X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente
18 a 21 de setembro de 2011
São João del-Rei - MG - Brasil
UTILIZAÇÃO DO PRINCÍPIO DE CONVECÇÃO FORÇADA NO DESENVOLVIMENTO DE UM
MEDIDOR DE VAZÃO INTELIGENTE
LUIS A.C.CORRÊA 1,2, JORGE L. M. DO AMARAL 2
1.
Faculdade de Engenharia Elétrica, Associação Educacional Dom Bosco – AEDB
Av. Darci Ribeiro, nº 253 - Campo de Aviação, 27523-000 Resende, RJ
2.
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica, Departamento de
Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações, Universidade do Estado do Rio de
Janeiro - UERJ
R. São Francisco Xavier, 524, 20550-013 Rio de Janeiro, RJ
E-mails: [email protected], [email protected]
Abstract - This work describes early stagaes the development of a flow meter based on the principle of forced convection (thermal) nonintrusive smart. The meter uses two commercial-type sensors LM35, a heated, which is responsible for measuring the flow velocity, and the
other used as a reference temperature of the heated sensor. By varying the amount of flow passing through the meter, the difference in
temperature also varies inversely. An Artificial Neural Network is trained to identify a pattern that correlates to flow through the
temperature difference between heated sensor and unheated.
Keywords: RNA, non-intrusive meter, flow.
Resumo: Este trabalho descreve estágios iniciais do desenvolvimento de um medidor de vazão baseado no princípio de convecção forçada
(termal) não-intrusivo e inteligente. O medidor utiliza dois sensores comerciais do tipo LM35, um aquecido, que é responsável pela
medição da velocidade de escoamento, e o outro utilizado como referência de temperatura do sensor aquecido. Ao variar a quantidade de
fluxo passante pelo medidor, a diferença de temperatura também varia de forma inversamente proporcional. Uma Rede Neural Artificial é
treinada para identificar um padrão que correlacione a vazão através da diferença de temperatura entre o sensor aquecido e o não
aquecido.
Palavras Chaves: RNA, medidor não intrusivo, vazão.
1.
INTRODUÇÃO
O uso de medidores de vazão tem crescido
muito nos últimos anos em razão da sua aplicação nas
mais diversas áreas. Estão presentes no nosso dia-adia, desde postos de combustíveis, residências, e até
em equipamentos hospitalares como máquinas de
hemodiálise. Dependendo do uso a que se destinam
podem ter característica específicas, e a escolha
deste medidor dependerá de fatores tais como: tipo
de fluido (e de suas condições físicas),da exatidão
exigida, da faixa de operação, do custo, da
complexidade, da facilidade de leitura e da sua vida
útil. Estes
medidores podem ser classificados
também de acordo com a perturbação que seu
elemento transdutor introduz na medida. De um
modo geral, eles podem ser intrusivos e nãointrusivos.
Nos medidores intrusivos, o elemento
transdutor entra em contato com o fluido tornando-se
um obstáculo ao mesmo, acarretando perda de carga
do fluido. Outra desvantagem é a contaminação do
escoamento, o que impede a utilização desses
medidores em alguns processos. No caso dos
medidores não-intrusivos não existe nenhum contato
entre o fluido e o equipamento de medição, o que
proporciona uma série de vantagens em comparação
com os medidores intrusivos, tais como: ausência de
perda de carga, facilidade de instalação e maior vida
útil. Estas vantagens têm aumentado o interesse por
ISSN: 2175-8905 - Vol. X
medidores não-intrusivos, com destaque para os
medidores por indução magnética e por ultra-som.
Entretanto, estes medidores também apresentam
algumas desvantagens. As limitações observadas nos
medidores por indução magnética e por ultra-som
sugerem a necessidade de pesquisar outras técnicas
de medição não-intrusivas.
Portanto, como alternativa para diminuição
e até extinção das limitações observadas nos
medidores anteriormente descritos, este trabalho se
propõe apresentar um medidor de vazão inteligente
que faz uso da técnica de convecção forçada ou
térmica. Este medidor apresentará as seguintes
características: não ser intrusivo à medida, possuir
precisão melhor que 5% do valor lido, robusto,
garantindo ainda os fatores de reprodutibilidade e
repetitividade à medida tomada.
