didactic system of supervision and data acquisition to ... · aquisição de dados,...

1Abstract— The automation in equipment has been revolutionizing a lot every day, improving not only the conditions in the working environment, but also the cost benefit that each machine can offer. With this, the objective of this work is to develop a supervision system for a test rig of hydraulic pumps with didactic purposes. In order to do so, it will be taking into account the physical quantities such as flow [Q], pressure variation [Δp] and temperature variation [T]. For the development of the acquisition and supervision system, an NI USB-6002 board was used communicating with LabVIEW software, by reading transducers installed along the test circuit. The proposal was to develop an automated test didactic system in order to present the volumetric efficiency results for an external gear type pump. In the end, the results demonstrated that the physical structure as well as the software developed will be of extreme importance in the automation disciplines as well as hydraulic systems, allowing the academics to have a more critical view on the behavior of hydraulic pumps in conditions operation.

Keywords— Automation, LabVIEW, hydraulic pump.

volumetric efficiency.

I. INTRODUÇÃO

tualmente, a automatização e implantação de sistemas supervisórios estão mais presentes nas indústrias e, consequentemente, nos sistemas educacionais de

diversas áreas que requerem controle, supervisão e análise de dados. As variáveis de grandezas elétricas fornecem um compreendimento amplo referente às características de cargas utilizadas em um circuito elétrico. Para a leitura dessas grandezas, são comumente utilizados multimedidores, que exibem, em uma interface homem-máquina (IHM), os valores de consumo e as características de alimentação da rede, como, por exemplo, potência (W), tensão (V), frequência (Hz), corrente (A), entre outras.

Neste trabalho, será apresentada a automatização das leituras de sensores/transdutores, por meio dos módulos didáticos da National Instruments (NI) que vem revolucionando o modo de trabalho de técnicos, engenheiros e cientistas. Isto se deve ao lançamento do programa LabVIEW

L. Waterkemper, Department of Industrial Automation (Scholarship), Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected] R. M. Castro, Department of Mechanical Engineering, Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected] L. M. Lopes, Department of Mechanical Engineering (Scholarship), Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected] L. F. I. Feltrin, Department of Mechanical Engineering (Scholarship), Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected] E. I. M. Elvys, Department of Mechanical Engineering, Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected] L. C. Correa, Department of Mechanical Engineering, Faculty SATC, Criciúma-SC, Brazil, [email protected]

(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench), em 1986, como um ambiente de programação voltado ao desenvolvimento de aplicações, baseado em instrumentação virtual, que permite o rápido avanço tecnológico e comercial [1]. Diversas pesquisas citam o uso do LABVIEW como opção de software para sistemas de aquisição de dados. Mendes Junior et al., (2016) citam o uso deste software aplicado em um braço robótico, considerando a facilidade e flexibilidade nas configurações do programa, e, portanto, diminuindo o tempo usado para estas tarefas [2].

Nesta pesquisa didática que será apresentada para avaliação de bombas hidráulicas, optou-se por utilizar a placa multifuncional NI DAQ 6002 da National Instruments, pois a quantidade/tipo de entradas e saídas (I/O), resoluções das I/O, taxa de aquisição, entre outras características atendiam aos requisitos do projeto. Esse modelo de placa é conectado via protocolo USB ao computador, sendo capaz de fazer a leitura em tempo real. O objetivo é realizar a aquisição para um sistema supervisório capaz de transformar grandezas mecânicas e/ou físicas em grandezas elétricas, dando ênfase na instrumentação. Os softwares desenvolvidos neste ambiente oferecem uma interface de fácil entendimento e operação, trazendo todas as informações na tela do equipamento.

II. LABVIEW

O LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering

Workbench) permite criar uma interface com o usuário por meio de uma linguagem de programação gráfica chamada G. Essa linguagem possui um conjunto de instruções, mas, ao invés de utilizar comandos na forma de texto para gerar as linhas de código, utiliza uma linguagem de programação gráfica, ou seja, o programa é feito na forma de blocos funcionais. Estes blocos apresentam bibliotecas de funções prontas para utilizar em qualquer tipo de aplicação específica, como análise espectral e estatística, filtragem de sinais, aquisição e controle de dados, comunicação com instrumentos I/O, dentre outras [3].

