Relatório ntc (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

Profº. Dr. MARLIO JOSÉ DO COUTO BONFIM

Controle de temperatura de uma caldeira

Emanuelle Mussy Loures GRR20101557 Marcos Cabral de Matos GRR

Curitiba 2013

INTRODUÇÂO A temperatura influência praticamente em todas as propriedades físicas e químicas de um elemento. Essa propriedade é utilizada em um dos mais antigos ritos humanos, o ato de cozinhar. Para um prato, bebida ou assado, o controle da temperatura a qual estão submetidos é essencial na preparação de uma experiência inesquecível.

Este trabalho visa desenvolver e aplicar um circuito eletrônico que possa medir e controlar temperaturas entre 0 oC até 100 °C, atuando no local medido com um resistor conhecido como rabo-de-gato ou rabo-quente, a fim de aquecer a água do recipiente, em seguida atualiza um display de LCD com o valor instantâneo de temperatura medida.

DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE E DO SOFTWARE O transdutor escolhido é o NTC 103 fabricado por uma escusa fábrica chinesa cujo beta ( β ) é 3435K, a resistência nominal em 25 grau Celsius é 10 k. Ω

e o preço por unidade é R$0,50. Foi escolhido este transdutor pelo

alto custo benefício e por suas características intrínsecas, incluindo a faixa de operação e facilidade de equacionamento e tratamento de sinal. Sua resistência varia com a temperatura conforme a equação 1, mostrada no Rn gráfico 1. Sendo a resistência nominal do dispositivo à 25 oC e β o coeficiente de sensibilidade térmica do dispositivo. β ( Tβ − 278,15 )

Rntc ( T )= Rn∗e

(1)

A resistência do NTC não varia linearmente com a temperatura, como observado no gráfico 1, por isso há a necessidade de linearizá-la. Para isso utiliza-se um resistor em série ao NTC, a fim de linearizar a resistência do conjunto em torno de um ponto central, como mostra na figura 1.

INSERIR G’RAFICO E LINEARIZAÇÃO Para o cálculo do valor do resistor Tc

R sh

a temperatura central em Kelvin (K) e

utiliza-se a equação 2, sendo Rtc

temperatura Tc , visto na equação 3.

R ∗β−2Tc R sh = tc β+ 2Tc Rtc =Rntc (Tc)

a resistência

(2)

(3)

Rntc

para a

É possível observar no gráfico 2 a resistência do conjunto em função da temperatura. Com essa topologia de resistores em paralelo é possível linearizar a resistência do conjunto em torno de uma temperatura central, contudo perdese um pouco da sensibilidade do NTC. INSERIR GRÁFICO 2 Em seguida pode-se medir uma tensão proporcional à variação da resistência do conjunto, para isso utiliza-se uma ponte de Wheatstone conforme a figura 2.

INSERIR FIGURA 2 Com este circuito mede-se uma tensão diferencial na ponte proporcional à resistência dos conjuntos NTC’s. Para esta configuração da ponte as tensões v +¿ v−¿ e podem ser descritas a partir das equações 4 e 5 respectivamente e a tensão diferencial pela equação 6. Sendo R sh Rntc resistência do conjunto e , visto na equação 7. v +¿

R1∗10 −5 NTC (T )+ R1

v−¿ NTC

(T )∗10 −5 NTC (T )+ R2

v−¿ v +¿−¿ v dif (T )=¿

NTC (T )=

NTC

a

(4)

(5)

(6)

1 1 1 + R sh Rntc (T )

(7)

Obteve-se a tensão diferencial na ponte de Wheatstone e é preciso condicionar o sinal para enviar a um microcontrolador que irá efetuar a medida propriamente dita. Para isso utilizou-se um amplificador de instrumentação, especificado na figura 3 e um circuito passa-baixa Sallen-Key de 2 ordem, mostrado na figura 4, filtrando tensões parasitas possíveis na entrada do conversor A/D do micro controlador.

Para este projeto a faixa de temperatura visada é de 0 oC a 100oC, portanto a máxima variação de temperatura é de 100 oC. O microcontrolador utilizado é o Arduino Uno, cujos limites de tensão de entrada na porta A/D é de 0 volts à 5 volts, sendo assim pré-definido que a tensão de 0 volt corresponde à 0oC e 5 volts corresponde à 100 oC, dessa forma consegue-se a melhor resolução possível dentro da faixa de operação.

Aquisição de dados e processamento: O conversor A/D do microcontrolador tem uma resolução de 10 bits, portanto ele resolve tensões de amplitude mínima de 5mV. A tensão é lida e depois extraída a média para aumentar a resolução do conversor. Depois de converter o valor de tensão e feita a média, associando uma temperatura ao valor de tensão medido.

Calibração: É feita a partir da exposição do NTC a uma temperatura conhecida de 0ºC, e através de uma rotina no controlador e manualmente variando um potenciomentro, calibra-se a tensão lida para uma saída de 0 V.

Controle e atuação no resistor Quando a temperatura se encontra abaixo da temperatura selecionada, o resistor será acionado pelo controle PWM, tal que a temperatura fique sempre igual a selecionada. O duty cycle é influenciado pela temperatura medida pelo sensor, conforme a temperatura diminui o período que ele permanece ativo aumenta de tal modo que o resistor forneça mais energia ao local, aquecendo-o e restringindo-o à uma temperatura selecionada.

RESULTADOS Após a calibração (feita com a inserção do sensor em um recipiente contendo gelo e agua, garantindo fisicamente a temperatura de 0 grausC), mediu-se a temperatura de uma mistura fria e comparou-se os resultados lidos pelo Arduino com um termômetro físico de resolução de 1°C e exatidão de +0,1°C. Temperatura medida [°C]

Termômetro [°C]

Tabela 1: Comparação da leitura de temperatura com um termômetro físico.

Observando a tabela acima é possível concluir que as medidas obtidas com o sensor estão próximas das reais. Praticamente não há erro de offset e os erros de precisão devem-se à comparação com um termômetro de pequena resolução e ao fato de que as medidas foram feitas num recipiente em contato com a temperatura ambiente.

O controle escolhido é PID, garantindo um pequeno over-shoot e uma CONCLUSÃO Apesar de não ter sido possível testar toda a faixa dinâmica de operação do sensor, é possível concluir que o sensor opera dentro do erro previsto. Além disso, ele apresenta a resolução de 0,05°C, conforme desejado.

REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS BONFIM, Marlio J. C. Instrumentação Eletrônica. 2012 SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 5.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.

ANEXOS Figura 1.

Figura 2.

Figura 3.

Figura 4.

Gráfico 1. (COLOCAR G’RAFICO DO EXCEL)

Gráfico 2. COLOCAR GRÁFICO DO EXCEL