Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Centro de Tecnologia
Departamento de Engenharia Elétrica
TRABALHO DE
INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA
Flávio César N de Oliveira
Maio/07
Professor: Luciano Fontes
Projeto de Controle
de Temperatura de
Caldeiras Industriais

Objetivo
Neste projeto é proposto um sistema automatizado de controle
de temperatura de caldeiras industriais capaz de amenizar os
custos de operação e aproveitar ao máximo sua capacidade
de produção.

Definições
Caldeira é um recipiente metálico cuja função é, entre muitas, a produção de
vapor através do aquecimento da água. As caldeiras em geral são empregadas
para alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais
diversos, cozimento de alimentos através do vapor, calefação ambiental.
Caldeira Industrial

Projeto
Sub-Dividido em três Módulos:
Módulo da Caldeira - composto por caldeira industrial, sensores de temperatura
(termopares), circuito de condicionamento de sinais baseados em amplificadores
operacionais (conformador) e atuadores de temperatura (relés).
Módulo de Hardware - responsável pela realização do controle da temperatura,
baseado em microcontrolador (PIC 16F876).
Módulo de Software - Responsável pela interface com o operador. É realizada
através de computador, desenvolvido em linguagem orientada a objetos (C++).

Módulo da Caldeira
Transdutor de Temperatura
Conformador

Transdutores de Temperatura
A escolha do transdutor mais adequado deve obedecer a algumas diretrizes,
como a precisão e o intervalo de temperatura de operação. Tendo em
vista estes fatores, foi escolhido o sensor de temperatura do tipo TERMOPAR.

Termopar
Em 1822, o físico Thomas Seebeck descobriu (acidentalmente) que a
junção de dois metais gera uma tensão elétrica que é função da temperatura a
qual está submetida a junção. O funcionamento dos termopares é baseado neste
fenômeno, que é conhecido como Efeito de Seebeck.
Embora praticamente se possa construir um termopar com qualquer combinação
de dois metais, utilizam-se apenas algumas combinações normalizadas, isto
porque possuem tensões de saída previsíveis e suportam grandes gamas de
temperaturas.
Neste sistema é utilizado o termopar do tipo T, no qual os materiais
presentes são Cobre e Constantan (cobre+níquel). Este tipo de termopar é capaz
de medir temperaturas entre –185 ºC e 400 ºC.

Termopar
Tipos
Intervalo de
Temperatura
(°C)
Voltagem de Saída
(mV)
Tipos
Material
Positivo
Material
Negativo
E
0 à 980
0 à 75,12
E
Cromo
Constantan
J
-185 à 870
-7,52 à 50,05
J
Ferro
Constantan
K
-185 à 1260
-5,51 à 51,05
K
Cromo
Alumínio
T
-185 à 400
-5,28 à 20,80
T
Cobre
Constantan

Circuito Conformador
Como os sinais gerados são muito pequenos, na ordem dos mV, o
que torna difícil sua leitura e, por conseqüência, a análise de características,
é necessária a amplificação destes sinais. O circuito conformador amplifica os
sinais de baixa amplitude para possibilitar uma medição precisa.
A melhor forma encontrada para amplificar os sinais dos sensores
foi a utilização do amplificador de instrumentação INA129 da Texas Instruments.
Tal amplificador pode fornecer ganhos de até 10000 vezes aumentando
consideravelmente a amplitude do sinal.

Circuito Conformador

Comportamento do Sensores
Após a amplificação dos sinais, pode-se analisar o comportamento dos
termopares, ou seja, a linearidade das respostas (temperatura X tensão de saída).
A saída do termopar não é linear. A relação entre a temperatura e a
tensão de saída é uma equação polinomial de 5ª a 9ª ordem dependendo do tipo
do termopar.
Após a coleta de algumas amostras de medidas de temperatura e
tensão de saída, pode-se montar uma tabela, que por sua vez gera um gráfico
(T x V), ou seja, a tensão de saída do conformador variando de maneira
proporcional à temperatura.
Utilizando as amostras e técnicas de regressão linear chega-se a uma
equação do tipo
Y = a + bx

