bacanda didática para estudo de sensores de temperatura do

Universidade de Brasília – UnBFaculdade UnB Gama – FGA

Engenharia Eletrônica

Bacanda didática para estudo de sensores detemperatura do tipo termopar

Autor: Lucas Raposo Souza CarvalhoOrientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF2018

Lucas Raposo Souza Carvalho


Monografia submetida ao curso de graduaçãoem Engenharia Eletrônica da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em EngenhariaEletrônica.

Universidade de Brasília – UnB

Faculdade UnB Gama – FGA

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF2018

Lucas Raposo Souza CarvalhoBacanda didática para estudo de sensores de temperatura do tipo termopar/

Lucas Raposo Souza Carvalho. – Brasília, DF, 2018-93 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília – UnBFaculdade UnB Gama – FGA , 2018.1. Sensores. 2. Termopar. I. Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira. II.

Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Bacanda didática paraestudo de sensores de temperatura do tipo termopar

CDU 02:141:005.6

Lucas Raposo Souza Carvalho


Monografia submetida ao curso de graduaçãoem Engenharia Eletrônica da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em EngenhariaEletrônica.

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 03 de Dezembro de 2018:

Prof. Dr. Evandro Leonardo SilvaTeixeira

Orientador

Prof. Dr. Alessandro Borges SousaOliveira

Convidado 1

Prof. Dr. Eberth de Almeida CorrêaConvidado 2

Brasília, DF2018

Este trabalho é dedicado às crianças adultas que,quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

Agradecimentos

Gostaria de agradecer a meus pais, avós e futura esposa que apoiaram-me a todos osmomentos necessários e sempre aconselharam-me para seguir minha carreira profissionalde forma honesta e responsável.

Também agradeço a equipe Apuama Racing por fazer com que eu aplique todosos meus conhecimentos adquiridos durante o curso e aperfeiçoar minhas habilidades comoengenheiro.

“O sucesso nasce do querer,da determinação e persistência em se chegar a um objetivo.Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos

no mínimo fará coisas admiráveis.(José de Alencar)

ResumoO estudo de sensores é por muitas vezes de extrema importância para solução de proble-mas de engenharia. Com sensores, é possível interpretar uma entrada específica de umaocorrência física ou química, convertê-la para uma grandeza conhecida e assim realizaruma análise da ocorrência. Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma bancada paraestudo de sensores de temperatura do tipo termopar. Esta bancada é capaz de adquirirdados de temperatura em tempo real para análise didática em disciplinas na Universidade,vinculada ao estudo de instrumentação eletrônica e física. A bancada consiste em adquiriros dados de temperatura a partir do elemento sensor do tipo Termopar. Um equipamentoeletrônico projetado neste trabalho faz a aquisição destes dados e, a partir de uma aplica-ção em software desenvolvida neste trabalho, o usuário é capaz de fazer análise em temporeal e ensaios programados a partir de parâmetros pré determinados. Com estes dados, otrabalho apresenta ensaios de fluxo de calor unidimensional e funcionamento da bancada.O produto é projetado e fabricado para atender o usuário em qualquer faixa de apren-dizagem, não necessitando de conhecimentos específicos de engenharia para manusear oequipamento. O termopar é pré-calibrado para realizar medições de temperaturas acimada temperatura ambiente.

Palavras-chaves: Sensores. Termopar. Calibração.

AbstractThe study of sensors is, a lot of times, of massive importance for engineering problemsolving. With sensors, it is possible to interpretate an specific entry of a physical or chem-ical occurrence, convert it to a known quantity and therefore perform an analysis of theoccurrence. This paper has for its goal to develop a bench for study of temperature sensorsof the Thermocouple type. This bench is capable of acquiring temperature data in realtime for didactic analysis in subjects at the University, linked to the study of electronicand physical instrumentation. The bench consists in acquiring the temperature data fromthe sensor element of the Thermocouple type. A electronic equipment designed in thispaper makes the acquisition of this data and, from a software application developed inthis task, the user is capable of making a real time analysis and programmed rehearsalsfrom pre-determined parameters. With this data, the work presents rehearsals of unidi-mensional heat flows and bench functionality. The producted is projected and produced toservice the user in any level of learning, without the need of specific engineering knowledgeto handle it. The Thermocouple is pre-calibrated to realize temperature measurementsabove room temperature.

Key-words: Sensors. Thermocouple. Calibration.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Bancada didática da Weg. (Weg, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 2 – Efeito seebeck aplicado a um Termopar. (Matthew, 2010) . . . . . . . . 33Figura 3 – Termopar Tipo K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 4 – Efeito de seebeck com junta de referência. (ECIL, 2016) . . . . . . . . 35Figura 5 – Exemplo de Amplificador Inversor. (SEDRA, 1995) . . . . . . . . . . . 37Figura 6 – Diagrama de Blocos funcional CI AD595. (Analog Devices, 1999) . . . 38Figura 7 – Esquemático geral do Projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 8 – Esquemático do módulo eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018) 42Figura 9 – Esquemático de sinais no Módulo Eletrônico. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 10 – Esquemático simplificado do comportamento do Módulo Experimental

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 11 – Projeto 3D interno do Módulo Experimental 1. . . . . . . . . . . . . . 44Figura 12 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 1. . . . . . . . . . . . . 45Figura 13 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 2. . . . . . . . . . . . . 45Figura 14 – Arduino Nano V3.0. (Arduino, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 15 – Pinagem do CI INA125. (TI, 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 16 – Esquema simplificado INA com Termopar. (TI, 2009) . . . . . . . . . . 51Figura 17 – Circuito amplificador de temperatura com AD595. (Produção do pró-

prio autor, 2017) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 18 – Circuito Generalizado para Acionamento de Relé com Arduino. (Pro-

dução do próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 19 – Características da Bobina do Relé SRD-S-112D. (Sanyou Relays, 2018) 53Figura 20 – Características do Transistor NPN BC549. (FairChild, 2002) . . . . . . 54Figura 21 – Esquemático do circuito de ganho. (Produção do próprio autor, 2017) . 55Figura 22 – Diagrama conceitual do Multiplexador. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 23 – Diagrama de Multiplexação da Bancada. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Figura 24 – Pinagem do Multiplexador 4052. (NXP Semiconductors, 2016) . . . . . 56Figura 25 – Resistor Cerâmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 26 – Simbologia do Transistor NPN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figura 27 – Características do Transistor NPN TIP41. (FairChild, 2000) . . . . . . 58Figura 28 – Esquemático do controlador de temperatura. (Produção do próprio au-

tor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 29 – Comparação CAD e PCB do Módulo de Aquisição . . . . . . . . . . . 60

Figura 30 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produçãodo próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura 31 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados com AD595. (Produçãodo próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura 32 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção dopróprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 33 – CAD e PCB do Módulo do Condicionador de Sinais. (Produção dopróprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura 34 – CAD e PCB do Módulo do Controlador de Temperatura. (Produçãodo próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura 35 – Diagrama do Software da bancada. (Produção do próprio autor, 2018) 65Figura 36 – Diagrama do Firmware da bancada. (Produção do próprio autor, 2018) 65Figura 37 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte A. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Figura 38 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte B. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 39 – Diagrama do Padrão MVC adotado na Aplicação. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Figura 40 – Diagrama do bloco Janela da Aplicação. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Figura 41 – Diagrama do bloco Modelo da Aplicação. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Figura 42 – Tela de apresentação do programa. (Produção do próprio autor, 2018) . 73Figura 43 – Tela inicial do programa. (Produção do próprio autor, 2018) . . . . . . 73Figura 44 – Tela de Conexão do Software. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 74Figura 45 – Mensagem de Erro em caso de não conexão. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 46 – Tela de Configurações do Software. (Produção do próprio autor, 2018) 75Figura 47 – Tela de Seleção de Ensaio. (Produção do próprio autor, 2018) . . . . . 75Figura 48 – Telas dos Módulos Experimentais. (Produção do próprio autor, 2018) . 76Figura 49 – Exemplo de Tela de Propriedades do gráfico. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76Figura 50 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 1. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Figura 51 – Ensaio Módulo 1 após inicialização. (Produção do próprio autor, 2018) 81Figura 52 – Ensaio Módulo 1 após queda de fluxo. (Produção do próprio autor, 2018) 81Figura 53 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor,

2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Figura 54 – Ensaio do módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor, 2018) . 83

Figura 55 – Projeto Proteus do Módulo de Aquisição. (Produção do próprio autor,2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura 56 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produçãodo próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Figura 57 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produçãodo próprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura 58 – Projeto Proteus do Circuito do ganho do Amplificador. (Produção dopróprio autor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura 59 – Projeto Proteus do Controlador de Temperatura. (Produção do próprioautor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

Figura 60 – Projeto Proteus do Condicionador de Sinais. (Produção do próprio au-tor, 2018) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Lista de tabelas

Tabela 1 – Tipos de Termopar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Tabela 2 – Tensão x Coeficiente seebeck (25∘𝐶) (Mattew, 2010) . . . . . . . . . . 36Tabela 3 – Especificações Arduíno Nano (Arduino.cc,2008) . . . . . . . . . . . . . 49Tabela 4 – Características do Sensor LM35 (TI,2017) . . . . . . . . . . . . . . . . 51Tabela 5 – Tabela de seleção do Multiplexador (NXP Semiconductors, 2016) . . . 56Tabela 6 – Resistência Equivalente no Circuito de Ganho do Amplificador. . . . . 62

Lista de abreviaturas e siglas

Pt. Platina

Rh Ródio

W Tungstênio

Re Rênio

Ni Níquel

Cr Cromo

Cu Cobre

Fe Ferro

Mn Manganês

Al Alumínio

Si Silício

Mg Magnésio

USB Universal Serial Board

IDE Integrated Development Enviroment

TCC Trabalho de conclusão de curso

CI Circuito Integrado

SMD Surface-mount technology

KB Kilo Bytes

B Bytes

A/D Analógico Digital

MHz Mega Hertz

DIP Dual in-line Package

TI Texas Instruments

Lista de símbolos

𝜌 Letra grega minúsucla Rô

Δ Letra grega maiúscula Delta

𝜖 Letra grega minúscula Epsilon

𝜇 Letra grega minúscula Mu

∘ Grau

Ω Letra grega maiúscula omega

Φ Letra grega maiúscula phi

𝜏 Letra grega minúscula tal

𝜋 Letra grega minúscula pi

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.1.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.1.2 Objetivo Específico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

I ASPECTOS GERAIS 29

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1 Definição de bancadas didáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2 Estudo de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.1 Elemento Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.2.2 Termopar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.2.3 Efeito Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.2.4 Amplificadores de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

II METODOLOGIA 39

3 PROJETO DE BANCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1 Visão Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.1 Módulo Eletrônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.2 Módulo Experimental 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.1.3 Módulo Experimental 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2 Requisitos de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.1 Firmware da Bancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.2 Aplicação para os ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1 Proposta e solução em eletrônica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1.1 Módulo de Aquisição de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.1.2 Módulo de amplificação e conversão de dados . . . . . . . . . . . . . . . . 504.1.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação . . . . . . . . . . . . 524.1.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados. . . . . . . . . . . . . . . . 544.1.5 Resistores de Aquecimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.1.6 Controlador de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.2 Fabricação dos dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.2.1 Módulo de Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2.2 Módulo de amplificação e conversão de dados . . . . . . . . . . . . . . . . 604.2.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação . . . . . . . . . . . . 624.2.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados. . . . . . . . . . . . . . . . 624.2.5 Controlador de Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.3 Proposta e solução em Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.3.1 Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.3.2 Aplicação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.3.2.1 Arquitetura de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.3.2.2 Telas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

III RESULTADOS E CONCLUSÕES 77

5 ESTUDO DE CASO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.1 Módulo Experimental 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.1.1 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.1.2 Ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2 Módulo Experimental 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.2.1 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.2.2 Ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

APÊNDICES 89

APÊNDICE A – PROJETOS FEITO EM PROTEUS DE CADAPLACA DO MÓDULO ELETRÔNICO . . . . . . . 91

27

1 Introdução

O estudo em engenharia em universidades cada vez mais mostra diferentes formasde aprendizagem. A cada momento, percebe-se que os docentes unem o conteúdo teóricojá apresentado com aulas práticas, como laboratórios, estudos de campo, simulações, entreoutros. Essa união se mostra cada vez mais eficiente para a aprendizagem do estudante,que o coloca mais próximo do que ele terá de enfrentar no mundo profissional.

