3A1S - Relatórios de Instrumentação - MD-544

ESTV - Engenharia Electrotécnica Instrumentação - Maquete-544

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Instrumentação

Maquete MD-544

Luís Miguel da Silva Ferreira - Nº 798

Ricardo Jorge Loureiro Silva - Nº 1841 Vasco Miguel Guedes de Oliveira Matos da Silva - Nº 802


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IntroduçãoIntrodução

O equipamento de captadores de nível e caudal de líquidos MD-544 é constituído pela maquete MD-544 (Figura 1) e pelo armário modular (Figura 2) onde estão instalados os diferentes módulos acondicionadores específicos desta maquete.

Figura 1 Figura 2

A maquete consiste num recipiente para líquidos dividido em duas partes: a

parte inferior que contém o liquido de reserva e a parte superior que simula um tanque e cujo interior estão instalados os sensores de nível por bóia, capacidade e por ultra-sons (Figura 3).

Figura 3

No exterior do recipiente está instalado do lado esquerdo o sensor de nível

por pressão, e os caudalimetros por diferença de pressão, e a turbina na parte frontal do mesmo.

Uma electrobomba (Figura 4) instalada no interior da maquete, impulsiona através de um circuito hidráulico o liquido desde a parte inferior até à parte superior da maquete. O seu accionamento é efectuado por uma fonte de alimentação.

Figura 4


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O esvaziar do depósito superior é realizado por uma válvula accionada

manualmente do exterior e a sua abertura pode ser regulada através de uma porca exterior.

No painel frontal da maquete estão situados os bornes de ligação entre os sensores e o armário modular de controle. ConsCons tituição da maquetetituição da maquete

A maquete MD-544 é destinada a realizar um estudo prático e real dos sensores de nível e caudal de maior utilização, e o controlo de processos e operações realizados com fluidos.

Os sensores que constituem a maquete são:

v No interior ü Captador resistivo de nível de bóia; ü Captador de nível capacitivo; ü Captador de nível por ultra-sons.

v No exterior

ü Captador piezo-resistivo de nível por pressão; ü Captador piezo-resistivo de caudal por diferença de

pressão; ü Captador de caudal mediante turbina.

A configuração da maquete MD-544, permite utilizar os sensores com os

acondicionadores externos ao equipamento, assim como determinar os parâmetros característicos dos sensores.

Outra das possibilidades de grande interesse é oferecer um estado de regulação do nível e caudal em função do sensor. Módulo ACONDINIV Módulo ACONDINIV –– 547 547

A parte superior do módulo contém o acondicionador dos transdutores de ultra-sons (emissor e receptor) e na parte inferior contém o acondicionador transdutor capacitivo para medir os níveis de liquido.

Na parte inferior do módulo está o circuito acondicionador do sensor de nível capacitivo com o esquema de blocos representado na figura


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Figura 5

O circuito de entrada do acondicionador do captador capacitivo, é formado por uma rede activa em ponte com três ramos resistivos e o quarto é constituído pela reactância capacitiva do captador. Esta rede é alimentada por meio de um gerador de c.a.. de amplitude pkpkv −10 e frequência KHz1 constante, assim formam o bloco pre-amplificador PA. Desta forma as variações de nível modificam a capacidade do sensor e manifestam-se como variações da reactância de acordo com a expressão;

Ω=ωS

C CX

1

Tais variações da reactância capacitiva manifestam-se em variações de tensão que são transmitidas ao conversor de c.a./c.c. e cuja saída aparecerá uma tensão em c.c. proporcional ao nível de liquido. No bloco seguinte aplica-se um sinal de offset para modificar o nível do sinal. Uma vez corrigido este nível, eliminam-se as necessidades do sinal do gerador por meio do bloco de filtro de passa-baixo seguinte. Finalmente ajusta-se o ganho de passo amplificador de saída para obter a relação sinal de saída – nível de liquido. Módulo NBPMódulo NBP -- 547547

Este módulo é constituído na parte superior pelo acondicionador do transdutor potenciométrico para a medida de nível mediante uma bóia, e na parte inferior do módulo contem o acondicionador do transdutor piezo-resistivo para medir o nível por pressão.


5

O acondicionador do captador de nível de bóia, montado na parte superior do módulo, consta de duas secções amplificadoras com funções bem definidas e cujo o esquema de blocos está representado na figura 6:

Figura 6

O sinal precedente ao contacto variável do potenciómetro , é comparado

com o sinal de offset e a entrada do sector pre-amplificador A1. Esta secção é formada por um amplificador de diferença, que produz na saída um sinal igual à diferença dos sinais aplicados à entrada; multiplicado por um factor constante.

