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TCC Qualificação de combustíveis líquidos por método eletrônico utilizando redes neurais artificiais apresentado para a obtenção do grau de engenheiro eletricista pela FAC-FITO.
Tipologia: Teses (TCC)
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Autores Alexandre Liondas Neto Daniel Brás Rochinha Rodrigues Péricles Fernando Nunes de Oliveira William Euclides da Silva
Orientador Prof. Dr. Henrique Estanislau Maldonado Peres
Osasco 2012 Engenharia Elétrica
Alexandre Liondas Neto Daniel Brás Rochinha Rodrigues Péricles Fernando Nunes de Oliveira William Euclides da Silva
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Faculdade de Ciências da Fundação Instituto Tecnológico de Osasco para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Prof. Dr. Henrique Estanislau Maldonado Peres
Osasco 2012
A gasolina, o etanol e o diesel são os principais combustíveis utilizados no Brasil e sua confiabilidade é medida por órgãos do governo, como a ANP (Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), que realiza testes periódicos em postos e distribuidoras, aferindo se os dados químicos e físicos encontram-se dentro dos padrões aceitáveis para os combustíveis, utilizando métodos tradicionais de análise química. Neste projeto é proposto o desenvolvimento de um sistema eletrônico para qualificação de combustíveis utilizando-se a metodologia de análise por redes neurais artificiais (RNA). Para isso foram implementados quatro tipos de sensores para medir grandezas de interesse nos combustíveis: permissividade, condutividade, absorbância e densidade, pois são grandezas diretamente afetadas pela adulteração. A medida da permissividade é feita com o uso de sensores do tipo TDR, o que se destaca como uma proposta original deste trabalho. O sistema inclui os sensores, condicionamento de sinal e RNA do tipo perceptron de múltiplas camadas implementada em um microcontrolador e com treinamento do tipo back-propagation. Para validação da proposta, foram analisadas amostras de álcool combustível controladamente adulteradas com diferentes quantidades de água e verifica-se que o sistema pode detectar o mínimo de 2% de água adicionada ao álcool. Conclui-se que, com adaptações de materiais e sensores, o sistema pode analisar os demais combustíveis e mesmo outros líquidos, constituindo-se num tipo de “língua eletrônica”.
PALAVRAS-CHAVE: Qualificação de combustíveis, redes neurais artificiais, RNA, sensor TDR, língua eletrônica.
Gasoline, ethanol and diesel are the mean fuels utilized in Brazil and their reliability is controlled by governamental agencies like ANP (Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) wich make regular verification in the gas stations applying traditional chemical analysis. In this project we propose the development of an electronic system for fuel qualification by application of ANN (Artificial Neural Network) analysis. For this, they are implemented four kind of sensors to measure fuel properties normally affected by adulteration: permittivity, conductivity, absorbance and density. The permittivity is measured by a TDR sensor, what is an original proposal from this work. The system includes the sensors, signal conditioning and “perceptron multi layer” ANN implemented in a microcontroller, with “ back-propagation” training method. In order to validade this project proposal, several ethanol samples were analyzed, with different water quantities. We verified the system can detect the minimum of 2% of water added to alcohol. We conclude that, with some adaptions in the materials and sensors, the system can analyze other fuels, or even other liquids, that is a kind of “electronic tongue”.
KEYWORDS: Fuel qualification, artificial neural network, ANN, TDR sensor, electronic tongue.
Tabela 1.1 Resolução ANP – Álcoois .......................................................... 8 Tabela 1.2 Resolução ANP – Gasolina tipo C ............................................. 10 Tabela 1.3 Resolução ANP – Especificações do Diesel – Biodiesel ........... 12 Tabela 2.1 Compêndio de Grandezas Físico-químicas das substâncias de Interesse para o álcool combustível .......................................... 21 Tabela 4.1 Comparativo de respostas entre MatLab e Projeto ................... 75
AEAC – Álcool Etílico Anidro Combustível AEHC – Álcool Etílico Hidratado Combustível ANP – Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis CI – Circuito Integrado CIDE – Contribuição de Intervenção no Domínio Econômico COFINS – Contribuição para o Financiamento da Seguridade Social DSP – Processador Digital de Sinais ( Digital Signal Processor ) FDR – Reflectometria no Domínio da Frequência ( Frequency-Domain Reflectometry ) ICMS – Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviço LED – Diodo Emissor de Luz ( Light-emitting Diode ) LVDT – Transformador diferencial variável linearmente ( Linear Variable Diferential Transformer ) NIR – Infravermelho próximo ( Near Infrared ) PIS – Plano de Integração Social PMQC – Programa de Monitoramento de Qualidade de Combustíveis RNA – Rede Neural Artificial TDR – Reflectometria no Domínio do Tempo ( Time-Domain Reflectometry )
Desenvolver um sistema eletrônico portátil, utilizando inteligência artificial para qualificação de combustíveis líquidos visando o uso “em campo”, contrário aos meios tradicionais não portáteis de análise. Havendo mudança na composição do combustível, é inevitável a alteração de algumas de suas propriedades. Valendo-se dessas variações, este trabalho objetiva uma rede de sensores distintos que coletará dados de forma que uma rede neural artificial (RNA), alimentada com essas informações, estará habilitada a diagnosticar se o combustível está dentro dos padrões adotados pela Agência Nacional de Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis (ANP).
