Disciplina: Instrumentação eletrônica 2008.2
Professor: Luciano Fontes
Aluno: Abrahão da Silva Fontes 200621246
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Sumário
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Objetivo
Conceitos
Esquemático
Projeto
Conclusão
Referências
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Objetivo
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Através da necessidade de se medir a pressão de reservatórios
de líquidos para o controle de nível foi desenvolvido sensores
capacitivos.
O intuito deste trabalho é desenvolver um instrumento
eletrônico capaz de medir a pressão de nível destes
reservatórios via uma célula capacitiva.
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Conceitos
Mas o que é um controle de nível? Controle de nível é a
manipulação de algumas variáveis de um sistema,como fluxo
de entrada e saída, para que seja mantido o nível de um
reservatório.
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Conceitos
Muitos são os sensores baseados em células capacitivas usados na
indústria. Um deles está ilustrado abaixo, o sensor LD301 da Smar.
Percebe-se nele a utilização da diferença de pressão,onde um lado
recebe a pressão atmosférica e a outra recebe a pressão do nível, por
um fio conduzindo a água no ponto onde se localiza a maior pressão
do reservatório.
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Esquemático
Grandeza
Física
Sensor
e
Transdutor
Pressão
Célula
Capacitiva
Conformador
Processamento
do
Sinal
Interface
Homem
Máquina
Pic 18F877
Computador
Monitor
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Projeto
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O sensor de pressão via célula capacitiva funciona a partir da
comparação entre duas pressões, isto é, de forma diferencial.
Assim a pressão referência é a atmosférica, e a pressão exercida
na célula possui um diafragma fixo que serve como referência
para as variações entre as placas paralelas da capacitância.
P1 é a pressão atmosférica
P2 é a pressão exercida
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Pf é a pressão exercida pelo líquido em uma célula
capacitiva
Cf é a nova capacitância sofrendo a pressão Pf
d é a distância entre as placas quando a célula está
sofrendo apenas a pressão atmosférica
∆d é a variação sofrida pelas placas paralelas
devido a pressão Pf
Cr é a capacitância de referência
Sabendo que C=єA/d, tem-se que: Cr=єA/d e Cf=
єA/(d-∆d)
Sabendo que a energia armazenada em uma
capacitância é dada por Ec=0,5CV2
Sabendo que ∆P=F/A ,que W=F∆d e que a
variação da energia armazenada nas placas
paralelas é dada por ∆Ec=Ecf-Eci, tem-se que :
W=∆Ec, substituindo W na equação,temos:
F∆d=∆Ec, usando F=∆PA,temos:
∆P= ∆Ec/(A ∆d),como ∆Ec=Ecf-Eci,então ∆Ec=0,5(CfVf2-CiVi2),assim:
∆Ec=0,5{[єAVf2/(d-∆d)]-[єAVi2/d]},substituindo na fórmula da
diferença de pressão:
∆P=(0,5 є/∆d){[Vf2/(d-∆d)]-[Vi2/d]}
O pic 16F877 controla o sinal de reset, a entrada de disparo e
monitoriza a tensão de saída, temporizado pelo monoestável 555. O pic
também tem a função automática de ajuste de zero, para que as
capacitâncias parasitas não interfira na medida, além de ajustar a escala de
medida quando necessário, alterando a corrente sobre o capacitor com o
auxílio do transistor. Ele mede uma faixa de 1pF até 10uF.
O circuito faz a medição em tempo real da capacitância e o pic
armazena o valor medido e da tensão. Estes valores armazenados são
enviados para o computador via cabo serial como mostrado na próxima
figura.
Esta figura mostra a comunicação
via porta serial com o computador.
No caso o desejo é receber os dois
dados armazenados pelo pic. Estes
valores passam por um CI que
converte sinal TTL pra RS232, para o
computador.
Com os dados captados do pic via porta serial, o
computador fica responsável pelo cálculo da pressão e da
plotagem, em tempo real, do gráfico da pressão versus o
tempo. Estes podem ser implementados com um algoritmo e
visualizado no monitor, como pode ser visto nos próximos
slides respectivamente.
%Função do cálculo da pressão e gráfico
function pressão (Cf,Vf) % Cf e a capacitância final medida e Vf e a tensão
armazenada sobre o capacitor
Eo=8.85e-12; %constante de permissividade do ar
Vi=100e-3; %tensão de referencia
P1=1;% pressão do ar
A=1e-4; %área das placas paralelas do capacitor
d=1e-2; %distância de referência entre as placas paralelas
for i=1:1:n+1
deltad(i)=d-(Eo*A)/Cf(i); % deltad e o diferencial da distância
P2(i)=P1+(0.5*Eo/deltad(i))+((Vf(i)^2/(d-deltad(i)))-(Vi^2/d));
x(i)=i;
if t==1 % t é uma variável lógica que indica a entrada dos valores Cf e Vf
n=n+1;
end
plot (x,P2)
end
Abaixo está representado um possível gráfico da Pressão versus o tempo que
o usuário irá visualizar na tela do computador.
O gráfico acima é discretizado no tempo, ou seja
ele não varia de forma continua, mas é clara a percepção
de que há variações na pressão em relação a referencial,
que é a parte constante. É nestas variações que o usuário
pode realizar alguma ação para corrigir essa pressão.
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Conclusão
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Este aparato de medição pode ser acoplado em um só
instrumento eletrônica, mas que necessitará do computador
para sua perfeita utilização.
Ele pode ser muito útil para indústria para medições de nível e
pressão de reservatórios, para que seja possível um controle
destes.
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Referências
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www.smar.com.br
www.luciano.ufrn.br/artigos:Medidor de
capacidade e ESR
Livro do Halliday
Livro do Ogata
Livro do Tocci
Notas de aula