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O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema laboratorial de controle de temperatura, para aplicações didáticas, por meio de um conversor de potência e aquisição de dados, que enfatiza a capacidade e praticidade da utilização do microcontrolador Arduino® como mecanismo de controle e supervisão de dados, juntamente com software LabView
Tipologia: Teses (TCC)
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Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso, do curso superior de Engenharia Elétrica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Orientador: Prof. Dr. Kleber Romero Felizardo
Agradeço ao meu orientador, por toda paciência e sabedoria com que me guiou nesta trajetória. A toda minha família que me apoiou em todos os momentos. Aos amigos, professores e todos que contribuíram para a realização deste trabalho.
FERNANDES, João Paulo. SISTEMA PARA CONTROLE DE TEMPERATURA EM KIT EDUCACIONAL ATRAVÉS DE INTERFACE LABVIEW PARA ARDUINO.
O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um sistema laboratorial de controle de temperatura, para aplicações didáticas, por meio de um conversor de potência e aquisição de dados, que enfatiza a capacidade e praticidade da utilização do microcontrolador Arduino® como mecanismo de controle e supervisão de dados, juntamente com software LabView®. O trabalho foi desenvolvido para servir de apoio às disciplinas de Sistemas de Controle dos cursos de Engenharia Elétrica e Engenharia de Controle e Automação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, campus Cornélio Procópio. Através da interface computacional desenvolvida no software LabView®, os alunos podem visualizar a resposta do sistema, consolidando os conceitos aprendidos em sala de aula em um sistema real.
Palavras-chaves: Controle de Temperatura. Arduino®. LabView®. Supervisão. Sistema Laboratorial.
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A medida e controle de temperatura é um tópico importante de pesquisa e desenvolvimento industrial. Atualmente é uma das variáveis mais usadas na indústria de controle de processos, e muitas vezes determina a qualidade de um produto, a eficiência de um processo ou o bem estar de um ambiente (ANACLETO, 2007). Sistemas de controle de temperatura são frequentemente usados em vários processos e equipamentos industriais, tais como caldeiras, fornos e estufas. Nestes processos a temperatura necessita ser controladas visando obter características operativas especificas. O controle de processos é uma forma de manter as variáveis manipuladas com valores desejados, conhecido como set-point , e para isso são necessários os seguintes itens: sensores, atuadores, sistema de aquisição de dados e supervisão de dados. Nas aplicações, no contexto geral de controle industrial, automação e controle de processos, as técnicas e os algoritmos são comumente testados em bancadas experimentais para validar os resultados teóricos desenvolvidos. Trabalhos abordando bancadas experimentais utilizados por alunos de graduação em disciplinas de controle podem ser encontrados na literatura. Em Albernaz et al. (2012), foi desenvolvido um kit didático que simula uma planta industrial de nível, vazão e temperatura. A plataforma Arduino foi utilizada na automação e no controle desta planta. Em Terçariol et al. (2012), um resistor e um sensor de temperatura foi utilizado para simular um processo térmico. Tais elementos, assim como o microcontrolador 18F4550, fazem parte do kit XM118, desenvolvido pela empresa Exsto. O ambiente gráfico de sistema LabVIEW foi utilizado na supervisão e controle deste processo, sendo o microcontrolador utilizado como sistema de aquisição de dados. Já em Almeida e Silva (2013) foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura com acesso remoto. O sistema foi desenvolvido em ambiente LabVIEW e a plataforma Arduino UNO foi utilizada como sistema de aquisição de dados. O controle do sistema foi baseado no controlador PID.
