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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências
Curso de Especialização em Engenharia de Instrumentação
Uso do DSP na Instrumentação Associada à Medição Distribuída de Temperatura
Antonio de Pádua Martins da Silva
Orientador: Prof. Marcelo Cabral Cavalcanti
Monografia apresentada ao Centro de Tecnologia e Geociências da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do Certificado de Especialista em Engenharia de Instrumentação
Recife, 2008
2
Resumo
Uso do DSP na Instrumentação Associada à Medição Distribuída de Temperatura
Antonio de Pádua Martins da Silva
Dezembro/2008
Orientador: Prof. Marcelo Cabral Cavalcanti Área de concentração: Eletrônica Palavras-chaves: Medição Distribuída de Temperatura, DSP, LabVIEW®
Neste trabalho estudamos a utilização do processador de sinais digitais (DSP) na aquisição e
manipulação de sinais provenientes de sensores simulando uma medição distribuída de temperatura.
Procuramos também fazer uso do software gráfico LabVIEW® com o objetivo de
aproveitar a qualidade que os programas desse tipo proporcionam como interface amigável e
realística.
Na atual indústria de petróleo e gás tem sido cada vez maior o desafio no sentido de
maximizar as operações de exploração, produção e distribuição. Assim as empresas de exploração e
produção necessitam de ferramentas eficientes para administrar as informações, plataformas e
processos gerenciando de forma proativa suas operações.
Desta forma é necessário que os sistemas de instrumentação acompanhem esta evolução
utilizando novas técnicas como a da medição distribuída para monitoramento de diversas grandezas.
Dentre elas a temperatura é de fundamental importância em todo processo.
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Conteúdo
1 Introdução........................................................................................................................................4
1.1 Objetivos ..................................................................................................................................4
1.2 Motivação .................................................................................................................................4
1.2.1 Novas Tecnologias ........................................................................................................5
1.2.2 Tecnologia de Sensores Óticos......................................................................................6
1.2.3 Medição Distribuída.......................................................................................................9
1.2.4 Aplicações de Monitoramento de Temp. Distribuída na Indústria do Petróleo....10
1.3 Considerações Finais ............................................................................................................11
2. Tecnologias disponíveis................................................................................................................12
2. 1 Instrumentação Virtual ........................................................................................................12
2.2 LabVIEW®.............................................................................................................................13
2.3 Processador de Sinais Digitais - DSP....................................................................................15
2.3.1 A Família TMS320 ......................................................................................................17
2.3.2 Arquitetura do TMS320F2812 ...................................................................................18
2.3.3 Ambiente de Programação .........................................................................................19
2.3.4 Conversão Analógico Digital (ADC)..........................................................................21
2.4 Sensor de Temperatura - LM35 ...........................................................................................22
2.5 Considerações Finais .............................................................................................................24
3. Realização do Ensaio e Resultados Obtidos...............................................................................25
3.1 Montagem de Protótipo .........................................................................................................25
3.2 Objetivos do Ensaio................................................................................................................27
3.3 Programação do DSP .............................................................................................................27
3.4 Procedimentos Experimentais...............................................................................................28
3.5 Análises dos Resultados Obtidos...........................................................................................28
3.5.1 Sensores Próximos .......................................................................................................28
3.5.2 Sensores Distribuídos ..................................................................................................32
3.5.3 Resultados Obtidos com o LabVIEW®.....................................................................34
3.6 Considerações Finais .............................................................................................................37
4. Conclusões, melhorias possíveis, trabalhos futuros ..................................................................38
4.1 Conclusões.............................................................................................................................. 38
4.2 Melhorias possíveis, trabalhos futuros ................................................................................ 39
Referências Bibliográficas ...............................................................................................................39
1 Introdução
A necessidade de monitoramento da temperatura é uma realidade em praticamente todos
os processos industriais que estão sob os efeitos dessa grandeza. Como conseqüência é a
temperatura a segunda grandeza mais medida no mundo, perdendo apenas para o tempo.[1]
Nesta monografia é feito um estudo sobre a utilização do processador de sinal digital
(DSP) associado à medição de temperatura distribuída.
Para simular uma medição distribuída utilizamos sensores de temperatura. Os sinais de
medição dos sensores são enviados ao DSP e em seguida para o computador. Para acompanhar os
resultados utilizamos o software gráfico que acompanha o DSP bem como o LabVIEW®.
1.1 Objetivos
O objetivo desta monografia é avaliar a técnica de medição distribuída de temperatura
associada com o DSP e utilizando ainda a tecnologia de instrumentação virtual. Para implementá-la
serão utilizados um DSP, sensores de temperatura e software para instrumentação virtual.
Objetivos específicos:
Construção dos sensores de temperatura (encapsulamento) para adaptar a tubulação
do ensaio;
Montagem dos sensores e ligação ao DSP ;
Estudar a medição distribuída de temperatura associada ao DSP.
1.2 Motivação
No segmento de petróleo e gás a medição e o controle da temperatura implicam
principalmente em segurança já que um erro nesse monitoramento pode superaquecer ou não
aquecer suficientemente um material causando entupimentos, aumento de pressão e até explosões.
Na perfuração de poços para extração de petróleo é necessário levar em consideração a
existência do gradiente de temperatura na medida em que aumentamos a profundidade no subsolo.
Este gradiente de temperatura é característico para cada região, porém existem regiões com
gradientes anômalos, muito grandes ou muito pequenos. Um gradiente típico é 5 °C/100 m, ou seja,
num poço de 6000 metros de profundidade a temperatura pode chegar a 150 °C, representando
portanto um desafio trabalhar com dispositivos eletrônicos a esta temperatura. O próprio petróleo
5
ou gás nestas profundidades está a temperatura e pressão muito altas. No momento da perfuração
injeta-se um líquido pesado (chamado fluido de perfuração) com o objetivo de evitar que o petróleo
jorre nas alturas, com risco de incêndio nas plataformas. A densidade desse fluido e o cuidado com
a formação de bolhas (que reduziria a densidade) são influenciados pela temperatura.
Já na perfuração de poços no mar, a temperatura da água a 2000 metros de profundidade é
em torno de 0 °C, e neste caso o petróleo que sai das profundezas da terra a uma temperatura
elevada ao chegar à superfície (ao nível do fundo do mar) corre o risco de congelamento causando
problemas para trazer esse óleo até a plataforma.