Ao utilizar uma estrutura de programação hierárquica e orientada pelo fluxo de dados, o LabVIEW torna simples a implementação de sistemas complexos que englobam aquisição de dados, instrumentação e controle de equipamentos por meio de computadores físicos [4].

O LabVIEW reconhece vários barramentos conectados ao PC, como GPIB, Ethernet, USB, RS-232, RS-485, PCI, CAN, dentre outros. Além disso, o LabVIEW pode trabalhar com programas de outras áreas como o MATLAB e o Excel, além de acessar e controlar o programa disponível na internet, usando a ferramenta WEB publishing do LabVIEW [5]. Esse software é considerado uma plataforma de desenvolvimento

A

Didactic System of Supervision and Data Acquisition to Evaluate the Performance of Hydraulic Pumps

L. Waterkemper, R. M. Castro, L. M. Lopes, L. F. I. Feltrin, E. M. Curi and L. C. Correa

IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018 1113

de programas amplamente disseminada e utilizada para esse desenvolvimento, que apresenta como características:

§ Facilidade de programação: por ser uma linguagem gráfica, criar aplicações é um processo rápido e simplificado, possibilitando a criação de aplicações complexas e de alto desempenho, atraindo profissionais inclusive de outras áreas; § Comunicação: suporta diversos tipos de comunicação, o que permite um grande alcance em termos de compatibilidade com dispositivos; § Ferramentas: possuem por padrão diversos tipos de ferramentas próprias para disponibilizar aplicações na Internet, como o Servidor Web, Painéis frontais remotos, Toolkits próprios para aplicações em rede, além de propiciar facilidade em seu uso e configuração.

III. PRINCÍPIO DE CALIBRAÇÃO DOS

TRANSDUTORES Calibração de instrumento é um conjunto de operações que

estabelece, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os valores correspondentes das grandezas estabelecidas por padrões [6]. As operações de calibração são baseadas na comparação de um instrumento de medição com outro assegurado que esteja no padrão do Sistema Internacional (SI).

O princípio das medições é baseado na expectativa do conhecimento dos erros e das fontes de incerteza que estão associados a qualquer medição. Segundo Albertazzi (2008), o sistema de medição possui uma grande influência nos erros de medidas. Por isso, tratar os erros de leitura, ou ainda, conhecer bem as características dos instrumentos de medição por meio de sua calibração é imprescindível [7].

Segundo Webster et al. (1999), o procedimento de calibração é uma relação entre a variável de entrada (medição física) e a variável de saída de um sensor [8]. Tipicamente, um sensor ou todo sistema da instrumentação é calibrado, fornecendo dados do estímulo em relação a sua resposta de saída, mostrando o efeito de sua precisão.

IV. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A metodologia desenvolvida foi determinar as curvas de

ajustes e de erros de cada sensor, usado na bancada de testes, sendo primeiramente para o sensor de temperatura, obtendo-se a variação em graus Celsius (ºC), com o objetivo de medir a temperatura do óleo que será empregado no circuito. Em seguida para o transdutor de pressão, obtendo-se a variável em (bar) e, por último, os procedimentos para o sensor de vazão volumétrica, determinando o diferencial de volume em LPM (litros por minuto).

A. Levantamento dos dados para a medição de Temperatura

As informações iniciais para levantar a curva do sensor PT100 foram baseadas na comparação entre dois sensores de temperatura: um, o próprio sensor utilizado na bancada didática do tipo PT100 (Tab. II) e outro, sensor de temperatura digital Minipa tipo vareta MV-363. Com o auxílio de um

forno elétrico, foi levantada uma comparação entre os valores do sensor do digital e do PT100. O procedimento de calibração por comparação entre os dois sensores, resultou na função de transferência f(x) = 0,0687x + 0,6948. Os dados são representados graficamente, em uma curva de calibração, tal como o exemplo mostrado na Fig. 1.

Figura 1: Curva de ajuste do sensor de temperatura

Esses valores do coeficiente angular foram implantados no software desenvolvido do LabVIEW para informar a medida instantânea da temperatura adquirida pelo sensor PT100. Por meio do valor obtido pelo R2 (0,9999), verificou-se que o sensor apresentou um comportamento linear, podendo ser considerado para a conversão da grandeza temperatura.