O sinal que se aplica à secção amplificadora final cujo ganho pode ajustar-se entre 1 e 10 por meio do potenciómetro. Desta forma o ganho máximo que se pode aplicar, desde a entrada até à sua saída é de 100.

Dispõe-se portanto dos ajustes de sinal de offset e ganho necessários para obter a relação s ina l de saída s ina l de saída -- níve l de l iquido nível de l iquido .


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Trabalho Prático nº2

Acondicionador de nível por bóia


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Introdução teóricaIntrodução teórica

Este sensor baseia-se nas variações da resistência de um sensor resistivo, produzidas por uma bóia ligada ao sensor que acompanha as variações de nível do liquido no depósito.

Os movimentos verticais da liquido são seguidos por uma bóia, que realiza um movimento composto vertical/horizontal.

O captador resistivo é constituído basicamente por uma resistência sobre a qual desliza um contacto móvel. A esquematização dos tipos de potenciómetros mais comuns é a de translação e de rotação de uma só volta.

Se o captador resistivo for alimentado por uma tensão constante entre os seus extremos, aparecerá entre o contacto variável e um dos seus extremos, um sinal de tensão proporcional à rotação do sensor e proporcional à variação do liquido no depósito. Os elementos de resistência dos transdutores potenciométricos são utilizados para medir os movimentos, produzem uma relação “sinal de saída - desfasamento” linear. Na prática para obter uma boa linearidade, é necessário medir o sinal de saída utilizando um aparelho de medida cuja resistência interna seja suficientemente alta.

O transdutor é montado conjuntamente com os outros transdutores de nível, numa placa de circuito impresso onde se ligam os terminais de alimentação e de sinal.

A barra que une o sensor à bóia, converte os desfasamentos verticais do nível em desfasamentos angulares do sensor do potenciómetro.

v Principais características do potenciómetro: ü Resistência: 10KΩ ±20% ü Máxima potência de dissipação: 1 volt ü Linearidade: 2% ü Angulo útil de rotação: 340º±4º ü Rotação mecânica: 360º contínuos

ObjectivosObjectivos ü Determinar e quantificar os parâmetros característicos do conjunto sensor

de nível, tais como classe de medida, linearidade, histerese, repetibilidade, precisão, etc;

ü Realização dos ajustes de offset e ganho para obter a relação


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amplitude de sinal

condicionado nível de liquido no

depósito. DescriçãoDescrição A função básica que realiza um transdutor num sistema de medida e controlo, é a de converter uma determinada magnitude física, força, pressão, nível, caudal, etc, em outra magnitude facilmente medida e que conserva as características da magnitude a medir.

O normal é que este processo de conversão se obtenha um sinal eléctrico de tensão ou corrente proporcional à magnitude. Este sinal eléctrico requer, em geral, um processo de amplificação, linearidade, modificação do seu nível de maneira a que resulte uma aplicação útil. Os factores que limitam as características reais de um captador podem resumir-se no seguinte quadro:

- Temperatura - Vibrações - Humidade - Montagem - Tempo

Característi

Operativas

Ambientais

Dinâmica- Resposta de frequência - Tempo de resposta

Estáticas

- Classe de medida - Deslocação de zero - Não linearidade - Histerese


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Anál i se pormenor izada das característ icas operat ivas estát icasAnál i se pormenor izada das característ icas operat ivas estát icas Classe de medida

Denomina-se classe de medida ao intervalo prático de utilização de um captador, onde os seus limites são os valores extremos que podem alcançar de maneira permanente, sem alteração das restantes características do captador. Sobrecarga

É a magnitude máxima que se pode aplicar ao captador, acima da qual se podem causar danos permanentes ao mesmo e abaixo da magnitude nominal, podem modificar as restantes características do captador sem deterioração do mesmo. Sensibilidade

A sensibilidade expressa-se como a relação entre o sinal eléctrico e a magnitude medida. Nos captadores do tipo passivo é usual indicar a relação entre o sinal de saída e a tensão de excitação para a carga nominal do captador.

Não linearidade

É o máximo desvio da curva característica em relação à linha recta que une os pontos zero e máximo da escala, expressado em percentagem (%) de valor máximo da escala. O zero da curva característica coincide com a origem das coordenadas.


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Máxima diferença absoluta Não

linearidade = Classe de medida

X 100%

Histerese

É a máxima diferença entre os sinais correspondentes a um ponto da magnitude crescente e a decrescente entre zero e o máximo da escala, expressada em % do valor máximo da escala.

