PROJETO DE CALIBRADOR AUTOMATICO DE SENSORES DE VAZÃO TIPO TURBINA COM TRANSMISSÃO DE DADOS VIA BLUETOOTH 1 INTRODUÇÃO

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1 PROJETO DE CALIBRADOR AUTOMATICO DE SENSORES DE VAZÃO TIPO TURBINA COM TRANSMISSÃO DE DADOS VIA BLUETOOTH Tiago A. Vicentin 1, Odivaldo J. Seraphim 2, Arilson J. Oliveira Júnior 3, Érico Tadao Teramoto 4, Eduardo Biral Nogueira 5 1 Doutorando em Irrigação e Drenagem, Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP, Botucatu-SP, tvicentin08@gmail.com 2 Profº Drº, Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP, Botucatu-SP 3 Mestrando em Energia na Agricultura, Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP, Botucatu-SP. 4 Academico, Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP, Botucatu-SP. 5 Tecnico Agropecuario, Engenharia Rural, Faculdade de Ciências Agronômicas UNESP, Botucatu-SP. 1 INTRODUÇÃO A vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais, atrás apenas da pressão e da temperatura. Apesar dos elementos sensores medidores de vazão terem sua tecnologia bem difundia e serem aplicados em larga escala na indústria e na agricultura, estes medidores estão sujeitos a distorções em seus parâmetros de leitura no decorrer de sua vida útil, o que torna necessário e indispensável o efetivo procedimento de calibração; esse procedimento não só condiciona o sensor a realizar o seu trabalho com garantia, mas garante também a qualidade do processo que este sensor esta inserido. A calibração nada mais é do que o teste ou avaliação de um instrumento de medição em um laboratório, com referência de outro instrumento de medição da mesma variável de processo que seja o padrão rastreado. A calibração serve para avaliar qual o tamanho do desvio de leitura que esse instrumento esta carregando quando é submetido a um trabalho, esse desvio é conhecido como erro; uma vez conhecido o tamanho do erro e sua incerteza, são aplicadas as devidas correções para que então esse erro possa ser corrigido e minimizado dentro de uma faixa de padrões toleráveis. No caso de medidores de vazão, 100% deles irão perder ao longo do tempo sua precisão de medição mencionada no manual do fabricante, por isso devem ser calibrados periodicamente para não comprometer a qualidade do processo ao qual estão instalados (MECATRÔNICA ATUAL, 2006). Pequenos erros de medição em processos industriais de um modo geral provocam prejuízos significativos. Em sistemas de irrigação de precisão não é diferente; a leitura da vazão nas linhas de irrigação é de extrema importância essa informação garante à aplicação adequada de água às plantas, porém o procedimento de calibração é muito custoso e exige procedimentos laboratoriais. Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo apresentar o projeto de um equipamento que possa efetuar a calibração de sensores de vazão tipo turbina utilizados em sistemas de irrigação por meio do método de comparação volumétrica e tecnologia de transmissão de dados via Bluetooth.

2 2 MATERIAL E MÉTODOS A vazão é uma grandeza normalmente medida indiretamente, ou seja, outra grandeza associada à vazão é a grandeza realmente medida e a vazão é calculada em função do valor obtido. O equipamento é dotado de um algoritmo de controle que integra o valor medido e o compara com um volume padrão, permitindo assim encontrar o erro e os desvios do sensor. Para isso, serão utilizados os componentes descritos na Tabela 1. Tabela 1. Descrição dos materiais utilizados. Material Quantidade Tubo de acrílico de volume pratico 10 L 01 Controlador de nível eletrônico (para líquidos) 01 (DIGIMEC AUTOMATIZAÇÃO INDUSTRIAL LTDA., 2015) Eletrodos sensores 05 Controlador Arduino Uno baseado no ATmega328P 01 (ARDUINO PRODUCTS, 2015) Módulo Bluetooth BC 417HC Contador de volume tipo turbina 01 Conexões e cabos O necessário Medidor de vazão (pulso elétrico, tipo turbina) 01 (componente a ser calibrado) Registro de esfera 01 Reservatório superior 01 Tubos e conexões O necessário Microcomputador para efetuar a programação 01 A maneira mais simples para calcular a vazão é a medição direta do tempo que o fluido leva para encher um recipiente de volume conhecido. O fluxo é descarregado para um recipiente adequado e o tempo de enchimento é medido por um cronômetro. Para fluxos de até 4 L s 1, é adequado recipiente de 10 litros. Para escoamentos maiores de até 50 L s 1 é adequado um recipiente de 200 litros (FAO, 1997). A precisão de leitura está associada ao tempo de preenchimento do recipiente de volume conhecido; a repetição do procedimento favorece a precisão nos resultados. O controle do tempo e do monitoramento do sensor de vazão a ser calibrado será executado pelo dispositivo

