriam ocorrem simultaneamente, o que é impossível ao olho do operador, mesmo que aproxime-se da perfeição, uma vez que a resposta do multímetro varia muito rapidamente. Para reduzir os erros de medição seria necessário a utilização de um espaço amostral maior, uma vez que quanto maior a amostra, menor o erro associado a esta. Além desse erro, deve-se creditar diferenças entre os valores reais e os medidos devido à incerteza. No caso do DHT22 a incerteza associada de fábrica é de +- 0,5ºC. Já na medição de vazão, têm-se a incerteza de aferição dos dados da ventoinha para o arduíno com a rapidez necessária para leitura destes.

13 5. Resultados 5.1. Calibração do Sensor de temperatura A Tabela 2, mostra os dados obtidos em laboratório para a calibração do sensor DHT22. Nesta tabela estão incluídas todas as amostras utilizadas para calibração do sensor de temperatura utilizado. A conversão do valor de resistência lido para uma temperatura em Celsius foi feita através da utilização da Equação 1, descrita anteriormente. Medida Resistência (Ω) Tabela 2- Dados obtidos no LETA Temp. Temp. MédiaResistência PT100 DHT22 (Ω) (ºC) (ºC) Média DHT22 (ºC) Dispersão (oc) 1 113,00 31,00 112,88 112,89 31,77 30,80 30,85 0,92 112,79 30, ,58 33,20 113,54 113,52 33,38 32,70 32,73 0,65 113,44 32, ,05 33,80 113,78 113,88 34,29 33,20 33,77 0,52 113,82 34, ,47 36,20 114,43 114,41 35,65 35,00 35,53 0,12 114,34 35, ,93 37,60 114,97 114,98 37,10 37,00 37,30-0,20 115,03 37, ,74 38,60 115,62 115,67 38,87 38,20 38,73 0,14 115,64 39, ,18 40,20 116,12 116,21 40,24 39,70 40,37-0,13 116,33 41, ,47 42,50 116,62 116,54 41,09 42,20 41,97-0,88 116,53 41, ,24 43,40 117,12 117,15 42,64 43,00 43,40-0,76 117,08 43, ,63 45,20 117,79 117,76 44,20 45,90 45,33-1,13 117,85 44,90

14 A partir das temperaturas médias obtidas para os dois sensores, foi possível plotá-los em um gráfico e, assim, obter a equação da curva de calibração para o DHT22 ilustrado na Figura 6 Figura 6. Curva de calibraçãopara o sensor DHT22. O software CurveExpert 1.3 forneceu assim, a equação para o ajuste de curva realizado, conforme mostra a Figura 5.2. Esta expressão foi adicionada a programação do Arduíno visando à correção do valor. Figura 5.1.Equação para o ajuste de curva e seus coeficientes Valores Recalculados para o DHT22. Utilizando a expressão da Figura 5.2 obtemos novos valores para as temperaturas medidas pelo DHT22, mais próximas as obtidas pelo PT100 calibrado. Esses valores são demonstrados na Tabela 3.

15 Tabela 3- Valores corrigidos conforme a calibração. Amostra Temp. PT100 (oc) Nova Temp. DHT22 Dispersão (oc) (oc) 1 31,77 31,64 0, ,38 33,34 0, ,29 34,28 0, ,65 35,84-0, ,10 37,38-0, ,87 38,62 0, ,24 40,02 0, ,09 41,37-0, ,64 42,57 0, ,20 44,16 0, Calibração da Ventoinha Para a calibração da ventoinha associou-se valores de leitura da porta analógica com as freqüências controladas do ventilador. A partir disto, foram usadas relações descritas pelas Equações 2,3,4,5,6, inseridas no software Microsoft Excel, facilitando os cálculos. A tabela 4 apresenta estes valores. Frequência do Ventilador (Hz) Tabela 4 Dados necessários para a calibração do instrumento de medição. Valor de Colunad água Vazão Diferença Referência (m) Volumétrica,V de Pressão, Analog(0) (m 3 / s) P (Pa) Velocidade, V (m/s) ,012 0, , ,015 0, , ,018 0, , ,020 0, , ,022 0, , ,025 0, , ,029 0, , ,030 0, , ,034 0, , ,038 0, , ,040 0, ,596 Com estes dados plotou-se um gráfico no software Microsoft Excel e, deste gráfico, foi retirada a curva de ajuste com confiabilidade de 98% para a calibração da ventoinha, conforme mostrado na Figura 5.3.

