Título do Trabalho: Calibração de instrumentos utilizados ... · de uma edificação,...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENT ÍFICA

PIBIC/CNPq – BIP/UFSC 2007/2008

TÍTULO DO PROJETO: CONSTRUÇÃO, CONFORTO AMBIENTAL E USO RACIONAL

DE ENERGIA E ÁGUA -

Título do Trabalho: Calibração de instrumentos utilizados na montagem d e um

calorímetro solar para teste de vidros e janelas

BOLSISTA: Guilherme Lopes, graduando em engenharia de materiais

PROFESSOR ORIENTADOR: Roberto Lamberts

CO-ORIENTADOR: Deivis Luis Marinoski

Florianópolis, Agosto de 2008.

CONSTRUÇÃO, CONFORTO AMBIENTAL E USO RACIONAL DE ENERGIA E ÁGUA

- Calibração de instrumentos utilizados na montagem d e um calorímetro solar

para teste de vidros e janelas

___________________________________

Guilherme Lopes

Bolsista

___________________________________

Roberto Lamberts

Professor Orientador

RESUMO

Na construção civil, os vidros e as janelas completas são considerados elementos importantes e interessantes no aprimoramento da estética da edificação. São também relevantes devido às funções de isolamento térmico, iluminação, ventilação, segurança e privacidade. Mas nas últimas décadas a corrida em busca de novas fontes energéticas e uso racional das já existentes, passaram a destacar mais uma atribuição destes elementos: o controle da passagem de energia solar através da sua superfície. Esta energia que penetra através de janelas influencia diretamente na variação da temperatura no interior dos ambientes da edificação. Isso por sua vez tem influência no consumo de energia de equipamentos que promovem o condicionamento de ar no ambiente (resfriamento ou aquecimento), e que têm por finalidade tornar o espaço mais agradável. Este pesquisa faz parte do processo de calibração e montagem de um calorímetro utilizado para medição de ganho de calor solar e determinação de fator solar de vidros e janelas. O fator solar é a fração de radiação incidente que entra através de uma janela, e inclui a porção transmitida, mais a porção absorvida e re-emitida. Esta fração varia entre 0 e 1, e quanto menor o seu valor, menor a transmissão de calor pelo vidro ou janela. O calorímetro está sendo construído na UFSC através de uma cooperação do LabEEE (Laboratório de Eficiência e Energética em Edificações - Departamento de Eng. Civil) e do LMPT (Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termo-físicas - Departamento de Eng. Mecânica). Para o funcionamento deste equipamento diversos instrumentos de monitoramento das variáveis ambientais e outras são necessários, dentre estes se destaca: termopares, piranômetros, fluxímetros, anemômetros e termistores. Este trabalho apresenta a metodologia de calibração destes instrumentos, bem como os resultados obtidos nestas calibrações. Também foi realizada uma análise estatística para a verificação das incertezas nos resultados das calibrações. Por fim, um teste preliminar de funcionamento do inteiro conjunto dos sistemas do calorímetro foi realizado. Palavras-chave: instumentação; vidros e janelas; fator solar; calorímetro solar.

Relatório de Iniciação Científica - PIBIC/CNPq – BIP/UFSC 2007/2008

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ______________________________________________________ 6

1.1 Justificativa __________________________________________________________ 6

1.2 Objetivos _____________________________________________________________ 6 1.2.1 Objetivos Gerais ____________________________________________________________ 6 1.2.2 Objetivos Específicos ________________________________________________________ 7

1.3 Estrutura do Trabalho _________________________________________________ 7

2 REFERENCIAL TEÓRICO ___________________________________________ 8

2.1 Medição do ganho de calor solar em janelas ________________________________ 8

2.2 Definições teóricas dos sensores __________________________________________ 8 2.1.1 Termpores ________________________________________________________________ 8 2.1.2 Fluxímetros ______________________________________________________________ 11 2.1.3 Anemômetros _____________________________________________________________ 12 2.1.4 Piranômetros _____________________________________________________________ 13 2.1.5 Termistores ______________________________________________________________ 15

3 METODOLOGIA ___________________________________________________ 16

3.1 Metodologia de calibração dos sensores __________________________________ 16 3.1.1 Termopares ______________________________________________________________ 16 3.1.2 Fluxímetros ______________________________________________________________ 17 3.1.3 Anemômetros _____________________________________________________________ 18 3.1.4 Piranômetros _____________________________________________________________ 19 3.1.5 Termistor ________________________________________________________________ 20

3.2 Análise da incerteza de medição dos sensores ______________________________ 20

3.3 Teste inicial de calibração do calorímetro _________________________________ 20

4 RESULTADOS _____________________________________________________ 22

4.1 Resultado da calibração dos sensores e análise de incerteza __________________ 22 4.1.1 Termopares ______________________________________________________________ 22 4.1.2 Fluxímetros ______________________________________________________________ 24 4.1.3 Anemômetro _____________________________________________________________ 25 4.1.4 Piranômetro ______________________________________________________________ 27 4.1.5 Termistor ________________________________________________________________ 27

4.2 Resultado do teste inicial de calibração do calorímetro ______________________ 28

5 CONCLUSÕES _____________________________________________________ 30

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ___________________________________ 31


