3A1S - Relatórios de Instrumentação - MT-542

ESTV - Engenharia Electrotécnica - Instrumentação Maquete MT-542

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Instrumentação

Maquete MT-542

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 temperatura MT-542 é composto pela maquete MT-542 (Figura 1) e o armário de módulos (Figura 2) onde estão os módulos específicos para esta maquete.

Figura 1 Figura 2

O equipamento de captadores de temperatura MT-542 é

composto pela maquete MT-542 e o armário de módulos onde estão os módulos específicos para esta maquete.

Esta maquete consiste num simulador de forno que contém no interior os captadores de temperatura; três no suporte horizontal e o quarto no lado direito do forno. Do lado esquerdo do forno existe um ventilador, que tem por missão homogeneizar o ar dentro do forno. Em ambos os lados, esquerdo e direito, existem orifícios que se pode vedar com o auxilio de uma tampa.

Como elemento gerador de calor, temos uma resistência de aquecimento montada no interior do radiador de alumínio. O radiador é alimentado através de um circuito de controlo.

No painel frontal estão situados os bornes de ligação entre os vários captadores e o armário dos módulos. Neste mesmo painel encontra-se o indicador digital dos termómetros e os comutadores de activação do gerador de calor e do ventilador.


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A maquete MTA maquete MT -- 542542 Esta maquete está dimensionada para o estudo real e prático dos captadores de temperatura mais utilizados em ambientes industriais e em laboratórios de investigação. Os elementos captadores que constituem a maquete são:

Ø Um transdutor de temperatura integrado AD-590; Ø Um termopar tipo J; Ø Um transdutor de resistência de coeficiente positivo de

temperatura PTC; Ø Um transdutor resistivo de platina PT-100.

Em contacto térmico com os três captadores (termopar tipo J, PTC e PT-100) são instalados outros tantos transdutores integrados AD-590, cuja função é a de servir como termómetro de referencia dos mesmos. A leitura destes transdutores realiza-se no termómetro digital que está instalado no painel frontal da maquete. O transdutor PTCO transdutor PTC

Principio de funcionamento O sensor de coeficiente positivo de temperatura (PTC) funciona segundo o principio de alteração experimental na sua resistência eléctrica em função da temperatura. Utiliza, como elemento sensível à temperatura, uma resistência de material semicondutor sobre uma pequena superfície de suporte. As temperaturas de funcionamento, para as PTC’s mais comuns situam-se entre os –40ºC e +150ºC. A variação da resistência com a temperatura, dentro da sua classe de funcionamento expressa-se pela equação seguinte

( )20 1 TTRRT βα ++=

em que:


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TR é a resistência à temperatura T (ºC) 0R é a resistência a 0ºC βα, são os coeficientes da PTC

No caso mais geral, a variação da resistência da PTC com a temperatura requer ser linearizada e convertida a uma tensão proporcional para a sua utilização. Estas operações de acondicionamento realizam-se com o acondicionador, cujo o esquema de blocos está representado na figura 3.

Figura 3

O acondicionamento consiste em alimentar a PTC com uma corrente de valor constante, de forma a que as variações da resistência se convertam em variações de tensão proporcionais. O sinal de tensão à saída do conversor, ohm/volt, assume-se com um sinal de offset para estabelecer o nível de sinal de saída do acondicionador. Finalmente o sinal amplificado sai do amplificador devidamente acondicionado de modo a ser utilizado. As PTC’s fabricam-se com uma gama ampla de valores de resistência e temperatura ambiente (20º-25ºC), estando estes valores compreendidos entre as centenas e vários milhares de ohms. São aplicadas com mais frequência na industria automóvel em sistemas de ar condicionado, termometria clinica, controlo de processos, etc.


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A PTC na maquete MT-542

A figura abaixo mostra a localização da PTC no suporte de sensores do

simulador de forno(Figura 4.a), bem como os bornes situados no painel frontal da maquete (Figura 4.b).