Acrescentando aos equipamentos de bancadas didáticas para estudos na univer-sidade, este trabalho será de extrema importância para o estudo de sensores pois serácapaz de forma didática apresentar dados de ensaios de temperatura. Com a construçãodesta bancada, será possível incrementar às aulas práticas para a matérias cujo conteúdoabrange instrumentação eletrônica.

Em sistemas mecânicos, hidráulicos, elétricos e eletrônicos uma grandeza física es-sencial sempre presente é a temperatura. Esse elemento pode ser favorável aos projetosou não, logo deve-se sempre atentar a temperatura a qual os equipamentos funcionam.Devido a isso, a bancada didática será capaz de realizar estudos de temperatura, para sercapaz de mostrar os limites de temperatura que um objeto trabalha e as mudanças físicasque ocorrem. Logo pode-se comprovar o comportamento do material em diferentes tem-peraturas ou até determinar temperatura de fundição, condensação, solidificação, entreoutras.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo Geral

Este trabalho tem por objetivo o projeto e fabricação de uma bancada para estudosde sensores de temperatura. Esta bancada fará o estudo de temperatura, devendo ser umabancada portátil, de fácil operação e intuitiva.

1.1.2 Objetivo Específico

1. Desenvolver uma bancada didática para estudos de sensores do tipo termopar;

2. Adquirir sinais elétricos do elemento sensor termopar;

3. Amplificar e converter estes sinais para dados;

4. Multiplexar os dados amplificados;

28 Capítulo 1. Introdução

5. Tratar os dados atráves do processo de filtragem;

6. Apresentar estes dados para o usuário através de uma interface em tempo real apartir de ensaios;

7. Realizar ensaio para estudo do comportamento do fluxo de calor através de diferentesmateriais metálicos;

8. Realizar ensaio para adquirir sinais de temperatura de um resistor;

Parte I

Aspectos Gerais

31

2 Revisão Bibliográfica

2.1 Definição de bancadas didáticas

Bancadas didáticas são definidas como equipamentos com uma aplicação especí-fica controlada na qual o usuário pode se instruir ou instruir outras pessoas de maneiraeficiente (Giordani, Jurach e Rodrigues, 2003). Estas bancadas devem abrager todos osconhecimentos necessários aos quais foram projetadas para transmitir.

A didática é a técnica de ensinar e é passada de diversas maneiras entre os sereshumanos desde o início da vida humana (Aurélio, 2007). Nos termos de engenharia, téc-nicas que fazem o aluno aprender de forma prática mostraram-se desde dos anos 60 maiseficientes quando unidas com o estudo teórico previamente visto, didática conhecida comotecnicista (Campos e Guimarães, 2011). Desde então, inúmeros estudos foram realizadospara atingir o ápice da eficiência didática a partir de métodos práticos como ensaios,estudos de campo, projetos, entre outros. Um desses métodos é a utilização de bancadasdidáticas.

Ao realizar uma breve pesquisa, é possível encontrar bancadas didáticas que se-guem estas técnicas citadas anteriormente. Um exemplo é uma bancada para treinamentosda Weg centrada no treinamento para pessoas que trabalham com a área de energia elé-trica. A bancada é dividida em módulos, nos quais podem ser removidos e substituidospor módulos para a finalidade específica que deseja.

Figura 1 – Bancada didática da Weg. (Weg, 2017)

Há vários tipos de bancadas com diferentes finalidades. Porém em qualquer ban-cada deve-se atentar a alguns pontos básicos. A bancada deve ser de fácil utilização paraqualquer pessoa com o mínimo de conhecimento sobre a aplicação seja capaz de manu-

32 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

sear. Logo, para facilitar o manuseio, a bancada deve ser sinalizada e protegida em locaisonde possam ocorrer acidentes, como por exemplo, locais de aquecimento devem haverproteção contra contato com a pele, locais onde tenham condutores de corente elétricaelevada devem ser isolados, entre outros. A bancada projetada neste documento é paraestudos da grandeza física temperatura.

2.2 Estudo de temperaturaCom o aumento da tecnologia, é necessário compreender minuciosamente todos os

parâmetros que regem o estudo de um material ou equipamento. Uma medição fundamen-tal para estudo é a temperatura. Várias características de um material são dependentesda temperatura que o material está. Logo, um estudo do comportamento do materialcom a variação da temperatura é essencial para um projeto bem planejado. Temperaturatambém é uma característica crítica para funcionamento de dispositivos eletrônicos, porisso, sistemas de proteção de excesso de temperatura devem ser calibrados da maneiracorreta.

2.2.1 Elemento Sensor

Para realizar medições de temperatura o mercado utiliza sensores como termor-resistências, termômetros, termistores, termopares, entre outros. Cada sensor tem umacaracterística específica que limita o uso, logo compreender a necessidade do projetista éde extrema importância para um projeto bem executado.

Para processos industriais a necessidade de ter um maquinário funcionando pro-duzindo com maior capacidade gera maior lucro para o produtor. Tendo isso em vista,investimentos em sensores térmicos são essenciais, pois uma máquina trabalhando acimada temperatura comum de funcionamento pode acarretar uma diminuição da vida útil,trazendo prejuízo ao produtor. O uso dos sensores térmicos também trazem vantagens napadronização de produtos, aumentando a qualidade e otimizando o processo de fabricação.

Para adquirir dados de um sensor de temperatura há algumas dificuldades as quaisprojetistas devem atentar-se. Os sinais de sensores térmicos são de forma analógica e, paratratar estes dados após aquisição, deve ser feita a conversão do sinal para formato digital.Para resolver isto, deve-se utilizar um conversor A/D (Analógico - Digital) o qual acarretaem perda na precisão do sinal medido pelo sensor.

O ruído também é um fator o qual é aparente no uso de sensores térmicos. Coma diferença de temperatura, o material do próprio sensor pode ter suas característicasmodificadas e com isso alterar exatidão do sensor. Em alguns sensores, como as termorre-sistências, há o problema de passagem de corrente por ele, e essa corrente pode ocasionarum aquecimento do elemento sensor, alterando a exatidão do valor medido. Componentes

2.2. Estudo de temperatura 33

como termorresistências e termopares há uma baixa resistividade entre os terminais desaída. Com isso, a dificuldade da medição ocorre quando há cabos de ligação ou elementosparalelos que possam alterar a característica resistiva equivalente do circuito.

Dentre os elementos sensores térmicos existentes, o termopar abrange uma partedeste mercado. Devido a características como grande faixa de medição e confiabilidade, oelemento sensor do tipo termopar é utilizado desde aplicações simples, como medição detemperatura em multímetros, até aplicações industriais, como medição de temperaturade máquinas de grande porte.

2.2.2 Termopar

Para grandes faixas de medições de temperatura, a preferência do mercado é osensor Termopar. Este sensor foi utilizado na Escala internacional de Temperatura de1990 (ITS 90) para determinar uma grande escala de temperatura, entre −261∘𝐶 a 927∘𝐶.O termopar é bem difundido no mercado porque é um sensor de fácil utilização queconsegue uma alta precisão e uma faixa de medição bem elevada, podendo ser utilizadodesde aplicações em temperatura ambiente até altas temperaturas como em fundição demetais.

O princípio de funcionamento do termopar é regido pelo efeito seebeck. O efeito deseebeck consiste em dois materiais dissimilares ligados em uma extremidade, conhecidacomo junta quente, e esta mesma extremidade submetida a uma diferença de temperatura.A outra extremidade não unida liga-se a um condicionador de sinal a partir de fios desinal. Logo, será gerada uma diferença de potencial dependente da temperatura na juntaquente e na junta de referência (Duff e Towey, 2010). A partir dessa diferença de potencialpode-se determinar a temperatura em que a extremidade sensível está submetida. Esseconceito basea-se na primeira lei do efeito termoelétrico, que rege todo o funcionamentode um termopar.

Figura 2 – Efeito seebeck aplicado a um Termopar. (Matthew, 2010)

Existem vários tipos de termopar, a mudança física que ocorre é a diferença dosmateriais que são unidos para o funcionamento. A mudança sensorial afeta a faixa de


medição que o termopar é capaz de medir. A tabela 1 apresenta os tipos e faixa demedição dos termopares.

Tabela 1 – Tipos de Termopar

Tipo Positivo (%) Negativo (%) Faixa de Temperatura (oC)B Pt, 30% Rh Pt, 6% Rh 300 a 1700C W, 5% Re W, 26% Rh 0 a 2320D W, 3% Re W, 25% Re 0 a 2320E Ni, 10% Cr Cu, 45% Ni -200 a 900G W W, 26% Re 0 a 2320J Fe Cu, 45% Ni -200 a 750K Ni, 10% Cr Ni, 2% Mn, 2% Al -200 a 1250N Ni, 14% Cr, 1% Si Ni, 4% Si, 0.1% Mg -200 a 1350R Pt, 13% Rh Pt 0 a 1450S Pt, 10% Rh Pt 0 a 1450T Cu Cu, 45% Ni -200 a 350

Para fazer a leitura de um termopar, deve-se atentar ao efeito da junta fria oujunta de referência, efeito que é apresentado na segunda lei do efeito termoelétrico. A leidiz que a soma algébrica das forças temoelétricas é zero se todas as junções estão sujeitasa mesma temperatura. As juntas de materiais dissimilares que não estão a temperaturaque se deseja medir é conhecida como junta fria ou junta de referência.

Esse local de junta de referência funciona como um novo termopar porém comtemperatura diferente da junta quente, alterando o valor do sinal medido. A terceira leido efeito termoelétrico diz que se há 3 juntas com temperaturas diferentes (𝑇1, 𝑇2, 𝑇3), se𝑇1 e 𝑇2 produzem um tensão 𝑉1 e as juntas 𝑇2 e 𝑇3 produzem uma tensão 𝑉2, logo asjuntas 𝑇1 e 𝑇3 irá gerar a tensão 𝑉3 que é dada por:

𝑉3 = 𝑉1 + 𝑉2 (2.1)

Para resolver este problema, deve-se medir a temperatura neste local e realizar umacompensação, denominada compensação da junta fria.

2.2.3 Efeito Seebeck

O efeito de seebeck é capaz de apresentar variação de tensão a partir da mudançade temperatura, porém, alguns cuidados devem ser tomados para evitar medições incon-sistentes com a realidade. Como o termopar (Elemento sensor que é regido pelo efeitoseebeck para o funcionamento) tem uma alta faixa de temperatura de atuação e a tensãode saída é de baixa amplitude, a resolução do sensor termopar é baixa (Podendo chegar acasa de 41𝜇𝑉/∘𝐶), dificultando a medição e facilitanto com que ruídos causem alteraçãode valor.


Figura 3 – Termopar Tipo K.

Uma das dificuldades de calibrar o termopar é ajustar o valor da junta de referência.É necessário realizar o ajuste da junta de referência quando há união de materiais distintosfora do local de medição. Por exemplo, pela figura 4 observa-se que o termopar é fabricadocom materiais do tipo "A"e "B". Porém, há a junção destes materiais com um material dotipo "C". Neste local deve ser feita a compensação da junta de referência.