Máxima diferença Histerese

= Classe de medida

X 100%

Repetibilidade

É a qualidade de um captador de reproduzir as mesmas leituras de saída quando um mesmo valor da magnitude a medir é aplicado repetitivamente, nas mesmas condições e na mesma direcção. Expressa-se como o máximo entre as leituras de saída em % do valor do máximo da escala.

Máxima diferença Repetibilidad

e = Classe de medida

X 100%

Precisão

A precisão de um captador denomina-se a um erro combinado que inclui diferentes grandezas. Normalmente, é o valor médio quadrático, expresso em %, dos erros de não linearidade, histerese e repetibilidade.

Precisão

= ( ) ( ) ( )222 daderepetibilihistereseelinearidadnão ++− X 100%


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Esquema do circuitoEsquema do circuito

Nota: Em vez do módulo ALV-215 utilizámos um multímetro digital

Material util izadoMaterial util izado

ü Maquete MD-544 ü Multímetro digital em função de voltímetro ü Módulo NBP-547 ü Fonte de alimentação regulável

Descrição do TrabalhoDescrição do Trabalho

1. Montagem de todos os componentes necessários para realização deste trabalho;

2. Assegurámo-nos que o nível de água no depósito da Maquete MD-544 estava abaixo de 0 na escala e accionámos o botão na posição ON da fonte de alimentação, previamente regulada para uma tensão de 6V.

3. Registámos os valores lidos no voltímetro numa tabela. As leituras foram realizadas em intervalos de 5% numa escala de 0 a 100%. Quando o nível da água subiu acima dos 100% desligou-se a fonte de alimentação;

4. Tentámos ao abrir a válvula de descarga, que a água saí-se do depósito superior para o inferior a uma velocidade similar à da operação inversa;

5. Registámos os valores lidos no voltímetro numa tabela. As leituras foram efectuadas também em intervalos de 5%, mas no sentido decrescente, ou seja, de 100 a 0%;

6. Repetimos estas acções mais uma vez em cada sentido; 7.7. Com os valores das duas primeiras leituras, elaborámos um gráfico com a

relação s inais de s inais de saída saída -- níve l de l iquido nível de l iquido


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Tabela dos valores obtidosTabela dos valores obtidos

Níve lNíve l (%)(%)

1ª 1ª subidasubida

VV 00

1ª 1ª descidadescida

VV 00

2 ª 2ª subidasubida

VV 00

2ª descida2ª descida VV 00

00 -0,16 -0,03 -0,13 -0,07 55 0,33 0,41 0,33 0,44

1010 0,88 1,01 0,82 0,97 1515 1,35 1,42 1,29 1,47 2020 1,87 1,94 1,83 1,99 2525 2,40 2,47 2,43 2,49 3030 2,87 3,00 2,86 2,97 3535 3,40 3,47 3,45 3,51 4040 3,85 4,01 3,90 4,02 4545 4,41 4,54 4,45 4,57 5050 4,88 5,06 4,92 5,04 5555 5,41 5,51 5,45 5,55 6060 5,89 6,00 5,92 6,01 6565 6,35 6,51 6,44 6,48 7070 6.86 6.99 6.91 7.03 7575 7.31 7.46 7.38 7.51 8080 7.84 7.98 7.89 8.07 8585 8.31 8.49 8.41 8.49


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9090 8.80 8.99 8.89 9.02 9595 9.34 9.48 9.38 9.48

100100 10.01 10.00 10.03 10.01

Relação Tensão de Saída - Nivel de Liquido

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Nivel de Liquido

Ten

são

de

Saí

da

1ª subida 1ª descida 2ª subida 2ª descida

CálculosCálculos a) Histerese

Não foi considerada porque só foram realizados dois ensaios, e para esta característica seriam necessários um número muito superior para poder apurar com mais precisão o seu valor.

b) Sensibilidade

0,1017100

)01,1016,0(=

+=adeSensibilid V/u. Nível

c) Não linearidade

1,475 %10001,1016,031,746,7

=+−

=− xelinearidadNão % SFE

d) Repetibilidade


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0,983 %10016,001,10

1,0Re =

+= xdepetibilida % SFE

e) Precisão

( ) ( ) ( ) 1,7725 983,00475,1Pr 222 =++=ecisão % SFE

Respostas ao questionárioRespostas ao questionário 1 – Que erros apreciáveis se cometem na hora da aquisição de dados na prática? Os principais erros que são cometidos quando determinamos o nível real do liquido no depósito, por refracção da luz sobre a parede do depósito, falta de alinhamento entre a escala e o nível de liquido e também devido ao desnivelamento da maquete. 2 – Que aplicações pode ter este captador de nível? Pode ser aplicado em depósitos de gasolina dos automóveis, em depósitos de água que abastece um condomínio, tanques, etc.