Figura 4

A PTC pode ligar-se a qualquer circuito acondicionador ou

medidor conforme a utilização a dar, já que o sensor não está conectado a nenhum componente electrónico.

Aplicações das PTC Os transdutores de coeficiente positivo de temperatura, PTC, que apresenta a mais alta sensibilidade dentro do conjunto de transdutores de temperatura mais comuns, encontra-se aplicado em sistemas de medida e controlo de alta-resolução, controlo ON-OFF, medidas de temperatura superficiais, etc.


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O transdutor PTO transdutor PT -- 100100

Principio de funcionamento O captador resistivo de temperatura (RTD) de platina PT-100, está baseado nas propriedades que apresentam os condutores de combinar a sua resistência eléctrica, de forma a reproduzi-la com a temperatura. A variação da resistência R do sensor de temperatura T, pode representar-se mediante a equação

( )nnTaTaTaRR ++++= ...1 2

210 em que:

0R é a resistência a 0ºC naaa ,...,, 21 são os coeficientes que dependem do material que

constitui o sensor.

A PT-100 na maquete MT-542 A figura 5 mostra a posição da PT-100, no suporte de sensores dentro da maquete, assim como o AD-590 em contacto térmico com o sensor.

Figura 5


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No exterior do painel frontal estão disponíveis os extremos da resistência de platina por meio de bornes de ligação. Nestes extremos de ligação ao módulo acondicionador sendo indiferente a sua ligação, pois o sensor comporta-se como qualquer resistência eléctrica.

Aplicações da PT-100 A resistência de platina é constituído desde à muito tempo um sensor de referencia para a calibração de outros sensores. Nos laboratórios oficinais onde se realizam calibrações de todo o tipo de sensores e instrumentos de medidas. Utilizam-se resistências de platina cuja precisão está entre as milésimas de graus. A grande maioria dos sistemas de medida com sensores de platina utilizam a configuração em ponte de Wheastone ou divisores de tensão e também é muito utilizada a técnica de Ohmímetro a quatro fios em termómetros digitais e em sistemas de aquisição de dados. Resistência de aquecimentoResistência de aquecimento

Principio de funcionamento A resistência de aquecimento é formada por um condutor eléctrico de liga metálica, bobinado sobre um suporte isolante montado no interior de um perfil de alumínio que actua como radiador térmico. A forma especial de construção do radiador, apresenta uma superfície de contacto com o ambiente externo, de maneira a que a potência dissipada pela resistência seja transmitida de forma rápida e eficiente. A resistência de aquecimento alimenta-se com uma corrente alternada da rede eléctrica de 220V. A passagem da corrente através do elemento gerador de calor transforma a potência eléctrica RI .2 consumida por este, numa potência térmica que eleva a temperatura do elemento radiador.


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A resistência de aquecimento na maquete MT-542 A figura 6.a mostra a posição da resistência geradora de calor dentro do recipiente, esta está aplicada na base da maquete e o perfil do radiador. Os elementos de controlo e indicadores de resistência geradora de calor estão disponíveis no painel frontal, como mostra a figura 6.b

Figura 6.a

Figura 6.b

Por meio de um interruptor selecciona-se o modo de activação

interna (INT) da resistência e o modo externo (EXT) mediante um sinal de controlo aplicado ao borne. Um led verde sinaliza a condição de activada e ambos os modos e um led vermelho indica que a resistência foi desactivada de forma automática ao alcançar a temperatura de 70ºC.


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Venti ladorVenti lador O ventilador está situado no lado esquerdo do recipiente, e é impulsionado por um pequeno motor que requer para funcionar um sinal eléctrico de corrente continua de 12V, com reduzido consumo de potência, 2,5W. É capaz de impulsionar o ar a uma velocidade máxima de 5,8 litros/segundo, à pressão atmosférica normal. A figura 7.a mostra a forma física do ventilador na maquete, a figura 4.b mostra os elementos de controlo do ventilador disponíveis no painel frontal da maquete.

