Os caudal´ımetros utilizados funcionam com base na tecnologia de Thermal Mass Flow. Este tipo de caudal´ımetros s˜ao calibrados para fazer medi¸c˜oes de um g´as padr˜ao (nitrog´enio) a uma temperatura fixa (0oC) e press˜ao constante de 1013, 25mbar. Isto implica que quando
se quer medir o caudal de um g´as que n˜ao se encontra nas condi¸c˜oes descritas anteriormente ´e necess´ario aplicar fatores de referˆencia¸c˜ao aos valores lidos do caudal´ımetro.
Quando o g´as a ser medido ´e diferente do g´as de calibra¸c˜ao ´e necess´ario aplicar um fator de convers˜ao `as medidas realizadas segundo a Equa¸c˜ao 5.4. Os fatores para v´arios tipos de gases encontram-se descritos em tabelas no datasheet [65] do equipamento de medi¸c˜ao.
A altera¸c˜ao da posi¸c˜ao da regula¸c˜ao de press˜ao para uma zona posterior aos caudal´ımetros permitiu que se consiga definir a press˜ao `a entrada dos caudal´ımetros, atrav´es de um regulador manual, para um valor constante levando a que assim se consiga realizar melhor medi¸c˜oes.
Caudal Real = Caudal Medido × Factor G´as a ser medido
Factor G´as Padr˜ao (5.4) O caudal´ımetro tamb´em se encontra calibrado para realizar medi¸c˜oes de caudal com o g´as referenciado a 0oC. No entanto n˜ao ´e isso que acontece, deste modo ´e necess´ario encontrar mais um fator de corre¸c˜ao para converter as medidas deste a temperatura padr˜ao para a temperatura real a que se encontra o g´as.
A press˜ao a que se encontra o g´as tamb´em influencia as medidas. O caudal´ımetro precisa de ter uma press˜ao constante `a sua entrada de modo a que novamente se consiga encontrar os fatores de corre¸c˜ao para a press˜ao padr˜ao.
Para o circuito de medi¸c˜ao de caudal propˆos-se a seguintes altera¸c˜oes: introdu¸c˜ao de sondas de temperatura em s´erie com o circuito de ar e junto aos caudal´ımetros; Aprovei- tar a altera¸c˜ao na posi¸c˜ao dos controladores de press˜ao para garantir que `a entrada dos caudal´ımetros se mant´em uma press˜ao que n˜ao ´e vari´avel. Na Figura 5.17 apresenta-se o novo esquema simplificado contendo as altera¸c˜oes necess´arias para se otimizar o circuito. No Anexo A.3 encontra-se o circuito completo.
Cap´ıtulo 6
Observa¸c˜oes e Resultados
6.1
Constru¸c˜ao da Bobine
Para a constru¸c˜ao desta bobines manteve-se o n´umero de espiras (N) sempre igual 9 e o espa¸camento entre espiras (S) de 0.5mm. Aplicando-se a Equa¸c˜ao 5.2 obteve-se os valores te´oricos que se apresentam na Tabela 6.1
Tabela 6.1: Medi¸c˜ao da indutˆancia das bobines construidas manualmente. Bobine W (mm) d (mm) LTe´orico (µH) LPr´atico (µH )
1 1 9 1.692 1.310 2 1 4 1.117 1.002 3 0.75 9 1.596 1.295 4 0.75 4 1.003 0.806 5 0.5 9 1.510 1.365 6 0.5 4 0.892 0.634
A medi¸c˜ao pr´atica fez-se tendo como base o divisor de impedˆancias que se apresenta na Figura 6.1. Sabendo que o valor de V2 ´e igual a ZL
ZL+ZC+ZR · V 1 e medindo-se os valores de
V1 e V2 consegue-se calcular o valor da indutˆancia L.
Figura 6.1: Esquema utilizado para medir a indutˆancia das bobines.
