O sinal de saída dos sensores é comparado pelos amplificadores

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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
fig.1
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.
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:
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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:
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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.
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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:
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1.3 MONTAGEM, FUNCIONAMENTO E MEDIÇÕES
(Teste do circuito +12 -12 em protoboard)
(Estrutura montada, realizando testes)
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(gráfico com variação da temperatura e medições)
(placa do circuito de relé para proteção da célula de Peltier)
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(Placa do circuito dente de serra e comparador juntamente com o NI USB-6009)
(medições do sinal PWM de controle dos coolers)
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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.
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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.
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