Figura 4 – Efeito de seebeck com junta de referência. (ECIL, 2016)

Se pela figura 4 a junta de medição for 𝐽1, a junta de referência for 𝐽2 e a Tem-peratura no Voltímetro for 𝐽3, de acordo com a terceira lei do efeito termoelétrico ondea soma das tensões das juntas por todo o termopar é igual a tensão entre as juntas maisexternas, observa-se que:

𝑉𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 + 𝑉𝐽3 (2.2)

O erro medido será a diferença entra a temperatura da junta de medição e o quefoi medido, logo:

𝐸𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽1 − (𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 + 𝑉𝐽3) (2.3)

Resolvendo:𝐸𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽2 − 𝑉𝐽3 (2.4)

Percebe-se que o erro de medição será dado pela diferença do valor da junta dereferência e a temperatura ambiente no local da medição.

Outra dificuldade encontrada na medição de temperatura a partir de um termoparé o coeficiente de seebeck não linear. O coeficiente é dado pelo valor de tensão aumentadopor graus Celsius. Porém independente do tipo do termopar, esse coeficiente altera no


decorrer da temperatura. Abaixo segue tabela com valores do coeficiente de seebeck a25∘𝐶.

Tabela 2 – Tensão x Coeficiente seebeck (25∘𝐶) (Mattew, 2010)

Tipo Coeficiente seebeck (𝜇𝑉/∘𝐶)E 61J 52K 41N 27R 9S 6T 41

Como dito anteriormente, o sinal recebido pelo termopar é de baixa amplitude epara aquisição é necessário uma amplificação do sinal para ser percepitível pelos equipa-mentos de medição.

2.2.4 Amplificadores de sinais

Normalmente, transdutores fornecem sinais de baixa amplitude, na faixa de mili-volts (𝑚𝑉 ) ou microvolts (𝜇𝑉 ). Isso causa uma dificuldade na leitura destes sinais, poisa variação de tensão é baixa. Para resolver este problema, utiliza-se amplificadores desinais.

Os amplificadores tem a tarefa de aumentar a quantidade de energia dos sinaisadquiridos por ele. Idealmente, a tarefa de um amplificador é replicar a onda adquirida,porém com amplitude maior, ou seja, mantendo todos os outros parâmetros como frequên-cia, ciclo de trabalho, comprimento, offset, entre outros (SEDRA, 1995). A equação 2.5mostra o valor de tensão de saída de um amplificador de tensão ideal.

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖 * 𝐺 (2.5)

Onde o 𝑉𝑜 é a tensão de saída do amplificador; 𝑉𝑖 é a tensão de entrada do ampli-ficador é 𝐺 é o ganho do amplificador. Logo, o ganho do amplificador, também chamadode função de transferência é apresentado de acordo com a equação 2.6 .

𝐺 = 𝑉𝑜

𝑉𝑖

(2.6)

Amplificadores são componentes com resistência de entrada elevada, podendo che-gar em alguns casos a 6𝑀Ω (TI, 2015). Isso faz com que o ganho do amplificador 𝐺 possaser determinado através do circuito de amplificação montado com o respectivo amplifica-dor. Por exemplo, na figura 5 tem-se um circuito típico de amplificador inversor.


Figura 5 – Exemplo de Amplificador Inversor. (SEDRA, 1995)

Para fins de cálculo, considera-se a impedância de entrada do Amplificador comoinifinita. Com isso, a corrente elétrica 𝐼+ e a tensão 𝑉𝑖𝑛 são zero. As equações 2.7 e 2.8pela lei de Kirchoff dos nós e a equação 2.9 pela lei de Ohm regem o comportamento docircuito.

𝑉𝑜 = −𝐼𝐹 * 𝑅𝐹 (2.7)

𝐼𝐹 = 𝐼𝑒 (2.8)

𝐼𝑒 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝑖𝑛

𝑅1(2.9)

Substituindo as equações 2.8 e 2.7 na equação 2.6, tem-se que o Ganho do am-plificador 𝐺 é dependente apenas das resistências que compõe o circuito, como mostra aequação 2.10 .

𝐺 = 𝑉𝑜

𝑉𝑖

= −𝑅𝐹

𝑅1(2.10)

Existem amplificadores de diversas formas e propriedades. Para utilização de ter-mopares, utiliza-se amplificadores de alta precisão, pois são elementos sensores cuja a os-cilação sobre o valor aferido é relevante. No mercado, fabricantes como Texas Instrumentse Analog Devices fabricam CI’s para aplicação em termopares. Estes CI’s internamentesão compostos de diversos amplificadores interligados a fim de realizar a amplificação dosinal de forma fiel ao sinal de entrada. A figura 6 mostra como exemplo o diagrama deblocos funcional do interior de um CI específico para amplificação de sinais de termopares.


Figura 6 – Diagrama de Blocos funcional CI AD595. (Analog Devices, 1999)

Como mostra a figura 6 , este CI tem funções específicas para a utilização emtermopares como a compensação da junta de referência interna ao CI e um alarme paraquando não houver um termopar conectado.

Parte II

Metodologia

41

3 Projeto de Bancada

3.1 Visão GeralA bancada é o equipamento projetado e construído para realizar o estudo de tempe-

ratura. A bancada é de fácil utilização podendo ser manuseada por alunos ou professores.O peso e as dimensões são projetadas de forma que o usuário possa transportar de formafácil e prática, sem necessidade de outras pessoas ou equipamentos para carregamento.

A bancada deve permitir:

1. Observar o comportamento do fluxo de calor através de diferentes materiais metá-licos;

2. Adquirir sinais de temperatura de um resistor;

3. Amplificar o sinais adquiridos de duas formas diferentes com a finalidade de com-parar resultados;

4. Amplificar estes sinais em ganhos diferentes cujo usuário possa selecionar;

5. Realizar tratamento destes dados a partir de filtragem em software;

6. Apresentar estes dados em uma interface em tempo real para o usuário;

A bancada é feita em duas partes separadas, cada parte realizando um estudode caso diferente para temperatura. O item 1 da lista, para estudo de fluxo de calorunidimensional, será o Módulo Experimental no1. O Módulo Experimental no1 tem oobjetivo de estudar o fluxo de calor unidimensional que flui através de materiais metálicosde propriedades, como condutividade térmica, diferentes.

O item 2 da lista, o qual adquiri sinais de temperatura de um resistor, será omódulo Experimental no2 e tem como objetivo um estudo generalizado do termopar etambém uma forma simplificada de exibir as funcionalidades da bancada.

A imagem 7 apresenta o diagrama geral da bancada.

Todos os casos de teste são para estudos de temperatura, porém para objetivosdiferentes. Cada Módulo Experimental é detalhado nas subseções abaixo;

3.1.1 Módulo Eletrônico

O módulo eletrônico é responsável por gerenciar o funcionamento da bancada. Eleé responsável por adquirir o sinal dos sensores, amplificá-los, processá-los e tratar antes

42 Capítulo 3. Projeto de Bancada

Figura 7 – Esquemático geral do Projeto.

de apresentá-los ao usuário. Além de aquisição dos dados, o módulo é responsável poracionar o aquecedor de cada módulo experimental e fazer alterações de ganho dos sistemasde amplificação. Dentro do Módulo Eletrônico, realizou-se a modularização das partes,afim de facilitar a manutenção de placas eletrônicas em caso de avarias. Isso significa quecada função do módulo (Amplificação, Aquisição, Condicionamento de sinal, etc) temuma placa separada, modularizando o projeto. A figura 8 mostra o diagrama do móduloeletrônico.

Figura 8 – Esquemático do módulo eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018)

Devido ao elemento sensor gerar um sinal de baixa amplitude, é necessária umaamplificação deste sinal para conseguir realizar a leitura. No projeto, de acordo coma figura 8, há duas formas de amplificação e conversão. Isso acontece para efeito decomparação entre os amplificadores.

O módulo de amplificação e conversão 2 terá como característica ser um elementojá pré-calibrado, realizará a compensação da junta de referência internamente e o ganhode amplificação é constante. Já o módulo de amplificação e conversão 1 terá como carac-terística ser um elemento o qual necessita de uma calibração, realizar a compensação dajunta de referência de forma externa e o ganho de amplificação deverá ser variável.

3.1. Visão Geral 43

Devido ao módulo de amplificação e conversão 1 necessitar de um ganho variável,deverá ter um módulo para configurar o ganho deste amplificador. Este módulo irá re-ceber comando da Aquisição de dados e a partir destes comandos irá variar o ganho doamplificador. Esta tarefa tem o objetivo de conseguir realizar ensaios onde a variação detemperatura será menor. Quanto menor a variação de temperatura, maior deverá ser oganho, para assim, a variação ser perceptível a aquisição de dados.

Devido a Aquisição de sinais não ser capaz de adquirir todos os sinais amplificadosao mesmo tempo, é necessário uma multiplexação de sinais. O módulo de multiplexaçãodos canais de aquisição é o responsável a este objetivo. Este módulo receberá todos ossinais de entrada após amplificação e conversão. A partir de um comando do módulo deaquisição de dados, o módulo de multiplexação deverá selecionar quais são os sinais deentrada que serão enviados para a aquisição. O módulo deverá selecionar ou os sinais domódulo de amplificação e conversão 1 ou os sinais do módulo de amplificação e conversão2.

Após a amplificação e seleção, a placa de Aquisição de sinais recebe o sinal re-sultante, e tem a função de processar este sinal, tratando-o de forma que fique legívelao usuário, realizando filtros com softwares e eliminando ruídos. Após todo o tratamentodo sinal é montada a Stream de dados e enviada serialmente ao computador, para sercaptado pelo software.

Figura 9 – Esquemático de sinais no Módulo Eletrônico. (Produção do próprio autor,2018)

Todo o caminho do sinal desde o elemento sensor, até o computador é mostradona figura 9 em forma de diagrama.

3.1.2 Módulo Experimental 1

O Módulo Experimental 1 deve ser um aparelho que consiga, de forma eficiente,realizar o estudo do fluxo de calor unidimensional. Esse fluxo será através de materiaiscom condutividade térmica diferentes. A imagem 10 mostra de forma simplificada, comoo estudo é feito.


Figura 10 – Esquemático simplificado do comportamento do Módulo Experimental 1.

Para isso, este módulo consiste em uma caixa termicamente isolada na qual dentrodela há 3 peças de materiais diferentes ligadas entre si e em uma das extremidades háum resistor utilizado para aquecimento. Os elementos sensores (Termopar) são fixados najunção entre resistor e primeiro material e também são localizados ao final do terceiromaterial. Quando o resistor de aquecimento é ligado, é possível analisar a temperatura deambas as extremidade dos corpos de prova.

Figura 11 – Projeto 3D interno do Módulo Experimental 1.

A figura 11 apresenta a construção interna do Módulo Experimental. Para melhorcaracterização do teste, há um isolamento térmico externo ao teste constituido por umacaixa de aço fechada com uma manta térmica fixada as paredes da caixa, como mostra afigura 12 .

3.1. Visão Geral 45

Figura 12 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 1.

3.1.3 Módulo Experimental 2

O Módulo Experimental 2 consiste no estudo do comportamento de um resistorquando é aquecido. O objetivo deste ensaio é avaliar o funcionamento do termopar comoum sensor de temperatura, podendo também mostrar as propriedades da bancada e suafuncionalidade. Além disso, também a forma com que um resistor de potência aquece.

Figura 13 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 2.

Para isso, no experimento tem-se um resistor para aquecimento. Neste resistor,há elementos sensíveis espalhados pela superfície. Com isso, quando submetido a umadiferença de tensão é possível analisar como o resistor aquece referindo ao local de aque-cimento.


