Universidade Federal do Rio Grande do Norte

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• 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

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Projeto de Controle de Temperatura de
Caldeiras Industriais
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• 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.
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• 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
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• 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).
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(No Transcript)
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• Módulo da Caldeira

Transdutor de Temperatura
Conformador
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• Transdutores de Temperatura

A escolha do transdutor mais adequado deve
obedecer a algumas diretrizes, como a exatidão
e o intervalo de temperatura de operação.
Tendo em vista estes fatores, foi escolhido o
sensor de temperatura do tipo TERMOPAR.
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• 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 (cobreníquel). Este tipo de
termopar é capaz de medir temperaturas entre
185 ºC e 400 ºC.
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• Termopar

Tipos Intervalo de Temperatura (C) Voltagem de Saída (mV)
E 0 à 980 0 à 75,12
J -185 à 870 -7,52 à 50,05
K -185 à 1260 -5,51 à 51,05
T -185 à 400 -5,28 à 20,80
Tipos Material Positivo Material Negativo
E Cromo Constantan
J Ferro Constantan
K Cromo Alumínio
T Cobre Constantan
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• 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.
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• Circuito Conformador

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• 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
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• Módulo de Hardware

Multiplexador
Microcontrolador
Conversor de Nível
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• 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.
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• 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.
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• 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.
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• 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.
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(No Transcript)
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• 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.
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(No Transcript)
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• Conclusões

• Aplicação da tecnologia de microcontroladores em
  substituição a tecnologia de
• CLPs, 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.

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THE END