Mediante aos testes realizados, foi possível identificar alguns erros na medição do sensor de temperatura, apresentado na Fig. 2. Nota-se que, em 40 graus Celsius, o percentual de erro é mais elevado em relação aos outros valores, correspondendo a um erro de 0,0288. Ao converter esse valor em temperatura, fornece um resultado de 0,34 °C, ou seja, não influenciável para a entrega dos resultados das curvas de operação das bombas hidráulicas.

Figura 2: Curva de erro do sensor de temperatura B. Levantamento dos dados para a medição de pressão

O sistema empregado para a medição de pressão é composto por um transdutor GEFRAN do tipo TK, com faixa de medição de 0 a 500 bar, sinal de saída 4...20mA/0...10VCC e tensão de alimentação 18 a 24 VCC, conforme dados apresentados pela Tab. II.

O procedimento de calibração deste sensor seguiu como base o método indireto, usando como referência um manômetro empregado nos testes com escala de 0 a 60 bar. Após a comparação dos valores entre transdutor e manômetro padrão, foi possível elaborar a curva inicial de correlação entre pressão e tensão. Durante os testes, foram realizadas 14 medições em uma escala de 5 em 5 bar, até a pressão máxima

y=0.0687x+0.6948R²=0.99991

0

2

4

6

8

0 20 40 60 80 100

Tens

ão [V

]

Temperatura [°C]

-0.0288-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.020.03

0 20 40 60 80 100

Qua

lidad

e de

aju

ste

[V}

Temperatura [°C]

1114 IEEE LATIN AMERICA TRANSACTIONS, VOL. 16, NO. 4, APRIL 2018

do manômetro, conforme é apresentado na Fig. 3.

Figura 3: Curva de ajuste do transdutor de pressão

Após a obtenção dos dados da função de transferência f(x)

= 0,1005x – 0,0848, retirada a partir da linearização entre os dados de 0 a 10 VCC para 0 a 60 bar, eles foram introduzidos no programa desenvolvido no LabVIEW, a fim de mostrar a interface gráfica e o resultado real da medida. Na Fig. 4, é apresentada a curva de erros (qualidade de ajuste) entre os valores medidos e os determinados teoricamente pela equação.

Figura 4: Curva de erro do sensor de pressão

Pode-se observar a diferença entre os valores práticos e teóricos, determinando o quanto a equação se aproxima do valor real. Com base ainda na Fig. 4, o maior erro encontrado em Volts foi de 0,0427, correspondendo a uma pressão de 0,43 bar, ou seja, não influenciando na demonstração dos resultados, apresentados nas curvas da bomba (Fig. 13 e 14).

C. Levantamento dos dados para a medição de vazão

Os sensores de vazão são equipamentos que devem ser

ajustados e/ou calibrados, a fim de fornecer resultados confiáveis das medições, determinando a relação entre o sinal de saída do sensor e o fluído que passa por este. A calibração pode ser feita por alguns métodos, calibração por comparação, em que se usa um instrumento calibrado com exatidão superior, por instalação fixa, na qual se leva a comparação de tempo e o volume do fluido, entre outros métodos.

O procedimento utilizado neste trabalho foi o mais simples, em que, com o deslocamento volumétrico da bomba e a rotação gerada pelo motor, serviu-nos como base para a amostragem mais confiável. A partir desse procedimento, optou-se por identificar o volume fornecido pelo medidor de vazão AICHI modelo OF05ZAT (Tab. II). Para obter esse volume, utilizou-se uma proveta graduada, onde, a partir do conjunto moto-bomba acionado, dar-nos-ia uma vazão na saída da bomba e essa mesma vazão seria despejada no recipiente, enchendo-o até seu volume final de 1000 ml. O sensor empregado gera o sinal em pulso, esse valor foi

adquirido por meio de um conjunto de dados de três ensaios e, em seguida, obtendo-se uma média conforme Tab. I.

TABELA I

RESULTADO DE PULSOS/S PARA CONVERSÃO EM ml

Tempo (s) Média de pulsos Desvio padrão

0 0,00 ± 0,00 10 60,61 ± 1,52 20 119,91 ± 1,04 30 178,55 ± 1,32 40 237,66 ± 1,69 50 296,78 ± 1,47 60 355,88 ± 1,82

O teste demonstrou que, para preencher o recipiente de

1000 ml, o sensor apontava 168 pulsos como sinais na saída. Com base nos cálculos matemáticos, concluiu-se que o medidor de vazão volumétrico fornecia 5,95 ml/pulso.

V. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE AQUISIÇÃO E SUPERVISÃO DOS DADOS

O aparato experimental utilizado para realizar o processo

de medição e que serviu para integrar ao sistema de supervisão e aquisição de dados, foi desenvolvido integrando a este os componentes apresentados, conforme a Fig. 5.

Figura 5: Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados empregados

A Fig. 5 apresenta os componentes principais utilizados no

sistema de aquisição, em que se utilizou uma placa de aquisição de dados portátil modelo USB-6002, fabricado pela National Instruments (NI). Essa placa possui uma resolução de 16 bits e 16 kS/s em taxa de amostragem.

As características dos transdutores utilizados na bancada são apresentadas na Tab. II.

TABELA II

CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS TRANSDUTORES

Transdutores Descrição técnica dos transdutores

Vazão Tipo engrenagem oval – saída digital em pulso, mod. OF05ZAT (AICHI)

Pressão Princípio resistivo. Saída analógica (0 a 10 VCC) modelo. TK (GEFRAN)

Temperatura Tipo PT100 (faixa de -15 a 150ºC) (SAMRELLO)

y=0.1005x-0.0848R²=0.99975

01234567

0 10 20 30 40 50 60 70

Tens

ão [V

]

Pressão [bar]

0.0427

-0.04

0.01

0.06

0 10 20 30 40 50 60 70

Qua

lidad

e de

aju

ste

[V}

Pressão [bar]

WATERKEMPER et al.: DIDACTIC SYSTEM OF SUPERVISION 1115

Como os sensores empregados possuíam distintas tensões de alimentação, 5, 10 e 24 Volts de corrente contínua (VCC), foi projetado uma placa eletrônica reguladora de tensão que forneceu esses valores, usando uma única fonte fixa de 24 VCC. Com isso, trouxe ao projeto uma maior economia, ocupando um menor espaço em comparação as fontes comerciais de saída variável, além de poder fixar melhor as ligações entre os sensores, o conversor de frequência e a placa de aquisição de dados (Fig. 6).

Figura 6: Placa eletrônica reguladora de tensão

O princípio de utilização é feito através de uma fonte fixa

de 24VCC, que está conectada à entrada da placa em que os reguladores de tensão LM 7810 e LM 7805 fornecerão valores de 10 VCC e 5 VCC, respectivamente. Durante o processo de carregamento, os capacitores localizados nas saídas de tensão, estarão continuamente carregando e descarregando para manter estável a tensão fornecida à carga, quando estiver conectada, além de evitar flutuações de tensão no sistema.

Desenvolvimento do software

A partir do conhecimento de cada bloco funcional que seria

necessário utilizar para o desenvolvimento do programa, por meio do LabVIEW e dos dados que permitem correlacionar as grandezas físicas (pressão, vazão e temperatura), foi possível elaborar um algoritmo de controle que atendesse a necessidade em questão, conforme apresentado na Fig. 7.

Figura 7: Diagrama de blocos do sistema de supervisão e aquisição de dados elaborado via LabVIEW, Student Edition 2015.

O software foi desenvolvido para fazer a leitura das variáveis analógicas de cada sensor. Os sinais dos

instrumentos analógicos de medição foram adquiridos por meio da configuração das portas de entradas analógicas especificadas em tensão, onde se utilizou um bloco “DAQ Assistant”, com a opção de aquisição contínua dos dados.

O procedimento utilizado para leitura de pressão, temperatura e vazão foi configurado no bloco DAQ assistant, no modo leitura de 0 a 10 VCC, e entrada correspondente para cada sensor, por meio das equações correspondentes de cada curva de ajuste, apresentada anteriormente para temperatura e pressão. Contudo, para o medidor de vazão utilizou-se de outro artifício para a conversão de tensão elétrica em vazão. Para esta entrada, configurou-se uma leitura de 0 a 5 VCC, onde outro bloco de dados ligado em série (Timing and Transition Measurements - TTM), foi utilizado como conversor de pulso em período, conforme Fig. 8.