Figura 7

Por meio de um interruptor selecciona-se o modo de activação interna (INT) e externa (EXT) do ventilador. Na posição INT, o ventilador recebe alimentação de forma continua no entanto o interruptor permanece neste posição. A operação do ventilador e as tampas oferecem diferentes possibilidades nos processos de aquecimento e arrefecimento do forno. TermómetroTermómetro Cada transdutor converte a temperatura absoluta na superfície dos transdutores do recipiente e na zona fria do termopar, numa


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corrente proporcional que, por sua vez, é convertida numa tensão por meio de circuitos conversores A/V, cuja relação tensão de saída-temperatura é de 0,1 V/ºC. Estes circuitos conversores calibram-se por meio de um controlo de offset interno para anular a corrente de

Aµ273 correspondente a 0ºC. A figura 8 mostra o circuito do termómetro.

Figura 8

A leitura dos valores de temperatura em ºC de cada um dos

captadores AD-590, realiza-se no indicador digital de 3 ½ dígitos situado no painel frontal da maquete.

A selecção para visualizar os termómetros AD-590, realiza-se por meio de um botão de pressão situado no lado direito da placa. De cada vez que se acciona este botão, é enviado um sinal em forma de um pulso ao comutador que conecta um dos sinais dos circuitos conversores A/V à entrada do indicador digital. Este sinal, convenientemente acondicionado, activará os dígitos que correspondem à indicação numérica do valor da temperatura em ºC.

A selecção de cada um dos termómetros AD-590, manifesta-se por meio do acendimento de um led verde na placa corresponde ao termómetro activado.


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Figura 6


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Trabalho Prático nº4 Estudo do PTC


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ObjectivosObjectivos ü Obtenção da curva característica ohms-temperatura do PTC, para uma

determinada classe limitada de temperatura, determinando os seus parâmetros característicos tais como: sensibilidade, linearidade, histerese, repetibilidade e precisão.

DescriçãoDescrição O sensor de temperatura, cujo coeficiente de temperatura ou resistência varia positivamente (PTC), caracteriza-se por uma combinação de resistência com a temperatura. A sua construção baseia-se em materiais semicondutores de estado sólido, e as suas características ohms-temperatura manifesta-se de forma exponencial. O seu comportamento é como uma resistência e requer ser alimentado com uma corrente de valor muito baixo, para limitar os efeitos de auto-aquecimento. Outros factores que limitam as suas características reais, são entre outros, as deformações dos elementos sensíveis submetidos a altas temperaturas, os efeitos de instabilidade como consequência dos choques térmicos durante a sua utilização, efeitos ambientais, como por exemplo: atmosferas contaminantes, humidade, vibrações, etc.

Análise pormenorizada das características operativas estáticas Classe de medida

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

Sobrecarga

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

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


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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.

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.


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

MontagemMontagem

Descrição do TrabalhoDescrição do Trabalho 1. Depois de todas as ligações efectuadas, colocamos o interruptor da maquete

na posição ligado. Seleccionámos o termómetro para o sensor AD-590 em contacto com o PTC.

2. Fechamos as tampas laterais do recipiente e activamos a resistência geradora de calor e também o ventilador para fazer circular o ar por todo o recipiente.