As bobines com os n´umero 2, 4, e 6 aplicadas ao circuito auto-oscilante simples e alimen- tadas a 24V come¸caram a derreter na zona central onde as espiras s˜ao mais pequenas. Para
tentar colmatar este problema desenvolveram-se as bobines com os n´umeros 1,3,5 onde se au- mentou o diˆametro interno, fazendo com que na parte central da bobine n˜ao existam espiras. Esta abordagem n˜ao resolveu definitivamente o problema, pois as bobines n˜ao aquecem tanto na parte central. No entanto depois de alguns ciclos de utiliza¸c˜ao j´a come¸ca a observar-se a deteriora¸c˜ao no revestimento do fio.
Com a utiliza¸c˜ao das bobines da Tabela 6.1 a frequˆencia de oscila¸c˜ao do circuito ir´a rondar os 90kHz e logo o fio da bobine ir´a aquecer devido ao efeito pelicular. Por forma a reduzir-se este efeito tentou-se diminuir a frequˆencia de oscila¸c˜ao e para isso teve de se construir bobines com maior indutˆancia. Devido `as restri¸c˜oes de tamanho n˜ao foi poss´ıvel desenvolver bobines manualmente com indutˆancia superior a 2.5µH, tendo-se optado por adquirir uma bobine da W¨urth com uma indutˆancia de 5.8µH. A frequˆencia de oscila¸c˜ao ir´a ser aproximadamente 51kHz.
Esta bobine ´e formada por fio Litz1 e ´e produzida com o objetivo de ser utilizada em sistemas de carregamento sem fio. Escolheu-se esta bobine devido `a sua corrente nominal de 18A e corrente de satura¸c˜ao de 30A, pois em todos os circuitos testados, a corrente nominal de funcionamento situava-se entre 10 e os 20A, dependendo do objeto a ser aquecido.
Desmontando uma bobine aproveitou-se o fio, e conseguimos fazer um bobine pequena (tamanho necess´ario para conseguir ser colocada perto do sensor). Utilizando a bobine jun- tamente com o circuito auto-oscilante simples alimentado a 24V consegue-se fazer disparar os sensores com acesso direto em menos de 2 segundos.
6.2
Circuito auto-oscilante com bobine simples
Nas Figuras 6.2 e 6.3 apresenta-se a medi¸c˜ao da tens˜ao no dreno trans´ıstores, que corres- ponde `a tens˜ao aplicada na bobine de indu¸c˜ao. A Figura 6.2 representa o circuito quando se utilizou os trans´ıstores IRFZ44N que tˆem um V DSm´ax.de 55V. Desta medi¸c˜ao verifica-se
que a tens˜ao m´axima atingida foi de 69.4V concluindo-se que os trans´ıstores est˜ao fora de especifica¸c˜ao. Foram ent˜ao escolhidos os trans´ıstores TK40A10N1 que possuem um V DSm´ax.
igual a 100V. Na Figura 6.3 mostra-se uma nova medi¸c˜ao da tens˜ao nos drenos, onde agora a tens˜ao atinge os 75.8V.
Tabela 6.2: Compara¸c˜ao entre a tens˜ao no dreno e a corrente de entrada no circuito, com a varia¸c˜ao do trans´ıstor.
IRFZ44N TK40A10N1
VDS (V) 69.4 75.8
Iin (A) 7 2
Na Tabela 6.2 mostra-se uma compara¸c˜ao entre as tens˜oes e correntes do circuito auto- oscilante com bobine simples, quando se utiliza a bobine da W¨urth e uma tens˜ao de ali- menta¸c˜ao de 24V.
1O fio de Litz ´e um fio multifilar, constitu´ıdo por m´ultiplos fios entrela¸cados e eletricamente isolados entre
si. Tem como vantagem reduzir as perdas por efeito pelicular, quando aplicado em circuitos com corrente alternada.
Figura 6.2: Tens˜ao medida no Dreno dos trans´ıstores IRFZ44NN.