Ainda no setor petrolífero, a medição precisa da temperatura é importante para se
determinar a quantidade de combustível no momento da venda de produtos. O petróleo e seus
derivados possuem uma faixa de variação do coeficiente de dilatação térmica de 0,06% a 0,30% por
grau Celsius variando significativamente o volume ocupado por esses produtos em função da
temperatura [2]. Para operação de compra e venda na indústria de petróleo em todo território
nacional, o Ministério da Indústria e do Comércio por meio da portaria N° 27, de 19 de abril de
1959, adotou a temperatura de 20° C, para medição de derivados do petróleo [3]. Desta forma a
correta medição dos volumes em função da temperatura desses produtos representa a cobrança
correta evitando prejuízos econômicos. Essa temperatura é medida quando se faz a arqueação do
navio (procedimento para se determinar a quantidade que existe nos tanques do navio e depois da
descarga). Isto também vale para os medidores de fluxo colocados nos dutos que transportam
derivados de petróleo e igualmente para os medidores dos tanques de armazenamento.
Contudo é necessário levar ainda em consideração a distribuição não uniforme da
temperatura na massa líquida, podendo o valor encontrado diferir bastante da temperatura média
real do produto.
A questão da temperatura é importante também para o transporte de gás natural em navios
onde é feito o resfriamento a temperatura de 162 °C negativos. No seu estado líquido, o gás natural
tem seu volume reduzido em cerca de 60 vezes, o que trás facilidade ao transporte.
1.2.1 Novas Tecnologias
Atualmente, as empresas de exploração e produção (E&P) de petróleo e gás, têm buscado
ferramentas mais eficientes para administrar informações, plataformas e processos cada vez mais
complexos, de forma pró-ativa [4]. Para isto elas têm utilizado sensores especializados que coletam
dados em tempo real, identificando informações complexas que podem sinalizar potenciais
problemas.
6
Como alternativa para suprir esta demanda, às empresas de exploração e produção têm
utilizado em suas plantas sensores baseados em fibras ópticas. Estes dispositivos apresentam a
capacidade de medição distribuídas em distância de muitos quilômetros além de utilizar a fibra
simultaneamente como elemento sensor e canal de comunicação. Estes sensores são multifuncionais
permitindo em uma única fibra medir vibração, pressão, temperatura e deformação. Esta tecnologia
necessita de dispositivos especializados para análise de grande volume de dados.
Essa nova tecnologia de sensores tem sido usada em poços inteligentes. Um poço
inteligente é uma unidade produtiva completamente equipada e com os requisitos de segurança
atendidos, pronta para produzir óleo e gás e que utiliza uma instrumentação (sensores e válvulas
especiais) instalada na tubulação de produção, a qual permite o monitoramento contínuo e o ajuste
das taxas de fluxo dos fluidos e dos processos, de forma a maximizar a produção do reservatório ou
otimizar a sua operação [13]. Os poços inteligentes contêm uma série de sensores, que permite que
o engenheiro do reservatório possa acompanhar, em tempo real, as condições de pressão,
temperatura e vazão do poço [5].
A tecnologia dos poços inteligentes apresenta desvantagem com relação à falta de
confiabilidade sendo a perfuração com a tecnologia convencional ainda a mais realizada. De
acordo com a Petrobras, já existem mais de 100 instalações de poços inteligentes em funcionamento
no mundo inclusive no Brasil onde podemos citar o poço Marlim Sul 67, e o poço de Roncados 35,
ambos na Bacia de Campos [5].
1.2.2 Tecnologias de Sensores Óticos
Os sensores de instrumentação por fibra ótica utilizam as propriedades da fibra ótica para
efetuar medições de grandezas físicas. A medição é feita de diferentes maneiras, porém de uma
forma geral se utilizam do princípio das fibras óticas permitirem o deslocamento de feixes de luz
[6].
A tecnologia de medição de temperatura por fibra ótica foi apresentada pela primeira vez em
1981 na Universidade de Southampton [6].
A instrumentação por fibra ótica oferece algumas vantagens em comparação com os sistemas
tradicionais como o tamanho reduzido, a não condutividade, resposta rápida, resistência a corrosão,
a imunidade contra interferências eletromagnéticas e freqüências de rádios, eliminando a
necessidade de custos com acessórios de proteção contra descargas elétricas e outras interferências.
Hoje em dia os sensores em fibra ótica encontram aplicações em diversos segmentos como:
petróleo e gás, construção civil, controle ambiental e de processos, biotecnologia, medicina e
automóveis.
7
Figura1.2: Tecnologia ótica aplicada à medição [7].
Em ambientes mais severos onde a fragilidade da fibra é uma desvantagem as fibras ficam
inseridas em cabos revestidos para proteção contra a umidade, esmagamento, fraturamento e
estiramento [6].
Para se ter uma idéia do estado atual do desenvolvimento de sensores à fibra ótica, as figura
1.1 e 1.2 mostram a distribuição dos trabalhos apresentados na Conferência de Sensores em Fibras
Óticas realizada em 2005, classificando-os de acordo com (a) a grandeza medida e (b) a tecnologia
aplicada para medição [7].
Figura 1.1: Grandeza medida pelos sensores de fibra Ótica [7].
8
Figura 1.3 Classificação dos Sensores de fibra Ótica quanto a aplicação [8].
Em função das diversas propriedades utilizadas para medições, os sensores de fibra
ótica são classificados de diferentes formas.
Quanto ao Princípio de medição:
o Sensores Intrínsecos: Nos sensores intrínsecos o ponto de medida
ocorre dentro da fibra ótica, ou seja, a luz interagindo com a própria
fibra fornece medidas de interesse, não sendo necessários dispositivos
auxiliares.
o Sensores Extrínsecos: Nos sensores extrínsecos a tarefa principal da
fibra é a transmissão de dados. O ponto de medida ocorre fora da
fibra, ou seja, o sinal de luz tem que sair da fibra interagir com um
transdutor e retornar para fibra.
Quanto à aplicação:
o Sensores localizados: Nos sensores de fibra ótica localizados
utilizamos um segmento de fibra com sensor em uma região de
abrangência localizada se assemelhando aos sistemas convencionais.
o Sensores Multipontos: É constituído pela combinação de múltiplos
elementos sensores para medir perturbações sobre uma estrutura como
um todo.
o Sensores Distribuídos: Nos sensores distribuídos cada ponto da fibra
ótica funciona como um sensor de forma que a fibra como um todo é
um sensor.
