1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICO PARA UMA CORRENTE DE AR (MVMA) RELATÓRIO FINAL por Juliano Romagna Mateus de Matos Carlos Trabalho final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider Professor Alexandre Vagtinski de Paula Porto Alegre, Julho de 2015.
2 RESUMO O presente trabalho refere-se à apresentação final da disciplina de medições térmicas dedicado à concepção, construção e avaliação de um medidor de vazão mássico para uma corrente de ar (MVMA), doravante chamado de protótipo. Na primeira etapa empregando-se o hardware livre tipo Arduíno mediu-se a temperatura do ar, através de um sensor do tipo LM35 conectado ao Arduíno, muito utilizado devido seu baixo custo, ser compacto e precisão condizente com as desejadas para esta utilização. A segunda etapa se baseou na utilização de uma ventoinha de computador (cooler) para medir a vazão de ar que passava por este, através de um sensor de rotações por efeito hall existente na referida ventuinha. PALAVRAS-CHAVES: Temperatura, Arduino, PT 100, LM35, cooler, efeito hall
3 ABSTRACT: This paper refers to the first of three phases of the evaluation work of the discipline of thermal measurements, and has aimed dedicated to the design, construction and evaluation of a mass flow meter for air flow (MVMA), hereinafter called prototype. In this first stage employing the free Arduino hardware type you want to measure the air temperature, using a sensor connected to Arduino; in this case was utilized a type LM35 sensor, heavily used due to its low cost, compactness and consistent with the desired precision for this use. The second stage is based on using a computer fan (cooler) for measuring the air flow passing through this by means of an existing revolution sensor per Hall effect in this said fan. KEYWORDS: Temperature, Arduino, PT 100, LM35, cooler, Hall effect.
4 SUMÁRIO INTRODUÇÃO...6 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...6 FUNDAMENTAÇÃOTEÓRICA...7 CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA...7 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA...7 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO...9 TAXA DE ENERGIA ACUMULADA...9 EFEITO HALL...9 SENSOR LM35...11 METODOLOGIA...11 CALIBRAÇÃO...13 RESULTADOS...17 CONCLUSÕES...17 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...18 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS e LISTA DE SÍMBOLOS A: Área [m²] h: Altura [m] m: Massa [kg] m : Vazão mássica [kg/s] P: Pressão [Pa] T: Temperatura [ºC] U: Tensão [V] v: Velocidade [m/s] V: Volume [m³] V : Vazão volumétrica [m³/s] ρ: Massa específica [kg/m³] Cp: calor específico do fluido [J/Kg. o C]
5 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Placa arduino...6 Figura 2 Ventoinha de refrigeração para computadores...7 Figura 3 Sensor termorresistivo PT100...8 Figura 4- Comportamento de alguns sensores termorresistivos...9 Figura 5- Montagem do sensor hall...11 Figura 6 Sensor LM35...11 Figura 7- Montagem simplificada da placa Arduino...12 Figura 8- Posicionamento do sensor em relação ao centro do tubo...12 Figura 9- Montagem do protótipo na bancada.do laboratório...13 Figura 10- Leitura de temperatura pelo sensor LM 35...13 Figura 11- Leitura do multímetro...14 Figura 12- Demonstrativo da linearidade entre os sensores medidos...15 Figura 13- Curva de utilização do medidor de vazão volumétrica...16 Figura 14 Carta psicrométrica...16. LISTA DE TABELAS Tabela 1 Tabela com respectivos valores de α...8 Tabela 2 -Análise comparativa entre sensores PT100 e LM35...14 Tabela 3 Tabela utilizada para a calibração da vazão volumétrica...15 Tabela 4 - Média de medida de temperatura...17