Os combustíveis são normalmente divididos em dois tipos: combustíveis fósseis e os biocombustíveis, Também podem ser classificados pelo seu estado físico que pode ser líquido, sólido ou gasoso. Petróleo, gás natural e carvão mineral são combustíveis fósseis considerados como combustíveis não renováveis, pois demandam muito tempo para que a natureza os produza (cerca de milhões de anos). São gerados a partir do processo de decomposição das plantas, animais e microorganismos. O petróleo é formado por uma mistura complexa de hidrocarbonetos e outros compostos orgânicos e inorgânicos. São encontrados nas camadas inferiores do solo, tanto no mar como na terra, podendo ser encontrado impregnado em rochas porosas, associado a outras substâncias. Ao ser refinado, dá origem a vários produtos como: aguarrás, asfalto, nafta, óleo combustível, óleo diesel, querosene, GLP, gasolina, etc. No Brasil são especificados três tipos de gasolinas: tipo A, tipo B e tipo C.
Uma das formas de adulteração de combustíveis é a adição de componentes químicos que modificam as especificações do produto original. Sendo esse um problema crescente nos postos e nocivo para o rendimento de um motor ou ambiente, faz-se necessária uma monitoração efetiva através de uma ferramenta de fácil utilização, capaz de distinguir tais irregularidades. Dada a natureza dos combustíveis e da adulteração, certos aspectos do problema podem tornar-se complexos, com influências cruzadas, de difícil estabelecimento das correlações entre esses aspectos. Por essa razão, acredita-se que a abordagem das redes neurais artificiais seja adequada para esta aplicação, pois uma RNA pode ser capaz de “aprender” e deduzir estatisticamente, através de treinamento prévio, uma possível classificação para o combustível, uma habilidade indisponível em metodologias convencionais de análise. Dessa forma, são previstos benefícios de ordem social, econômica e ambiental, decorrentes deste trabalho. Com o desenvolvimento deste projeto, pretende-se que o processo de análise de combustíveis seja automatizado, ganhando agilidade e, desta forma, contribuindo para a diminuição de fraudes tributárias, concorrências desleais, prejuízos ao consumidor, bem como a diminuição da emissão de gases nocivos ao ser humano e ao meio ambiente. Podem ser beneficiados com este projeto, consumidores, refinarias de combustíveis, fabricantes de automóveis e nosso país.
ESTRUTURA DO TEXTO
O intuito do primeiro capítulo é contextualizar historicamente o objeto de estudo, com ênfase aos acontecimentos nacionais relacionados aos combustíveis, além de expor seus aspectos burocráticos e econômicos, servindo de auxílio na
O início da história brasileira na busca pelo petróleo se deu devido ao investimento do fazendeiro Eugênio Ferreira de Camargo em meados de 1892 a 1897 no estado de São Paulo, na região de Bofete. Foi ali perfurado o primeiro poço de petróleo do país, de onde foram retirados apenas dois barris de petróleo (MEIRELLES et al., 2012). Em 1907 foi criado o Serviço Geológico e Mineralógico do Brasil (SGMB), que até 1930 havia perfurado 51 poços, os quais não apresentaram resultados consideráveis em nível de extração de petróleo, porém de grandes resultados em nível de estudo da geologia do país. Em 1933, foi criado o Departamento Nacional da Produção Mineral (DNPM) e em 1938 instituiu-se o Conselho Nacional do Petróleo (CNP), o primeiro órgão regulamentado de combustível do país, e, conjuntamente, nasceu à primeira legislação que nacionalizou a exploração de petróleo e gás (MEIRELLES et al., 2012). Em 1941, o Brasil tem o primeiro campo petrolífero economicamente viável, o Campo de Candeias, que encontra-se em atividade até hoje. O presidente em atividade, Getúlio Vargas, em 1953 funda a Petróleo Brasileiro S/A (Petrobras). A Petrobras visava tornar o Brasil auto-sustentável em petróleo devido aos seus investimentos em pesquisas e em tecnologia. Atualmente uma das maiores descobertas da Petrobras são as jazidas de petróleo na camada pré sal. A figura 1.1 representa uma jazida petrolífera simplificada (MEIRELLES et al., 2012).