Este medidor através de uma rede neural
treinada tomará as medidas de vazão com vantagem
de
poder
fazer
ajustes
automáticos
do
medidor(corrigindo sua deriva), através da
identificação de padrões das características do
líquido medido,.
Estes tipos de medidores inteligentes trabalham em
conjunto com microcontroladores e podem ser
classificados como sensores inteligentes. Com a
crescente utilização desses sensores inteligentes,
houve a necessidade do IEEE produzir um conjunto
de normas denominadas IEEE 1451 (“Standart for
Transducer Interface for Sensor and Actuators”) que
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descreve os padrões para a implementação de
sensores inteligentes; Oliveira (2008).
São partes principais de um sensor inteligente:
•
Um transdutor ou elemento primário que
mede um ou mais parâmetros físicos;
•
Um elemento computacional que analisa a
medição(ou medições) obtida(s) pelo
elemento sensor, e realiza os cálculos e
operações necessárias;
•
Interface de comunicação que permite que o
mundo exterior troque informação com os
outros componentes do sistema;
2. TIPOS DE MEDIDORES DE VAZÃO
2.2. Medidor de vazão do tipo ultra-som
Os principais medidores de fluxo por ultrasom encontrados no mercado são aqueles que operam
por tempo ou por freqüência (efeito Doppler). O
princípio de funcionamento deste medidor por tempo
está relacionado à diferença no tempo de duração
para um pulso ultra-sônico alcançar uma distância
fixa. Este tempo percorrido pelo sinal ultra-sônico no
meio é medido entre dois transdutores, cuja diferença
de tempo determina a velocidade do fluxo.
Melhor que o feixe de luz, o ultra-som propaga-se em
meios sólidos, líquidos e gasosos. Podem medir a
vazão de maneira não intrusiva; Balbinot (2007). A
Figura 2 mostra um medidor ultra-sônico
Entretanto, o sinal é amortecido por meios
macios, como líquidos muito viscosos, entre outros.
2.1. Medidor de vazão do tipo eletromagnético
Esses instrumentos constituem uma família
de medidores não-invasivos e utilizados para medir a
velocidade média em função da área da seção de
diversos líquidos condutivos. Nos medidores de
vazão eletromagnéticos (Figura 1), o fluido tem suas
linhas de velocidade perpendiculares ao campo
magnético. Logo o movimento do fluido
atravessando o campo magnético de intensidade B,
com a velocidade V, produz uma fem. (força
eletromotriz) que pode ser medida pelos eletrodos
distantes de D, em contato com o fluido; Balbinot
(2007). A fem é relacionada à vazão da seguinte
forma:
e=B.D.V
(1)
sendo a vazão volumétrica relacionada à velocidade
pela equação
Q = ( D2/4) . V
(2)
então teremos:
Q = e⋅
Onde:
π
4
⋅D⋅B
Q:
vazão em (m3/s);
e:
tensão em volts (V);
D:
comprimento em metros (m);
B:
campo magnético em (weber/m2);
V:
velocidade do fluido em (m/s);
Figura 2 – Medidor ultra-sônico do tipo doppler
(4)
a2 = a – Vcos
(5)
Onde:
a1:
velocidade de propagação do som de A
para B;
a2:
velocidade de propagação do som de B
para A;
(3)
O princípio de funcionamento implica que o fluido
seja condutivo o que reduz as aplicações deste tipo
de medidor.
a1 = a + Vcos
a:
velocidade do som fluído estacionário;
V:
velocidade do fluído onde V<< a (m/s);
:
ângulo de incidência;
2.1. Medidor de vazão por convecção forçada
Um dos métodos mais simples de medição
térmica de fluxo de massa é feito através de um
anemômetro de filme ou fio quente. Estes
instrumentos são utilizados para medição de
velocidade de ar e fluidos, seu funcionamento se
baseia nas trocas de calor entre sensor aquecido e o
fluido, provocando alteração da resistência elétrica
do sensor, que pode ser correlacionada à velocidade
do fluido; Sampaio et al (1998).
Um fio é aquecido eletricamente e
posicionado na trajetória do fluxo. A transferência de
calor do fio ao fluido P é dada por:
Figura 1- Medidor de vazão tipo eletromagnético
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(
)
P = a + b ⋅ v 0,5 ⋅ (Tf − T∞ )
Onde:
Tf :
temperatura do fio(ºC);
T :
temperatura do fluido(ºC);
v:
é a velocidade do fluido (m/s);
a e b:
as constantes obtidas da calibração
do anemômetro.
