FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO – FATEC-SP
CURSO DE MATERIAIS, PROCESSOS E COMPONENTES
ELETRÔNICOS
Hermes Santana Neves
Aprimoramento e Automatização de Padrão para Vazamentos e
Injeção Controlada de Gases
FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO – FATEC-SP
CURSO DE MATERIAIS, PROCESSOS E COMPONENTES
ELETRÔNICOS
Hermes Santana Neves
Aprimoramento e Automatização de Padrão para Vazamentos e
Injeção Controlada de Gases
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado para obtenção do grau de TECNÓLOGO no Curso de Tecnologia em Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos pela Faculdade de Tecnologia de São Paulo, FATEC-SP.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus que me deu forças e sempre me amparou em todos os momentos difíceis desses anos de curso, e da minha vida, me dando o privilégio de estudar na FATEC-SP e me formar no curso de MPCE, colocando inúmeras situações e pessoas boas no meu caminho e que foram fundamentais para que eu conseguisse concluir esse curso e que me permita devolver para o Brasil, tudo o que eu recebi de bom dessa maravilhosa instituição, onde aprendi muito, aplicando nossos conhecimentos com sabedoria e da melhor forma possível, pois como uma instituição pública, a própria sociedade a mantém e espero retribuir a ela esse investimento.
Dedico esse trabalho também aos meus pais (Célia e José Augusto), pelo apoio irrestrito durante esse curso, pois nunca eles duvidaram que eu estava no caminho certo e sempre acreditaram em mim, mesmo com todas as dificuldades relatadas por mim e pelos meus colegas de MPCE.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Francisco Tadeu Degasperi, por também acreditar em mim e me confiar esse projeto, que exigiu uma enorme dedicação e pesquisa, pois envolveu diferentes áreas tecnológicas (eletrônica, computação, metrologia, mecânica, entre outras), me dando a oportunidade de ser aluno de iniciação científica da CNPq no Laboratório de Tecnologia do Vácuo (LTV), sempre me ajudando com a sua experiência e seus bons conselhos e dando muito apoio na área profissional e de mercado de trabalho. Agradeço ao apoio das empresas Resil Comercial Industrial e PV Prest Vácuo, pelo financiamento desse projeto e ao Laboratório de Circuitos Impressos da FATEC-SP, onde foi feita a placa de circuito impresso desse trabalho.
Por fim agradeço a todos os amigos de MPCE e a minha namorada que também faz esse curso, pois nunca vi extrema dedicação e força dessas pessoas até o fim, mesmo com todas as dificuldades, nos mantivemos sempre unidos e nos ajudando, mesmo em momentos de desânimo de alguns, outros sempre tinham uma palavra de apoio e eu tenho orgulho de fazer parte de tudo isso e ser formado nesse curso, pois mesmo com muitas pessoas pondo em dúvida a nossa área, nos criticando por estudar Microeletrônica no Brasil, sendo uma área extremamente árdua de estudo, alegando que nunca aplicaríamos nossos conhecimentos, que o Brasil não possui empresas nessa área, tentando nos
desanimar, mas não desistimos, fomos até o fim e conseguimos. Obrigado por tudo meus amigos.
Sumário
1.0 Resumo...5
2.0 Introdução...6
2.1.0 Solução em Aplicações Industriais...6
2.2.0 Processo de Utilização e Obtenção de Medições...7
3.0 Projeto e Desenvolvimento do Equipamento...11
3.1.0 O Projeto PVICG...11
3.2.0 Materiais Utilizados...13
3.3.0 Projeto do Sistema Mecânico...13
3.3.1 Sistema de Movimentação Linear...14
3.3.2 Sistema de Acoplamento...18
3.4.0 Dispositivo Eletrônico e Lógico de Controle (DELC)...20
3.4.1 Principais Características do 8051...21
3.4.2 Do Projeto à Construção do DELC...28
3.5.0 Detalhes e Aperfeiçoamento do Sistema (Técnicas Utilizadas para Diminuição de Vazamentos)...35
4.0 Resultados dos Testes Realizados...37
4.1.0 Testes dos Protótipos de Sistemas Mecânicos Projetados...37
4.2.0 Testes Realizados no Dispositivo Eletrônico e Lógico de Controle...39
4.3.0 Testes de Vazamento nas Seringas...39
5.0 Medições e Estudos de seus Resultados...41
6.0 Conclusão...49
7.0 Bibliografia...50
1.0 Resumo
Em muitos processos e atividades industriais, tecnológicos e científicos são utilizados sistemas de injeção e controle de gases e vapores, seja em reservatórios a altas pressões, seja câmaras de vácuo. Este assunto é muito importante nesta área e também para a detecção de vazamentos. Sabemos que para aprovar muitos equipamentos e produtos em geral necessitamos fazer um teste de estanqueidade, ou seja, eles precisam estar selados o suficiente para que não haja troca de gases do meio interno para o meio externo e também o contrário. Este projeto tem como objetivo oferecer uma solução para a industria com relação à medição de forma precisa de vazamentos, podendo se fazer inclusive injeção controlada de gases em sistemas de vácuo em aplicações de pesquisa e processos industriais e para isso, foi feito o aprimorando e a automatizando do Padrão para Vazamentos e Injeção Controlada de Gases.
2.0
Introdução
2.1.0 Soluções em Aplicações Industriais
Este projeto tem como objetivo oferecer uma solução para a industria com relação à medição de forma precisa de vazamentos em sistemas de vácuo ou em sistemas que possuem reservatórios de gases a altas pressões.
No caso de sistemas de vácuo, o vazamento ocorre do meio externo para o interior do sistema de vácuo, prejudicando assim o sistema e contaminando-o com impurezas indesejadas, afetando assim a qualidade dos produtos fabricados.
Ao contrário, em reservatórios de altas pressões, o vazamento ocorre do reservatório de gás para o meio externo, tendo perdas indesejadas de seu conteúdo e em alguns casos contaminando o meio externo com substancias tóxicas ou que podem prejudicar o meio ambiente.
Atualmente o mercado internacional está muito exigente neste setor, com relação a esse tipo de problema, pois há uma preocupação com a qualidade do produto comercializado para que atenda a necessidade do consumidor e ao mesmo tempo não emita resíduos que podem prejudicar o meio ambiente. Se as industrias que fabricam produtos que utilizam gases não se enquadrarem nas exigências do mercado internacional, elas não poderão exportar seus produtos e perderão mercado para outras industrias que possuem tecnologia de controle de qualidade de seus produtos.
Esse padrão absoluto para vazamentos e injeção controlada de gases nos permite fornecer uma vazão constante e conhecida baseada em primeiros princípios da termodinâmica. Com esse padrão podemos calibrar qualquer sistema de detecção de vazamentos ou medidores de vazão de gás, permitindo às indústrias terem certeza de que seus equipamentos estarão indicando valores confiáveis, para que com isso possam garantir que seus produtos e seus processos estão dentro dos valores aceitáveis de vazamentos.
Desta forma queremos mostrar a importância do país produzir e controlar esse tipo de conhecimento e tecnologia na área de metrologia e manter sempre pesquisas nesta
2.2.0 Processo de Utilização e Obtenção de Medições
Sabendo agora qual é a finalidade deste projeto, as suas aplicações industriais e quais os tipos de problemas que esse sistema foi feito para solucionar, trataremos então de explicar como ele é constituído, o seu funcionamento e como obtemos medições neste equipamento.
