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O Sistema de Controle de Vaz˜ao e Temperatura de Ar, denominado SCVT, foi concebido no Laborat´orio de Controle de Processos Industriais, LCPI,

com o principal objetivo de representar, em escala reduzida, o processo real de secagem de pelotas de min´erio de ferro que ´e descrito com detalhes na Disserta¸c˜ao de Borim [Borim, 2000]. A planta piloto tem caracter´ısticas semelhantes `as das plantas reais de pelotiza¸c˜ao, tais como comportamento dinˆamico n˜ao-linear, acoplamento entre as vari´aveis e multi-vari´avel. Uma vis˜ao geral do SCVT, com alguns dos seus componentes principais, pode ser vista na Figura 2.1.

Figura 2.1: SCVT e seus principais componentes - Inversor de freq¨uˆencia, circuitos eletrˆonicos e o duto de insuflamento de ar.

O sistema ´e composto de um ventilador, que ´e acionado por um conjunto inversor de freq¨uˆencia - motor, que insufla ar atrav´es de um duto (t´unel) de alum´ınio. Nesse duto, h´a um conjunto de resistˆencias el´etricas que aquecem o ar insuflado pelo ventilador. Logo na sa´ıda do duto, h´a o conjunto de medi¸c˜ao (instrumenta¸c˜ao), composto pelos sensores de temperatura e vaz˜ao de ar. Na Figura 2.2 pode ser vista a parte interna do duto, enfatizando o restante dos componentes principais da planta piloto: resistˆencias el´etricas e os sensores.

Al´em da planta real de secagem de pelotas de min´erio de ferro, o SCVT pode tamb´em ser usado como modelo de outros processos reais presentes no cotidiano. Como exemplos, tem-se os sistemas industriais que possuem es- tufas para secagem e conserva¸c˜ao de alimentos, gr˜aos, materiais e rem´edios, que exigem condi¸c˜oes especiais restritivas de temperatura e ventila¸c˜ao. Ou- tros setores industriais que utilizam o princ´ıpio de funcionamento do SCVT s˜ao as aciarias - na secagem e molde do a¸co -, e as cimenteiras - na secagem

2.2 Caracter´ısticas Gerais 15

Figura 2.2: Parte interna do duto de alum´ınio do SCVT e restante dos compo- nentes principais - Resistˆencias el´etricas e instrumenta¸c˜ao.

das pelotas do produto. No caso das cimenteiras, as pelotas necessitam secar e esfriar em uma determinada temperatura de forma a atingirem dimens˜oes adequadas. Nas residˆencias, o sistema de controle de vaz˜ao e temperatura de ar tamb´em ´e utilizado em condicionamento de ambientes, em processos de resfriamento ou aquecimento. Em ambos os casos, o controle adequado visa garantir a satisfa¸c˜ao do usu´ario.

A representa¸c˜ao esquem´atica das interliga¸c˜oes existentes entre os compo- nentes do SCVT pode ser visualizada na Figura 2.3. Nesta figura, observa-se que o ventilador que insufla ar, fica na parte traseira do duto acoplado `a

carca¸ca do SCVT. Observa-se tamb´em o conjunto de resistˆencias (n´umero

(3) da legenda) e, na parte final do duto, o conjunto de medi¸c˜ao (sensores de temperatura e vaz˜ao de ar). Al´em disso, a Figura 2.3 mostra que tanto as vari´aveis de entrada (sinais medidos de temperatura e vaz˜ao de ar), bem como as vari´aveis de sa´ıda (sinais de comando do aquecedor e inversor) s˜ao controladas por um computador.

A seguir, s˜ao descritas em detalhes as caracter´ısticas dos sensores e atu- adores do SCVT.

Figura 2.3: Diagrama esquem´atico de liga¸c˜ao entre os principais componentes do SCVT.

2.3

Caracter´ısticas Dinˆamicas dos Sensores de

Vaz˜ao e Temperatura

Como existem duas vari´aveis de interesse para o controle do processo de insu- flamento de ar no SCVT, a instrumenta¸c˜ao da planta piloto consiste de dois sensores, sendo que um mede a temperatura e o outro a vaz˜ao volum´etrica de ar.

Nos trabalhos anteriores realizados no SCVT, como em Pena [Pena, 2002] e Tolentino [Tolentino, 2002], foram utilizados sensores de temperatura e va- z˜ao concebidos no LCPI. Por´em, um dos prop´ositos deste trabalho ´e substituir o antigo sensor de vaz˜ao por um sensor comercial. Portanto, o novo sensor, que na verdade ´e um transdutor de velocidade do ar, ´e de fabrica¸c˜ao da Omega Engineering, Inc., s´erie FMA-900. A proposta de substituir o antigo sensor de vaz˜ao se justifica pela forte presen¸ca de ru´ıdo e pela constante de tempo do instrumento ser de aproximadamente 179s. Este valor aproximado de 179s considera a diferen¸ca entre a constante de tempo estimada da malha de vaz˜ao apresentada no trabalho de Tolentino em 2002, equivalente a 180s

contra 1s da constante de tempo (τV) estimada para este trabalho (mostrada

no Cap´ıtulo 3).

2.3 Caracter´ısticas Dinˆamicas dos Sensores de Vaz˜ao e Temperatura 17 um termistor com coeficiente de temperatura negativo (NTC) que ´e ligado a uma Ponte de Wheatstone. Varia¸c˜oes de temperatura no termistor provocam mudan¸cas no valor da sua resistˆencia, causando um desequil´ıbrio na Ponte de modo a alterar a tens˜ao. Essa varia¸c˜ao de tens˜ao ´e amplificada e convertida por um conversor A/D de 12 bits, bem como, ´e calibrada para uma unidade

de engenharia, neste caso, grau Celsius (o_{C). A Figura 2.4 apresenta um}

diagrama esquem´atico do conjunto do sensor de temperatura (NTC - Ponte de Wheatstone).

Figura 2.4: Diagrama esquem´atico do sensor de temperatura - Termistor (NTC) - Ponte de Wheatstone.

O transdutor de velocidade do ar mede a velocidade da corrente de ar que flui na parte interna do duto do SCVT. Essa velocidade ent˜ao ´e convertida em unidades de engenharia, neste caso, em litros por segundo (l/s), determinando assim, a vaz˜ao volum´etrica de ar. O sensor possui sa´ıda anal´ogica de 4 a 20 mA que ´e convertida para um sinal de anal´ogico de tens˜ao de 1 a 5V.

A medi¸c˜ao de vaz˜ao volum´etrica de ar em processos industriais se ca- racteriza por uma rela¸c˜ao inversamente proporcional `a varia¸c˜ao da tempe-

ratura do ar, ou seja, se a temperatura do ar aumenta, a medida de vaz˜ao

diminui e vice-versa, conforme descrito em detalhes no trabalho do Tolentino [Tolentino, 2002].

Contudo, o novo sensor de vaz˜ao instalado no SCVT, devido a seus aspec- tos construtivos (conforme manual do fabricante [Omega-Engineering, 2002]), apresenta compensa¸c˜ao para varia¸c˜oes de temperatura do ar ambiente quase imediata (aproximadamente 1 minuto conforme mostra a Figura 2.5 no ins- tante de 110s) e mant´em um erro de ±5% em torno de 5 minutos (Figura 2.5). Dificuldade parecida j´a havia sido vista em trabalho anterior [Tolentino, 2002].

O teste em malha aberta (Figura 2.5) realizado na malha de vaz˜ao da planta piloto mostra o efeito de compensa¸c˜ao do sensor de vaz˜ao para varia¸c˜ao de temperatura do ar ambiente. 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5 10 15 20 25 (A) Vazão (l/s) SP Vazão Medida de Vazão 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 49.5 50 50.5 (B) Comando do Inversor (%) 0 100 200 300 400 500 10 20 30 40 50 (C) Tempo (s) Potencia Elétrica (%)

Figura 2.5: Compensa¸c˜ao do sensor de vaz˜ao devido a varia¸c˜ao de temperatura. (A) Medida de vaz˜ao, (B) Sinal de controle de vaz˜ao, (C) Sinal de controle de temperatura.

Apesar de a Figura 2.5 (A) apresentar offset em rela¸c˜ao a medida de vaz˜ao, o principal objetivo ´e mostrar a varia¸c˜ao na medida de vaz˜ao quando se varia o set point do sinal de controle de temperatura no instante de 110s. As escalas escolhidas para representar as medidas de engenharia dos sen- sores foram:

• Temperatura de 25 a 40 oC (graus Celsius)

• Vaz˜ao de 0 a 54 l/s (litros por segundo)

Os m´etodos utilizados para a calibra¸c˜ao dos instrumentos s˜ao apresenta- dos no Apˆendice A.

2.4

Caracter´ısticas Dinˆamicas dos Atuadores

O SCVT possui dois atuadores, sendo um para cada malha de controle. O primeiro ´e o conjunto inversor de freq¨uˆencia - motor, que define a velocidade

2.4 Caracter´ısticas Dinˆamicas dos Atuadores 19