A classificação dos sensores de fibra ótica quanto à aplicação pode ser visualizada
figura 1.3.
9
Quanto a Transdução:
o Sensores Tipo Intensidade: Os sensores baseados em intensidade
relacionam a medida a perdas de intensidade de luz associada com
o tensionamento da fibra ao longo do seu comprimento.
o Sensores Espectométricos: Utilizam a mudança no comprimento
de onda de luz como a característica a se medir. Um exemplo
deste tipo de sensor é o baseado nas redes de Bragg.
o Sensores Tipo Fase: Nestes sensores utilizam-se fenômenos óticos
como mudança de fase da luz ( Inteferômetros) ou podem também
utilizar a característica de polarização da luz para transdução
De forma complementar podemos citar os sensores que são cobertos por polímeros e podem
pela diferença de refração detectar alterações químicas do meio ambiente onde o sensor está
inserido.
1.2.3 Medição Distribuída
Sensores distribuídos consistem em um comprimento contínuo de fibra ótica que será o meio
através do qual as medidas são realizadas. São aplicados nas áreas em que seja necessário um
grande número de sensores operando simultaneamente, e têm seu funcionamento baseados nos
princípios de espalhamento de Ramon e Brillouin.
O espalhamento de Brillouin é um espalhamento de luz por onda acústica no vidro, e a luz
espalhada tem a freqüência diminuída. O desvio de freqüência é sensível a deformação e a
temperatura aplicadas à fibra. Com base na medição distribuída do desvio de freqüência de
Brillouin ao longo da fibra, podem ser criados sensores distribuídos de deformação e temperatura.
Caso esse monitoramento fosse feito com sensores convencionais necessitaríamos da instalação de
milhares de sensores.
Nas áreas em que seja necessário um grande número de sensores de fibra óptica operando
simultaneamente, é necessário a utilização de técnicas de multiplexação de sensores como a
multiplexação por comprimento de onda, a multiplexação por divisão de tempo.
A habilidade para medir temperatura e tensão em milhares de pontos ao longo de uma fibra
é particularmente interessante para o monitoramento de estruturas alongadas, tais como dutos,
linhas de fluxo e oleodutos.
10
A tecnologia de medição distribuída busca principalmente aprimorar as ferramentas de
detecção, localização e quantificação de vazamentos de dutos, monitorando deformação e
temperatura por longas distâncias. Os vazamentos podem ser detectados e localizados utilizando
sensores de fibras óticas de temperatura distribuídos, sendo que normalmente em oleodutos gera-se
um ponto de calor no local do vazamento, enquanto que em gasodutos são gerados pontos frios
devido ao relaxamento da pressão do gás [9].
1.2.4 Aplicações de Monitoração de Temperatura Distribuída na Indústria do Petróleo [14]
Atualmente já existem diversas áreas da indústria de petróleo que utilizam a medição
distribuída de temperatura utilizando fibras óticas:
Exploração e produção de óleo e gás natural: Monitoração, em tempo real, da
temperatura ao longo do duto de perfuração, prevenindo a formação de blocos de
parafina/hidratos ou de vazamentos em dutos submarinos. Em dutos que utilizam linhas
de água aquecida, o sistema pode ser utilizado para a aquisição de dados que permita
uma maior eficiência da sua operação. O sistema pode ainda ser utilizado para monitorar
o acionamento de válvulas de alívio de pressão distribuídas ao longo do duto.
Gás natural: Em alguns casos o gás é transportado em dutos sob a forma de líquido em
baixa temperatura, de forma que podemos utilizar a medição distribuída de temperatura
na detecção de vazamentos como ponto frio . Além disso, como a instrumentação é
ótica, o sistema apresenta vantagens em situações de manipulação com gás onde é alto o
risco de incêndio.
Transporte de óleo: O sistema de monitoramento distribuído pode ser utilizado como
parte de um sistema de monitoramento com separadores de óleo, evitando a ocorrência
de gargalos na produção do óleo, aumentando a produção e a confiabilidade desta
operação.
Monitoração geotérmica: Obtenção, em tempo real, do perfil de temperatura ao longo do
duto de inspeção em paredes horizontais e verticais sem interferir nas condições térmicas
do duto ou interromper a produção do poço.
Gerenciamento de reservatórios de óleo: A medição distribuída de temperatura pode ser
utilizada para obtenção do perfil de temperatura de reservatórios de óleo, especialmente
11
naqueles onde a drenagem por injeção de vapor é utilizada. A injeção do vapor pode ser
mantida no patamar mínimo possibilitando uma maior eficiência em termos de energia.
Monitoramento de plantas para processamento de hidrocarbonos: Podemos distribuir a
fibra ótica em torno da torre e vasos utilizados no processamento químico do petróleo e
seus derivados, e desta forma monitorar falhas nas proteções refratárias possibilitando
ações preventivas.
Prevenção e detecção de incêndio: O sistema pode ser utilizado em grandes malhas para
prevenção e detecção de incêndios junto a instalações que representam risco de incêndio,
tais como as indústrias de petróleo.
1.3 Considerações Finais
Neste capítulo introdutório foram determinados os objetivos deste trabalho, bem como a
importância da medição da temperatura nos processos, principalmente no segmento de petróleo e
gás.
Fizemos também uma breve análise sobre as necessidades de utilização de novas
tecnologias de instrumentação para monitoramento de temperatura objetivando atender os desafios
da atual indústria de petróleo como os poços inteligentes, por exemplo, buscando aprimorar as
ferramentas para detecção de problemas, o gerenciamento e a análise de dados de forma cada vez
mais eficiente, o que requer dos sistemas um aumento na capacidade de processamento digital dos
dados.
Vimos ainda a diversidade de aplicações em que a tecnologia de medição distribuída de
temperatura usando sensores de fibra ótica pode ser utilizada em diversos setores da indústria de
petróleo.
12
Figura 2.1: Conexão do sensor ao computador através de placa de
aquisições de dados [10].
2. Tecnologias Disponíveis
2. 1 Instrumentação Virtual
A instrumentação virtual surgiu da idéia de aproveitar a capacidade de processamento dos
computadores bem como a capacidade de armazenamento em memória ou em disco, e ligar ao
barramento desses micros uma placa com os circuitos necessários para receber sinais externos
condicioná-lo e converte-lo em seguida à forma digital. Além disso, utilizar também a tela do
monitor para exibir sinais substituindo a tela de um osciloscópio, por exemplo [10].