Visão geral do Padrão para Vazamentos e Injeção Controlada de Gases (PVICG):
Esse padrão é constituído por cinco reservatórios de volume variável, acoplado a um sistema de controle de fluxo de gás, dois medidores de pressão do tipo coluna de mercúrio e um capilar variável na saída de injeção de gás do equipamento, por onde será feito o controle da injeção de gás.
Devido a melhoramentos no projeto para a diminuição de vazamentos, como será explicado em sessões posteriores, específicas sobre esse assunto, tivemos a necessidade de automatizar todo o sistema, adicionando ao padrão absoluto um sistema mecânico acionado por um dispositivo eletrônico e lógico de controle intitulado de DELC, ambos totalmente projetados especialmente para esse equipamento.
Todo o equipamento é demonstrado por meio do diagrama de blocos da figura
1:
Funcionamento do Padrão para Vazamentos e Injeção Controlada de Gases (PVICG):
O funcionamento ocorre da seguinte maneira:
· O dispositivo eletrônico e lógico de controle comanda um dos cinco motores de passo, dependendo de qual reservatório é desejado se fazer a variação de volume;
· O motor de passo acionado fornece um movimento rotacional no eixo central do motor;
· Esse movimento rotacional aciona o sistema mecânico que transforma o movimento rotacional do motor de passo em um movimento linear;
· O sistema mecânico acoplado no reservatório variável controla a variação de volume do reservatório de acordo com a velocidade de rotação do motor de passo, sendo essa velocidade controlada pelo dispositivo eletrônico e lógico de controle;
· A variação do volume do reservatório ocorre de modo constante, e de acordo com a teoria cinética dos gases, sabe-se que o gás ocupa todo o volume do reservatório, portanto, com a variação do volume, podemos afirmar que o volume final subtraído do volume inicial (DV) é exatamente a quantidade de gás que saiu pelo capilar acoplado na saída do sistema;
· Fazendo então uma medição do intervalo de tempo em que ocorreu essa variação de volume do reservatório e sabendo a pressão em que se encontra o sistema, obtemos o valor da quantidade de gás que passou pelo capilar de saída por unidade de tempo, naquele momento.
· Esse valor obtido é o valor de vazão de gás constante em função do tempo, permitindo assim afirmar, se baseando em primeiros princípios da termodinâmica, qual foi o valor de vazão que passou pelo capilar no momento em que o equipamento estava em funcionamento.
que ele volte a informar valores de vazão que correspondam a quantidade física real de gás que passa por seu interior, da forma mais precisa possível.
Obtendo medições no Padrão para Vazamentos e Injeção Controlada de Gases (PVICG):
A movimentação de uma das paredes do reservatório por meio do movimentador linear nos informa a variação de volume empregada no sistema. Considerando no nosso caso um reservatório cilíndrico, podemos calcular esse volume de gás que passou pelo capilar através da equação 1:
DV =pR2DhS (Eq. 1)
Sendo R o raio do reservatório em questão e DhS a variação da parede desse reservatório.
Para obter o valor de vazão de gás (Q) devemos considerar o valor de pressão do sistema (P) e o intervalo de tempo (Dt) que ocorre a variação de volume, como mostra a
equação 3, por meio dos seguintes desdobramentos:
(
)
(
)
) ( ) ( ) ( ) ( dt t dV p t N dt d T k Q dt t dV p t n dt d T R Q T R n dt d p V dt d CV CV CV CV CV CV CV CV CV × = × = Þ × = × = Þ × × = ×Devido ao fato de trabalharmos com valores mensuráveis, durante a real utilização do equipamento, reescrevemos a última equação da seguinte forma:
t V P t P V t P V Q D D + D D = D D º ( . ) . . (Eq. 2)
multiplicada pela pressão no volume em questão. Na equação 2, neste caso, teremos que a pressão deverá ser mantida constante, desta forma, a expressão da vazão – ou throughput – será escrita como:
t V P Q D D = (Eq. 3)
A pressão do sistema é determinada por uma coluna de mercúrio que é parte integrante do equipamento, portanto, essa medição de pressão é realizada por meio de primeiros princípios, sendo necessário apenas medir a diferença de altura do mercúrio de um lado em relação ao outro (Dhcm) do tubo U e aplicar o valor na equação 4:
P= Patm -Dhcm (Eq. 4)
Com isso conseguimos obter o valor de quantidade de gás deslocada, ou seja, a vazão que passa pelo capilar e o valor de pressão do sistema, ambos baseados em primeiros princípios da termodinâmica.
3.0 Projeto e Desenvolvimento do Equipamento
Nesta sessão trataremos dos detalhes do projeto e de seu aprimoramento. O Laboratório de Tecnologia do Vácuo (LTV) possui um PVICG menor e mais simples do que esse projeto que está sendo desenvolvido nessa Iniciação Cientifica. Este novo projeto tem a meta de produzir um outro padrão, baseado nos mesmos princípios, mas bastante melhorado, sendo adicionado em seu projeto diferentes técnicas para diminuição de vazamentos e aumento na precisão das medições.
3.1.0 O Projeto PVICG
A figura 2 é referente ao desenho completo do projeto, mostrando como ficará depois de sua construção:
3.2.0 Materiais Utilizados
A maior parte da tubulação deste sistema é de aço inoxidável, juntamente com suas válvulas e conexões.
O Tubo U de vidro da coluna de mercúrio, possui em uma de suas extremidades uma conexão de aço inoxidável, onde teve a necessidade de ser projetada exclusivamente para essa conexão.
Foi utilizada uma tubulação plástica na saída da conexão do Tubo U, ligando à entrada do PVICG, assim como as outras conexões do PVICG com componentes externos, por causa da flexibilidade oferecido por esse tipo de tubulação, facilitando assim a manipulação.
Para conseguirmos a variação de volume, utilizamos seringas de vidro de diferentes diâmetros e tamanhos, acopladas ao sistema de forma que não possua vazamentos nessas conexões.
O movimentador linear possui partes em alumínio e aço inoxidável. O alumínio foi escolhido para as partes que necessitam de material mais leve, não exigindo um torque maior do motor de passo acoplado a esse movimentador, sendo um material de fácil usinagem e oferecendo a resistência mecânica necessária para o tipo de esforço que será submetido. O aço inoxidável foi utilizado nas partes fixas do movimentador, onde o peso não tem interferência e onde necessita de um bom deslizamento do sistema mecânico, como por exemplo, na barra roscada, onde qualquer imperfeição em sua superfície pode causar um travamento total do sistema, travamentos esses que constatamos em testes nos primeiros protótipos de movimentadores lineares que produzimos. Utilizando o aço inoxidável conseguimos, portanto diminuir o atrito entre as partes, permitindo um deslizamento muito mais suave, devido aos melhores resultados de tratamento superficial obtidos nesse tipo de material.
3.3.0 Projeto do Sistema Mecânico
Nesta seção será descrito todo o projeto mecânico do PVICG, tanto do sistema de movimentação linear como do sistema de acoplamento desse movimentador linear com os êmbolos das seringas, incluindo os cuidados tomados no projeto com relação à durabilidade do sistema e também a alta performance do mesmo.
3.3.1 Sistema de Movimentação Linear
Fizemos pesquisas de movimentadores lineares vendidos no mercado e em todas as consultas o custo desses movimentadores, na grande maioria importados, foi extremamente alto, então optamos por desenvolver nosso próprio sistema de movimentação linear, possuindo um motor de passo acoplado ao movimentador, que transforma o movimento rotacional do motor de passo em movimento linear, para que acoplado ao êmbolo da seringa, permita a variação de volume da mesma.
