UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA ATRAVÉS DO MICROCONTROLADOR ARDUINO UNO por André Weijh Daiane Pioli dos Santos Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Professor Alexandre de Paula Porto Alegre, julho de 2015

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENG MEDIÇÕES TÉRMICAS Trabalho da Disciplina de Medições Térmicas ANDRÉ WEIJH DAIANE PIOLI DOS SANTOS MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA ATRAVÉS DO MICROCONTROLADOR ARDUINO UNO Trabalho apresentado na disciplina de Medições Térmicas do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para aprovação na respectiva disciplina. Orientador: Prof. Paulo Smith Schneider Prof. Alexandre de Paula Porto Alegre 2015

3 WEIJH, A.; SANTOS, D.P. Medição De Vazão Mássica Através Do Microcontrolador Arduino Uno f. Trabalho apresentado na Disciplina de Medições Térmicas Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RESUMO Este trabalho trata sobre o experimento realizado em uma bancada de testes para a determinação da vazão mássica e da perda de carga de um medidor de vazão utilizando um sensor de temperatura, um cooler de computador e um micro controlador Arduino UNO. A medição de temperatura é realizada através do sensor DS18B20 encapsulado. E a medida de vazão volumétrica é obtida através da rotação de um ventilador de arrefecimento de computador, de medidas 40x40mm, cuja calibração é feita em função da contagem de rotações por minuto desse ventilador, por meio de um sensor de efeito hall. Por fim obtém-se a vazão mássica de ar através do equacionamento que relaciona temperatura e vazão volumétrica, e compara-se com um instrumento de referência. Resultados são mostrados para uma diferença de 9e-4 kg/s na medição à temperatura ambiente e 3,7e-3 kg/s na medição com aquecimento, dentro da faixa de operação de C. PALAVRAS-CHAVE: Medição de vazão mássica de ar, calibração, Arduino, sensor de temperatura.

4 WEIJH, A.; SANTOS, D.P. Mass flow measuring through Arduino Uno microcontroller f. Paper presented at the Discipline of Thermal Measurements - Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, ABSTRACT This paper presents the experiment on a test bench for determining the air mass flow rate and pressure loss of a flow meter using a temperature sensor, a computer cooler and a micro controller Arduino UNO. The temperature measurement is obtained through the encapsulated sensor DS18B20. And the volumetric air flow is obtained by the rotation of a computer cooling fan by 40x40mm, whose calibration is performed according to the revolution count per minute of that fan using a Hall effect sensor. Finally, the mass air flow is obtained through the equation that relates temperature and volumetric flow, and it is compared with a reference instrument. Results are showed to a difference of 9e-4 kg/s to the ambient temperature and 3,7e-3 kg/s when the flow is submitted by a heating process on operating ranges between 20ºC to 50ºC. KEYWORDS: Mass air flow measurement, calibration, Arduino, temperature sensor.

5 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA OBJETIVOS FUNDAMENTAÇÃO TÉCNICA EXPERIMENTAL VALIDAÇÃO RESULTADOS CONCLUSÕES APÊNDICE A PROGRAMAÇÃO PARA COLETA DE DADOS DE VAZÃO MÁSSICA DE AR UTILIZANDO O ARDUINO... 13

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Medidor de vazão por diferencial de pressão do tipo tubo Venturi...3 Figura 2 Desenho esquemático da banca experimental montada para medição de vazão mássica da corrente de ar...4 Figura 3 Curva de Calibração do Sensor PT-100 calibrado...5 Figura 4 Curva de Operação do Sensor PT-100 calibrado...5 Figura 5 Nuvem de pontos das medias medidas para o sensor DS18B20. Gráfico da temperatura calibrada pela temperatura lida previamente pelo sensor, gerando a curva de ajuste...9 Figura 6 Gráfico da vazão volumétrica em função da rotação da ventoinha. A vazão volumétrica é a justada através do cálculo de vazão para um Venturi, calibrando-se então a vazão para cada determinada rotação...9 Figura 7 Gráfico da densidade do ar pela temperatura...9