A conexão dos sinais externos ao computador pode ser feita através de adaptadores
adequados via porta serial, porta paralela e placas dedicadas conectadas ao barramento (figura 2.1).
Assim é possível, utilizando-se de placa para aquisição de dados, emular qualquer instrumento,
fazendo com que os computadores tornassem-se então parte integrante da instrumentação. Desta
forma sensores e transdutores podem ser conectados ao computador, através de placas de
condicionamento de sinais e de aquisição de sinais.
Com o desenvolvimento dos aplicativos gráficos foi possível também sintetizar na tela o
próprio painel dos instrumentos permitindo aos usuários as mesmas funcionalidades que teria o
instrumento real. Através da tela do computador, do teclado e mouse, o usuário é capaz de operar os
instrumentos ou conduzir o experimento.
A união entre a instrumentação e o computador permite ainda ampliar as funcionalidades
de um instrumento, acrescentando-lhe novas funções além de ser possível adaptar um instrumento a
necessidades particulares via software sem a necessidade de substituir todo o instrumento,
promovendo a redução de custos.
13
A instrumentação virtual aproveita dos benefícios da portabilidade dos computadores
portáteis e todos os desenvolvimentos da tecnologia de redes que permite separar fisicamente o
computador dos outros elementos da instrumentação (sensores, atuadores) facilitando o
monitoramento remoto além da visualização de dados em vários locais simultaneamente.
2.2 LabVIEW®
O LabVIEW® é um software de programação gráfica utilizado em instrumentação virtual e
que usa uma linguagem de programação denominada de G e que tem a mesma funcionalidade de
uma linguagem textual. Entretanto ao invés de utilizar comandos na forma de textos para gerar
linhas de código, usa ícones interligados formando um diagrama de blocos. Utilizando uma
estrutura de programação orientada pelo fluxo de dados e hierarquia, o LabVIEW® facilita a
implementação de sistemas que utilizam aquisição e manipulação de dados ou ainda controle de
equipamentos através do computador.
O LabVIEW® foi desenvolvido no final da década de 80 pela National Instruments com
foco em instrumentação virtual, para ambientes de janelas ( tipo Windows), onde o nome
LabVIEW® é o acrônimo para Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench.
Qualquer programa feito no LabVIEW® é chamado de instrumento virtual pela sua
semelhança com instrumentos tradicionais. Um instrumento virtual é composto por um conjunto de
instruções que faz a manipulação e fluxo dos dados, e por uma interface com o usuário onde se
encontram as entradas e saídas necessárias. Assim podemos identificar duas partes que compõem
um instrumento virtual:
Painel Frontal
Diagrama de Blocos
No painel frontal representamos as entradas e saídas de sistema através de ícones com
formatos dos componentes de um painel de instrumento (botões, knobs, leds, chaves, indicadores,
oscilógrafos). Estes componentes estão associados a variáveis e componentes, cujos valores são
medidos ou ajustados através do mouse ou do teclado do computador [10]. Um painel frontal pode
ser visualizado na figura 2.2.
Diagrama de blocos é a estrutura do programa propriamente dita que contém o
código fonte construído de forma gráfica e representa os processos aos quais são submetidas às
variáveis e parâmetros apresentados no painel frontal (figura 2.3).
14
Figura 2.2: Painel frontal [10].
Figura 2.3: Diagrama de blocos [10].
Basicamente a programação visual é realizada escolhendo-se em uma caixa de ferramentas
cada componente, que é exibido no local do diagrama de blocos que o usuário selecionar com o
mouse. Os componentes são então conectados selecionando-se com o mouse as terminações que
devem ser interligadas e desenhado-se o trajeto da ligação sobre o diagrama de blocos, com o
apontador do mouse.
O LabVIEW® da mesma forma que outras linguagens possui estruturas do tipo laço como
o for e while, representados no diagrama de blocos, além de permitir estruturas de decisão do tipo
case.
Existem também funções já implementadas para gerar gráficos 2D e 3D. É possível
configurar instantaneamente, os atributos para apresentação dos dados tais como cores, tamanho da
15
fonte, tipo do gráfico e foco (zoom), apresentando a informação de forma mais ergonômica,
segundo um arranjo visual adequado à tarefa que se pretende realizar.
Além disso, o LabVIEW® inclui diversas bibliotecas compostas por componentes contendo
funções para aplicações específicas (algoritmos de análise estatísticas, processamentos e geração de
sinais).
2.3 Processador de Sinais Digitais - DSP
Os DSPs são processadores que permitem o uso de técnicas de controle de sinais discretos
aplicando aos sinais técnicas de controle e processamento. São componentes compostos por
conversores analógicos digitas (A/D) e conversores digitais analógicos (D/A) com capacidade de
converter os sinais com elevada precisão, além de processadores capazes de manipular esses dados
com alta velocidade, incorporando ainda outros periféricos.
Portanto podemos dizer que o DSP é um dispositivo que possui uma arquitetura desenvolvida
para efetuar operações e manipulações matemáticas de dados de sinais digitais de forma rápida,
sendo capaz de gerar saídas em tempo real. Estas características do DSP permitem a implantação de
algoritmos de controle (clássico, robusto, adaptativo, fuzzy, entre outros) com a flexibilidade de
alteração dos parâmetros de controle por software dispensando a interferência de parâmetros físicos
dos componentes do processamento, fazendo com que os custos desta tecnologia passem a ser
atrativos [15].
Pela característica de serem microprocessadores otimizados para efetuar processamento
matemático, operam com velocidades superiores aos demais processadores para aplicações
genéricas que são otimizados para manipulação e gerenciamento de dados. A sua estrutura interna é
baseada na topologia Harvard modificada possuindo barramentos internos independentes para
programas, dados de entrada /saída, permitindo acesso simultâneo a instruções de programa e
dados, dobrando o fluxo de informações para aplicações matemáticas, possibilitando realizar
múltiplas ações em um mesmo ciclo de clock. Este paralelismo de processamento, em conjunto com
um mecanismo bastante flexível de gerenciamento de interrupções e chamada de funções /rotinas,
faz com que o DSP tenha um desempenho significativo no processamento dos dados amostrados.