3. Anotamos na tabela os valores lidos. 4. Com os dados da tabela elaborámos o gráfico. 5. Calculámos as seguintes grandezas: Sensibilidade, Não linearidade, Histerese,

Repetibilidade e Precisão Nota: A histerese e a repetibilidade não se podem quantificar por estarem encobertas pela inércia térmica do captador. Tabela dos valores l idosTabela dos valores l idos

Temperatura

Resistência

Resistência

Resistência

Resistência


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ra PTC (ºC)

a PTC (Ω)

a PTC (Ω)

a PTC (Ω)

a PTC (Ω)

22 1974 - - - 24 1986 - - - 26 2000 2000 2000 2000 28 2020 2020 2010 2020 30 2030 2030 2020 2030 32 2040 2050 2030 2050 34 2060 2060 2040 2060 36 2070 2080 2060 2080 38 2080 2090 2080 2090 40 2090 2110 2090 2110 42 2100 2120 2110 2120 44 2120 2140 2120 2140 46 2130 2150 2130 2150 48 2140 2160 2140 2170 50 2160 2170 2160 2180 52 2170 2190 2170 2200 54 2180 2200 2190 2210 56 2210 2210 2200 2220 58 2240 2220 2230 2240 60 2250 2230 2240 2250 62 2270 2250 2260 2260 64 2280 2270 2280 2270 66 2300 2280 2300 2280 68 2310 2290 2310 2300 70 2330 2320 2340 2310

Gráfico obtidoGráfico obtido


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Curvas ohms-temperatura

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Temperatura (ºC)

Res

istê

nci

a (o

hm

)

Resistência 1 Resistência 2 Resistência 3 Resistência 4

CálculosCálculos a) Sensibilidade

CadeSensibilid º42,748356

227019742330

Ω==−−

=

b) Não linearidade

%35,21003829

==− xelinearidadNão

c) Repetibilidade

%31,11003825

Re == xdepetibilida

d) Precisão

( ) ( ) ( ) %7,22386,731,1035,2Pr 222 ==++=ecisão Respostas ao questionárioRespostas ao questionário


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1 – Que efeito teria nas características do PTC, se se inverterem as ligações? Como o PTC se comporta como uma resistência eléctrica normal, a inversão das ligações não afectaria as características do mesmo. 2 – Em que condições afectam as medidas de temperatura com o PTC, as resistências dos cabos de ligação, introduzidas no circuito? Quando é necessário efectuar leituras com alta precisão, a distância entre o sensor e o acondicionador é muito importante. A resistência dos condutores e ligações altera a resistência do PTC, e assim é impossível a uma precisão de elevada confiança.


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Trabalho Prático nº7

Estudo do PT-100


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ObjectivosObjectivos ü Realização da curva característica ohms-temperatura do PT-100 para uma

classe de temperaturas limitada, determinando os parâmetros característicos tais como: sensibilidade, linearidade, repetibilidade e precisão.

DescriçãoDescrição O captador de temperatura de platina PT-100, apresenta uma característica resistência-temperatura, estável dentro dos limites da sua classe de temperatura especifica. Esta característica de qualificar como sensor de comparação para a calibração de outros sensores. A variação da resistência proporcional com a temperatura é relativamente baixa (100Ω), requer que a tensão de alimentação no circuitos de medida com a PT-100 sejam de baixo valor. Os efeitos ambientais, como vibrações mecânicas, contaminação do meio a medir e os efeitos de montagem como resistência dos condutores que ligam o sensor ao equipamento de medida e as tensões termoeléctricas nos circuitos de medida. MontagemMontagem


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Descrição do TrabalhoDescrição do Trabalho

1. Efectuar as ligações do circuito 2. Seleccionámos no termómetro da maquete o sensor correspondente em

contacto térmico com o PT-100 3. Tapámos os orifícios laterais do recipiente, e activamos a resistência geradora

de calor e o ventilador de modo a homogeneizar a temperatura interna 4. Anotámos numa tabela os valores lidos, em intervalos de 2ºC 5. Quando a protecção disparou desligamos a resistência geradora de calor Tabela dos valores l idosTabela dos valores l idos

Temperatura PTC (ºC)

Resistência PTC (Ω)




28 109,3 109,4 110,4 110,3 30 110,2 110,2 111,2 111,1 32 111,1 110,9 112,1 111,8 34 111,8 111,7 113,0 112,6