Figura 8: Diagrama de bloco (DAQ assistant), Timing and Transition Measurements

Por meio da Fig. 8, percebe-se que o bloco TTM serviu

para converter os sinais do período em frequência, para, posteriormente, ser convertido em vazão instantânea, através da multiplicação deste sinal pelo deslocamento volumétrico sensor de pulso em vazão. Salienta-se que foi necessário realizar esse procedimento, pois, diante das três grandezas medidas, esse era o único sensor que fornecia o sinal digital de pulso.

Por intermédio desse programa desenvolvido (algoritmo de controle), todo processo de aquisição de dados das grandezas físicas de interesse era ativado. A cada instante, os dados eram adquiridos e armazenados por uma taxa de aquisição inicialmente definida em 500 Hz. Anteriormente, utilizaram-se diversas taxas de aquisições para os testes, as de 500 Hz foram as que tiveram um melhor resultado para visualização, com menor quantidade de dados armazenados.

O processo de aquisição de dados é realizado continuamente, sendo as variáveis (leitura dos sensores) enviadas para uma interface gráfica e visualizadas em tempo real no painel frontal da interface. Na Fig. 9 é apresentada a interface que o usuário (acadêmico) terá acesso para a visualização dos dados da bomba hidráulica que estará em regime de operação.

A fim de concentrar todo processo de teste por meio do software, foi implantado o acionamento do motor elétrico de indução trifásico – 4 pólos (Fig. 12) que aciona a bomba hidráulica, onde uma saída digital da placa USB-6002 foi utilizada para mandar o sinal a um relé, fazendo o acionamento do sistema remoto via inversor e monitorando o seu funcionamento liga/desliga, via software, além de uma saída analógica para alterar a frequência do inversor (Tab. III),


tornando possível a controlabilidade da rotação do motor elétrico, dando uma maior versatilidade à bancada didática.

Figura 9: Interface gráfica do ambiente virtual de supervisão e aquisição de dados elaborado via LabVIEW, Student Edition 2015

TABELA III DADOS DO INVERSOR

Item Características Valores/Unidade

Dados do inversor

Potência nominal 0,37 kW Corrente de partida/Corrente nominal

4.2 A

Tensão de funcionamento 220/380 V

Frequência nominal 60 Hz Redução 8.20

No controle de velocidade, utilizou-se uma saída analógica

da placa de aquisição USB-6002, onde, no software, implantou-se uma programação que nos deu uma resolução na saída 0 a 10 V (Fig. 10). Como a entrada do inversor é de 0 a 10 V, foi utilizado o parâmetro 234 do inversor para multiplicar a entrada por 200% (ganho). A saída analógica da placa de aquisição possui uma resolução de 8 bits e a entrada analógica do inversor possui resolução de 7 bits, assim é possível variar a velocidade de 0 a 1000 rpm com uma escala de 10 rpm.

Outro conceito a ser alterado foi no rendimento volumétrico da bomba, pois, quando se trata de uma rotação fixa, simplesmente se calcula a vazão de saída pela a vazão teórica da bomba, pois o deslocamento volumétrico da bomba é fixo, e o que se alterará é a vazão, conforme a rotação. Cunha, et al. (2015), também cita um controle eficiente de fluxo de uma bomba, utilizando o princípio de alteração da frequencia de um motor de indução trifásico [9].

Neste caso específico, como se trata de uma bancada de teste para obtenção dos dados reais em várias condições de operação da bomba, foi necessário realizar uma alteração no programa feito inicialmente, para que, mesmo modificando os valores de rotação do motor elétrico, a vazão teórica (Qtb) alterasse automaticamente. Com isso, foi realizado um simples cálculo a partir da saída da DAQ 2, onde o valor foi multiplicado por uma constante igual a 100, e esse resultado novamente foi multiplicado pelo deslocamento da bomba, a fim de que a sua alteração fosse conforme o da vazão da

bomba hidráulica.

Figura 10: Acionamento do motor. DAQ 3 (liga e desliga motor) e DAQ 2 (variação da rotação do motor).

O inversor utilizado para o acionamento do motor elétrico

foi da linha CFW 10, do fabricante WEG, com alimentação monofásica e saída trifásica. Sua potência máxima de acionamento é de 0,75 kW, atendendo à potência de 0,37 kW do motor elétrico e das condições de operação da bomba hidráulica.

Para a geração posterior das curvas de operação da bomba hidráulica, via o software EXCEL, além de servir para trabalhar com os dados numéricos da bomba em regimes de elevação de pressão e temperatura, foi utilizado um bloco de função no LabVIEW, denominado de Write To Measurement File (Fig. 11), o qual grava os dados em função do tempo.