Os DSPs podem ser classificados pelo formato dos dados como ponto fixo ou flutuante,
dependendo de como os dados dão manipulados e armazenados. Os processadores de ponto fixo são
caracterizados por uma palavra de tamanho fixo (16 bits, 32 bits...), já nos processadores de ponto
flutuante os números são caracterizados pela mantissa e o expoente. Um processador do tipo ponto
flutuante ou ponto fixo pode trabalhar com dados no outro formato, porém os processadores
baseado em ponto fixo apresentam uma queda no desempenho de processamento para possibilitar o
16
trabalho com números no formato de ponto flutuante. A escolha do formato numérico depende
basicamente das restrições sinal ruído requeridas para aplicação desejada e do custo [15].
No momento de especificação dos DSPs algumas características do conversor resultam
diretamente em especificações mínimas necessárias que sejam compatíveis com a aplicação. Entre
as várias características de operação dos conversores que podem resultar em informações relevantes
para a especificação do DSP, destacam-se:
Principais sinais a serem monitorados pelo DSP
Freqüência de operação do conversor
Circuito de condicionamento de sinais
Tipo de modulação
Outras características importantes na escolha dos DSPs são:
Resolução, número de canais e tempo de conversão A/D;
Tempo de execução das instruções;
Capacidade de memória do DSP;
Arquitetura básica do DSP
Ferramentas de hardware e software disponíveis no mercado
O DSP é um dispositivo programável e normalmente cada fabricante possui uma IDE onde é
realizada a programação utilizando funções pré-definidas de cada DSP e em sua grande maioria
trabalha com as principais linguagens de programação, como Assembly, C e C++:Esses softwares
são na verdade compiladores que trabalham ligados diretamente no DSP, gerenciando toda a
execução, simulação e depuração do código.
O primeiro DSP comercializado foi o mac4 que surgiu em 1979 fabricado pela Bell Labs. Já
em 1983 a Texas Instruments lança o TMS32010, com capacidade para processamento em tempo
real dos sinais, baseado na arquitetura Harvard. Trabalhava com 16 bits e precisava de 390 ns para
calcular uma operação de multiplicação. Por volta de 1988 surge então a segunda geração de DSPs
com 3 memórias para armazenar dois operandos simultaneamente e tinham incluso hardware para
acelerar loops fechados e alguns já operavam com 24 bits. A operação de multiplicar-acumular
durava por volta de 21ns.
Por volta de sete anos mais tarde o maior avanço na terceira geração se deu no aumento na
capacidade de processamento, permitindo aceleração na solução de problemas como transformada
de Fourier e operações com Matrizes.
17
Tabela. 2.1: Características dos DSPs da família C200 [11].
A quarta geração é mais caracterizada pela mudança no conjunto de instruções e a instrução
codificar/decodificar. A velocidade de clock também aumentou e uma operação de multiplicar a
acumular passou a ser feita em três ns. Os DSPs vêm evoluindo rapidamente rumo a topologias que
podem contar com estruturas cada vez mais complexas em termos de processamento e capacidade
de memória, além de mais rápidos, aptos a trabalhar com sinais de freqüência cada vez mais altos.
Os principais fabricantes de DSP são Texas Instruments, Motorola e Analog Devices.
2.3.1 Fámilia TMS320
Fabricantes de DSPs, como a Texas Instruments, oferecem diversas famílias de DSP com
características diferenciadas, que possibilitam escolher qual das famílias melhor se adapta a
aplicação requerida. Dispositivos dentro de uma mesma família utilizam o mesmo processador, mas
apresentam diferentes configurações de memória interna e periféricos agregados.
O DSP utilizado neste procedimento experimental foi o da família TMS320 cujo primeiro
processador fabricado foi o TMS32010 em 1982. Esta família possui processadores de sinais de
ponto fixo, ponto flutuante e multiprocessadores. Atualmente a família é constituída pelas seguintes
gerações: (C1x, C2x, C24x, C28x, C5x, C54x, C6x, para DSP s com ponto fixo; C3x e C4x para
DSPs de ponto flutuante e C8x para multiprocessadores. A família TMS320 é dividida em três
ramos:
C2000: Otimizada para aplicações de sistemas de controle em geral
C5000: Otimizada para produtos portáteis e de baixo consumo
C6000: Otimizada para processamento de dados em aplicações que exigem alta
capacidade de processamento.
O DSP utilizado no nosso experimento pertence ao ramo C2000. A tabela 2.1 mostra as
diferentes versões, bem como as características desta linha.
18
Figura. 2.4: Nomeclatura dos DSPs da Texas Instruments [11].
Figura 2.5: Diagrama de blocos do DSP TMS320F2812 [12].
A figura 2.4 mostra a nomenclatura dos componentes, onde é possível identificar muitas
características do processador como temperatura limite, versão (série, experimento e
protótipo) e tipo de memória.
2.3.2 Arquitetura do TMS320F2812
O DSP TMS320F2812 trabalha com 32 bits e é capaz de executar 150 MIPS (milhões de
instruções por segundo) e é do tipo ponto fixo. Construído com a arquitetura Harvard modificada,
onde temos barramentos de programa e de dados de forma independente, permitindo acesso
simultâneo a instruções de programa e dados, dobrando o fluxo de informações para aplicações
matemáticas.
19
No diagrama de blocos da figura 2.5 podem ser observados dois blocos multiplexadores de
dados (D15-D0) e endereços (A18-A0). Esta é uma interface para conexão para dispositivos
externos ao DSP.
A seguir são apresentadas algumas características mais importantes do DSP TMS320F2812 retiradas da especificação do componente fornecida pela Texas Instumentes:
Tecnologia CMOS
Baixo consumo (alimentação 3,3 V para I/Os e 1,9 para o núcleo)
Suporte para JTAG
Código em assembly e em C/C++
Conversor Analógico/Digital de 12 bits, 16 canais
o Entradas analógicas multiplexadas 2x8
o Conversão simples ou simultânea
o Rápida conversão digital: 80ns/12,5 MIPS
Módulo de Temporização Watchdog
Módulo CAN (Controller Área Network)
A CPU do 2812 é considerada do tipo RISC (reduced instruction set computing
processamento com número reduzido de instruções) por possuir menos instruções que os seus
similares. Esta CPU executa operações de registrador para registrador, instrução de ciclo-único
(single-cycle) e instruções de manipulação de bit.
