ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENG03108 MEDIÇÕES TÉRMICAS MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA EM BANCADA DE TESTE USANDO UM SENSOR DHT22, UMA VENTOINHA E UM MICROCONTROLADOR PROGRAMÁVEL ARDUINO UNO por Bruno Kovara Vieira - 193615 Fernando Stein Brito 194879 Primeiro Trabalho da Disciplina de Medições Térmicas Professores Paulo Smith Schneider e Alexandre Vagtinski de Paula pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, abril de 2015
Resumo O presente trabalho trata-se da construção de um medidor de vazão mássica usando um conjunto eletrônico de baixo custo, formado principalmente pelo sensor de temperatura DHT22, uma ventoinha de computador e um microcontrolador programável modelo Arduino Uno. Com o intuito de utilizar o medidor de temperatura em uma bancada de testes já fornecida, foi necessário fabricar um dispositivo para ser acoplado nesta bancada, composto de um tubo de PVC com o sensor de temperatura instalado em seu interior. A parte de hardware foi montada com o auxílio de uma placa protoboard para fixação dos componentes eletrônicos. Com o equipamento todo montado, foi realizada a calibração do DHT22 com base em um sensor PT100, disponível na bancada de testes do LETA. Em seguida o sensor de vazão mássica utilizando a ventoinha foi calibrado com a velocidade do escoamento no duto, e através de ajustes de curva de calibração e equacionamento básico de termodinâmica e mecânica dos fluidos foi possível se obter o valor de vazão mássica de ar da bancada com um desvio inferior a 1% em relação a instrumentos calibrados pelo Inmetro do LETA. Abstract This paper deals with the construction of a mass flow meter using an electronic set of low cost, mainly formed by DHT22 temperature sensor, a computer fan and a programmable microcontroller Arduino Uno model. In order to use the temperature measuring on a test bench provided, it was necessary to fabricate a device to be attached in this bench made of a PVC tube with a temperature sensor and a computer fan installed inside. The piece of hardware was assembled with the help of a prototype board plate for attachment of electronic components. With all the equipment fitted, the DHT22 calibration was performed based on a PT100 sensor available at the test stand. Then the mass flow sensor using the fan is set to measure the flow velocity in the pipeline, and through calibration curve fits and basic equation of thermodynamics and fluid mechanics it was possible to obtain the mass flow rate value of air bench with a lower deviation of 1% in comparison with instruments calibrated by Inmetro and used by LETA. 2
Sumário Lista de Figuras... 4 Lista de Tabelas... 4 Abreviatura e Siglas... 5 Símbolos... 5 1. Introdução... 6 2. Revisão Bibliográfica... 6 3. Fundamentação... 6 4. Técnicas Experimentais... 7 4.1 Medidor de Temperatura... 7 4.2 Medidor de Vazão Mássica... 9 4.3 Bancada Experimental... 11 5. Validação do Experimento... 11 5.1. Validação da Medição de Temperatura... 11 5.2 Validação da Medição de Vazão Mássica... 13 6. Resultados... 15 7. Conclusões... 16 Referências Bibliográficas... 16 3
Lista de Figuras Figura 1. Montagem do protótipo. a. Comunicação Arduino Computador. b. Fixação do Arduino e protoboard. c. Destaque para o sensor no interior do tubo. d. Visão superior do protótipo.... 8 Figura 2. Ventoinha de 80 mm utilizada na confecção do medidor de vazão mássica.... 9 Figura 3. Leitura realizado com auxílio de osciloscópio da onda gerada pela ventoinha quando rotacionada.... 10 Figura 4. Montagem do circuito retificador de onda, utilizando quatro diodos e um capacitor... 10 Figura 5. Esquemático do circuito retificador de onda completa utilizado no trabalho.... 11 Figura 6. Esquema de montagem da bancada experimental.... 11 Figura 7. Curva de calibração do DHT22 com relação ao PT100.... 13 Figura 8. Ventoinha acoplada ao interior do duto.... 14 Figura 9. Curva de calibração da ventoinha para velocidade média do escoamento.... 15 Figura 10. Tabela de variáveis e medições dos sensores utilizados no experimento.... 16 Lista de Tabelas Tabela 1. Itens utilizados para fabricação do medidor de temperatura... 7 Tabela 2. Medições dos sensores DHT22 e PT100.... 12 Tabela 3. Comparação de medição entre PT100 e DHT22.... 13 Tabela 4. Calibração da ventoinha através da comparação entre diferença de potencial e coluna d'água.... 14 4