6 1. INTRODUÇÃO Nas ultimas décadas fomos brindados com uma ampla automatização de sistemas, e nesse contexto os computadores foram peças fundamentais para a corrida eletrônica. Sistemas computadorizados eram em sua maioria caros e difíceis de serem concebidos até meados dos anos 2000 quando um projeto italiano concebeu o hardware livre tipo Arduino, que possibilita a livre e simplificada programação da placa através de linguagens ditas populares com a C++ por exemplo. O trabalho da disciplina de medições Térmicas (Energia e Fenômenos Transporte), tem por objetivo geral a concepção e construção de um medidor de vazão mássica para uma corrente de ar (mvma), este trabalho por sua vez é dividido em etapas, sendo que a primeira fase referia-se à obtenção da temperatura do ar no escoamento através do emprego do arduino, e na segunda e ultima valendo-se também do uso do arduino deseja-se medir a vazão mássica. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Ainda na primeira etapa iniciou-se a pesquisa, buscando-se compreender o funcionamento das placas arduino, e devido o caráter tecnológico das mesmas encontrou-se farto material de pesquisa em sites da rede mundial de computadores. Através dos quais pudemos observar inúmeras utilidades para as placas Arduino, dentre as quais a necessária para realização do presente trabalho. Disponível em:>http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-comoutilizar-o-termistor-ntc-com-arduino São Paulo, São Paulo, Brasil. acessado em: 01 de Abril de 2015, nos indica como proceder para programação da placa arduino (figura 01), para captação de temperatura através de termistor NTC e sensores do tipo LM 35. Figura 1. Placa de hardware livre tipo Arduino.
7 Para a segunda etapa, utilizando-se da função PulseIN, fez-se o arduino realizar a leitura do sensor hall, presente na ventoinha (figura 2) do computador, assim é possível obtermos a rotação da ventoinha, que varia conforme o escoamento. Figura 2. Ventoinha de refrigeração para computadores. 3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 3.1 CONVECÇÃO NATURAL E CONVECÇÃO FORÇADA A convecção é a forma de transmissão do calor que ocorre principalmente nos fluidos (líquidos e gases). Diferentemente da condução onde o calor é transmitido de átomo a átomo sucessivamente, na convecção a propagação do calor se dá através do movimento do fluido envolvendo transporte de matéria. A transferência de calor por convecção pode ser classificada de acordo coma natureza do escoamento do fluido. Referem-se à convecção forçada quando o escoamento é causado por meios externos, tais como ventilador, uma bomba, ou ventos atmosféricos. Em contraste, no caso de convecção livre, o escoamento do fluido é induzido por forças de empuxo, que são originadas a partir de diferenças de densidades causadas por variações na temperatura do fluido. 3.2 MEDIÇÃO DE TEMPERATURA Um sensor muito utilizado para medição de temperatura é o PT 100,cujo será utilizado a titulo de comparação de temperatura medida, pois são de simples utilização, robustos e de custo reduzido. Estes sensores se baseiam no princípio de variação da resistência ôhmica em função da temperatra. A resistência aumenta com o aumento da temperatura.seu elemento sensor consiste de uma resistência em forma de fio de platina, encapsulado em um bulbo de cerâmica ou vidro. A platina apresenta uma ampla escala de temperatura, uma alta resistividade que permite uma maior sensibilidade, um alto coeficiente de variação de resistência com a temperatura, uma boa linearidade resistência x temperatura e também tem uma alta ductibilidade e rigidez.
8 Figura 3: Sensor termorresistivo PT100 Esses sensores adquiriram espaço nos processos industriais e em laboratórios por suas condições de alta estabilidade mecânica e térmica, resistência à contaminação, baixo índice de desvio por envelhecimento e tempo de uso, pouca influência de ruídos, e altíssima precisão de leitura. O PT100 mede temperaturas na faixa de -259,35 C a 961,78 C. Para a determinação da temperatura é medida a resistência elétrica em ôhms com um multímetro. Então pode-se calcular a temperatura através da equação 1 R = R0[1+α(T-T0)] (1) Onde, R0=100Ω, T0=0 C e α=0,00392 C 1 Estes sensores, construídos de platina, apresentam resistência R0=100Ω a T0=0 C. É por este motivo que se dá ao medidor o nome de PT 100. Embora os sensores de platina não apresentem a maior sensibilidade, eles são usados devido o seu comportamento linear. Na Tabela 1 pode-se ver o comportamento de alguns materiais aplicados na construção de sensores de termoresistência. Na figura 4tem-se alguns materiais mais usuais e seus respectivos valores de α. Material α=1/ C Níquel 0,0067 Tugstênio 0,0048 Cobre 0,0043 Platina 0,00392 Mercúrio 0,00099 Tabela 1: Tabela com respectivos valores de α.