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Em Filho et al. (2012), foram desenvolvidos kits didáticos para o aprendizado da automação, que consistem no uso de sistema de aquisição de dados na implementação de plataformas didáticas baseado em Arduino, CLP ou microcontrolador integrado ao ambiente LabVIEW, para o controle de um processo de temperatura. O projeto de um sistema para o controle de temperatura exige o uso de diversas ferramentas computacionais, técnicas e teorias de controle. As ferramentas computacionais possibilitam que o processo seja simulado e monitorado em um computador para que os parâmetros do controlador possam ser projetados sem a necessidade de utilizar o processo real. Uma vez projetado o controlador o mesmo é implementado e validado no processo real. Neste trabalho foi desenvolvido um kit didático que possibilita a identificação, a modelagem e o controle de um sistema dinâmico de temperatura. O kit é composto por uma planta de temperatura associada a uma lâmpada como elemento de aquecimento posicionada no interior de um tubo de PVC. O sistema de supervisão e controle desta planta foi desenvolvido em ambiente LabVIEW e permite a execução de uma série de experimentos que envolvem a identificação do sistema e o controle de temperatura utilizando técnicas de controle com realimentação clássicas, tais como: avanço, atraso e avanço-atraso de fase. Trata-se, portanto, de um trabalho que oferece um suporte prático para que o aluno consolide os conhecimentos teóricos adquiridos em disciplinas de controle.
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3.1. Temperaturas
A temperatura é um parâmetro físico que pode ser definido como uma medida da energia cinética associada ao movimento (vibração) aleatório das partículas que compõem um dado sistema físico (ROCHA, 2009). Todo corpo, em estado sólido, liquido ou gasoso, apresenta constante de movimento (vibrações) em suas partículas e a soma dessas vibrações constitui a energia térmica do mesmo, que é diretamente proporcional à temperatura do objeto (MARQUES, 2009). Quando dois sistemas apresentam uma certa diferença de temperatura, ambos tendem a atingir o equilíbrio térmico e o sistema de maior temperatura transfere calor para o sistema de menor temperatura. Esta transferência pode ocorrer por condução, convecção ou irradiação térmica. A quantidade de energia transferida, enquanto houver diferença de temperatura, é a quantidade de calor trocada. Este trabalho baseia-se na irradiação térmica que é a transferência de calor decorrente da radiação eletromagnética emitida por um corpo. O calor que sentimos ao aproximar a mão de uma lâmpada incandescente é essencialmente um resultado da radiação infravermelha emitida pelo filamento incandescente e absorvida pela mão. Todos os objetos emitem radiação eletromagnética (chamada de radiação térmica) por causa de sua temperatura. Em ordem crescente de energia, a Fig. 1 representa o espectro que inclui: a radiação infravermelha, a luz visível e a luz ultravioleta. A radiação infravermelha compreende os raios de comprimento de onda maiores que a luz visível e que são notados por sua ação calórica (ROCHA, 2009).
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Figura 1: Espectro Luminoso. Fonte: Climar Ligthing: conceitos luminotécnicos, 2015.
As lâmpadas halogênicas são exemplos de dispositivos que transformam energia elétrica em energia luminosa e térmica, sendo que 5% da energia elétrica consumida é transformada em luz e os outro 95% são transformados em calor (SOLUX, 2015).
3.1.1. Sensores de Temperatura
A seguir são descritos os principais sensores de temperatura utilizados em processos industriais:
Termopares: quando dois metais diferentes, unidos por uma junção, estão sobretudo a diferentes temperaturas, é produzido uma pequena tensão de circuito aberto proporcional a diferença de temperatura. A curva de resposta dos termopares não é exatamente linear, e por isso há a necessidade de se proceder à linearização da sua curva pelo instrumento transmissor (PROCEL INDUSTRIA, 2008). Existem diferentes tipos de termopares e são designados por letras maiúsculas que indicam sua composição de acordo com as convenções do American National Standards Institute (ANSI) (CASTELETTI, 2009).
Termorresistência ou termistor: neste tipo de sensor, ocorre a mudança no valor da sua resistência elétrica com a temperatura. São comumente utilizados em processos que exigem condições de alta estabilidade, altíssima precisão e menor influência de ruídos. Os termistores podem ser do tipo NTC ( Negative Temperature
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físico-químicas muito especiais, a platina é um metal indicado para a construção de sensores de temperatura (MORGANO, 2008). Termoresistências de platina são sensores de temperatura que operam baseado no princípio da variação da resistência ôhmica em função da temperatura e se destacam pela alta precisão, estabilidade por longo prazo, linearidade e intercambialidade sem ajuste técnicos ou calibração, além de possuir maior precisão em relação aos termopares e demais sensores em alta e baixa temperatura. Entre suas diversas aplicações destacam-se o seu uso em estufas, esterilizadores, enrolamentos de motores elétricos, transformador óleo e a seco, equipamentos médicos e hospitalares, máquinas industriais, ar-condicionado, fornos industriais e geradores de energia (ADD THERM, 2015). Entre os esquemas de ligação, há três tipos de montagem das termoresistências: a dois fios, a três fios e a quatro fios.
