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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA
CAMPUS JOINVILLE
CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM
MECATRÔNICA INDUSTRIAL
CONTROLE E MONITORAMENTO DE PRESSÃO DE UM SISTEMA USANDO UM
COMPRESSOR HERMÉTICO COM O GÁS R134A
JOINVILLE, DEZEMBRO DE 2014
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DARLEI BATTISTELLA GIARETA
GUSTAVO JAMIR DA SILVA
MARCELO LUIZ MENDES
CONTROLE E MONITORAMENTO DE PRESSÃO DE UM SISTEMA USANDO UM
COMPRESSOR HERMÉTICO COM O GÁS R134A
JOINVILLE, DEZEMBRO DE 2014
Trabalho apresentado como requisito
parcial para aprovação na disciplina de
Metrologia e Instrumentação do curso
Superior em Mecatrônica Industrial, IFSC
Campus Joinville.
Professor: Rodrigo Coral
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Sumário
1 INTRODUÇÃO....................................................................................5
2 DESENVOLVIMENTO......................................................................7
2.1 COMPONENTES.....................................................................................................................7
2.1.1 Sistema termodinâmico..........................................................................................................7
2.1.2 Controle das válvulas.............................................................................................................8
2.1.3 Placa drive..............................................................................................................................8
2.1.4 Sensor de pressão.................................................................................................................10
2.1.5 DAQ National Instruments...................................................................................................10
2.2 PROTÓTIPO...........................................................................................................................12
2.2.1 Programa Labview...............................................................................................................13
3 TESTES..............................................................................................15
4 CONCLUSÃO....................................................................................15
5 BIBLIOGRAFIA CITADA...............................................................16
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RESUMO
Para a avaliação da disciplina de Metrologia e Instrumentação é proposto um projeto com a
finalidade de medir uma grandeza física. Para este projeto é desenvolvido um sistema de controle
e monitoramento da pressão em um sistema de refrigeração substituto com o gás R134A.
O sistema de refrigeração substituto é responsável por simular as condições físicas para o
compressor, potência elétrica e temperatura do gás refrigerante que entra e sai do compressor.
Com estas condições o compressor consegue simular todas as condições de um refrigerador
normal, economizando espaço físico em testes onde apenas o controlador do compressor
(inversor) é utilizado.
Palavras-chave: Controle de pressão; compressor hermético; teste em compressor/inversor,
sistema de refrigeração.
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1 INTRODUÇÃOOs sistemas de refrigeração por compressão e expansão de gás são amplamente utilizado
em sistemas de refrigeração de pequeno e grande porte, dentre os benefícios estão a sua eficiência.
A Figura 1 apresentam o fluxo de um sistema básico de refrigeração por compressão e expansão
de gás e a Figura 2 um exemplo.
Figura 1 Sistema de refrigeração por compressão e evoporação de gás.
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Figura 2 O refrigerador doméstico: um bom exemplo de ciclo de compressão de vapor.
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Os compressores de refrigeradores consistem basicamente em um motor que movimenta
um pistão para frente e para trás dentro de um cilindro. Este cilindro comprimi o gás através da
abertura e fechamento de válvulas. O sistema é semelhante a um motor de automóvel, porém com
a finalidade inversa. A Figura 3 apresenta o sistema descrito acima de compressão.
Figura 3 Exemplo de compressor.
Para simular a carga de um compressor podemos controlar o torque variando as pressões
de sucção ou admissão e descarga.
O torque e a temperatura do gás que entra no compressor são importantes para
dimensionamentos dos cabos das bobinas do estator. Tais condições podem ser obtidas utilizando
o próprio sistema de refrigeração, porém isto inviabiliza testes onde somente o compressor é
avaliado. Assim, sistemas com controle do dispositivo de expansão descrito na Figura 1 são
confeccionados para testes em compressores.