3.2 Requisitos de Software

3.2.1 Firmware da Bancada

O firmware da bancada deve ser projetado com eficiência, de forma que mini-mize a quantidade de cálculos durante execução, evitando sobrecarregamento de cálculoscomputacionais. Para isso, o firmware deverá satisfazer os requisitos:

1. A linguagem de programação deverá ser compatível com o hardware microcontroladoda bancada.

2. A aquisição dos dados deverá ser em forma de loop, onde não necessita de um pedidoda aplicação para realizar a aquisição.

3. Os dados adquiridos deverão passar por filtragem, com a finalidade de diminuirruídos.

4. Realizar a conversão dos valores adquiridos em valores de tensão

5. Utilizar um protocolo de comunicação compatível com a aplicação

6. Montar a Stream de dados com os valores adquiridos de acordo com o protocolodeterminado.

7. Enviar o Stream via serial.

8. Paralelamente ao envio de dados, deve-se aguardar o comando da aplicação paraalterar configuração da bancada.

9. Em caso de recebimento de dados da aplicação, o firmware deve interpretar o co-mando a partir do protocolo determinado.

10. A partir dos comandos recebidos, deve ser capaz de alterar o ganho do módulo deamplificação e conversão, acionar resistores de aquecimento, alterar a seleção domódulo de multiplexação de canais de aquisição.

3.2.2 Aplicação para os ensaios

A aplicação deve ser projetada e desenvolvida para fins didáticos, de forma queo método de aprendizagem da bancada seja quase que instintivo. Para isso, a aplicaçãodeverá:

1. Conectar a bancada através de conexão Serial

2. Utilizar um protocolo de comunicação compatível com o Firmware da Bancada

3.2. Requisitos de Software 47

3. A partir dos valores coletados no Stream de dados, ser capaz de reconhecer quandoa conexão realizada não é compatível com o esperado no Stream.

4. Realizar, em tempo real, a calibração dos instrumentos de medição, recebendo os da-dos de leitura e permitindo o usuário realizar alterações nas características estáticasde todos os canais de aquisição.

5. Configurar a forma de aquisição de dados da bancada e ser capaz de enviar estesdados a bancada, alterando as configurações de aquisição.

6. As configurações selecionadas na aplicação devem ser capazes de alterar o amplifi-cador que fará a aquisição, o ganho do amplificador, a taxa de aquisição e a unidadede temperatura a ser convertida.

7. Salvar o arquivo de configuração e de dados de calibração, com o objetivo de utilizara qualquer momento, sem necessitar de realizar novas configurações.

8. Quando houver carregamento de arquivo de configuração já utilizado anteriormente,identificar se o arquivo carregado realmente é um arquivo de configuração.

9. Permitir que o usuário selecione o ensaio o qual iŕa realizar.

10. Ter uma explicação didática do funcionamento do ensaio, além de mostrar a mon-tagem na bancada do ensaio.

11. Plotar, em tempo real, os dados adquiridos e convertidos para temperatura, depen-dente do ensaio que está realizando.

12. Permitir que o usuário interrompa e inicie o ensaio a qualquer momento.

A aplicação deve ser instalada no computador que irá fazer análise e coletará asseguintes informações do Módulo de aquisição de dados:

1. Valor de temperatura atual em todos os termopares de cada Módulo Experimental

2. Ganho que consta no controlador de ganho no momento

3. Sinal de falta de alguma das bancadas ligadas

Como o canal USB é uma via cujo faz transmissão de entrada e saída ao mesmotempo, o software poderá enviar de sinal para o Módulo de aquisição de dados:

1. Alterar o valor de ganho do módulo de amplificação e conversão

2. Alterar a porta de acesso USB do computador


3. Alterar a seleção do Multiplexador dos canais de aquisição para selecionar o módulode amplificação e conversão desejado.

49

4 Desenvolvimento

4.1 Proposta e solução em eletrônica

4.1.1 Módulo de Aquisição de dados

Para fazer o processamento dos dados, será utilizado um arduino nano. O Arduinoé um dispositivo microprocessado que pode ser utilizado por projetistas amadores e pro-fissionais (Arduino.cc, 2018). O circuito integrado oficial de processamento é um CI dofabricante AtMel modelo AtMega 328p. Uma das vantagens do arduino é ser uma placade hardware livre, ou seja, o projeto dela está disponível para qualquer projetista montare/ou fazer modificações a partir do projeto base.

O arduino utilizado no projeto será o modelo nano. O modelo existe em duasversões, 2.3 e v3.0, o modelo 2.3 conta com o processador Atmega 168 SMD com 16KBFlash, 1kB SRAM, 521B EEPROM, e 8 canais com conversor A/D de 10 bits. O modeloV3.0 conta com um processador AtMega 328p SMD, o mesmo processador do arduinooficial porém com encapsulamento SMD. O processador AtMega 328p conta com 32KBFlash, 2kB SRAM, 1kB EEPROM, velocidade de clock de 16MHz. As especificaçõesdemonstram que o AtMega328p tem o dobro de especificações do que o AtMega168. Alémdisso, o modelo V3.0 conta com uma porta microUSB capaz de fazer a programação daplaca diretamente por ela, não necessitanto de um arduino comum para programar comonos modelos 2.3.

Tabela 3 – Especificações Arduíno Nano (Arduino.cc,2008)

Característica Modelo 2.3 Modelo v3.0Processador AtMega 168 SMD AtMega 328p SMD

Memória Flash 16kB 32kBSRAM 1kB 2kB

EEPROM 521B 1kB

Figura 14 – Arduino Nano V3.0. (Arduino, 2017)

50 Capítulo 4. Desenvolvimento

4.1.2 Módulo de amplificação e conversão de dados

Para realizar a conversão dos dados, serão utilizados circuitos integrados de preci-são, que garante a integridade dos sinais adquiridos. A conversão de dados do termoparserá feita a partir de dois CI’s diferentes, o INA125 e o AD595. O INA125 é um ampli-ficador de alta precisão e o AD595 é um amplificador para uso específico de termopares.O motivo de utilizar os dois CI’s para a mesma aplicação é demonstar a diferença entreamplificadores já pré-calibrados e que não necessita de compensação da junta de referên-cia, e amplificadores com ganho variado o qual necessita de uma compensação da juntade referência.

O INA 125 é um amplificador fabricado pela Texas Instruments com baixo con-sumo, alta acurácia e uma tensão de referência precisa. O circuito integrado conta comum encapsulamento DIP de 16 pinos. A pinagem do CI é apresentada na figura 15

Figura 15 – Pinagem do CI INA125. (TI, 2009)

O ganho do amplificador é em função do valor de resistência entre os pinos 8 e 9.O ganho de acordo com o Datasheet (TI, 2009) é dada pela equação 4.1

𝐺 = 4 + 60𝑘Ω𝑅𝐺

(4.1)

Logo, como a tensão de entrada do amplificador é dada pela diferença de tensãoentre os pinos 6 e 7, a saída amplificada no pino 10 será de acordo com a equação 4.2

𝑉0 = (𝑉𝐼𝑁+ − 𝑉𝐼𝑁−) · 𝐺 (4.2)

O INA125 é um amplificador que é utilizado para o uso de Strain Gauges(Sensoresde deformação), porém, pode ser utilizado também para termopares. O termopar utilizadono projeto para análise será um termopar do tipo K (Cromel/Alumel) e, de acordo como Datasheet o Termopar pode ser ligado como na figura 16

4.1. Proposta e solução em eletrônica 51

Figura 16 – Esquema simplificado INA com Termopar. (TI, 2009)

O resistor de 10𝑘Ω está ligado ao termopar para criar uma corrente de polarização.Esse resistor é necessário porque como impedância de entrada do Termopar é elevada(Cerca de 1011Ω) a corrente de saída de polarização que flui pelo dispositivo de entrada ébaixa (Aproximadamente 10𝑛𝐴), logo a variação de tensão da entrada resulta numa baixavariação de corrente de polarização dificultando a leitura do amplificador. Caso não utilizeesse resistor de polarização de corrente, a entrada do amplificador flutuará provocando asaturação da saída do amplificador.

Outra questão a ser observada no projeto é a junta de referência citada na seçãoanterior. Para a aplicação com INA125, a junta de referência deve ser compensada para nãohaver um erro de leitura da temperatura. Para facilitar, a conexão do termopar é localizadabem próximo a entrada do amplificador, evitando assim, uma resistência equivalente detrilho da PCB. Para realizar a compensação da junta de referência, utilizou-se um sensorde temperatura resistivo localizado próximo a junta de referência e levado ao elementoprocessador de dados (Arduino) para comparar a temperatura de junta quente e de juntade referência e fazer a compensação.

O elemento sensor que é utilizado para fazer a compensação é o LM35. A tensãode saída deste sensor é linear proporcional a temperatura em que o corpo do sensor está.As principais características do LM35 está na tabela 4 .

Tabela 4 – Características do Sensor LM35 (TI,2017)

No Item Característica Descrição1 Tensão de Alimentação (𝑉𝑠) 4V até 20V2 Ganho do Sensor (𝑉𝑜𝑢𝑡/

∘𝐶) 10mV/oC3 Acurácia de Temperatura (∘𝐶) 0,2oC4 Faixa de Temperatura (∘𝐶) -55oC até 150oC5 Calibração Não necessita

O outro método de adquirir os dados do termopar é através do amplificador AD595.Este amplificador tem a aplicação específica para termopares e isso traz consigo algumasvantagens. A primeira é que o amplificador já realiza a compensação da junta fria. Outravantagem é a saída da amplificação é linear indo −𝑉𝑆 + 2, 5 até +𝑉𝑆 + 2, onde 𝑉𝑆 é atensão de alimentação simétrica (Analog Devices, 1999). Isso significa que, para sinais


de temperatura indo de 0∘𝐶 até 500∘𝐶 a ligação é direta com o arduino para processaro sinal. O AD595 é capaz de notificar, através de um pino de alarme, se o termoparestá desconectado da entrada do Amplificador. A desvantagem deste amplificador é quecomo ele tem uma saída bem regulada, o tipo do termopar é limitado para apenas o tipoK ou tipo T. Caso queira utilizar um termopar tipo J por exemplo terá que usar umamplificador AD594.

O circuito condicionador de dados de temperatura via AD595 é apresentado nafigura 17 .

Figura 17 – Circuito amplificador de temperatura com AD595. (Produção do próprio au-tor, 2017)

4.1.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação

Quando o Termopar tem o sinal condicionado via CI INA125, necessita de umaresistência (𝑅𝐺) cujo ganho está em função dessa resistência. Como no termopar o valorde tensão de saída tem uma faixa de variação grande, dependendo da resolução de tem-peratura desejada deve-se alterar o ganho (Quanto menor a resolução, maior o ganho)porém, quanto maior o ganho, a faixa de temperatura legível diminui, pois o amplifica-dor irá saturar com uma menor tensão de entrada. Para resolver este problema, deve-seutilizar um ganho variável.

O ganho de amplificação irá variar de forma controlada pelo microcontrolador,a partir de um circuito de seleção de resistências, o microcontrolador via software comcontrole de portas digitais, seleciona qual a resistência equivalente irá ser colocada entreos pinos 8 e 9 do INA125.

Para o projeto do acionador dos relés, necessitou-se realizar cálculos para especi-ficar os componentes corretos de acionamento. Para isso, o primeiro passo a ser realizadoé escolher o relé que irá realizar o acionamento. Como a alimentação de todo o projetoé feita com tensões 12v, preferiu-se escolher relés de acionamento na bobina em 12v. A


figura 18 mostra o esquemático simplificado do projeto de acionamento de um relé peloarduino.

Figura 18 – Circuito Generalizado para Acionamento de Relé com Arduino. (Produçãodo próprio autor, 2018)

Para acionar a bobina do relé é necessário conhecer qual a corrente mínima deacionamento. De acordo com o Datasheet do relé de marca Sanyou Relays, modelo SRD-S-112D (Figura 19) a corrente de acionamento da bobina para o modelo de 12v é de30mA.