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Temperaturas medidas para os sensores PT-100 e DS18B20 com Arduino Tabela 2 Dados estatísticos das amostras medidas em unidades coerentes Tabela 3 Critério de Chauvenet para as medições dos sensores DS18B Tabela 4 Tabela com a média das rotações da ventoinha para determinada frequência do ventilador e a respectiva calibração da vazão de ar pela ventoinha Tabela 5 Tabela da densidade do ar em função da temperatura medida à pressão atmosférica padrão Tabela 6 Dados da medição final de vazão mássica de ar

8 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Significado Unidade V Vazão volumétrica m³/kg m Vazão mássica kg/s At Área da garganta do Venturi m² Cd Coeficiente de descarga - di Desvio de cada evento para o critério de Chauvenet - n Número total de eventos da amostra - p Pressão ambiente Pa R Resistência lida no PT-100 Ω s Desvio padrão para uma amostra pequena - T Temperatura do meio em que está sendo feita a medição C t Valor da distribuição t-student para um dado intervalo de confiança e um dado número de graus de liberdade - Wx Incerteza do valor médio - x Valor médio da amostra - xi Valor medido para o evento i - β Relação de diâmetros - Δp Diferença de pressão medida no Venturi Pa ρ Massa específica do ar kg/m³

9 1 1. INTRODUÇÃO No decorrer dos últimos anos, a demanda crescente da indústria por software e hardware livres fez com que o desenvolvimento de microcontroladores programáveis fosse largamente disseminado, tornando-se acessível e popular através da plataforma Arduino devido sua flexibilidade e de facilidade de utilização. Essa é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, e de placa única, cuja programação é desenvolvida em linguagem C/C++, feita inicialmente na Itália, no ano de 2005 [FONTE: WIKIPÉDIA.ORG]. Com o desenvolvimento da eletrônica, tornou-se possível a criação de sensores digitais de baixo custo, cuja utilização é facilmente combinada com a utilização do Arduino. Este trabalho demonstra a utilização do micro controlador aplicado à medição de vazão mássica. Para isso, é calibrado um sensor DS18B20 para medição de temperatura, e é combinado à calibração da rotação de um ventilador para arrefecimento de processadores de computador em função da vazão volumétrica. O sensor de efeito hall da ventoinha é responsável pela contagem de rotações. Combinando a vazão volumétrica e a temperatura de escoamento do ar, calcula-se então a vazão mássica que passa através de um cano de 100mm de diâmetro, inserido na bancada experimental. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Segundo White, 2002, a caracterização de escoamentos passa pela medição de propriedades locais, integradas e globais. As propriedades locais podem ser termodinâmicas, como pressão, temperatura, massa específica, etc., que definem o estado do fluido, além de sua velocidade. As propriedades integradas são as vazões em massa e volumétrica, e as propriedades globais são aquelas relativas à visualização de todo campo de escoamento. Dados da apostila da Unesp afirmam que a determinação da vazão pode ser feita através do cálculo da velocidade média ou através de medidores especificamente construídos para esta determinação. A vazão pode ser medida em termos de massa vazão mássica [kg/s], ou volume vazão volumétrica [m³/s]. Algumas vezes a vazão é denominada descarga. Segundo Fox, 1995, a escolha de um medidor de vazão é influenciada pela incerteza exigida, faixa de medida, custo, complicações, facilidades de leitura ou de redução de dados e tempo devida em serviço. O dispositivo mais simples e mais barato que forneça a exatidão desejada deve ser escolhido. A maneira mais obvia de medir vazão de ar escoando dentro de um tubo é o método direto, que consiste simplesmente em medir a quantidade de fluido que se acumula em um recipiente durante um período de tempo. Fox, 1995, ainda afirma que a compressibilidade deve ser considerada nas medições de volume em escoamentos de gases. Como a massa especifica dos gases é pequena, a medição direta de vazão mássica se torna difícil. Se as medições de volume ou massa forem cuidadosamente organizadas, nenhuma calibração é requerida, sendo esta a grande vantagem dos métodos diretos. Vários tipos de medidores produzem saídas proporcionais a vazão. Estes medidores produzem sinais sem a necessidade de medir a pressão diferencial. O instrumental para medição de vazão é muito diversificado, mas devido à facilidade de medição, diversos autores e pesquisadores utilizam processos de medida do tipo diferencial de pressão. O Venturi é o medidor com melhor desempenho entre os seus similares, na categoria de medidores de obstrução (Schneider, 2007) De acordo com Justen, Horlle e Wrubleski, 2011, existem poucos medidores de vazão mássica no mercado e normalmente são dispositivos de valores bem mais elevados do que medições de vazão volumétrica. Ainda atentam para a importância de se considerar a variação da massa específica de acordo com a mudança de temperatura, uma vez que o gradiente positivo de temperatura gera uma expansão volumétrica do ar, o qual tem sua densidade reduzida e consequentemente aumenta sua vazão volumétrica e a velocidade na tubulação.