(6)
Medidor
P = i ⋅ Rf = i ⋅ R 0[1 + α (Tf − T 0 )]
2
Turbina
Eletromagnético
(7)
Ultra
Onde:
i:
corrente elétrica (A);
R0:
resistência do fio à temperatura T0 (W);
Rf:
resistência do fio a temperatura de
Escolha
Perda de
Pressão
Precisão
Típica
(%)
Contato
com o
Líquido
Líquidos
limpo e
viscosos
Alta
+/- 0,5
Invasivo
Nenhuma
+/- 0,5
Não
invasivo
Líquidos
sujos e
viscosos
Nenhuma
+/- 5
Não
invasivo
Líquidos
limpos,
sujos e
viscosos
Nenhuma
+/- 1
Não
invasivo
de Fluxo
Essa razão de transferência de calor P também
pode ser determinada pela expressão abaixo:
2
Tabela 1 – Características básicas para seleção de
medidores de fluxo
Sônico
Massa
Térmica
Líquidos
condutivos
limpos e
sujos
referência Tf (W);
T0:
:
temperatura inicial (ºC);
coeficiente de temperatura da resistência
( /ºC/ );
3.
CONSTRUÇÃO DO MEDIDOR DE
VAZÃO INTELIGENTE
3.1. Construção do medidor de vazão térmico
Esse tipo de medidor possui alta sensibilidade, baixa
velocidade de partida e rápido tempo de resposta.
Assim como os demais medidores descritos, não são
intrusivos; Sampaio et al (1998).
Figura 3 – Medidor de vazão por convecção
forçada com sensores térmicos acoplados
2.4. Comparação entre os medidores de vazão
A tabela 1 mostra as características básicas de
medidores de vazão, nesta tabela o medidor de vazão
térmico está representado pelo medidor de fluxo do
tipo Massa Térmica; Balbinot (2007).
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Utilizando como base para este trabalho o
medidor desenvolvido por Oliveira et al (2008),
foram feitas modificações para se obter um medidor
de vazão inteligente não-intrusivo para líquidos.
No desenvolvimento do medidor de vazão
proposto, o sensor aquecido é composto por um tubo
de cobre tendo uma de suas extremidades envolta
por uma resistência elétrica constituída por um fio de
cobre esmaltado (AWG 30) , conectado também a
um sensor de temperatura (LM35). Na outra
extremidade do medidor existe outro tubo de cobre
sem resistência de aquecimento, também conectado a
outro sensor térmico (LM35), este com a função de
referenciar a temperatura de entrada do fluido no
medidor. Os dois tubos de cobre estão separados por
um material isolante . O conjunto que forma o
medidor de vazão é mostrado na Figura 4.
O medidor proposto destina-se a medir
valores de vazão de forma não intrusiva de fluidos
líquidos com viscosidades próximas a da água (H2O).
A resistência de aquecimento, constituida por um fio
de cobre esmaltado com 67 espiras fornecerá uma
energia térmica de 15W aproximadamente.
Devido à sensibilidade dos sensores LM35 à
temperatura ambiente, foi necessário a utilização de
um isolante térmico para evitar interferência do meio
ambiente às leituras dos sensores. Todo o conjunto
foi envolto por uma manta de amianto, que entre os
isoladores térmicos pesquisados foi o que apresentou
características de isolação térmica mais satisfatória às
necessidades do projeto.
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Figura 4 – Montagem do medidor de vazão
proposto com sensores térmicos acoplados
3.2. Descrição do sistema para aquisição de
dados
Figura 6 - Diagrama em blocos do funcionamento geral
da planta
Foi construida uma planta (Figura 5)
visando o teste do medidor de vazão inteligente
proposto. Nesta planta o fluxo líquido é
impulsionado por uma bomba de 3,3 bar, sendo
acondicionado em uma caixa plástica com a função
de tornar o fluxo líquido laminar logo após a saída
da bomba. A
saída deste condicionador foi
conectada a um medidor de vazão tipo turbina,
calibrado segundo ABNT, objetivando adquirir
informações sobre a vazão. A diferença de
temperatura( T) entre a parte ativa(tubo aquecido) e
passiva(tubo não aquecido) do medidor de vazão
térmico é correlacionado as medidas tomadas pelo
medidor de vazão tipo turbina.