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2 DESENVOLVIMENTOO objetivo deste trabalho é confeccionar um sistema substituto de refrigeração que controle
a pressão de descarga e sucção através de um computador. A comunicação será realizada com uma
placa de aquisição de dados DAQ da National Instruments e a placa drive, que controlará os
motores das válvulas e fornecerá alimentação aos sensores de pressão.
2.1 COMPONENTES
2.1.1 Sistema termodinâmico
O sistema proposto consiste em um compressor hermético conectado a uma tubulação que
inicia em seu ponto de descarga, passa por transdutores de pressão (sensores), manômetros
analógicos, válvulas acopladas a motores elétricos e termina no ponto de sucção do compressor.
O compressor utilizado é do tipo hermético (fechado), fabricado pela empresa Embraco e
muito aplicado em freezers e refrigeradores. Este compressor pode trabalhar com gases para
refrigeração como R404A, R407C, R600 ou R134A. Neste caso foi usado o gás R134A que por
sua vez, possui boas características físicas e termodinâmicas, além de suas características
ecológicas.
O compressor tem a função de bombear o gás na tubulação. No ponto de sucção do
compressor o gás entra com pressões manométricas baixas, com temperatura baixa. O gás é
comprimido pelo compressor e sai pela descarga com alta pressão e temperatura, até encontrar a
válvula de descarga, que abaixa a pressão para aproximadamente 6 bar (pressão de líquido a 25ºC
do gás R134a), logo após o gás encontra a válvula de sucção, que abaixa ainda mais sua pressão,
retornando para o ponto de sucção do compressor. O diagrama abaixo apresenta este ciclo.
CompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorCompressorDescarga: gás em alta
pressão e temperatura
Sucção: gás em baixa
pressão e temperatura
Válvula de descarga Válvula de sucção
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2.1.2 Controle das válvulas
Para o controle das válvulas foi acoplado em ambas, válvula de descarga e sucção, um
motor DC 12V com redução de velocidade e aumento do torque.
Figura 4 Motor DC 12V, 80 rpm.
Os motores foram acoplados às válvulas através de um acoplamento mecânico que permite
o trabalho de subir e descer das válvulas.
2.1.3 Placa drive
A placa drive tem como objetivo fornecer a tensão de 10VDC para alimentação dos
sensores de pressão e controlar os dois motores das válvulas. O esquemático da placa drive é
apresentado nas figuras abaixo.
Figura 5 Esquemático placa drive, fonte auxiliar.
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Figura 6 Esquemático placa drive, comandos da DAQ.
Figura 7 Esquemático placa drive, ponte inversora, controle motores 1 e 2.
Figura 8 Layout confeccionado em placa padrão.
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2.1.4 Sensor de pressão
Para sensoriamento das pressões de sucção e descarga foram utilizados sensores de pressão
do tipo P3MB. Estes sensores possuem a característica linear em que cada bar de pressão
representa um nível de tensão, 20 bar medidos = 20 mV fornecidos pelo sensor.
Figura 9 Sensor de pressão utilizado.
Figura 10 Conexões elétricas do sensor.
2.1.5 DAQ National Instruments
A DAQ tem a função de medir as tensões dos sensores de pressão, acionar os motores e
comunicar com o programa em Labview. A DAQ escolhida foi a NI6009 que possui as seguintes
características:
8 entradas analógicas (14 bits, 48 kS/s) Duas saídas analógicas (12 bits, 150 S/s), 12 E/S digitais, contadores de 32 bits
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Figura 11 DAQ 6009 conexões.
Figura 12 DAQ 6009 pinos de saída e entrada.
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2.2 PROTÓTIPO
A Figura 13 Protótipo desenvolvido, overview.
Figura 13 Protótipo desenvolvido, overview.
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Figura 14 Protótipo desenvolvido, válvulas e motores de controle de pressão.
Figura 15 Protótipo desenvolvido, manômetros analógicos.
2.2.1 Programa Labview
O programa escrito em Labview tem como objetivo interpretar o sinal lido pelo sensor
através da DAQ tratar e acionar os motores para que atinjam o setpoint inserido pelo operador.