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1. INTRODUÇÃO

1.1 Justificativa A definição do tipo de material transparente utilizado em uma janela vai além da questão estética, deve visar um balanço entre o conforto térmico no interior do ambiente, atributos visuais e o consumo de energia. Embora a aparência e conforto térmico sejam importantes, o tradicional propósito das janelas era prover luz, vista e ar fresco para os seus ocupantes. Porém o consumo de energia atingiu níveis extremamente significantes e a escolha do material transparente a ser utilizado em aberturas deve correlacionar os fatores externos, relacionados às características próprias do local, refletindo seu clima, com as propriedades óticas e térmicas destes materiais. Esses fatores agem diretamente no desempenho da edificação onde ocorrem fenômenos como a incidência de radiação solar através das aberturas, estando ligada a propriedades termo-físicas de cada material. O vidro é um componente da fachada que apresenta um comportamento muito especial e é de extrema importância nas decisões para se obter eficiência energética, pois são transparentes à radiação de onda curta (luz e calor emitidos pelo sol) e opaca à radiação de onda longa (calor emitido por fontes de baixa temperatura). Devido a esta propriedade, ele pode gerar o fenômeno do efeito estufa. (Signor, 1999). Dentro dessa idéia, o desafio dos fabricantes é a obtenção de produtos que possuam uma grande transparência a luz visível, mas que permitam o mínimo possível a entrada do calor em climas quentes e a saída em climas frios, reduzindo o consumo de energia para iluminação e climatização artificial. Porém, nota-se no Brasil que a maioria as edificações não estão tirando proveito dos elementos transparentes em relação ao clima local. O clima é predominantemente quente e não há uma seletividade luz-calor dentro de parâmetros que adequados de consumo racional de energia. Frente à importância das decisões de construção e da seleção de materiais como um dos fatores determinantes do consumo de energia elétrica e conforto térmico de uma edificação, apresenta-se o estudo que avalia o ganho de calor solar em janelas através de medições com um calorímetro solar.

1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivos Gerais Montagem e auxilio no desenvolvimento de um calorímetro solar, dos sistemas e mecanismos de medição e calibração dos sensores utilizados


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1.2.2 Objetivos Específicos Os objetivos específicos deste trabalho são:

• Montagem e calibração dos instrumentos de medição das variáveis ambientais (termopares, fluxímetros, anemômetros, piranômetros e termistor)

• Teste do calorímetro para obter resultados iniciais de fator solar através de um vidro plano 3mm.

1.3 Estrutura do Trabalho O trabalho está estruturado em Introdução, Referencial teórico, Metodologia, Resultados, Conclusões e Referências bibliográficas. A introdução apresenta um conteúdo geral a cerca dos materiais transparentes utilizados em janelas e a inflluência da sua seleção apropriada para a manutenção do conforto térmico e visual. O capítulo dois, referencial teórico, trata de estudos e experimentais voltados para a medição do ganho de calor solar através de janelas, também da definição do indice chamado fator solar, e dos dispositvos utilizados para medição das variáveis ambientais. Já no capítulo três, a Metodologia concentra as técnicas e instrumentos utilizados na montagem e calibração dos dispositivos de medição das variáveis ambientais, da análise de incerteza, e do teste inicial de calibração do calorímetro completo. Os resultados são expostos no quarto capitulo, onde sec apresenta os dados coletados referentes a calibração dos sensores, como as constantes e as equações empregadas na leitura e interpretação dos valores obtidos da medição (temperatura, velocidade do ar, radiação solar e fluxo de calor), e os valores de Fator Solar obtidos do teste inicial de calibração do calorímetro. Por fim, no capítulo cinco são apresentadas as considerações finais sobre o estudo.


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2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Medição do ganho de calor solar em janelas Os estudos realizados por pesquisadores brasileiros relacionados diretamente com medição de ganho de calor solar através de janelas foram iniciados por Pereira e Sharples (1991), e Pereira (1993), que desenvolveram um dispositivo para medir o ganho de calor solar e determinar coeficientes de sombreamento de sistema de abertura em escala reduzida. O dispositivo permite quantificar a radiação solar transmitida diretamente pelo elemento transparente somada a radiação absorvida e retransmitida, utilizando sensores de fluxo de calor. O aparato foi na época chamado de radiômetro de abertura (ou fenestration radiometer). Dando seqüência a esta linha de pesquisa, Macedo et al. (2003) construíram um novo protótipo do radiômetro, que foi utilizado para verificação térmica e luminosa de seis sistemas de abertura também em escala reduzida. Mais tarde, Marinoski et al. (2007) realizaram calibrações e testes com os sensores utilizados no mesmo equipamento. Neste estudo, foram realizados testes com o sistema de refrigeração à ar e também com um banho térmico, através da circulação de água refrigerada. A refrigeração é indispensável, pois o fluxo de calor através dos sensores causa aumento da temperatura no suporte metálico devido ao processo de condução. Este aumento de temperatura pode ocasionar erros de medição no ganho de calor solar. É então necessário manter a temperatura do suporte próxima à do ambiente, para que o fluxo de calor causado pela diferença de temperatura entre suporte e ambiente seja próxima de zero. Neste mesmo trabalho, após experimentação com os dois modelos de refrigeração, constatou-se que o modelo usando o banho térmico é mais eficiente para a montagem do calorímetro. A diferença de temperatura entre o suporte e o ar foi menor do que 1°C, gerando um erro médio na m edida do Fator Solar de apenas 0.94%. O Fator solar (FS) é a fração de radiação incidente que entra através de uma janela, e inclui a porção transmitida, absorvida e re-emitida. Corresponde a Eq. 1, onde τ e α são propriedades óticas do vidro, transmissão e absorção, e N é inward flowing fraction. As propriedades óticas são dependentes do ângulo e do comprimento de onda. O fator solar está entre 0 e 1 e quanto menor, menor a transmissão de calor pelo vidro, e melhor é o coeficiente de sombreamento.

),(),(),( λθαλθτλθ NFS += [Eq.1]

2.2 Definições teóricas dos sensores 2.1.1 Termpores Nos metais e semicondutores ocorrem processos de transporte de carga (corrente elétrica) e de energia, fenômenos intimamente relacionados e que se devem ao


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deslocamento de portadores de corrente elétrica, chamados de elétrons de condução. São elétrons das camadas externas (menos energéticas) da eletrosfera e se encontram fracamente ligados ao respectivo núcleo atômico constituinte de um material, e então quando recebem energia de um meio externo podem tornar-se livres de seus núcleos e movimentarem-se ordenadamente por um condutor, (Güths e Nicolau, 1998). À temperatura constante, energia e densidades de elétrons livres em materiais diferentes não são necessariamente as mesmas. Então quando dois materiais diferentes em equilíbrio térmico entre si são colocados em contato, existirá a tendência de difusão de elétrons através da interface, (Figura 1).

Figura 1. Movimentação eletrônica na interface dos materiais A e B (Güths e Nicolau, 1998).

O potencial elétrico do material receptor poderá tornar-se mais negativo na interface, enquanto que o material emissor de elétrons poderá tornar-se mais positivo. Quando a diferença no potencial através da interface balancear a força termoelétrica (difusão), o equilíbrio em relação à transferência de elétrons poderá ser estabelecido (Figura 2).

Figura 2. Ilustração do potencial elétrico em oposi ção ao processo de difusão

(Güths e Nicolau, 1998).

Se dois materiais diferentes estão formando um circuito fechado e ambas as junções se encontram a mesma temperatura, os campos elétricos resultantes serão opostos e não existirá fluxo de elétrons, (Figura 3).


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Figura 3. Ilustração do circuito fechado e junções sob mesma temperatura

(Güths e Nicolau, 1998). Porém, quando as duas junções são expostas a temperaturas diferentes, um fluxo líquido eletrônico poderá ser induzido, (Figura 4). Se o circuito for interrompido em um ponto qualquer, poderá ser feita a medição da diferença de potencial através de um voltímetro.

Figura 4. Ilustração do circuito fechado em tempera turas diferentes (Güths e Nicolau, 1998).

Esta diferença de potencial é função da diferença de temperatura das duas junções e do tipo de material dos fios (Eq. 2).

( )12 TTV ab −= α [Eq. 2]

Onde αab é a diferença de poder termoelétrico dos materiais da junção. Os termopares não medem diretamente a temperatura, e sim a diferença de temperatura entre dois corpos. É necessário, portanto conhecer uma das temperaturas, chamada junção de referência (ou junta fria). O experimento em questão (calorímetro solar) possui uma junta de referência que consiste de um bloco retangular de alumínio oco, instalado dentro do trailler, (Figura 5). Dentro deste bloco serão colocadas as junções frias dos termopares. A temperatura interna do bloco é mantida igual à temperatura do ambiente e será medida através de um termistor.


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Figura 5. Junção de referência dos termopares.

2.1.2 Fluxímetros

A medição do fluxo de calor é baseada na Lei de Fourier, relacionando a densidade de fluxo de calor )(q que atravessa um corpo (parede auxiliar) com a diferença de temperatura )( T∆ entre as faces conforme Figura 6 e Eq. 3.

Figura 6. Princípio de medição do fluxo de calor (Güths e Nicolau, 1998).

L

TKq

∆= [Eq.3]

Onde K é a condutividade térmica e L é a espessura da parede auxiliar. Pode-se distinguir dois tipos distintos de transutores quanto a forma e a medição da diferença de temperatura: transdutores a gradiente transversal e a gradiente tangencial. O calorímetro possui o do tipo tangencial. Seu princípio de funcionamento consiste em desviar as linhas de fluxo de calor de modo a gerar uma diferença de temperatura num plano tangencial ao plano de medição (Güths, 1994). O desvio das linhas de fluxo é causado pelo contato pontual entre a superfície isotérmica superior e a parede auxiliar (Figura 7 e Figura 8 ).


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Figura 7. Corte transversal de um transdutor de flu xo de calor a gradiente tangencial


Figura 8. Vista aberta do transdutor de fluxo de ca lor a gradiente tangencial

(Güths e Nicolau, 1998). As diferenças de temperaturas são medidas por termopares planares a eletrodos depositados ligados em série. Cada um dos termopares converte a diferença de temperatura em diferença de potencial. Esta ddp produzida é diretamente proporcional ao número de termoelementos distribuídos sobre a superfície útil do sensor. Esta técnica permite a realização de termopares desprovidos de solda, facilitando a fabricação de transdutores com grande superfície de medida, alta sensibilidade e espessura reduzida. 2.1.3 Anemômetros São instrumentos responsáveis pela medição da velocidade do ar. Para este experimento tratamos de um termoanemômetro, composto por duas junções dependentes feitas com termistores de 30KΩ. Cada anemômetro possui duas junções, ambas formadas de um termistor. Um termistor envolto por um fio de constantan forma a junção quente. Este fio de constantan recebe uma tensão e esquenta o termistor e fornece um sinal elétrico.


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O outro termistor fornece um sinal proporcional a temperatura ambiente. O vento incidente no constantan altera o sinal recebido da junção quente e após uma calibração pode-se obter o valor da velocidade do vento pela diferença de temperatura entre as junções. Um anemômetro foi montado em uma caixa de plástico e as duas junções são protegidas por um canudo metálico com furos para permitir a entrada de ar. O outro anemômetro foi fabricado utilizando apenas um canudo similar contendo o termistor da junção fria e uma estrutura de borracha contendo a junção quente. Serão responsáveis pela medição da velocidade do ar externa próxima do calorímetro e dentro da cavidade de referência do calorímetro, respectivamente. O anemômetro de medição interna (Figura 9) estará protegido da radiação solar direta, instalando-o próximo a superfície superior interna da cavidade de referência. Esta posição será sombreada pela esquadria constantemente.

(a) (b)

Figura 9. Anemômetros de medição interna (a) e exte rna (b).

2.1.4 Piranômetros Piranômetros são sensores de temperatura que utilizam como informação a radiação eletromagnética emitida pelo corpo a medir. Todo corpo que possui temperatura acima de 0K emite radiação eletromagnética cuja intensidade é proporcional à temperatura do corpo e também é função do comprimento de onda incidente. A teoria vigente trata a radiação como a propagação de um conjunto de partículas denominadas fótons, provenientes de transições eletrônicas, de saltos de elétrons de camadas eletrônicas mais energéticas para menos energéticas, ou seja, o fóton emitido possui energia característica e igual à diferença de energia entre as camadas envolvidas. Mas para este experimento atribuiremos à radiação eletromagnética propriedades típicas de uma onda. Os piranômetros montados (Figura 10) operam em uma ampla faixa de comprimento de onda, entre 0,1 e 100 micrometros e respondem a energia de todo o espectro solar, sendo assim, não depende do comprimento de onda incidente. Foram projetados para absorverem (junção quente) e emitirem (junção fria) o máximo de energia em todos os comprimentos de onda, que causará aumento de temperatura das chapas até obtenção de equilíbrio térmico com a vizinhança.


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Este intervalo de radiação eletromagnética é também chamado de radiação térmica, onde se encontra também a luz visível, 0,3 a 0,72 micrometros e raios I.V, 0,72 a 100 micrometros. Utilizaram-se chapas finas de alumínio para a montagem das junções quentes e frias (pretas e brancas, respectivamente). Foram montadas duas de cada em série para amplificar o sinal obtido (ddp). As chapas foram lixadas e limpas antes da pintura com spray preto fosco e spray branco. Estes pigmentos em substrato metálico garantem cerca de 0,9% de absortividade e refletividade para as junções, ou seja, espera-se bom resultado. Por debaixo de cada junção existe outra junção que forma um termopar de liga cobre-constantan, colado à chapa com cola epóxi de boa condutância térmica.

Figura 10. Piranômetros fixados no suporte de madei ra.

A diferença de temperatura entre as junções quente e fria será a referência para determinação da radiação solar. É necessária a instalação de um piranômetro no mesmo plano da abertura da cavidade principal do calorímetro e um no plano horizontal, para medir a radiação global horizontal (direta mais difusa), (Figura 16).

Figura 11. Componentes da radiação solar (Güths e Nicolau, 1998).

Os piranômetros são instalados com 30 min. de antecedência antes de iniciar a medição, para efeito de minimizar efeito de gradiente de temperatura nas chapas e conseqüentes erros grosseiros de medição.


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2.1.5 Termistores Termistores são termoresistências, ou termômetros de resistência, nomes genéricos para sensores que variam sua resistência elétrica coma temperatura. Eles são construídos a partir de semicondutores e a diferença básica entre uma termoresistor construído de material condutor está na curva temperatura/resistência, que nos semicondutores varia de maneira não-linear de forma positiva (PTC) ou negativa (NTC) (Figura 12). E nos construídos de metal a resistência aumenta quase que linearmente com a temperatura.

Figura 12. Dependência exponencial da resistência c om a temperatura



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3 METODOLOGIA

3.1 Metodologia de calibração dos sensores A metodologia consiste na apresentação do procedimento de calibração dos sensores foram calibrados bem como da análise da incerteza aplicada 3.1.1 Termopares Foi calibrada uma amostra do mesmo lote de termopar utilizado na montagem do sistema de monitoramento do calorímetro. Este termopar é composto pela liga cobre-constantan, chamado de tipo T. Em uma garrafa térmica com gelo triturado, mergulhou-se a junção de referência, que mantém a sua temperatura próxima de 0ºC. Buscou-se minimizar as trocas térmicas entre o gelo e o meio externo com o uso da garrafa térmica, visando manter o valor da diferença de temperatura entre as junções a mais constante possível. Foi realizada uma medição de temperatura dentro da garrafa com gelo, através de um termômetro de mercúrio e confirmou-se a temperatura teórica de 0ºC. A outra junção foi colocada em um banho térmico, onde se podem fazer ajustes de temperaturas, e, portanto, calibrar o termopar sob as condições de diferença de temperatura entre as junções. O banho térmico possui um controle digital de temperatura e um medidor próprio, mas para certificar o valor de temperatura fornecido, utilizou-se um termômetro de mercúrio com precisão de ±0,1C (Figura 13).

Figura 13. Imagem do banho térmico e acima o multím etro utilizado na calibração.

A diferença de temperatura entra as junções foi monitorada com um multímetro digital (HP, modelo 34401A, resolução 0,1µV).


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3.1.2 Fluxímetros Os fluxímetros são inicialmente colados sobre a chapa de cobre (Figura 14). Sobre esta chapa é espalhada homogeneamente uma cola epóxi comum, e logo após fixam-se os fluxímetros. A colagem é feita de maneira cuidadosa, a fim de evitar bolhas de ar entre a interface chapa/fluxímetro.

Figura 14. Chapa de cobre e onde são colados os flu xímetros. Para o processo de calibração foi empregado um método onde uma resistência aquecedora é sobreposta sobre o fluxímetro a ser calibrado (Figura 15a). A resistência é alimentada por uma fonte de corrente contínua, que permite a regulagem de potência aplicada à resistência através do controle de tensão e corrente na fonte. Sob a resistência é colocado um isolante térmico (isopor neste caso) para diminuir fugas de calor, e um “peso” para melhorar a fixação com da resistência sobre o fluxímetro (Figura 15b). Então a potência dissipada na resistência é medida pelo fluxímetro, que apresenta uma tensão correspondente à potência, verificada através de um multímetro (HP, modelo 34401A, resolução 0,1µV).

(a) (b)

Figura 15. Resistência aquecedora sobre um dos flux ímetros e detalhe das camadas de peso isolante,

sobre a resistência aquecedora


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Os fluxímetros utilizados no experimento possuem uma área de 0.0625 m². Então para encontrar uma potência aplicada à resistência referente a uma radiação solar, basta multiplicar a área do fluxímetro pelo valor da radiação, sendo o procedimento válido para qualquer nível de radiação. A Tabela 1 apresenta os valores de radiação para suas correspondentes potências aplicada à resistência aquecedora:

Tabela 1. Valores de radiação e potência referente.

Radiação Solar (W/m²) Potência (W) 250 15,6 500 31,3

750 46,9 813 50,8*

(*) Máxima potência da fonte.

Foi realizada a medição do valor ôhmico da resistência, que é igual a 9,7Ω. A partir deste valor é possível calcular a tensão a ser aplicada à resistência para fornecer as potências acima, através da seguinte relação (Eq. 4):

RUP /2= [Eq. 4] Onde P é a potência dissipada (W), R é a resistência elétrica (Ohms) e U é a tensão (V). Então aplicadas as tensões na resistência aquecedora, já sobreposta ao fluxímetro, monitorou-se os valores de resposta do fluxímetro até um valor de estabilização do sinal, para todas as potências aplicadas na resistência. Para cada fluxímetro foram realizadas quatro séries de medições, ou seja, aplicaram-se os mesmos valores de potência a resistência quatro vezes, resultado num no total 16 medidas. A média obtida da série de medições realizadas em cada fluxímetro será adotada como sendo a constante de calibração, e cada fluxímetro recebe uma constante específica, pois respondem diferente nas potências aplicadas. O valor da constante de calibração é dado pela seguinte relação (Eq. 5):

respostadissipada SPK /= [Eq. 5]

Onde K é a constante de calibração (W/mV), P é a potência dissipada (W) e S é o sinal de resposta do fluxímetro (mV). 3.1.3 Anemômetros Este instrumento foi calibrado em um túnel de vento, equipamento instalado no Labtermo da UFSC/EMC (Figura 16).


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Figura 16. Túnel de vento utilizado para calibração dos anemômetros

Um anemômetro previamente calibrado (Air Flow TA5), foi colocado em uma abertura do túnel, medindo a velocidade do vento na saída de ar do túnel. O anemômetro já calibrado (Referência) faz a leitura da velocidade do vento lançado pelo equipamento, que atinge também os anemômetros em calibração. Os anemômetros em calibração fornecem uma diferença de potencial característica, para cada velocidade de ar. Então se obtém uma curva de calibração, através da plotagem destes pontos de velocidade de ar fornecidas pela referência com a diferença de potencial fornecida pelos anemômetros em calibração, lidas no multímetro. 3.1.4 Piranômetros A calibração deste instrumento se consistiu na coleta de dados experimentais em um dia ensolarado de céu claro e limpo, e posterior comparação dos dados obtidos com os dados de radiação de um piranômetro previamente calibrado, fornecidos pelo LabSolar (UFSC/EMC). A coleta ocorreu de maneira simplificada, apenas anotando os valores de resposta do instrumento, em mV, lidos em um multímetro (HP, modelo 34401A, resolução 0,1µV), e fornecidos em intervalos de um em um minuto, das 14:00h até as 14:39h. A calibração foi efetuada segundo a ilustração a seguir (Figura 17):

Figura 17. Aparato experimental da calibração dos p iranômetros.


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O cálculo da constante de calibração do instrumento seguiu a seguinte relação (Eq. 6):

SRK /= [Eq. 6] Onde K é a constante de calibração (W/m² / mV), R é a radiação solar (W/m²) e S é o sinal de resposta do piranômetro em mV. A constante K para cada piranômetro foi calculada para cada ponto de radiação (fornecida pelo piranômetro do LabSolar) e sinal de resposta lido no multímetro, do piranômetro em calibração. Então se adotou como sendo a constante de calibração, a média dos valores calculados no conjunto de medições realizadas. 3.1.5 Termistor O termistor é o dispositivo responsável pela medição da temperatura na junção de referência dos termopares e para a sua calibração foi montado um circuito em série com um termistor de 32.8 KOhm e um resistor de 29.8 KOhm. O termistor era mergulhado em água em um banho térmico, e ajustavam-se as temperaturas requisitadas para a calibração. A este circuito foi aplicada um tensão contínua de 5 Volts e nos terminais do resistor. Media-se a queda de tensão em função da temperatura em que o termistor estava submetido no banho térmico. A aquisição da d.d.p no resistor foi realizada numa taxa de 5ºC, com uma temperatura inicial e final, respectivamente, de 15ºC e 45ºC. A temperatura no banho térmico foi medida com um termômetro de precisão (Incoterm, 0,1ºC).

3.2 Análise da incerteza de medição dos sensores Para se obter uma faixa de dispersão em que o erro aleatório esteja situado, com uma probabilidade de 95%, é aplicado o coeficiente t de “Student”, que é função do grau de confiança e do tamanho da amostra (GONÇALVES, 2002). Através da multiplicação direta do valor de t pelo valor do desvio padrão, é encontrada a faixa de dispersão para um grau confiança desejado (Eq. 7).

).( stu ±= [Eq. 7]

Sendo, u = incerteza; t = Coeficiente t-Student; s = Desvio padrão.

3.3 Teste inicial de calibração do calorímetro Após alguns ajustes preliminares do calorímetro, o primeiro teste de calibração foi então realizado no dia 07/05/2008. O teste teve início às 10h00min da manhã, quanto foram acionados os sistemas de resfriamento (banho térmico), bombeamento e aquisição de dados e controle. A Figura 18 apresenta a visão externa do arranjo de medição.


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No entanto, a medição só passou a ser realizada efetivamente a partir das 11h50min, se estendendo até as 12h30min. Durante, este período compreendido entre o acionamento dos sistemas (10h) e o início da medição (11h50min) foram realizado os ajustes manuais das vazões nas faces, permitindo a estabilização da temperatura das cavidades.

Figura 18. Vista externa do calorímetro durante o te ste

Em relação às condições ambientais observadas no período de teste, destaca-se que estas se mantiveram estáveis, com céu claro e sem vento. Em especial a radiação solar incidente no plano da janela (RAD janela), que está diretamente associada ao resultado do Fator Solar, apresentou uma variação muito pequena (16W/m² ou 2% em relação a média, que foi de 749W). Ainda, durante o período de medição, foram registrados os valores de velocidade do ar externo e radiação global horizontal, cujos valores médios encontrados são, respectivamente, 0,9m/s e 574W/m².