Com um projeto próprio de sistema mecânico, conseguimos assim baixar drasticamente o custo dessa parte do projeto, oferecendo uma solução de qualidade igual ou superior aos movimentadores lineares vendidos comercialmente que consultamos antes de iniciar o nosso próprio projeto.
Desenvolvemos dois tipos diferentes de movimentadores lineares, com esses protótipos passando por vários testes no LTV, antes da produção da versão final que será utilizada no PVICG:
O primeiro projeto é constituído de um tubo de alumínio com uma fenda de abertura que funciona como guia, por onde passa o sistema de acoplamento com a seringa.
O sistema de acoplamento com a seringa se movimenta por meio de uma barra roscada no interior do tubo presa por dois rolamentos nas extremidades desse tubo. O tamanho da fenda dita qual é o tamanho do percurso do movimentador, sendo que para cada seringa teremos um tamanho de percurso diferente.
A foto do primeiro protótipo de movimentador linear produzido no LTV é mostrada na figura 3:
Figura 3: Primeiro protótipo de movimentador linear.
O segundo projeto é constituído de um tubo de alumínio sem a necessidade da fenda de abertura. No interior deste tubo possui uma barra com um furo roscado ao centro por onde passa a barra roscada e com uma canaleta de abertura sobre ele por onde deslizará um pequeno componente metálico fixado no interior do tubo que possui as funções de não permitir que a barra gire em falso e ao mesmo tempo limite o curso do movimentador. Conforme a barra roscada é acionada pelo motor de passo, a barra avança ou recua conforme o sentido de rotação do motor de passo.
Esse projeto possui duas versões. A primeira versão possui a barra interna de nylon e a segunda versão foi testada com uma barra de alumínio.
Na sessão 4.1.0 serão comentados os resultados dos testes realizados nos movimentadores e qual sistema obteve o melhor desempenho.
A foto das duas versões do segundo protótipo de movimentador linear produzido no LTV é mostrada na figura 4:
Figura 4: Segundo protótipo de movimentador linear.
A figura 5 mostra em detalhes o projeto da versão final do movimentador linear que será utilizada no PVICG.
3.3.2 Sistema de Acoplamento
Finalizado o projeto de movimentação linear, partimos para solução a do problema de acoplar esses movimentadores lineares aos êmbolos das seringas.
Os êmbolos das seringas são de vidro, assim como todo o resto do corpo da seringa, sendo um material bastante frágil. O êmbolo desliza justo pelo corpo da seringa o que nos leva a concluir que qualquer desalinhamento no sistema pode gerar a trinca do êmbolo ou do corpo da seringa.
Ao mesmo tempo sendo a seringa constituída por um material bastante frágil e o acoplamento de metal, mais especificamente o alumínio, bastante resistente em comparação ao vidro, nos fez perceber a não conveniência de manter esses dois materiais em contato durante a ação do motor de passo, devido as seguintes hipóteses:
· O relativo movimento brusco entre um passo e outro do motor poderia gerar uma trepidação interna no acoplamento, podendo danificar o êmbolo da seringa.
· Um possível desalinhamento no sistema mecânico seria transferido totalmente para o resto do sistema, podendo tensionar o corpo da seringa até a sua ruptura.
· Sem um sistema de amortecimento entre o sistema mecânico e o padrão para vazamentos, não ocorreria um deslizamento suave e contínuo da seringa, fazendo ela variar por meio de pequenos passos espaçados por um intervalo de tempo que depende da velocidade empregada no motor.
Para solucionar esses problemas, desenvolvemos o projeto de um acoplamento do movimentador linear com o êmbolo da seringa que possui um sistema de amortecimento interno.
Esse sistema de amortecimento interno deve se adaptar a ocasionais tensões mecânicas no sistema do PVICG.
furação do diâmetro do êmbolo em questão por onde ele irá transpassar e restará apenas a base desse êmbolo no interior do acoplamento.
Entre as partes de alumínio e o êmbolo de vidro, serão instalados discos de elastômero de cerca de 2 mm para amortecer qualquer tipo de movimento mais brusco do sistema mecânico.
Esses discos têm a capacidade de se deformarem conforme a pressão que é exercida sobre eles. Devido a essa capacidade, eles corrigirão eventuais desalinhamentos no sistema, absorvendo parte da energia que seria transferida para a seringa e impedindo o contato direto das partes metálicas com o êmbolo, amortecendo as trepidações que ocorrem durante o funcionamento do motor de passo.
A questão do amortecimento das trepidações também atende a necessidade de um fornecimento por parte do sistema mecânico de um movimento suave e continuo, sem solavancos.
A figura 6 mostra os cinco acoplamentos, de cada seringa, e dentro deles os discos de elastômero:
3.4.0 Dispositivo Eletrônico e Lógico de Controle (DELC)
Todo esse sistema de acionamento linear deve ser controlado por um Dispositivo Eletrônico e Lógico de Controle (DELC).
Fizemos pesquisas no mercado sobre o custo desses drivers de motor de passo e constatamos também o elevado preço desses equipamentos. Por esse motivo partimos para um projeto próprio de driver que intitulamos de DELC.
Existem vários livros e informações desses conhecidos dispositivos muito utilizados na área de automação e foi por esse caminho que começamos a pesquisa dessa parte do projeto. Depois de vários estudos, consultando a literatura a respeito desse tipo de controlador de motor de passo, tanto sobre a parte eletrônica do circuito de alimentação das bobinas dos motores até a parte lógica e de programação para controle do motor por meio de um microcontrolador 8051, chegamos a um sistema que atende as nossas necessidades atuais de controle do movimentador linear.
Na literatura existem vários estudos relacionados a circuitos amplificadores transistorizados, foi se baseando nesses estudos que utilizamos a conhecida configuração para amplificação e alimentação das bobinas dos motores, que será vista mais à frente.
Todo esse circuito de amplificação é controlado logicamente por um microcontrolador 8051 programado em Assembly. A programação completa em Assembly se encontra no Apêndice A desse trabalho.
Existe uma vasta literatura a respeito da linguagem Assembly e softwares de simulação de funcionamento de microcontroladores e circuitos eletrônicos. Utilizando esses softwares simulamos os programas em Assembly e os circuitos projetados para comprovar e analisar o funcionamento, fazendo constantes alterações e estudos das simulações até chegar a um projeto que atenda as nossas necessidades de controle do sistema.
O DELC que atendeu as nossas necessidades faz o controle do sentido de rotação, que permite com isso avançar ou retroceder o movimentador linear e faz o controle da velocidade permitindo com isso o controle de vazão de gás que passa pelo capilar, pois conforme a velocidade de variação de volume, significa mais ou menos
Para alimentar todo esse sistema, trabalhamos no projeto de uma fonte de alimentação que atenda as necessidades desse sistema eletrônico. Levantando o custo da construção dessa fonte e das fontes disponíveis no mercado, chegamos à conclusão de que o custo seria maior de construir essa fonte do que comprar as fontes disponíveis no mercado que atendem as necessidades do projeto e sendo também essas fontes comercializadas muito mais leves e confiáveis, portanto, o projeto da fonte feita no laboratório passou a ter apenas uma função didática.
3.4.1 Principais Características do 8051
O 8051 é um microcontrolador rápido com clock típico de 12 MHz e suas características de Hardware e Software permitem usá-lo como um poderoso controlador, sobretudo em sistemas para lógica seqüencial e combinatória.
Pode trabalhar com até 64 Kbytes de memória de programa e mais 64 Kbytes de memória de dados isoladamente, além de sua RAM interna.
