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Engenharia Mecânica
Instrumentação
Roteiro para prática de laboratório
Informações
Prática: Medição de Nível
Objetivo: Estudo de vários tipos de sensores de nível industriais.
Elaboração: Prof. Dimitri Campos Viana / Prof. Felipe Oliveira e Silva
Docente: Prof. Danilo Alves de Lima
Aluno(s):
Data:
Materiais Necessários
Fornecidos pelo professor:
Kit Didático XC221;
Multímetro 34XR-A;
Cabos.
Hardware Utilizado
O kit Didático XC221 e destinado ao treinamento em Sistemas de Automação
e sua ênfase está nos sensores e atuadores necessários para o controle de nível
em seus reservatórios [Ma11]. Este kit, apresentado na Figura 1, é composto por
diversos elementos, sendo os principais:
2 reservatórios de acrílico;
2 sensores analógicos de nível;
2 sensores digitais de nível 1 sensor de vazão;
1 válvula solenoide;
1 bomba motorizada (com controle de velocidade via PWM, com
PIC12F675);
1 botão de emergência (para desligamento geral).
O foco deste roteiro prático são os sensores de nível (com saída binária e
com saída analógica). Porém, outros componentes, como a “bomba motorizada”
e a “válvula solenoide", também serão utilizados.
Figura 1: Foto ilustrativa do kit Didático XC221.
Os dois sensores com saída binária (ou chaves de nível) estão instalados no
reservatório inferior e permitem a monitoração dos limites muito alto e muito
baixo desse reservatório. Ambos são magnéticos, ou seja, o flutuador carrega
um ímã que, de acordo com sua posição, abre ou fecha um contato elétrico por
meio de atração magnética. Foram projetados para trabalhar com água, óleo e
demais combustíveis e também para funcionar como sensores normal-aberto ou
normal-fechado. A posição de montagem determina essa última característica,
conforme mostrado na Figura 2. Quando acionados, a tensão de alimentação do
sensor estará disponível em seu terminal de saída. Neste kit, a tensão de
alimentação é 24 VCC e o terminal de saída de cada sensor está disponível para
o usuário nos pontos de conexão “Level Sensor (Maximum)” e “Level Sensor
(Minimum)”.
Por sua vez, o sensor com saída contínua, instalado no reservatório superior,
é do tipo ultrassônico e produz um sinal de 0 a 10 [V] em sua saída (Figura 3).
Este sinal está disponível para o usuário no módulo “Medidas” do kit didático
Exsto XC103, instalado ao lado do kit XC221. O sensor está calibrado para
produzir uma saída de 10[V] quando estiver sob uma pressão de 5 [kPa].
A bomba possui um controle de velocidade via PWM (Pulse Width
Modulation), implementado por meio de um microcontrolador PIC12F675. O
controle funciona da seguinte maneira: o usuário fornece uma tensão de 0 a 10
[V] na entrada apropriada do kit didático e o microcontrolador transforma esse
sinal de tensão em um sinal de pulsos que por sua vez é aplicado ao motor da
bomba. A largura dos pulsos depende da tensão fornecida pelo usuário,
consequentemente a velocidade da bomba varia de 0 a 100 [%]
proporcionalmente à tensão de 0 a 10 [V].
ao exemplo, se um sensor de nível muito alto ativasse sua saída toda vez que a
água atingisse o ponto monitorado, causando o desligamento da bomba de
alimentação, o rompimento do cabo elétrico do sensor provavelmente somente
seria percebido quando o nível muito alto fosse atingido e a bomba continuasse
ligada, causando o transbordamento do tanque. Para evitar situações como
essa, a lógica invertida pode ser utilizada. Ou seja, no exemplo, a saída do
sensor de nível muito alto permanece ativada enquanto a presença de água não
for detectada, quando isso ocorre, a saída vai para nível lógico 0 (obviamente o
sistema de desligamento da bomba deve ser programado para funcionar com
essa lógica). Nesse caso, se houver o rompimento do cabo elétrico do sensor, o
sistema de controle entende que o nível muito alto foi atingido, desligando a
bomba e levando o processo para o estado seguro.
De acordo com o embasamento fornecido, analise o sistema de
monitoramento por meio de chaves de nível do reservatório inferior do kit
Didático XC221 e responda:
- (Valor 10%) Qual tipo de sensor utilizado para monitorar a condição de
nível muito alto?
- (Valor 10%) Esse tipo de sensor é o ideal para monitorar essa condição?
Por que?
- (Valor 10%) Qual tipo de sensor utilizado para monitorar a condição de
nível muito baixo?
- (Valor 10%) Esse tipo de sensor e o ideal para monitorar essa condição?
Por que?
E ainda, supondo que o sistema de monitoramento seja ideal, preencha a
tabela a seguir (Valor 10%).
Experimento 2 (Sensor com saída contínua). Com o objetivo de analisar
algumas características do sensor instalado no reservatório superior, proceda da
seguinte maneira: abra a válvula solenoide e esgote toda a água do reservatório
superior, feche a válvula solenoide e, finalmente, utilize a bomba motorizada de
forma que a tabela a seguir possa ser preenchida corretamente. Para o
Sinal de saída do sensor (0 ou 1)
Ação a ser tomada
Sensor de nível alto Sensor de nível baixo
Iniciar enchimento do tanque
Nenhuma
Disparar alarme de incoerência
Interromper enchimento do tanque
acionamento da bomba, utilize a interface disponibilizada via computador. Para
a medição da tensão de saída do sensor, utilize o multímetro fornecido pelo
professor (display disponível na bancada) (Valor 10%).
Nível [mm] Tensão [V]
Após realizar as medições, faça as tarefas a seguir.
- (Valor 10%) Utilizando os valores medidos, gere um gráfico de Nível [mm]
X Tensão [V].
- (Valor 10%) Considerando 𝜌
ு
మ
ை
[
ଷ
]
e 𝑔 = 10
[
ଶ
]
, utilize
a Equação abaixo para preencher a primeira coluna da tabela a seguir e
as especificações do sensor, dadas na Seção “Hardware Utilizado”, para
preencher a última coluna.
em que 𝑃 é a pressão exercida pelo líquido [Pa], 𝜌 sua massa específica
[𝐾𝑔/𝑚
ଷ
], 𝑔 a aceleração da gravidade [𝑚/𝑠
ଶ
] e ℎ o nível do líquido [𝑚].
Nível [mm] Pressão [Pa] Tensão [V]
- (Valor 10%) Com os dois pares de pontos levantados no item anterior,
resolva o sistema linear a seguir. Ou seja, encontre os valores de “A” e
“B” que regem a função linear que pode ser utilizada para estimar os
valores de tensão de saída do sensor a partir de valores teóricos de nível
do reservatório superior.
ଵ
ଵ
ଶ
ଶ
Referências
[Ama07] Amatrol. Sistemas de Controle de Processos - Pacote de Atividades
de Aprendizado 5: Elementos Finais de Controle. Amatrol, 2007.
[Amp06] Amprobe. Users Manual: 34XR - A Professional Digital Multimeter.
Amprobe 2006.
[Ma11] J. B. Magalhães. XC221 - Tanque - Teoria, Caderno de Experiências
e Manual. Excto Tecnologia, 2011.
[Mor10a] R. M. Moreira. XC201 - Sensores Industriais - Teoria, Caderno de
Experências e Manual. Excto Tecnologia, 2010.
[Mor10b] R. M. Moreira. XC201 - Sensores Industriais - Teoria, Caderno de
Experências e Manual. Excto Tecnologia, 2010.
[Niv11] Nivelco. EchoTREK - SE/SG-300 Transmissor de nível compacto por
ultra-som a 2 fios. Manual do Usuário. NIVELCO Process Control Co.,
- Disponível em:
https://old.nivelco.com/download/pdf/sea3802pk0600p_12.pdf.
Acesso em 04 jun. 2019.
[Sci11] ScienTech. LVDT Trainer ST2303 - Learning Material. ScienTech,
[Tek06] Tektronix. Manual do Usuário: Series TDS1000B e TDS2000B -
Osciloscópio de Armazenamento Digital. Tektronix, 2006.