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4 RESULTADOS

4.1 Resultado da calibração dos sensores e análise de incerteza 4.1.1 Termopares A Tabela 2 apresenta os valores da temperatura da junção de referência (que se manteve constante até o final da calibração), a temperatura da junção principal (banho térmico), e a diferença de temperatura entre as junções:

Tabela 2. Calibração dos termopares, total de 11 me dições .

No. Temperatura (°C)

Tensão (mV) Junção Banho ∆Τ

1 0 14.4 14.4 0.559 2 0 18.4 18.4 0.718 3 0 22.4 22.4 0.879 4 0 26.4 26.4 1.038 5 0 30.3 30.3 1.199 6 0 34.4 34.4 1.364 7 0 38.4 38.4 1.531 8 0 42.3 42.3 1.700 9 0 46.4 46.4 1.868 10 0 50.4 50.4 2.040 11 0 54.4 54.4 2.21

Uma curva característica de calibração foi plotada em um gráfico de dispersão dos pontos depois de tomada de dados. Então foi ajustada uma curva polinomial do terceiro grau, da diferença de temperatura em função da força eletromotriz, (Figura 19):

Curva de calibração

y = 0.1143x3 - 1.1320x2 + 26.6310x - 0.1711

R2 = 1.0000

0

10

20

30

40

50

60

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500

Diferença de potencial (mV)

∆∆ ∆∆T

empe

ratu

ra (

°C)

Termopar Polinômio (Termopar)

Figura 19. Curva de calibração, ∆T em função de mV.


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Analisando as diferenças de tensão entre uma leitura e a leitura anterior, e calculando a razão desta variação com a diferença de temperatura das junções, obteve-se o poder termoelétrico do termopar, como sendo a média dos pontos calculados (Tabela 3):

Tabela 3: Valores de ∆mV entre leituras, e poder termoelétrico do termopa r utilizado.

Variação de tensão entre pontos (mV)

Poder termoelétrico

(mV/°C) - 0.0388

0.159 0.0390 0.161 0.0392 0.159 0.0393 0.161 0.0396 0.165 0.0397 0.167 0.0399 0.169 0.0402 0.168 0.0403 0.172 0.0405 0.170 0.0406

0.1651* 0.0397* *Valor médio

Pode-se também realizar uma análise de erro entre os valores de ∆T medidos, e os valores de ∆T calculados através do polinômio ajustado. A seguinte relação fornece o erro percentual (Eq. 8):

( ) %100/ ×∆∆−∆= ajustadoajustafomedido TTTE [Eq. 8]

Onde E é erro percentual, medidoT∆ é a diferença de temperatura medida entre as

junções e ajustadoT∆ = diferença de temperatura ajustada na equação, entre as

junções (Tabela 4).

Tabela 4: Valores de ∆Tmedidos e ∆Tajustado e erros em escala de temperatura e erros percentuais, calculados a partir dos valores medido s e ajustados.

Valores de ∆∆∆∆T MEDIDOS (°C)

Valores de ∆∆∆∆T AJUSTADOS (°C)

ERRO (°C)

ERRO (%)

14.40 14.38 0.02 0.13 18.40 18.41 0.01 0.05 22.40 22.44 0.04 0.18 26.40 26.38 0.02 0.08 30.30 30.33 0.03 0.1 34.40 34.34 0.06 0.18 38.40 38.36 0.04 0.11 42.30 42.39 0.09 0.22 46.40 46.37 0.03 0.06 50.40 50.42 0.02 0.03 54.40 54.39 0.01 0.02

Média 0.03 0.10


24

Para uma junta de referência mantida em 0ºC, existe um polinômio teórico que expressa a diferença de temperatura das junções em função da força eletromotriz, para termopares do tipo T, num intervalo de temperatura de -10ºC até 100ºC, que é um polinômio do terceiro grau (Güths e Nicolau, 1998). O polinômio teórico citado acima é dado da seguinte forma (Eq. 9):

31127 1085872,21011663,70259,000843,0 VVVT ××+××−×+−= −− [Eq. 9] Onde T é a variação de temperatura (ºC) e V é a tensão medida (µV). O erro médio encontrado entre os valores ∆T calculados pelo polinômio ajustado e os valores de ∆T calculados através do polinômio teórico, é de apenas 0,79%, aplicando uma análise similar a descrita na Equação 7. Observa-se que o ajuste da curva de calibração como um polinômio do terceiro grau forneceu um ótimo coeficiente de correlação entre as variáveis (de aproximadamente 1). Foi calculada também a incerteza desta calibração, tomando como referência a comparação entre os valores medidos e os valores ajustados (Tabela 4). O erro médio observado entre os valores obtidos na medição e calculados através do polinômio ajustado foi de 0,03°C. Já a dispersão em torno do erro médio para o conjunto de medições composto por 11 amostras com um desvio padrão igual a 0,05°C, para um grau de confiança de 95% (coeficien te de Student ‘t’ é igual a 2,228), foi de 0,11°C. Assim, a incerteza máxima na s leituras corresponde a 0,14°C. 4.1.2 Fluxímetros Todas as curvas de calibração são lineares e apresentam um coeficiente de correlação próximo a 1,0, de acordo com a Figura 20. Neste caso para um total de 16 medições e probabilidade de 95%, t é igual a 2,131. Os resultados estatísticos são apresentados na Tabela 5.


25

Comportamento Sinal (mV) X Radiação (W/m²)Fluxímetro 01

y = 39.524x - 3.322R2 = 0.999

0

250

500

750

1000

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000

Sinal de resposta (mV)

Rad

iaçã

o (w

/m²)


y = 15,326x - 15,358

R2 = 0,998

0

250

500

750

1000

0,000 15,000 30,000 45,000 60,000


Rad

iaçã

o (w

/m²)


y = 24.861x - 16.454

R2 = 0.998

0

250

500

750

1000

0.000 10.000 20.000 30.000 40.000


Rad

iaçã

o (w

/m²)


y = 38.679x - 13.282

R2 = 0.998

0

250

500

750

1000

0.000 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000


Rad

iaçã

o (w

/m²)

Figura 20. Curvas de calibração do fluxímetros.