Suas características de Hardware incluem capacidade de expansão da memória de programa (inicialmente 4 Kbytes internamente) para até 64 Kbytes totais, colocanso mais 60 Kbytes externos, ou então utilizar 64 Kbytes de memória externa de programa, com a versão 8031, que é a mais utilizada comercialmente, devido ao seu baixo custo; permite-nos também expandir a memória RAM dos 128 Bytes internos para mais 64 Kbytes externos; possui quatro portas de I/O de 8 Bits cada uma, Bits estes individualmente endereçáveis (caso a memória de programa externa seja utilizada, duas destas portas ficarão comprometidas); interrupção com estrutura “nesting” (processo pelo qual uma interrupção pode interromper outra que já estiver sendo atendida, desde que tenha maior prioridade) com 5 fontes mascaráveis e dois níveis de prioridade que podem ser alteradas a qualquer momento pelo Software; dois temporizadores/contadores de 16 Bits; oscilador de clock interno, bastando um cristal e dois capacitores; e também um canal de comunicação serial do tipo UART full-duplex, que permite também a expansão de I/O.
Suas facilidades de Software permitem a execução de complexas operações aritméticas e lógicas (multiplicação, divisão, permuta e deslocamento de Bits, entre outras), trabalhar com bancos de registradores nominais e inclusive trabalhar com 128 Bits individualmente endereçáveis na RAM.
Pinagem do 8051:
Na figura 7 é mostrada a configuração de pinagem do 8051, informado no manual do microcontrolador ATMEL AT89S52, sendo esse encapsulamento utilizado no projeto do DELC.
Figura 7: Descrição funcional dos pinos do 8051.
VCC Alimentação do microcontrolador com + 5 volts.
GND Conexão de terra.
Porta P0 Composta de oito ports bidirecionais, proporciona a interface com memórias externas, sendo utilizado para multiplexar os bits menos significativos (A0 até A7) dos endereços. Quando trabalha de forma multiplexada, ele
manipula os dados e emite a parte menos significativa dos endereços, além dos dados. A parte mais significativa fica sendo responsabilidade da porta
dispositivos. Por possuir a característica de “dreno aberto”, é necessária a utilização de resistores pull-up externos para garantir um bom funcionamento entre o microcontrolador e os dispositivos. No AT89S52 essa porta P0 é a única que apresenta seus “ports” com dreno aberto, os demais apresentam resistores de pull-up internos.
A grande diferença entre esses dois tipos de configuração é a possibilidade de fornecermos corrente com os ports que possuam a resistência interna. Com isso, ao forçarmos a ida da corrente para o terra, teremos nível lógico zero para esse port.
Porta P1 Composto de oito ports bidirecionais, possui resistores de pull-up internos. Com a presença desses resistores, quando colocamos em nível lógico 1, esses ports possuem a capacidade de gerar corrente (IIL) para interface com outros dispositivos. Quando a necessidade é ler dados, podemos atribuir nível lógico 1 aos ports, tornando-os sensíveis ao nível lógico zero. Os ports que compõem a porta P1 possuem funções que podem ser configuradas pelo programador, sendo os ports P1.0 e P1.1 responsáveis pelo terceiro timer/counter, enquanto os ports P1.4, P1.5, P1.6 e P1.7 são destinados ao sistema SPI de gravação, conforme mostra a tabela 1:
Ports Função
P1.0 T2 – Entrada externa para uso no modo contador para o timer/counter 2 – Clock out
P1.1 T2EX – captura do sinal para gerar interrupção do T2
P1.2 -
P1.3 -
P1.4 -
P1.5 MOSI – Master Data input e Slave Data input para SPI P1.6 MISO – Master Data output e Slave Data output para SPI P1.7 SCK – Master Clock output e Slave Clock input para SPI
Tabela 1: Funções atreladas aos ports da porta P1.
A porta P1 é responsável por receber a parte menos significante dos endereços dos bytes durante a programação paralela e verificação da memória Flash.
Porta P2 Possui oito ports bidirecionais e com resistores de pull-up internos. Essa porta pode ser usada para utilização de memórias externas, sendo responsável pela parte mais significativa dos endereços, ou como I/O normal. Ele também é destinado a receber os bits mais significativos e alguns sinais de controle durante a programação paralela e verificação da memória Flash.
Porta P3 Formado por oito bidirecionais e com resistores de pull-up internos, essa porta é composta de algumas funções especiais listadas na tabela 2:
Ports Função
P3.0 RXD – Port de entrada Serial
P3.1 TXD – Port de saída Serial
P3.2 INT0 – Interrupção Externa (T0)
P3.3 INT1 – Interrupção Externa (T1)
P3.4 T0 – Entrada Externa para Timer0
P3.5 T1 – Entrada Externa para Timer1
P3.6 WR – Port para escrita em memória externa (DATA) P3.7 RD – Port para leitura da memória externa (DATA)
Tabela 2: Funções atreladas aos ports da porta P3.
RST Pino de reset. Deve-se ter um circuito no referido pino para que, no ligamento do chip, o pino RST fique ao menos dois ciclos de máquina no estado 1 ou high. Este deve ser projetado para que se tenha o reset automático na energização do chip e também para que seja possível forçar o reset por uma chave. Vide figura 8:
Figura 8: Circuito responsável pelo reset automático e reset forçado do microcontrolador.
Na energização do +Vcc de 5 Volts, o capacitor C3 está descarregado e assim aplicará um pulso high no pino RST. Em seguida, esse pulso vai para zero, com constante de tempo dada pelo circuito RC. O reset forçado faz o capacitor se descarregar e carregar de novo, aplicando novamente um pulso high no RST.
No reset, vários registradores são forçados a estados definidos, como veremos em seguida. O contador de programa, o PC é forçado para o início da ROM, isto é, para o endereço 0000h que é a posição de reset ou início do programa. Durante a realização do reset, os valores são indeterminados, (apenas neste instante). Após a realização do reset, teremos os seguintes estados, em que X representa valores indefinidos.
Valores dos registradores logo após o RESET:
a) Registradores principais
a.1 Program Counter PC 0000h a.2 Acumulador ACC 00h a.3 Registrador B B 00h a.4 Stack Pointer SP 07h a.5 Program Status Word PSW 00h a.6 Data Pointer DPTR 0000h b) Ports P0 a P3 b.1 P0 FFh b.2 P1 FFh b.3 P2 FFh b.4 P3 FFh c) Interrupção No 8051: c.1 Interrupt Enable IE 0XX00000b c.2 Interrupt Priority IP XXX00000b No 8052: c.1 Interrupt Enable IE 0X000000b c.2 Interrupt Priority IP XX000000b d) Timers d.1 Registradores TH e TL 00h d.2 Registradores TCON 00h d.3 Registradores TMOD 00h e) Serial e.1 SCON 00h e.2 SBUF XXh f) Registradores de Power Control
f.1 PCON em chip HMOS 0XXXXXXXb f.2 PCON em chip CMOS 0XXX0000b g) RAM interna ao Mc
g.1 Ao ligar, o conteúdo é indefinido (aleatório) g.2 No Reset forçado (máquina já foi ligada antes e já
externa) ou no ciclo de busca de instruções, tornando-o automático. Além disso, gera pulso de entrada enquanto a memória Flash é programada (PROG). Em operação normal, esse pino oscila aproximadamente 1/6 do período de clock de máquina.
PSEN Esse pino fica em modo ativo enquanto o microcontrolador executa a leitura dos códigos provenientes de uma memória externa.
EA/VPP Pino de acesso externo pode ser conectado ao Vcc para execução interna de programas. Na realidade, estando em nível lógico 1, o microcontrolador enxerga as memórias internas e, ao término de seus endereços, faz a leitura de memórias externas. Com nível lógico zero o microcontrolador apenas fará leituras de memórias externas. Essa função é automatizada pelas mesmas instruções responsáveis pelo controle do pino ALE.
XTAL1 e 2 Por ter um sistema de oscilação interno ao chip, é apenas necessário que coloquemos nesses dois pinos dois capacitores e um cristal, gerando dessa forma o clock padrão para microcontrolador, como pode ser visto na figura
9. Habitualmente, o valor do cristal é de 12 MHz.
Figura 9: Cristal para gerar o clock da máquina.
Nota: C1, C2 = 30 pF ± 10 pF para cristal oscilador
= 40 pF ± 10 pF para filtro ressonante de cerâmica
3.4.2 Do Projeto à Construção do DELC
Neste projeto o microcontrolador aciona o motor de passo conectado à porta P2 do microcontrolador a partir do programa que se encontra no Apêndice A.
Devido ao seu modo de operação, os motores de passo são comumente utilizados em sistemas de controle digital que usam um sinal codificado em sistemas binários, permitindo a conversão direta desses impulsos digitais em deslocamentos angulares.
Este tipo de motor acha aplicação em sistemas dos mais variados, desde os que necessitam de torque de valor muito baixo, como no caso desse projeto, até sistemas que necessitam de torques altíssimos.
Eles são largamente utilizados na indústria, nos dias de hoje. Um exemplo disso é a sua utilização em registradores gráficos (plotters) e comandos de posição de máquinas – ferramentas de médio porte, unidades de disco flexível (drive), controle numérico (CNC), impressoras.
Nesse projeto a parte mais importante do circuito cabe ao microcontrolador, pois ele gerencia todas as informações em trânsito no sistema. Então vamos chamá-lo de bloco principal, e os componentes que o auxiliam são chamados de periféricos.
Os componentes utilizados para a interface do microcontrolador e o motor de passo são: um resistor de 10KW, um transistor TIP 122 (NPN) e em paralelo com as bobinas do motor de passo temos um diodo de silício 1N4001 contrapolarizado. Observe a configuração da figura 10:
Como o microcontrolador não consegue fornecer a corrente suficiente para excitar a bobina do motor, então temos que colocar um transistor nesta configuração, para que essa corrente seja elevada a um certo nível, e consiga excitar uma das quatro bobinas do motor. Devemos ligar quatro blocos destes ao motor, um para cada bobina. Este bloco está ligado no port P2.0 e o restante dos blocos estarão ligados nos ports P2.1, P2.2 e P2.3.
Os botões que controlam todas as funções do DELC estão ligados nos ports P1.0, P1.1, P1.2, P1.3 e P1.4.
A figura 11 mostra o circuito completo do DELC sendo simulado virtualmente no modo ISIS do software Proteus para realização de todos os testes de funcionamento. Após todos os testes e o projeto sendo aprovado, passamos para a etapa de desenvolvimento da placa de circuito impresso e a construção de fato do DELC.
Figura 11: Simulação virtual do funcionamento do DELC.
As simulações se comportaram como era esperado, por meio delas foi possível aprimorar o projeto e testar diversas alterações até chegar a essa versão final.
Finalizados os testes, entramos no modo ARES do software, responsável pela confecção do layout da placa de circuito impresso. O próprio software traçou
automaticamente uma sugestão de rota das trilhas, mas foi preciso inúmeros acertos das rotas e de espessuras de trilhas e ilhas. O resultado final do projeto do circuito impresso pode ser visto nas figuras 12, 13 e 14:
Figura 12: Gerando o circuito impresso do DELC.
Como pode ser visto na figura 12, o projeto do circuito impresso do DELC será de dupla face, sendo as trilhas vermelhas a face superior da placa e a azuis a face inferior. O software exportou o layout para formato de imagem para ser feita a litografia no Laboratório de Circuitos Impressos da FATEC-SP.
Figura 13: Máscara da face superior do circuito impresso.
Figura 14: Máscara da face inferior do circuito impresso.
Feito o projeto do layout do circuito impresso, as imagens das figuras 13 e 14 foram impressas em transparências e posicionadas sobre a placa de cobre para circuito impresso, com um filme fotossensível previamente colocado sobre essa placa. Então esse conjunto foi levado à expositora do Laboratório de Circuito Impresso para receber luz ultravioleta nas regiões que não estão protegidas pela parte preta do desenho, tornando essas regiões mais resistentes do que as partes não expostas à luz UV, formando as ilhas e trilhas do circuito após a revelação com banho químico, como pode ser visto na figura 15. Nessa figura o banho químico estava em andamento e podemos perceber que em volta das ilhas e trilhas, o cobre já estava totalmente exposto e nas regiões onde não há trilhas o filme fotossensível já estava muito mais claro que o resto da placa, até sua retirada completa. As regiões das trilhas e ilhas expostas à luz UV resistiram a esse banho químico, protegendo essas regiões para a futura corrosão com percloreto de ferro.
Figura 15: Remoção do filme fotossensível que não recebeu luz UV.
As placas então tiveram suas ilhas previamente furadas antes da corrosão para evitar que após a corrosão as ilhas mais finas de cobre não resistissem à furação e fossem levantadas pela broca quando a mesma transpassasse a placa empurrando as ilhas da outra face, danificando completamente o circuito.
Com as furações feitas, passamos para a corrosão com percloreto de ferro para retirar a camada de cobre exposta da placa e com o filme fotossensível protegendo o circuito para que essas regiões não sejam corroídas.
Figura 17: Corrosão do cobre exposto e formação das ilhas e trilhas de cobre.
O filme fotossensível de proteção do circuito impresso foi removido como pode ser visto na figura 18.
Obtendo o resultado final do circuito impresso do DELC mostrado na figura
19.
Figura 19: Placa de circuito impresso finalizada.
A figura 20 mostra a placa finalizada após os testes de funcionamento, antes de ser fixada em sua carcaça plástica com botões apropriados para a fácil utilização por parte do usuário do PVICG. Essa placa passou por longos testes e apresentou todo o comportamento que havia apresentado virtualmente nas simulações em software, podendo então considerar essa etapa do trabalho completamente concluída.
3.5.0 Detalhes e Aperfeiçoamento do Sistema (Técnicas Utilizadas para Diminuição de Vazamentos)
Analisando o PVICG de forma global, observamos alguns pontos com potencial de vazamento e outros pontos que constatamos vazamentos de fato, prejudicando assim a precisão das medições.
O principal ponto de vazamento do projeto se encontra entre o êmbolo e a parede do reservatório das seringas.
No Padrão que possuímos atualmente em funcionamento no laboratório, mesmo com todas as válvulas fechadas do sistema, quando colocamos um peso sobre o êmbolo da seringa, o mesmo desce, devido à força exercida por esse peso, tendo assim uma pequena variação de volume em função do tempo, denunciando assim o problema de vazamento encontrado no sistema.
Uma forma de diminuir esse vazamento seria adicionar na saída de cada seringa uma válvula de interrupção, pois quando está se fazendo uma medição nesse padrão, uma seringa faz a variação de volume enquanto as outras ficam inativas e como não existe uma isolação, cada seringa vira um ponto de vazamento no sistema. Com a anulação das seringas que não estão participando da medição, diminuímos bastante a quantidade de vazamento, tendo somente na seringa que estiver em funcionamento.
Devido a esse problema do projeto, o orientador sugeriu fazer a vedação dessa região com mercúrio. Esse procedimento seria feito da seguinte forma:
· Todo o PVICG seria invertido e os êmbolos das seringas ficariam virados para baixo, não sendo mais possível, por esse motivo, fazer a variação de volume da seringa por ação de um peso sobre ela, sendo necessário agora um mecanismo que impulsionasse o êmbolo para cima;
· Dessa forma é possível adicionar uma pequena quantidade de mercúrio no interior de cada seringa para que quando o sistema estivesse instalado de forma invertida, o mercúrio fizesse a vedação completa da região entre o êmbolo e a parede do reservatório da seringa, acabando definitivamente com o problema de vazamento nesta região;
· Com o sistema invertido, tivemos a necessidade de adicionar um mecanismo que impulsionasse o êmbolo para cima a uma velocidade desejada e constante. Então optamos por um sistema contendo motores de passo acionados por
um driver microcontrolado juntamente com uma parte mecânica que transforma o movimento de rotação do motor em movimento linear possibilitando assim a movimentação do êmbolo de forma precisa, como já foi explicado em sessões anteriores.
Fizemos testes também passando silicone por todo êmbolo da seringa para com isso eliminar o vazamento existente nas frestas.
Mais adiante, na seção 4.3.0 se encontram os resultados dos testes dessas técnicas de diminuição de vazamentos.
4.0
Resultados dos Testes Realizados
4.1.0 Testes dos Sistemas Mecânicos Projetados
Fazendo uma comparação entre os dois protótipos e se baseando nos testes realizados no laboratório com cada um dos sistemas, notamos algumas vantagens do segundo protótipo em relação ao primeiro, como um melhor desempenho e precisão conseguida utilizando essa configuração e também é o sistema que mais se aproxima em termos de projeto, com o que é utilizado comercialmente no mercado. Uma outra importante vantagem do segundo projeto é que possui menos partes mecânicas, tornando o sistema além de mais preciso e confiável, mas também ao mesmo tempo mais simples e de mais fácil usinabilidade e conseqüentemente de menor custo em relação ao primeiro projeto.
Com relação às duas versões produzidas do segundo protótipo, a segunda versão com a barra de alumínio obteve um melhor desempenho com relação à primeira versão de nylon, pois teve um deslizamento extremamente suave com muito menos atrito entre as partes do movimentador e permitindo um acoplamento mais confiável com o resto do sistema, enquanto o de nylon aconteceu inúmeros travamentos no meio do percurso durante seu funcionamento e também chegamos à conclusão de que esse tipo de material ia oferecer dificuldades com relação às técnicas de acoplamento.
Foram realizados testes dos movimentadores lineares juntamente com os acoplamentos e seringas, tendo um ótimo desempenho, com todo o sistema funcionando como era esperado.
Observando os resultados dos testes podemos perceber a evolução dos projetos e a eficiência dos constantes aperfeiçoamentos empregados para obtermos com isso o melhor desempenho possível e a máxima precisão. Abaixo seguem as figuras 21, 22 e 23 da última versão de movimentador linear projetada, junto com o sistema de acoplamento:
Figura 21: Última versão dos movimentadores lineares com os acoplamentos, focando o
sistema de acoplamento das seringas.
Figura 22: Última versão dos movimentadores lineares com os acoplamentos, mostrando
Figura 23: Última versão dos movimentadores lineares com os acoplamentos, focando os
acoplamentos dos motores.
4.2.0 Testes Realizados no Dispositivo Eletrônico e Lógico de Controle (DELC)
Os testes realizados no DELC permitiram avaliar sua capacidade de controle da direção e velocidade de rotação.
O DELC permitiu uma velocidade de rotação extremamente baixa em seu nível mais baixo de velocidade. Com isso nos possibilita fazer o sistema trabalhar em faixas de vazões muito baixas e em sua velocidade máxima tivemos uma velocidade de rotação satisfatória, permitindo assim uma variação de volume maior por unidade de tempo, possibilitando medições com vazões de gases maiores.
Em todos os testes de funcionamento, o DELC ofereceu uma velocidade de rotação constante do motor de passo depois de selecionada a velocidade desejada. Essa questão é bastante importante, pois temos que garantir uma variação constante do volume da seringa, para que a vazão de gás não varie em função do tempo.
4.3.0 Testes de Vazamento nas Seringas
Os testes realizados com a técnica de vedação com mercúrio mostraram a total eficiência desse método, eliminando totalmente o vazamento pelas frestas e ao mesmo tempo permitindo um deslizamento suave do êmbolo da seringa. Sendo decidido assim que essa será uma das técnicas empregadas na próxima etapa do projeto de aperfeiçoamento.
Os testes realizados passando silicone por todo êmbolo da seringa para com isso diminuir o vazamento existente nas frestas demonstraram também a eficiência na vedação, praticamente eliminando o vazamento existente, mas o silicone dificultou o trajeto do êmbolo, tornando mais difícil seu movimento. Por essa razão descartamos o uso do silicone, mas consideramos o uso dessa técnica no projeto mudando para a utilização de um óleo de baixa viscosidade, que permitiu um deslizamento extremamente suave.
5.0 Medições e Estudos de seus Resultados
Realizamos medições no Padrão para Vazamentos e Injeção Controlada de Gases atualmente em funcionamento no LTV, de forma manual, ou seja, por meio de pesos para fazer a movimentação do êmbolo da seringa. O equipamento em que foram realizadas essas medições pode ser visto na figura 24.
Figura 24: Padrão absoluto atualmente em funcionamento no LTV.
Essas medições têm o intuito de provar por meio de primeiros princípios a eficiência desse padrão absoluto para vazamentos.
Esse padrão tem como objetivo oferecer um fluxo constante de gás na saída de injeção de gases do sistema. Para isso devemos garantir que o sistema não possua nenhum outro ponto de escoamento de gases a não ser esse ponto na saída de injeção de gases, ou seja, com esse teste queremos provar que o sistema não possui vazamentos e que todo o gás que estava presente no interior da seringa foi totalmente transferido para o resto do sistema, fazendo então com que ocorra o aumento de pressão.
t V P Q D D = (Eq. 3)
Consideramos, a uma dada pressão e tendo uma variação de volume da seringa, que uma quantidade de gás por intervalo de tempo seja deslocada para fora do sistema e que essa quantidade de gás medida pelo padrão seja a mesma que esteja escoando na saída de injeção, assim conseguiríamos calibrar um medidor de vazão conectado ao padrão. Se o sistema tiver algum vazamento nem todo gás presente nesse cálculo teórico estará escoando pela saída de injeção de gases, diminuindo o fluxo de gás real e conseqüentemente prejudicando totalmente a qualidade da calibração.
Nesse teste foram feitas diferentes variações de volume da seringa, ou seja, foram injetadas diferentes quantidades de gás no sistema. Com a injeção de gás no sistema, ocasionará um aumento da pressão e conhecendo os valores de volume inicial e final e os valores de pressão inicial e final, podemos verificar se o padrão está atendendo a equação de Boyle.
Portanto nos baseamos na Lei de Boyle para essa medição:
PiVi = PfVf (Eq. 5) Para esse teste medimos todo o volume interno do padrão para vazamentos, ou seja, volume interno das seringas envolvidas nessa medição, de toda a tubulação e inclusive da parte da coluna de mercúrio conectada ao sistema, onde ocorre a variação de altura da coluna e, portanto a variação do volume nessa região, que deve ser considerada.