Figura 1.1 – Esquema de jazida petrolífera
Em 1990, foi criado o Departamento Nacional de Combustíveis (DNC), órgão sucessor ao (CNP). Atualmente a agência regulamentadora é a Agência Nacional do Petróleo (ANP), que foi instituída em 15 de janeiro de 1998. Suas atribuições são especificar e fiscalizar a qualidade dos combustíveis (SOARES, 2002), (ANP, 2012). Atualmente, os derivados de petróleo ainda são as principais fontes de combustíveis, mas com o passar do tempo, outras alternativas vêm sendo procuradas, tais como os biocombustíveis como o álcool e o biodiesel. Álcool e biodiesel são combustíveis renováveis que são produzidos a partir de materiais de origem biológica, embora também existam álcoois combustíveis provenientes de combustíveis fósseis. O principal álcool combustível é o etanol, que pode ser produzido a partir de várias matérias primas cuja escolha depende das condições climáticas e das estratégias políticas adotadas por cada país. Em países como EUA e China é utilizado o milho como matéria prima. Na Índia, Brasil, sudeste Asiático e parte da África é utilizada como matéria prima a cana de açúcar, enquanto a Europa utiliza como matéria prima a beterraba ou a uva. No Brasil, o etanol é utilizado sob duas formas: álcool anidro, que contém em sua composição 0,7% de água, ou álcool hidratado, que contém em sua composição 7% de água. O biodiesel é um combustível que pode ser produzido tanto por óleos vegetais como por gorduras animais. Atualmente para sua produção há uma variedade muito grande de matérias- primas como algodão, amendoim, babaçu, buriti, canola, dendê,
Para atender a demanda mundial no uso em máquinas, principalmente em motores, foram criados vários tipos de combustíveis, com diversas características e meios de produção. Neste tópico são tratados alguns dos combustíveis mais utilizados no Brasil, tais como gasolina, etanol e diesel.
1.2.1 Etanol
O etanol, ou álcool etílico, é uma substância orgânica adquirida através da fermentação de sua matéria-prima (no Brasil, como mencionado anteriormente, utiliza-se cana-de-açúcar). Sua fórmula química é C 2 H 5 OH e sua alta inflamabilidade e ponto de ebulição o tornam ideal como combustível (PORTES, 2010). O Álcool Etílico Anidro Combustível (AEAC) é utilizado como componente da gasolina, pois possui altíssimo índice de pureza e permite taxas de compressão mais elevadas (octanagem). Além disso, utiliza-se também o Álcool Etílico Hidratado Combustível (AEHC) (simplesmente chamado de “álcool”) nos veículos movidos a álcool. A Tabela 1.1 apresenta as principais especificações dos álcoois comercializados no Brasil.
Tabela 1.1 – Resolução ANP - Álcoois (PORTES, 2010)
RESOLUÇÃO ANP 5, DE 24/02/ Especificações do Álcool Etílico Anidro Combustível - AEAC e do Álcool Etílico Hidratado Combustível - AEHC, Padrões para Ensaios de Consumo e Emissões
CARACTERÍSTICA UNIDADES LIMITES^ MÉTODOS AEAC AEHC ABNT NBR Aspecto Aprovada (1) 14954 (2) Cor (3) Acidez total (como ácido acético) mg/L 30 30 9866 Condutividade elétrica μS/m 500 500 10547 Massa específica a 20oC kg/m^3 790,9 ±0,6 809,3±1,1 5992 Teor alcoólico oINPM 99,5 ±0,2 93,2 ±0,4 5992 Potencial hidrogeniônico (pH) - - 6 a 8 10891 Resíduo por evaporação mg/100mL 5 5 8644 Íon sulfato mg/kg 2 2 10894/ Sódio mg/kg 2 2 10422 Cobre mg/kg 0,03 - 10893
Aldeídos mg/L - 60 Cromatografiagasosa
Alcoóis superiores mg/L - 100 (1) Límpida e isenta de água ou material em suspensão, conforme condições determinadas no método especificado para avaliação do Aspecto (2) Procedimento 1 (3) Incolor a amarelada Obs: Valores sem tolerâncias são considerados máximos
1.2.2 Gasolina
A gasolina é um produto proveniente do refino do petróleo e suas características variam conforme a matéria prima utilizada e a forma de produzi-la. Ela é composta por uma mistura de hidrocarbonetos da série dos alcanos ou parafinas (NASCIMENTO, 2008). Comumente a gasolina é representada pela fórmula C 8 H 18 (média entre os componentes da mistura) e a ANP especifica 3 tipos de gasolinas: A, B e C:
