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Instrumentação - Maquete-544
Instrumentação Maquete MD-544
Luís Miguel da Silva Ferreira - Nº 798 Ricardo Jorge Loureiro Silva - Nº 1841 Vasco Miguel Guedes de Oliveira Matos da Silva - Nº 802 1
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Introdução O equipamento de captadores de nível e caudal de líquidos MD-544 é constituído pela maquete MD-544 (Figura 1) e pelo armário modular (Figura 2) onde estão instalados os diferentes módulos acondicionadores específicos desta maquete.
Figura 1
Figura 2
A maquete consiste num recipiente para líquidos dividido em duas partes: a parte inferior que contém o liquido de reserva e a parte superior que simula um tanque e cujo interior estão instalados os sensores de nível por bóia, capacidade e por ultra-sons (Figura 3).
Figura 3 No exterior do recipiente está instalado do lado esquerdo o sensor de nível por pressão, e os caudalimetros por diferença de pressão, e a turbina na parte frontal do mesmo. Uma electrobomba (Figura 4) instalada no interior da maquete, impulsiona através de um circuito hidráulico o liquido desde a parte inferior até à parte superior da maquete. O seu accionamento é efectuado por uma fonte de alimentação.
Figura 4 2
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O esvaziar do depósito superior é realizado por uma válvula accionada manualmente do exterior e a sua abertura pode ser regulada através de uma porca exterior. No painel frontal da maquete estão situados os bornes de ligação entre os sensores e o armário modular de controle.
Cons t i t u i ç ã o d a m a q u e t e A maquete MD-544 é destinada a realizar um estudo prático e real dos sensores de nível e caudal de maior utilização, e o controlo de processos e operações realizados com fluidos. Os sensores que constituem a maquete são: v No interior ü Captador resistivo de nível de bóia; ü Captador de nível capacitivo; ü Captador de nível por ultra-sons. v No exterior ü Captador piezo-resistivo de nível por pressão; ü Captador piezo-resistivo de caudal por diferença pressão; ü Captador de caudal mediante turbina.
de
A configuração da maquete MD-544, permite utilizar os sensores com os acondicionadores externos ao equipamento, assim como determinar os parâmetros característicos dos sensores. Outra das possibilidades de grande interesse é oferecer um estado de regulação do nível e caudal em função do sensor.
M ó d u l o A C O N D I N I V – 547 A parte superior do módulo contém o acondicionador dos transdutores de ultra-sons (emissor e receptor) e na parte inferior contém o acondicionador transdutor capacitivo para medir os níveis de liquido. Na parte inferior do módulo está o circuito acondicionador do sensor de nível capacitivo com o esquema de blocos representado na figura
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Figura 5 O circuito de entrada do acondicionador do captador capacitivo, é formado por uma rede activa em ponte com três ramos resistivos e o quarto é constituído pela reactância capacitiva do captador. Esta rede é alimentada por meio de um gerador de c.a.. de amplitude 10v pk − pk e frequência 1KHz constante, assim formam o bloco pre-amplificador PA. Desta forma as variações de nível modificam a capacidade do sensor e manifestam-se como variações da reactância de acordo com a expressão; 1 XC = Ω CSω Tais variações da reactância capacitiva manifestam-se em variações de tensão que são transmitidas ao conversor de c.a./c.c. e cuja saída aparecerá uma tensão em c.c. proporcional ao nível de liquido. No bloco seguinte aplica-se um sinal de offset para modificar o nível do sinal. Uma vez corrigido este nível, eliminam-se as necessidades do sinal do gerador por meio do bloco de filtro de passa-baixo seguinte. Finalmente ajusta-se o ganho de passo amplificador de saída para obter a relação sinal de saída – nível de liquido.
M ó d u l o N B P - 547 Este módulo é constituído na parte superior pelo acondicionador do transdutor potenciométrico para a medida de nível mediante uma bóia, e na parte inferior do módulo contem o acondicionador do transdutor piezo-resistivo para medir o nível por pressão.
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O acondicionador do captador de nível de bóia, montado na parte superior do módulo, consta de duas secções amplificadoras com funções bem definidas e cujo o esquema de blocos está representado na figura 6:
Figura 6 O sinal precedente ao contacto variável do potenciómetro , é comparado com o sinal de offset e a entrada do sector pre-amplificador A1. Esta secção é formada por um amplificador de diferença, que produz na saída um sinal igual à diferença dos sinais aplicados à entrada; multiplicado por um factor constante. O sinal que se aplica à secção amplificadora final cujo ganho pode ajustarse entre 1 e 10 por meio do potenciómetro. Desta forma o ganho máximo que se pode aplicar, desde a entrada até à sua saída é de 100. Dispõe-se portanto dos ajustes de sinal de offset e ganho necessários para obter a relação s i n a l d e s a í d a - n í v e l d e l i q u i d o .
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Trabalho Prático nº2 Acondicionador de nível por bóia
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Introdução teórica Este sensor baseia-se nas variações da resistência de um sensor resistivo, produzidas por uma bóia ligada ao sensor que acompanha as variações de nível do liquido no depósito. Os movimentos verticais da liquido são seguidos por uma bóia, que realiza um movimento composto vertical/horizontal. O captador resistivo é constituído basicamente por uma resistência sobre a qual desliza um contacto móvel. A esquematização dos tipos de potenciómetros mais comuns é a de translação e de rotação de uma só volta. Se o captador resistivo for alimentado por uma tensão constante entre os seus extremos, aparecerá entre o contacto variável e um dos seus extremos, um sinal de tensão proporcional à rotação do sensor e proporcional à variação do liquido no depósito. Os elementos de resistência dos transdutores potenciométricos são utilizados para medir os movimentos, produzem uma relação “sinal de saída desfasamento” linear. Na prática para obter uma boa linearidade, é necessário medir o sinal de saída utilizando um aparelho de medida cuja resistência interna seja suficientemente alta. O transdutor é montado conjuntamente com os outros transdutores de nível, numa placa de circuito impresso onde se ligam os terminais de alimentação e de sinal. A barra que une o sensor à bóia, converte os desfasamentos verticais do nível em desfasamentos angulares do sensor do potenciómetro. v Principais características do potenciómetro: ü Resistência: 10KΩ ±20% ü Máxima potência de dissipação: 1 volt ü Linearidade: 2% ü Angulo útil de rotação: 340º±4º ü Rotação mecânica: 360º contínuos
Objectivos ü Determinar e quantificar os parâmetros característicos do conjunto sensor de nível, tais como classe de medida, linearidade, histerese, repetibilidade, precisão, etc; ü Realização dos ajustes de offset e ganho para obter a relação 8
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amplitude de sinal condicionado nível de liquido no depósito.
Descrição
- Classe de medida A função básica que realiza um Estáticas transdutor num sistema dede medida e - Deslocação zero controlo, é a de converter uma determinada magnitude física, força, pressão, Não nível, caudal, etc, em outra magnitude facilmente medidalinearidade e que conserva as Operativas - Histerese
características da magnitude a medir.
Dinâmica Característi
- Resposta de frequência - Tempo de resposta
O normal é que este processo de conversão se obtenha um sinal eléctrico de tensão ou corrente proporcional à magnitude. Este sinal eléctrico requer, em -geral, um processo de amplificação, Temperatura Vibrações Ambientais linearidade, modificação do seu nível de maneira a que resulte uma aplicação útil. - Humidade Os factores que limitam as características reais de um captador podem - Montagem resumir-se no seguinte quadro: - Tempo
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Análise pormenorizada das características operativas estáticas Classe de medida Denomina-se classe de medida ao intervalo prático de utilização de um captador, onde os seus limites são os valores extremos que podem alcançar de maneira permanente, sem alteração das restantes características do captador. Sobrecarga É a magnitude máxima que se pode aplicar ao captador, acima da qual se podem causar danos permanentes ao mesmo e abaixo da magnitude nominal, podem modificar as restantes características do captador sem deterioração do mesmo. Sensibilidade A sensibilidade expressa-se como a relação entre o sinal eléctrico e a magnitude medida. Nos captadores do tipo passivo é usual indicar a relação entre o sinal de saída e a tensão de excitação para a carga nominal do captador. Não linearidade É o máximo desvio da curva característica em relação à linha recta que une os pontos zero e máximo da escala, expressado em percentagem (%) de valor máximo da escala. O zero da curva característica coincide com a origem das coordenadas.
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ESTV - Engenharia Electrotécnica Não linearidade =
Instrumentação - Maquete-544 Máxima diferença absoluta Classe de medida
X 100%
Histerese É a máxima diferença entre os sinais correspondentes a um ponto da magnitude crescente e a decrescente entre zero e o máximo da escala, expressada em % do valor máximo da escala.