10 2 Fraga e Filho, 2014, Justen et al, 2011, descrevem um experimento com um método alternativo aos métodos convencionais (tubo de pitot, venturi, placa de orifício ) para a medição de vazão. O método proposto é a medida de vazão através de uma ventoinha com motor se escovas de 12V de corrente contínua. Para a medida de temperatura foi adotado um sensor digital DS18B20 por Fraga e Filho, e um termopar tipo K MTK01 por Justen et al. 3. OBJETIVOS Esse trabalho tem por objetivo desenvolver um medidor de vazão mássica para corrente de ar, utilizando a plataforma Arduino UNO. Para isso será medida também a vazão volumétrica e a temperatura através de sensores inseridos no sistema. Para tal atividade, será proposta a calibração de sensores com equipamentos de referência, onde serão calculados e demonstrados pela tela do computador as medições de temperatura, vazão volumétrica e vazão mássica. Assim, tem-se por objetivo calibrar o sensor de temperatura DS18B20, comparando suas medidas com o sensor PT-100 já previamente calibrado. Para a calibração da vazão volumétrica, será calibrada uma ventoinha de computador, cuja rotação será ajustada à vazão volumétrica calculada através de um venturi inserido no sistema. 4. FUNDAMENTAÇÃO Para a obtenção de uma medida de temperatura de confiança através de um sensor de temperatura é necessário que o mesmo esteja devidamente calibrado, o que implica em utilizar um sensor de referência já calibrado ou a calibração através do ponto físico conhecido. Neste trabalho, foi realizada a calibração de um sensor de temperatura DS18B20 através de um sensor calibrado PT-100. O sensor PT-100 tem como principais características a baixa sensibilidade estática e a variação linear e diretamente proporcional da resistência elétrica com a temperatura. A sensibilidade é a variação de um sinal de saída de um sistema de medição em resposta à variação da grandeza a ser medida [Scheneider, 2007]. Em contrapartida, o sensor a ser calibrado, DS18B20, é conhecido por ser um sensor muito versátil, por fazer parte da família dos sensores one-wire. Essa família de sensores possibilita a combinação de diversos sensores de temperatura em apenas um pino de aquisição de dados do Arduino, possuindo bibliotecas próprias para o uso do sensor, e sendo muito popular entre os usuários da plataforma Arduino. Além dessas características, o sensor também apresenta ótimo custo benefício, combinando baixo custo com baixa incerteza de medição, quando comparado a sensores como NTC s de mesmo valor, ficando com características próximas as do próprio sensor de referência PT-100. A curva de calibração é obtida através da medida de temperatura pelos dois sensores em um meio em comum. A variação de resistência do PT-100 em relação à variação da temperatura do meio é obtida por meio da leitura de resistência elétrica em um multímetro, e a relação entre essas variáveis é dada: T = 2,5538R 256,53 (1) onde R é a resistência lida no PT-100, em Ω; e T é a temperatura correspondente do meio, em C. A medida de temperatura do sensor DS18B20 é obtida a um passo de tempo definido através de um código adequado para esta finalidade e escrito na plataforma Arduino. O processo experimental engloba a análise de erros e incertezas inerentes à medição, conforme analisado na Seção 4. E a vazão mássica de ar (m ) é definida: m = ρv (2) onde ρ é a massa específica do ar em kg/m³, e V é a vazão volumétrica de ar expressa em m³/s.