Abaixo estão listadas as principais características do núcleo do 2812:
Freqüência de 150 MHz, 6,67ns de ciclo de instrução
Operações Matemáticas com 32 ou 16 bits
Barramentos com arquitetura Harvard (programa, dados e periféricos)
3 temporizadores de 32 bits.
O núcleo controla a geração e manipulação de endereços de memória, decodificação de
instruções, cálculos aritméticos incluindo multiplicação, rotação e deslocamento e lógica de dados.
2.3.3 Ambiente de Programação:
Para uso do DSP, utilizamos o kit didático ezDSPTM F2812, que é um módulo
independente que permite o uso do DSP sem que seja preciso desenvolver todos os periféricos e
20
Figura 2.6: Conexão entre o kit dos DSP e o computador [12].
Figura 2.7: Placa ezDSPTM contendo o DSP, as interfaces
de entrada/saída e conexão para alimentação [12].
placas necessárias. É uma plataforma de desenvolvimento, na qual diversas aplicações podem ser
implementadas. Este módulo permite que o computador se comunique com o DSP através da porta
paralela utilizando o controlador JTAG. Na figura 2.6 é apresentado o esquema da conexão entre o
kit e o computador.
O ezDSPTM F2812 é composto de quatro blocos lógicos: interface analógica, interface
entrada saída (E/S), interface JTAG e controlador JTAG com interface para porta paralela (Figura
2.7).
Para realizar a programação com o ezDSPTM F2812, é utilizado o software Code
Composer Studio, onde se cria o projeto tanto em linguagem C, quanto em assembly .Este programa
permite que todos os blocos lógicos citados anteriormente, sejam acessados com seus respectivos
21
comandos.
O Code Composer permite a construção de gráficos a partir de buffers de memória que
podem ser atualizados durante a execução do programa. Permite também o modo de operação passo
a passo que facilita a verificação do programa.
2.3.4 Conversão Analógico Digital (ADC):
A aquisição de dados provenientes dos sensores de temperatura foi feita através das
entradas analógicas do DSP 2812. Este DSP possui 16 entradas para medidas analógicas como
temperatura, umidade, corrente, velocidade e aceleração. As entradas analógicas suportam um
intervalo de tensão entre 0 V e 3,0 V que é compatível com o sensor de temperatura utilizado. A
tensão mínima fornecida pelo sensor é de 0 V que corresponde a 2 °C e a tensão máxima de saída é
de 1,5 V que corresponde a 150 °C, quando o LM35 é alimentado de forma simples, não
necessitando portanto de circuito auxiliar para acoplamento com o DSP .
O DSP 2812 possui um conversor analógico digital (ADC) de 12bits. A relação entre o
valor de tensão analógico (Vin), e o número de dígitos binários (n) e o número digital (D) é dada
pela expressão:
REFnREFREF
in VVVD
V12
)(
VREF+ e VREF- são os valores de tensão de referência e são usados como valores limites para
a entrada do conversor. Caso estes valores forem ultrapassados a saída fornecerá um valor digital
saturado. Para o nosso procedimento experimental o valor de VREF- é 0V, e VREF+ é 3V. A conversão
analógico digital do DSP 2812 possui 12 bits de resolução (n = 12 ). Temos então:
4095
0.3 VDVin
Desta forma assumindo uma faixa de tensão na entrada de 0...+3V nos teremos uma
resolução de 3.0V/4095 = 0,732 mV por bit.
As 16 entradas analógicas são multiplexadas internamente. O DSP 2812 é equipado com
duas unidades de sample e hold (s&h). Cada s&h é conectado ao multiplexador que possui 8
entradas. O conversor analógico digital pode trabalhar nos modos de amostragem seqüencial e
simultânea. Para o funcionamento simultâneo as unidades de s&h funcionam em paralelo. A ADC
possui um bloco chamado de auto sequencer que é responsável por controlar o fluxo de conversão
sendo capaz de converter as 16 entradas de sinal, colocando cada amostra em seu próprio registro.
Os resultados são armazenados em registros ( RESULT0 até RESULT15 ) para cada estágio.
22
Figura 2.8: Diagrama de Ligação do LM35 [12].
Fig. 2.11: Disposição dos terminais [12].
Figura 2.10: Escala do sensor LM35.
Podemos iniciar a seqüência de conversão via software setando um bit em particular. Mas
existem três outras opções usando eventos de hardware. Antes de começar a conversão, nós temos
que setar o número de conversões ( MAX_CONV1 ).
2.4 Sensor de Temperatura - LM35
O LM35 é um sensor de temperatura do tipo semicondutor fabricado pela National
Semicondutor, onde a tensão de saída é lineamente proporcional a temperatura em Graus Celsius.
O sensor LM35 pode ser alimentado de forma simples ou simétrica. No nosso procedimento
experimental utilizamos a alimentação simples que opera com uma tensão de 4-20 Vdc, tendo em
sua saída uma tensão de 10 mV para cada Graus Celsius de Temperatura (figura 2.8). Ele drena 60
µA sendo seu auto-aquecimento de aproximadamente 0,1 °C ao ar livre.
O LM35 não necessita de calibração externa e permite uma exatidão de ¼ °C dentro da faixa
de temperatura de 2 °C a 150 °C.
Este sensor possui uma saída com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente
precisa, fazendo com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples sendo esta uma
das razões para a escolha deste sensor para o experimento.
O sensor LM35 é apresentado com vários tipos de encapsulamento, porém o empregado
neste experimento foi o TO
92 (figura 2.10), que é semelhante a um transistor de três terminais
sendo dois deles para alimentação e o terceiro a saída (figura 2.11)
23
Figura 2.12: Diagrama de Blocos do Sensor LM35 [12].
Fig. 2.13: LM35 com o circuito RC [12]. Figura 2.14: O LM35 com adaptador para tubulação
A figura 2.12 mostra o diagrama de blocos do LM35:
Segundo o fabricante do sensor, o LM35 é habilitado para chavear capacitâncias de até 50
pF, porém caso o cabo de ligação entre o sensor e a placa de circuito seja maior que 1 metro haverá
a necessidade de acréscimo de um circuito auxiliar capaz de condicionar o sinal sem que haja
influência em sua medida, e isto é feito através da adição de um resistor de 75 e um capacitor
eletrolítico de 1 F junto ao sensor (figura 2.13). Além disso, para fazer a conexão do sensor ao
DSP utilizamos um cabinho blindado de três vias, senso uma delas formada por uma malha de
aterramento. Para o experimento, buscando uniformização entre os sensores todos os cabinhos
foram confeccionados com um comprimento de 3 metros.