A pressão inicial (Pi) foi fixada em 703 torr, sendo esse valor da pressão atmosférica em São Paulo.
O volume inicial (Vi) é o valor da soma de todos os volumes internos do sistema, incluindo o volume interno da seringa que estará em ação na variação de volume.
A pressão final (Pf) será a pressão que indicará o medidor, no caso a coluna de mercúrio, após a variação de volume da seringa.
O volume final (Vf) é o valor da soma de todos os volumes internos do sistema, incluindo o volume referente ao deslocamento da coluna de mercúrio e não considerando o
ml PV inicial PV final 0,4 4,395411349 4,38605495 0,6 4,414158015 4,414229886 0,8 4,432904682 4,428331481 1 4,451651349 4,442442527 1,2 4,470398015 4,456563023 1,4 4,489144682 4,470692971 1,6 4,507891349 4,49898122 1,8 4,526638015 4,51313952 2 4,545384682 4,527307272 2,2 4,564131349 4,541483814 2,4 4,582878015 4,555671128 2,6 4,601624682 4,569867233 2,8 4,620371349 4,598287795 3 4,639118015 4,612512252 4 4,732851349 4,698057467 5 4,826584682 4,769605047 6 4,920318015 4,870168599 7 5,014051349 4,942283237 8 5,107784682 5,029130073 9 5,201518015 5,116322365 10 5,295251349 5,218473678 11 5,388984682 5,321088088 12 5,482718015 5,394667624 13 5,576451349 5,468483434 14 5,670184682 5,557374288 15 5,763918015 5,646605376 16 5,857651349 5,721224518 17 5,951384682 5,826081886 18 6,045118015 5,901274455 19 6,138851349 5,991809775 20 6,232584682 6,067515777 21 6,326318015 6,173901119 22 6,420051349 6,250174178 23 6,513784682 6,326683511 24 6,607518015 6,434193518 25 6,701251349 6,526713539 26 6,794984682 6,604073458
Tabela 3: Valores calculados baseados nos dados coletados da medição para
Comprovação da Lei de Boyle
y = 0,9216x + 0,3357 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 PV inicial P V f ina lGráfico 1: Gráfico referente aos dados da tabela 3.
Podemos comprovar que o sistema está de acordo com a lei de Boyle, pois a curva do gráfico possui uma inclinação próxima de 45°, ou seja y = x, portanto
f f i iV P V
P = .
Como pode ser observada, a linha de tendência para os pontos da tabela gerou uma curva que atende a equação 6:
y = 0,9216x + 0,3357 (Eq. 6)
Essa equação mostra um pequeno erro, onde os valores de y serão sempre menores que os valores x, partindo da pressão atmosférica como pressão inicial, ou seja, PV final será sempre menor que PV inicial, como pode ser comparado nos valores da
Se alguma quantidade de gás saiu por um suposto vazamento no sistema, a pressão deverá baixar resultando em um valor menor de pressão final, fazendo com que o valor de PV final também seja menor, explicando esse resultado obtido.
Mas como a equação de Boyle não possui apenas a variável pressão, mas possui também a variável volume, poderia ser a questão da capacidade exata de determinação do volume a resposta para esses resultados.
Então foi proposta a determinação do volume interno do PVICG da seguinte forma, a partir da lei de Boyle:
PiVi = PfVf (Eq. 5)
Pi(VS +VT)=Pf(VT +VC) (Eq. 7)
Sendo:
VS – Volume interno da seringa em funcionamento. VT – Volume interno da tubulação do sistema.
VC – Volume interno da região em que ocorreu a variação de altura da coluna de mercúrio após a injeção de gás.
Podemos com isso fazer os seguintes desdobramentos:
C f T f T i S iV PV PV PV P + = + T i T f C f S iV PV PV PV P - = -) ( f i T C f S iV PV V P P P - = -) ( f i C f S i T P P V P V P V -= ) ( P V P V P VT atm S f C D -= (Eq. 8)
Dessa forma, partindo dos valores obtidos nas medições podemos fazer a determinação do volume do sistema de forma muito mais precisa por meio da equação 8, pois temos o valor de pressão inicial, que é a pressão atmosférica, temos o valor dos
volumes internos da seringa em questão e da região do tubo U onde variou a coluna de mercúrio, que são de fácil obtenção, juntamente com o valor da pressão final acusada na coluna de mercúrio.
O valor de volume interno do sistema medido inicialmente e que foi utilizado nos cálculos para obtenção da tabela 3 e conseqüentemente do gráfico 1 foi de: 46,5 cm3.
Com esse novo método de obtenção de volume conseguimos obter o volume interno do sistema a cada medida realizada, gerando a tabela 4:
ml VT 0,4 64,03597 0,6 46,42553 0,8 49,92281 1 52,24842 1,2 53,90451 1,4 55,14215 1,6 49,83421 1,8 51,09467 2 52,1421 2,2 53,02567 2,4 53,78047 2,6 54,43228 2,8 51,36429 3 52,03578 4 51,92946 5 53,86098 6 51,71682 7 53,05709 8 52,76836 9 52,52093 10 51,29154 11 50,29313 12 51,0789 13 51,75113 14 51,58981 15 51,4359 16 51,93552 17 51,14506 18 51,58177 19 51,41623 20 51,78364 21 51,10235 22 51,43127
Obtemos o seguinte valor de VT médio por meio da equação 8:
VT = (52,1 ± 2,5) cm3
Dessa forma conseguimos determinar o volume interno do sistema de forma muito mais precisa, calculando a média do volume com os dados das 37 medições realizadas.
Reconstruindo a tabela 3, da constatação da lei de Boyle no sistema, mas agora com o novo valor de VT muito mais confiável, por meio da equação 8, obtemos a tabela 5 e o gráfico 2, utilizando a equação 7.
Pi(VS +VT)=Pf(VT +VC) (Eq. 7) ml PV inicial PV final 0,4 4,921909247 4,915548568 0,6 4,940655913 4,946719225 0,8 4,95940258 4,96231868 1 4,978149247 4,977927586 1,2 4,996895913 4,993545943 1,4 5,01564258 5,009173751 1,6 5,034389247 5,040457721 1,8 5,053135913 5,056113882 2 5,07188258 5,071779494 2,2 5,090629247 5,087453896 2,4 5,109375913 5,10313907 2,6 5,12812258 5,118833035 2,8 5,146869247 5,150249318 3 5,165615913 5,165971635 4 5,259349247 5,260504012 5 5,35308258 5,339540893 6 5,446815913 5,450589468 7 5,540549247 5,530193407 8 5,63428258 5,626027405 9 5,728015913 5,722206859 10 5,821749247 5,834843194 11 5,91548258 5,947942627 12 6,009215913 6,029011464 13 6,102949247 6,110316576 14 6,19668258 6,208194591 15 6,290415913 6,306412841 16 6,384149247 6,388521284 17 6,47788258 6,503863675 18 6,571615913 6,586545545 19 6,665349247 6,686068027 20 6,75908258 6,76926333 21 6,852815913 6,886133695
22 6,946549247 6,969896055
23 7,04028258 7,05389469
24 7,134015913 7,171889718
25 7,227749247 7,273396902
26 7,32148258 7,358246123
Tabela 5: Valores calculados baseados nos dados coletados da medição para
comprovação da lei de Boyle, com o valor de volume interno corrigido.