11 3 O tubo Venturi, Figura 1, é um elemento medidor de vazão de diferencial de pressão. A diferença de pressão entre as duas seções distintas do medidor é proporcional à vazão que escoa por ele. Figura 1 Medidor de vazão por diferencial de pressão do tipo tubo Venturi. O cálculo da vazão de ar que passa pelo venturi é um cálculo iterativo, que depende da temperatura (T) e pressão ambiente (p), do coeficiente de descarga (Cd), da área da garganta do Venturi (At), da relação de diâmetros (β), diferença de pressão medida no Venturi (Δp), e da massa específica do ar (ρ) V = Cd A t (1 β 4 ) 0,5 ( 2 p ρ ar ) 0,5 (3) Toda medida experimental acarreta, inerentemente erros de medição. Segundo o INMETRO, 1995, o erro pode ser definido como o valor calculado ou observado e o valor verdadeiro do mensurando. Como este é dificilmente conhecido, o erro não pode ser determinado, mas sim estimado, Scheneider, O erro pode ser classificado como grosseiro, sistemático ou randômico. Erros grosseiros são facilmente corrigidos, pois são de fácil identificação. Erros sistemáticos podem ter origem na calibração mal feita do sistema de medição ou então por erros de interpretação por parte do observador. Erros randômicos são de difícil identificação, mas podem ser corrigidos através de análise estatística dos resultados, conforme será demostrado na seção de validação. Dentro da análise estatística, podem-se eliminar pontos espúrios ou duvidosos conforme o critério de Chauvenet, através do cálculo do desvio da média de todos os valores da amostra: d i = x i x (4) onde, d i é o desvio de cada evento em relação à média, x i é o valor medido de um evento i, x é o valor médio da amostra. Segundo o critério, para cada cinco eventos que descrevem um estado particular, pode-se eliminar, de acordo com Holman, 1990, os dados que se enquadram a: d i s > 1,65 (5) onde s é o desvio padrão da amostra, calculado conforme equação 5. A validação dos resultados é feita através do cálculo de incerteza para as medições realizadas. Conforme Schneider, 2007, a incerteza do valor médio de uma pequena amostra pode ser dada por: W x = t s/ n (6) onde, W x é a incerteza do valor médio, t é o valor da distribuição t-student para uma dada confiabilidade e um dado número de graus de liberdade υ, s é o desvio padrão para um número de graus de liberdade υ; e n é o número total de eventos da amostra. O valor do desvio padrão pode ser calculado como:

12 4 1 s = ( (x x )2 ) 2 (n 1) (7) onde, x é o valor medido para cada evento da amostra, x é o valor médio da amostragem calculado. 5. TÉCNICA EXPERIMENTAL O experimento consiste em determinar a vazão mássica de corrente de ar na bancada experimental do laboratório LETA da Engenharia Mecânica da UFRGS, conforme o esquema da Figura 2. Figura 2 Desenho esquemático da banca experimental montada para medição de vazão mássica da corrente de ar. Em (1) o ar ambiente é admitido na bancada de forma forçada por um ventilador. Sua temperatura é medida por um sensor de referência PT-100 em (2), e sua vazão é calculada nesse ponto através de um medidor de vazão do tipo Venturi. O escoamento é aquecido em (3), e em (4) é feita uma tomada de pressão através de um manômetro em U. Em (5) é feita outra medição de temperatura, através de outro sensor PT-100 calibrado. Na seção (6) é inserida a instrumentação feita pelos alunos para medição de vazão mássica de ar. Em (7) é feita outra tomada de pressão, para ter a perda de carga inserida no sistema pelo projeto de medidor de vazão mássica de ar. Finalmente em (8) há um trecho reto onde o ar insuflado pelo ventilador é descarregado na atmosfera. Para os ensaios, o ventilador é controlado por um inversor de frequência, onde a faixa de operação será entre 30 e 50 Hz, produzindo velocidades de escoamento de ar entre 6 e 25 m/s. Na seção de aquecimento, o aquecedor é capaz de elevar a temperatura do escoamento até um máximo de 50 C. A Figura 3 traz a curva de calibração do sensor PT-100 do laboratório, e a Figura 4 traz a Curva de Operação deste mesmo sensor.