Com o objetivo de fazer a proteção e fixação mecânica do sensor na tubulação inserimos
o LM35 e o circuito auxiliar dentro de conexões de PVC e a vedação foi feita utilizando cola epóxi.
O sensor protegido pode ser visualizado na figura 2.14.
24
2.5 Considerações Finais
Neste capítulo foram apresentadas as tecnologias envolvidas no estudo da medição de
temperatura e aquisição de dados utilizando no DSP.
Com relação ao DSP foram apresentadas suas principais características, diagrama de blocos,
e alguns aspectos que envolvem a conversão analógica digital.
Também foram apresentadas as características do sensor de temperatura utilizado bem como
a forma de alimentação e a proteção mecânica acrescida ao sensor para este trabalho.
25
Figura 3.1: Diagrama da montagem.
3. Realização do ensaio e resultados obtidos
Para realização do ensaio utilizamos quatro sensores de temperatura do tipo LM35 para
simularmos uma medição distribuída, o kit com DSP do tipo TMS320F2812, e um Computador
para visualização dos resultados. Um diagrama da montagem pode ser visualizado na figura 3.1.
Para este experimento utilizamos ainda multímetros e um osciloscópio digital de quatro canais da
Tektronix modelo TPS2024.
3.1 Montagem do Protótipo
Os dispositivos utilizados para realização do ensaio do monitoramento da temperatura
com o DSP estão apresentados na figura 3.2 composta pelos seguintes elementos: (a) Kit com o
DSP, (b) Sensores, caixa de conexões, (d) montagem completa.
Para ligação dos sensores ao DSP utilizamos cabinhos de três vias onde uma das vias
formava uma malha de blindagem. Nas extremidades dos cabinhos foram soldados terminais para
garantir uma boa conexão.
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Figura 3.3: Diagrama das ligações dos sensores à caixa de conexões.
Antes de ligarmos os sensores ao DSP inserimos uma caixa de conexões para permitir
praticidade na execução do procedimento experimental. Esta caixa de conexões possui também
chaves do tipo liga desliga para cada sensor. Dentro da caixa de conexões foram instaladas também
duas baterias de nove volts em paralelo que foram responsáveis pela alimentação dos sensores. Da
caixa de conexões utilizando cabinhos ligamos os sensores aos pinos das entradas analógicas do
DSP. O diagrama com as ligações dos sensores à caixa de conexões é mostrado na figura 3.3.
a
b
c
d
Figura 3.2: Fotos do arranjo experimental.
27
O sinal de saída do LM35 fornece uma tensão mínima de zero volts que corresponde uma
temperatura de 2 °C e um valor máximo de 1,5 volts que corresponde a 150 °C, sendo portanto
compatível com as entradas analógicas do DSP que suportam de 0 a 3 volts.
3.2 Objetivos do Ensaio
O objetivo principal do ensaio é fazer a aquisição dos sinais dos sensores de temperatura
através do Processador de sinais digitais e manipular estes sinais através do software de
programação e analisar os resultados através de ferramentas gráficas.
Vamos também tentar detectar a não uniformidade na distribuição da temperatura na sala em
que foi realizado o experimento.
Temos ainda como objetivo visualizar o monitoramento desta temperatura utilizando um
software de instrumentação virtual que é o LabVIEW®.
3.3 Programação do DSP
A programação do DSP para realizar nosso estudo consistiu basicamente de quatro tarefas
principais:
1) Aquisição dos dados:
Configuramos quatro entradas analógicas para fazer a aquisição dos sinais vindos dos
sensores
Especificamos os endereços para registro destas aquisições.
2) Configuração do ADC:
Configuramos o conversor para funcionar no modo cascata
Determinação do início da seqüência de conversão através do gerenciador de eventos
Configuração da freqüência de amostragem em 10 kHz
3) Configuração para visualização no Graphview:
Configuração dos buffers para armazenamento das variáveis para visualização no
Graphview
4) Configuração de um filtro passa baixa: Para reduzir o ruído no sinal de aquisição dos
sensores
28
3.4 Procedimentos Experimentais
1) Sensores Próximos
No primeiro momento ligamos os quatro sensores próximos e realizamos as medições com o
DSP, visualizando os resultados no Graphview.
Duarante a aquisição de dados com o DSP utilizamos simultaneamente um osciloscópio
digital de quatro canais ligado as saídas dos sensores de temperatura com o objetivo de fazer uma
comparação entre as medições do osciloscópio e do DSP.
2 ) Sensores Distribuídos
Em seguida espalhamos os sensores de forma que os quatro sensores ficaram afastados da
caixa de conexões por uma distância em uma formação semelhante a um quadrado de 4 metros de
lado ficando um sensor em cada vértice
Da mesma forma que no procedimento anterior, ao mesmo tempo em que utilizamos o DSP,
realizamos também medições com o osciloscópio digital.
3) Leitura com o LabVIEW®
Como não foi possível fazer a interface entre o DSP e o LabVIEW® , utilizamos as medições
armazenadas no osciloscópio em forma de tabela e alimentamos o LabVIEW®.
3.5 Análises dos Resultados Obtidos
3.5.1 Sensores Próximos
A seguir apresentamos os gráficos da aquisição dos dados efetuada pelos sensores quando
estavam próximos. Cada gráfico apresenta a leitura do sinal antes da filtragem e após a filtragem
para cada sensor (figuras 3.4 a 3.7).
29
Figura 3.4: Gráfico das medições do sensor 1.
Figura 3.5: Gráfico das medições do sensor 2.
30
Figura 3.6: Gráfico das medições do sensor 3.
Figura 3.7: Gráfico das medições do sensor 4.
31
Figura 3.8: Gráfico das medições do osciloscópio com os sensores juntos.
A seguir o gráfico (figura 3.8) da aquisição dos sinais dos sensores utilizando o
osciloscópio onde os canais 1, 2, 3 e 4 representam respectivamente os sensores 1, 2, 3 e 4.