Histerese =
Máxima diferença Classe medida
X de 100%
Repetibilidade É a qualidade de um captador de reproduzir as mesmas leituras de saída quando um mesmo valor da magnitude a medir é aplicado repetitivamente, nas mesmas condições e na mesma direcção. Expressa-se como o máximo entre as leituras de saída em % do valor do máximo da escala.
Repetibilidad e=
Máxima diferença Classe medida
X de 100%
Precisão A precisão de um captador denomina-se a um erro combinado que inclui diferentes grandezas. Normalmente, é o valor médio quadrático, expresso em %, dos erros de não linearidade, histerese e repetibilidade. Precisão =
(não − linearidade)2 + (histerese) 2 + (repetibilidade)2
X 100%
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Esquema do circuito
Nota: Em vez do módulo ALV-215 utilizámos um multímetro digital
Material utilizado ü ü ü ü
Maquete MD-544 Multímetro digital em função de voltímetro Módulo NBP-547 Fonte de alimentação regulável
Descrição do Trabalho 1. Montagem de todos os componentes necessários para realização deste trabalho; 2. Assegurámo-nos que o nível de água no depósito da Maquete MD-544 estava abaixo de 0 na escala e accionámos o botão na posição ON da fonte de alimentação, previamente regulada para uma tensão de 6V. 3. Registámos os valores lidos no voltímetro numa tabela. As leituras foram realizadas em intervalos de 5% numa escala de 0 a 100%. Quando o nível da água subiu acima dos 100% desligou-se a fonte de alimentação; 4. Tentámos ao abrir a válvula de descarga, que a água saí-se do depósito superior para o inferior a uma velocidade similar à da operação inversa; 5. Registámos os valores lidos no voltímetro numa tabela. As leituras foram efectuadas também em intervalos de 5%, mas no sentido decrescente, ou seja, de 100 a 0%; 6. Repetimos estas acções mais uma vez em cada sentido; 7. Com os valores das duas primeiras leituras, elaborámos um gráfico com a relação s i n a i s d e s a í d a - n í v e l d e l i q u i d o
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Tabela dos valores obtidos 1ª 1ª 2ª Nível 2ª descida s u b i d a descida s u b i d a (%) V0 V0 V0 V0 0 -0,16 -0,03 -0,13 -0,07 5 0,33 0,41 0,33 0,44 10 0,88 1,01 0,82 0,97 15 1,35 1,42 1,29 1,47 20 1,87 1,94 1,83 1,99 25 2,40 2,47 2,43 2,49 30 2,87 3,00 2,86 2,97 35 3,40 3,47 3,45 3,51 40 3,85 4,01 3,90 4,02 45 4,41 4,54 4,45 4,57 50 4,88 5,06 4,92 5,04 55 5,41 5,51 5,45 5,55 60 5,89 6,00 5,92 6,01 65 6,35 6,51 6,44 6,48 70 6.86 6.99 6.91 7.03 75 7.31 7.46 7.38 7.51 80 7.84 7.98 7.89 8.07 85 8.31 8.49 8.41 8.49 13
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8.80 9.34 10.01
90 95 100
8.99 9.48 10.00
8.89 9.38 10.03
9.02 9.48 10.01
Relação Tensão de Saída - Nivel de Liquido 12
10
Tensão de Saída
8
6
4
2
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
-2 Nivel de Liquido 1ª subida
1ª descida
2ª subida
2ª descida
Cálculos a) Histerese Não foi considerada porque só foram realizados dois ensaios, e para esta característica seriam necessários um número muito superior para poder apurar com mais precisão o seu valor. b) Sensibilidade Sensibilid ade =
( 0,16 + 10,01) = 0,1017 V/u. Nível 100
c) Não linearidade Não − linearidad e =
7,46 − 7,31 x100% = 1,475 % SFE 0,16 + 10,01
d) Repetibilidade
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ESTV - Engenharia Electrotécnica Re petibilida de =
Instrumentação - Maquete-544 0,1 x100% = 0,983 % SFE 10,01 + 0,16
e) Precisão Pr ecisão =
(1,475)2 + (0)2 + (0,983)2
= 1,7725 % SFE
Respostas ao questionário 1 – Que erros apreciáveis se cometem na hora da aquisição de dados na prática? Os principais erros que são cometidos quando determinamos o nível real do liquido no depósito, por refracção da luz sobre a parede do depósito, falta de alinhamento entre a escala e o nível de liquido e também devido ao desnivelamento da maquete. 2 – Que aplicações pode ter este captador de nível? Pode ser aplicado em depósitos de gasolina dos automóveis, em depósitos de água que abastece um condomínio, tanques, etc.