Figura 11: Bloco de função – “Write To Measurement File”, utilizado para salvar os dados.

Esse bloco de funções permite salvar os dados adquiridos

em alguns formatos de arquivo (.xls, .txt, entre outros), além de opções de salvamento em única ou mais colunas. Neste artigo, utilizou-se a opção no formato (.txt) e separação por colunas, devido a facilitação de trabalhar com os dados separadamente de cada sensor.

VI. VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS

Para validar o desenvolvimento do sistema de supervisão e

aquisição de dados, foram realizados alguns ensaios experimentais a partir de uma bancada, a fim de se obter a vazão instantânea e as curvas de pressão e de temperatura do circuito. A configuração estrutural e de montagem da bancada de ensaio (Fig. 12) foi utilizada para simular e validar o projeto de instrumentação proposto.

A bancada tem como princípio a medição da vazão instantânea por meio de um transdutor de vazão instalado na


linha da pressão de suprimento do circuito. Esse transdutor tem seu princípio de funcionamento baseado na contagem de pulso, que logo é convertido em deslocamento por rotação de fluido e, posteriormente, em vazão volumétrica. A bancada também é composta por um transdutor de pressão e um sensor de temperatura, além de um manômetro para um comparativo dos resultados de pressão.

Figura 12: Bancada didática para avaliação do rendimento de bombas A bomba hidráulica utilizada possui em projeto, no seu

rendimento máximo, uma vazão teórica de aproximadamente 2,1 LPM. Com uma estrutura adaptada e preparada para a realização dos testes, a bomba é submetida à elevação de pressão, simulada por meio da válvula de estrangulamento. O objetivo deste teste é fazer com que a vazão instantânea possa ser medida na saída da bomba, permitindo obter o valor do rendimento volumétrico pela equação 3.

Durante os testes realizados, foi possível obter, em tempo real, na tela do computador, os valores das três grandezas citadas. De acordo com cada pressão aplicada, teve-se o rendimento volumétrico por meio do sinal adquirido pelo transdutor de vazão, onde este informou o fluxo de óleo instantâneo.

Para obter de forma quantitativa o desempenho da bomba hidráulica, foram inseridos no software alguns modelos matemáticos da literatura científica, onde estes foram fundamentais para a análise e a interpretação dos resultados. Contudo, esses modelos desconsideram perdas por vazamentos, devido à cavitação e aeração.

Para a determinação da vazão teórica e efetiva da bomba submetida aos testes, foram empregadas as equações 1 e 2.

ftce QQvQv −= (1)

nDQv tctc .2π= (2)

Onde: Qve = vazão volumétrica efetiva na saída da bomba [m³/s] Qvtc = vazão volumétrica teórica [m³/s] Qf = vazão volumétrica de fuga interna da bomba [m³/s] n = frequência de rotação da bomba [rps]

ω =2π.Dtc = velocidade angular da bomba [rad/s], em que Dtc = volume geométrico da bomba (m3/rot.)

A partir destas definições, o rendimento volumétrico da

bomba hidráulica de engrenagem foi determinado pela relação entre a vazão calculada e a vazão efetiva da bomba (equação 3), ou seja,

tb

f

tc

ev Q

QQvQvn −== 1 (3)

Onde tbQ = vazão teórica da bomba.

Segundo Lana (2005), o fluido hidráulico utilizado em uma bomba hidráulica é portador de informações térmicas relacionadas a operação desta e, sendo assim, é coerente pensar em relacionar a medição da temperatura do fluido, ao rendimento da bomba hidráulica [10]. Ainda segundo autor, com o aumento da pressão e da temperatura, o rendimento volumétrico diminui devido ao vazamento interno, comumente denominado pela literatura de vazão de fuga.

Resultados dos testes

Após a aquisição dos dados realizados na programação do software, testes foram realizados com intuito de validar a bancada de teste. Resultados das variáveis de influência ao rendimento são apresentados na Fig. 13.