9 Figura 4: Gráfico demonstrando o comportamento de alguns sensores termorresistivos. 3.3 INCERTEZAS DE MEDIÇÃO A incerteza define um intervalo em torno do resultado de medição no qual se espera abranger grande parte dos resultados encontrados. Geralmente, o nível de confiabilidade utilizado é de 95.45% [SHNEIDER, 2012]. Alguns dados dependem dos resultados experimentais, e geram assim, uma incerteza combinada, onde os resultados calculados geram uma incerteza devido à incerteza do valor medido. O procedimento para medir a incerteza de medição é chamado de Propagação da Incerteza de Medição, dado por: U r = (( V x 1 u 1 ) 2 + + ( V x n u n ) 2 ) Sendo x 1 até x n as variáveis dependentes, u 1 até u n os desvios padrão das variáveis dependentes e V a equação para chegar ao dado esperado. 3.4 TAXA DE ENERGIA ACUMULADA A taxa de energia acumulada é dada por: q ar = m c p (T op T s )(10) q ar é a taxa de calor transferida entre o ar e a caixa e o protótipo através dos fenômenos de transporte de energia. 1 2 (8) 3.5 EFEITO HALL Existem substâncias no grupo dos semicondutores que possuem propriedades elétricas importantes que podem ser aproveitadas na construção de diversos tipos de dispositivos eletrônicos.uma delas, por exemplo, é que diferentemente dos metais onde
10 a redução da temperatura diminui sua resistividade, no caso dos semicondutores, a redução da temperatura para valores muito baixo os leva a se tornarem isolantes. Da mesma forma, a resistência dos materiais semicondutores é muito mais sensível a variações de temperatura do a que ocorre com outros materiais. Os termistores aproveitam justamente esta propriedade. Mas, a mais importante delas é a que se deve a possibilidade da corrente ser transportada por portadores positivos ou negativos de cargas e que é amplamente aproveitada na construção de todos os dispositivos que fazem uso de junções. No entanto, para os dispositivos que estamos abordando, o efeito de um campo magnético sobre o deslocamento das cargas nestes materiais é que nos interessa.sem a presença de campos magnéticos externos a corrente atravessa o material com os portadores de carga se distribuindo de maneira uniforme e no sentido paralelo não é detectada nenhuma tensão.no entanto, se tivermos campo magnético externo atuando sobre esta material uma força perpendicular ao deslocamento das cargas vai fazer com que a distribuição das cargas seja modificada (Lei de Lorentz).A intensidade desta força vai depender tanto da velocidade de deslocamento da carga como da intensidade do campo magnético.mas o resultado final disso, é que se aplicarmos a um material semicondutor uma diferença de potencial de modo que flua uma corrente, e ao mesmo tempo o submetermos a um campo magnético, no deslocamento através deles as cargas tendem a se desviar de sua trajetória normal, acumulando-se numa das faces laterais, e com isso uma tensão será detectada. Como uma outra consequência disso temos ainda que a corrente que pode circular pelo dispositivo se torna menor (aumenta sua resistência) o que pode ser detectado por um amperímetro ligado ao circuito agora em série com as faces no sentido longitudinal.evidentemente, para termos um melhor efeito sobre a resistência será interessante fazer com que a corrente percorra uma trajetória maior sob a ação do campo magnético. 3.5.1 UTILIZAÇÃODOS SENSORES HALL O posicionamento do sensor em relação ao campo magnético, o modo como o campo varia o que será função do movimento da peça ou do imã a ser monitorado determinam a forma de sinal que obtemos na saída de um sensor de Efeito Hall.Para o projetista é muito importante conhecer todas as possibilidades de posicionamento relativo sensor-campo de modo a planejar o circuito detector e os dispositivos em que ele vai ser instalado. Para o experimento o posicionamento é o que segue, uma vez que é inerente a construção original da ventoinha:
11 Montagem tipo Imã rotativo: No arranjo mostrado na figura 5 um imã circular ou imãs presos a uma peça circular de modo a gerar o mesmo padrão de campo permitem detectar movimentos de rotação com facilidade. Figura 5. Montagem do sensor hall. O sinal gerado com este arranjo é senoidal e pode ser trabalhado para excitar circuitos lógicos, tal como fora feito para obter-se a rotação da ventoinha. 3.6 SENSOR LM 35. Os sensores do tipo LM 35 são sensores de temperatura; conforme a variação de temperatura na superfície do sensor, ocorre uma variação de tensão no pino de saída ( pino voit, conforme figura 6 ). Figura 6. Sensor LM 35. 4. METODOLOGIA Uma vez que disposição de montagem do protótipo da primeira etapa apresentouse versátil e resistente optou-se por mantê-la. A placa de arduino ( figura 7) e o sensor LM 35 (figura 8) permaneceram na mesma posição da apresentação anterior.
12 Figura 7- Montagem simplificada da placa Arduino. Figura 8- Posicionamento do sensor em relação ao centro do tubo. O sensor fora preso perfurando-se o tubo e fazendo uso de um arame, procurou-se deixá-lo em posição central, minimizando qualquer efeito das paredes do duto. Para a segunda etapa utilizamos um cooler de computador sem a carcaça externa, esse procedimento de remoção da carcaça externa visou reduzir a resistência ao escoamento. A ventoinha utilizada já possui o sensor do tipo hall em sua concepção uma vez que se vale dele para controlar sua rotação. Com a utilização do arduino e através da rotação medida na ventoinha pode-se chegar a vazão mássica fazendo-se uso da calibração para obter uma equação caracteristica A construção utilizada visou novamente à simplicidade e operacionalidade do protótipo, utilizou-se o corpo de uma caneta esferográfica tipo bic para garantir que a ventoinha mantenha a perpendicularidade com o escoamento mesmo em operação; utilizaram-se arames para fixar o sistema nas paredes do duto.
13 5. CALIBRAÇÃO Para as calibrações utilizou-se a bancada oficial de avaliação, disponível no laboratório do LETA (UFRGS). Para tal procedeu-se a montagem do protótipo na luva de PVC já existentes conforme figura 10.Essa calibração foi realizada na primeira etapa do trabalho e mantida na segunda: Figura 10 Montagem do protótipo na bancada.do laboratório. Depois de verificado o correto posicionamento do protótipo na bancada de testes, realizaram-se medições de temperatura figura 11 e comparou-se a informação lida no multímetro fornecido pelo laboratório, figura12. Figura 11- Leitura de temperatura pelo sensor LM 35
14 Figura12 Leitura do multímetro em OHM. Após calculada a temperatura lida pelo sensor tipo PT100 pode-se criar uma tabela de analise comparativa. PT100 ( C) LM35 ( C) 49,42 50,75 49,54 49,78 49,82 50,75 40,47 39,53 40,20 39,53 42,52 41,48 43,03 43,92 42,62 42,94 43,03 42,94 42,52 42,94 43,03 42,46 36,47 35,62 36,26 36,11 35,85 34,65 35,19 35,62 34,96 34,16 35,22 35,62 Tabela 2 Análise comparativa entre sensores PT100 e LM 35.