2.2.1.1 Entradas de dados
Os únicos dados de entrada serão as pressões de sucção e descarga que chegarão por meio
da DAQ. Para aumentar a resolução do canal da DAQ a porta foi modificada para operar em modo
diferencial, com velocidade de aquisição de 20kHz e uma quantidade de 2 amostras a cada
chamada. A faixa de tensão também foi alterada para aumentar a resolução, de -1V a 1V. As
portas:
Sensor de pressão de sucção: Canais AI0 e AI4
Sensor de pressão de descarga: Canais AI1 e AI5
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2.2.1.2 Saída de dados
As saídas digitais serão os controles da ponte inversora que controlará os motores.
Motor 1 (sucção): Portas P0.0 e P0.1
Motor 2 (descarga): Portas P0.2 e P0.3
2.2.1.3 Interface
A interface é simples e possui:
Botão de habilita controle dos motores
Indicador da pressão lida
Gráfico da pressão lida
Setpoint de pressão
Figura 16 Interface programa LabView.
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2.2.1.4 Software
O software é fechado em um while loop principal. Dentro de um for loop com 100
iterações a DAQ faz aquisições, só após as 100 iterações o valor das variáveis de pressão são
atualizadas com a médias destes pontos.
Ainda dentro do for loop ocorre o controle individual dos motores. Através de uma
comparação simples o programa verifica se a pressão lida está diferente da pressão imposta. A
diferença é o erro que enviará o motor para um sentido ou outro para corrigir.
Figura 17 Programa em Labview.
3 PRATICAOs sensores de pressão apresentaram um comportamento não linear, como especificado
pelo fabricante. A origem dos sensores também pode ter sido a fonte de tais desvios, pois estes
sensores não eram mais utilizados pela empresa que emprestou.
Outro ponto que impediram os testes foi o problema encontrado no programa LabView
onde a DAQ não funcionava corretamente. O problema foi corrigido modificando a quantidade de
amostras, 2 amostras para uma aquisição a cada chamada (on demand). Isto corrigiu a falha da
DAQ.
O controle proporcional desenvolvido não foi tão eficiente para o controle dos motores.
Quando as pressões chegavam perto dos setpoints o motor abria e fechava rapidamente,
sinalizando que estava e não estava dentro da faixa. Isto poderia ser resolvido com um controle
proporcional e integral, PI, e um filtro mais elaborado para os sensores de pressão.
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Outro problema encontrado foi a válvula de descarga, pouco precisa, que impediu os testes
na pressão de descarga. Esta válvula tinha uma “abertura curta”, significa que com uma volta a
válvula já estava totalmente aberta. Isto não foi sentido na pressão de sucção onde a válvula
implementada foi uma válvula de precisão, multi voltas.
4 CONCLUSÃOEm Pratica podemos perceber os problemas encontrados, que foram muitos. Contudo
serviu para termos uma ideia da complexibilidade que este processo para o operador.
Dos problemas encontrados conseguimos corrigir dentro do projeto o problema de
aquisição da DAQ, uma sugestão do professor. A válvula de descarga não pode ser modificada
pois este processo de troca demandaria muito tempo, uma vez que todo o sistema teria de ser
enviado para a empresa Embraco, descarga de gás do sistema, troca da válvula, vácuo, carga de
gás e novamente transporte para o instituto.
O controle PI também não pode ser implementado pelo curto prazo do projeto.
Porém podemos concluir que o projeto foi desenvolvido com seus problemas, mas
apresentou de maneira clara a importância dos dispositivos e métodos de instrumentação
estudados na disciplina de metrologia e instrumentação.
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5 BIBLIOGRAFIA CITADAApostila de refrigeração CEFET BA, Professor Fabio Ferraz
Manual DAQ NI6009. Disponível em http://www.ni.com/pdf/manuals/371303m.pdf
www.embraco.com