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Trabalho Prático nº6

Características do captador de nível capacitivo

Introdução teóricaIntrodução teórica

O fenómeno físico da variação da capacidade entre os eléctrodos ou placas de um condensador, encontram-se aplicados, para medir movimentos lineares e angulares. Na medida de níveis de líquidos, o principio físico está baseado na variação da capacidade de um condensador, pela modificação da sua geometria (distância entre placas).

Na sua concepção mais simples, um condensador é formado por duas placas ou eléctrodos condutores, separados por um material dieléctrico (sólido, liquido ou gasoso).

Sabe-se pela electrostática que se tivermos dois condutores próximos entre si, inicialmente desligados, e se os ligarmos a um gerador eléctrico G, aplica-se uma d.d.p. U, que faz aparecer sobre os condutores uma carga eléctrica q, do


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mesmo valor mas de sinal contrário. O campo eléctrico E, estabelecido por uma carga q, distribui-se segundo as linhas de força.

Por definição, a capacidade C de um condensador é igual à relação entre a carga q e a d.d.p. U entre as placas segundo a fórmula:

Uq

C =

A intensidade do campo eléctrico existe entre as placas de secção A, e quando estas se encontram muito próximas e entre si existe ar ou vapor, a equação é a seguinte:

Aq

E .1

0ε= )/( mvolt

sendo 0ε , a constante dielétrica do vácuo. Sabendo que o condensador está inicialmente carregado com uma carga q,

e entre as suas placas encontra-se ar ou vácuo, liga-se entre elas um voltímetro de alta resistência interna, e este detecta uma d.d.p. U0 e a sua capacidade inicial será:

0Uq

C =

Se introduzir entre as placas um material dieléctrico, observa-se que a d.d.p. diminui o seu valor inicial, logo se verifica que a carga q modifica-se ao introduzir o dieléctrico. Portanto a capacidade do condensador com o dieléctrico introduzido será agora:

Uq

C =

Nas aplicações de medida de nível de líquidos, condutores ou não, utiliza-se eléctrodos isolados ou não, submergidos dentro do liquido. A figura representa as aplicações de medida de nível de liquido nos condutores:

As variações do dieléctrico do condensador formado pelos dois eléctrodos e devido à subida e descida do nível, provoca um cambio da capacidade resultante entre os eléctrodos.

A alta resistência R do liquido, não modifica de forma considerável o resultado da medida.

O modo mais comum de ligar um transdutor capacitivo é utilizar uma ponte de Wheatstone e num dos braços incorporar o transdutor capacitivo.

O captador de nível capacitivo da maquete encontra-se instalado numa placa de circuito impresso, na parte superior do depósito, conjuntamente com os captadores de nível por bóia e ultra-sons.

Os eléctrodos então longitudinais e separados no depósito e tem, como missão, obter a mais alta relação entre a variação da capacidade com o nível de liquido. ObjectivosObjectivos


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ü Determinar e quantificar os parâmetros característicos do conjunto sensor de nível, tais como classe de medida, linearidade, histerese, repetibilidade, precisão, etc;

ü Realização dos ajustes de offset e ganho para obter a relação

Amplitude de sinal condicionado

nível de liquido no depósito.

DescriçãoDescrição Este captador apresenta variações de capacidade em funções da altura do nível do líquido. O ideal seria que tais variações fossem linearmente proporcionais ao nível. Sem reter, a resposta depende das características do líquido, a corrosão pode alterar a superfície dos eléctrodos, a presença de borbulhas de ar ou vapor, afectam a constante dieléctrica provocando erros de medida. Por tudo isto é necessário conhecer as características do ambiente onde se utiliza.

Esquema do circuitoEsquema do circuito

Nota: Em vez do módulo ALV-215 utilizámos um multímetro digital


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Material util izadoMaterial util izado

ü Maquete MD-544 ü Multímetro digital em função de voltímetro ü Módulo NBP-547 ü Fonte de alimentação regulável

Descrição do TrabalhoDescrição do Trabalho 1. Realizamos os ajustes de offset e do ganho. A bomba foi alimentada através de

uma fonte de alimentação regulada para fornecer uma tensão de 6V. 2.2. Registamos os valores lidos no voltímetro numa tabela. Os valores foram

obtidos com intervalos de 5% numa escala de 0 a 100%. 3.3. Quando o nível da água subiu acima dos 100%, desligou-se a fonte de

alimentação. 4.4. Depois de aberta a válvula que isola o depósito superior do inferior,

efectuamos as leituras da mesma forma mas em sentido contrário, ou seja de 100 a 0%.