Figura 19 – Características da Bobina do Relé SRD-S-112D. (Sanyou Relays, 2018)

Como mostra a figura 18 o transistor utilizado para acionamento é um transistorNPN, logo, por ser um componente fácil de encontrar no mercado e que tem característicascompatíveis com o projeto, utilizou-se o transistor NPN BC549. Para cálculo do resistorde base (𝑅𝐵) necessário para acionar o relé, obteve-se do Datasheet do BC549 o valor deGanho de corrente DC (hfe ou 𝛽), como mostra a figura 20 , o valor é de 110 no pior caso.

Com o valor mínimo necessário na bobina e o valor de hfe, é possível calcular ovalor mínimo de corrente de base (𝐼𝐵) para acionar o relé. Pela figura 18 nota-se que acorrente através da bobina será o valor de corrente de coletor (𝐼𝐶). Com esses dados, deacordo com a equação 4.3 é possível calcular o valor da corrente 𝐼𝐵.

𝐼𝐵𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 = 𝐼𝐶

ℎ𝑓𝑒= 30𝑚𝐴

110 = 0, 27𝑚𝐴 (4.3)


Figura 20 – Características do Transistor NPN BC549. (FairChild, 2002)

Após calcular o valor mínimo de corrente de base (𝐼𝐵) determinou o valor deresistência de base (𝑅𝐵) máximo permitido para limitar a corrente 𝐼𝐵. Para isso, utilizouo valor de tensão Base-Emissor de acionamento (𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛)). De acordo com a figura 20este valor é de 0, 7𝑣 no pior caso. Logo, de acordo com a lei de Ohm, o valor máximo de𝑅𝐵 está demonstrado na 4.4 .

𝑅𝐵 = 𝑉𝐴𝑟𝑑𝑢𝑖𝑛𝑜 − 𝑉𝐵

𝐼𝐵

= 5 − 0, 70, 27 = 15, 92𝑘Ω (4.4)

Com isso, o valor máximo de 𝑅𝐵 é 15, 92𝑘Ω. Por conveniência, utilizou um resistorde 10𝑘Ω. Após todos os cálculos para acionamento de um relé, criou o projeto paraacionamento dos relés de ganho do INA125, acionando relés para paralelar resistências deganho, como mostra a figura 21 .

Pela figura 21 é possível perceber que o ganho será o valor resistivo em paralelodas resistências selecionadas pelo microcontrolador e acionada por relés. Como o ganho éinversamente proporcional a resistência (equação 4.1) , percebe-se que quanto mais relésforem ativados, maior será o ganho de amplificação.

4.1.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados.

O módulo de Aquisição de dados é composto por um Arduino, onde é capaz deadquirir 8 sinais analógicos diferentes (Portas A0 até A7). O projeto consiste em 4 placaspara amplificador AD595 e 4 placas para amplificador INA125 que, contando com os sinaisde junta de referência, totalizam 10 sinais de analógicos difetentes. Para solucionar esteproblema, utilizou-se um dispositivo para permitir a multiplexação dos canais de aquisiçãode dados. O CI resposável por fazer esta multiplexação é o Multiplexador 4052. Este CIfoi escolhido devido a capacidade de fazer multiplexação de sinais analógicos. O diagrama


Figura 21 – Esquemático do circuito de ganho. (Produção do próprio autor, 2017)

da figura 22 mostra que a partir de uma porta digital (Seletora) podem ser selecionadosdois sinais analógicos (Sinal 1 e Sinal 2) diferentes de entrada.

Figura 22 – Diagrama conceitual do Multiplexador. (Produção do próprio autor, 2018)

O 4052 é um multiplexador de 4x2, isso significa que são 4 sinais de entrada parauma saída multiplexada do CI, com o total de 2 saídas. A multiplexação será apenas dossinais de AD595 e do INA125, logo como no total 8 sinais para 4 saídas, são necessários2 4052, como mostra a figura 23

Este CI é composto por 16 pinos em encapsulamento DIP onde a pinagem é apre-sentada na figura 24

As chaves seletoras 𝑆1 e 𝑆2 seguem o comportamento de seleção de acordo com atabela 5


Figura 23 – Diagrama de Multiplexação da Bancada. (Produção do próprio autor, 2018)

Figura 24 – Pinagem do Multiplexador 4052. (NXP Semiconductors, 2016)

Tabela 5 – Tabela de seleção do Multiplexador (NXP Semiconductors, 2016)

�̄� (Bit) S2 (Bit) S1 (Bit) Entrada Ligada0 0 0 𝑛𝑌 0 para 𝑛𝑍0 0 1 𝑛𝑌 1 para 𝑛𝑍0 1 0 𝑛𝑌 2 para 𝑛𝑍0 1 1 𝑛𝑌 3 para 𝑛𝑍1 𝑋 𝑋 Saídas desligadas

Para o projeto da bancada, algumas observações devem ser notadas para o condi-cionador de sinais:

∙ Para o funcionamento do Multiplexador com sinais analógicos, o pino 7 (𝑉𝐸𝐸) deveráter tensão de funcionamento de −5𝑣.

∙ A tensão do pino 16 (𝑉𝐷𝐷) deve ser de 5𝑣.


∙ Devido as tensões de alimentação nos itens anteriores, os valores de entrada devemestar entre os valores de 𝑉𝐷𝐷 e 𝑉𝐸𝐸.

∙ Para o projeto da bancada, só será utilizado entradas 𝑛𝑌 0 e 𝑛𝑌 1, logo, de acordocom a tabela 5 o tensão do pino 9 𝑆2 será sempre 0𝑣.

4.1.5 Resistores de Aquecimento

Os dois Módulos Experimentais da bancada necessitam de um sistema de aqueci-mento. Esta resistência de aquecimento deve ter capacidade de alterar a temperatura doambiente a qual está, para ser realizado os ensaios de cada módulo experimental.

No Módulo Experimental 1, este aquecimento é feito por resistores de potência.Para isso, utilizou-se resistores de cerâmica (figura 25) com capacidade máxima de 20𝑊

e resistência de 7, 5Ω.

Figura 25 – Resistor Cerâmico.

Para não danificar o resistor, calculou-se qual a potência máxima que será dissipadapor ele. As fontes de alimentação de toda bancada são de 12v, logo, de acordo com aequação 4.5 a potência que será dissipada pelo resistor é menor do que a potência máximaque o fabricante do resistor permite dissipar evitando a avaria do componente.

𝑃 = 𝑉 2

𝑅= 122

7, 5 = 19, 2𝑊 (4.5)

A corrente elétrica que flui pelo resistor de aquecimento é dada pela equação 4.6. O valor de 1, 6𝐴 é maior do que a capacidade máxima de corrente que o arduino podefornecer (50𝑚𝐴), logo, é necessário fazer um acionador desta resistência no qual o arduinoapenas controle quando o resistor será energizado.


𝐼 = 𝑃

𝑉= 19, 2

12 = 1, 6𝐴 (4.6)

4.1.6 Controlador de Temperatura

O circuito proposto para solucionar este problema é utilizando transistores do tipoNPN. Estes transistores são fontes controladas por tensão, ou seja, aplicando uma tensãona base de um transistor pode-se controlar a corrente no coletor.

Figura 26 – Simbologia do Transistor NPN.

A ideia para controle de temperatura é um potênciometro controlar a tensão debase do transistor e, em série com o coletor, a carga a qual deseja controlar. Logo, paradecisão de qual transistor NPN utilizar, deve-se pensar na tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) dotransistor e a corrente máxima de coletor (𝐼𝐶) a qual deseja utilizar.

O transistor no qual tem-se características apropriadas para o projeto e tambémé facilmente encontrado no mercado é o transistor TIP41.

Figura 27 – Características do Transistor NPN TIP41. (FairChild, 2000)

De acordo com a figura 27 , a tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) é de 5𝑣, como a fonte detensão da bancada é de 12𝑣, deve-se colocar um regulador de tensão antes do potêncio-metro afim de não danificar o transistor. A tensão coletor-emissor (𝑉𝐵𝐸) é de 60𝑣 para opior caso, o que não é problema pois a tensão de trabalho do resistor de aquecimento é

4.2. Fabricação dos dispositivos 59

de 12𝑣. A corrente de coletor é de 6𝐴, logo está dentro do especificado, já que de acordocom a equação 4.6 a corrente máxima que o irá passar através do resistor será de 1, 6𝐴.

O projeto base do controlador de temperatura esta na figura 28 .

Figura 28 – Esquemático do controlador de temperatura. (Produção do próprio autor,2018)

4.2 Fabricação dos dispositivosA fabricação dos dispositivos deste projeto são vários módulos, apresentados nas

próximas subseções, que em conjunto forma um sistema de controle, aquisição, amplifi-cação, processamento de toda a bancada. No desenvolvimento das placas houve cuidadospara a modularização correta do projeto. Todas as conexões de energização das placasforam projetadas com conectores kre (conexão com parafuso). As conexões de sinal foramrealizadas com conector barra de pinos fêmea, pois assim a conexão entre placas podeser feita via Jumper, facilitando a troca de um módulo em caso de avaria. O processo defabricação das placas de circuito impresso foram realizadas por meio de processo térmico.A partir da impressão dos esquemáticos no proteus em papel couchê, foram transferidospara as placas de cobre cru por meio de aquecimento e após isso a corrosão com Percloretode Ferro (𝐹𝑒𝐶𝑙3). As soldas dos componentes foram realizadas manualmente.

4.2.1 Módulo de Aquisição de Dados

O módulo de aquisição de dados é uma placa cujo objetivo é receber os dadosda bancada, processá-los e enviá-los ao computador. Como descrito na proposta, o pro-cessamento é realizado pelo microcontrolador Arduino. A placa tem conexão com todosos pinos do arduino, alguns pinos tem funções específicas e outros não, podendo assimreceber futuras atualizações.

Este módulo tem algumas funções específicas. Pela figura 29 percebe-se que aconexão do arduino é através de barra de pinos, podendo trocar o microcontrolador emcaso de alguma avaria. Os pinos de entrada de sinal dos amplificadores são ligados aos


pinos analógicos do arduino, e os pinos de controle de relés são ligados a pinos digitais doarduino.

O módulo de Aquisição é protegido contra possível inversão dos cabos de alimenta-ção no momento de alguma manutenção. Esta proteção é devida a presença de um diodode proteção com capacidade de até 5A. Para resolver possível problema de oscilações naenergização foram colocados capacitores de 100nF.

Figura 29 – Comparação CAD e PCB do Módulo de Aquisição

Após a fabricação da PCB do módulo de aquisição, soldagem dos equipamentos eteste, as figuras 29 mostram o CAD e o módulo pronto.

4.2.2 Módulo de amplificação e conversão de dados

O módulo de amplificação e conversão de dados é uma placa cujo objetivo é recebero sinal do elemento sensor, no caso termopar, converter este sinal para um sinal elétricoe amplificá-lo, para poder utilizá-lo na aquisição dos dados. Como descrito na proposta,existem dois módulos diferentes de conversão de dados, um é feito com o CI INA125 e ooutro com o CI AD595.

O conversor projetado com o INA125 é uma placa cujo necessita de uma alimenta-ção simétrica de 12𝑣, entrada para o resistor de ganho do CI, entrada para o termopar eduas saídas, uma constitui do sinal do termopar amplificado e a outra o sinal do LM35 quefica localizado próximo a junta de referência do termopar, podendo fazer a compensaçãode forma correta.

Este módulo tem algumas funções específicas. O CI INA125 é conectado a placaatravés de um soquete DIP16, facilitando a troca do CI em caso de alguma avaria. Aplaca tem integrada a ela um LM35 que mede temperatura da junta de referência, afim de permitir realizar a compensação da junta. Para resolver possível problema de


oscilações na energização foram colocados capacitores de 100nF. As trilhas do circuitotem espessuras de 1mm. Estas espessuras facilitam a fabricação e tem uma capacidade decorrente adequada para o objetivo da placa.