3 controlador Arduino (ARDUINO, 2015) que é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, projetada com um microcontrolador Atmel AVR com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++. O cálculo do volume do recipiente de calibração foi feito conforme (1). Para que o projeto tenha compatibilidade com produtos comerciais um cilindro de acrílico de diâmetro externo 200 mm parede de 3,0 mm e 800 mm de altura, com tampo inferior em acrílico de 3,0 mm foi selecionado. V = π. r². h (1) Sendo: r: Raio da base h: Altura do cilindro. Os sensores de nível deverão ser posicionados na lateral do cilindro mantendo o nível da água em 10 litros. O gráfico da (Figura 2), apresenta o volume de 10 litros lidos entre os sensores de nível superior e inferior e a contagem de pulsos do sensor de vazão a ser calibrado em um tempo (t). Com esses dados será possível obter a vazão real do sistema pela equação (2) e o novo Fator de Calibração (FC) pela quantidade de pulsos que o sensor enviou por litros no mesmo período de tempo. Essa relação é melhor definida nas equações (3) e (3.1); Figura 2. Gráfico de registro de pulsos por volume com base no tempo

4 Q = V t (2) Em que, Q é a Vazão ( L s 1 ), V é o Volume em Litros e t é o Tempo em segundos Fc = P V V = P Fc (3) (3.1) Sendo, FC o fator de calibração, P é a quantidade de pulsos emitidos pelo sensor e V é o volume do recipiente de calibração. A equação (4) é utilizada para se obter a vazão Q em função do fator de calibração FC e é deduzida a partir das equações (2) e (3.1); Q = P/Fc t Sendo, Q é a vazão em L por segundo; P é a quantidade de pulsos emitidos pelo sensor; FC é o fator de calibração do sensor e t é o tempo em segundos. (4) Ao término do enchimento do reservatório volumétrico, o controlador armazena o dado de tempo de enchimento do reservatório e a quantidade de pulsos que foram emitidos pelo medidor de vazão em sua memória interna, em seguida exibe os valores na tela do computador via comunicação serial e também os envia por comunicação Bluetooth juntamente com o novo Fator de Calibração (FC) para o aplicativo instalado em um dispositivo móvel (Smartphone ou Tablet), que será desenvolvido no ambiente de desenvolvimento integrado Android Studio (ANDROID, 2015).. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 1 apresenta um desenho do cilindro volumétrico e a posição dos pinos sensores, tal como o tanque superior, as válvulas de controle e o sensor de vazão.

5 Figura 1. Equipamento de calibração de sensor de vazão tipo turbina O diagrama de classes (Figura 3), baseado nos conceitos de modelagem de software (BOOCK et al., 2005), ilustra a estrutura do aplicativo para dispositivos móveis. Figura 3. Diagrama de classes do aplicativo receptor dos dados de vazão 4 CONCLUSÕES O dispositivo de calibração volumétrica automático possibilitará a obtenção do cálculo do novo Fator de Correção (FC) para sensores de vazão tipo turbina, permitindo assim, a redução dos desperdícios inerentes a seus desvios de leitura e a criação de um modelo de armazenamento e transmissão de dados referentes ao processo de calibração.

6 5 REFERÊNCIAS ANDROID. Android Studio. Disponível em: < Acesso em: 27 jul ARDUINO. What is Arduino. Disponível em: < Acesso em: 27 mar ARDUINO PRODUCTS. Arduino/Genuino UNO. Disponível em: < Acesso em: 25 ago BOOCK, G.; RUMBAUGH, J.; JACOBSON, I. UML - Guia Do Usuário. 2. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, p. DIGIMEC AUTOMATIZAÇÃO INDUSTRIAL LTDA. (São Paulo). MANUAL DE INSTRUÇÕES: Relés de Nível tipos JPX-2, DPX-2, MPX-2 e DPX Disponível em: < MANUAIS/JPX_2_2012.pdf>. Acesso em: 09 out FAO - Organización de Las Naciones Unidas Para La Agricultura y La Alimentación (Ed.)., HUDSON. N.w. Medición sobre el Terreno de la Erosión del Suelo y de la Escorrentía.:Boletín de Suelos de la FAO Bedford Reino Unido: Silsoe Associates Ampthill, Disponível em: < Acesso em: 25 ago MECATRÔNICA ATUAL (Ed.). Automação industrial de processos e manufatura: Calibração de medidores de vazão Disponível em: < tmpl=component&print=1&layout=default&page;=>. Acesso em: 08 ago AGRADECIMENTOS À CAPES pelo apoio financeiro e à Faculdade de Ciências Agronômicas da UNESP, Botucatu-SP, pela área de pesquisa disponibilizada.