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Trabalho Prático nº6 Características do captador de nível capacitivo
Introdução teórica O fenómeno físico da variação da capacidade entre os eléctrodos ou placas de um condensador, encontram-se aplicados, para medir movimentos lineares e angulares. Na medida de níveis de líquidos, o principio físico está baseado na variação da capacidade de um condensador, pela modificação da sua geometria (distância entre placas). Na sua concepção mais simples, um condensador é formado por duas placas ou eléctrodos condutores, separados por um material dieléctrico (sólido, liquido ou gasoso). Sabe-se pela electrostática que se tivermos dois condutores próximos entre si, inicialmente desligados, e se os ligarmos a um gerador eléctrico G, aplica-se uma d.d.p. U, que faz aparecer sobre os condutores uma carga eléctrica q, do 16
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mesmo valor mas de sinal contrário. O campo eléctrico E, estabelecido por uma carga q, distribui-se segundo as linhas de força. Por definição, a capacidade C de um condensador é igual à relação entre a carga q e a d.d.p. U entre as placas segundo a fórmula: q C= U A intensidade do campo eléctrico existe entre as placas de secção A, e quando estas se encontram muito próximas e entre si existe ar ou vapor, a equação é a seguinte: 1 q E= . ( volt / m) ε0 A sendo ε0 , a constante dielétrica do vácuo. Sabendo que o condensador está inicialmente carregado com uma carga q, e entre as suas placas encontra-se ar ou vácuo, liga-se entre elas um voltímetro de alta resistência interna, e este detecta uma d.d.p. U0 e a sua capacidade inicial será: q C= U0 Se introduzir entre as placas um material dieléctrico, observa-se que a d.d.p. diminui o seu valor inicial, logo se verifica que a carga q modifica-se ao introduzir o dieléctrico. Portanto a capacidade do condensador com o dieléctrico introduzido será agora: q C= U Nas aplicações de medida de nível de líquidos, condutores ou não, utilizase eléctrodos isolados ou não, submergidos dentro do liquido. A figura representa as aplicações de medida de nível de liquido nos condutores: As variações do dieléctrico do condensador formado pelos dois eléctrodos e devido à subida e descida do nível, provoca um cambio da capacidade resultante entre os eléctrodos. A alta resistência R do liquido, não modifica de forma considerável o resultado da medida. O modo mais comum de ligar um transdutor capacitivo é utilizar uma ponte de Wheatstone e num dos braços incorporar o transdutor capacitivo. O captador de nível capacitivo da maquete encontra-se instalado numa placa de circuito impresso, na parte superior do depósito, conjuntamente com os captadores de nível por bóia e ultra-sons. Os eléctrodos então longitudinais e separados no depósito e tem, como missão, obter a mais alta relação entre a variação da capacidade com o nível de liquido.
Objectivos
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ü Determinar e quantificar os parâmetros característicos do conjunto sensor de nível, tais como classe de medida, linearidade, histerese, repetibilidade, precisão, etc; ü Realização dos ajustes de offset e ganho para obter a relação Amplitude de sinal condicionado nível de liquido no depósito.
Descrição Este captador apresenta variações de capacidade em funções da altura do nível do líquido. O ideal seria que tais variações fossem linearmente proporcionais ao nível. Sem reter, a resposta depende das características do líquido, a corrosão pode alterar a superfície dos eléctrodos, a presença de borbulhas de ar ou vapor, afectam a constante dieléctrica provocando erros de medida. Por tudo isto é necessário conhecer as características do ambiente onde se utiliza.