Já o conversor projetado com o AD595 é uma placa cujo também necessita de umaalimentação simétrica de 12𝑣 e entrada para o termopar, porém o que difere do conversorcom INA125 é o ganho pré estabelecido interno ao CI, logo não é necessário um circuito deganho do AD595, e também tem apenas uma saída, a qual constitui do sinal do termoparamplificado. Por ser um amplificador específico para a utilização de Termopares do tipok, além do ganho fixo, o amplificador consegue fazer a compensação da junta fria internoa ele, necessitando apenas que a conexão do termopar fique próxima a entrada do CI.

Este módulo tem algumas funções específicas. O CI AD595 é conectado a placaatravés de um soquete DIP14, facilitando a troca do CI em caso de alguma avaria. Asaída de Alarme do AD595 foi utilizada para ligar um LED, possibilitando que o usuárioperceba se o termopar não está conectado ao módulo. Para resolver possível problema deoscilações na energização foram colocados capacitores de 100nF.

Figura 30 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produção do pró-prio autor, 2018)

Figura 31 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados com AD595. (Produção dopróprio autor, 2018)


Após a fabricação da PCB do módulo de conversão de dados com o INA125 e como AD595, soldagem dos componentes e teste, as figuras 30 e 31 mostram os CADs e osmódulos prontos.

4.2.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação

Para o caso do conversor de dados utilizando o INA125, é necessário de um circuitoque altere o ganho do amplificador de forma variável. Utilizou-se relés com bobinas de12𝑣 para manter o padrão do projeto. Estes relés selecionam resistores de forma que acombinação de equivalência entre eles formam o valor de resistência necessário para osganhos do INA. A tabela 6 apresenta o resistor que tem em cada estágio de relés e oganho que ele gera para o INA125.

Tabela 6 – Resistência Equivalente no Circuito de Ganho do Amplificador.

Quantidade de relés acionados Resistor Resistência Equivalente Ganho0 680Ω 680Ω 951 820Ω 370Ω 1652 680Ω 240Ω 2503 820Ω 185Ω 325

Este módulo tem algumas funções específicas. O módulo funciona de forma de-pendente do Módulo de Aquisição de Dados, visto que parte do acionamento dos relésestão na placa de Aquisição de dados. O módulo de ganho tem proteção contra inversãoda alimentação. No momento de alguma manutenção da placa, uma possível inversão daalimentação não causará uma avaria no projeto. Também há uma outra proteção paranão ter corrente induzida, vindo da chave do relé, na bobina do relé. Essa corrente in-duzida na bobina, caso não tenha a proteção, pode causar uma queima nas portas domicrocontrolador arduino. Essa proteção é projetada com um diodo em paralelo com abobina invertido ao sentido de corrente e um transistor que aciona a bobina no coletor ea base ligada ao microcontrolador, isolando bobina do relé ao microcontrolador.

Após a fabricação da PCB do circuito de ganho do amplificador, soldagem doscomponentes e teste, as figuras 32 mostram o CAD e o módulo pronto.

4.2.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados.

O condicionador de sinais é o projeto que faz a seleção de qual sinal após ampli-ficação deseja utilizar (AD595 ou INA125). Para isso utilizou o CI Multiplexador 4052para fazer essa seleção. O sinal da seletora é ligado a um pino digital do microcontroladorarduino, as entradas do multiplexador são ligadas aos sinais amplficados de cada módulo


Figura 32 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção do próprioautor, 2018)

de conversão de dados. As saídas do multiplexador são ligadas as entradas analógicas domicrocontrolador arduino.

Este módulo tem algumas características específicas. Como mostrado na proposta,a tensão de alimentação do módulo é simétrica de 5𝑣, para resolver utilizou-se reguladoresde tensão positivos e negativos. O regulador de tensão 7805 faz a regulagem de tensãopositiva de 12𝑣 para 5𝑣. O regulador de tensão 7905 faz a regulagem de tensão negativade −12𝑣 para −5𝑣. Ambos CI’s 4052 são conectados a placa através de soquete DIP16,facilitando a troca de algum dos CI’s em caso de alguma avaria.

Figura 33 – CAD e PCB do Módulo do Condicionador de Sinais. (Produção do próprioautor, 2018)

Após a fabricação da PCB do condicionado de sinais, soldagem dos componentese teste, as figuras 33 mostram o CAD e o módulo pronto.


4.2.5 Controlador de Temperatura

O controlador de temperatura é o projeto que faz o controle da temperatura doresistor de aquecimento. Para isso, utilizou-se um transistor NPN no qual a tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) é regulada por um potênciometro. A carga do circuito controlador de tem-peratura é a própria resistência de aquecimento, a qual deseja-se controlar temperatura,que está em série com o coletor do NPN, formando assim um controle de corrente sobrea carga. A entrada de tensão dos resistores vem do circuito de chaveamento do módulode aquisição, fazendo com que além de controlar a temperatura, seja possível tambémdesligar ou ligar os resistores.

Este módulo tem algumas características específicas. Como mostrado na proposta,a tensão de alimentação da base do transistor é 5𝑣 para resolver utilizou-se regulador detensão. O regulador utilizado para o projeto é o 7805, cujo objetivo é fazer a regulagemde 12𝑣 para 5𝑣. Tanto o 7805 quanto os 𝑇𝐼𝑃41 tem encapsulamento 𝑇𝑂 −220. As trilhasda parte de controle da placa são de 1𝑚𝑚 e para a parte de potência são de 2𝑚𝑚.

Figura 34 – CAD e PCB do Módulo do Controlador de Temperatura. (Produção do pró-prio autor, 2018)

Após a fabricação da PCB do condicionado de sinais, soldagem dos componentese teste, as figuras 34 mostram o CAD e o módulo pronto.

4.3 Proposta e solução em Software

O software é um elemento essencial no projeto pois ele é que fará a interação homemmáquina. Essa interação deve ser de fácil e simples utilização, além de leve processamentopara ser capaz de funcionar tanto em computadores de gerações mais antigas quantocomputadores de última geração.

4.3. Proposta e solução em Software 65

4.3.1 Firmware

O firmware é um tipo de software de baixo nível que faz o controle do Hardwareespecífico. Diferentemente da aplicação, o usuário não tem contato direto com o firmware.Todo o controle, processamento e aquisição de dados da bancada passa pelo firmwareantes de ser levado a aplicação e apresentada ao usuário ou vice-versa, como mostra afigura 35 .

Figura 35 – Diagrama do Software da bancada. (Produção do próprio autor, 2018)

O firmware do projeto foi realizado na IDE Arduino por ser de fácil utilizaçãoe própria para o microcontrolador Arduino que é utilizado no Hardware do Projeto. Ofirmware é constituído de dois blocos maiores, um para recebimento de dados da bancadae outro para envio de dados para bancada. Os dois blocos funcionam de forma paralela,um de cada vez, como numa comunicação Half-Duplex.

Figura 36 – Diagrama do Firmware da bancada. (Produção do próprio autor, 2018)

O bloco de recebimento de dados tem a função de fazer leitura de sinal das portasanalógicas e, de acordo com as configurações selecionadas na aplicação, monta o Streamde dados para enviar a aplicação. O bloco de envio de dados para a bancada tem a funçãode receber, via serial, informações da aplicação como amplificador utilizado, quantidadede termopares, ganho do amplificador INA125 e com estes dados configurar as respectivasportas do arduino.

O fluxograma completo do firmware representa em passos todo o processo de aqui-sição e processamento dos dados. O firmware foi projetado em .ino, devido ao microcon-trolador ser arduino. Devido a alta complexidade, o fluxograma completo do firmware foirealizado em duas partes, nas figuras 37 e 38 .


Figura 37 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte A. (Produção do próprioautor, 2018)


Figura 38 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte B. (Produção do próprioautor, 2018)


O firmware do projeto inicia as variáveis com os respectivos valores padrão. Apósisso, analisa se tem algum comando vindo pela interface serial, o qual é mandado pelaAplicação. Caso tenha algum dado, é feita a leitura da String que está aguardando naSerial. Com isso, esta String é enviada a uma função de comandos enviados pela aplicação.

Na função de comandos, o firmware tem a relação de todos os casos possíveis ecomo tratar o sistema para cada caso. Por exemplo, se a string enviada pela aplicação for’A’, o firmware irá acionar todos os relés dos resistores de aquecimento, em caso da stringfor ’8’ o firmware muda para nível lógico baixo a seletora do multiplexador das saídas dosamplificadores, assim por diante.

Paralela a função de comandos, o firmware recebe os dados vindo dos amplificado-res e dos LM35, totalizando 6 sinais (4 do multiplexador e 2 LM35). Após isso, cada sinalé tratado com uma média de 100 amostras, afim de diminuir variações, porém descartandoamostras cujo valor seja 0, diminuindo a queda da média.

O resultado desta filtragem é utilizado para calcular a temperatura de cada sinal,porém para isso, o firmware checa por qual amplificador está recebendo o sinal, pois cadaum tem uma forma diferente de cálculo. AD595 leva em consideração o fator de conversãoe offset utilizado, enquanto INA125 utiliza o ganho selecionado do amplificador, offset evalor de temperatura adquirido pelo LM35.

Temperaturas calculadas o firmware monta o Stream de dados. Foi desenvolvido umprotocolo de comunicação entre a aplicação e o microcontrolador para envio deste Streamde dados. Isto garante que as mensagens enviadas pela aplicação sejam compreendidaspelo microcontrolador e vice-versa

4.3.2 Aplicação

A aplicação será desenvolvida em JAVA por se tratar de uma linguagem que nãonecessita de uma habilidade complexa em programação e tem capacidade de desenvolverum programa que realize todos os requisitos do projeto. A IDE de programação será oprograma NetBeans IDE 8.2. A escolha desta IDE é a facilidade de se criar programascom interface gráfica.

4.3.2.1 Arquitetura de Software

Após a escolha da plataforma de desenvolvimento e a linguagem de programação,determinou-se qual padrão de projeto será utilizado. O padrão de projeto determina comoserá a construção da aplicação e facilita, ao desenvolvedor, a realizar o projeto de formasistemática. Para o desenvolvimento da aplicação da bancada utilizou-se o padrão MVC(Model-View-Controller).


O padrão MVC é um padrão cuja principal função é separar a interação do usuáriocom a troca e controle de informações da aplicação. As vantagens de se utilizar um padrãocomo o MVC são (MACORATTI, 2018):

1. Devido a um modelo ser generalizado, ou seja, ter capacidade de gerenciar váriosvisualizadores, facilita a manutenção, testes e atualizações.

2. Facilidade para incluir novos visualizadores e controles

3. Aplicação fica escalável

4. Facilidade de documentação

5. Reduz tempo de desenvolvimento do projeto

O padrão MVC utilizado na bancada foi projetado com a estrutura de acordo coma figura 39 .

Figura 39 – Diagrama do Padrão MVC adotado na Aplicação. (Produção do próprio au-tor, 2018)

O bloco janela é a interface gráfica direta, ou seja, o elemento de interação diretacom o usuário. Nele contém as telas, botões de ação, gráficos, imagens, entre outros.Importante apresentar que no bloco janela, não pode haver nenhum tipo de controle oucálculo da aplicação.

A API (Application Programming Interface) utilizada para criar as telas foi aSwing. A função do Swing é facilitar a inclusão dos componentes que formam as telas. A


figura 40 apresenta um diagrama simplificado de como é o funcionamento do bloco janela,a partir das telas que são apresentadas ao usuário.

Figura 40 – Diagrama do bloco Janela da Aplicação. (Produção do próprio autor, 2018)

O diagrama da figura 40 não representa a forma como uma tela abre outra tela,já que isso não é papel do bloco janela, mas sim a hierarquia de telas na aplicação.