Comprovação da Lei de Boyle
y = 1,0153x - 0,0805 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 PV inicial P V f ina l
Gráfico 2: Gráfico referente aos dados da tabela 5.
Agora a curva de tendência está muito mais próxima de 45°, ou seja y = x, portanto PiVi =PfVf .
Como pode ser observada, a linha de tendência para os pontos da tabela gerou uma curva que atende a equação 9:
6.0 Conclusão
O equipamento foi todo projetado incluindo novas técnicas desenvolvidas e adicionadas no projeto do PVICG para a diminuição de vazamentos para que com isso ocorra o aumento na precisão das medições, fazendo desse modo o aprimoramento do projeto. Foram feitos também melhoramentos em toda disposição do equipamento, para uma melhor utilização por parte do usuário.
Com o sistema pronto, passamos para a parte de automatização do PVICG. Decidimos utilizar motores de passo para fazer o controle de variação de volume da seringa por causa da boa precisão que esse tipo de motor oferece e por esse motivo tivemos a necessidade de utilizar um sistema de controle desses motores que intitulamos de DELC que nos permitisse uma variação de velocidade desses motores conforme o desejado, possibilitando o equipamento trabalhar com amplo range de vazões, inclusive baixas vazões de gás. O DELC construído funcionou de acordo com as simulações realizadas em softwares.
Como esses motores oferecem um movimento rotacional, tivemos a necessidade de projetar ainda um outro sistema que transformasse esse movimento rotacional em linear. Projetamos dois tipos diferentes de movimentadores lineares que passaram por vários testes no LTV, sendo escolhido o segundo protótipo devido aos seus melhores resultados apresentados em todos os testes.
As técnicas empregadas para a diminuição de vazamentos foram testadas com sucesso, sendo os mesmos praticamente eliminados, aumentando assim a precisão das medições e a confiabilidade das calibrações obtidas por esse padrão, sendo esse assunto fundamental na área de metrologia.
Os trabalhos foram feitos para a indústria, uma vez que identificamos a necessidade de existir no Brasil uma bancada capaz de determinar baixas vazões, sendo os padrões de vazamentos os mais promissores mercados imediatos.
7.0 Bibliografia
- Nussenzveig, H.M., Curso de Física Básica, Volume 2, 4a Edição Revisada, 2002. Editora Edgar Blücher Ltda.
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- Moran, M.J., Shapiro, H.N., Munson, B.R., Dewitt, D.P., Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos: Termodinâmica, Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor, 2005. Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.
- Moutinho, A.M.C, Silva, M.E.S.F., Cunha, M.A.C.M.I., Tecnologia de Vácuo, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia.
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- Nicolosi, D.E.C., Laboratório de Microcontroladores Família 8051 – Treino de instruções, Hardware e Software, 5° Edição Remodelada, 2006. Editora Érica.
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- Atmel Microcontroller AT89S8252 In-System Programming – Application Note (0898A-A-12/97).
Apêndice A
Nesse apêndice é apresentado o programa em linguagem Assembly para o microcontrolador 8051, com a função de comandar um motor de passo, permitindo um controle preciso de sua velocidade de rotação, podendo também determinar o sentido de rotação e escolhendo os modos meio passo e passo completo.
;************************************************************************************************************* ;FATEC-SP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO PAULO
;LTV - LABORATÓRIO DE TECNOLOGIA DO VÁCUO ;
;Curso:
;MPCE - MATERIAIS, PROCESSOS E COMPONENTES ELETRÔNICOS ;
;Título do trabalho:
;APRIMORAMENTO E AUTOMATIZAÇÃO DE PADRÃO PARA VAZAMENTOS E INJEÇÃO CONTROLADA DE GASES ;
;Autor:
;HERMES SANTANA NEVES ; ;Título do programa: ;CONTROLADOR DELC ;************************************************************************************************************* ;**************************************** INICIALIZAÇÃO DO SISTEMA **************************************** ;************************************************************************************************************* ORG 000H ; RA EQU 030H RB EQU 031H RC EQU 032H RE EQU 033H RF EQU 034H RG EQU 035H RH EQU 036H RJ EQU 037H ; MOV RA,#0FFH MOV RC,#0FFH MOV RF,#0FFH MOV RG,#008H MOV 020H,#000H MOV SP,#037H ; EM_ESPERA1: JNB P1.0,DELC_LIGADO SJMP EM_ESPERA1 ;************************************************************************************************************* ;************************************************* LIGA DELC ************************************************ ;************************************************************************************************************* DELC_LIGADO: CPL 000H ; SOLTA_LIGA1: JNB P1.0,SOLTA_LIGA1 ;************************************************************************************************************* ;************************************** ROTAÇÃO EM MODO MEIO PASSO ************************************** ;************************************************************************************************************* INICIA_MP: MOV RH,#00010001B JB 002H,RJ_PARA_RL MOV RJ,#10011001B RETORNA_MP1: MOV P2,RH LCALL ATRASO MOV P2,RJ ;
MEIO_PASSO: LCALL ATRASO
MOV P2,RJ SJMP MEIO_PASSO ; RJ_PARA_RL: MOV RJ,#00110011B SJMP RETORNA_MP1 ; RL_MP_1: RL A SJMP RETORNA_MP2 ; RL_MP_2: RL A SJMP RETORNA_MP3 ;************************************************************************************************************* ;*********************************** ROTAÇÃO EM MODO PASSO COMPLETO *********************************** ;*************************************************************************************************************
INICIA_PC: MOV RH,#00010001B
MOV P2,RH
;
PASSO_COMPL: LCALL ATRASO
MOV A,RH
JB 002H,RL_PC
RR A
RETORNA_PC: MOV RH,A
MOV P2,RH SJMP PASSO_COMPL ; RL_PC: RL A SJMP RETORNA_PC ;************************************************************************************************************* ;******************************************* SENTIDO DE ROTAÇÃO ******************************************* ;************************************************************************************************************* SENTIDO_ROT: JB 001H,BT_PC_MP SETB 001H CPL 002H MOV SP,#037H JB 004H,INICIA_PC LJMP INICIA_MP ;************************************************************************************************************* ;************************************** PASSO COMPLETO E MEIO PASSO ************************************** ;************************************************************************************************************* PASSO_PC_MP: JB 003H,FUNCIONANDO SETB 003H CPL 004H MOV SP,#037H JB 004H,INICIA_PC LJMP INICIA_MP ;************************************************************************************************************* ;******************************************* LIGA E DESLIGA DELC ******************************************** ;************************************************************************************************************* LIGA_DESLIGA: MOV P2,#000H ; SOLTA_LIGA2: JNB P1.0,SOLTA_LIGA2 CPL 000H JB 000H,FUNCIONANDO ; EM_ESPERA2: JNB P1.0,SOLTA_LIGA2 SJMP EM_ESPERA2 ;************************************************************************************************************* ;************************** ATRASO E VERIFICAÇÃO DE ACIONAMENTO DOS BOTÕES *************************** ;*************************************************************************************************************
ATRASO: MOV RE,RC
;
ATRASO_1: MOV RB,RA
; BOTAO_LIGA: JNB P1.0,LIGA_DESLIGA ; BT_MAIS_VEL: JNB P1.1,MAIS_VELO ; BT_MENOS_VEL: JNB P1.2,MENOS_VELO ; BT_SENT_ROT: JNB P1.3,SENTIDO_ROT CLR 001H ; BT_PC_MP: JNB P1.4,PASSO_PC_MP CLR 003H ; FUNCIONANDO: DJNZ RB,BOTAO_LIGA