Esquema do circuito
Nota: Em vez do módulo ALV-215 utilizámos um multímetro digital 18
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Material utilizado ü ü ü ü
Maquete MD-544 Multímetro digital em função de voltímetro Módulo NBP-547 Fonte de alimentação regulável
Descrição do Trabalho 1. Realizamos os ajustes de offset e do ganho. A bomba foi alimentada através de uma fonte de alimentação regulada para fornecer uma tensão de 6V. 2. Registamos os valores lidos no voltímetro numa tabela. Os valores foram obtidos com intervalos de 5% numa escala de 0 a 100%. 3. Quando o nível da água subiu acima dos 100%, desligou-se a fonte de alimentação. 4. Depois de aberta a válvula que isola o depósito superior do inferior, efectuamos as leituras da mesma forma mas em sentido contrário, ou seja de 100 a 0%. 5. Os passos 1-4 foram repetidos e os valores foram registados numa tabela
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Tabela dos valores obtidos 1ª 1ª 2ª Nível 2ª descida s u b i d a descida s u b i d a (%) V0 V0 V0 V0 0 0 0,58 0,01 0,08 5 0,53 1,25 0,72 0,76 10 1,12 1,94 1,09 1,47 15 1,70 2,37 1,69 2,00 20 2,27 3,02 2,36 2,51 25 2,99 3,50 3,07 3,19 30 3,43 4,03 3,55 3,69 35 4,12 4,50 4,13 4,31 40 4,61 5,03 4,72 4,89 45 5,13 5,53 5,26 5,30 50 5,64 6,01 5,78 5,85 55 6,14 6,39 6,26 6,38 60 6,50 6,89 6,73 6,80 65 6,99 7,30 7,16 7,26 70 7,39 7,68 7,58 7,80 75 7,84 8,12 8,12 8,28 80 8,24 8,57 8,64 8,69 85 8,72 9,05 9,03 9,03 90 9,04 9,38 9,43 9,42 95 9,53 9,67 9,82 9,83 100 9,98 10,03 10,15 10,20
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Relação Tensão de Saída - Nível de Líquido 12
10
Te 8 ns ão de Saí da 6
4
2
0 0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Nivel de Líquido 1ª subida
1º descida
2º subida
2º descida
Cálculos f) Histerese Não foi considerada porque só foram realizados dois ensaios, e para esta característica seriam necessários um número muito superior para poder apurar com mais precisão o seu valor. g) Sensibilidade Sensibilid ade =
9,98 − 0 = 0,0998 V/Nível 100 − 0
h) Não linearidade Não − linearidad e =
5,70 − 4,70 x100% = 10,02004 % SFE 9,98 − 0
Os valores 5,70 e 4,70 foram obtidos por análise do gráfico acima. i) Repetibilidade Re petibilida de =
0,8 x100% = 7,843137 % SFE 10,20
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j) Precisão Pr ecisão =
(10,02 )2 + (0 )2 + (7,84)2
= 12,72266 % SFE
Respostas ao questionário 1 – Que influência provocaria nas características do captador, a presença de partículas sólidas ou borbulhas na água? A presença de partículas ou borbulhas introduzia descontinuidades no liquido e alterava a sua constante dieléctrica. Se as partículas são de natureza condutora, o captador produzia erros de medida. 2 – Que vantagens e inconvenientes apresenta este captador de medida de níveis de líquidos? As vantagens que podemos observar são as seguintes: aplicação para todo o tipo de líquidos condutores ou não; são sensíveis e robustos à corrosão. Quanto às desvantagens podemos considerar que variações de temperatura do liquido alteram as constantes dieléctricas, logo detectam-se erros de medida.
Índice
Introdução _____________________________________________________________________1 Constituição da maquete __________________________________________________________3 Módulo ACONDINIV–547 ________________________________________________________3 Módulo NBP-547 ________________________________________________________________4
Trabalho nº2 - Acondicionador de nível por bóia Introdução teórica _______________________________________________________________8 Objectivos ______________________________________________________________________8 Descrição ______________________________________________________________________9 Esquema do circuito_____________________________________________________________12 Material utilizado _______________________________________________________________12 Descrição do Trabalho___________________________________________________________12 Tabela dos valores obtidos ________________________________________________________13 Cálculos ______________________________________________________________________14 Respostas ao questionário ________________________________________________________15
Trabalho nº6 - Características do captador de nível capacitivo 22
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Instrumentação - Maquete-544
Introdução teórica ______________________________________________________________16 Objectivos _____________________________________________________________________17 Descrição _____________________________________________________________________18 Esquema do circuito_____________________________________________________________18 Material utilizado _______________________________________________________________19 Descrição do Trabalho___________________________________________________________19 Tabela dos valores obtidos ________________________________________________________20 Cálculos ______________________________________________________________________21 Respostas ao questionário ________________________________________________________22
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