LM35 15 60 50 LM35 ( C) y = 1.0809x - 3.4103 R² = 0.986 40 30 LM35 ( C) Linear (LM35 ( C)) 20 10 0 PT100 0 10 20 30 40 50 60 Figura 13 Demonstrativo da linearidade entre os sensores medidos. Já para a calibração do sensor hall utilizou-se novamente a bancada de testes do laboratório, procedendo a montagem semelhante a apresentada na figura 10. Os testes foram realizados com diferentes vazões, as quais apresentavam diferentes RPM. Estes valores de rotação foram utilizados para se obter uma equação que correlacionasse ambos os valores. Osvalores obtidos se encontram na tabela 3. RPM Vazão 2670 0,058853 3060 0,064853 3390 0,070343 3750 0,075434 4140 0,084704 4500 0,091715 4890 0,099479 5250 0,105514 5640 0,111221 6000 0,117705 Tabela 3 Tabela utilizada para a calibração da vazão volumétrica. Desta tabela foi possível gerar um gráfico de utilização do instrumento, mostrado na figura 14.
16 0.14 0.12 0.1 y = 2E-05x + 0.0083 R² = 0.9973 0,0588527 0.08 0.06 0.04 0,0588527 Linear (0,0588527) 0.02 0 0 2000 4000 6000 8000 Figura 14 Curva de utilização do medidor de vazão volumétrica. Para obter os valores de vazão mássica foi utilizada a correlação dos gases ideais aplicados a ar úmido, sendo a temperatura obtida pelo LM35 já a pressão e umidade relativa retiradas de um sensor presente no laboratório. Na formula dos gases ideais se utilizou o conteúdo de umidade e não a relativa, para obter este valor foi recorrido a carta conforme figura 14. Assim entram-se os dados manualmente no programa, estes devem ser atualizados na hora de realizar a medição, o que garante alta precisão. Figura 15. Carta psicrométrica.
17 6. RESULTADOS Da primeira calibração do trabalho e calculando-se as médias de temperatura obtidas temos conforme tabela 3. media ( C) LM35 41,11 PT100 41,19 Tabela 4 Média de medida de temperatura. É possível perceber que a variação entre os resultados obtidos (LM35) e os valores reais (PT100) são muito próximos o que indica a possibilidade de se utilizar este sensor para este tipo de medição; observou-se uma variação média de apenas 0,002% entre as medidas de ambos os sensores. Para o sensor de vazão (cooler) a correlação entre a vazão obtida e a real é feita diretamente na calibração, sendo os valores obtidos apresentados na tabela 3. É possível perceber através do coeficiente de determinação (R 2 ), cujo valor 0,997 indica que a equação se encontra bem relacionada ao valor real do escoamento. Os valores obtidos para a vazão mássica, porém apresentou divergências aos valores esperados, isto porque o sensor LM35 é sensível a variação de campo magnético induzido pelas bobinas do cooler, estas variações tornaram a medida instável principalmente a altas temperaturas. 7. CONCLUSÕES Da primeira etapa e levando em consideração a tabela de analise comparativa onde obtivemos uma diferença média de medida na casa dos 0,002 %, podemos verificar que os sistemas automatizados por intermédio de arduino e fazendo uso dos sensores LM35 são confiáveis e seguros, porem ao inserirmos um campo magnético o LM 35 acaba se tornando ineficiente para essa atividade. Já o uso do sensor hall da ventoinha mostrou-se bom na obtenção do RPM, que possibilitou uma medição bastante confiável da vazão volumétrica, para uma melhor medição de vazão mássica seria necessária a troca do sensor de temperatura ou a retirada das bobinas do cooler. A construção embora simplificada se mostrou bastante satisfatória, uma vez que a utilização de um eixo de fixação mostrou-se apropriada para a redução das vibrações induzidas pela alta velocidade do vento, fato este comprovado pela quase total ausência de ruídos e vibrações no tubo; outro ponto positivo foi que, devido a utilização de arames finos, houve pouca perda de carga na extensão do tubo, por volta de 3,5 Pa.
18 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS INCROPERA, F. P., Fundamentos de Transferência de Calor e Massa, 6 a ed., 2008. SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Pressão em fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html. SCHNEIDER, P. S., 2012, Medição de Velocidade e Vazãode fluidos. Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. Disponível no site http://143.54.70.55/medterm/pressaovazao.html.