INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA Campus Joinville Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial PROJETO TÚNEL DE VENTO Acadêmicos: Fábio Smokevicz Ivan Ramalho Ricardo de Araújo Orientador: Rodrigo Coral Joinville Dezembro de 2015
PROJETO TÚNEL DE VENTO Fábio Smokevicz Ivan Ramalho Ricardo de Araújo Trabalho apresentado como requisito parcial para aprovação na disciplina de Metrologia e Instrumentação do curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, IFSC Campus Joinville. 2
Sumário RESUMO... 4 INTRODUÇÃO... 5 1.DESENVOLVIMENTO... 6 1.1. PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NO PROJETO... 6 1.2 PROJETO... 8 1.3 MONTAGEM, FUNCIONAMENTO E MEDIÇÕES... 12 1.4 DIFICULDADES ENCONTRADAS... 15 1.5 SUGESTÕES DE MELHORIAS... 16 3
RESUMO A temperatura é uma grandeza utilizada em várias aplicações industriais, desde orientativa, até medições de outras grandezas. Em muitos sistemas a temperatura não pode ser apenas medida, mas sim controlada. Este projeto se propõe a desenvolver um sistema de controle de temperatura baseado em um sinal PWM que controlará a velocidade de coolers que estarão alimentando um túnel de vento. Este túnel de vento terá duas células de Peltier que servirão para esfriar e uma para aquecer, o controle da velocidade dos coolers permitirá um controle eficiente da temperatura na saída do túnel de vento. 4
INTRODUÇÃO Objetiva-se com este projeto simular o funcionamento de um túnel de vento, onde será medida a temperatura na saída com um termistor, com base na leitura deste termistor e com o valor da temperatura desejado para o sistema será realizado o controle de velocidade de coolers. Além de toda estrutura física que estará detalhada no desenvolvimento deste relatório, as temperaturas do sistema serão medidas e controladas através de um software labview junto com a placa de aquisição de dados NI USB-6009. 5
1.DESENVOLVIMENTO 1.1. PRINCIPAIS COMPONENTES UTILIZADOS NO PROJETO Célula de Peltier: também conhecidas como pastilhas termoelétricas, são pequenas unidades de que utilizam tecnologia de matéria condensada para operarem como bombas de calor. Sua operação é baseada no Efeito Peltier, que foi descoberto em 1834. Quando uma corrente é aplicada, o calor move de um lado ao outro, onde ele deve ser removido com um dissipador. Se os polos elétricos forem revertidos, a pastilha se tornará em um excelente aquecedor. Pastilhas termoelétricas são utilizadas em aplicações pequenas de resfriamento como chips microprocessadores ou até médias como geladeiras portáteis. Atualmente, os módulos mais potentes podem transferir um máximo de 250W, tornando a tecnologia inviável para o uso em um aparelho de ar condicionado, por exemplo. As pastilhas podem ser empilhadas para se chegar temperaturas mais baixas, embora alcançar níveis criogênicos requer processos muito complexos. A grande vantagem de pastilhas do tipo Peltier são a ausência de barulho e vibração, além do tamanho reduzido, alta durabilidade e precisão. Elas são utilizadas hoje em inúmeros setores, principalmente os de bens de consumo, automotivo, industrial e militar. Uma pastilha termoelétrica é composta de junções de metais diferentes. Uma delas é dopada para atuar como um material do tipo P, um material com facilidade de receber elétrons. A outra junção atua como um material tipo N, um material com facilidade de doação de elétrons Ao se aplicar uma corrente elétrica contínua no terminal de material tipo N, elétrons migram do material tipo P para o material tipo N. Em função disso, essas junções irão permitir o fluxo de calor. 6
Termistor: Um termistor é um tipo de resistor cujo valor varia com a temperatura. O termo vem da junção das palavras temperatura e resistor. Termistores são largamente usados para medir temperatura, limitar corrente de partida em circuito e componentes elétricos, proteção de sobre corrente, e podem ser usados em circuitos de controle de temperatura. O material usado na construção do termistor é geralmente uma liga contendo cerâmica e outros polímeros. A temperatura de trabalho de um termistor é baixa ficando entre as escalas de -90ºC e 130ºC. Circuito do Termistor Termistor Coolers: Utilizado cooler com alimentação de 12volts para ventilação do túnel de vento e também para auxiliar na dissipação térmicas da célula de Peltier. Amplificadores Operacionais: Um amplificador operacional, ou um amp-op, é um amplificador diferencial que possui alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e um ganho muito alto. A figura 1 mostra o símbolo esquemático para um amp-op. Ele possui uma entrada inversora, outra não inversora, duas entradas para alimentação +VCC e VEE e uma saída (OUT) com terminação simples. 7
O sinal de saída dos sensores é comparado pelos amplificadores operacionais. Como amplificador tem alimentação assimétrica devido a alimentação do circuito ser feita por baterias, o sinal de saída dos amplificadores operacionais só pode assumir valores de 0 a +Vcc. LM 555: A tensão presente no ponto entre o receptor e o resistor pode servir de referência para um outro circuito, como um Amplificador Operacional montado na configuração de comparador ou um oscilador LM 555. Podemos criar um circuito de iluminação automática, utilizando um transdutor e um Amplificador Operacional comparador. Um amp-op ligado dessa forma compara a tensão das duas entradas, positiva e negativa. Quando a tensão da entrada positiva for superior à da entrada negativa, encontraremos na saída do amp-op a tensão de alimentação do circuito. Se a tensão da entrada negativa for superior à da entrada positiva, acontecerá o contrário, ou seja, na saída do amp-op encontraremos uma tensão de 0 V. É interessante notar que qualquer amp-op pode ser utilizado com essa finalidade. fig.1 1.2 PROJETO A parte estrutural do projeto foi feito com tubo PVC e uma junção em Y, a partir desta estrutura fixamos as células de Peltier, duas para fazer o resfriamento e uma para fazer o aquecimento, todas fixadas em dissipadores de calor para maior eficiência, também foi colocado nas células responsáveis pelo resfriamento coolers para ajudar na dissipação do calor. Utilizamos termistores para medição da temperatura na saída da junção em Y e na célula de Peltier responsável pelo aquecimento. Utilizamos o software labview juntamente com o NI USB-6009 para realizar o controle da temperatura na saída da junção em Y, ele analisa as medições dos termistores e conforme a temperatura desejada que deve ser informada pelo usuário ele manda um sinal analógico nas saídas AO0 e AO1, conforme programação em labview abaixo: 8
Para realizar a medição colocamos um resistor com um valor conhecido em série com o termistor, para lermos o sinal de tensão fornecida pelo termistor utilizamos a fórmula abaixo juntamente com algumas operações matemáticas para transformar esse sinal de tensão em um sinal de leitura de temperatura. RT= ((V-VR1) x R1) / VR1 Onde: V é a tensão de alimentação do circuito do termistor; VR1 é a tensão sobre o resistor com valor conhecido; R1 é o valor do resistor; Segue abaixo ligação do circuito do termistor: 9
Comparamos os sinais de saída AO0 e AO1 do NI USB-6009 em um LM 324 com um sinal dente de serra de 5Volts, conforme o sinal de saída analógico do NI USB-6009 varia, a frequência do sinal de saída do comparador também muda, fazendo assim um controle PWM. Conforme abaixo: (Dente de serra amplificado) (Sinal analógico do NI USB-6009) (Sinal analógico na saída do comparador) Para conseguir o sinal dente de serra montamos uma placa com LM 555, LM 324, transistores, diodos, capacitores e resistores. Conforme a imagem abaixo na saída do LM 324 temos um sinal dente de serra amplificado. 10
O sinal de saída do comparador irá chavear um transistor controlando assim a alimentação dos coolers conforme circuito abaixo: Utilizamos um PID (Proporcional, Integral e Derivativo) para fazer a lógica de controle dos coolers, o PID analisa a temperatura desejada e a temperatura medida, quanto maior for a diferença entre elas maior o valor de saída AO0 e AO1, aumentando assim a frequência de chaveamento do transistor que controla os coolers. Conforme a temperatura desejada se aproxima da temperatura medida o valor da saída AO0 e AO1 diminui, até que a temperatura desejada seja igual a temperatura medida, assim o programa irá manter a temperatura. Segue abaixo gráfico com curva de mudança da temperatura medida: 11
1.3 MONTAGEM, FUNCIONAMENTO E MEDIÇÕES (Teste do circuito +12-12 em protoboard) (Estrutura montada, realizando testes) 12
(gráfico com variação da temperatura e medições) (placa do circuito de relé para proteção da célula de Peltier) 13
(Placa do circuito dente de serra e comparador juntamente com o NI USB-6009) (medições do sinal PWM de controle dos coolers) 14
1.4 DIFICULDADES ENCONTRADAS A ideia principal do projeto sempre foi controlar a temperatura de saída, porém existem vários métodos para isso. Inicialmente iriamos controlar a corrente de carga da célula de Peltier através transistor realizando o chaveamento conforme o sinal de um sistema PWM. Para isto montagem o circuito abaixo e realizamos testes. FOTO DO CIRCUITO +12 E -12 Após realizar a montagem em protoboard identificamos dificuldades no chaveamento da tensão +12V e -12V. Como teríamos que mudar o circuito, decidimos alterar a forma de controle, começamos a trabalhar no controle da tensão dos coolers, onde variando esta tensão controlaríamos o vento e assim a temperatura final. Após todas as placas montadas e software feito, no primeiro teste usando a estrutura de PVC montada pela equipe vimos que a temperatura de saída tem uma variação de controle bem menor da desejada. Obtemos uma faixa de variação para controle de aproximadamente ± 2 em relação a temperatura ambiente, o que foi pouca perto da esperada no início do projeto. Percebemos também que a temperatura da célula de Peltier responsável pelo aquecimento estava aumentando sua temperatura rapidamente e atingindo uma temperatura alta podendo danificar outros componentes do projeto. Montamos um circuito de proteção com relé para que quando a temperatura medida pelo termistor da célula de Peltier atingisse uma temperatura de risco o relé desligue a alimentação da célula forçado assim que a temperatura caia, após essa temperatura voltar a uma temperatura segura pré-determinada, a célula de Peltier volta a ligar. 15
1.5 SUGESTÕES DE MELHORIAS Para melhorar o projeto sugerimos realizar um isolamento melhor na estrutura de PVC, também uma potência maior, talvez com a utilização de mais células de Peltier ou utilizando um cooler mais potente. O controle PID feito no projeto pode ser melhor calculado para que o funcionamento seja mais preciso diminuindo assim a curva de variação da temperatura. 16