MONTAGEM A DOIS FIOS: esta montagem (Figura 3) fornece uma ligação para cada terminal do bulbo. Sua utilização se torna satisfatória em locais onde a distância do sensor ao instrumento indicador não ultrapassa 3,0m. Para comprimentos maiores haverá ocorrência de um erro de leitura. (ADD THERM, 2015).
Figura 3 : Esquema de ligação a 2 fios Fonte: Adaptado do manual técnico ADD THERM ([2015], p. 18).
MONTAGEM A TRÊS FIOS: este tipo de ligação (Figura 4) é mais utilizada industrialmente, pois quando o sensor é conectado a um instrumento adequado para receber ligação a três fios, resultará em uma leitura íntegra pois ocorrerá uma compensação da resistência pelo terceiro fio (ADD THERM, 2015).
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Figura 4 : Esquema de ligação a 3 fios. Fonte: Adaptado do manual técnico ADD THERM ([2015], p. 18).
MONTAGEM A QUATRO FIOS: é a mais precisa que existe para termoresistência. Com duas ligações em cada terminal do bulbo (Figura 5) há um balanceamento total das resistências dos fios. Está montagem não é muito utilizada industrialmente e seu uso fica restrito em casos que necessitam de uma precisão de leitura, como em laboratórios de calibrações que devem seguir rígidos padrões de qualidade (ADD THERM, 2015).
Figura 5 : Esquema de ligação a 4 fios. Fonte: Adaptado do manual técnico ADD THERM ([2015], p. 18).
A relação entre a temperatura e a resistência do sensor Pt-100 é descrita pela seguinte equação:
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Figura 6: Malha fechada de controle. Fonte: Adaptado Araújo, 2007.
3.2.2. Controle em malha aberta
Sistemas de controle em malha-aberta são sistemas de controle nos quais a saída não tem efeito na ação do controle. Assim, a cada sinal de referência na entrada corresponde uma condição de operação fixa; como resultado a exatidão do sistema depende exclusivamente de uma calibração (OGATA, 2010). Nesse tipo de sistema utiliza um controlador conectado em serie com o processo a ser controlado, de modo que a entrada do processo deve ser tal que sua saída se comportara como desejado. A Fig. 7, indica a relação entrada-saída, respectivamente o valor de set-point e a saída (variável do processo), de um sistema deste tipo.
Figura 7: Malha de controle aberta. Fonte: Adaptado Araújo, 2007.
O problema de um sistema de controle em malha aberta é que só teremos a saída desejada, se não ocorrem perturbações tanto de ordem externa como
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interna, pois o controlador atuará como se não tivesse ocorrido qualquer perturbação (GOLNARAGHI; KUO, 2012). Em alguns casos o controlador pode ser um amplificador, um componente mecânico de ligação, um filtro; já em casos mais complexos, o controlador pode ser um microprocessador (GOLNARAGHI; KUO, 2012).
3.3. Função Transferência
A função de transferência define a dinâmica de um processo que pode ser representado de maneira simples através da relação entre a transformada de Laplace da variável de saída e a transformada de Laplace da variável de entrada, levando-se em conta todas as condições iniciais supostas iguais à zero (DORF; BISHOP, 2009). Uma função transferência só pode ser definida para sistemas lineares e invariantes no tempo. A forma geral de uma equação diferencial de ordem n , linear e invariante no tempo, é representada pela seguinte equação:
onde 𝑐(𝑡) é a saída, 𝑟(𝑡) é a entrada e 𝑎𝑛 , 𝑎𝑛−1,..., 𝑎 0 e 𝑏𝑚, 𝑏𝑚−1,..., 𝑏 0 são os coeficientes da equação diferencial que representa o sistema. Aplicando a transformada de Laplace a ambos os lados da Equação (2) e considerando todas as condições iniciais nulas, obtém-se