13 5 Figura 3 Curva de Calibração do Sensor PT-100 calibrado. Figura 4 Curva de Operação do Sensor PT-100 calibrado. A análise da Figura3 e Figura 4demonstra a linearidade da variação de resistência conforme a mudança de temperatura do sensor de referência. A medida de temperatura é dada por dois métodos diferentes de acordo com o sensor em questão. Para o sensor PT-100 a temperatura foi obtida através da equação da curva de operação, contida na Figura 4, onde a resistência foi dada pela leitura de um multímetro. Para o sensor DS18B20 a temperatura foi calibrada com o sensor de referência, e dada como temperatura corrigida na plataforma Arduino. Para calibração da temperatura foram feitas cinco medidas de temperatura com os dois sensores em tempos simultâneos para cada valor estabelecido como padrão. Os valores padrões foram temperatura ambiente, 30ºC, 35 C e 39 C definidos de acordo com a intensidade de aquecimento da resistência elétrica montada na bancada, totalizando vinte valores de temperatura medidos para a calibração do sensor. Para a vazão volumétrica, são feitas medidas de diferença de pressão a montante e a jusante do Venturi, em função da frequência de rotação do ventilador. São feitas seis medidas de diferença de pressão para seis frequências de referência, sendo elas 30Hz, 34Hz, 38Hz, 42Hz, 46Hz e 50Hz. Além disso, é ainda feita a tomada de pressão a jusante da instrumentação proposta, para medir a perda de carga imposta pelo instrumento de medição projetado. Em contrapartida, são lidas as rotações da ventoinha para a calibração da vazão pelo número de rotações da ventoinha

14 6 por segundo. A calibração da vazão volumétrica em função da rotação da ventoinha é feita sem o uso de aquecimento. Por fim, é feita a função da densidade do ar com dependência da temperatura medida no pelo sensor DS18B20, sendo a densidade do ar multiplicada pela vazão volumétrica, resultando na vazão mássica de ar naquela seção de duto. 6. VALIDAÇÃO Na Tabela 1 estão dispostos os dados obtidos de temperatura, registrados através da leitura de um multímetro, e o valor de temperatura medido com o sensor DS18B20 através da medição com Arduino. Após a obtenção das temperaturas para ambos os sensores, calibrou-se o sensor DS18B20 através da diferença encontrada com o sensor de referência, sendo a calibração feita através das médias das diferenças das seis medições para cada temperatura de referência. Tabela 1 Temperaturas medidas para os sensores PT-100 e DS18B20 com Arduino. DS18B20 [ C] PT-100 [ C] DIFERENÇA DS18B20 CALIBRADO [ C] DIFERENÇA [ C] 27, ,5587 0, ,7841 0, , ,6609 0, ,7210 0, , ,7630 0, ,5996-0, , ,7630 0, ,5996-0, , ,9163-0, ,5996-0, , ,9163-0, ,5996-0, , ,7630 0, ,6506-0, , ,2362 0, ,4237 0, , ,2362 0, ,5451 0, , ,4916 0, ,6665 0, , ,5682 0, ,7272 0, , ,4660 0, ,7272 0, , ,7935 0, ,9567 0, , ,0669 0, ,0657-0, , ,1946 0, ,1269-0, , ,2201 0, ,2478 0, , ,3478 0, ,3085-0, , ,2967 0, ,2478-0, , ,4866 0, ,4922 0, , ,6422 0, ,7077 0, , ,8210 0, ,8291 0, , ,0508 0, ,9505-0, , ,1785 0, ,0719-0, , ,3828 0, ,1933-0, , ,2603 0, ,2075-0,0529 AMBIENTE T = 30 C T = 35 C T=39 C Para a análise da validação dos resultados, foi escolhido um intervalo de confiança de 95,45% (equivalente a dois desvios padrão), com uma amostragem de 6 eventos por temperatura escolhida para calibração, utilizando ainda o critério de rejeição de Chauvenet para eliminação de pontos espúrios de medição, porém não foram encontrados pontos espúrios nessas medições. Com isso, espera-se que seja possível diminuir a incerteza da média do valor medido, que para o