Os dados são colhidos através da placa de
aquisição da National Instruments (NI USB-6009)
são processados pelo aplicativo LabView(ver 8.0) de
modo a gerar um banco de dados.
O aplicativo LabView mostra através de
uma supervisória a vazão medida, resultado da
correlação entre o medidor vazão tipo turbina e o
medidor de vazão térmico.
Também foi introduzida uma rede neural artificial
(RNA), com a finalidade de fazer auto-ajustes (selfcalibration) no medidor de vazão inteligente. Esta
rede neural artificial depois de treinada poderá
substituir o medidor de vazão tipo turbina.
4.
EXPERIMENTOS
Condições iniciais
• Temperatura ambiente e da água a 23°C
(medida com termômetro do multímetro);
• Temperatura no tubo do medidor com a
bobina desligada: 27°C;
• Tensão da bobina: 5V;
• Corrente da bobina: 3,2 A;
• Tempo de amostragem: 120s;
Os testes foram realizados com objetivo de
verificar a variação de temperatura( T) entre os
sensores ativo(tubo aquecido) e o sensor
passivo(tubo sem aquecimento) diante da variação de
vazão. A bomba foi submetida a variações de tensão
a fim de obter condições de vazão diferenciadas, e
por conseqüência uma variação da temperatura na
saída do medidor térmico.
A tabela 2 apresenta os valores de tensão em
que a bomba foi submetida com suas respectivas
correntes.
Tabela 2 – condições iniciais de teste
Condições
1ª
2ª
3ª
4ª
Figura 5 – Planta construída para teste do medidor de
vazão inteligente
Foi escolhido para controle da planta um
computador físico de hardware livre (ARDUINO
UNO), baseado no micro-controlador ATmega328P
fabricado pela ATMEL. Esta CPU faz o controle da
bomba usando um sinal PWM, além de interfacear
com o LabView através de um canal serial. Na Figura
6 é mostrado o diagrama em blocos do sistema.
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Tensão (V)
3,0
5,0
7,5
10,0
Corrente (A)
1,0
1,26
2,0
2,93
Com os resultados obtidos comprovou-se o principio
de funcionamento do medidor térmico onde é
percebida uma variação do T com relação a
variação da velocidade em que o fluido passa pelos
tubos do medidor, proporcionando um resfriamento
ou um aquecimento na versão ativa do sensor.
O Gráfico 1 mostra a variação de
temperatura( T) entre os sensores ativo(tubo
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aquecido) e passivo(tubo sem aquecimento)
relação ao escoamento do fluido no medidor.
em
Figura 8 – Diferenças de temperaturas nos sensores,
usando a ferramenta LabView
Gráfico 1 – Diferença de temperaturas entre os
sensores ( T)
Os eixos x dos Gráficos 1 e 2 representam a variação
da tensão sobre a bomba, consequentemente a
variação do fluxo no medidor. Nos testes, partiu-se
da tensão máxima aplicada a bomba até a menor
tensão de funcionamento possível sobre a mesma.
Portanto, o range de tensão aplicado à bomba foi de
12 volts até 4 volts.
Também pode ser observado nas Figuras 7
e 8 que a vazão é inversamente a proporcional a
diferença de temperatura( T), é visto aqui, que a
vazão diminui enquanto a diferença térmica entre os
sensores do medidor térmico aumenta.
O treinamento de uma RNA (rede neural
artificial) foi feito através do aplicativo MatLab e por
serem conhecidas suas saídas optou-se por um
treinamento supervisionado, sendo um algoritmo de
retropropagação (BackPropagation) o indicado.
Os dados colhidos e armazenados são
utilizadas para treinamento da rede neural, da
seguinte forma:
Foram utilizados 70% dos dados para treinamento,
para validação foram utilizados 15% dos dados e na
curva de teste utilizados 15% dos dados.
A melhor performance da rede foi obtida
com uma configuração de 2 neurônios na camada
escondida.
Gráfico 2 – Variação da vazão no medidor turbina
Os dados colhidos durante os teste também
podem ser vistos
em tempo real através da
supervisória criada no Labview , mostrando a
situação dos valores de vazão extraidos do medidor
Turbina (Figura 7).