O bloco modelo são os padrões adotados ao projeto. Este bloco tem a função dereceber o que ocorre com na janela, fazer as mudanças de estado, gerenciar os dadostransitados por ele, entre outros. No projeto, os modelos adotados foram separados portarefas. Isso significa, por exemplo, que duas telas do bloco janela que requisitam umatarefa similar, tem esta requisição passada para o mesmo modelo.

Os modelos utilizados no projeto são apresentados em forma de diagrama na figura41 .

Observa-se que a figura 41 não apresenta todas as tarefas que foram projetadasno bloco modelo. Porém, as outras tarefas-modelo são feitas de forma facilitada pelaAPI Swing, como por exemplo preenchimento de jComboBox, jTextField, entre outros.Logo não foi necessário a programação destes modelos, apenas instanciá-los. Dois modelosimportantes utilizados nesta aplicação foi a biblioteca jFreeChart e jFileChooser.

A jFreeChart é uma biblioteca de terceiros feita em JAVA que permite apresentargráficos de qualidade de vários tipos, como gráficos pizza, de colunas, de linhas, barras,etc (jfree.org, 2018). A vantagem de se utilizar esta ferramente é o modelo já pronto, ondeé possível que o desenvolvedor altere títulos, linhas, eixos, entre outras funções. Outravantagem sobre a ferramenta é a possibilidade do usuário, em tempo de execução, alteraralguns parâmetros do gráfico e ter acesso a algumas propriedades. O usuário pode salvarcomo imagem o gráfico, alterar propriedades como eixos com escala automática, cor dalinha, entre outros.

Já a biblioteca jFileChooser é um modelo que facilitou no requisito de salvamento


Figura 41 – Diagrama do bloco Modelo da Aplicação. (Produção do próprio autor, 2018)

de arquivos. Esta biblioteca é padrão da API JAVA Swing, e permite que o usuárioselecione o arquivo que deseja buscar ou o diretório que deseja para realizar algumatarefa desenvolvida. Esta ferramenta evita que o desenvolvedor necessite carregar todasos arquivos que estão no computador para apresentar ao usuário.

O bloco controladora é responsável por toda a computação dos dados, sejam cálcu-los, armazenamento, controle do fluxo de dados. Este bloco trabalha de forma direta coma persistência pois ele quem irá receber os dados da persistência, tratá-los e apresentá-losaos modelos corretos.

Algumas das tarefas do bloco controladora são apresentados na listagem abaixo:

1. Receber o Vetor de Strings contendo os valores adquiridos na persistência

2. Separar os dados entre valores de temperatura, valores de ganho e seletora do mul-tiplexador

3. Converter os valores de tensão em temperatura de acordo com o que está definidono arquivo de configuração

4. Receber do bloco modelo um comando do usuário para a bancada

5. Converter o comando serial em dados para a bancada e enviá-lo para o bloco depersistência.


Nota-se por meio da listagem que o bloco controladora realiza todo tipo de cálculo etramissão de dados importante para o projeto, porém não realiza nenhum tipo de alteraçãográfica na aplicação.

O bloco persistência tem a função de trabalhar diretamente com o Hardware doprojeto. Este bloco estabelece o protocolo de comunicação entre o hardware e o com-putador. Tem funções de proteção contra conexões perdidas, perda de dados durantetransmissão e filtragem de dados incoerente com o protocolo.

As funções do bloco persistência são apresentados na listagem abaixo:

1. Identificar portas COM (Portas de comunicação) conectadas ao computador e listá-las para a controladora

2. Estabelecar a conexão Serial com a porta COM selecionada pelo usuário no blocojanela.

3. Determinar parâmetros de conexão com a COM, como taxa de transmissão, quan-tidade de bits de dados e de final de frame.

4. Estabelecer listener para ficar como ouvinte da porta serial conectada, afim deperceber quando houver dados a serem recebidos serialmente.

5. Ler o Stream de dados que estão sendo transmitidos pela bancada via serial e enviareste Stream para o bloco controladora.

6. Receber do bloco controladora a Stream de dados que o usuário configurou no blocojanela e enviá-la a bancada via serial, de acordo com a porta COM conectada.

7. Finalizar a conexão serial com a porta COM conectada.

Uma biblioteca importante para a consolidação do bloco de persistência é a RTX-serial. A API RXTXserial é uma biblioteca de terceiros a qual permite que a Aplicaçãofaça comunicação com dispositivos Serial (jlog.org, 2018). Logo, é com esta API que aaplicação faz a conexão com o microcontrolador e permite passar os dados da bancadadidática para o computador que esteja executando a aplicação.

Unindo todos os elementos da arquitetura de software MVC, foi possível projetar astelas da aplicação com todas as funcionalidades já descritas, e assim, cumprir os requisitospropostos pelo projeto.

4.3.2.2 Telas

Quando o usuário abre o programa, utilizou-se um recurso chamado SplashScreen.Este recurso é como uma tela de inicialização de espera para o usuário saber que oprograma está sendo iniciado. A figura 42 mostra a SplashScreen do Software.


Figura 42 – Tela de apresentação do programa. (Produção do próprio autor, 2018)

Após o carregamento do Software, uma tela básica (Figura 43) é aberta onde temas opções disponíveis como "Conexão", "Configuração", "Calibração"e "Ensaio".

Figura 43 – Tela inicial do programa. (Produção do próprio autor, 2018)

Para a construção do software foi utilizada a ferramenta jDesktopPane. Esta fer-ramenta é a tela inicial onde dentro desta pode-se abrir várias janelas independentes (Co-nhecidas como jInternalFrame). A vantagem de utilizar esta ferramenta é que o usuáriopode movimentar, maximizar, minimizar os jInternalFrames dentro do DesktopPane. Parao programador a vantagem de utilizar esta ferramenta é a individualização dos códigos decada jInternalFrame. Cada opção citada anteriormente abre um novo InternalFrame.

O botão "Conexão"abre um InternalFrame (Figura 44) cujo o objetivo é realizar aconexão da bancada didática com o software.

A tela "Conexão"faz a comunicação com o arduino, porém não envia e nem recebedados pela serial, apenas encontra o "caminho"através das portas COM, via USB. Nestatela, o software é capaz de buscar todas as portas disponíveis para conexão, logo após estabusca, o usuário pode selecionar qual porta deseja conectar e faz a conexão. O software écapaz de identificar um erro no momento da busca de portas e apresenta ao usuário umajanela de erro, como mostra a figura 45 .


Figura 44 – Tela de Conexão do Software. (Produção do próprio autor, 2018)

Figura 45 – Mensagem de Erro em caso de não conexão. (Produção do próprio autor,2018)

A tela "Configurações"tem o objetivo do usuário configurar o ensaio o qual eledeseja realizar. Dentro desta InternalFrame existem duas opções, ou o usuário utilizauma configuração já feita anteriormente ou faz uma nova configuração, como mostra afigura 46 .

Para uma configuração já realizada anteriormente, o usuário deve clicar sobre aimagem da "Pasta"localizada após o caminho do diretório e lá pode selecionar o arquivode configuração que deseja utilizar. Se o usuário deseja criar uma nova configuração,deve selecionar qual amplificador deseja-se utilizar, o ganho do amplificador caso estejautilizando amplificação com ganho variável, a taxa de transmissão de comunicação com abancada didática, quantidade de amostras do ensaio, quantidade de termopares e qual aunidade de medida de temperatura.

Para realizar o ensaio, o usuário primeiro deve decidir qual Módulo Experimentaldeseja realizar o ensaio, onde as 2 opções estarão disponíveis ao usuário.


Figura 46 – Tela de Configurações do Software. (Produção do próprio autor, 2018)

Figura 47 – Tela de Seleção de Ensaio. (Produção do próprio autor, 2018)

Em todos os Módulos Experimentais tem-se as mesmas abas de funcionamento, sãoelas "Sobre", "Montagem"e "Ensaio". Na aba "Sobre"a tela faz um pequeno explicativo decomo funciona o ensaio, qual objetivo e a teoria acerca deste ensaio. A aba "Montagem"háum explicativo em passos de como montar a bancada para estar apta a realizar o respectivoensaio. Esta aba contém os passos escritos e imagens em CAD para auxiliar o usuário. Afigura 48 mostra um exemplo dos 2 ensaios abertos onde cada ensaio está em uma abadiferente para facilitar a visualização.

Para iniciar qualquer um dos ensaios, o usuário deve clicar no botão "Iniciar"que hána tela inicial do programa. Ao começar do ensaio, o gráfico da aba "Ensaio"irá atualizarem tempo real de acordo com o ocorrido no respectivo módulo experimental. No momentodesejado, o usuário pode pausar o ensaio clicando no botão "Pausa"que está localizado natela inicial do programa. O gráfico do ensaio pode ter algumas características alteradas,o usuário pode salvar como imagem o gráfico gerado em várias extensões, além de outrosrecursos bastando o usuário clicar com botão direito do mouse sobre o gráfico, como


Figura 48 – Telas dos Módulos Experimentais. (Produção do próprio autor, 2018)

mostra a imagem 49 .

Figura 49 – Exemplo de Tela de Propriedades do gráfico. (Produção do próprio autor,2018)

Parte III

Resultados e Conclusões

79

5 Estudo de caso

Para garantir o funcionamento do equipamento, é necessário realizar periodica-mente calibração dos sensores, de forma a garantir o que o sensor mostra é o equivalentea realidade. Para isso, diferentes técnicas deverão ser adotadas para diferentes sensores.

5.1 Módulo Experimental 1

5.1.1 Metodologia

O ensaio do módulo experimental 1 consiste no estudo da fluxo de calor unidi-mensional. A taxa de fluxo de calor para três componentes de dimensões iguais é dada deacordo com a equação 5.1 . (Çengel, 2011)

Φ = 𝐴 * Δ𝑇𝐿1𝐾1

+ 𝐿2𝐾2

+ 𝐿3𝐾3

(5.1)

Onde A é a área de secção transversal dos materiais, L é o comprimento de cadamaterial, e K é a condutividade térmica de cada material.

Como a dimensão linear do corpo de prova é igual, e a condutividade térmica éintrínseco ao material, pode-se utilizar o conceito de resistência térmica do material. Aresistência térmica é de acordo com a equação 5.2 .

𝑅 = 𝐿

𝐾(5.2)

Com isso, a equação da taxa de fluxo de calor ficará de acordo com a equação 5.3.

Φ = 𝐴 * Δ𝑇

𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3(5.3)

Neste caso, como os materiais tem dimensões e condutividade térmica fixas, a únicavariável da equação 5.3 é a diferença de temperatura (Δ𝑇 ). Esta variação no decorrer doensaio será cada vez menor, visto que a temperatura no final do terceiro material irá subiraté alcançar a temperatura no ponto de aquecimento.

Com a variação de temperatura menor, espera-se que durante o ensaio será possívelvisualizar no gráfico a queda da taxa do fluxo de calor no decorrer do tempo.

80 Capítulo 5. Estudo de caso

5.1.2 Ensaio

Para o estudo de caso do módulo experimental 1, fez-se um ensaio do comporta-mento do módulo. Primeiramente determinou-se o amplificador utilizado sendo o AD595.Segundo aplicação, na janela do Módulo experimental 1, aba "Montagem", o ensaio deveser realizado com 4 termopares, dois adquirindo o valor de temperatura inicial do expe-rimento (Temperatura 1) e os outros dois termopares medindo a temperatura final doexperimento (Temperatura 2). A taxa de Fluxo de calor a partir das duas temperaturasmedidas é plotado no gráfico.