15 7 sensor DS18B20 é de meio grau Celsius para mais ou para menos, podendo-se aproximar o valor da incerteza ao valor mínimo de resolução do equipamento, setado em 12 bits, ou 0,0625 C. Conforme os dados obtidos através da medição experimental da temperatura, pode-se retirar dados de média, desvio padrão e incerteza da média para cada amostra, conforme a Tabela 2. T = 39 C T = 35 C T = 30 C AMBIENTE Tabela 2 Dados estatísticos das amostras medidas em unidades coerentes. PT-100 [ C] DS18B20 [ C] DIFERENÇA MÉDIA 0,10 26,62 0,18 DESVIO PADRÃO (S) 0,16 0,05 0,15 NÚMERO DE AMOSTRAS (ν) 5,00 5,00 5,00 t (2σ) 2,57 2,57 2,57 INCERTEZA DA MÉDIA (Wx) 0,18 0,06 0,18 MÉDIA 0,62 30,67-0,23 DESVIO PADRÃO (S) 0,06 0,07 0,06 NÚMERO DE AMOSTRAS (ν) 5,00 5,00 5,00 t (2σ) 2,57 2,57 2,57 INCERTEZA DA MÉDIA (Wx) 0,07 0,09 0,07 MÉDIA 0,46 34,19 0,04 DESVIO PADRÃO (S) 0,02 0,10 0,02 NÚMERO DE AMOSTRAS (ν) 5,00 5,00 5,00 t (2σ) 2,57 2,57 2,57 INCERTEZA DA MÉDIA (Wx) 0,03 0,11 0,03 MÉDIA 0,55 37,95 0,06 DESVIO PADRÃO (S) 0,10 0,19 0,10 NÚMERO DE AMOSTRAS (ν) 5,00 5,00 5,00 t (2σ) 2,57 2,57 2,57 INCERTEZA DA MÉDIA (Wx) 0,11 0,22 0,12 Os dados de desvio padrão e a incerteza da média foram calculados conforme as equações 7 e 6 respectivamente, e a média corresponde a uma média aritmética simples dos valores medidos. Para aplicação do critério de Chauvenet utiliza-se a equação 4 e 5, verificando se há pontos espúrios dentro da medição. Assim, avalia-se o critério para a medição com o PT-100 e com o sensor DS18B20, sendo os resultados dispostos na Tabela 3. Conforme a relação da equação 5, não tem-se pontos medidos que se enquadram dentro do critério de eliminação de Chauvenet, cujo valor para uma amostragem com cinco pontos é de 1,65. A aplicação desse critério pode ser observada na Tabela 3. Logo, tem-se um valor máximo de incerteza da média de 0,22 C para medição de temperatura com o Arduino, para um intervalo de dois desvios padrão (confiança de 95,45%). Com os resultados dentro do intervalo esperado, pode-se partir para a obtenção da curva de calibração do sensor em questão, comparando com a curva do PT-100 e ajustando-a para que coincidam, conforme será tratado na seção de Resultados. Para a calibração de rotação da ventoinha é feita a análise com cinco medidas de rotação do ventilador, sendo feita a média das medidas para cada frequência de rotação do ventilador da bancada, resultado em uma rotação para uma dada vazão volumétrica teórica do Venturi. Assim, pode-se ver a Tabela 4, contendo as informações da calibração da ventoinha. Para o cálculo de vazão mássica, é também feito o ajuste da curva de densidade do ar em função da temperatura instantânea à medição, sendo a densidade do ar calculada à pressão at-

16 8 mosférica padrão, conforme a Tabela 5. Os cálculos de vazão são feitos conforme a fundamentação teórica. Tabela 3 Critério de Chauvenet para as medições dos sensores DS18B20. Medida Valor Padrão ARDUINO ( C) 1 1,64 2-0,45 3-0,45 4-0,45 5-0,45 1-1,27 2-1,63 3 0,00 4 0,82 5 0,82 1-1,27 2-0,63 3 0,63 4 1,26 5 0,63 1-1,26 2-0,63 3 0,00 4 0,63 5 1,26 AMBIENTE T = 30 C T = 35 C T = 39 C Tabela 4 Tabela com a média das rotações da ventoinha para determinada frequência do ventilador e a respectiva calibração da vazão de ar pela ventoinha. Frequência Vazão Venturi Vazão ventoinha RPS ventilador [Hz] [m³/hora] calibrada [m³/hora] 30,00 272,80 215,83 226,59 34,00 282,00 243,72 244,86 38,00 299,40 286,20 276,38 42,00 318,00 318,22 305,68 46,00 384,20 356,53 373,10 50,00 441,20 391,17 385,06 Tabela 5 Tabela da densidade do ar em função da temperatura medida à pressão atmosférica padrão. T [ C] Densidade ar [kg/m³] 20 1, , , ,093