Abreviatura e Siglas LCD - Liquid Crystal Display LED - Light Emitting Diode PVC - Polyvinyl chloride GRD Ground USB Universal Serial Bus LETA Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos Símbolos U Incerteza Expandida ( C) U fornecedor Incerteza Expandida indicada pelo fornecedor do sensor DHT22 ( C) u h Incerteza Herdado do sensor DHT22 ( C) k Fator de Abrangência k fornecedor Fator de Abrangência indicado pelo fornecedor do sensor DHT22 VC Valor Corrigido de Temperatura DHT22 ( C) VL Valor Lido de Temperatura DHT22 ( C) V Vazão volumétrica ( m3 s ) C d - Coeficiente de descarga A t Área da garganta do Venturi (m 2 ) D t Diâmetro na garganta do Venturi (m) D Diâmetro maior do Venturi (m) P Diferença de pressão medida no Venturi (Pa) ρ ar Massa específica do ar (kg/m³) m Vazão mássica (kg/s) P Pressão absoluta (Pa) R ar Constante universal dos gases ideais para o ar (J/(kgK)) 5
1. Introdução A medição de vazão mássica e de temperatura tem muitas aplicações tanto na indústria quanto na sociedade. Este trabalho abrange a medição de vazão mássica, assim como seus erros associados, em um escoamento de ar interno à um duto. Como principais objetivos, o trabalho visa dar continuidade ao estudo feito anteriormente na disciplina, com a implementação de um medidor de velocidade no duto em que tinha um medidor de temperatura. Após essa implementação, outro objetivo foi fazer a calibração deste novo sensor de vazão mássica utilizado, através da comparação com o ventilador de velocidade variável disponível na bancada de testes do LETA. Este projeto teve como guia para execução um edital, fornecido para os alunos da disciplina de Medições Térmicas do primeiro semestre de 2015, em que constavam os parâmetros que seriam avaliados, assim como as regras e restrições do trabalho. 2. Revisão Bibliográfica De acordo com Sadler et al., 2014, a utilização do Arduino modelo UNO se justifica em função do seu baixo preço, facilidade de manuseio e disponibilidade de material e bibliotecas de componentes, mesmo consumindo mais energia e tendo menos memória que outros modelos. Adams et al., 2012, ainda sugere a utilização do sensor DHT22 para medição de temperatura, devido a inúmeras bibliotecas compatíveis com Arduino e encontradas facilmente na internet. 3. Fundamentação Valor Corrigido = Valor Lido + 3,4262 1,0558 (1) Onde VC é o Valor Corrigido, VL Valor Lido pelo DHT22 U = k ( VC 2 VL u h), onde u h = U fornecedor k fornecedor (2) Onde uh é a Incerteza herdada do sensor DHT22, U Incerteza expandida e k é o fator de abrangência. V = C d A t 1 1 ( D t D ) 4 2 P ρ ar (3) Onde V é 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, 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 e ρ ar é a massa específica do ar, em kg/m³. m = V ρ ar (4) Onde m é vazão mássica, em kg/s. 6
ρ ar = P R ar T (5) Onde P é a pressão absoluta, em Pa, R ar é constante universal dos gases ideais para o ar, 287,058 J/(kgK) e T é a temperatura, em Kelvin. P = ρgh (6) Onde P é pressão em Pascal, proveniente da multiplicação da massa específica da água, aceleração gravitacional e metros de coluna d água. 4. Técnicas Experimentais 4.1 Medidor de Temperatura Para a medição de temperatura foi usado um sensor de temperatura conhecido como DHT22, que mede temperatura e umidade relativa. A aquisição e tratamento dos dados, ficou por conta do microcontrolador Arduino, modelo Uno. Com fins de facilitar a montagem, foi usado também uma placa protoboard para fixar o sensor de temperatura, o Arduino e outros acessórios usados, como um visor de LCD, um LED, dois resistores e um potenciômetro. Todos estes itens foram fixados em uma tira de madeira de aproximadamente 5 cm x 10 cm e o conjunto foi colado na superfície externa de um tubo de PVC de 100 mm de diâmetro, padrão