Figura 6.3: Tens˜ao medida no Dreno dos trans´ıstores TK40A10N1.
O sensor denominado por Sensor de Flashback ´e o sensor mais importante neste estudo. Como n˜ao se encontra acess´ıvel diretamente tem de ser aquecido indiretamente o que aumenta o tempo de ensaio do sensor e posteriormente do esquentador. O m´etodo atual de teste utilizando o soprador de ar quente demora (no teste deste sensor apenas) um tempo superior a 120 segundos.
Preparou-se um setup onde se colocou a bobine de indu¸c˜ao na posi¸c˜ao de funcionamento, aquecendo a chapa onde o sensor se encontra acoplado, e realizou-se ciclos de teste ao sensor de Flashback. Ligando-se o circuito de indu¸c˜ao esperou-se at´e que o sensor ativasse e registou-se os tempo de disparo. Em seguida deixou-se arrefecer o esquentador at´e a temperatura inicial e voltou-se a repetir o ciclo. Na Figura 6.4 apresenta-se a evolu¸c˜ao do tempo de disparo do sensor de Flashback. Num espa¸co amostral de 100 testes o tempo m´edio para o disparo do
sensor foi de 20.78 segundos. Logo existiu uma melhoria de 82.69% em rela¸c˜ao `a utiliza¸c˜ao do sistema com soprador de ar quente.
Figura 6.4: Tempo de disparo do sensor de Flashback quando se utiliza o circuito auto- oscilante com bobine simples.
6.3
Circuito Fullbridge
Utilizando o setup de testes explicado na Sec¸c˜ao 6.2 mediram-se os tempos de ativa¸c˜ao do sensor de Flashback, mantendo a mesma bobine da W¨urth e tens˜ao de alimenta¸c˜ao a 24V. Na Figura 6.5 mostra-se os tempos de disparo para um espa¸co amostral de 50 amostras, sendo que o tempo m´edio de atua¸c˜ao do sensor foi de 62.85 segundos, verificando-se uma redu¸c˜ao de 47,67% no tempo de atua¸c˜ao do sensor quando se compara com o sistema inicial.
Figura 6.5: Tempo de disparado do sensor de Flashback quando se utiliza o circuito com IRS2453.
Nas mesmas condi¸c˜oes de funcionamento e de teste era esperado que o comportamento deste circuito fosse similar ao circuito apresentado na Sec¸c˜ao 6.2. No entanto o tempo de atua¸c˜ao dos sensores ´e muito maior neste circuito. Isto deve-se ao facto de n˜ao se conseguir ajustar a frequˆencia de oscila¸c˜ao exatamente para a frequˆencia de ressonˆancia do oscilador LC. Juntamente com este factor, o componente IRS2453 imp˜oe um tempo morto entre cada oscila¸c˜ao do circuito. Na Figura 6.6 apresenta-se uma medi¸c˜ao do valor de tempo morto. Na imagem vemos a forma de onda da tens˜ao na porta de dois trans´ıstores que tˆem de funcionar desfasados, desde que o primeiro trans´ıstor entra em modo de corte at´e o outro entre em modo de condu¸c˜ao existe um intervalo de tempo de 1.15µs, que coincide com a informa¸c˜ao apresentada no datasheet do componente [63].
Quando se compara este circuito com o que se apresenta na Sec¸c˜ao 6.2 verifica-se que este n˜ao ´e t˜ao eficaz a aquecer os objetos, demorando quase 3 vezes mais tempo. No entanto este circuito permite que se efectue o ajuste da potˆencia. Com as devidas adapta¸c˜oes ´e poss´ıvel que o ajuste da potˆencia possa ser feito atrav´es de software, como se mostra na Sec¸c˜ao 5.1.6.
Figura 6.6: Verifica¸c˜ao do tempo morto entre comuta¸c˜oes no circuito Fullbridge.