Figura 13: Sinal adquirido com variação de pressão [9]. A partir da Fig. 13, nota-se que o aumento da pressão no

circuito, implica diretamente na evolução da temperatura. Segundo Lana (2005), para a maioria dos sistemas hidráulicos, o aumento da temperatura do fluido é determinado, principalmente, pela transformação de energia em válvulas do circuito, e isso é justificado pelo fato de ter utilizada uma válvula de estrangulamento para simular a elevação da pressão (Fig. 12). Também, percebe-se que, quanto maior a pressão, maior será a temperatura, fazendo com que diminua a viscosidade do óleo, resultando, assim, na perda de eficiência volumétrica.

Outro teste realizado foi variando a rotação do motor elétrico (Fig. 14), onde foi possível identificar que, quanto maior é a rotação, maior será o rendimento volumétrico.

0

10

20

30

40

50

60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

8 12 16 20 24 28 32 36 40

Pre

ssão

, p [b

ar]

Ren

dim

ento

, ηv

[%]

Diferença de Temperatura, ∆T [ºC]

Rendimento, nv (%)

Pressão, p (bar)


Figura 14: Sinais adquiridos com variação de rotação do motor elétrico [11]

A partir deste resultado, bem como o fato de que as bombas de engrenagens contêm folgas internas para poderem girar, em baixas rotações não ocorre o efetivo trabalho dos elementos de vedação e mecânicos das bombas. Também é notado que, acima de 60 bar, os rendimentos e a vazão instantânea medida pelos transdutores praticamente anulam-se. Esse fato se dá pela abertura da válvula limitadora de pressão regulada nessa pressão, a fim de garantir a integridade dos componentes da bancada de teste e agir como segurança, considerando que se trata de uma bancada didática de ensino.

Outros experimentos e bancadas didáticas de ensino também são apresentados como caso de sucesso na área de engenharia. O intuito é de aproximar o acadêmico das condições reais, estimulando sua criatividade através de estudos de casos, realizado em nível de laboratório [12].

VII. CONCLUSÕES

De acordo com o projeto realizado, verificou-se que os resultados foram bem satisfatórios em relação às leituras dos sensores, que se mostraram eficazes e alinhados às expectativas. O aparato experimental serviu para demonstrar que a programação desenvolvida na linguagem de blocos via LabVIEW é muito versátil para determinadas aplicações, onde fica possível a análise imediata e o descarte de ensaios malsucedidos.

Dessa forma, pode-se dizer que o projeto alcançou seus resultados iniciais, que tinha como objetivo trazer toda uma metodologia para desenvolver a instrumentação e a aquisição dos dados de uma bancada didática, auxiliado pelas plataformas NI DAQ 6002 e pelo software de supervisão e controle LabVIEW.

Durante a montagem dos sensores propostos, bem como os resultados dos testes preliminares, verificou-se a possibilidade futura da instalação de um sensor de corrente no motor elétrico, com o intuito de fornecer resultados sobre o comportamento também do rendimento mecânico da bomba hidráulica. Isso se daria pela medição indireta do torque, a qual através desta grandeza chegaria a essa eficiência.

Por fim, essa concepção de bancada auxiliará futuros acadêmicos de engenharias e tecnologias na contextualização das bases tecnológicas que contemplam as disciplinas de mecânica dos fluidos, sistemas hidráulicos e instrumentação e automação, além de servir como ferramenta para a construção do conhecimento nas áreas de tecnologia e formação dos futuros profissionais das áreas afins.

REFERÊNCIAS

[1] Instruments, N., 2007a. National Instruments Brasil: Sobre a National Instruments.: <http://www.ni.com/brazil>.

[2] Mendes Junior, J. J. A.; Pires, M. B.; Okida, S.; Stevan Jr. S. L. Robotic Arm Activation using Surface Electromyography with LabVIEWTM. IEEE Latin America Transactions, Vol. 14, Nº. 8. pp.3597-3605, 2016.

[3] Instruments, N., 2006. LabVIEW Tutorial Manual. Disponível em: <http://www.physics.utoledo.edu/~alukasz/labview_tutorial.PDF>.

[4] Instruments, N., 2003a. LabVIEW: User Manual. Disponível em: <http://www.ni.com/pdf/manuals/320999e.pdf>.

[5] Instruments, N., 2003b. LabVIEW: Getting Started with LabVIEW. <http://www.sfu.ca/phys/231/063/data_sheets/LabView%20tutorial.pdf.