5.5. Os passos 1-4 foram repetidos e os valores foram registados numa tabela


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Tabela dos valores obtidosTabela dos valores obtidos

Níve lNíve l (%)(%)

1ª 1ª subidasubida

VV 00

1ª 1ª descidadescida

VV 00

2 ª 2ª subidasubida

VV 00

2ª descida2ª descida VV 00

00 0 0,58 0,01 0,08 55 0,53 1,25 0,72 0,76

1010 1,12 1,94 1,09 1,47 1515 1,70 2,37 1,69 2,00 2020 2,27 3,02 2,36 2,51 2525 2,99 3,50 3,07 3,19 3030 3,43 4,03 3,55 3,69 3535 4,12 4,50 4,13 4,31 4040 4,61 5,03 4,72 4,89 4545 5,13 5,53 5,26 5,30 5050 5,64 6,01 5,78 5,85 5555 6,14 6,39 6,26 6,38 6060 6,50 6,89 6,73 6,80 6565 6,99 7,30 7,16 7,26 7070 7,39 7,68 7,58 7,80 7575 7,84 8,12 8,12 8,28 8080 8,24 8,57 8,64 8,69 8585 8,72 9,05 9,03 9,03 9090 9,04 9,38 9,43 9,42 9595 9,53 9,67 9,82 9,83

100100 9,98 10,03 10,15 10,20


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Relação Tensão de Saída - Nível de Líquido

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Nivel de Líquido

TensãodeSaída

1ª subida 1º descida 2º subida 2º descida

CálculosCálculos f) Histerese

Não foi considerada porque só foram realizados dois ensaios, e para esta característica seriam necessários um número muito superior para poder apurar com mais precisão o seu valor.

g) Sensibilidade

0,09980100098,9

=−−

=adeSensibilid V/Nível

h) Não linearidade

10,02004%100098,970,470,5

=−

−=− xelinearidadNão % SFE

Os valores 5,70 e 4,70 foram obtidos por análise do gráfico acima.

i) Repetibilidade

7,843137%10020,108,0

Re == xdepetibilida % SFE


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j) Precisão

( ) ( ) ( ) 12,7226684,7002,10Pr 222 =++=ecisão % SFE

Respostas ao questionárioRespostas ao questionário 1 – Que influência provocaria nas características do captador, a presença de partículas sólidas ou borbulhas na água? A presença de partículas ou borbulhas introduzia descontinuidades no liquido e alterava a sua constante dieléctrica. Se as partículas são de natureza condutora, o captador produzia erros de medida. 2 – Que vantagens e inconvenientes apresenta este captador de medida de níveis de líquidos? As vantagens que podemos observar são as seguintes: aplicação para todo o tipo de líquidos condutores ou não; são sensíveis e robustos à corrosão. Quanto às desvantagens podemos considerar que variações de temperatura do liquido alteram as constantes dieléctricas, logo detectam-se erros de medida. ÍndiceÍndice

Introdução _____________________________________________________________________1

Constituição da maquete __________________________________________________________3

Módulo ACONDINIV–547 ________________________________________________________3

Módulo NBP-547 ________________________________________________________________4 Trabalho nº2 - Acondicionador de nível por bóia

Introdução teórica _______________________________________________________________8

Objectivos ______________________________________________________________________8

Descrição ______________________________________________________________________9

Esquema do circuito_____________________________________________________________12

Material utilizado _______________________________________________________________12

Descrição do Trabalho___________________________________________________________12

Tabela dos valores obtidos ________________________________________________________13

Cálculos ______________________________________________________________________14

Respostas ao questionário ________________________________________________________15

Trabalho nº6 - Características do captador de nível capacitivo


23

Introdução teórica ______________________________________________________________16

Objectivos _____________________________________________________________________17

Descrição _____________________________________________________________________18

Esquema do circuito_____________________________________________________________18

Material utilizado _______________________________________________________________19

Descrição do Trabalho___________________________________________________________19

Tabela dos valores obtidos ________________________________________________________20

Cálculos ______________________________________________________________________21

Respostas ao questionário ________________________________________________________22

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