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36 112,7 112,4 113,7 113,3 38 113,5 113,2 114,5 114,1 40 114,3 113,8 115,3 114,8 42 115,1 114,6 116,1 115,5 44 115,5 115,2 116,7 116,1 46 116,5 116,0 117,2 116,9 48 117,3 116,7 118,0 117,6 50 118,1 117,4 118,6 118,3 52 118,9 118,1 119,3 119,0 54 119,7 118,8 120,1 119,7 56 120,5 119,6 120,8 120,3 58 121,2 120,2 121,6 121,0 60 122,0 120,9 122,6 121,8 62 122,7 121,7 123,3 122,5 64 123,5 122,5 124,0 123,4 66 124,2 123,2 124,8 124,3 68 125,0 124,1 125,6 125,1 70 125,7 125,1 126,3 126,0

Gráfico obtidoGráfico obtido


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Curvas ohms-temperatura

100

105

110

115

120

125

130

28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70

Temperatura (ºC)

Res

istê

nci

a (o

hm

)

Resistência 1 Resistência 2 Resistência 3 Resistência 4

CálculosCálculos

e) Sensibilidade

CadeSensibilid º38,042

9,152870

4,1103,126Ω==

−−

=

f) Não linearidade

%45,31009,15

55,0==− xelinearidadNão

g) Repetibilidade

%37,01009,15

06,0Re == xdepetibilida

h) Precisão

( ) ( ) ( ) %46,30394,1237,0045,3Pr 222 ==++=ecisão

i) Histerese

Não se pode quantificar a sua magnitude por esta estar encoberta pela inércia térmica do captador.


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Respostas ao questionárioRespostas ao questionário 1 – Qual dos procedimentos de medida do PT-100, modo Ohmímetro ou Ponte de Wheastone, resulta mais convenientemente? A PT-100 é um transdutor resistivo cujo valor da resistência é muito baixa (100Ω). Quando se mede a variação da sua resistência com a temperatura pelo modo de Ohmímetro, o instrumento aplica uma corrente constante conhecida e mede a queda de tensão proporcional à temperatura. Por outro lado, a Ponte de Wheastone, permite manter uma corrente baixa no sensor e dispor de um valor de sinal suficientemente alto. 2 – A que é devido a ligeira diferença dos valores lidos de temperatura e os valores fornecidos pelo fabricante? É devido à precisão do multímetro e à resistência dos condutores.


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ÍndiceÍndice

Introdução ___________________________________________________________________1

A maquete MT-542 ____________________________________________________________3

O transdutor PTC ____________________________________________________________3

Principio de funcionamento__________________________________________________3

A PTC na maquete MT-542 __________________________________________________5

Aplicações das PTC _________________________________________________________5

O transdutor PT-100 __________________________________________________________6


A PT-100 na maquete MT-542 ________________________________________________6

Aplicações da PT-100________________________________________________________7

Resistência de aquecimento ___________________________________________________7


A resistência de aquecimento na maquete MT-542 ____________________________8

Ventilador ____________________________________________________________________9

Termómetro___________________________________________________________________9 Traba lho n . º 4 Traba lho n . º 4 -- Estudo do PTC Estudo do PTC

Objectivos ___________________________________________________________________ 13

Descrição____________________________________________________________________ 13

Descrição do Trabalho _______________________________________________________15

Tabela dos valores lidos_______________________________________________________15

Gráfico obtido _______________________________________________________________16

Cálculos _____________________________________________________________________17

Respostas ao questionário ____________________________________________________17 Traba lho nº 7 Traba lho nº 7 -- Estudo do PT Estudo do PT -- 100100

Objectivos __________________________________________________________________ 20


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Descrição___________________________________________________________________ 20

Descrição do Trabalho _______________________________________________________21

Tabela dos valores lidos_______________________________________________________21

Gráfico obtido _______________________________________________________________22

Cálculos _____________________________________________________________________23

Respostas ao questionário ____________________________________________________24

Documents

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