para o presente trabalho. A fim de introduzir o sensor dentro do tubo, foi feito um furo de aproximadamente 6 mm para passar o cabeamento do sensor para a protoboard. Por fim, o sensor foi colado na superfície interna do duto de PVC, na parte intermediária entre a entrada e a saída do mesmo. A Tabela 1 mostra os itens que foram usados para a montagem do medidor de temperatura. Item Quantidade Arduino Uno 1 DHT22 1 Protoboard 1 Visor LCD 1 Lâmpada LED 1 Resistor 390 Ω 1 Resistor 10 kω 1 Potenciômetro 100 kω 1 Madeira 1 Tubo de PVC 100 mm x 400 mm 1 Cabeamento 1,5 m Tabela 1. Itens utilizados para fabricação do medidor de temperatura 7
Figura 1. Montagem do protótipo. a. Comunicação Arduino Computador. b. Fixação do Arduino e protoboard. c. Destaque para o sensor no interior do tubo. d. Visão superior do protótipo. Como pode ser observado na Figura 1, a placa protoboard foi utilizada para facilitar a comunicação de sinais entre o Arduino e os componentes utilizados. Em primeiro lugar foi feita a alimentação da protoboard a partir das portas 5V e GND. Logo após foi feita a comunicação do sensor de temperatura com o Arduino, em que foi usada a porta digital nº 8 para aquisição do sinal do sensor, além de ele também ter sido ligado em paralelo nas portas 5V e GND. Por último foi instalado um resistor de 10 kω entre o pino de alimentação do sensor e seu pino de sinal. A ligação do visor LCD iniciou-se com a ligação das portas 5V e GND a partir da protoboard para a respectiva porta do visor. O segundo passo foi ligar a porta de ajuste de contraste do visor com o potenciômetro, para que a luminosidade do visor possa ser alterada. Os outros dois terminais do potenciômetro foram um conectado em 5V e outro em GND. Além disso, outras 6 portas do visor foram conectadas nas portas digitais do Arduino, e uma porta do visor foi conectada no GND, como era instruído no data sheet. Para fins de sinalização, foi realizada a ligação de um LED, que é conectado em GND e em série no resistor de 390 Ω. O seu outro terminal é conectado diretamente em uma porta digital do Arduino. A comunicação com o computador é feita através de um cabo da porta USB do computador e a porta USB do Arduino. Isto permite a transferência do código escrito e a exibição dos valores lidos de temperatura. 8
4.2 Medidor de Vazão Mássica Para medir vazão mássica foi utilizado uma ventoinha de computador de 80 mm de diâmetro para adquirir a velocidade do escoamento de acordo com o seu giro. Quanto maior fosse a velocidade média do escoamento, maior seria a rotação da hélice com componente, gerando assim uma maior diferença de potencial. Desse modo, pode-se obter a velocidade do escoamento, que multiplicado pela área transversal da tubulação por onde passa o escoamento e pela massa específica do ar nas condições de temperatura e pressão do instante medido pode-se obter vazão mássica de uma forma indireta. Fica assim evidente a importância de uma adequada calibração prévia do medidor de temperatura para garantir a qualidade da medição de vazão mássica utilizando a ventoinha. Figura 2. Ventoinha de 80 mm utilizada na confecção do medidor de vazão mássica. Ainda, foi utilizado um retificar de onda completa a fim de anular os picos da onda gerada pela ventoinha, Figura 3, estabilizando o sinal de entrada no Arduino e assim obtendo-se uma medição mais precisa do valor instantâneo de velocidade do escoamento. Tal construção é mostrada na Figura 4 e foi montado conforme o esquemático da Figura 5. 9
Figura 3. Leitura realizado com auxílio de osciloscópio da onda gerada pela ventoinha quando rotacionada. Figura 4. Montagem do circuito retificador de onda, utilizando quatro diodos e um capacitor. 10