Tabela 5. Resultados estatísticos de calibração dos fluxímetros.

Fluxímetro 1 Fluxímetro 2 Média 2.455 W/mV Média 0.929 W/mV

Desvio médio 0.028 W/mV Desvio médio 0.017 W/mV t(16 amostras, 95% de

confiança) 2.131 t(16 amostras, 95%

de confiança) 2.131

Incerteza absoluta +/- 0.059 W/mV Incerteza absoluta +/- 0.036 W/mV Incerteza relativa 2,4% Incerteza relativa 3,9%

Fluxímetro 3 Fluxímetro 4 Média 1.503 W/mV Média 2.354 W/mV

Desvio médio +/- 0.029 W/mV Desvio médio +/- 0.043 W/mV t(16 amostras, 95% de

confiança) 2.131

t(16 amostras, 95% de confiança)

2.131

Incerteza absoluta +/- 0.062 W/mV Incerteza absoluta +/- 0.092 W/mV Incerteza relativa 4,1% Incerteza relativa 3,9%

4.1.3 Anemômetro Foram medidos 19 pontos de velocidade do ar em função da diferença de potencial. Cada anemômetro recebeu uma curva de calibração, com a respectiva função polinomial, apresentando um bom coeficiente de correlação entre as variáveis (Figura 21).


26

Anemômetro interno (01)

y = 2,2745x5 - 10,092x4 + 8,4789x3 + 21,228x2 - 43,666x + 23,303

R2 = 0,9998

0

0,5

1

1,52

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2

diferença de potencial (mV)

Vel

ocid

ade

(m/s

)

Anemômetro externo (02)

y = -12,699x5 + 53x4 - 92,65x3 + 89,457x2 - 50,82x + 14,397

R2 = 0,9997

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 0,5 1 1,5 2

diferença de potencial (mV)

Vel

ocid

ade

(m/s

)

Figura 21. curvas de calibração do anemômetro inter no e externo, respectivamente.

Foi calculada também a variação entre as velocidades do ar obtidas a partir do valor da diferença de potencial medida e da diferença de potencial calculada através da curva ajustada. Com isso foi realizada uma análise da incerteza no conjunto das 19 amostras para uma confiabilidade de 95%. A incerteza absoluta é determinada pela multiplicação do coeficiente t de “Student” (2,101) pelo desvio padrão calculado, 0,007, que é igual para as duas amostras. O erro máximo observado em ambas as amostras é igual ao erro médio, que é (0,011m/s), mais a incerteza (0,015 m/s), sendo portanto igual a 0,026 m/s. Os resultados são apresentados na Tabela 6:

Tabela 6. Velocidades medidas e ajustadas pela curv a de calibração, e os erros experimentais, calculados pela diferença entre esta s velocidades.

Velocidades medidas com o anemômetro de

referência (m/s)

Velocidades determinadas com a curva ajustada para o

anemômetro 1 (m/s) Erro (m/s)

Velocidades determinada com a curva ajustada para o

anemômetro 2 (m/s) Erro (m/s)

0.000 0.010 0.010 0.014 0.014

0.060 0.071 0.011 0.056 0.004

0.100 0.103 0.003 0.107 0.007

0.170 0.167 0.003 0.162 0.008

0.250 0.246 0.004 0.238 0.012

0.360 0.345 0.015 0.353 0.007

0.460 0.450 0.010 0.465 0.005

0.550 0.560 0.010 0.573 0.023

0.650 0.669 0.019 0.654 0.004

0.750 0.752 0.002 0.733 0.017

0.880 0.889 0.009 0.879 0.001

1.000 0.989 0.011 0.989 0.011

1.210 1.183 0.027 1.204 0.006

1.400 1.391 0.009 1.406 0.006

1.590 1.600 0.010 1.609 0.019

1.800 1.823 0.023 1.819 0.019

2.000 2.008 0.008 1.990 0.010

2.500 2.480 0.020 2.471 0.029

3.000 3.005 0.005 3.014 0.014

Média 0.011 0.011

Desvio padrão 0.007 0.007

T (19;95%) 2.101 2.101

Incerteza absoluta (m/s) 0.015 0.015

Incerteza relativa 1.36 % 1.36 %


27

4.1.4 Piranômetro Pode-se observar nos gráficos abaixo os resultados de medição dos piranômetros, desenvolvidos no LMPT, e o resultado dos dados obtidos do piranômetro calibrado do LabSolar, (Figura 22). Um piranômetro, chamado de Piranômetro 1, fará a medição de radiação em um plano horizontal ao plano da cavidade principal, e o Piranômetro 2, em um plano perpendicular ao da cavidade principal.

Piranômetro Horizontal // Vertical

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

13:5

5

14:0

2

14:0

9

14:1

6

14:2

4

14:3

1

14:3

8

14:4

5

Horário

Sin

al (m

V)

Piranômetro 1 Piranômetro 2

Piranômetro LabsolarRadiação do dia 25/09/2007

0100200300400500600700800900

13:5

5

14:0

2

14:0

9

14:1

6

14:2

4

14:3

1

14:3

8

14:4

5

Horário

Rad

iaçã

o so

lar

(W/m

²)

Figura 22: Resultado da medição de radiação solar d o dia 25/09/2007.

Realizou-se um cálculo estatístico, que seguiu o mesmo método dos outros sensores, sendo nesta calibração o número de amostras igual a 40 e um coeficiente “t” de Student igual a 2.023. Do cálculo obteve-se a média, o desvio padrão, e o grau de dispersão, (Tabela 7).

Tabela 7. Valores estatísticos referentes a calibra ção dos piranômetros.