A Figura 8 mostra situação variação da
temperatura( T) nos sensores para o mesmo intervalo
de tempo.
Figura 9 – Rede neural projetada
5.
RESULTADOS DO MEDIDOR DE
VAZÃO TÉRMICO INTELIGENTE
A Figura 10 mostra uma tela supervisória
da vazão obtida através das leituras do medidor de
vazão térmico inteligente depois de treinada rede,
este pode ser comparado com a Figura 11 que
mostra uma supervisória com o valor da vazão média
obtida com as leituras do medidor de vazão tipo
turbina.
Figura 7 – Vazão no medidor turbina lido através do
LabView
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Figura 10 – Tela supervisória da vazão no medidor
termal inteligente usando rede neural
Figura 11 – Tela supervisória da vazão média
6.
CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou os estágios iniciais
de desenvolvimento de um medidor de vazão
inteligente. Foi desenvolvido um protótipo de um
medidor cuja característica principal é ser não
intrusivo, isto é, não ter contato com fluido e
conseqüentemente evitando que o mesmo tenha
alteração em sua pressão, possuindo ainda boa
precisão e baixo custo de implementação.
Foi construída uma bancada de teste que
permitiu obter informações sobre as relações entre a
temperatura no medidor e a vazão do fluido.
Os resultados encontrados foram bastante
promissores. O medidor mostrou-se robusto em
comparação a outro medidor normalizado incluso na
linha de escoamento do fluido. A rede neural aqui
utilizada, depois de treinada foi capaz de aprender a
relação existente entre a temperatura e a vazão e foi
capaz de obter resultados bastante competitivos
quando comparado com o o medidor normalizado.
Os próximos passos deste trabalho irão se concentrar
na investigação e comparação de métodos de
identificação de sistemas tradicionais com aqueles
baseados em redes neurais e lógica fuzzy.
7.
Controle e Automação de Processos. LTC, Rio
de Janeiro - RJ
Balbinot, A. (2007). Instrumentação e Fundamentos
de Medidas, vol 2. LTC, Rio de Janeiro – RJ.
Bega, E. A. (2006). Instrumentação Industrial,
Interciência. Rio de Janeiro – RJ.
Cox, E. ; O´HAGAN, M.(1997).The Fuzzy Systems
Gambro D. (2002). Sistema Prisma - Manual
do Utilizador.Simões, M. G. e SHAW, I. S.
(2007). Controle e Modelagem Fuzzy. Blucher,
São Paulo - SP
Fialho, A. B. (2002). Instrumentação Industrial:
Conceitos Aplicações e Análises. Érica, São
Paulo – SP.
Moraes,C. C. (2007). Engenharia de
Automação Industrial. LTC, Rio de Janeiro –
RJ.
Hime, A. e Oliveira J. (2007). Inteligência
Computacional Aplicada a Administração,
Economia E Engenharia em Matlab.
Thomson.São Paulo – SP.
Inmetro, (2005).Vocabulário Internacional de
Termos Fundamentais e Gerais de
Metrologia, 4a edição. Rio de Janeiro – RJ.
Kosko, B (2005). Fuzzy Engineering. Prentice -Hall.
Lira, F. A. de. (2007)..Metrologia na Indústria.
Érica, São Paulo - SP
Oliveira, M. A. A. ; Pinheiro, G. R. V. ; Amaral, J. L.
M. ; Amaral, J. F. M. (2008). Desenvolvimento
de um Anemômetro por Convecção Forçada.
Anais do Primeiro Congresso Internacional
de Metrologia Mecânica. Rio de Janeiro – RJ.
Sampaio,C.A.P. ;Passos,E.F. ; Dias,G.
P. ;Correa,P.C.(1998). Desenvolvimento e
Avaliação de um Anemômetro de Fio Quente
Operando a Temperatura Constante
Anemômetro. Revista Brasileira de Engenharia
Agrícola e Ambiental, v.2,n.2,p.229-234.
Campina Grande-PB.p
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Albertazz, A. G. Jr. ( 2008). Fundamentos de
Metrologia Científica e Industrial. Editora
Manole.
Alves, José Luiz Loureiro.(2005).Instrumentação,
ISSN: 2175-8905 - Vol. X
868