Figura 5. Esquemático do circuito retificador de onda completa utilizado no trabalho. 4.3 Bancada Experimental Uma bancada de ensaios foi disponibilizada pelo LETA (Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos) para que os alunos da disciplina de Medições Térmicas fizessem seus experimentos sob condições iguais. A Figura 6 representa a montagem da bancada, sendo que 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 de temperatura do ar em (5). As duas luvas que conectam o duto de PVC dos alunos estão representadas pelos dois retângulos azuis. O escoamento é finalmente descarregado para o exterior após passar por outro trecho reto (8). Toda a tubulação da bancada é de tubo de PVC de 100 mm de diâmetro, incluindo as luvas de conexão. Figura 6. Esquema de montagem da bancada experimental. A rotação do ventilador pode ser variada, fazendo com que o ar atinja velocidades entre 5 e 25 m/s. O aquecedor é capaz de variar a temperatura do ar, podendo atingir até 50 C, partindo da temperatura ambiente. Com isso, o medidor de temperatura irá fazer aferições dentro dessas condições de velocidade e temperatura do ar. 5. Validação do Experimento 5.1. Validação da Medição de Temperatura Afim de validar as medições adquiridas pelo sensor DHT22, foi feita uma calibração do mesmo através de um sensor PT100 do Laboratório de Ensaios Térmicos e Aerodinâmicos 11
(LETA), previamente calibrado pelo Inmetro. Para tal, foram escolhidas 9 temperaturas a serem lidas pelo PT100, sendo coletadas três medições para cada temperatura, e comparadas com as medições mensuradas pelo sensor DHT22 no mesmo instante. Desse modo, a tabela a seguir foi elaborada. Medida Resistência (ohm) Média Resistência (ohm) Temp. PT100 (oc) Temp. DHT22 (oc) Média DHT22 1 113,22 113,09 32,28 31,30 30,83 113,07 30,70 112,98 30,50 2 113,83 113,75 33,96 32,90 32,43 113,78 32,30 113,64 32,10 3 114,27 114,26 35,27 33,40 33,90 114,14 33,50 114,37 34,80 4 115,18 115,22 37,72 36,00 36,23 115,18 35,90 115,30 36,80 5 115,80 115,93 39,54 37,60 38,20 116,00 38,90 116,00 38,10 6 116,68 116,63 41,32 40,50 40,10 116,63 39,70 116,58 40,10 7 117,34 117,45 43,42 42,00 42,47 117,42 42,70 117,60 42,70 8 118,38 118,36 45,74 45,00 44,70 118,43 44,30 118,28 44,80 9 118,86 118,71 46,63 45,60 45,53 118,68 45,30 118,59 45,70 Tabela 2. Medições dos sensores DHT22 e PT100. 12
Temperatura DHT22 (oc) Com esses dados, podemos comparar os valores mensurados por ambos os sensores, e calcular o desvio da medição do DHT22 em relação ao PT100, em cada caso. Média Temp. PT100 (oc) Média Temp.DHT22 Desvio (oc) 32,28 30,83 1,44 33,96 32,43 1,53 35,27 33,90 1,37 37,72 36,23 1,48 39,54 38,20 1,34 41,32 40,10 1,22 43,42 42,47 0,95 45,74 44,70 1,04 46,63 45,53 1,10 Tabela 3. Comparação de medição entre PT100 e DHT22. Plotando os valores de temperatura do sensor PT100 pelos valores medidos pelo DHT22, obtemos uma curva de calibração para o segundo sensor, da qual uma equação pode ser obtida, cujo valor de y corresponde ao valor lido pelo DHT22 e o de x à temperatura corrigida. Curva de Calibração do DHT22 com Relação ao PT100 50,00 45,00 y = 1,0558x - 3,4262 R² = 0,9985 40,00 35,00 30,00 25,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00 40,00 42,00 44,00 46,00 48,00 50,00 Temperatura PT100 (oc) Figura 7. Curva de calibração do DHT22 com relação ao PT100. Essa equação é implementada no código do Arduino, de modo que o valor lido pelo sensor DHT22 será corrigido antes de aparecer no display, de acordo com a Equação (1). 5.2 Validação da Medição de Vazão Mássica Para medir vazão, foi utilizador uma ventoinha padrão de computador, de 80 mm de diâmetro, a qual foi acoplada no interior do duto, normal ao escoamento conforme Figura 4, de forma que o mesmo causaria o giro da hélice, gerando uma força eletromotriz medida através de uma diferença de potencial. 13
Figura 8. Ventoinha acoplada ao interior do duto. O valor de diferença de potencial era lida pelo Arduino através de uma porta analógica e apresentada como um número real inteiro. Apesar da leitura não corresponder a unidade de medida Volts, era uma escala linear, possibilitando a utilização da mesma para uma calibração. Tais valores foram comparados aos níveis de coluna d água lidos simultaneamente durante a calibração. Hz Analog a0 Coluna dagua (m) dp (Pa) Vvol (m3/s) Vel (m/s) 30 320 0,015 147,150 0,06055 7,714 32 350 0,017 166,770 0,06446 8,212 34 383 0,020 196,200 0,06992 8,907 36 427 0,023 225,630 0,07498 9,552 38 475 0,025 245,250 0,07817 9,958 40 516 0,028 274,680 0,08273 10,539 42 545 0,030 294,300 0,08563 10,909 44 597 0,034 333,540 0,09117 11,613 46 642 0,038 372,780 0,09638 12,278 48 700 0,042 412,020 0,10132 12,908 50 800 0,047 461,070 0,10719 13,654 Tabela 4. Calibração da ventoinha através da comparação entre diferença de potencial e coluna d'água. 14