17 Vazão Volumétrica [m³/h] Temperatura corrigida [ C] 9 7. RESULTADOS Como resultado obtiveram-se a calibração do sensor de temperatura DS18B20, da vazão volumétrica de ar em função da rotação da ventoinha e a vazão mássica de ar do sistema, conforme a rotação e a temperatura medidas no sistema. A calibração do sensor de temperatura DS18B20 pode ser visto pela Figura 5, onde é interpolada sua função de calibração através das nuvens de pontos dadas pela Tabela y = 9,7117E-01x + 4,9861E-01 R² = 9,9932E Temperatura lida sem correção [ C] Figura 5 Nuvem de pontos das medias medidas para o sensor DS18B20. Gráfico da temperatura calibrada pela temperatura lida previamente pelo sensor, gerando a curva de ajuste. Para a calibração da vazão volumétrica de ar através da ventoinha, faz-se a curva relacionando a rotação medida pelo sensor de efeito hall a cada segundo com a vazão volumétrica medida para o Venturi, calculada através das fórmulas contidas na fundamentação teórica. Com isso, obteve-se a curva de calibração conforme a Figura ,00 400,00 350,00 300,00 250,00 y = -6,56359E-03x 2 + 5,62742E+00x - 8,20107E+02 R² = 9,69329E ,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 Rotação [rps] Figura 6 Gráfico da vazão volumétrica em função da rotação da ventoinha. A vazão volumétrica é a justada através do cálculo de vazão para um Venturi, calibrando-se então a vazão para cada determinada rotação.

18 Densidade do ar [kg/m³] 10 Por fim, para o cálculo de vazão mássica tem-se a função da densidade do ar para cada temperatura, que é dado pela Figura 7. 1,22 1,2 1,18 1,16 1,14 1,12 y = -3,7000E-03x + 1,2770E+00 R² = 9,9942E-01 1,1 1, Temperatura [ C] Figura 7 Gráfico da densidade do ar pela temperatura. Assim, multiplicando-se a densidade do ar pela vazão volumétrica, com unidades no SI, tem-se a vazão mássica de ar do sistema. Por fim, executaram-se as medidas de vazão mássica de ar no laboratório, onde os resultados do experimento são dispostos na Tabela 6. Logo, a diferença entre o equipamento de referência e o equipamento calibrado ficou em 0,001kg/s para a medição sem aquecimento e em 0,004kg/s com aquecimento, resultando em resultados bastante próximos entre ambos os equipamentos e demonstrando o sucesso do experimento. A perda de carga resultante é de 2 Pa, dando muito baixa, também pelo fato da ventoinha ser pequena e deslocada para parte de baixo do duto, posição que ajuda a diminuir a perda de carga.

19 11 Tabela 6 Dados da medição final de vazão mássica de ar. Medições freq. [Hz] 48 Data 16/06/2015 Cd 0,98 Dt [m] 0,067 D [m] 0,1 At [m²] 0, β 0,67 Δp [mmh2o] 46 ρh2o [kg/m³] 1000 g [m/s²] 9,81 Δp [Pa] 451,26 RPT100-4 [Ω] 110,16 Tamb [ C] 25, Tamb [K] 298, patm [Pa] Rar [J/(kg K)] 287,053 ρar [kg/m³] 1,190 V [m³/s] 0,106 m [kg/s] Vazão mássica 0,127 RPT100-3 [Ω] 114 Tamb [ C] 35,3202 Arduino s/ aquec. 0,1258 Arduino c/ aquec. 0,12300 p arduino [mmh2o] 2, Diferença s/ aquec 0,001 Diferença c/ aquec 0, CONCLUSÕES Conclui-se que a calibração do equipamento de medição de vazão volumétrica de ar obteve o sucesso esperado. A utilização de arduino para a medida de vazão mássica mostrou-se um método alternativo de baixo custo e de boa eficácia em comparação aos métodos tradicionais. Através da calibração por sensores de referência foi possível obter resultados com baixa incerteza tanto no sensor de temperatura quanto no instrumento medidor de vazão de ar utilizado. O deslocamento da ventoinha para junto da parede do duto resultou em baixa perda de carga, visto que esta não ficou localizada no lugar de maior escoamento. Outro fator que colaborou para a baixa perda de carga foi o tamanho selecionado para a ventoinha, sendo este menor que o diâmetro do duto.