[6] http://www.portaldaindustria.com.br/media/filer_public/7d/07/7d072db6-f277-4bb3-8243-cb655264a078/instrumentao_corrigido.pdf

[7] Albertazzi, A. and de Sousa, A. R. Fundamentos de Metrologia Científica e Industrial. Barueri, SP: Editora Manole, 2008.

[8] Webster, J. G. Measurement, Instrumentation and Sensors Handbook. 1. ed. EUA: CRC, 1999.

[9] Cunha, M. A. Q.; Schmidlin Júnior, C. R.; Pereira, A. H.; Rebouças Filho, P. P. Energy Efficient Pumping System with Flow Control by Speed Variation, IEEE Latin America Transactions, Vol.13, nº.13, pp.2928-2934, 2015.

[10] Lana, E. D. Avaliação do Rendimento de Bombas Hidráulicas de Engrenagens Externas através de Medição de Temperatura. Dissertação de Mestrado. Florianópolis: Ed. da UFSC, 2005.

[11] Lopes, L. M.; Watekemper, L.; Castro, R. M.; Inácio, L. F.; Barrios, I. M.; Curi, E. I. M. Bancada Didática para Avaliação da Eficiência Volumétrica de Bombas de Engrenagens com Auxílio do Software LabVIEW. 5º SICT-SUL - Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense, 2016, Araranguá - SC, 2016. v. 1.

[12] Boaroli, L.; Spacek, A. D.; Izidoro, C. L.; Mota Neto, J.; Maestrelli, E. Ando Junior, O. H. Data Monitoring and Hardware Control for App Android by Bluetooth Communication for Laboratory Teaching in Electrical Engineering Courses. IEEE Latin America Transactions, Vol.15, nº.01, pp.31-39, 2017.

Leandro Waterkemper possui graduação em Automação Industrial pela Faculdade SATC (2016), Criciúma, SC - BRASIL. Atualmente é colaborador da empresa HYBEL - Bombas e Motores Hidráulicos, atuando na Assistência Técnica. Desenvolveu essa pesquisa como acadêmico no Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos (LASPHI) durante oito meses.

Richard de Medeiros Castro é Professor de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos do departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade SATC, Criciúma, SC - BRASIL e coordenador do Laboratório de Automação e Simulação de Sistemas Pneumáticos e Hidráulicos (LASPHI). Possui mestrado em Engenharia de Materiais e Mecatrônica. Têm experiência nas áreas de mecatrônica, tribologia e

instrumentação, e possui artigos publicados nas áreas mencionadas.

Lais Marcos Lopes é acadêmica do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade SATC (2015). Atualmente é bolsista de iniciação científica, participante do projeto intitulado como “Levantamento de dados Técnico-Científicos para o Desenvolvimento de um Equipamento Piloto para Limpeza de Tubulações Hidráulicas de Turbinas Termelétricas” que é apoiado pela FAPESC, de responsabilidade do laboratório de

Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos (LASPHI).

Luiz Fernando Inácio Feltrin é acadêmico do curso de Engenharia Mecânica da Faculdade SATC (2015). Atualmente é bolsista de iniciação científica, participante do projeto intitulado como “Otimização do Processo de Limpeza realizado em Tubulações de Lubrificação de Termelétricas através do Desenvolvimento de uma Metodologia para a Medição da Força de Arrasto” que é apoiado pela FAPESC,

de desenvolvido no LASPHI.

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Elvys Isaías Mercado Curi é Professor de Vibrações e Acústicas e também de Tribologia do departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade SATC, Criciúma, SC - BRASIL e coordenador do Laboratório de Vibrações e Tribologia (LAVITRI). Possui mestrado e doutorado em Engenharia de Mecânica. Têm experiência nas áreas de vibrações, acústica, tribologia e instrumentação, e possui

artigos publicados nas áreas mencionadas.

Luan de Campos Correa é Professor da área Térmica, atuando nas disciplinas de Termodinâmica, Refrigeração e também de Instrumentação, no departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade SATC, Criciúma, SC - BRASIL e coordenador do Laboratório de Instrumentação e Controle (LABICON). Possui mestrado em Engenharia de Mecânica e atualmente é doutorando no curso de engenharia mecânica

(UFSC). Têm experiência nas áreas de Instrumentação, Termodinâmica, e possui artigos publicados nas áreas mencionadas.


didactic system of supervision and data acquisition to ... · aquisição de dados,...

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