Figura 50 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 1. (Produção do próprio autor, 2018)

Como mencionado anteriormente, o objetivo do experimento consiste no estudo dofluxo de calor unidimensional. Para isso, utilizou-se três materiais de boa condutividadetérmica (Alumínio, Latão e Aço) cujo a condutividade térmica é de, respectivamente,235𝑊/𝑚𝐾, 109𝑊/𝑚𝐾 e 14𝑊/𝑚𝐾. Para aquecer utilizou-se 3 resistores de 20𝑊 cadacom 7Ω5. Ambos materiais tinham área de secção transversal de 16𝑐𝑚2 e comprimementode 4𝑐𝑚.

Para fins de comprovação de cálculo de dados, o valor da taxa de fluxo de calorpela figura 51 é dado pela equação 5.4 .

Φ = 𝐴 * Δ𝑇𝐿1𝐾1

+ 𝐿2𝐾2

= 0, 042 * (61, 6 − 29, 5)0,04235 + 0,04

109 + 0,0414

= 15, 13𝑊 (5.4)

A figura 51 apresenta o valor de fluxo de calor unidimensional após aquecimentodos resistores. Após isso, o valor de Temperatura 2 começou a subir, e, de acordo coma equação 5.4 o valor da taxa de fluxo de calor unidimensional começa a descer, pois adiferença de temperatura diminui.

5.1. Módulo Experimental 1 81

Figura 51 – Ensaio Módulo 1 após inicialização. (Produção do próprio autor, 2018)

De acordo com a figura 52, observando pelo gráfico, o valor do fluxo de calorunidimensional diminui. Comparando com os valores no início do ensaio, o valor de tem-peratura 2 tem um aumento significativo, diminuindo o fluxo de calor unidimensional emaproximadamente 10𝑊 .

Figura 52 – Ensaio Módulo 1 após queda de fluxo. (Produção do próprio autor, 2018)

Logo, conclui-se pelo experimento que o valor do fluxo de calor unidimensionaldiminui no decorrer do ensaio, como é comprovado em teoria a partir de cálculos. Paraaumentar a eficiência do experimento, pode-se diminuir a área de contato dos materiaiscom as resistências de aquecimento, para a troca de calor ser mais intensa e notar umadiferença de fluxo de calor unidimensional mais significativa.

82 Capítulo 5. Estudo de caso

5.2 Módulo Experimental 2

5.2.1 Metodologia

O ensaio do módulo experimental 2 consiste em um estudo generalizado do ter-mopar e também uma forma simplificada de exibir as funcionalidades da bancada. O focodeste módulo está em apresentar apenas a variação de temperatura enquanto o resistorestá aquecendo ou resfriando.

Este módulo pode também ser útil para realizar testes que não foram projetadospela bancada, dando maior liberdade ao usuário, visto que apenas mede a temperaturasem nenhuma finalidade física ou de caracterização.

Para obter-se resultados, o ensaio deste módulo experimental consistirá na resis-tência de aquecendo e esfriando em variações diferentes afim de mostrar ao usuário atemperatura no módulo.

5.2.2 Ensaio

Para o estudo de caso do módulo experimental 2, fez-se um ensaio do comporta-mento do módulo. Primeiramente determinou-se o amplificador utilizado sendo o AD595.Segundo aplicação, na janela do Módulo experimental 2, aba "Montagem", o ensaio deveser realizado com 3 termopares, o qual os 3 sensores são para medir a temperatura de umresistor de aquecimento em pontos diferentes.

Figura 53 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor, 2018)

Como mencionado anteriormente, o objetivo do experimento é um estudo gene-ralizado do termopar e também uma forma simplificada de exibir as funcionalidades dabancada. Para isso, posicionou-se o primeiro termopar a uma extremidade, o segundo ao

5.2. Módulo Experimental 2 83

centro e o terceiro a outra extremidade do resistor de aquecimento. A média da tempera-tura medida pelos 3 termopares foi observada durante o ensaio.

No momento em que foi iniciado a aquisição, deu-se o comando para fechamentodo contato do relé do módulo eletrônico ligado ao resistor de aquecimento, testando assimo acionamento do resistor, a capacidade de corrente elétrica no módulo eletrônico e osistema de controle de temperatura pelo potênciometro.

Figura 54 – Ensaio do módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor, 2018)

O potênciometro de controle de temperatura foi colocado na posição de máximatensão ao resistor. Pela figura 54 nota-se que o resistor aquece de forma lenta, atingindoa estabilidade próximo aos 200 segundos. Quando atingida a estabilidade, diminuiu-se atemperatura pelo potênciometro de controle, assim testando se o controlador de ganhofunciona corretamente.

Logo apoś o tempo de 150 segundos nota-se uma queda ao valor de temperaturapara 0 e após alguns segundos volta a realizar a aquisição normalmente. Neste ensaioaconteceu este evento pois fez-se um teste de queda de sinal, desligando a entrada detensão principal do módulo eletrônico e ligando novamente.

Este teste mostrou que em caso de falta de energia a bancada não é capaz derealizar a aquisição, e quando reestabelece a energia, é necessário desconectar e conectarnovamente o a bancada através da aplicação. Porém quando há a conexão novamenteestabelecida, o ensaio continua do local onde havia sido interrompido

Logo, conclui-se de forma empírica pelo módulo experimental 2 que a bancada écapaz de realizar a aquisição de sinal de temperatura dos resistores de aquecimento, écapaz de suportar a carga da resistência de aquecimento (elemento de maior fluxo de cor-rente do projeto) e que pode haver falta de energia na bancada que após a reestabilizaçãoé possível retomar o ensaio sem perder os dados que já foram adquiridos anteriormente.

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6 Conclusões

O objetivo fundamental deste trabalho consistiu no projeto e fabricação de umabancada para estudos de sensores de temperatura. A bancada mostrou-se por meio destetrabalho ser um equipamento promissor, simples e importante utilização para a universi-dade, podendo ser utilizado em disciplinas de instrumentação eletrônica e física. A bancadacumpre em partes o proposto pelo objetivo e também os requisitos do projeto.

O projeto eletrônico da bancada mostrou-se complexo, envolvendo todo o conheci-mento necessário para um graduando de Engenharia Eletrônica, no qual houve projetos decircuitos analógicos, desde cálculos de resistencias, polarização de transistores até constru-ção de PCB’s; projetos de circuitos digitais, como utilização de multiplexação, linguagemde programação para microcontroladores e sistemas embarcados; projetos de eletricidadebásica, como cálculo de potência dissipada, dimensionamento de cabos e fontes elétricas;entre outros. A utilização de pequenos módulos facilitou o entendimento do projeto etambém facilita a manutenção do produto.

A bancada tem uma construção robusta, aumetando a vida útil. Alguns componen-tes eletrônicos e mecânicos, como fontes elétricas, seções transversais de cabos, parafusose espessura de chapas foram dimensionados com a finalidade de manter o equipamentoem pleno funcionamento por anos.

O equipamento é capaz de realizar ensaios de fluxo de calor unidimensional, atravésdo módulo experimental no1 e apresentar de forma generalizada o funcionamento dotermopar e da bancada como um todo, atendendo os respectivos requisitos.

Apesar do projeto ser capaz de realizar calibração do elemento sensor, é necessárioum aprofundamento maior sobre o funcionamento e execução de calibração do termopar. Aaplicação em software que envolve o projeto cumpriu com o objetivo proposto, porém umestudo maior de eficiência computacional pode melhorar o comportamento da bancadae suas aplicações, otimizando cálculos e diminuindo a complexidade de código. Logo,trabalhos futuros a cerca desses itens podem ser executados.

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7 Referências

1. DUFF, Matthew. TOWEY, Joseph. Two ways to Measure Temperature usingtermocouples feature simplicity, accuracy, and flexibility. Georgia, EUA:Analog Devices, 2010.

2. DOEBELIN, E. O. Measurement Systems Application and Design . NewYork, EUA: McGraw-Hill, Inc., 2004.

3. FRADEN, J. Handbook of Modern Sensors. 3. ed.: Springer, Inc., 2004.

4. SEDRA, S.; SMITH, K..Microeletrônica. 4a. Edição, Pearson Makron Books, SãoPaulo, Brasil: 2005.

5. ALEXANDRE, Charles K.; SADIKU, Matthew N. O. Fundamentos de CircuitosElétricos. 5. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.

6. Texas Instruments. Datasheet: INA125, Instrumentation amplifier with pre-cision voltage reference. Publicação eletrônica, 2009.

7. Analog Devices. Datasheet: AD595, Monolithic Thermocouple Amplifierswith Cold Junction Compensation. Publicação eletrônica, 1999.

8. NXP Semiconductors. Datasheet: HEF4052B, Dual 4-channel analog multi-plexer/demultiplexer. Publicação eletrônica, 2016.

9. FairChild. Datasheet: TIP41A / TIP41B / TIP41C, NPN Epitaxial SiliconTransistor. Publicação eletrônica, 2014.

10. Sanyou Relays. Datasheet: SRD-Series, Miniature Power Relay. Publicaçãoeletrônica, 2016.

11. AtMel. Datasheet: Atmega 168/v, 8-bit AVR Microcontroller. Publicaçãoeletrônica, 2016.

12. AtMel. Datasheet: Atmega 328/v, 8-bit AVR Microcontroller. Publicaçãoeletrônica, 2016.

13. ÇENGEL, Yunus A. GHAJAR, Afshin J. Transferência de Calor e Massa: Umaabordagem Prática. 4. ed.: AMGH Ltda., New York, 2011.

14. LEWANDOVSKI, Mauro. Bancada de ensaio de fadiga para eixos submeti-dos à flexão. Trabalho de conclusão de curso - FAHOR, Horizontina, 2013.

88 Capítulo 7. Referências

15. MOLIN, Anderson. ZORZAN, Flávio. DARONCH, Jéferson Desenvolvimento deuma bancada didática de hidráulica. Trabalho de conclusão de curso - FAHOR,Horizontina, 2013.

16. RODRIGUES, M J. JURACH, P J. GIORDANI, R E. Bancada didática depneumática. Trabalho de conclusão de curso - CEFET, RS, 2003.

17. GUIMARÃES, Suely Fernandes. PALHARINI, Alessandra Rosa. Tecnicismo eprátiva pedagógica na escola contemporânea. Trabalho de conclusão de curso- FAEF, Garça SP, 2011.

18. MORAES, M B. e RIBEIRO, R M Circuitos elétricos: Novas e velhas tecno-logias como facilitadoras de uma aprendizagem. UFGRS, 2006.

19. WALKER, Jearl. O grande circo da Física. 1. ed. Gradiva, Lisboa, 1975.

Apêndices

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APÊNDICE A – Projetos feito em Proteusde cada placa do Módulo Eletrônico

A figura 55 apresenta o projeto final em Proteus do módulo de aquisição de dados.

Figura 55 – Projeto Proteus do Módulo de Aquisição. (Produção do próprio autor, 2018)

A figura 56 apresenta o projeto final em Proteus do módulo de amplificação econversão de dados com INA125.

Figura 56 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produção dopróprio autor, 2018)

92 APÊNDICE A. Projetos feito em Proteus de cada placa do Módulo Eletrônico

A figura 57 apresenta o projeto final em Proteus do módulo de amplificação econversão de dados com AD595.

Figura 57 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção dopróprio autor, 2018)

A figura 58 apresenta o projeto final em Proteus do circuito para configuração doganho de amplificação.

Figura 58 – Projeto Proteus do Circuito do ganho do Amplificador. (Produção do próprioautor, 2018)

A figura 59 apresenta o projeto final em Proteus do Controlador de Temperatura.

Figura 59 – Projeto Proteus do Controlador de Temperatura. (Produção do próprio autor,2018)

93

A figura 60 apresenta o projeto final em Proteus do circuito de multiplexação doscanais de aquisição de dados.

Figura 60 – Projeto Proteus do Condicionador de Sinais. (Produção do próprio autor,2018)

bacanda didática para estudo de sensores de temperatura do

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