Piranômetro 1 Piranômetro 2 Média 973.03 W/m²/mV 1053.50 W/m²/mV

Desvio médio 47.07 W/m²/mV 30.00 W/m²/mV

t(40 amostras, 95% de confiança) 2.023 2.023

Incerteza absoluta 95.21 60.70

Incerteza relativa 10% 6%

4.1.5 Termistor A Figura 23 contém os resultados da calibração do termistor. Para este sensor também foi realizada uma análise da incerteza de dados de calibração, através da relação entre os valores de temperatura, experimentais medidos e os valores obtidos da equação ajustada, calculados através da diferença de potencial no resistor. A Tabela 8 apresenta estes dados e respectivos erros.


28

Curva de calibração

T (ºC) = 22.786V - 32.14R2 = 0.9977

0

15

30

45

60

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00

d.d .p (Volts )T

empe

ratu

ra (

ºC)

Figura 23. Dados obtidos e plotados em um gráfico p ara obter a curva de calibração.

Tabela 8. Dados da calibração do termistor da junçã o de referência.

Temperatura

medida Temperatura

ajustada Diferença Erro Erro

percentual

15 14.6 0.429 0.029 2.86% 20 19.8 0.188 0.009 0.94% 25 25.3 0.281 0.011 1.12% 30 30.7 0.749 0.025 2.50% 35 35.1 0.079 0.002 0.22% 40 40.3 0.319 0.008 0.80% 45 44.2 0.807 0.018 1.79%

média 30 30.0 30.001 0.015 1.46% desvio 10.8012345 10.7888877 10.789 0.009565 0.96%

t(7,95%) 2.447 Incerteza absoluta 0.023 Incerteza relativa 1.60%

4.2 Resultado do teste inicial de calibração do cal orímetro Os resultados de FS encontrados neste teste inicial são apresentados na Figura 24, onde se destaca o valor teórico esperado e o valor médio obtido na medição. Analisando estes resultados, é possível dizer que a diferença observada (9,1%) entre o valor médio do FS medido (0,75) e o valor teórico (0,83) está em um patamar aceitável, tendo em vista as condições de teste. No entanto, o desvio padrão ainda é elevado (±0,26 ou em termos percentuais 33,8% do valor médio).


29

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Tempo (min)

FS

FScp FS estimado teórico FScp_médio

= 0,83

= 0,75

Figura 24. Fator Solar medido no primeiro teste de c alibração

(ângulo de incidência = 45°)


30

5 CONCLUSÕES Este trabalho faz parte de um projeto de pesquisa realizado na UFSC, pelos departamentos de Engenharia Civil e Mecânica, visando a construção de um calorímetro solar para teste de janelas em escala real. O calorímetro será usado para verificar o valor do Fator Solar de vidros e janelas. Foram realizadas com sucesso montagens e calibrações de diversos sensores de monitoramento (termopares, piranômetros, fluxímetros, anemômetros e termistores) utilizados no calorímetro. Também, através de uma análise estatística, foi verificada a incerteza das calibrações para cada um dos sensores. No teste inicial de calibração o conjunto completo do calorímetro foi acionado. Observou-se que existe uma variação significativa dos resultados do fator solar medido durante o periodo de teste. Embora o valor médio encontrado (0,75) apresente uma diferença de 9,1% em relação ao valor téorico esperado (0,83 para um ângulo de incidência de 45°), o desvio padr ão dos valores é elevado (±0,26 ou em termos percentuais 33,8%). Desta forma, mais testes e ajustes serão necessários na continuidade da pesquisa, para que um bom funcionamento do dispositivo seja atingido. Além das questões técnicas, destaca-se que esta linha de pesquisa tem grande relevância devido ao fato de que o consumo de energia para manutenção do conforto térmico tem se tornado cada vez maior, isto em partes em função do tipo de material transparente aplicado nas construções. Assim, o conhecimento das propriedades dos componentes utilizados nas janelas (ex: vidros) é fundamental para sua correta utilização, contribuindo para a sustentabilidade e redução do consumo de energia. Do ponto de vista acadêmico, a participação em atividade de pesquisa contribuiu positivamente para o embasamento científico e capacitação profissional do aluno.


31

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Gonçalves, Armando Aldertazzi Jr, Metrologia . Apostila da disciplina Fundamentos de Metrologia e Estatística. Laboratório de Metrologia e Automatização - LABMETRO. Departamento de Engenharia Mecânica. UFSC. Florianópolis 2002. Güths, Saulo; Nicolau, Vicente de Paulo, Instrumentação em ciências térmicas , Departamento de engenharia mecânica, UFCS, Florianópolis, 1998. Macedo, C. C. e Pereira, F. O. R. Radiômetro de abertura: dispositivo para a caracterização térmica de sistemas de iluminação na tural. Anais do VII Encontro Nacional sobre Conforto no Ambiente Construído e III Conferência Latino-Americana sobre Conforto e Desempenho Energético de Edificações (ENCAC-COTEDI). Curitiba-PR, 2003. Marinoski, Deivis L., Melhoramento do sistema de medição do ganho de calo r solar através de aberturas , Dissertação de mestrado, UFSC, Florianópolis, 2005. Pereira, F. O. R. e Sharples, S. The development of a device for measuring the solar heat gain and shading coefficients of win dows in scale models. Energy and Buildings v.17, p. 271-281, 1991. Pereira, F. O. R. Desenvolvimento de um aparato experimental para med ição do ganho de calor solar de sistemas de aberturas co mplexas em modelos reduzidos . In: ENTAC'93, SAO PAULO, SP, 1993. Signor, R., Análise de regressão do consumo de energia elétrica frente a variáveis arquitetônicas para edifícios comerciais climatizados em 14 capitais brasileiras. Dissertação (Mestrado em Enge nharia Civil) – Curso de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis. 122 p, 1999.

Título do Trabalho: Calibração de instrumentos utilizados ... · de uma edificação,...

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