16 14 Curva de calibração da Ventoinha y = -7E-06x 2 + 0,022x + 1,767 R² = 0, Figura5.2. Gráfico de calibração da ventoinha 5.4. Análise da Perda de Carga A Figura 5.4 ilustra o manômetro onde foi medida a perda de carga em função da utilização do protótipo. Figura5.3. Manômetro de medição da perda de carga. Como se pode ver na Figura 5.4, o manômetro indica 16,5 mmca como sendo a perda de carga do sistema em função da utilização do protótipo.

17 6. Conclusão Com base nos resultados apresentados pode-se afirmar que o protótipo obteve sucesso quanto a medição de temperatura, porém, como não foram realizados testes de verificação para os valores encontrados para vazão mássica, os resultados foram inconclusivos. A medição de temperatura, após a calibração, apresentou uma dispersão muito baixa quando comparada aos valores anteriores a calibração, uma vez que o resultado obteve uma dispersão mínima de 0,01 C e dispersão máxima, em módulo, de 0,28 C. Não foram realizados testes para que se pudesse avaliar o sucesso ou não do experimento no que diz respeito à leitura de vazão mássica, uma vez que não houve a comparação entre os valores obtidos por um instrumento calibrado do laboratório e os do protótipo. Foi realizada apenas a leitura de perda de carga causada pelo protótipo, que teve um valor elevado (16,5 mmca). Este efeito foi causado pelo posicionamento de restrições abruptas ao escoamento. Uma diminuição da área da ventoinha normal ao escoamento, bem como o posicionamento do sensor de temperatura, ocasionariam uma perda de carga menor do que a ocorrida com este protótipo. Sugere-se também a implementação de cones com a base na região central da ventoinha, tanto a jusante, quanto à montante, visando a suavização do escoamento.

18 7. ReferênciasBibliográficas SCHNEIDER, P. S., 2012, Termometria e Psicrometria. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site SMITH SCHNEIDER, P., Incerteza de Medição e Ajuste de Dados, UFRGS, Porto Alegre. SMITH SCHNEIDER, P., PAULA, ALEXANDRE V., EDITAL DOS TRABALHOS DA DISCIPLINA DE MEDIÇÕES TÉRMICAS, UFRGS, Porto Alegre. BAKER, ED, OPEN SOURCE DATA LOGGER FOR LOW-COST ENVIRONMENTAL MONITORING. BIODIVERSITY DATA JOURNAL 2: E1059. LIU, L., ZHANG, P., YANG, M., MONITORING OF TEMPERATURE, HUMIDITY AND AIR PRESSURE IN SIMULATION OF ATMOSPHERIC TURBULANCE.ELETRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY.

19 Anexo Programa utilizado no compilador do Arduíno Uno: #include "DHT.h" #define DHTPIN 7 #define DHTTYPE DHT22 //cabo vermelho eh o terra //cabo branco eh o data //cabopreto eh o power DHT dht(dhtpin, DHTTYPE); float i=0; float a= ; float b= ; float c= ; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("Teste de conexao"); Serial.print("Referência \t"); Serial.print("\t"); Serial.print("TEMPERATURA \t"); Serial.print("\t"); Serial.print("Velocidade: \t"); Serial.print("\t"); Serial.print("VazaoMassica: \t"); Serial.print("\n"); dht.begin(); } void loop() { delay(2000); i=i+1; float t = dht.readtemperature(); t = a*(b-exp(-c*t)); float A= ; floatro= / ( *(t+273)); float V=analogRead(A0); V= ( *(V*V))+(0.0224*V) ; Float M=V*A*ro;

20 Serial.print("\t"); Serial.print(i); Serial.print("\t \t \t"); Serial.print(t); Serial.print("*C \t"); Serial.print(V); Serial.print("m/s \t"); Serial.print(M); Serial.print("kg/h \t"); Serial.print("\t"); Serial.print("\n"); if ( isnan(t)) { Serial.println("\Falha de conexao"); return; } }