Analisando os gráficos gerados no graphview a partir da aquisição do DSP podemos
verificar que no primeiro momento quando os sensores foram colocados juntos apresentavam as
temperaturas bem próximas. Resultado verificado também no gráfico gerado a partir do
osciloscópio. Foi possível observar também que o visualizador gráfico graphview apresenta uma
baixa resolução dificultando uma análise mais precisa dos valores medidos mesmo configurando as
escalas dos eixos. Desta forma, com a ajuda do gráfico gerado pelo osciloscópio, foi possível fazer
uma relação entre os valores apresentados pelo DSP e a temperatura medida pelo sensor e
chagamos à conclusão que a diferença máxima de temperatura entre os sensores foi de 0,7 ºC.
Sensor 1 23,7 ºC
Sensor 2 24,4 ºC
Sensor 3 23,8 ºC
Sensor 4 24,3 ºC
32
Figura 3.9: Gráfico das medições do sensor 1 com os sensores distribuídos.
Figura 3.10: Gráfico das medições do sensor 2 com os sensores distribuídos.
3.5.2 Sensores Distribuídos:
A seguir temos os resultados da aquisição realizada com os sensores distribuídos. Cada
gráfico mostra dois sinais sendo o sinal superior a leitura antes da filtragem e o sinal inferior a
leitura após a filtragem (figuras 3.9 a 3.12).
33
Figura 3.11: Gráfico das medições do sensor 3 com os sensores distribuídos.
Figura 3.12: Gráfico das medições do sensor 4 com os sensores distribuídos.
34
Tabela 3.1: Comparação entre as medições
Figura 3.13: Gráfico das medições do osciloscópio com os
sensores distribuídos.
O gráfico a seguir (figura 3.13) mostra a medição realizada utilizando o osciloscópio com
os sensores distribuídos.
Com os resultados dos gráficos obtidos com os sensores distribuídos podemos comprovar a
distribuição não uniforme da temperatura da sala onde forma realizados os experimentos. A
comparação entre a primeira medição e segunda medição está resumida na tabela abaixo.
3.5.3 Resultados obtidos com o LabVIEW®
Não foi possível até o presente momento realizarmos a interface entre o DSP e o
LabVIEW® que seria um dos objetivos deste trabalho. Para atingirmos esta meta é necessário
manipularmos os dados processados pelo DSP utilizando uma memória externa o que demandaria
mais tempo e um estudo mais aprofundado do DSP para utilização deste recurso além da
necessidade de aquisição da memória.
Sensor Sensores Juntos
Sensores Separados
1 23,7 ºC 23,1 ºC 2 24,4 ºC 24,5 ºC 3 23,8 ºC 27,9 ºC 4 24,3 ºC 32,4 ºC
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Figura 3.14: Diagrama de blocos.
De posse dos dados do experimento realizado com o osciloscópio alimentamos o
LabVIEW® de forma manual com o objetivo de também analisar os resultados através deste
software gráfico.
Para isto elaboramos o diagrama de blocos mostrado na figura 3.14 inserindo no painel
frontal os dados da aquisição realizada na primeira parte do experimento e obtivemos como
resultado o gráfico mostrado na figura 3.15.
Para essa análise utilizamos apenas os dados referentes aos sensores 1 e 2. No painel
frontal apresentado na figura temos as tabelas com os dados do sensor 1 e 2. Inserimos apenas 100
valores para cada sensor. É possível visualizarmos ainda neste painel frontal no gráfico superior o
sinal gerado pelo sensor 1. No gráfico seguinte os sinais simultâneos do sensor 1 e do sensor 2. E no
gráfico mais inferior o valor médio entre o sinal do sensor 1 e do sensor 2.
36
Figura 3.15: Painel frontal coma as medições dos sensores 1 e 2.
Figura 3.16: Painel frontal coma as medições dos sensores distribuídos.
Para simulação com os sensores distribuídos montamos o painel frontal mostrado na figura
3.16. Neste painel colocamos um termômetro representando cada sensor, um gráfico com os quatro
sinais simultâneos e um segundo gráfico com o valor médio dos quatro sensores. Para elaboração
deste gráfico inserimos trinta e seis pontos para cada sensor.
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3.6 Considerações Finais
Com a utilização do LabVIEW® conseguimos visualizar os mesmos resultados
observados com o graphview e o osciloscópio. O LabVIEW® porém proporciona uma interface
mais amigável permitindo uma forma mais ergonômica e flexível de enxergar os resultados.
Por todos os resultados apresentados podemos concluir sem possível utilizar o DSP para
fazer a aquisição de sinais e monitoramento da temperatura. Foi possível também verificar a
distribuição não uniforme de temperatura na sala onde foi realizado o experimento.
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4. Conclusões, melhorias possíveis, trabalhos futuros
4.1 Conclusões
Através deste estudo podemos comprovar a possibilidade de utilizarmos o DSP associado à
medição distribuída onde normalmente existe um grande volume de dados. Apesar de termos
utilizado apena seis sensores é possível expandir esta utilização para um numero bem maior de
sensores.
Também foi possível verificar a flexibilidade para fazer o monitoramento dos resultados
utilizando o LabVIEW® permitindo acompanhar a temperatura de cada sensor bem como ter
acesso a temperatura média.
4.2 Trabalhos futuros
Como próximos passos para melhorar e dar continuidade a este trabalho podemos
sugerir:
Tentar Realizar o monitoramento em tempo real utilizando LabVIEW® e o DSP
Realizar o experimento instalando os sensores em um protótipo de tubulação de gás
buscando detectar vazamentos na tubulação
Implementar um experimento utilizando sensores distribuídos em fibra ótica, situação
que produz um volume maior de dados e desta forma melhor utilizarmos o DSP,
monitoramento inclusive mais de uma grandeza com temperatura e pressão por exemplo
levando a necessidade de trabalhar com sinais multiplexados.
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Referências Bibliográficas
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http://www.banasmetrologia.com.br. Acesso em 15 jul. 2008.
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Praticas de eletricidade e Eletrônica
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[12] http://www.national.com. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensores. Acessado em 12 set. 2008.
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Válvulas de Poços Inteligentes sob Incertezas. Pontifícia Universidade Católica, Rio de Janeiro (2007). Tese (Doutorado)
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[15] CARDOSO, Fabiano Luiz. Projeto de um retificador bidirecional com elevado fator de potência com controle por valores médios instantâneos implementado no DSP TMS320F2812. Universidade do Estado de Santa Catarina, Joinville (2006). Dissertação (mestrado).
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