20 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Scheneider, P. S., 2007, Apostila de Incertezas de Medição e Ajuste de Dados, UFRGS, Porto Alegre. Wikipedia, Arduino. Disponível em: pt.m.wikipedia.org/wiki/arduino. Acessado em 11/04/2015. Apostila da Unesp, Medidas de velocidade e vazão, Departamento de Energia, Laboratório de mecânica dos fluidos. Filho R. F. L., F, M. F., Projeto de um coletor solar térmico para aquecimento de ar, Trabalho Final de Medições Térmicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Justen A. L., Hoerlle C. A., Wrubleski E. G. M., Medidor tipo turbina de vazão mássica do ar, Trabalho Final de Medições Térmicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, White, F.M., 2002, Mecânica dos Fluidos, 4ª edição, McGraw-Hill Interamericana do Brasil, Ltda., Rio de Janeiro. Fox, R.W. e McDonald, A.T., 1995, Introdução à Mecânica de Fluidos, Editora Guanabara Koogan S.A., Rio de Janeiro.

21 13 APÊNDICE A PROGRAMAÇÃO PARA COLETA DE DADOS DE VAZÃO MÁSSICA DE AR UTILIZANDO O ARDUINO //Inclui as bibliotecas necessárias para leitura da temperatura #include <OneWire.h> #include <DallasTemperature.h> // Linha de dados vai para o pino digital 3 #define ONE_WIRE_BUS 3 //Define a precisão da temperatura em 12 bits, ou seja, ºC #define TEMPERATURE_PRECISION 12 //Sensor de efeito hall do ventilador int hallsensor = 2; int NbTopsFan; int Calc; float Vponto; float VpontoSI; float Rho_ar; float T; float Mponto; // Prepara uma instância de onewire para se comunicar com dispositivos OneWire (não apenas CIs // de temperatura Maxim/Dallas) OneWire onewire(one_wire_bus); // Passa nossa referência a onewire para DallasTemperature. DallasTemperature sensors(&onewire); // arrays para armazenar os endereços dos dispositivos DeviceAddress insidethermometer; //Função que conta o número de vezes que o sensor hall é acionado void rpm () { NbTopsFan++; } void setup() { // inicia a porta serial Serial.begin(9600); // Inicia a biblioteca sensors.begin(); // Define a resolução sensors.setresolution(insidethermometer, TEMPERATURE_PRECISION); // localiza os dispositivos no barramento Serial.print("Locating devices..."); Serial.print("Found "); Serial.print(sensors.getDeviceCount(), DEC);

22 14 Serial.println(" devices."); if (!sensors.getaddress(insidethermometer, 0)) Serial.println("Unable to find address for Device 0"); pinmode(hallsensor, INPUT); attachinterrupt(0, rpm, RISING); } // função para imprimir a temperatura de um dispositivo void printtemperature(deviceaddress deviceaddress) { float tempc = sensors.gettempc(deviceaddress); float tempcorrigida = *tempC ; //CORREÇÃO DA TEMPERATURA T=tempCorrigida; Serial.print("\nT "); Serial.print(tempC,4); Serial.print (" C\r\n"); Serial.print("Tc "); Serial.print(tempCorrigida,4); Serial.print (" C\r"); } // função principal para imprimir informações sobre um dispositivo void printdata(deviceaddress deviceaddress) { printtemperature(deviceaddress); Serial.println(); } void loop() { // chama sensors.requesttemperatures() para emitir uma solicitação de temperatura // global a todos os dispositivos no barramento sensors.requesttemperatures(); // imprime as informações do dispositivo printdata(insidethermometer); NbTopsFan = 0; //Enables interrupts sei(); delay(1000); //Calcula a rotação e imprime na tela Calc = NbTopsFan ; Serial.print (Calc, DEC); Serial.print (" rpm\r\n");

23 15 Vponto= *Calc*Calc *Calc ; Serial.print (Vponto, DEC); Serial.print (" m^3/h\r\n"); VpontoSI=Vponto/3600; Serial.print (VpontoSI, DEC); Serial.print (" m^3/s\r\n"); Rho_ar=-T* ; Mponto=VpontoSI*Rho_ar; Serial.print (Mponto, DEC); Serial.print (" kg/s\r\n"); cli(); }