Velocidade Média do Escoamento (m/s) De acordo com a Equação 6 é possível transformar metros de coluna d água em Pascal, sendo possível assim utilizar essa informação de pressão na Equação 3 de vazão volumétrica de um venturi. Com o diâmetro da garganta do venturi da bancada de 67 mm e o diâmetro da canalização 100 mm, foi possível obter a vazão volumétrica que atravessava a seção de 100 mm da tubulação no momento em que a ventoinha rotacionava. Assim, dividindo a vazão volumétrica pela área da seção transversal do tubo de 100 mm de diâmetro, foi simples relacionar a velocidade de giro da ventoinha com a velocidade do escoamento. 16 14 12 10 8 6 4 2 Curva de Calibração da Ventoinha y = -8E-06x 2 + 0,0211x + 1,8069 R² = 0,9968 0 300 400 500 600 700 800 Entrada analógica Ventoinha-Arduino Figura 9. Curva de calibração da ventoinha para velocidade média do escoamento. Assim, a equação de ajuste exibida na Figura 6 foi utilizada para ajustar o valor lido pelo Arduino para velocidade média do escoamento em m/s e utilizada para calcular a vazão mássica de ar no duto. 6. Resultados Para uma frequência de 40 Hz no ventilador, a velocidade média do escoamento na seção de 100 mm de diâmetro alcançava em torno de 11,80 m/s. Nessas condições, foram feitas medidas de vazão mássica pelos instrumentos certificados pelo Inmetro do laboratório LETA simultaneamente com o sensor de vazão mássica desenvolvido neste trabalho, para uma situação a temperatura ambiente e outra com aquecimento do ar. Uma tabela relacionando as variáveis do experimento bem como as medições de tais sensores segue abaixo. freq. [Hz] 40 Data 16/06/2015 Cd 0,98 Dt [m] 0,067 D [m] 0,1 At [m²] 0,003525652 β 0,67 Δp [mmh2o] 35 ρh2o [kg/m³] 1000 15
7. Conclusões g [m/s²] 9,81 Δp [Pa] 343,35 RPT100-4 [Ω] 109,9 Tamb [ C] 24,66449 Tamb [K] 297,81449 patm [Pa] 102013 Rar [J/(kg K)] 287,053 V [m³/s] 0,093 ρar [kg/m³] 1,193 m [kg/s] (Medição LETA) 0,111 RPT100-3 [Ω] 108,7 Tamb [ C] 21,80891 Medição Sensor Ventoinha s/ aquec. 0,1191 Medição Sensor Ventoinha c/ aquec. 0,1107 Desvio s/ aquec 0,008 Desvio c/ aquec 0,000 p arduino [mmh2o] 15,00 Figura 10. Tabela de variáveis e medições dos sensores utilizados no experimento. Verificando os desvios das medições entre o sensor fabricado com ventoinha e os sensores calibrados do LETA, pode-se afirmar que a qualidade de medição do instrumento manufaturado é excelente. Aliado a qualidade de medição, o baixo custo e a facilidade de fabricação do mesmo tornam o sistema de sensoriamento de vazão mássica via ventoinha e Arduino uma ótima solução para o problema em questão. A utilização do retificador de tensão utilizando diodos foi essencial para uma aquisição de dados estável através do Arduino. Sem o mesmo, o sinal proveniente da ventoinha é demasiadamente oscilante, e devido as altas taxas de aquisição do microcontrolador utilizado, os valores lidos poderiam estar no pico do sinal, ou no vale da onda proveniente da ventoinha no instante da aquisição. Referências Bibliográficas SADLER, JEFFREY M., AMES, DANIEL P., KHATTAR, ROHIT, 2014. Open-Hardware Meets Open Software for Environmental Monitoring, iemss, San Diego. SMITH SCHNEIDER, P., 2007. Incerteza de Medição e Ajuste de Dados, UFRGS, Porto Alegre. SMITH SCHNEIDER, P., PAULA, ALEXANDRE V., 2015. EDITAL DOS TRABALHOS DA DISCIPLINA DE MEDIÇÕES TÉRMICAS, UFRGS, Porto Alegre. INMETRO, 2012. Avaliação de Dados de Medição Guia para Expressão de Incerteza de Medição GUM 2008, INMETRO, Rio de Janeiro. 16
INCROPERA, DEWITT, BERGMAN, LAVINE, 2008. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6 a Ed. Anexo DHT22 Datasheet 17
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Código Arduino para Funcionamento do sensor de vazão mássica 19