Módulo de Hardware
Multiplexador
Microcontrolador
Conversor de Nível

Multiplexador
Através deste componente torna-se possível a realização da aquisição de
quatro diferentes sinais, referentes a quatro sensores de temperatura, utilizando
apenas um canal de conversão A/D.
Todos os sinais provenientes dos sensores são aplicados no multiplexador.
O microcontrolador realiza a seleção do sinal desejado através dos 2 bits de seleção
presentes no multiplexador.
O multiplexador utilizado no projeto
é o CD4052BC da Fairchild Semiconductors,
este componente é um mux/demux analógico de 4
canais ( 4/1 ) com duas entradas de seleção
digital.

Microcontrolador (PIC 16F876)
O PIC realiza a função de controle de temperatura baseado em
informações do operador como a equação de conversão para °C e a
temperatura requisitada, ou seja, o sistema regula a temperatura da caldeira
para que permaneça igual ou próxima à requisitada pelo usuário.
Como todo controlador, o PIC 16F876 realiza os cálculos necessários
obedecendo aos sinais de entrada (sinais dos sensores e parâmetros fornecidos
pelo usuário).
Através dos pinos Rb0 e Rb1, o
microcontrolador “escolhe” uma
combinação de bits que irão
definir a seqüência de aquisição
dos sinais dos sensores ligados
ao Mux.

Facilidades do PIC 16F876
Conversor A/D incorporado: Para possibilitar os cálculos necessários,
Os sinais adquiridos são convertidos da forma analógica para a forma
digital. Esta tarefa é realizada no microcontrolador pelo Módulo de
Conversão Analógico-Digital (A/D), um dos recursos disponíveis no
PIC-16F876.
Transmissão serial: A transmissão serial dos valores de temperatura
em cada um dos sensores, é realizada, pelo módulo MSSP (Master
Synchronous Serial Port ou Porta Serial Síncrona Master) incorporado ao
microcontrolador.

Conversor de Nível
O nível do sinal num PC é de -10V para o nível lógico um e +10V para
nível lógico zero. Como os níveis lógicos num microcontrolador são de +5V para
o nível lógico um e 0V para o nível lógico zero, a utilização de uma componente
eletrônico capaz de realizar as conversões dos níveis de tensão é necessária.
Um circuito integrado projetado especialmente para executar este trabalho
é o MAX232.
O MAX232 é um conversor de
nível de dois canais de recepção e dois de
transmissão. Cada canal receptor converte
os sinais provenientes da porta serial para o
nível 5V TTL/CMOS. Cada canal transmissor
converte as entradas em nível TTL/CMOS
para níveis compatíveis a porta serial do PC.

Módulo de Software
O PC (software) é a interface do sistema com o usuário. Através dele
o usuário pode manter-se atualizado sobre o atual estado do sistema (tempo real)
e configurar o mesmo de acordo com suas necessidades.
O desenvolvimento deste módulo foi realizado através de linguagem
de programação orientada a objetos de maneira a facilitar a estruturação dos
dados. No caso, a linguagem utilizada foi a C++, e o software é o Borland
Builder C++ (versão 5) da Borland.

Conclusões
• Aplicação da tecnologia de microcontroladores em substituição a tecnologia de
CLP’s, usualmente utilizada em soluções de automação industrial.
• Transdutores flexíveis.
• Sistema Relativamente barato.
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Referências
• Microcontrollers PIC16F87X Datasheet. The Microchip Worldwide Site.
Disponível em http://www.microchip.com.
• MAX232 Dual EIA-232 Drivers/Receivers Datasheet. Texas Instruments.
Disponível em http://www.texasinstruments.com.
• CD4052BC Dual 4-Channel Analog Multiplexer/Demultiplexer Datasheet.
Fairchild Semiconductors. Disponível em http://www.fairchildsemi.com.
• www.equipe-termopar.com.br
• http://pt.wikipedia.org/wiki/Termopar
• TOCCI, Ronald J. Sistemas Digitais: Princípios e Aplicações. Prentice Hall,
2003.
THE END